ФЛЮОРИМЕТР-МУТНОМЕР Российский патент 2006 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к средствам оптического контроля жидких сред и может быть использовано для измерения концентрации флюоресцирующих веществ и мутности среды в составе специализированных комплексов или систем, устанавливаемых в том числе и на подвижных носителях.

Практика современных океанологических исследований показывает, что при решении ряда задач необходимы прецизионные измерения и оперативная обработка различной гидрофизической информации в реальном масштабе времени на борту носителя аппаратуры при длительной эксплуатации. Основной целью подобных исследований является построение информационных карт, изучение их временной и пространственной изменчивости, тонкой структуры, выявление аномальных гидрофизических зон и др.

Известен способ определения хлорофилла в водной среде [1], заключающийся в проведении возбуждения флюоресценции водной среды и измерении сигнала интенсивности флюоресценции, по которой проводят определение. Способ не позволяет учитывать загрязнение стенок кюветы флюориметра.

Известен также способ определения хлорофилла фитопланктона в водной среде [2], по которому учитывается загрязнение стенок кюветы. В ходе работ по определению содержания хлорофилла фитопланктона в водной среде было показано, что стенки проточной кюветы флюориметра покрывались налетом, который непрерывно ухудшал ее оптические свойства.

Этот способ имеет следующие недостатки: большая длительность и сложность процесса получения оценки влияния налета на результаты измерения, так как для выполнения необходимых измерений интенсивности флюоресценции требуется значительное время; низкая точность учета влияния загрязнения на конечный результат.

Известен способ на основе измерения светового сигнала интенсивности флюоресценции от содержимого кюветы с последующим введением поправочного коэффициента на результат измерения интенсивности флюоресценции исследуемой среды, в котором и в чистую и в загрязненную кюветы помещают эталон, оба раза определяют интенсивность светового сигнала от него для тех же условий облучения и регистрации, что и для исследуемой среды, и поправочный коэффициент определяют на основании полученных данных [3]. В качестве эталона используют или вещество, сходное по спектральным свойствам с исследуемой средой, или дистиллированную воду с одной и той же температурой для обоих измерений, или зеркало с возможностью отражения им света в направлении измерения интенсивности флюоресценции исследуемой среды. При этом, если используют два последних эталона, то кювету облучают первый раз в спектральной полосе, являющейся полосой возбуждения для исследуемой среды, и регистрируют свет в этой полосе, второй раз облучают в спектральной полосе, являющейся полосой регистрации для исследуемой среды, и регистрируют свет в этой же полосе.

Известен флюориметрический детектор [4], содержащий источник светового потока, фокусирующую оптику, капилляр с пробой, параболическое зеркало, светофильтр, фотоприемное устройство, при этом детектируемый объем пробы расположен в фокусе зеркала таким образом, что излучение флюоресценции, собранное зеркалом, образует квазипараллельный пучок, отличающийся тем, что он снабжен сферическим зеркалом, фокус которого сопряжен с фокусом параболического зеркала, причем зеркала расположены на одной оси, перпендикулярной плоскости, в которой находится ось возбуждающего излучения и капилляр, и содержит ПЗС-матрицу дополнительного фотоприемного устройства, установленную в направлении зеркально отраженного от капилляра с пробой луча, при этом источник излучения и/или капилляр выполнены подвижными с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном своим осям.

Все приведенные способы и устройства для измерения мало пригодны для измерений в динамическом режиме.

Известен также флюориметр [5], являющийся по технической сущности наиболее близким к предлагаемому. Флюориметр-прототип содержит источник света, подключенный к источнику возбуждающего напряжения, и фотоприемник с выходом для подключения к системе передачи и регистрации результатов измерений. При этом источник света и фотоприемник расположены в двух отдельных корпусах, а ось источника света и ось фотоприемника расположены перпендикулярно одна относительно другой.

Недостатком флюориметра-прототипа является недостаточная функциональность, не позволяющая измерять мутность жидкостей.

Задачей, решаемой изобретением, является расширение функциональных возможностей с целью обеспечения возможности измерения мутности жидкостей.

Сущность изобретения заключатся в том, что флюориметр-мутномер содержит первый и второй источники света с различными длинами волн излучаемого света, подключенные соответственно к первому и второму источникам возбуждающего напряжения, первый и второй фотоприемники с выходами для подключения к системе передачи и регистрации результатов измерений, при этом диапазон длин волн света, регистрируемых вторым фотоприемником перекрывается с диапазоном длин волн света, излучаемого первым источником света, первый и второй источники возбуждающего напряжения подключены к выходам коммутатора, которые также подключены к входам системы передачи и регистрации результатов измерений, направление излучения светового потока первым источником света пересекает оси светочувствительных зон и первого и второго фотоприемников, коммутатор циклически формирует на своих выходах состояние, когда сигналы на обоих выходах отсутствуют, состояние, когда сигнал присутствует на первом выходе и отсутствует на втором, состояние, когда сигнал присутствует на втором выходе и отсутствует на первом.

В флюориметре-мутномере предусмотрен корпус, при этом наружная поверхность корпуса со стороны набегающего потока имеет форму цилиндра обтекаемой формы, оптическая связь с исследуемой средой первого и второго источников света, а также первого и второго фотоприемников, снабженных светофильтрами, осуществляется с помощью линз (иллюминаторов) из кварцевого стекла, имеющих цилиндрическую поверхность, сопряженную с наружной поверхностью корпуса, светочувствительные зоны первого и второго фотоприемников направлены навстречу набегающему потоку, а направления излучения световых пучков первым и вторым источниками света образуют острые углы с осями светочувствительных зон соответственно первого и второго фотоприемников.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 - функциональная схема флюориметра-мутномера;

на фиг.2 - конструкция флюориметра-мутномера, вид сбоку в продольном сечении;

на фиг.3 - конструкция флюориметра-мутномера, вид спереди;

на фиг.4 - конструкция флюориметра-мутномера, вид сверху;

на фиг.5 - временные диаграммы сигналов на выходах коммутатора и фотоприемников.

На фиг.1-5 обозначены:

1 - первый источник света;

2 - второй источник света;

3 - первый фотоприемник;

4 - второй фотоприемник;

5 - выход первого фотоприемника 3;

6 - выход второго фотоприемника 4;

7 - система передачи и регистрации результатов измерений;

8 - корпус;

9, 10 - светофильтры;

11-14 - линзы;

15 - цилиндрическая поверхность линз;

16 - наружная поверхность корпуса 8;

17 - направление излучения светового пучка первым источником 1 света;

18 - направление излучения светового пучка вторым источником 2 света;

19 - ось светочувствительной зоны первого фотоприемника 3;

20 - ось светочувствительной зоны второго фотоприемника 4;

21 - первый источник возбуждающего напряжения;

22 - второй источник возбуждающего напряжения;

23 - коммутатор;

24 - выход цифрового интерфейса;

25 - сигнал на первом выходе коммутатора;

26 - сигнал на втором выходе коммутатора;

27 - сигнал на выходе первого фотоприемника;

28 - сигнал на выходе второго фотоприемника.

В предлагаемом флюориметре-мутномере длина волны света , воспринимаемого первым фотоприемником 3, находится в диапазоне от 650 нм до 690 нм, а длина волны света, воспринимаемого вторым фотоприемником 4, находится в диапазоне от 510 нм до 530 нм, который включает длину волны света, излучаемого первым источником 1. В этом случае первый фотоприемник 3 регистрирует свет, получаемый в результате флюоресценции уранина, а второй - в результате флюоресценции хлорофилла-А.

Источники 1 и 2 света, фотоприемники 3 и 4, а также система 7 передачи и регистрации результатов измерений выполнены по обычным схемам, используемым при построении флюориметров, и не имеют каких-либо особенностей.

Система 7 может включать, например, первый и второй усилители, входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго фотоприемников 3 и 4 (входы первого и второго усилителей образуют первый и второй входы системы 7), а выходы подключены к входам аналого-цифрового преобразователя, связанного с микроконтроллером или электронно-вычислительной машиной (ЭВМ), к которой через выход 24 цифрового интерфейса по известным схемам подключены различные средства индикации и отображения информации, например монитор, самописец, принтер и т.п., или же другое вычислительное устройство (другая ЭВМ), осуществляющая накопление, хранение, дальнейшую обработку и передачу полученных данных. В качестве цифрового интерфейса может использоваться интерфейс RS-232, RS-485, а также беспроводные каналы передачи данных, например Bluetooth.

Кроме этого, система 7 имеет устройство ввода дискретных сигналов, два входа которого образуют третий и четвертый входы системы 7.

Коммутатор 23 может быть выполнен, например, в виде ЭВМ (микроЭВМ) или микроконтроллера, оснащенных устройством вывода дискретных сигналов, два выхода которого образуют выходы коммутатора 23. Коммутатор 23 циклически реализует следующие состояния: сигналы на обоих выходах отсутствуют, сигнал присутствует на первом выходе и отсутствует на втором, сигнал присутствует на втором выходе и отсутствует на первом. В качестве микроконтроллера или ЭВМ может использоваться микроконтроллер или ЭВМ, входящая в состав системы 7.

Флюориметр-мутномер выполнен, в частности, таким образом, что наружная поверхность корпуса 8 со стороны набегающего потока имеет форму цилиндра обтекаемой формы (на фиг.4 направление набегающего потока условно показано стрелками).

Оптическая связь с исследуемой средой первого и второго источников 1 и 2 света, а также первого и второго фотоприемников 3 и 4, снабженных светофильтрами 9 и 10, осуществляется с помощью линз (иллюминаторов) 11-14 из кварцевого стекла, имеющих цилиндрическую поверхность 15, сопряженную с наружной поверхностью 16 корпуса 8.

Светочувствительные зоны первого и второго фотоприемников 3 и 4 направлены навстречу набегающему потоку, а направления 17 и 18 излучения световых пучков первым и вторым источниками 1 и 2 света образуют острые углы α с осями 19 и 20 светочувствительных зон соответственно первого и второго фотоприемников 3 и 4 (см. фиг.2). Причем направление 17 излучения светового потока первым источником 1 света выбирается таким образом, чтобы оно пересекало оси светочувствительных зон и первого и второго фотоприемников 3 и 4. Обычно углы α составляют от 10° до 45°.

Флюориметр-мутномер работает следующим образом.

На первом этапе измерений оба источника 1 и 2 света выключены, а фотоприемники 3 и 4 осуществляют измерение фонового сигнала. На втором этапе первый источник 1 света включается, первый фотоприемник 3 регистрирует излучение, обусловленное флюоресценцией, а второй фотоприемник 4 регистрирует излучение, вызванное рассеиванием излучения от первого источника 1 света в мутной среде. В этом случае флуоресценция возбуждается излучением с длиной волны λ₁, а регистрируется излучение с длиной волны .

На третьем этапе измерений первый источник 1 света выключен, второй включен, первый фотоприемник 1 выключен, а второй фотоприемник 4 регистрирует излучение, обусловленное флюоресценцией.

На первом этапе измерений при выключенных источниках 1 и 2 света и соответственно отсутствии сигналов от коммутатора 23 на третьем и четвертом входах системы 7 передачи и регистрации результатов измерений, система 7 производит измерение значений фонового сигнала от первого и второго фотоприемников 3 и 4 соответственно U₀₁ и U₀₂. На втором этапе измерений при включенном первом источнике 1 света и выключенном втором источнике 2 света (при наличии сигнала на третьем входе системы 7 и отсутствии сигнала на четвертом ее входе) система 7 регистрирует значения сигналов от первого и второго фотоприемников 3 и 4 соответственно U₁₁ и U₁₂.

На основании полученных данных производится вычисление мутности среды С (ЕМФ) и концентрации первого вещества (в данном случае уранина) К₁ (мг/дм³) (которая пропорциональна интенсивности флюоресценции на длине волны , возбуждаемой светом с длиной волны λ₁) согласно следующим формулам:

где k_м - коэффициент пропорциональности, В/ЕМФ; k_ф1 - коэффициент пропорциональности, мг/(дм³·B).

На третьем этапе измерений при включенном втором источника 2 света и выключенном первом источнике 1 света (при наличии сигнала на четвертом входе системы 7 и отсутствии сигнала на третьем ее входе) система 7 регистрирует значение сигнала второго фотоприемника 4 U₂₂, на основании которого вычисляется концентрация второго вещества (в данном случае хлорофилла-А) К₂ (мг/дм³) (которая пропорциональна интенсивности флюоресценции на длине волны , возбуждаемой светом с длиной волны λ₂). Вычисление производится согласно следующей формуле:

где k_ф2 - коэффициент пропорциональности, мг/(дм³·B).

При этом перед вычислениями по формулам (1)-(3) производится первичная обработка сигналов первого и второго фотоприемников 3 и 4, которая может включать в себя фильтрацию, усреднение и т.п.

Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет обеспечения возможности измерения мутности жидкости наряду с измерением концентрации веществ в жидкости флюориметрическим методом. Кроме этого, благодаря предложенной конструкции флюориметра-мутномера достигается плавное обтекание корпуса потоком жидкости, при этом измерение концентрации исследуемых веществ и мутности жидкости происходит в незначительно возмущенной области потока, чем обеспечивается устранение погрешностей, связанных с нарушением структуры исследуемого потока.

На предприятии-заявителе был изготовлен и испытан опытный образец предлагаемого флюориметра-мутномера. Испытания опытного образца подтвердили возможность получения указанного технического результата.

Таким образом, представленные чертежи и описание позволяют, используя существующую элементную базу и технологии, изготовить предлагаемый флюориметр-мутномер промышленным способом и использовать его измерения концентрации различных веществ и мутности жидкости в составе специализированных комплексов или систем, что характеризует изобретение как промышленно применимое.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авторское свидетельство СССР №1473518, МПК G 01 N 21/64, 1987.

2. T.Platt. The feasibility of mapping the chlorophyll distribution in the gulf of St. Lawrenge. Fisheries research board of Canada. Technical report. N 332. August, 1972, p.1-3.

3. Патент РФ №2031399, МПК G 01 N 21/64, 1995.

4. Патент РФ №2182329, МПК G 01 N 21/64, 2002.

5. Патент США №4293225, МПК G 01 N 21/64, 1981 (прототип).

Флюориметр-мутномер содержит первый и второй источники света с различными длинами волн излучаемого света, подключенные соответственно к первому и второму источникам возбуждающего напряжения, первый и второй фотоприемники с выходами для подключения к системе передачи и регистрации результатов измерений, при этом диапазон длин волн света, регистрируемых вторым фотоприемником, перекрывается с диапазоном длин волн света, излучаемого первым источником света, первый и второй источники возбуждающего напряжения подключены к выходам коммутатора, которые также подключены к входам системы передачи и регистрации результатов измерений, направление излучения светового потока первым источником света пересекает оси светочувствительных зон и первого и второго фотоприемников. Технический результат - обеспечение возможности измерения мутности жидкостей. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Флюориметр-мутномер, содержащий первый и второй источники света с различными длинами волн излучаемого света, подключенные соответственно к первому и второму источникам возбуждающего напряжения, первый и второй фотоприемники с выходами для подключения к системе передачи и регистрации результатов измерений, при этом диапазон длин волн света, регистрируемых вторым фотоприемником, перекрывается с диапазоном длин волн света, излучаемого первым источником света, первый и второй источники возбуждающего напряжения подключены к выходам коммутатора, которые также подключены к входам системы передачи и регистрации результатов измерений, направление излучения светового потока первым источником света пересекает оси светочувствительных зон и первого и второго фотоприемников, коммутатор циклически формирует на своих выходах состояние, когда сигналы на обоих выходах отсутствуют, состояние, когда сигнал присутствует на первом выходе и отсутствует на втором, состояние, когда сигнал присутствует на втором выходе и отсутствует на первом.2. Флюориметр-мутномер по п.1, в котором предусмотрен корпус, при этом наружная поверхность корпуса со стороны набегающего потока имеет форму цилиндра обтекаемой формы, оптическая связь с исследуемой средой первого и второго источников света, а также первого и второго фотоприемников, снабженных светофильтрами, осуществляется с помощью линз из кварцевого стекла, имеющих цилиндрическую поверхность, сопряженную с наружной поверхностью корпуса, светочувствительные зоны первого и второго фотоприемников направлены навстречу набегающему потоку, а направления излучения световых пучков первым и вторым источниками света образуют острые углы с осями светочувствительных зон соответственно первого и второго фотоприемников.