ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ ФОТОМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01J1/36 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения относительной флуоресценции твердых, жидких и газообразных сред в экологии, промышленности, сельском хозяйстве и медицине.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому флуоресцентному фотометру является фотометр, содержащий источник возбуждения, каналы измерения и сравнения, светофильтры, модулятор, кювету, регулируемый оптический компенсатор в канале сравнения и неизбирательные фотопоглотители, установленные перед фотоприемником.

Данный фотометр частично расширяет динамический диапазон измерения за счет установки перед фотоприемником съемного неизбирательного светопоглотителя, обеспечивающего уменьшение интенсивности всех световых сигналов, поступающих на фотоприемник, в соответствии с оптической плотностью, включенного светопоглотителя.

К недостаткам этого фотометра следует отнести дискретность изменения оптической плотности съемных светопоглотителей. Для обеспечения достаточной точности в широком диапазоне изменения интенсивности контролируемого светового потока в этом случае требуется большее число светопоглотителей, что увеличивает габариты, массу прибора и повышает трудоемкость измерений. Кроме того, вследствие неизбежного различия по спектру световых потоков в каналах измерения и сравнения, а также спектральной неоднородности неизбирательных светопоглотителей в фотометре происходит неравномерное ослабление световых потоков каналов, что приводит к дополнительной погрешности измерения. К недостаткам известного фотометра следует также отнести необходимость большого динамического диапазона у регулируемого оптического компенсатора, установленного в канале сравнения.

Целью изобретения является повышение точности и расширение динамического диапазона.

Цель достигается тем, что в фотометре, содержащем источник возбуждения, каналы измерения и сравнения, светофильтры, модулятор, кювету, оптический компенсатор, установленный в канале сравнения и связанный с выходом регулятора настройки компенсатора, дополнительно установлен в канале измерения второй оптический компенсатор, связанный с выходом регулятора настройки через инвентор. Компенсаторы выполнены в виде диафрагм, регулирующие шторки которых закреплены на противоположных плечах рычага, установленного в своей средней части на опоре и связанного одним из своих плеч с выходом регулятора настройки компенсатора.

На фиг. 1 приведена схема фотометра; на фиг. 2 показан вариант выполнения блока компенсации; на фиг. 3 представлены статические характеристики компенсатора: а исходного, б "спаренного"; на фиг. 4 изображен график связи выходного напряжения фотоприемника с изменением в широких пределах концентраций контролируемого вещества.

Фотометр (фиг. 1) состоит из кюветы 1, компенсаторов 2 и 12, модулятора 3, светоделительных пластин 4 и 13, первичного светофильтра 5, лампы 6 возбуждения, инвертора 7, регулятора 9 настройки компенсатора, вторичного светофильтра 10, отражательной пластины 11, фотоприемника 14.

Кювета 1, компенсаторы 2 и 12, модулятор 3 с приводом 8, светоделительные пластины 4 и 13, отражательная пластина 11, первичный и вторичный светофильтры 5 и 10 и лампа 6 возбуждения установлены на одной несущей пластине в корпусе фотометра так, что траектория светового луча I измерительного канала от лампы 6, пройдя через светофильтр 5, пластину 4, оптические отверстия модулятора 3 и компенсатора 2, заканчивается в кювете 1, траектория светового луча II компенсационного канала соединяет выход лампы 6 возбуждения через первичный светофильтр 5, светоделительную пластину 4, отражательную пластину 11 и отверстия диска модулятора 3 с оптическим входом компенсатора 12.

Диск модулятора 3, механически закрепленный на оси двигателя 8, пересекает траектории световых лучей I и II, соединяющих пластины 4 и 11 соответственно с оптическими входами компенсаторов 2 и 12. Управляющие входы компенсаторов 2 и 12 соединены с выходом регулятора 9 настройки компенсатора, причем в линии связи регулятора 9 с компенсатором 2 включен инвертор 7.

Оптический выход кюветы 1 траекторией светового луча I измерительного канала через вторичный светофильтр 10 и светоделительную пластину 13 соединен с входом фотоприемника 14. Выход компенсатора 12 траекторией светового луча II через светоделительную пластину 13 также связан с входом фотоприемника 14.

Блок компенсаторов (фиг. 2) содержит плату 15, нижний 16 и верхний 20 рычаги, отверстия 17, 26 оптических каналов диафрагм, шторки нижнего 18 и верхнего 19 рычагов, толкатель 21 верхнего рычага, неподвижные опоры 22 и 31 осей вращения соответственно верхнего и нижнего рычагов, подвижную сферическую опору 23 нижнего рычага, держатель 24 обоймы подвижной сферической опоры, пружину 25, опорный выступ 27 верхнего рычага, ось 28 толкателя, регулировочный винт 29, рукоятку 30 регулятора.

Рычаги 16 и 20 закреплены на плате 15 с помощью неподвижных опор (осей вращения) 22 и 31. Пружина 25 соединяет рычаги 16 и 20. Посредством подвижной сферической опоры 23 осуществлен механический контакт толкателя 21 и держателя 24. Ось 28 толкателя имеет механический контакт с опорным выступом 27 верхнего рычага.

Работает фотометр следующим образом.

Свет от лампы 6 возбуждения проходит через первичный фильтр 5 и делится светоделительной пластиной 4 на два потока: I световой поток кюветы, т.е. измерительный канал, и II световой поток канала сравнения, т.е. компенсационный канал. В обоих каналах поток света проходит через модулятор 3, который осуществляет поочередную коммутацию световых потоков каналов с частотой γ= 6 Гц. Далее промодулированные несущей частотой γ потоки света в каналах I и II проходят соответственно через компенсаторы 2 и 12. В канале I измерения поток света направляется на кювету 1, где взаимодействует с анализируемой средой. При этом интенсивность свечения среды в кювете, а следовательно, и амплитуда светового импульса U_xⁱ на выходе кюветы пропорциональны концентрации анализируемой компоненты. Импульсы светового потока U_xⁱ из кюветы проходят через вторичный светофильтр 10, отделяющий флуоресценцию от рассеянного излучения, и далее через светоделительную пластину 13 попадают на фотоприемник 14. В канале II сравнения импульсы компенсационного светового потока через компенсатор 12 поступают на светоделительную пластину 13 и, отразившись от нее, направляются на фотоприемник 14. Выходной сигнал фотоприемника представляет собой последовательность из двух чередующихся импульсов U_xⁱ и U_oⁱ, амплитуды которых пропорциональны интенсивности световых потоков в каналах измерения (I) и сравнения (II).

Уравнение амплитуд импульсов осуществляется с помощью регулятора 9 компенсации, связанного непосредственно с компенсатором 12 и через инвертор 7 с компенсатором 2. За счет включения инвертора 7 обеспечиваются инверсные законы регулирования пропускания света через компенсаторы 2 и 12 и, как следствие, обратные по знаку их воздействия на выходной сигнал фотоприемника, т.е. соотношение балансируемых амплитуд световых потоков в каналах измерения U_xⁱ и сравнения U_oⁱ в i-й момент времени, равное
Nⁱ
Характер соответствующих статических характеристик поясняется фиг. 3.

Изменения выходного сигнала фотометра ΔN при воздействиях по каналам I и II определяются следующими соотношениями:
по каналу I
ΔN₁ⁱ K₁ ˙ ΔU_xⁱ, где ΔU_xⁱ изменение амплитуды импульса измеряемого светового потока;
К₁ коэффициент усиления по каналу интенсивность светового потока измерительного канала выходной показатель фотометра N,
по каналу II
ΔN₂ⁱ K₂ ˙ ΔU_oⁱ, где ΔU_oⁱ изменение амплитуды импульсов компенсационного светового потока;
К₂ коэффициент усиления по каналу интенсивность светового потока компенсационного канала выходной показатель фотометра N.

При суммарном воздействии по обоим каналам ("спаренный" компенсатор)
ΔNi K ˙ Σ ΔU_o,xⁱ.

Количественную оценку значений сравниваемых вариантов компенсаторов фотометра (прототипа и предложенного), т.е. К₂ и K , можно дать на конкретном численном примере.

Пусть U_xⁱ 100 б/р; U_oⁱ 100 б/р, тогда
Nⁱ 1, что соответствует балансу.

Изменив параметр светового потока только по каналу II, т.е. ΔU_oⁱ= +50 получают
N 1,5
Оценивают коэффициент усиления этого канала:
K₂ 0,01
Изменив инверсно параметры световых потоков по каналам II и I, т.е. ΔU_oⁱ +50 ΔU_xⁱ -50 получают
N 3
Оценивают коэффициент усиления канала в этом случае:
K_Σ 0,04
Таким образом на численном примере показано, что коэффициент усиления "спаренного" компенсатора стал в 4 раза выше, чем у исходного (см. фиг. 4). Это позволяет при вращении рукоятки регулятора 9 в соответствии со статической характеристикой "спаренного" компенсатора (фиг. 3б) с коэффициентом усиления канала компенсации K увеличить амплитуду меньшего из импульсов при одновременном уменьшени и амплитуды большего по амплитуде импульса до достижения момента баланса, т.е. 1.

После балансировки каналов запоминается соответствующее моменту баланса значение Uio

Затем в фотометр устанавливается кювета с контролируемым веществом С_х. Фотоприемник начинает последовательно выдавать значения , а счетно-решающее устройство фотоприемника вычисляет и выдает на терминал значение показателя N , которое содержит информацию об искомой концентрации С_х.

При использовании компенсаторов, выполненных по п. 2 формулы изобретения, описанная выше процедура сохраняется. В этом случае функции регулятора 9 выполняет рукоятка 30 регулировочного винта. Регулируемые компенсаторы выполнены в виде диафрагм, состоящих из верхнего и нижнего рычагов (20, 16).

Переменные зазоры 17 и 26 обеспечивают изменение световых потоков, а рычажная система с опорой 22 инверсный характер их изменения.

Экспериментально на серии растворов флуоресцеина (ТУ 6-89-2464-82) в диапазоне концентраций 0,02-200 мкг/л показано, что за счет предложенной схемы всегда можно найти положение компенсаторов, при котором амплитуды импульсов в каналах измерения и сравнения уравнены, при этом общий динамический диапазон возможных амплитуд уравненных импульсов от веществ с различной концентрацией сокращается в 625 раз.

При изменении концентрации вещества в кювете в 10000 раз (от 0,02 до 200 мкг/л) выходной сигнал уравновешенных импульсов меняется в 16,2 раза (от 0,72 до 11,7 В). Полученные экспериментальные данные (фиг. 4) подтвердили, что применение предложенного фотометра обеспечило возможность использования фотоприемной схемы с минимальным диапазоном измерения (0-12 В) в широком диапазоне изменения интенсивностей измеряемых сигналов, т. е. диапазон контролируемых концентраций может быть увеличен в 10000 раз. Это позволило снизить требования к динамическому диапазону усилителя электрических сигналов фотоприемника и упростить его схему. В целом это обеспечило снижение погрешности фотометра с 2 до 0,05 ± 1
Промышленная применимость изобретения определяется тем, что оно может быть эффективно использовано в экологии, на предприятиях нефтехимической, пищевой и других отраслей промышленности, в сельском хозяйстве и медицине.

Барнаульское ОКБА НПО "Химавтоматика" в настоящее время приступает к серийному выпуску флуоресцентного фотометра, реализующего изобретение. Потребность народного хозяйства в данной разработке, подтвержденная заказчиком, только на 1992 г. более 300 приборов.

Использование: при определении относительной флуоресценции твердых, жидких и газообразных сред в экологии, медицине, промышленности и сельском хозяйстве. Сущность изобретения: фотометр содержит источник возбуждения, каналы измерения и сравнения, светофильтры, модулятор, светоделительные пластины, кювету, фотоприемник, оптический компенсатор, установленный в канале сравнения и связанный с выходом регулятора настройки компенсатора, оптический компенсатор, установленный в измерительном канале и связанный с выходом регулятора через инвентор. Компенсаторы выполнены в виде диафрагмы, регулирующие шторки которых закреплены на противоположных плечах рычага, установленного в своей средней части на опоре и связанного одним из своих плеч с выходом регулятора. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ ФОТОМЕТР, содержащий источник возбуждения, каналы измерения и сравнения, светофильтры, модулятор, кювету, оптический компенсатор, установленный в канале сравнения и связанный с выходом регулятора настройки компенсатора, фотоприемник, отличающийся тем, что фотометр дополнительно содержит инвертор, причем в измерительном канале фотометра установлен второй оптический компенсатор, связанный с выходом регулятора настройки через инвертор. 2. Фотометр по п.1, отличающийся тем, что каждый компесатор выполнен в виде диафрагмы, регулирующие шторки которой закреплены на противоположных плечах рычага, установленного в своей средней части на опоре и связанного одним из своих плеч с выходом регулятора настройки компенсатора.