Фотометр

 

Изобретение относится к электрическим схемам фотометров и может быть использовано для спектральных и количественных фотометрических измерений малых световых потоков. Цель изобретения - повышение точности измерений пороговых сигналов. Фотометр содержит обтюратор 1, фотоприемник 2, измерительный усилитель 3, операционный усилитель 5, к инверсному входу которого подсоединены два объединенных общим шиводом резистора 6 и 7 одного номинала, интегратор 9 с запоминающей обратной связью, образованный интегрирующим усилителем 10, ключом

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19 SU (H> 1

А1 (5в 4 G 01 J 1/44

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1

Фин 4

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4251578/31-25 (22) 29.05.87 (46) 15.12.88. Бюл. У 46 (71) Ленинградский электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина) и Ленинградское научно-производственное объединение медицинской лабораторной техники (72) Л.И.Иуравник, Н.М.Сафьянников, В.Б.Смолов и E.Ï.Óãðþìoâ (53) 535.241(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 628411, кл. G 01 J 1/44, 1978.

Авторское свидетельство СССР

Р 1048332, кл. G 01 J 1/44, 1981. (54) ФОТОМЕТР (57) Изобретение относится к электрическим схемам фотометров и может быть использовано для спектральных и количественных фотометрических измерений малых световых потоков ° Цель изобретения — повышение точностж измерений пороговых сигналов. Фотометр содержит обтюратор 1, фотоприемник 2, измерительный усилитель 3, операционный усилитель 5, к инверсному входу которого подсоединены два. объединенных общим выводом резистора 6 и 7 одного номинала, интегратор 9 с запоминающей обратной связью, образованный интегрирующим усилителем 10, ключом

14 выборки 11, буферным усилителем 12, резисторами 13, 14 и конденсаторами

15, 16, а также регистрирующее устройство 17. Ключи 4, 8, 11, 18, 19, 20 соединены через кинематические связи с обтюратором 1. В первой половине цикла модуляции обтюратор 1 пропускает световой поток, а на интегра44622 тор 9 поступает неинвертированный сигнал..В интервале времени прерывания светового потока организованы два равных такта с взаимно обратными коэффициентами инвертирования входного сигнала интегратора 9. Этим обеспечивается более точная кбмпенсация аддитивных помех. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится.к фотометрии и может быть использовано для спектральных и энергетических измерений малых световых потоков.

Цель изобретения — повышение точности измерений пороговых сигналов.

На фиг.1 приведена схема фотометра; на фиг.2 — диск обтюратора.

Фотометр содержит установленный за обтюратором 1 фотоприемник 2, подключенный через измерительный усилитель 3 к коммутирующему входу первого ключа 4, операционный усилитель 5, к инверсному входу которого подсоеди-15 нены два объединенных общим выводом резистора б и 7 одного номинала, а выход через второй ключ 8 соединен с входом интегратора 9 с запоминающей обратной связью, образованного интегри- 20 рующим усилителем 10, ключом 11 выборки, буферным усилителем 12, резисторами 13 и 14 и конденсаторами

15 и 16.

Выход интегратора 9 соединен с 25 входом регистрирующего устройства 17.

Управляющие входы второго ключа 8 и ключа 11 выборки интегратора 9 через первую и вторую кинематические связи соединены с.обтюратором 1. 30

Фотометр содержит также четвертый

18, пятый 19 и шестой 20 ключи, причем коммутирующий вход четвертого ключа 18 соединен с выходом измерительного усилителя 3, выходы первого

4 и четвертого 18 ключей подсоединены к выводам соответственно первого 6 и второго 7 резисторов и через соответственно пятый 19 и шестой 20 ключи к входу интегратора 9, а управля«40 ющие входы первого 4 и шестого 20, четвертого 18 и пятого 19 ключей попарно объединены и через третью и четвертую кинематические связи соединены с обтюратором 1. Обтюратор может быть выполнен электромеханическим с модулирующим диском (позицией 21 на фиг,2 обозначена щель для модуляции измеряемого светового потокаФ„, ).

Кинематические связи, обеспечивающие преобразование угла поворота обтюратора в управляющие сигналы для ключей, можно выполнить с помощью щелей и оптопар: щель 22 — для управления ключом 8, щель 23 — для управления ключами 4 и 20," щель 24 — для управления ключами 18 и 19; прорезь 25— для управления ключом 11 выборки.

Устройство работает следующим образом.

Пусть в исходном состоянии обтюратор 1 прерывает измеряемый световой поток Ф„ „, ключи 8, 18 и 19 замкнуты, а ключи 4, 11 и 20 разомкнуты.

С выхода интегратора 9 на вход регистрирующего устройства 17 передается напряжение, хранящееся на конденсаторе 16.

В интервале времени О, Т/2, где Т— период модуляции светового потока об-. тюратора 1, измеряемый световой поток У„ поступает на фотоприемник 2.

В этом интервале ключи 4, 18-20 замкнуты, а ключ 8 разомкнут управляющими сигналами от обтюратора 1 через соответствующие кинематические связи.

Электрический сигнал с выхода фотоприемника 2, имеющий паразитную аддитивную составляющую в виде темнового тока, усиливается измерительным усилителем 3 и через замкнутые ключи 4, 18-20 поступает непосредственно на вход интегратора 9 с запоминающей об3 14446 ратной связью. При этом аддитивная параэитная составляющая сигнала на входе интегратора 9 определяется темновым током фотоприемника 2, внешней

5 наводкой на кабель между фотоприемником 2 и усилителем 3, а также смещением нуля собственно усилителя 3.

Конденсатор 15 в обратной связи интегрирующего усилителя 10 заряжен под влиянием разности токов, обусловленных входным сигналом интегратора 9 (через резистор 13) и сигналом с конденсатора 16 (через буферный усилитель 12 и резистор 14).

В интервале времени Т/2; Т обтюратор 1 прерывает измеряемый световой поток „„ц . Ключи 4, 8, 18-20 управляются обтюратором 1 через соответствующие кинематические связи так, что в интервале времени Т/2; 3 4Т ключи 4, 8 и 20 замкнуты, а ключи 18 и 19 разомкнуты. Напряжение с выхода измерительного усилителя 3 через 25 замкнутый ключ 4 и резистор 6 поступает на инверсный вход операционного усилителя 5.

Напряжение с выхода операционного 30 усилителя 5 через замкнутый ключ 8 поступает на вход интегратора 9, а также через замкнутый ключ 20 и резистор 7 на инверсный вход операционного усилителя 5. Таким образом, опе- 35 рационный усилитель 5 совместно с резисторами 6 и ? на данном интервале

22

Таким образом, операционный усилитель

5 совместно с резисторами б и 7 на данном интервале времени (3/4 Т, Т) обеспечивает инвертирование выходного напряжения измерительного усилителя

3. При этом резистор 7 включен между выходом измерительного усилителя 3 и входом операционного усилителя 5, а резистор 6 — между входом и выходом операционного усилителя 5.

Выборка результатов интегрирования выполняется один раэ в периоде замыканием на время t (c Т ключа 11 по управляющему сигналу от обтюратора 1 через кинематическую связь. При этом напряжение, хранящееся на конденсаторе 16, через буферный усилитель 12 передается на регистрирующее устройство 17, а также через резистор 14 на вход интегрирующего усилителя 10.

В последующие периоды (КТ; (К+1) Т) модуляции обтюратором 1 светового потока Р„ процесс работы устройства повторяется. Здесь К = 1, 2, 3... Величина выходного напряжения, регистрируемого устройством 17, в установившемся режиме представляет собой среднее за период модуляции значение напряжения на входе интегратора 9 с запоминающей обратной связью.

Состояния ключей, однозначно задаваемых обтюратором, по интервалам времени в течение периода модуляции Т приведены в таблице, где 3 обозначает замкнутое состояние ключа, а P — разомкнутое. времени (Т/2; 3/4 Т) обеспечивает инвертирование выходного напряжения измерительного усилителя 3. При этом резистор 6 включен между восходом измерительного усилителя 3 и входом операционного усилителя 5, а резистор 7 — между входом и выходом операционного усилителя 5.

В интервале времени 3/4Т, Т ключи 8, 18 и 19 замкнуты, а ключи 4 и

20 разомкнуты под воздействием управляющих сигналов от обтюратора 1 через кинематические связи. Напряжение с выхода измерительного усилителя 3 через замкнутый ключ 18 и резистор 7 поступает на инверсный вход операционного усилителя 5. Напряжение с выхода операционного усилителя 5 через замкнутый ключ 8 поступает на вход интегратора 9, а также через замкнутый ключ 19 и резистор 6 на инверсный вход операционного усилителя 5 °

Г

Интервалы

40 вРемени

Состояние ключей

4 8 18 19 20

0; Т/2 3 P 3 3 3

45 T/2; 3/4Т 3 3 P P 3

3/4Т, Т Р 3

3 3 P

При выполнении условия t Т фаза замыкания ключа 11 на результат не влияет.

В основу построения устройства положен принцип аналоговой компенсации

55 влияния аддитивной помехи на результат измерения с двухтактным формированием интегрального компенсирующего сигнала на основе интегрируемого напряжения в темновой паузе в процессе

Т!2 И4Т т т(2

-1 U,dt+- < и„dt+- (и„«-- J (K(i, + i >+U„+U)dt +

J< (Ki + к + U«)dt + Т J а(К Т + Пк + Uo)dt °

1 г ц4т

Sb<»

3<4 Т ( о значения i>, U, Г величин i, и U не меняются, а именно

TÏ

t,dt .о

«т) цмйс о la J ((.dt о щт

dt т 1 т(2

4 3(»т

Т тра

314т

4

tÄd<

<(4т т

uÄdt

<(4т

- < J V.dt

- U„

Uo»

3i4T и обозначив также t(2.

i< dt i< о получим

К т 1

Пвых = - ° + -(1 + с

J< + J

+ )(К1т + П«+ о) °

5 14446 быстрого идентичного усреднения сигналов при чередовании в указанных равных тактах коэффициентов инвертирования в виде двух взаимно обратных величин, что достигается посредством коммутации входных и выходных цепей операционного усилителя на входе интегратора с запоминающей обратной связью, благодаря чему эквивалентный ко- 1О эффициент инвертирования среднего значения сигнала в темновой паузе реализуется существенно более близким к единичному значению, чем коэффициенты инвертирования в каждом из тактов.

В интервале времени О; Т/2 сигнал на выходе фотоприемника 2 i = i + с

+ i » где i — ток фотоприемника 2, 20 соответствующий измерительному световому потоку Р„3„, i — темновой ток фотоприемника 2.

На входе интегратора 9 действует напряжение U K(i-с + i ) + U3, + У3, где К вЂ” коэффициент передачи измерительного усилителя 3; U — паразитная составляющая напряжения на выходе измерительного усилителя 3, определяе- ЗО мая внешней наводкой на кабель между фотоприемником 2 и усилителем 3; U паразитная составляющая напряжения на выходе усилителя 3, определяемая

Допуская, что в интервалах времени

О; Т/2, Т/2; 3/4 Т, 3/4 Т; Т средние напряжением смещения нуля собственно усилителя 3.

В интервале времени Т/2; Т сигнал на выходе фотоприемника 2 i> 3.Г.

В интервале Т/2, 3/4 Т коэффициент передачи операционного усилителя 5 с резисторами 6 и 7 во входной цепи и цепи обратной связи соответственно определяется выражением

R .11 б где R6, R т - значения сопротивлений резисторов 6 и 7 соответственно.

При этом напряжение на входе интегратора 9 U = J,(Ki + U„ + 0о).

В интервале времени 3/4 Т, Т коэффициент передачи операционного усилителя 5 с резисторами 6 и 7 в цепи обратной связи и во входной цепи соответственно определяется подобно тому, как в интервале Т/2, 3/4 Т с учетом произведенной коммутации резисторов

6и7: д и

Rg

В интервале 3/4 Т; Т напряжение на входе интегратора 9 U = J (Ki +

+ V„+ U,).

Выходное напряжение интегратора 9, регистрируемое устройством 17, в установившемся режиме определяется выражением

622 8

Таким образом, в случае применения непрецизионных резисторов 6 и 7 статическая погрешность коэффициентов

J 3 практически полностью определяется допусками указанных резисторов.

Выражения для единичного инвертора могут быть представлены в виде

1444

Таким образом, результат измерения в предлагаемом устройстве зависит от ( полусуммы реальных значений коэффициентов передачи J и 3 . Абсолютная величина погрешности измерения связана с отклонением указанной полусуммы от идельной величины (-1), аддитивно входит в результат измерения и составляет 10

1,1 + .(г

bU =- (1+---- — -)(Ki + U + U ), ЬЫх 2 т к о

Статическая погрешность реального единичного инвертора практически зависит как от допуска резисторов цепей 15 прямой и обратной связи, так и от конечного значения коэффициента усиления операционного усилителя °

R+ hRe ДКд — Д К1

J Д 1)

К+ДК R+ bR, где Д R gR> — абсолютные отклонения от номинала R резисторов 6 и 7.

Максимальные отклонения реальных коэффициентов передачи J q и J< от идеального значения (-1) в случае од.нотипных резисторов 6 и 7 имеют место при максимальных по модулю и противоположных по знаку отклонениях значений сопротивлений резисторов от.номинала, т.е. при(ДК f = l bR(/ 4R иДК = -ЬК

В этом случае

2ДК д = -(1 — — — — ) ° (R+ДК

Достигнутый уровень микросхемо- . техники обеспечивает высокие значения коэффициентов усиления типовых операционных усилителей. В то же время резисторы широкого применения не удовлетворяют условию метрологической совместимости при работе с типовыми операционными усилителями. Так, операционный усилитель обычно вносит в схему единичного инвертора погрешность, оцениваемую тысячными долями 30 процента, а погрешность, вносимая резисторами широкого применения, может гарантироваться в пределах десятых долей и единиц процентов. Обеспечение меньшей гарантированной погрешности, вносимой резисторами, путем(улучшения их метрологических характеристик связано с существенными потерями в технологичности, надежности, стоимости, общедоступности и ухудшает ряд 40 других показателей, например, весогабаритные, климатические и т.п.

2ДК

= -(1+ — — — ) °

R — ДК

ДК или с учетом 3 R = — где о R - доR пуск резисторов 6 и 7

ER

J =-(1-2 — — — ) (1 + 8 К э

1Г 1Г tR « ) ту = — 1 + -(-(1 — 2 — — — ) — (1 + 2 -) ) (К + П + U ) (выем 2 2(+gR 1-вК т (о

1 1 1

= — 3К() (КТ + Uq + U ) первый, второй и третий электронные ключи, первый и второй резисторы одного номинала, интегратор с запоминающей обратной связью и регистрирующее устройство, при этом фотоприем55

- ник соединен с измерительным усилителем, выход которого через первый резистор соединен с инверсным входом операционного усилителя и паралллельно через первый электронный ключ с или, окончательно: (a(R) г

ДU=- — — — — -(Ki +U+U) вых 1 (К)г w к о

Формула изобретения

Фотометр, содержащий последовательно расположенные обтюратор и фотоприемник, а также измерительный усилитель, операционный усилитель, + ДКг R(ДК6

J г (1 +

5 Re 1 Re

= -(1 + 2" — -р-).

3К и 1-РК

Подставляя J(и J в выражение вых, получают

Составитель В.Варнавский

Редактор А.Огар Техред А.Кравчук Корректор М.Васильева

Заказ 6497/41 Тираж 499 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

1444 входом интегратора, включающего третий электронный ключ, первый контакт второго резистора соединен с инверсным входом операционного усилителя, 5 выход которого через второй электронный ключ соединен с входом интегратора, выход которого соединен с регистрирующим устройством, при этом управляющие входы первого, второго и третьего электронных ключей через кинематические связи соединены с обтюратором, отличающийся, тем, что, с целью повышения точности измерений пороговых сигналов, в фотометр введены четвертый, пятый и шестой электронные ключи, причем четвертый б22 .

I0 ключ подсоединен первым контактом к измерительному усилителю, а вторым— к первому резистору, первый контакт пятого электронного ключа соединен с вторым контактом второго резистора, второй контакт пятого электронного ключа соединен с входом интегратора, второй контакт четвертого электронно" го ключа соединен с первым контактом шестого электронного ключа, второй контакт которого соединен с входом интегратора, а управляющие входы первого и шестого, четвертого и пятого электронных ключей попарно объединены и через дополнительные кинематические связи соединены с обтюратором.