Автоматический фотометр

Автоматический фотометр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ОЗЛЬСТВУ, «»817487 (61) Дополнительное к авт. саид-ву— (22) Заявлено 030579 (21) 2160978/18-25 с присоединением заявкм ЙУ— (23) Приоритет

РЦМ К„з

6 01 Я 1/44

ГесудаРстаенныЯ немнтет

СССР нв делам нзобретеннЯ н юткрытнЯ

Опубликовано 3003.81. бюллетень HL12 (53) УД (621. 383. 4 (088.8) Дата опубликования описания 050481

r (72),Автор изобретения

Г а сь- С() К.-.:,,:,:.:.

I ,С»

f Ö äис

А. Б. Немировский (71) Заявитель (54) АВТОМАТИЧЕСКИЙ ФОТОМЕТР где

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения коэффициента пропускания света полупрозрачных сред (газообразных, жидких, твердьос);

Известен автоматический фотометр, содержащий источник излучения, кювету, оптический ослабитель, фотоприемник и схему электрической автокомпенсации f1) . о

Однако поскольку обратчая связь на ослабитель в подобных устройствах осуществляется механически илм электромеханмчески, они являются медлеино.действующими. Это не позволяет иссле- 1э довать оптические характеристики сред с быстро меняющимися во времени характеристиками.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является автоматический фотометр $2), содержащий источник излучения с системой пространственного сканирования, щир» .му, разделяющую сканируемое пространство на измерительную и эталонную эоны, кювету,цля исследуемой срецы и подстроечный оптический ослабитель, помещенные в измерительной зоне, фотоприемник, включенный на вхо,це схемы электрической автокомпенсации раэбаланса и генератор временной развертки сканируяхаего луча регулируемой длительности, один из входов которого подключен к выходу схемы синхронизации. По второму вхоцу осуществляется, регулирование,цлительности разверки при исходной настройке автоматического фотометра, предшествующей измерениям. На одну из половин экрана электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) наносится непроз-. рачная маска. Смещаясь относительно ее по "вертикали в направлении, перпендикулярном;временной развертке ЭЛТ, сканирующий луч доходит до такого положения, когда регистрируеваяе энергии в измерительном (Эн) н эталонном (3 > каналах становятся ,равны

Эе Эв ° " и ⻠— сила света источника излучения; — коэФФициент пропускания света исследуемой среды;

t® — время, в течение которого сканирующий луч находнтся в зонах измерительного н эталонною каналов соответственно.

817487

Отсюда л h

Н о гце h tV

3 длина развертки, проходимая световым пятном.на экране ЭЛТ вне маски в .эталонном канале при балансе энергий; 10

Н t „ V — длина развертки, проходимая световым пятном на экране ЭЛТ в измерительном канале;

V — скорость сканирования >g лучом поверхности экрана ЭЛТ.

При отсчете измеренного значения коэффициента светопропускания среды определяют амплитуду напряжения отклонения луча на выходе схемы автокомпенсации разбаланса

U = k,, 25 где k — коэффициент . пропорциональнос-, TH °

Недостатком устройства является снижение точности измерения в широком диапазоне оптических плотностей исследуемых сред, связанное с применением ЭЛТ для,двумерного сканирования пространства по вертикали и горизонтали. Вознйкновение укаэанного недостатка объясняется тем, что изменение дефокусировки изображения светового пятна на экране ЭЛТ, его энергии-и конфигурации при совместном смещении пятна на горизонтали и вертикали, обусловленное астигматизмом отклоняющей системы, приводит к нару- 40 шеиию начального баланса схемы, достигаемого подстроечным ослабителем при нулевом вертикальном отклонении линии развертки. Кроме того, нелинейность отклонения луча по вертикали и изме- 45 нение е з в процессе эксплуатации привоцит к возникновению погрешности измерения, связанной с градуировкой шкалы прибора. .Цель изобретения †. повыаение точности измерения.

Указанная цель,цостигается тем, что в известном автоматическом фотометре, содержащем источник излучения с системой пространственного сканирования, ширму, разделяющую сканируемое пространство на измерительную и эталонную зоны, кювету,цля исследуемой среды и подстроечный оптический ослабитель, помещенные в измерительной зоне, фотоприемник, включенный 60 на вхоце схемы электрической автокомпенсации разбаланса, и генератор временной развертки сканирующего луча регулируемой длительности, один из вхоцов которого подключен к выходу 65

ty+ <э + > tg+ з,» при Эи > Ээ; с„+ еэ; с,си+ „, при 3и с Ээ;р)

tg+ t3jp) -tg+ йз,» при Эн « Ээ» Р +1 =,где t„, с„ „ — обозначение соответст1вующего момента времени. схемы синхронизации, второй вход генератора временной развертки подсоединен к выходу схемы электрической автокомпенсации разбаланса.

На. фиг. 1 приведена блок-схема автоматического фотометра; на фиг. 2 — . пример реализации схемы электрической автокомпенсации разбаланса. йвтоматический фотометр содержит источник 1 излучения, схему 2 пространственного сканирования, ширму 3, кювету 4 для исследуемой среды, поцстроечный ослабитель 5, оптические линзы б и 7, поворотные зеркала 8 и

9, фоточувствительный элемент 10, генератор 11 временной развертки светоного луча, схему 12 электрической автокомпечсации разбаланса, схему 13 синхронизации.

Интенсивный источник 1 излучения (например оптический квантовый. генератор непрерывного излучения) служит для соз,цания светового потока при фотометрировании исследуемой среды.

Схема 2 предназначена,цля одномерного пространственного сканиронания светового луча в заданных пределах по закону, определяемому подаваемым на ее вход управляющим сигналом. Схе,ма может быть реализована в виде высокочастотного (малоинерционного) зеркального гальванометра, зеркальце которого освещается источником 1.

Вход схемы 2 соединен с выходом генератора 11 временной развертки. Ширма

3, выполненная в виде непрозрачного экрана, устанавливается перед источником излучения, служит для разделения сканируемого пространства на эоны,соответствующие измерительному и эталонному каналам. Кювета 4,цля исследуемой срецы размещается в зоне из мерительного канала. Ослабитель 5 предназначен для начальной балансировки обоих каналов при отсутствии в измерительном канале кюветы. Оптические линзы б и 7 фокусируют световое,излучение, которое направляется поворотными зеркалами 8 и 9 на светочувствительную поверхность фотоэлемента 10.

Фоточувствительный элемент 10 (Например фотоумножитель) преобразует световой поток в электрический сигнал.

Выход его соединен с одним из входов схемы 12.

Генератор 11 предназначен,цля формирования сигнала развертки луча, длительность которого tpB момент баланса энергий (Эи = ЭЭ) опрецеляется алгоритмом работы, описываемым уравнением

817487 4+4 Г» р 3 при Эи z Э i (3) при Эи= Э., (5) и ; в0, Устройство работает олецующим образом. в исходном состоянии, соответствующем отсутствию кюветы 4 с исследуемой средой в измерительном канале, луч света источника 1 периодически сканируется схемой 2 в определенном угловом секторе пространства. Оптическое иэображение источника света, сфокусированное линзами 6 и 7 и на-, правленное зеркалами 8 и 9 на. фотоэлемент 10, осуществляет одномерное сканирование его светочувствительной площадки. Подстроечный ослабитель 5 находится в.таком положении, при котором энергии Э> и Эи равны.

Генератор может быть реализован в виде последовательного соединения широтно-импульсного модулятора и интегратора. Вход модулятора подключен к схеме 13 синхронизации Выхо.ц генератора соединен со входом схемы 2 5 одномерного сканирования..

Схема 12 управляет работой генератора 11 в соответствии с уравнением, аналогичным (2)

U +< >0, при Эи Ъ Э t0 где 0„, U „ — выходное напряжение

15 схемы 12 в соответствующий момент времени.

Схема преднаэначейа для электрической автокомпенсации разбаланса из- 2О мерительного и эталонного каналов.

Длительность импульсов е „ пропорциональна напряжению U; где в — коэффициент пропорциональности.

Один иэ входов схемы 12 соединен с выходом схемы 13 синхронизации, рр второй вход подключен к фотоэлементу

10. Выхоц схемы автокомпенсации подключен ко второму входу генератора 11.

Схема электрической автокомпенсации разбаланса содержит ключевую схему 14, генератор 15 ступенчатого напряжения (ГСН), реверсивный счетчик (РСЧ) 16, цифроаналоговый преобразователь (trpb) 17, схему 18 определения знака разбаланса (СОЭ), сумматор

19, широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 20, интегратор 21.. Ключевая схема 14 служит для управления прохождением импульсов синхро- 45 ниэации на вход ГСН 15. Один иэ входов схемы соединен с выходом схемы синхронизации 13, второй вход - с выходом СОЗ 18. Выход ключевой схемы подключен ко входу генератора 15 сту- 50 пенчатого напряжения. При нулевом сигнале на выкоде схемы определения знака разбаланса ключевая схема разомкнута, при ненулевом сигнале - замкнута.

Схема 15 предназначена для форми-. рования ступенчатого напряжения, управляющего перестройкой. длительности генератора 11 временной развертки.

Выход схемы соединен с одним из входов сумматора 19. ГСН реализован в ви-60 де последовательного соецинения реверсивного счетчика 16 и ЦАП 17. Управление режимом работы генератора (ступенчатое нарастание нли спац напряжения) осуществляется в зависимости 65 от знака выходного сигнала СОЗ 18 в соответствии с уравнением г + с 0г» при Ъ "-1 ф(41

О, при U "0", е где U. 0 . †. напряжение i-й и (i + 1)-й ступеньки на выходе ГСН;

О. — напряжение на выходе

Соз . 18

"1" — уровень сигнала логической единицы.

Напряжению 0 "1" соответствует направление прямого счета входных импульсов РСЧ, 0 "-1" — обратного счета.

Схема 18 служит для формирования сигналов, управляющих перестройкой

ГСН. Алгоритм ее работы определяется уравнением

"1", при Э. > Э<, U 0 р при Эз а Э) у

"-1" при ЭЭ с Э> ° где "0" — уровень логического нуля.

Устройство может быть реализовано .. с применением двух интеграторов, вычысляющих значения Эй и Эи, схемы вычитания и логических схем типа ИЛИИ-НЕ. Выход схемы соецинен с i ним иэ входов РСЧ 16.

Сумматор 19 предназначен для сложения опорного напряжения Uy с формируеиам на выходе ГСИ сигналом. Выхоцнов напряжение сумматора М,;+„

00 — U< +» . Оба входа сумматора соединены с выхоцами .ЦАП 17 и источником опорного напряжения. Выход сумматора поцключен ко входу шИИ 20.

Схема 13 служит для синхронизации работы автоматического фотометра. Ее выход соединен со входами генератора ,11 временной развертки (с оцним из входов МИИ 20) и схемы 12 автокомпенсации (с одним из входов ключевой схемы 14),.

При этом сигнал разбаланса, формиру. емый СО3 18 .(фиг. 2), равен нулю.

Ключевая схема 14 разомкнута. Напряжение на выходе ГСН равно нулю. Под действием опорного напряжения 0о широтно-иьйульсный модулятор 20.формирует импульсы длительностью.i . Напряжение на выхоце интегратора 21

Имеет форму пилообразного сигнала той же длительности Время t > пребывания светового пятна в измерительной (g зоне равно

При установке кюветы 4 в измерительном канале баланс энергий светового потока нарушается. Ээ > Эц. В соответствии с алгоритмом работы

С03 18 (уравнение 5) на ее выхоце вырабатывается сигнал "1", реверсивный счетчик 16 переключается в направление прямого счета. Ключевая схема 14 замыкается, последовательность импульсов с выхода схемы 13 26 синхронизации поступает на вхоц РСЧ

16 и преобразуется с помощью ЦАП 17 в ступенчатое нарастающее напряжение, полярность которого противоположна

0 . Ступенчатое уменьшающееся напряжение на выходе сумматора 19 преобразуется с помощью ШИМ 20 и интегратора 21 в последовательность пилообразных импульсов уменьшающейся длительности развертки луча. Уменьшение происходит до тех пор, пока в сооТветствии с уравнением (2} не будет достигнут баланс энергий. Выходное напряжение СОЗ 18 становится равным нулю, ключевая схема 14 размыкается.

При этом выходное напряжение схемы

12 электрической автокомпенсации (фиг. 1) на выхоце сумматора 19 в соответствии с уравнением (1) оказывается пропорциональным измеряемому параметру. 40

При увеличении прозрачности нссле,цуемой среды равенство энергий световых потоков нарушается Э с Э . В соответствии с уравнением (5} на выходе СОЗ., 18 формируется сигнал "1", Ключевая схема 14 заьыкается, РСЧ 16 переключается в направлении обратного счета. Напряжение на выходе ЦАП иачинает снижаться, на выходе сумма.тора 19 — нарастать. Этому соответствует увеличение-длитель."ости развертки на выходе генератора 11. В момент баланса энергий выхоцной сигнал СОЗ 18 равен "0 . Ключевая схема

14 размыкается, длительность разверт-! ки становится равной Р, соответствующей изменившемуся коэффициенту пропускания " . При этом напряже-. ние на выходе сумматора 19 О

В,цальнейшем при изменении оптической плотности исследуемой среды процесс перестройки происходит аналогичным образом.

Предлагаемый фотометр позволяет повысить точность измерения, в особен. ности, при широком диапазоне изменения оптических толщин исследуемых сред. Это достигается благодаря тому, что полностью устраняются погрешности, связанные с,цефокусировкой луча, нелинейиостью смещения луча по "вертикали" и т.,ц. Одновременно с этим повышается нацежность работы и упрощается схема фотометра, так как отсутствует ..необходимость применения электронно-лучевого инцикэтора. В свою очередь, это приводит к тому, что за счет упрощения источника излучения и схема» сканирования его стоимость снижается.

Формула изобретения

Автоматический фотометр, содержащий источник излучения с системой пространственного сканирования, ширму, разделяющую сканируемое пространство на измерительную и эталонную эоны, кювету для исследуемой среды и подстроечный оптический ослабитель, помещенные в измерительной зоне, фотоприемник, включенный на входе схемы электрической автокомпенсации разбаланса, и генератор временной развертки сканирующего луча регулируемой,цлительности, оцин из входов которого подключен к выходу схемы синхронизации, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерения, второй вход генератора временной развертки подсоединен к выходу схемы электрической автокомпенсации разбаланса.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Литвак В.И., Фотоэлектрические ,цатчики в системах контроля, управления и регулирования. И., "Наука", 1966, с. 337.

2. авторское свидетельство СССР

9 275456, кл. G 01 J 1/04, 1970 (прототип).