УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ Российский патент 1997 года по МПК G01N21/85 

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.

Известно устройство для автоматического измерения концентрации [1] содержащее источник излучения, оптическую систему формирования измерительного и сравнительного каналов и расположенные соответственно в этих каналах рабочую, эталонную кюветы и приемники излучения, включенные по дифференциальной схеме и электрически соединенные с усилителем, выход которого подключен к блоку управления.

Недостатками описанного устройства являются недостаточное быстродействие и сложность конструкции из-за наличия кинематических передач и перемещаемых элементов.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является автоматический рефрактометр типа АР-1 [2] содержащий источник излучения, оптическую систему формирования светового потока, рабочую и эталонную кюветы, объектив из двух линз, приемники излучения, включенные по дифференциальной схеме и соединенные с усилителем.

Недостатками описанного прибора являются сложность и ненадежность конструкции и низкое быстродействие.

Задачей изобретения является повышение надежности и быстродействия устройства.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства, на фиг. 2 показан ход лучей в эталонной кювете, на фиг. 3 вид эталонной кюветы в аксонометрической проекции.

Устройство (фиг. 1) построено по двухлучевой схеме и содержит источник излучения 1, зеркала 2 и 3 (зеркало 2 полупрозрачное), рабочую 4 и эталонную 5 кюветы, приемники излучения 6 и 7, включенные по мостовой схеме, плечами которой являются резисторы 8, 9 и 10, усилитель 11, блок управления 12, дефлектор 13 с электродами 14, поляризатор 15, линзу 16 и нагрузочные резисторы (делитель напряжения) 17. Выход усилителя 11 соединен с входом блока управления 12, выход которого электрически связан с электродами 14 дефлектора 13.

Дефлектор осуществляет непрерывное управление направлением распространения луча в пространстве под действием электрического сигнала. На схеме показан электрооптический дефлектор, в котором угол α отклонения поляризованного светового луча определяется величиной напряженности электрического поля, приложенного к его электродам. При использовании электрооптического дефлектора перед дефлектором устанавливается поляризатор.

Блок управления 12 предназначен для формирования под действием усиленного сигнала рассогласования напряжения, подаваемого на отклоняющие электроды дефлектора, с целью получения необходимого угла a отклонения луча. В общем случае блок управления 12 представляет собой электронный регулятор, реализованный, например, на операционных усилителях, он включает в себя также необходимые согласующие и усилительные элементы для стыковки с дефлектором. В частности, в качестве блока управления может быть использован цифровой астатический регулятор.

Устройство работает следующим образом (фиг. 1). Рабочая кювета 4 заполняется анализируемым раствором с концентрацией C_х, а эталонная кювета 5 заполняется эталонным раствором того же вещества с концентрацией C_эт.

В начальный момент времени вследствие неодинаковой оптической плотности анализируемого и эталонного растворов в кюветах 4 и 5 приемники излучения 6 и 7 освещаются неодинаково. Из-за неравенства их фототоков на измерительной диагонали моста возникает напряжение DU разбаланса, которое усиливается усилителем 11 и подается на вход блока управления 12, который в зависимости от величины ΔU формирует напряжение, подаваемое на электроды 14 дефлектора 13. В соответствии с величиной напряжения, поданного на электроды дефлектора, изменяется угол α отклонения светового луча на выходе из дефлектора, а следовательно, и длина оптического пути луча в эталонной кювете 5. При этом происходит изменение (уменьшение или увеличение) толщины l_эт фотометрируемого слоя эталонного раствора до тех пор, пока интенсивности световых потоков на выходах из рабочей 4 и эталонной 5 кювет не станут равны друг другу. Тогда приемники излучения 6 и 7 оказываются одинаково освещенными, их фототоки равны и напряжение DU разбаланса моста становится равным нулю.

В состоянии равновесия каждому значению оптической плотности и концентрации C_x анализируемого раствора соответствует определенный угол α отклонения луча и определенная величина напряжения, подаваемого на электроды дефлектора. Выходной сигнал U_вых снимается с резистора 17, включенного в цепь управляющих электродов дефлектора.

Одна из граней (EG) эталонной кюветы устанавливается параллельно оптической оси прибора. Наклонная стенка (AE) эталонной кюветы выполнена в виде 180^o-го сегмента плоско-выпуклой линзы, являющейся частью объектива. Дефлектор должен быть установлен в фокальной плоскости этой линзы на оптической оси прибора, то есть расстояние d от дефлектора до эталонной кюветы должно быть равно фокусному расстоянию линзы, которое определяется кривизной ее поверхности и материалом, из которого она изготовлена. Эта линза направляет все падающие на нее от дефлектора под различными углами лучи параллельно оптической оси прибора. Вторая линза объектива также выполнена в виде 180^o-го сегмента плоско-выпуклой линзы и расположена параллельно первой линзе (наклонной стенке эталонной кюветы), но смещена относительно нее на расстояние Z вдоль оптической оси. Эта линза фокусирует падающие на нее от первой линзы параллельные лучи и собирает их в своем побочном фокусе, расположенном на оптической оси прибора, где находится соответствующий приемник излучения 7. Как показано на чертеже, ход лучей в кювете и объективе определяется законами геометрической оптики. Изменяя расстояние Z между эталонной кюветой 5 и второй линзой объектива при настройке прибора, добиваются фокусировки лучей на приемник излучения, установленный на том или ином расстоянии от дефлектора. Конструкцией может быть предусмотрена жесткая связь двух линз объектива и эталонной кюветы с возможностью плавного изменения расстояния между линзами при юстировке прибора. В частности, при Z=0 обе линзы могут быть выточены из наклонной стенки эталонной кюветы, то есть наклонная стенка эталонной кюветы будет выполнена в виде объектива из двух 180^o-х сегментов собирающих линз со смещенными относительно друг друга центрами.

Для получения линейной статической характеристики устройства во всем рабочем диапазоне измерения, то есть для того, чтобы выходной сигнал U_вых устройства был прямо пропорционален измеряемой концентрации C_x и оптической плотности D_x, следует отпрофилировать рабочую поверхность эталонной кюветы. Профиль рабочей поверхности эталонной кюветы определяется совокупностью точек ее поверхности, расположенных на расстоянии r(α) от точки О дефлектора. Точка О является центром полярной системы координат. Ниже приведен вывод формулы для расчета профиля рабочей поверхности эталонной кюветы, при котором обеспечивается линейная статическая характеристика устройства.

При известном угле θ наклона боковой грани (AE) эталонной кюветы к основанию (EG) и при фиксированном значении текущего угла a отклонения луча можно определить расстояние r от дефлектора до поверхности собирающей линзы
наклонной стенки кюветы. Как видно из фиг. 2, угол
b=θ-α.

Величина r=r₁+r₂.

Из DAOD

где b высота DOAB.

Из DABD
r₂=b ctgβ=d sinα ctg(θ-α).

Тогда величина
r=r₁+r₂=d cosα+d sinα ctg(θ-α).

С другой стороны, как видно из фиг. 2:
r=ρ(α)+l_эт (1)
где ρ(α) профиль рабочей поверхности эталонной кюветы, определяемый как расстояние от точки O дефлектора до рабочей поверхности эталонной кюветы,
l_эт толщина фотометрируемого слоя эталонной кюветы, то есть длина оптического пути луча в эталонной кювете.

Из уравнения (1) получим
l_эт=r-ρ(α)=d cosα+d sinα ctg(θ-α)-ρ(α) (2)
Если уравнение преобразования непрерывного дефлектора имеет вид
α=f(U, b₁, b₂ ... b_n), (3)
где U напряжение, приложенное к электродам дефлектора;
b₁, b₂ b_n параметры дефлектора,
то для получения линейной статической характеристики устройства следует иметь эталонную кювету с уравнением преобразования вида

где K коэффициент преобразования кюветы;
F функция, обратная функции f и содержащая те же параметры, то есть для нее выполняется равенство F[f(x)]X (x аргумент функции).

Экспериментально установлено, что оптимальным является K=0,25.

Подставив в уравнение (4) значение толщины l_эт фотометрируемого слоя эталонной кюветы в соответствии с выражением (2), получим

Из этого уравнения (5) получим формулу для расчета профиля рабочей поверхности эталонной кюветы в полярных координатах относительно точки O:

или

При таком профиле рабочей поверхности эталонной кюветы получим линейное уравнение преобразования устройства.

Действительно при подстановке выражения (6) в уравнение (2) будем иметь

то есть получим уравнение (4). Тогда, подставив в это уравнение выражение (3) для угла α и учитывая математическое свойство обратных функций, получим

Отсюда
U=Kl_эт.

Выходной сигнал устройства
U_вых=K_дU=K_дKl_эт=kl_эт, (7)
где K_д коэффициент преобразования делителя напряжения 17.

Так как из равенства
C_xl_p=C_этl_эт
следует, что
, (8)
то после подстановки (8) в (7) получим уравнение преобразования устройства:

где коэффициент преобразования устройства.

Таким образом, если при имеющемся типе дефлектора с заданной статической характеристикой профиль рабочей поверхности эталонной кюветы рассчитать по формуле (6), то устройство будет иметь линейное уравнение преобразования вида (9), то есть во всем рабочем диапазоне выходной сигнал U_вых устройства прямо пропорционален измеряемой концентрации C_x.

В частном случае, если выбран дефлектор с линейной статической характеристикой вида
α=K₁U,
где K₁ коэффициент преобразования дефлектора,
то для получения линейного уравнения преобразования устройства профиль рабочей поверхности эталонной кюветы должен быть рассчитан по формуле

где K коэффициент преобразования эталонной кюветы, выбираемый при расчете.

Если принять угол θ 90^o, то есть исключить стенки кюветы, то из уравнений (6) и (10) получим соответственно уравнения

и

Геометрические размеры кюветы определяются диапазоном ΔC_x измеряемых концентраций, максимальным углом α_max отклонения дефлектора и расстоянием d между дефлектором и эталонной кюветой. Как видно из фиг. 2, высота h основания кюветы
h=dtgα_max.

Для линейного дефлектора
,
где Cmaxx

Тогда
.

Предлагаемое устройство благодаря исключению всех механических узлов и использованию дефлектора, управляемого электрическим сигналом, обладает повышенным быстродействием и высокой эксплуатационной надежностью, а оптимизация конструкции эталонной кюветы обеспечивает при этом повышенную точность измерения.

Узел дефлектора включает в себя собственно дефлектор и элементы, необходимые для получения заданных параметров отклонения луча. Для увеличения угла отклонения луча при небольших управляющих напряжениях на электродах может быть использован многопризменный дефлектор либо мультидефлектор, представляющий собой несколько последовательно включенных дефлекторов. Для увеличения максимального угла отклонения и расширения диапазона измерения могут быть использованы также и специальные оптические элементы, позволяющие при малых входных углах отклонения получать большие углы отклонения светового луча на выходе оптические умножители угла.

Автоматическая настройка прибора на ноль может быть предусмотрена использованием двумерного дефлектора с горизонтально и вертикально отклоняющими электродами при соответствующей конструкции эталонной кюветы. В этом случае отпрофилированная стенка эталонной кюветы 5 должна быть изготовлена из оптически поглощающего материала с равномерно возрастающей по высоте кюветы оптической плотностью. Тогда в зависимости от режима работы прибора выход блока управления подключается к вертикально или горизонтально отклоняющим электродам дефлектора и отклонение луча будет происходить в двух взаимно перпендикулярных направлениях соответственно в режиме измерения по горизонтали, а в режиме автоматической настройки по вертикали (по высоте кюветы) с фиксацией установленного положения луча. Таким образом, достигается компенсация погрешности измерения, возникающей вследствие образования различных налетов и загрязнений на стенках рабочей и эталонной кювет, а также элементов оптической системы линз, фильтров.

Как следует из вышеизложенного, отсутствие в предлагаемом устройстве каких-либо механических узлов и перемещающихся деталей приводит к существенному упрощению конструкции, повышению надежности и быстродействия, увеличению точности измерения.

Использование: оптические анализаторы состава веществ. Сущность изобретения: устройство содержит источник излучения, оптическую систему формирования двух световых потоков, рабочую, эталонную кюветы и приемники излучения, включенные по дифференциальной схеме, усилитель и блок управления. В устройство введен дефлектор, электроды которого соединены с выходом блока управления. Наклонная боковая стенка эталонной кюветы выполнена в виде 180^o-го сегмента собирающей линзы, а рабочая поверхность кюветы отпрофилирована по закону, обеспечивающему линейность уравнения преобразования устройства. Величина электрического сигнала в цепи электродов дефлектора прямо пропорциональна измеряемой концентрации. 3 ил.

Устройство для автоматического измерения концентраций, содержащее источник излучения и расположенные по ходу излучения оптическую систему формирования измерительного и сравнительного каналов, расположенные в этих каналах рабочую, эталонную кюветы и приемники излучения, включенные по дифференциальной схеме и электрически соединенные с усилителем, выход которого подключен к входу блока управления, и объектив из двух линз, отличающееся тем, что дефлектор расположен между источником излучения и эталонной кюветой и выполнен в виде электрооптического дефлектора, электроды которого соединены с выходом блока управления, линзы объектива выполнены в виде сегментов собирающих линз, параллельных друг другу на регулируемом расстоянии и расположенных между эталонной кюветой и соответствующим приемником излучения, расположенным в фокусе объектива, при этом первый по ходу излучения сегмент собирающей линзы является второй по ходу излучения стенкой эталонной кюветы, профиль рабочей поверхности ρ(α) и высота основания h которой определяются соответственно по формулам
ρ(α)=d cosα+d sinα ctg(θ-α) -


где d расстояние от дефлектора до эталонной кюветы, равное фокусному расстоянию линзы;
α - текущий угол отклонения луча дефлектором;
α_max - максимально возможный для данного типа дефлектора угол отклонения;
θ - угол наклона боковой стенки эталонной кюветы к оптической оси;
F(α, b₁, b₂ ... b_n) - функция, обратная функции преобразования дефлектора;
l_р толщина фотометрируемого слоя рабочей кюветы;
C_э т концентрация эталонного раствора;
Cmaxx