СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В РАСТВОРАХ Российский патент 2002 года по МПК G01J4/04 

Изобретение относится к фотоэлектрическим поляриметрам и может быть использовано для измерения концентраций оптически активных веществ в медицине, химии, биологии, пищевой промышленности.

Для растворов, содержащих оптически активные вещества, имеет место зависимость между углом вращения ϕ плоскости поляризации раствора и концентрацией С оптически активного вещества: ϕ = α•l•C, где l - толщина слоя раствора, α - удельная вращательная способность вещества, зависящая от длины волны света, в котором проводится измерение. На основании этого закона для измерения концентрации раствора достаточно вычислить угол поворота плоскости поляризации.

Известен поляриметр для контроля, регистрации и регулирования технологических процессов (Литвак В.И. Фотоэлектрические датчики в системах контроля, управления и регулирования. - М.: Наука, 1966, с. 369-370), содержащий источник плоскополяризованного света, проточную поляриметрическую трубку, призму, два поляроида-анализатора, два фотосопротивления, включенных в мостовую схему. Прибор работает так. Свет от источника, пройдя через поляриметрическую трубку, попадает на призму и разделяется на два пучка, каждый из них направляется на соответствующий поляроид-анализатор с фотосопротивлением. Ток в диагонали моста является функцией световых потоков F₁, F₂, воспринимаемых фотосопротивлениями. В свою очередь эти потоки определяют величину оптической активности. Каждому значению отношения световых потоков соответствует определенное значение сопротивления, при котором мост балансируется. Сопротивление можно снабдить шкалой, градуированной непосредственно в единицах оптической активности. Отношение световых потоков однозначно определяет величину Q
Q=(F₁-F₂)/(F₁+F₂)=1-2/(1+F₂/F₁),
где F₁= A₁•cos²(ϕ-x₀),F₂= A₂•cos²(ϕ+x₀), A₁, А₂ - интенсивности сигналов, ϕ - угол, на который поворачивается плоскость поляризации после прохождения пучка света через оптически активную среду, x₀ - угол выставки поляроидов-анализаторов относительно поляроида источника плоскополяризованного излучения.

Недостатком поляриметра является низкая точность измерений из-за неидентичности каналов, неточной выставки поляроидов-анализаторов и нелинейности шкалы.

Известен поляриметр (патент RU 2007694 С1, кл. G 01 J 4/04, 15.02.94), содержащий источник модулированного плоскополяризованного излучения, три поляроида-анализатора, при этом первый и второй поляроиды-анализаторы развернуты симметрично относительно поляроида - источника плоскополяризованного излучения, а третий поляроид-анализатор ориентирован так же, как поляроид источника плоскополяризованного излучения, три фотоприемника, три усилителя, три синхронных детектора, генератор опорного напряжения, блок вычитания, два блока сложения, два блока умножения на выбираемые константы, блок деления, при этом выход первого блока сложения через первый блок умножения на выбираемую константу подсоединен к первому входу второго блока сложения, к второму входу которого подсоединен выход второго блока умножения на выбираемую константу, вход которого соединен с выходом третьего синхронного детектора, второй вход которого подключен к одному из выходов генератора опорного напряжения, а выход блока вычитания и выход второго блока сложения подсоединены к соответствующим входам блока деления.

Дальнейшему повышению точности измерений препятствуют неидентичность каналов и неточность выставки поляроидов-анализаторов.

Задача изобретения состоит в измерении концентрации оптически активного вещества в растворе без погрешностей, вносимых неидентичностью каналов и неточной выставки поляроидов.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе измерения концентрации оптически активных веществ в растворах по углу поворота плоскости поляризации, включающий пропускание модулированного плоскополяризованного излучения в кювету с исследуемым раствором, сбор пропущенного излучения на три поляроида-анализатора с фотоприемниками, при этом первый и второй поляроиды-анализаторы развернуты симметрично относительно плоскости плоскополяризованного излучения, поступающего в раствор, третий поляроид-анализатор ориентирован так же, как поляроид источника плоскополяризованного излучения, усиление сигналов с трех фотоприемников, синхронное детектирование, перевод в цифровую форму и обработку, а измерение угла поворота плоскости поляризации ϕ в первом варианте производится по следующему соотношению:

где
W₁, W₂, W₃ - значения сигналов на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы; R₁, R₂, R₃ - значения сигналов на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы; Р₁, Р₂, Р₃ - значения сигналов на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов; V₁, V₂, V₃ - значения сигналов на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов. Во втором варианте измерение угла поворота плоскости поляризации ϕ производится по соотношению

где
а W₁, W₂, W₃, R₁, R₂, R₃, Р₁, Р₂, Р₃, V₁, V₂, V₃ - те же значения сигналов, что в первом варианте. В третьем варианте измерение угла поворота плоскости поляризации ϕ производится по соотношению

где
а W₁, W₂, W₃, R₁, R₂, R₃, Р₁, Р₂, Р₃, V₁, V₂, V₃ - те же значения сигналов, что и в первом варианте, параметры k₁, k₂ однозначно определяются по углам разворота поляроидов-анализаторов.

На чертеже представлена схема реализации предлагаемого способа измерения концентрации оптически активных веществ в растворах.

Схема реализации способа измерения концентрации оптически активных веществ в растворах (см. чертеж) содержит источник модулированного плоскополяризованного излучения 1, поляроиды-анализаторы 3.1, 3.2, 3.3, перед которыми расположена кювета с оптически активным анализируемым веществом 2, фотоприемники 4.1, 4.2, 4.3, усилители 5.1, 5.2, 5.3, генератор опорного напряжения 6, синхронные детекторы 7.1, 7.2, 7.3, блок вычислений 8, блок индикации 9.

В предлагаемом способе измерения концентрации оптически активных веществ в растворах поток излучения от источника модулированного плоскополяризованного излучения 1 при отсутствии кюветы поступает на входы поляроидов-анализаторов 3.1, 3.2, 3.3 и далее проходит через фотоприемники 4.1, 4.2, 4.3, усилители 5.1, 5.2, 5.3, синхронные детекторы 7.1, 7.2, 7.3. Сигналы на выходах синхронных детекторов 7.1, 7.2, 7.3 описываются соотношениями

где V₁, V₂, V₃ - значения сигналов на выходах синхронных детекторов 7.1, 7.2, 7.3, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов, γ - коэффициент пропускания поляроидной пленки, y₀ - угол разворота первого поляроида-анализатора относительно поляроида - источника плоскополяризованного излучения, x₀ - угол разворота второго поляроида-анализатора относительно поляроида - источника плоскополяризованного излучения, y₀≈-x₀, третий поляроид-анализатор ориентирован так же, как поляроид источника плоскополяризованного излучения. Из предыдущих выражений видно, что

Сигналы на выходах синхронных детекторов 7.1, 7.2, 7.3 при установленной кювете с исследуемым раствором оптически активного вещества 2 и установленных на приемной части поляроидов-анализаторов 3.1, 3.2, 3.3 описываются формулами

где Р₁, Р₂, Р₃ - значения сигналов на выходах синхронных детекторов 7.1, 7.2, 7.3, когда установлена кювета с исследуемым раствором 2 и на приемной части нет поляроидов-анализаторов, ϕ - измеряемый угол поворота плоскости поляризации. По данным значениям W₁, W₂, W₃, R₁, R₂, R₃, Р₁, Р₂, Р₃, V₁, V₂, V₃ определяется промежуточное значение t по соотношению

Из этого соотношения после элементарных преобразований получается следующее выражение:

В первом варианте определение угла поворота плоскости поляризации в исследуемом растворе ϕ осуществляется по соотношению

а во втором варианте по данным значениям W₁, W₂, W₃, R₁, R₂, R₃, Р₁, Р₂, Р₃, V₁, V₂, V₃ определяется промежуточное значение z по соотношению

Из этого соотношения после элементарных преобразований получается следующее выражение:

Во втором варианте определение угла поворота плоскости поляризации в исследуемом растворе ϕ осуществляется по соотношению

В третьем варианте определение угла поворота плоскости поляризации в исследуемом растворе ϕ осуществляется по соотношению

где
параметры k₁, k₂ однозначно определяются по углам разворота поляроидов-анализаторов. Реализация этого варианта возможна благодаря следующему равенству:

которое получится, если в формуле

подставить значения описанных ранее сигналов.

Вышеупомянутое равенство выполняется очень точно, например при x₀=45.5, y₀= -46.0, на диапазоне измерения угла ϕ от 0 до 13^o, k₁=0.661560; k₂= 2.784237; отклонение от равенства не превышает 0.000001 радиан. Поскольку равенство выполняется точно, то нет необходимости в явном измерении углов x₀, у₀, а параметры k₁, k₂ можно определить по эталонам.

Сбор информации и вычисления производятся в блоке вычислений 8.

В блоке индикации 9 высвечивается число, соответствующее концентрации оптически активного вещества в растворе.

Таким образом, можно избавиться от погрешностей измерения концентрации оптически активного вещества в растворе, вносимых неидентичностью каналов и неточной выставкой поляроидов.

Способ включает пропускание модулированного плоскополяризованного излучения через исследуемый раствор, сбор пропущенного излучения на три поляроида-анализатора с фотоприемниками, при этом первый и второй поляроиды-анализаторы развернуты симметрично относительно плоскости плоскополяризованного излучения, поступающего в раствор, а третий поляроид-анализатор ориентирован в той же плоскости плоскополяризованного излучения, поступающего в раствор, сигналы с трех фотоприемников усиливаются в этих трех каналах, синхронно детектируются, переводятся в цифровую форму и обрабатываются. Измерение угла поворота плоскости поляризации производится по соотношениям, которые исключают влияние неидентичности каналов и неточной выставки поляроидов на конечный результат. 3 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения концентрации оптически активных веществ в растворах по углу поворота плоскости поляризации, включающий пропускание модулированного плоскополяризованного излучения через исследуемый раствор, сбор пропущенного излучения на три поляроида-анализатора с фотоприемниками, при этом первый и второй поляроиды-анализаторы развернуты симметрично относительно плоскости плоскополяризованного излучения, поступающего в раствор, а третий поляроид-анализатор ориентирован так же, как поляроид источника плоскополяризованного излучения, усиление сигналов с трех фотоприемников, синхронное детектирование, перевод в цифровую форму и обработку, получение значений сигналов R₁, R₂, R₃ - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы, отличающийся тем, что дополнительно получают значения сигналов W₁, W₂, W₃ - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы; значения сигналов Р₁, Р₂, Р₃ - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов; значения сигналов V₁, V₂, V₃ - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов, а измерение угла поворота плоскости поляризации ϕ производится по следующему соотношению:

где
2. Способ измерения концентрации оптически активных веществ в растворах по углу поворота плоскости поляризации, включающий пропускание модулированного плоскополяризованного излучения через исследуемый раствор, сбор пропущенного излучения на три поляроида-анализатора с фотоприемниками, при этом первый и второй поляроиды-анализаторы развернуты симметрично относительно плоскости плоскополяризованного излучения, поступающего в раствор, а третий поляроид-анализатор ориентирован так же, как поляроид источника плоскополяризованного излучения, усиление сигналов с трех фотоприемников, синхронное детектирование, перевод в цифровую форму и обработку, получение значений сигналов R₁, R₂, R₃ - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы, отличающийся тем, что дополнительно получают значения сигналов W₁, W₂, W₃ - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы; значения сигналов Р₁, Р₂, Р₃ - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов; значения сигналов V₁, V₂, V₃ - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов, а измерение угла поворота плоскости поляризации ϕ производится по следующему соотношению:

где
3. Способ измерения концентрации оптически активных веществ в растворах по углу поворота плоскости поляризации, включающий пропускание модулированного плоскополяризованного излучения через исследуемый раствор, сбор пропущенного излучения на три поляроида-анализатора с фотоприемниками, при этом первый и второй поляроиды-анализаторы развернуты симметрично относительно плоскости плоскополяризованного излучения, поступающего в раствор, а третий поляроид-анализатор ориентирован так же, как поляроид источника плоскополяризованного излучения, усиление сигналов с трех фотоприемников, синхронное детектирование, перевод в цифровую форму и обработку, получение значений сигналов R₁, R₂, R₃ - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы, отличающийся тем, что дополнительно получают значения сигналов W₁, W₂, W₃ - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы; значения сигналов Р₁, Р₂, Р₃ - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов; значения сигналов V₁, V₂, V₃ - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов, а измерение угла поворота плоскости поляризации ϕ производится по следующему соотношению:

где

а параметры k₁, k₂ однозначно определяются по углам разворота поляроидов-анализаторов.