УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ Российский патент 1994 года по МПК G01N21/01 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим анализаторам состава веществ, предназначено для автоматического определения оптической плотности и концентрации компонентов различных смесей и растворов и может быть использовано в химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Известен дифференциальный фотоколориметр с автоматической настройкой, содержащий источник света, светофильтры, зеркала, делящие световой поток на два луча, измерительную и эталонную кюветы, фотоэлементы, включенные в плечи мостовой схемы, усилитель, переключатель, два реверсивных электродвигателя, один из которых механически связан с измерительным стеклянным диском, а второй - с компенсационной диафрагмой. Величина смещения диска выражает степень поглощения света исследуемой жидкостью и измеряется с помощью отсчетного устройства. Компенсационная диафрагма осуществляет уравновешивание схемы в режиме автоматической настройки прибора на нуль.

Недостатками описанного фотоколориметра являются нелинейность шкалы и сложность конструкции, вызванная наличием двух компенсационных элементов - измерительного диска и диафрагмы.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является автоматический анализатор АИП-287 [2] , содержащий источник излучения, зеркала, проточную кювету и два оптических клина - измерительный и подстроечный, расположенные в рабочем канале, поглотитель, установленный в сравнительном оптическом канале, фоторезисторы, включенные по мостовой схеме, усилитель, блок управления и два реверсивных электродвигателя, один из которых механически связан с измерительным оптическим клином и с указателем шкалы прибора, а второй - с подстроечным оптическим клином.

Недостатками описанного устройства являются недостаточная точность измерения, обусловленная нелинейностью уравнения преобразования, и сложность конструкции вследствие наличия в устройстве двух перемещаемых оптических клиньев.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что в устройстве, содержащем оптически связанные между собой источник излучения, оптическую систему формирования двух световых потоков, эталонную и рабочую кюветы, расположенные соответственно в этих потоках, приемники излучения, электрически соединенные с усилителем, выход которого подключен через блок управления к управляющим обмоткам двух реверсивных электродвигателей, один из которых механически связан с указателем шкалы, эталонная кювета установлена с возможностью перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях поперек оптической оси прибора и механически связана с двумя электродвигателями, при этом эталонная кювета выполнена в виде прямоугольной треугольной призмы, боковая грань которой, расположенная перпендикулярно оптической оси, изготовлена из поглощающего свет материала и имеет равномерно увеличивающуюся по ее длине оптическую плотность (или толщину), а угол наклона α наклонной боковой грани эталонной кюветы к оптической оси определяется из соотношения:
60^°<α= arctg <85^°, где ΔС_х = С_х^макс - С_х^мин - диапазон измерения концентрации;
С_х^макс - верхняя граница диапазона измерения концентрации;
С_х^мин - нижняя граница диапазона измерения концентрации;
L_р - функциональная длина рабочей кюветы;
S₁ - чувствительность измерительного преобразователя.

Устройство (фиг. 1) построено по двухлучевой схеме и содержит источник 1 излучения, зеркала 2 и 3, рабочую 4 и эталонную 5 кюветы, приемники излучения - фоторезисторы 6 и 7, включенные в мостовую схему, плечами которой являются резисторы 8, 9 и 10, усилитель 11, блок 12 управления, реверсивные электродвигатели 13 и 14, механически связанные с эталонной кюветой 5, шкалу 15 с указателем 16. Электродвигатель 13 механически связан с указателем 16 шкалы 15 и обеспечивает вертикальное (вдоль оси Z) перемещение кюветы 5 в режиме измерения. Электродвигатель 14 обеспечивает перемещение кюветы 5 вдоль оси Y, перпендикулярной плоскости чертежа, в режиме автоматической коррекции нуля. Блок 12 управления подключает выход усилителя 11 к управляющим обмоткам либо электродвигателя 13, либо электродвигателя 14, в зависимости от режима работы. В частности, блок управления может быть заменен двухпозиционным переключателем.

В предлагаемом устройстве эталонная кювета 5 имеет специальную конструкцию, которая показана на фиг. 2. На фиг. 2а изображены две проекции, а на фиг. 2б - общий вид эталонной кюветы.

Кювета выполнена в виде прямой призмы с прямоугольным треугольником в основании. Луч света от источника падает на ее наклонную боковую грань. Другая боковая грань кюветы, которая устанавливается перпендикулярно оптической оси прибора, изготовлена из оптически поглощающего материала и имеет равномерно возрастающую вдоль ее длины (по высоте призмы) оптическую плотность. В частности, она может иметь равномерно увеличивающуюся вдоль ее длины толщину, т. е. боковая грань эталонной кюветы, устанавливаемая в приборе перпендикулярно оптической оси, может иметь форму клина или треугольной призмы, как это показано на фиг. 2. Благодаря такой конструкции при смещении кюветы вдоль оси Y, перпендикулярной плоскости чертежа, изменяется толщина стенки кюветы, пересекаемая световым лучом, при неизменной толщине фотометрируемого слоя раствора, заполняющего кювету. Это перемещение кюветы вдоль оси Y используется для компенсации при автоматической установке нуля прибора. При смещении кюветы вдоль оси Z происходит изменение толщины фотометрируемого слоя эталонного раствора, т. е. изменение длины оптического пути луча в растворе при неизменной толщине стенки кюветы. Это перемещение эталонной кюветы вдоль вертикальной оси Z используется в режиме измерения.

Устройство работает следующим образом (фиг. 1).

Кювета 5 заполняется эталонным раствором, рабочая кювета 4 заполняется анализируемым раствором. В режиме измерения выход усилителя 11 подключен блоком 12 управления к управляющим обмоткам электродвигателя 13, электродвигатель 14 при этом неподвижен. Вследствие неодинаковой оптической плотности анализируемого и эталонного растворов в кюветах 4 и 5 фоторезисторы 6 и 7 освещаются неодинаково. Из-за неравенства фототоков на измерительной диагонали моста возникает напряжение разбаланса, которое усиливается усилителем 11 и через блок 12 управления подается на обмотки электродвигателя 13, вызывая поворот его вала. Двигатель 13 перемещает эталонную кювету 5 вверх или вниз вдоль оси Z (перпендикулярно световому лучу). При этом происходит соответственно увеличение или уменьшение толщины фотометрируемого слоя эталонного раствора до тех пор, пока мост не уравновесится. При этом фоторезисторы 6 и 7 освещаются одинаково, их фототоки равны и сигнал разбаланса моста равен нулю.

Таким образом, состояние равновесия схемы в режиме измерения устанавливается двигателем 13 за счет изменения толщины фотометрируемого слоя эталонного раствора. Равновесие схемы нарушается при изменении концентрации компонентов анализируемого раствора и восстанавливается вновь следящей системой посредством регулирования по описанной схеме толщины фотометрируемого слоя эталонного раствора в кювете 5. Таким образом, в состоянии равновесия каждому значению оптической плотности и концентрации анализируемой среды соответствует определенное смещение эталонной кюветы вдоль вертикальной оси Z, определенная толщина фотометрируемого слоя эталонного раствора и соответствующее положение связанного с двигателем 13 указателя 16 шкалы 15.

Измеряемые значения концентраций считываются со шкалы прибора, которая градуируется в г/л или в процентах и линейна во всем рабочем диапазоне согласно уравнению преобразования устройства:
C_x= L_эт= K₁L_эт;
D_x= L_эт= K₂L_эт, где С_эт и С_х - концентрации определяемого компонента соответственно в эталонном и анализируемом растворах;
L_эт и L_р - толщины фотометрируемых слоев соответственно эталонного и анализируемого растворов;
ε и D_х - соответственно удельный коэффициент светопоглощения и оптическая плотность анализируемого раствора;
К₁ и К₂ - коэффициенты преобразования устройства соответственно по измеряемой концентрации и оптической плотности анализируемого раствора.

В режиме автоматической настройки обе кюветы 4 и 5 заполняются растворителем или дистиллированной водой. При этом двигатель 13 отключен, а выход усилителя 11 подключен через блок 12 управления к управляющим обмоткам электродвигателя 14, который перемещает эталонную кювету 5 в направлении оси Y, перпендикулярной плоскости чертежа. Компенсация достигается за счет изменения толщины стенки кюветы 5, пересекаемой световым лучом, при неизменной толщине фотометрируемого слоя эталонного раствора. При определенном положении кюветы 5 устанавливается состояние равновесия схемы. Таким образом осуществляется компенсация начального разброса параметров элементов схемы в двух оптических каналах, в частности устраняется влияние загрязненности стенок кювет, а также рабочих поверхностей линз, на результат измерения. В режиме измерения двигатель 14 отключается, а перемещение кюветы 5 производится двигателем 13 в направлении оси Z.

Таким образом, эталонная кювета 5 с наклонной прозрачной стенкой и клиновидной боковой гранью одновременно выполняет функции измерительного и подстроечного компенсатора, а также линеаризующего элемента, что облегчает конструкцию прибора и приводит к повышению точности измерения.

Как видно из фиг. 1, угол наклона α наклонной боковой грани призмы, а также геометрические размеры эталонной кюветы определяются, с одной стороны, диапазоном измеряемых концентраций, а с другой стороны, необходимой чувствительностью и точностью измерения. Концентрация эталонного раствора выбирается равной середине рабочего диапазона измерения:
C_эт= = Чувствительность измерительного преобразователя в режиме измерения
S₁= = tgα= tgα, откуда
α= arctg = arctg С другой стороны, угол наклона α определяется из закона преломления света на границе с анализируемой жидкостью:
sinθ= , где θ - угол преломления светового луча, входящего в эталонную кювету;
n - относительный показатель преломления анализируемой среды.

Как видно из фиг. 2, отклонение преломленного луча от оптической оси прибора минимально при θ ->> 0^о, это достигается при больших значениях угла α ->> 90^о. Экспериментально установлено, что оптимальным с точки зрения достижения наибольшей точности во всем рабочем диапазоне измерения, при минимальном преломлении луча, является угол наклона боковой грани кюветы к оптической оси в пределах: 60^о < α < 85^о. При этом для измерения малых концентраций следует выбирать большие углы наклона α, а для измерения больших концентраций угол α выбирается в пределах до 65^о.

Длина треугольного основания эталонной кюветы:
L_эт^m = 2L_р
Высота h треугольного основания кюветы (фиг. 2) определяется по формуле
h = L_эт^m tg α = ΔC_x S₁
Геометрические размеры клиновидной стенки эталонной кюветы выбираются из условий достижения требуемой чувствительности в режиме автоматической коррекции нуля прибора. Угол наклона β боковой грани стенки переменной толщины к оси Y:
β= arcctg S₂, где S₂ - чувствительность измерительного преобразователя в режиме автоматической коррекции нуля.

Длина боковой грани (высота) b эталонной кюветы (фиг. 2):
b = L_к^m tg β, где L_к^m - максимальная компенсирующая толщина стенки эталонной кюветы.

Рабочая кювета 4 (фиг. 1) может быть выполнена проточной, при этом она должна иметь наклон боковой грани и форму, соответствующие эталонной кювете 5, для обеспечения идентичности условий прохождения луча через рабочий и анализируемый растворы.

Повышение точности измерения достигается за счет линеаризации шкалы прибора. Исключение из схемы устройства двух компенсационных оптических клиньев при достижении большей точности измерения приводит к значительному упрощению конструкции. Линейность уравнения преобразования устройства создает преимущества и при формировании электрического сигнала измерительной информации фотометра при его работе в составе автоматических управляющих и информационных систем. (56) 1. Литвак В. И. Фотоэлектрические контрольно-измерительные приборы, применяемые на предприятиях пищевой промышленности. М. , 1959, с. 98.

2. Бегунов В. Н. , Жуков Ю. П. , Зудин В. Л. , Кулаков М. В. , Черенков В. П. Автоматические приборы для измерения концентрации суспензий. М. , 1979, с. 98-99.

Использование: для автоматиеского измерения состава различных сред на предприятиях химической, пищевой и других отраслей промышленности. В двухлучевом компенсационном фотометре эталонная кювета установлена с возможностью перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях поперек оптической оси прибора и механически связана с двумя электродвигателями, при этом эталонная кювета выполнена в виде прямоугольной треугольной призмы, боковая грань которой, расположенная перпендикулярно оптической оси, изготовлена из поглощающего свет материала и имеет равномерно увеличивающуюся по ее длине оптическую плотность, а угол наклона, наклонной боковой грани эталонной кюветы в оптической оси определяется из соотношения, приведенного в описании. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ, содержащее оптически связанные между собой источник излучения, оптическую систему формирования измерительного и сравнительного каналов, эталонную и рабочую кюветы и приемники излучения, расположенные соответственно в этих каналах, электрически соединенные с усилителем, выход которого подключен через блок управления к управляющим обмоткам двух реверсивных электродвигателей, один из которых механически связан с измерительным преобразователем, снабженным указателем шкалы, отличающееся тем, что эталонная кювета механически связана с электродвигателями, обеспечивающими возможность перемещения ее в двух взаимно перпендикулярных направлениях перпендикулярно оптической оси сравнительного канала, при этом эталонная кювета выполнена в виде прямоугольной треугольной призмы, боковая грань которой, расположенная перпендикулярно оптической оси канала, выполнена из оптически поглощающего материала с равномерно увеличивающейся по ее длине оптической плотностью, а угол наклона α наклонной боковой грани эталонной кюветы к оптической оси определяется из соотношения
60^°<α= arctg <85^°
где ΔC_x= C_x^max-C_x^min - диапазон измерения концентрации;
C_x^max - верхняя граница диапазона измерения концентрации;
C_x^min - нижняя граница диапазона измерения концентрации;
L_p - длина рабочей кюветы;
S₁ - чувствительность измерительного преобразователя.