Устройство и работа фотометра

10.2.1 Принцип действия

Принцип действия фотометра основан на сравнении светового потока , прошедшего через растворитель или контрольный раствор, по отношению к которому производится измерение, и светового потока , прошедшего через исследуемую среду.

Световые потоки и фотоприемником преобразуются в электрические сигналы , и ( - сигнал при неосвещенном приемнике), которые обрабатываются микро – ЭВМ фотометра и представляются на цифровом табло в виде коэффициента пропускания, оптической плотности, скорости изменения оптической плотности, концентрации.

Коэффициент пропускания исследуемого раствора определяется как отношение потоков или сигналов:

(10.1)

Оптическая плотность D:

(10.2)

Скорость изменения оптической плотности А:

, (10.3)

где - разность значений оптических плотностей за временной интервал в минутах. Время может принимать значения 1 - 9 минут.

Концентрация С:

, (10.4)

где F – коэффициент факторизации, определяется потребителем и вводится с цифровой клавиатуры в пределах от 0,001 до 9999.

10.2.2 Схема оптическая принципиальная

Нить лампы 1 (рисунок 10.1) изображается конденсатором 2 в плоскости диафрагмы , заполняя светом щель диафрагмы. Далее, диафрагма изображается вогнутой дифракционной решеткой 4 и вогнутым зеркалом 5 в плоскости такой же щелевой диафрагмы . Дифракционная решетка и зеркало 5 создают в плоскости диафрагмы растянутую картину спектра. Поворачивая дифракционную решетку вокруг оси параллельной штрихам решетки, выделяют щелью диафрагмы излучение любой длины волны от 315 до 990 нм. Объектив 7,8 создает в кюветном отделении слабо сходящийся пучок света и формирует увеличенное изображение щели перед линзой 10. Линза 10 сводит пучок света на приемнике 11 в виде равномерно освещенного светового кружка. Для уменьшения влияния рассеянного света в ультрафиолетовой области спектра, за диафрагмой установлен светофильтр 3, который работает в схеме при измерениях в спектральной области 315 – 400 нм, а затем автоматически выводится.

Рисунок 10.1 – Оптическая принципиальная схема

В кюветное отделение (между объективом 7,8 и линзой 10) устанавливаются прямоугольные кюветы 9, либо проточная кювета, поставляемая по особому требованию заказчика.

10.2.3 Схема электрическая принципиальная

Электрическая принципиальная схема фотометра представлена на рисунке 10.2. Она состоит из преобразователя светового излучения в электрический сигнал (фотодиод VД1), усилителя постоянного тока А1 (в дальнейшем – УПТ), микропроцессорной системы А2, преобразователя угла поворота дифракционной решетки в напряжение А3, стабилизатора напряжения осветителя А4 и блока питания фотометра А5.

Рисунок 10.2 – Электрическая принципиальная схема фотометра

10.2.3.1 Усилитель постоянного тока

Ток фотодиода VД1, возникающий в нем под воздействием светового потока, проходящего через исследуемый раствор, подается на вход УПТ, электрическая принципиальная схема которого представлена на рисунке 10.3. Фотодиод VД1 включен на инвертирующий вход операционного усилителя ДА1. Нагрузкой фотодиода является входное сопротивление операционного усилителя, которое при замкнутой цепи отрицательной обратной связи (через резисторы R1, R5 и R2) является достаточно малым. Фотодиод по схеме включения работает практически в режиме короткого замыкания. Такой режим обеспечивает высокую линейность всей электрической схемы фотометра вместе с фотодиодом.

Рисунок 10.3 – Электрическая принципиальная схема усилителя постоянного тока

Схема УПТ построена на двух операционных усилителях DA1 и DA2. В первом каскаде использована микросхема КР544УД1А с малыми входными токами (не более 0,05 нА), а во втором каскаде – прецизионный операционный усилитель типа КР551УД1А, обладающий малым напряжением смещения и высокой стабильностью его электрических характеристик.

Ток фотодиода VД1 (рисунок 10.2) при неизменном световом потоке осветителя Е1 в интервале длин волн от 315 до 990 нм изменяется примерно на три порядка, значительно уменьшаясь в области ультрафиолета. Поэтому в электрической схеме УПТ предусмотрена возможность изменения чувствительности УПТ за счет переключения сопротивления нагрузки фотодиода (реле К1). Общая максимальная чувствительность УПТ определяется минимальным измеряемым током фотодиода на длине волны 315 нм. Общий коэффициент усиления УПТ и величина сопротивления нагрузки фотодиода R2 и R1 (рисунок 10.3) выбраны таким образом, чтобы на указанной длине волны выходное напряжение УПТ было достаточным для нормальной работы микропроцессорной системы (не менее 0,1 В). Переменный резистор R5 используется в процессе настройки и регламентных работ для выставки кратности 1:10.

Выбор чувствительности УПТ осуществляется автоматически микропроцессорной системой путем включения реле К1.

Переменный резистор R6, с помощью которого изменяется коэффициент усиления второго каскада в пределах 1,0 – 12,0, служит для изменения общей чувствительности фотометра в процессе заводской настройки и при проведении регламентных работ. Например, оно может быть использовано для компенсации потери чувствительности фотодиода или уменьшения светового потока осветителя в процессе эксплуатации фотометра.

Для балансировки УПТ (установки нулевого напряжения на его выходе при перекрытом световом потоке) предусмотрен переменный резистор R1 (рисунок 26.2), ось которого со шлицом выведена на правую боковую стенку фотометра.

Усилитель постоянного тока имеет собственную параметрическую стабилизацию напряжений питания микросхем (VД1 – R15 и VД2 – R12), что повышает стабильность его электрических параметров.

Усилитель сигнала с выходом УПТ через соответствующие разъемы подается на микропроцессорную систему и обрабатывается. Результаты обработки выводятся на табло схемы.

10.2.3.2 Преобразователь угла поворота дифракционной решетки в напряжение

Преобразователь угла поворота дифракционной решетки в напряжение состоит из датчика угла поворота (десяти - обработанный резистор с высокой разрешающей способностью и малым отклонением от линейности) и повторителя напряжения А3 на операционном усилителе с большим входным сопротивлением (рисунок 10.2). Переменный резистор механически связан с механизмом поворота дифракционной решетки таким образом, что при прохождении через выходную щель излучения с длиной волны нм сопротивление резистора минимально, а при нм оно максимально. Таким образом, используя резистор в виде делителя высокостабильного источника напряжения, устройство позволяет преобразовывать угол поворота решетки в напряжение, пропорциональное длине волны излучения. Значение напряжения, численно равное в выбранном масштабе длине волны излучения, высвечивается затем на цифровом табло микропроцессорной системы.

Повторитель напряжения (рисунок 10.4) необходим в устройстве для исключения влияния входного сопротивления вычислительной системы на линейность делителя и для выбора соответствующего масштаба при вводе напряжения в микропроцессорную систему.

Рисунок 10.4 - Электрическая принципиальная схема преобразователя угла поворота дифракционной решетки в напряжение

10.2.3.3 Стабилизатор напряжения осветителя

В фотометре КФК – 3 в качестве источника излучения используется галогенная лампа накаливания КГМ 12 – 10. Для ее питания необходим источник питания 12В при токе потребления около 0,90 А. С целью выравнивания зависимости тока фотодиода от длины волны, напряжение питания лампы линейно изменяется в зависимости от положения решетки. В положении решетки, соответствующем длине волны выделяемого излучения 990 нм, равно (10,0 ± 0,2) В.

Электрическая принципиальная схема стабилизатора напряжения осветителя приведена на рисунке 10.5.

При разомкнутой перемычке 6 – 7 схеме работает как обычный стабилизатор напряжения на 12,6 В с опорным напряжением, снимаемым со стабилитрона VД8. При замкнутых контактах 6 – 7 в схему вводится дополнительное управление выходным напряжением стабилизатора, которое обеспечивает изменение напряжения стабилизатора от 12,6 до 10,0 В при изменении выделяемой длины волны от 315 до 990 нм. Это осуществляется за счет изменения опорного напряжения на не инвертирующем входе операционного усилителя ДА1 через специальный операционный усилитель ДА2, управляемый сигналом, снимаемым с преобразователя угла поворота решетки в напряжение.

В положении решетки, соответствующем длине волны выделяемого излучением 315 нм, напряжение на выходе МС ДА2 равно опорному напряжению VД8 и оно не влияет на выходное напряжение стабилизатора напряжения осветителя, установленного при разомкнутой перемычке 6 – 7. Это равновесие устанавливается резистором R16. При переводе решетки в положение, соответствующее длине волны выделяемого излучения 990 нм, напряжение на выходе МС ДА2 уменьшается.

Резистором R7( ) выходное напряжение стабилизатора в этом положении решетки устанавливается равным (10,0 ± 0,2) В. Таким образом, осуществляется изменение напряжения на лампе в пределах от (12,6 ± 0,2) до (10,0 ± 0,2) В при изменении длины волны выделяемого излучения от 315 до 990 нм. При этом во всем этом интервале напряжений обеспечивается коэффициент стабилизации не менее 200.

Рисунок 10.5 – Электрическая принципиальная схема стабилизатора напряжения осветителя

10.2.3.4 Блок питания

Электрическая принципиальная схема блока питания приведена на рисунке 10.6. В блоке питания смонтированы три печатные платы стабилизаторов напряжения: 5 В, 0,5 А, ± 15 В, 0.1А и 12 В, 0,1 А совместимо с источником питания 40 В, 0,02 А.

Стабилизатор напряжения 5 В, 0,5 А (рисунок 10.7) построен с применением операционного усилителя типа К157УД1 и составного транзистора снимается с переменного резистора R9, используемого одновременно для установки напряжения 5 В на выходе стабилизатора. Защита стабилизатора от кратковременного короткого замыкания на его выходе осуществляется за счет последовательно включенных с регулирующим транзистором VT1 резисторов R1 и R2.

Рисунок 10.6 – Электрическая принципиальная схема блока питания

Стабилизаторы напряжения на минус 15 В и + 15 В (рисунок 10.8) идентичны и построены по типовой схеме стабилизаторов напряжения с применением транзисторов типа n-p-n. Отличительной особенностью их является наличие положительной обратной связи через резисторы R3, R14 и R4, R16, которая позволяет увеличить коэффициент стабилизации до 200 – 250, а уровень пульсации снизить до 5 – 10 мВ.

Стабилизаторы напряжения на 12 В, 0,1 А (рисунок 10.9) по схемному построению аналогичен стабилизаторам напряжения ± 15 В и отличается от них только величиной входного и выходного напряжений.

Все источники напряжения фотометра КФК – 3 питаются от сети (220 ± 22) В, 50/60 Гц через один общий трансформатор ТV1, (рисунок 10.7).

Рисунок 10.7 – Электрическая принципиальная схема стабилизатора напряжения 5 В, 0,5 А

Рисунок 10.8 – Электрическая принципиальная схема стабилизатора напряжения ± 15 В, 0,1 А

Рисунок 10.9 – Электрическая принципиальная схема источника питания 12 В, 0,1 А и 40 В, 0,02 А

Таблица 10.1 – Основные электрические характеристики источников питания фотоэлектрического фотометра КФК – 3