СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРА И САХАРИМЕТР ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2004 года по МПК G01N21/21 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к поляриметрическим измерениям концентрации сахарозы в растворах и может применяться в медицинской, сахарной и химической промышленности.

Известен способ измерения концентрации сахара (Бугаенко И.Ф. Технохимический контроль сахарного производства. - М.: Агропромиздат, 1989. с. 16-21.), по которому концентрацию находят измерением угла, на который необходимо повернуть поляризационный фильтр для компенсации поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света, либо измерением толщины кварцевого клина, компенсирующей вращение плоскости поляризации.

Недостатком описанного способа является наличие кинематики и необходимость точной механической градуировки.

Известны портативные визуальные поляриметры (Оптико-электронные приборы для научных исследований: Учеб. пособие/Л.А.Новицкий, А.С.Гоменюк, В.Е.Зубарев, А.М.Хорохоров. - М.: Машиностроение, 1986. с. 337-338), построенные по схеме компенсации угла поворота плоскости поляризации путем поворота одного из поляризационных фильтров.

Известен также сахариметр (А.с. СССР 1778637, кл. G 01 N 21/21, 1992.), содержащий кювету, на одном торце которой по оптической оси расположен поляризатор и линза, а на другом торце - анализатор.

Недостатком аналогов является наличие субъективной погрешности измерений, наличие кинематики и необходимость точной механической градуировки приборов.

Известны фотоэлектрические (объективные) сахариметры (Оптико-электронные приборы для научных исследований: Учеб. пособие/Л.А. Новицкий, А.С.Гоменюк, В.Е.Зубарев, А.М.Хорохоров. - М.: Машиностроение, 1986. с. 338-341), построенные по схеме компенсации угла поворота плоскости поляризации путем поворота одного из поляризационных фильтров на величину, определяемую сигналом рассогласования с фотоприемника.

Известен также поляриметр (А.с. СССР 1272192, кл. G 01 N 21/21, 1986.), состоящий из источника света, светофильтра, поляризатора, анализатора и фотоприемника.

Недостатком аналогов является наличие кинематики и электродвигателей, что усложняет оптический блок и существенно увеличивает массогабаритные показатели устройства.

Наиболее близким по сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ измерения концентрации сахара (А.с. СССР 1749783, кл. G 01 N 21/21, 1992), по которому в ходе измерения луч поляризованного света разделяется в призме Волластона на два линейно поляризованных пучка, р- и s-компоненты которых составляют ±45^o по отношению к плоскости пропускания поляризационного фильтра. С помощью подвижной маски эти два пучка по очереди подаются на фотоприемник. При наличии оптически активного вещества в кювете на фотоприемнике появляется переменная составляющая с амплитудой, пропорциональной углу поворота плоскости поляризации.

К недостаткам способа - прототипа относится наличие кинематики в модуляторе.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является поляриметр для измерения концентрации сахара в моче (А.с. СССР 1749783, кл. G 01 N 21/21. 1992) с неподвижными поляризационными фильтрами, содержащий источник света, диафрагму, коллиматор, светофильтр, поляризационный фильтр и двулучепреломляющую призму Волластона, за которой установлен мору ля-юр в виде подвижной маски с окнами, расположенными со смещением на величину окна вдоль направления перемещения.

К недостаткам устройства - прототипа относится наличие кинематики в модуляторе, и, как следствие, значительные массогабаритные показатели.

Технический результат изобретения - уменьшение массогабаритных показателей сахариметра, упрощение конструкции оптического блока и полное устранение кинематики в устройстве.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения концентрации сахара в растворе, по которому проводят измерение интенсивности прошедшего светофильтр, первый поляризационный фильтр, исследуемый раствор и второй поляризационный фильтр пучка света в первом канале измерения, в отличие от прототипа вводят второй канал измерения, в котором пучок света направляют через светофильтр, поляризационный фильтр и исследуемый раствор, производят измерение коэффициента пропускания каждого из каналов относительно холостой пробы, не содержащей исследуемого вещества, а концентрацию сахара С находят по формуле:

где l - длина оптического канала;
[[α]] - удельное вращение плоскости поляризации сахара;
T₁ - коэффициент пропускания первого канала;
Т₂ - коэффициент пропускания второго канала.

Технический результат достигается также сахариметром, содержащим первый оптический канал, включающий в себя первый источник света, первую фокусирующую линзу, светофильтр, неподвижно установленные поляризационные фильтры, установленную между ними кювету с исследуемой средой, и первый фотоприемник, причем первый источник света оптически связан с первым фотоприемником, в котором, в отличие от прототипа, введен второй оптический канал, содержащий второй источник света, вторую фокусирующую линзу и второй фотоприемник, оптически связанный со вторым источником света, причем оси пропускания поляризационных фильтров первого оптического канала ориентированы строго параллельно, а также введены коммутатор, измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и устройство индикации, при этом выходы первого и второго фотоприемника через коммутатор соединены с входом измерительного усилителя, выход измерительного усилителя соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом микропроцессора, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым источниками света соответственно, третий выход соединен с коммутатором, четвертый выход соединен с измерительным усилителем, пятый выход соединен с аналого-цифровым преобразователем, а шестой выход соединен с устройством индикации.

Существо изобретения поясняется чертежом. На фиг.1 изображена блок-схема устройства.

Сахариметр содержит первый и второй источники оптического излучения, первую и вторую фокусирующие линзы, светофильтр, два неподвижно закрепленных поляризационных фильтра со строго параллельными осями пропускания, между которыми помещена кювета с исследуемым раствором, первый и второй фотоприемники, коммутатор, измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и устройство индикации, причем излучение первого источника света 1 через фокусирующую линзу 2, светофильтр 3, поляризационный фильтр 4, кювету с измеряемым раствором 5 и поляризационный фильтр 6 оптически связано с первым фотоприемником 7, а излучение второго источника света 8 через фокусирующую линзу 9, светофильтр 3, поляризационный фильтр 4 и кювету с измеряемым раствором 5 оптически связано со вторым фотоприемником 10, причем выходы фотоприемников 7 и 10 через коммутатор 11 соединены с входом измерительного устройства 12, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 13, выход которого соединен с входов микропроцессора 14, причем первый выход микропроцессора 14 соединен с первым источником света 1, второй выход микропроцессора 14 соединен со вторым источником света 8, третий выход микропроцессора 14 соединен с коммутатором 11, четвертый выход микропроцессора 14 соединен с измерительным усилителем 12, пятый выход микропроцессора 14 соединен с аналого-цифровым преобразователем 13, а шестой выход микропроцессора 14 соединен с устройством индикации 15.

Измерение концентрации сахара в растворе по заявляемой методике состоит из двух этапов. На первом этапе производят измерение холостой пробы (раствора, идентичного исследуемому, но не содержащего сахара) по обоим оптическим каналам. Для первого канала значение фототока первого фотоприемника 7 I_1ХП может быть выражено в аналитической форме как
I_1ХП=0.5•Ф₁•Т_ХП•Т_ХТ2•К₁,
где Ф₁ - мощность излучения источника света 1;
Т_ПФ1 - коэффициент пропускания первого поляризационного фильтра 4;
Т_ХП - коэффициент пропускания холостой пробы;
Т_ПФ2 - коэффициент пропускания второго поляризационного фильтра 6;
К₁ - коэффициент преобразования оптического излучения в ток первого фотоприемника 7.

Для второго канала значение фототока второго фотоприемника 10 I_2ХП может быть выражено в аналитической форме как
I_2ХП=0.5•Ф₂•Т_ПФ1•Т_ХТ•К₂;
где Ф₂ - мощность излучения источника света 8;
К₂ - коэффициент преобразования оптического излучения в ток второго фотоприемника 10.

Значения I_1ХП и I_2ХП последовательно усиливаются и преобразуются в напряжения измерительным усилителем 12, которые преобразуются в цифровой код аналого-цифровым преобразователем 13 и поступают в микропроцессор 14, где запоминаются для вычисления окончательного результата в ходе второго этапа.

На втором этапе проводят измерение исследуемого раствора по обоим оптическим каналам. Для первого оптического канала значение фототока первого фотоприемника 7 I_1СП может быть выражено в аналитической форме как
I_1СП = 0,5•Ф₁•T_ПФ1•T_СП•T_ПФ2•cos²(α)•K₁,
где T_СП - коэффициент пропускания исследуемой пробы;
α - угол поворота плоскости поляризации пучка света, вызванный наличием сахара в исследуемой пробе.

Появление члена cos²(α) объясняется законом Малюса, согласно которому коэффициент пропускания Т 100%-но линейно поляризованного луча света, ориентированного под углом α относительно оси пропускания идеального поляризатора выражается как
T = cos²(α).
Для второго оптического канала значение фототока второго фотоприемника 10 I_2СП может быть выражено в аналитической форме как
I_2СП=0.5•Ф₂•T_ПФ1•Т_СП•К₂.

Значения I_1СП и I_2СП последовательно усиливаются и преобразуются в напряжения измерительным усилителем 12, которые преобразуются в цифровой код аналого-цифровым преобразователем 13 и поступают в микропроцессор 14, который производит следующие вычисления:
^а) Вычисляет коэффициент пропускания первого оптического канала T₁ как

где Т_СР - коэффициент пропускания исследуемой среды.

^б) Вычисляет коэффициент пропускания второго оптического канала Т₂ как

^в) Вычисляет отношение коэффициентов пропускания первого и второго каналов К как

^г) Вычисляет значение α как

^д) Вычисляет значение концентрации сахара в исследуемом растворе Скак

где l - длина оптического канала;
[α] - удельное вращение плоскости поляризации сахара для рабочей длины волны. Для длины волны 589.3 нм значение [α] составляет 66.33^o.

Заявляемый сахариметр работает в двух режимах: в режиме тарировки и в режиме измерения. Отличия режимов работы заключаются в вычислительном процессе микропроцессора 14.

Измерительный процесс в обоих режимах построен одинаково: сначала микропроцессор 14 с помощью коммутатора 11 переключает первый фотоприемннк 7 на вход измерительного усилителя 12, затем включает первый источник света 1. Световой поток фокусируется линзой 2 и последовательно проходит светофильтр 3, первый поляризационный фильтр 4, кювету с измеряемым раствором 5, второй поляризационный фильтр б и попадает на фотоприемник 9, где преобразуется в фототок. Фототек с помощью коммутатора 11 подается на измерительный усилитель 12, где усиливается, преобразуется в напряжение и подается на вход аналого-цифрового преобразователя 13. Измеренное значение подается на вход микропроцессора 14, где запоминается в оперативной памяти. Затем микропроцессор 14 отключает первый источник света 1, с помощью коммутатора 11 переключает второй фотоприемник 10 на вход измерительного усилителя 12, при необходимости корректирует коэффициент усиления измерительного усилителя 12 и включает второй источник света 8. Световой поток фокусируется линзой 9 и последовательно проходит светофильтр 3, первый поляризационный фильтр 4, кювету с измеряемым раствором 5 и попадает на второй фотоприемник 10, где преобразуется в фототек. Фототок с помощью коммутатора 11 подается на измерительный усилитель 12, где усиливается, преобразуется в напряжение и подается на вход аналого-цифрового преобразователя 13. Измеренное значение подается на вход микропроцессора 14, где запоминается в оперативной памяти. Затем микропроцессор 14 отключает второй источник света 8.

При работе в первом режиме оба измеренных значения запоминаются в оперативной памяти для дальнейшего использования во втором режиме. При работе во втором режиме микропроцессор 14 производит вычисления согласно описанной выше методике, а затем осуществляет вывод вычисленного значения концентрации на устройство индикации 15.

Пример конкретной реализации способа:
В качестве источников света 1 и 8 используются светодиоды. В качестве поляризационных фильтров 4 и 6 используются поляроидные пленки типа LLC2-80-12(18) со степенью поляризации 99.987%. В качестве фотоприемников 7 и 10 используются фотодиоды типа BPW21. В качестве коммутатора 11 используется аналоговые ключи из состава микросхемы К590КН13. Измерительный усилитель 12 собран по схеме с возможностью регулировки коэффициента усиления на трех операционных усилителях типа К140УД20 (два усилителя) и К140УД14 (один усилитель). Аналого-цифровой преобразователь 13 построен по схеме двойного интегрирования на двух операционных усилителях из состава микросхемы К140УД20 и обеспечивает 16-ти разрядное преобразование напряжение во временной интервал, который микропроцессор 14 преобразует в код. В качестве микропроцессора 14 используется микроконтроллер АТ89С4051 со встроенным ОЗУ данных на 128 байт и встроенным ПЗУ команд на 4 килобайта. В качестве устройства индикации 15 используется жидкокристаллический индикатор DV08020 S1PBLY/R. Время измерения концентрации не превышает одной секунды.

Размер устройства определяется длиной оптического канала. Уменьшение длины оптического канала влечет пропорциональное уменьшение угла поворота плоскости поляризованного света для того же раствора сахара, то есть уменьшение чувствительности. Однако одновременно с уменьшением угла поворота плоскости поляризации уменьшается поглощение пучка света в растворе, что повышает отношение сигнал-шум на входе измерительного усилителя и позволяет проводить измерение с большей точностью. В описываемой реализации длина оптического канала выбрана равной 30 мм. Как следствие, габариты устройства вместе с платой не превышают 100•150•30 мм при наличии внешнего блока питания, а масса устройства без корпуса и блока питания не превышает 250 грамм.

Описанная реализация позволяет уменьшить массогабаритные показатели оптического блока и всего устройства в целом за счет использования поляризационных пленок, обладающих сильным дихроизмом, полного отсутствия кинематики и использования микроконтроллера для обработки и выдачи результата. Монохроматичность излучения достигается использованием светофильтра 3, разбросы параметров светодиодов и фотодиодов взаимно компенсируются в ходе обработки измеренных значений.

Итак, заявляемый сахариметр позволяет быстро проводить объективное измерение концентрации сахара в растворах. При упрощении конструкции понижаются массогабаритные показатели и стоимость прибора. Использование микроконтроллера и отсутствие кинематики повышают надежность устройства.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к поляриметрическим измерениям концентрации сахарозы в растворах, и может применяться в медицинской, сахарной и химической промышленности. Сущность изобретения: проводят измерение интенсивности прошедшего светофильтр, первый поляризационный фильтр, исследуемый раствор и второй поляризационный фильтр линейно поляризованного пучка света в первом канале измерения, дополнительно вводят второй канал измерения, в котором пучок света направляют через светофильтр, поляризационный фильтр и исследуемый раствор, производят измерение коэффициента пропускания каждого из каналов относительно холостой пробы, не содержащей исследуемого вещества, а концентрацию сахара С находят по формуле где l - длина оптического канала; [α] - удельное вращение плоскости поляризации сахара; T₁ - коэффициент пропускания первого канала; Т₂ - коэффициент пропускания второго канала. Технический результат: уменьшение массогабаритных показателей сахариметра, упрощение конструкции оптического блока и полное устранение кинематики в устройстве. 2 c.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения концентрации сахара в растворе, по которому проводят измерение интенсивности прошедшего светофильтр, первый поляризационный фильтр, исследуемый раствор и второй поляризационный фильтр пучка света в первом канале измерения, отличающийся тем, что вводят второй канал измерения, в котором пучок света направляют через светофильтр, поляризационный фильтр и исследуемый раствор, производят измерение коэффициента пропускания каждого из каналов относительно холостой пробы, не содержащей исследуемого вещества, а концентрацию сахара С находят по формуле

где l - длина оптического канала;

[α] - удельное вращение плоскости поляризации сахара;

T₁ - коэффициент пропускания первого канала;

Т₂ - коэффициент пропускания второго канала.