СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В МУТНЫХ РАСТВОРАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01N21/21 

Предлагаемые способ и устройство относятся к оптико-механическим приборам, предназначенным для анализа оптически активных веществ поляриметрическими методами, а точнее - к сахариметрам и поляриметрам.

Для измерения концентрации оптически активных веществ в растворах поляриметрическими методами пользуются законом Био

где С % - концентрация активного вещества в растворе;

[α]_λ - удельное вращение вещества для длины волны света Х;

L - длина кюветы;

α_λ - угол вращения преобразования линейно поляризованного света длиной волны λ после прохождения слоя исследуемого раствора толщиной L.

Если в процессе измерений заранее известны длина волны света λ, тип оптически активного вещества (например, сахар, глюкоза, фруктоза и т.д.), его удельное вращение [α]_λ, а также длина кюветы L, то процесс измерений концентрации оптически активных веществ в растворе заключается в измерении угла поворота (преобразования) линейной поляризации α_λ и умножении результата измерения на постоянный коэффициент М согласно формуле:

где - постоянный коэффициент, который в процессе работы с данным оптически активным веществом не меняется.

Известен субъективный (визуальный) способ измерения концентрации оптически активных веществ, при котором кювету с оптически активным веществом помещают в монохроматический пучок света между двумя линейными поляризаторами, плоскости пропускания которых в исходном положении взаимно ортогональны, визуально наблюдают за изменением интенсивности света, прошедшего через первый поляризатор, кювету с исследуемым раствором, второй поляризатор и вручную поворачивают один из поляризаторов на угол Θ=α_λ, при котором происходит компенсация эффекта поворота плоскости поляризации света, оператор наблюдает снова максимальное гашение света. Для повышения точности применяют полутеневой метод, когда один из поляризаторов выполняют составным, т.е. состоящим из двух частей, плоскости пропускания которых отличаются на угол γ=(1,5-8)°.

Такой способ подробно описан в работе Волковой Е.А. «Поляризационные измерения» (Издательство стандартов, 1974 г., с.76).

Этот известный способ субъективный и потому не точный. Погрешности измерения угла вращения плоскости поляризации способа обычно находятся в пределах от 0,05 до 0,2°. Поэтому для достижения приемлемых точностей измерений концентрации оптически активных веществ вынуждены использовать громоздкие кюветы длиной от 200 до 400 мм, требующие больших объемов исследуемой жидкости для их заполнения.

Главный недостаток известного субъективного способа состоит в том, что если исследуемый раствор мутный, то в результате деполяризации света при рассеянии его в длинной кювете резко понижается точность измерений, а с ростом рассеяния реализация способа измерений концентрации становится невозможной.

Известны объективные фотоэлектрические способы измерения концентрации оптически активных веществ и устройства для их осуществления.

Так, например, в патенте США №6166807 от 26.12.2000 г. (МКИ G01J 4/00) подробно описаны фотоэлектрические способы и устройства, у которых кювету с исследуемым оптически активным веществом помещают в монохроматический пучок света между двумя линейными поляризаторами, плоскости пропускания которых в исходном положении так же, как у субъективных способов, взаимно ортогональны, но между поляризаторами дополнительно устанавливают модуляторы в виде ячеек Фарадея, с помощью которых модулируют плоскость поляризации света на небольшой угол (до 2°), например, с частотой f=50 Гц и плавно поворачивают один из поляризаторов, который жестко связан с точным фотоэлектрическим датчиком угловых перемещений на угол Θ, до момента компенсации эффекта поворота плоскости поляризации света α_λ, полученного в результате прохождения света через исследуемый раствор, т.е. до момента (α_λ=Θ). Момент компенсации эффекта поворота плоскости поляризации α_λ-Θ=0 (момент восстановления максимального гашения света, воспринимаемого фотоприемником) определяют по моменту исчезновения из спектра сигнала фотоприемника первой гармоники частоты модуляции ω=2πf, вызванной воздействием модулятора Фарадея согласно формуле:

где J_o - интенсивность света, падающего на первый поляризатор;

τ - пропускание света оптическим трактом;

Θ - угол поворота поляризатора;

α_λ - угол поворота плоскости поляризации света исследуемым раствором;

Δα_λ - амплитуда колебаний модулятора Фарадея;

ω - частота колебаний модулятора Фарадея.

Иногда вместо поворота одного из поляризаторов в качестве компенсатора устанавливают дополнительную ячейку Фарадея, которую питают плавно изменяющимся постоянным током. Момент окончания компенсации также определяют по исчезновению в спектре сигнала фотоприемника первой гармоники переменной составляющей частоты ω, а измеренный угол поворота плоскости поляризации α_λ определяют по величине тока, протекаемого в этот момент через компенсатор Фарадея (см., например, Гринштейн М.М., Кучикян Л.М. Фотоэлектрические концентратомеры для автоматического контроля и регулирования. М.: Машиностроение, 1966 г., с.151-166).

Фотоэлектрические способы измерений концентрации оптически активных веществ обладают большой чувствительностью благодаря регулярной модуляции состояния поляризации света на фиксированной частоте, что позволяет достигать точностей измерения угла поворота плоскости поляризации Δα_λ=±0,002°. При этом отпадает необходимость в длинных кюветах. Обычно длина кювет в фотоэлектрических поляриметрах и сахариметрах находится в пределах от 10 до 100 мм, что благоприятно сказывается в тех случаях, когда исследуемый раствор мутный, поскольку, чем короче кювета, тем меньше сказывается рассеяние света на степень деполяризации света.

Однако упомянутые известные фотоэлектрические способы имеют ряд существенных недостатков. Главными из них являются: высокая стоимость точных фотоэлектрических датчиков угловых перемещений или магнитооптических компенсаторов, которые требуются для осуществления способов, а также необходимость работы в районе максимального гашения света, когда пропускание поляризаторов взаимоортогонально и производная функции J=f(α_λ,Θ) в нижнем экстремуме минимальна.

Повышение точности измерения концентрации оптически активных веществ в растворах и упрощение конструкции устройств можно достичь в случае использования некомпенсационных схем.

Типичным примером некомпенсационного способа измерений являются известный способ и устройство для измерения концентрации оптически активных веществ по патенту ЕПВ №0351659 (МКИ G01N 21/21, G01J 4/04), при котором кювету с оптически активным веществом помещают в монохроматический пучок света между поляризаторами, плоскости пропускания которых взаимоортогональны, перед кюветой с помощью модулятора Фарадея периодически с частотой f изменяют азимут линейной поляризации от +α_f в течение одного полупериода до -α_f в течение другого полупериода относительно плоскости пропускания анализатора, находящегося в исходном (нулевом) положении. В каждые полупериоды измеряют интенсивности пучков света, прошедших поляризатор, модулятор Фарадея, кювету и анализатор. Измерения ведут с помощью фотоприемника с усилителем. Выходной усиленный сигнал фотоприемника в течение каждого полупериода частоты f модуляции поочередно интегрируется до величины напряжения соответственно U₁₊ и U_1-. Эти величины запоминаются, вычитаются, суммируются, формируется их отношение Q и из этого отношения вычитается регулируемое постоянное напряжение U_к. Известный способ и устройство по патенту ЕПВ №0351659 имеет высокую точность измерений концентрации оптически активных веществ в случае, когда периодическое скачкообразное изменение азимута линейной поляризации производят на углы от +α_f≈+45° до -α_f≈-45°, т.е. когда функцию J=f(α_f,α) при α=±5° можно аппроксимировать прямой. Однако такую амплитуду модуляции азимута линейной поляризации достигнуть принципиально возможно только при использовании специальных материалов, с высокой постоянной Верде, например, железоитриевого граната при длине волны его прозрачности λ=1 мкм или фосфида галия при длине волны λ=665 нм, а также при осуществлении надлежащей температурной стабилизации сердечника модулятора Фарадея. Это является существенным недостатком данного способа и устройства.

Вторым существенным недостатком устройства по патенту ЕПВ №0351659 является то, что кювета с исследуемым раствором помещена в сходящихся лучах рабочего пучка света. Это означает, что при изменении показателя преломления раствора или при удалении из пучка света кюветы размер пучка света на фотоприемнике будет изменяться и условия первоначальной юстировки устройства будут меняться.

В другом более совершенном известном устройстве для измерения концентрации сахара (глюкозы) в моче по патенту РФ №2029258 от 04.06.1991 г. (МКИ G01J 4/04) для изменения азимута линейной поляризации перед кюветой от -45° до +45° относительно плоскости пропускания анализатора использован составной поляризатор в виде примыкающих по линии встык друг к другу частей поляризационных фильтров, плоскости пропускания которых составляют угол 90° между собой и углы -45° и +45° по отношению к плоскости пропускания простого поляризатора-анализатора.

Составной поляризатор закреплен на плоских параллельных пружинах вибратора и периодически с частотой сети перемещается таким образом, что узкий пучок света проходит то одну, то другую часть составного поляризатора. Таким образом, обеспечивается точное периодическое (скачком) изменение азимута линейной поляризации от -45° в один полупериод до +45° в другой. В этом известном устройстве используется такой же некомпенсационный способ измерения концентрации оптически активных веществ, как и в упомянутом выше патенте ЕПВ №0351659. Поэтому, если исследуемый раствор мутный и обладает рассеянием и частичной деполяризацией света, то происходит неконтролируемое уменьшение переменной составляющей сигнала фотоприемника по отношению к постоянной составляющей и появляется ошибка измерений концентрации оптически активных веществ в исследуемом растворе. Кроме того, наличие электромеханического вибратора для изменения азимута плоскости поляризации является существенным препятствием к созданию миниатюрных автономных устройств для измерения концентрации оптически активных веществ с малым потреблением электроэнергии от миниатюрных источников питания (от батареек или аккумуляторов).

Наиболее близким к объекту заявки прототипом является известный способ измерения концентрации оптически активных веществ, реализованный в известном устройстве для измерения вращения плоскости поляризации по патенту Японии №06072807, согласно которому кювету с оптически активным веществом помещают в монохроматический пучок света между двумя линейными поляризаторами, плоскости пропускания которых отличаются на угол ±45°, один из которых простой, а другой пропускает отдельно два пучка света с взаимоортогональными плоскостями поляризации, измеряют интенсивность света J₁, прошедшего кювету и поляризаторы, плоскости пропускания которых составляют между собой угол -45°, измеряют интенсивность света J₂, прошедшего кювету и поляризаторы, плоскости пропускания которых составляют между собой угол +45°, а по отношению разности этих интенсивностей J₁-J₂ к сумме J₁+J₂ определяют угол поворота плоскости поляризации α_λ находящимся в кювете оптически активным веществом.

Известное устройство по патенту Японии №06072807 содержит источник монохроматического света 1 (фиг.1), кювету 2 с исследуемым раствором 3, содержащим оптически активное вещество. Кювета 2 установлена в рабочий пучок света между двумя линейными поляризаторами 4 и 5, плоскости пропускания которых отличаются на угол ±45°. Простой поляризатор 4 выполнен в виде призмы Глана, и его плоскость пропускания составляет 45° с горизонтом. Другой поляризатор выполнен в виде призмы Волластона 5, который пропускает отдельно два пучка света J₁ и J₂ с взаимоортогональными плоскостями поляризации между собой, точнее, плоскость поляризации одного пучка J₁ вертикальная, а другого J₂ - горизонтальная. Интенсивности пучков света различных азимутов J₁, J₂, прошедшие поляризатор 4, исследуемое вещество 3, поляризатор 5, воспринимаются фотоприемниками 6, 7. Электрические сигналы U₁ и U₂ фотоприемников 6, 7 усиливаются усилителями 8, 9, которые подсоединены к электронному блоку 10, в котором происходит вычисление разности сигналов U₁-U₂, суммы сигналов U₁+U₂ и их отношение.

которое пропорционально измеряемому углу поворота плоскости поляризации света α_λ, полученному в результате прохождения поляризованного света через исследуемый раствор 3. Результат измерений индицируется индикатором 11.

Если исследуемый раствор 3 не содержит оптически активного вещества и является прозрачным, то интенсивности обоих пучков света J₁ и J₂ после прохождения поляризатора 5 одинаковы, т.е.

где J_o - интенсивность света, падающего на поляризатор 4;

τ - пропускание света оптическим трактом.

На фиг.2 такое положение отображено точками 12 и 13.

В этом случае потенциалы U₁ и U₂ равны, электронный блок 10 выдает информацию об отношении Q=0, и на цифровом табло 11 отображается нулевой результат измерений.

Если исследуемый раствор 3 (фиг.1) содержит оптически активное вещество, например сахар, обладающий правым вращением, и поворачивает плоскость поляризации на угол α_λ, то интенсивности света

что на фиг.2 отображено точкой 14, а

что отображено точкой 15. В этом случае разность

Потенциалы U₁ и U₂ пропорциональны интенсивностям света J₁ и J₂, поэтому отношение

Электронный блок 10 (фиг.1) выдает информацию об измеренном угле α_λ на цифровом табло 11. Концентрацию оптически активного вещества находят по известной формуле (1)

Известное устройство для измерения вращения плоскости поляризации по патенту Японии №06072807 и реализованный в нем способ измерения концентрации оптически активного вещества имеют существенный недостаток в том, что если исследуемый раствор мутный и рассеивает свет, то в результате рассеяния степень поляризации света р уменьшается, т.е. р=1-Δр, где Δр - величина деполяризации света, которая в процессе измерений не контролируется и может быть переменной.

Так, например, в процессе определения концентрации таннина в чае или глюкозы в моче больного человека степень поляризации света после кюветы р<1. Поэтому:

а отношение

Следовательно, результат измерения концентрации С %=М·р·2α_λ будет занижен на величину ΔС_%=М·Δр·2α_λ.

Фильтрование или центрифугирование исследуемого раствора не всегда доступны для экспрессного контроля, а иногда не эффективны.

Требуется новое техническое решение.

Предлагается новый способ измерения концентрации оптически активных веществ в мутных растворах, при котором кювету с оптически активным веществом помещают в монохроматический пучок света между двумя линейными поляризаторами, плоскости пропускания которых отличаются на угол ±45°, один из которых простой, а другой пропускает отдельно два пучка света с взаимоортогональными плоскостями поляризации, измеряют интенсивность света J₁, прошедшего кювету и поляризаторы, плоскости пропускания которых составляют между собой угол +45°, измеряют интенсивность света J₂, прошедшего кювету и поляризаторы, плоскости пропускания которых составляют между собой угол -45°. Контролируют разность интенсивностей света J₁-J₂, поворачивают простой поляризатор от исходного положения на угол Θ=α_λ, при котором разность интенсивностей света J₁-J₂ становится равной нулю, оставляют в этом положении простой поляризатор, удаляют из пучка света кювету с исследуемым раствором. Затем по отношению разности к сумме интенсивностей пучков света и , не подвергающихся рассеянию, определяют угол поворота простого поляризатора Θ=α_λ, умножают этот результат на коэффициент , учитывающий удельное вращение [α]_λ вещества и длину кювету L, и находят концентрацию оптически активного вещества в растворе, который был в рабочем пучке света до его удаления.

Предлагается также устройство для реализации способа измерения концентрации оптически активных веществ в мутных растворах, содержащее источник монохроматического света, кювету с оптически активным веществом, установленную в монохроматическом пучке света между двумя линейными поляризаторами, плоскости пропускания которых отличаются на угол ±45°, один из которых простой, а другой в виде призмы Волластона, два фотоприемника, два усилителя сигналов U₁ и U₂, формирователи разности U₁-U₂ и суммы U₁+U₂ этих сигналов, блок отношений разности к сумме сигналов и индикатор. Выход формирователя потенциала разности сигналов U₁-U₂ через включатель, установленный в месте фиксации кюветы через электронный ключ, подсоединен к последовательно соединенным усилителю, синхронному детектору, пороговому устройству и двум индикаторам. Простой поляризатор установлен в оправе, связанной с механизмом плавных угловых перемещений, а между источником света и простым поляризатором установлен дополнительный циркулярный поляризатор, состоящий из линейного поляризатора и четвертьволновой пластинки, «быстрая» кристаллографическая ось которой составляет угол ±45° с плоскостью пропускания линейного поляризатора.

На фиг.1 показана структурная схема известного устройства для измерения вращения плоскости поляризации по патенту Японии №06072807.

На фиг.2 показана зависимость интенсивности света J от угла вращения α_λ для иллюстрации известного принципа работы некомпенсационного способа измерения концентрации оптически активных веществ.

На фиг.3 показана структурная схема предлагаемого устройства для осуществления предлагаемого нового способа измерения концентрации оптически активных веществ в мутных растворах.

На фиг.4 показаны зависимости интенсивностей света J₁ и J₂ на выходе оптического тракта предлагаемого устройства от угла поворота α_λ для случаев наличия и отсутствия рассеяния света в исследуемом растворе.

На фиг.5 показан эффект компенсации угла поворота плоскости поляризации α_λ с помощью поворота простого поляризатора на угол Θ=α_λ.

На фиг.6 показаны зависимости интенсивностей света и от угла поворота Θ простого поляризатора, когда после компенсации (Θ=α_λ) из пучка света удалена кювета с исследуемым раствором.

Возможные варианты осуществления предлагаемого способа измерения концентрации оптически активных веществ в мутных растворах рассмотрим на примере структурной схемы предлагаемого устройства, показанной на фиг.3.

Устройство для измерения концентрации оптически активных веществ в мутных растворах содержит источник света 1 (фиг.3), например, в виде полупроводникового лазера с излучением на длине волны λ=630 нм, кювету 2 с исследуемым раствором 3, которая установлена в рабочем пучке между простым поляризатором 4, например в виде поляроида, и поляризатором 5 в виде неподвижно закрепленной призмы Волластона, которая пропускает два пучка света J₁ и J₂ с взаимоортогональными плоскостями поляризации, например, один вертикально поляризованный, а другой - горизонтально поляризованный. Плоскости пропускания поляризаторов 4 и 5 отличаются между собой на угол ±45°. Далее по ходу лучей установлены одинаковые фотоприемники 6, 7, например фотодиоды, на которые приходят раздельные пучки света J₁ и J₂ соответственно. К фотоприемникам 6, 7 подсоединены отдельные усилители электрических сигналов U₁ и U₂, пропорциональные интенсивностям света пучков J₁ и J₂, 8 и 9 с регулируемыми коэффициентами усиления. Выходы усилителей 8, 9 подсоединены к электронному блоку 10 с индикатором 11. Электронный блок 10 содержит формирователь 16, формирующий разность сигналов (U₁-U₂), формирователь 17, формирующий сумму сигналов (U₁+U₂) и блок определения отношений Q разности к сумме сигналов 18.

К блоку определения отношений 18 подключен регулируемый источник 19 опорного потенциала U_o.

Для фиксации кюветы 2 в рабочем пучке света в нише устройства имеются простые фиксаторы, там же закреплен включатель 20, например, герконовый.

Если кювета 2 установлена в рабочем пучке, то контакты включателя 20 находятся в замкнутом положении, а если кюветы нет, то в разомкнутом.

Один контакт включателя 20 подключен к выходу формирователя 16, формирующий разность сигналов U₁-U₂, а другой через электронный ключ 21 подсоединен к установленным последовательно усилителю 22 с автоматическим регулированием усиления, синхронному детектору 23 и пороговому устройству 24. К выходу порогового устройства 24 подключены два индикатора, например, в виде светодиодов 25 и 26. Ключ 21 и синхронный детектор 23 управляются переменным напряжением либо от сети, либо от встроенного генератора.

Поляризатор 4 закреплен в оправе, которая связана с механизмом плавных угловых перемещений, например, в виде червячного колеса 27, червяка 28 и ручки 29.

С целью устранения влияния частичной поляризации источника света 1 (полупроводникового лазера) на результаты измерений между источником света 1 и простым поляризатором 4 установлен циркулярный поляризатор, состоящий из последовательно установленных поляризатора 30, например поляроида, плоскость пропускания которого совпадает с горизонтом, и четвертьволновой пластинки 31, кристаллографическая «быстрая» ось которой составляет угол 45° с горизонтом, т.е. находится под углом ±45° по отношению к плоскости пропускания поляризатора 30.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Кювету 2 с исследуемым раствором 3 помещают между поляризаторами 4 и 5. При этом замыкаются контакты включателя 20. Узкий монохроматический параллельный частично поляризованный, например, в горизонтальной плоскости, пучок света от источника света 1 можно представить вектором Стокс а

где J_o - интенсивность света источника;

р_о - степень поляризации света источника 1 (полупроводникового лазера);

γ - угол возможных изменений угла преимущественной поляризации света полупроводникового лазера в процессе изменения температуры и величины тока питания.

Свет от источника 1 проходит циркулярный поляризатор, состоящий из закрепленных вместе поляризатора 30 и четвертьволновой пластинки 31, и становится циркулярно поляризованным, что соответствует вектору Стокса

Далее свет проходит простой поляризатор 4, кювету 2 с исследуемым раствором 3 и призму Волластона 5, после которой свет разделяется на два пучка интенсивностями J₁ и J₂. Разделенные пучки света воспринимаются фотоприемниками 6 и 7.

Интенсивности пучков света J₁ и J₂ характеризуются первым параметром вектора Стокса , который является результатом преобразования состояния поляризации света поляризатором 4, раствором 3 и призмой Волластона 5 согласно уравнению

где [M₅] и [M₄] - известные типовые матрицы Мюллера, характеризующие преобразование состояния поляризации света поляризаторами 4 и 5 (см. У.Шерклиф. Поляризованный свет.- М.: Мир, 1965 г., с.212);

- матрица преобразования состояния поляризации света исследуемым раствором 3;

τ - пропускание света кюветой 2 с раствором 3;

р<1 - степень поляризации света после кюветы 2 с мутным раствором 3;

α_λ - угол поворота плоскости поляризации раствором 3.

В результате подстановок в (15) и перемножения матриц получаем:

где знак (+) относится к первому пучку света J₁, а знак (-) - ко второму J₂.

Следовательно, для интенсивностей света J₁ и J₂, прошедших кювету, поляризатор 4 и 5 можно записать:

Фотоприемники 6, 7 и усилители 8, 9 работают в линейном режиме. Поэтому на выходе усилителей 8, 9 электрические сигналы U₁ и U₂ пропорциональны соответственно интенсивностям света J₁ и J₂.

Потенциал на выходе формирователя разности сигналов 16 равен разности сигналов

Потенциал на выходе формирователя суммы сигналов 17 равен сумме сигналов

Первоначально поляризатор 4 находится в исходном положении, при котором Θ=0. Поэтому если исследуемый раствор 3 не содержит оптически активных веществ, то α_λ=0 и

что на фиг.4 соответствует точкам 32 и 33.

Фотоприемники 6 и 7 (фиг.3) воспринимают свет одинаковой интенсивности, сигналы на выходах усилителей 8, 9 также одинаковы, т.е. U₁=U₂. При этом на выходе формирователя разности 16 и блока определения отношений 18 будут нулевые потенциалы, и индикатор 11 индицирует нулевой результат измерений концентрации С%=0.

Если исследуемый раствор 3 содержит оптически активное вещество, например сахар, который вращает плоскость поляризации вправо на угол α_λ, то J₁≠J₂, что на фиг.4 отображено соответственно точками 34 и 35, а разность

больше нуля, т.е. положительна.

Потенциал ΔU через замкнутые контакты включателя 20 поступает на вход ключа 21 и модулируется периодическим открыванием ключа 21 с частотой сети или внутреннего генератора.

Далее сигнал в виде прямоугольных импульсов со скважностью, равной единице (миандр), усиливается усилителем 22, детектируется синхронным детектором 23 и в виде положительного потенциала поступает на вход порогового устройства 24. При превышении входного потенциала определенного порога, равного шумам, загорается светодиод 25, указывая на то, что исследуемый раствор 3 вращает плоскость поляризации вправо.

Если в растворе 3 находится вещество, которое вращает плоскость поляризации влево, например фруктоза, то разность ΔU=U₁-U₂ отрицательна. Поэтому на вход детектора 23 поступает сигнал, фаза которого отличается на 180° по сравнению с рассмотренным выше случаем, а на вход порогового устройства 24 поступает отрицательный потенциал, загорается светодиод 26, указывая на то, что исследуемый раствор 3 вращает плоскость поляризации влево.

В том случае, когда исследуемый раствор 3 прозрачный (визуально мутность не обнаруживается), то р≈1 и измерения ведут как обычно, т.е. с помощью блока отношений 18 определяют , а концентрацию оптического активного вещества С_% в растворе 3 определяют умножением этого отношения на постоянный коэффициент , который пропорционален потенциалу U_o источника 19.

Измеренная таким образом величина концентрации С % индицируется на цифровом табло 11.

Если исследуемый раствор 3 мутный и рассеивает свет, то р<1, появляется неполяризованная часть интенсивности света J_g (фиг.4), разность сигналов ΔU уменьшается по сравнению с тем, что было бы до появления рассеяния.

В этом случае измерения ведут следующим образом.

Заполняют кювету 2 (фиг.3) исследуемым раствором 3 и устанавливают кювету на направляющие. При этом замыкаются контакты включателя 20, и в зависимости от направления вращения плоскости поляризации света исследуемым веществом в растворе 3 загорается светодиод 26 или 25, указывая, во-первых, на тип вещества (правовращающее или левовращающее) и, во-вторых, на направление предстоящего вращения поляризатора 4.

Далее перед тем, как определять отношение и перед тем, как считывать недостоверную информацию о концентрации С % с цифрового табло 11, сначала контролируют только разность сигналов ΔU=U₁-U₂ на выходе формирователя 16 с помощью ключа 21, усилителя 22, детектора 23, порогового устройства 24, индикаторов (светодиодов) 25, 26 и плавно вращают поляризатор 4 от исходного положения (Θ=0) в направлении, указанном светодиодами 25 или 26, на угол |Θ|=|α_λ|, при котором разность

При этом оба светодиода 25 и 26 не горят.

Оставляют в таком положении простой поляризатор 4.

Таким образом, происходит компенсация эффекта поворота плоскости поляризации света раствором 3 на угол α_λ (фиг.5, точки 34, 35) эффектом поворота плоскости пропускания света поляризатора 4 на угол -Θ (фиг.5, точки 36, 37) и достигается равенство (баланс) интенсивностей света J₁=J₂, что на фиг.4 отображено точками 32, 33.

Затем удаляют из пучка света кювету 2 (фиг.3) с исследуемым раствором 3, достигнутый баланс интенсивностей света нарушается, поскольку раствора с оптически активным веществом в рабочем пучке нет, а поляризатор 4 остался повернутым на угол -Θ, равный углу α_λ. Такое положение на фиг.6 отображено точками 36, 37. Одновременно происходит увеличение интенсивности света пучков и , падающих на фотоприемники 6, 7 (фиг.3), поскольку в отсутствии кюветы пропускание света оптического тракта становится максимальным (τ=τ_max), а рассеяние света не происходит, т.е. р=1.

С помощью блока отношений 18 находят отношение

умножают на коэффициент M=U_o, и на цифровом табло 11 индицируется истинный результат измерений концентрации оптически активного вещества в растворе, который был в рабочем пучке света до его удаления из пучка.

Таким образом, предлагаемый способ измерения концентрации оптически активных веществ в мутных растворах и устройство для его осуществления содержат все преимущества некомпенсационных способов измерений, а также все преимущества компенсационных способов измерений. Перечислим эти преимущества.

Во-первых, взаимное расположение плоскостей пропускания поляризаторов под углами ±45° позволяет производить измерения концентрации оптически активных веществ при наибольшей чувствительности, поскольку функция J=f(α_λ,Θ) в окрестности α_λ≈±5° имеет максимальную крутизну и ее можно представить (аппраксимировать) прямой (фиг.2, 6).

Во-вторых, угол поворота α_λ плоскости поляризации света, прошедшего исследуемый раствор с оптически активным веществом, или угол поворота Θ поляризатора определяют по отношению Q разности к сумме сигналов фотоприемника (24) без каких-либо углоизмерительных устройств.

В-третьих, компенсацию угла поворота плоскости поляризации α_λ, образовавшегося в результате прохождения линейно поляризованного света через мутный раствор, производят поворотом поляризатора на угол Θ=α_λ тоже без каких-либо дорогих датчиков угловых перемещений и без магнитооптических компенсаторов, потребляющих много электрической энергии.

В-четвертых, на процесс установки угла поворота поляризатора Θ=α_λ мутность раствора практически не сказывается. Так, из формулы (24) видно, что деполяризация света (когда р<1), величина пропускания света τ, частичная поляризация Р_о и изменение азимута частичной поляризации источника света γ могут повлиять только на амплитуду сигналов U₁ и U₂ фотоприемников, т.е. на чувствительность, но разность сигналов ΔU=U₁-U₂, будет равна нулю только тогда, когда поляризатор 4 (фиг.3) повернут на угол -Θ, т.е. когда α_λ-Θ=0.

В-пятых, основным преимуществом предлагаемого способа и устройства является то, что поворотом поляризатора 4 на угол Θ=α_λ и последующим удалением из пучка света кюветы 2 с раствором 3 мы подменяем угол α_λ углом Θ и тем самым мы добиваемся исключения влияния рассеяния света в кювете 2 раствором 3 на процесс измерения угла поворота α_λ и на процесс измерения концентрации оптически активных веществ С % в мутных растворах.

В-шестых, для устранения вредного влияния частичной поляризации света источника, представленной вектором Стокса (13), между источником света 1 и поляризатором 4 установлен циркулярный поляризатор, который согласно вектору Стокса (14) исключает такое влияние на состояние поляризации света, падающего на поляризатор 4. Это позволяет применять миниатюрные источники высокоинтенсивного монохроматического узкого пучка света без дополнительных линз.

Предлагаемые способ и устройство позволяют создавать миниатюрные высокоточные поляризационные приборы с малым потреблением энергии для измерения концентрации оптически активных веществ, которые можно использовать в медицине (измерение глюкозы в моче, в сыворотке крови, контроль лекарств), в пищевой промышленности (измерение сахара, фруктозы, мальтозы, глюкозы), в химической промышленности.

Изобретение относится к области технической физики, а точнее, к поляриметрам и сахариметрам. Способ измерения концентрации заключается в том, что кювету с оптически активным веществом помещают между линейными поляризаторами, плоскости пропускания которых отличаются на угол ±45°. Один из поляризаторов простой, а другой пропускает два пучка света с взаимно ортогональными плоскостями поляризации с интенсивностями J₁ и J₂. Сначала контролируют разность интенсивностей света J₁-J₂ и поворачивают простой поляризатор от исходного Θ=0 на угол Θ=α_λ, равный углу поворота плоскости поляризации находящимся в кювете веществом, при котором разность J₁-J₂ становится равной нулю, оставляют в этом положении простой поляризатор, удаляют из пучка света кювету с исследуемым раствором, а затем по отношению разности к сумме интенсивностей пучков света J₁ и J₂ определяют угол поворота простого поляризатора Θ=α_λ, умножают этот результат на коэффициент М, учитывающий длину кюветы L и удельное вращение вещества. Устройство для реализации способа содержит источник света, кювету с исследуемым веществом, установленную между линейными поляризаторами, плоскости пропускания которых отличаются на угол ±45°, один из которых выполнен в виде призмы Волластона, пропускающей два пучка света, два фотоприемника, два усилителя, формирователи разности и суммы сигналов U₁ и U₂, блок определения отношений разности к сумме этих сигналов. Формирователь разности сигналов через контакты включателя, установленного в месте установки кюветы, и через электронный ключ подсоединен к усилителю, синхронному детектору, пороговому устройству с двумя индикаторами. Простой поляризатор установлен в оправе, связанной с механизмом угловых перемещений. Между источником света и простым поляризатором установлен циркулярный поляризатор. Техническим результатом является исключение ошибок измерений, вызванных эффектом деполяризации света при рассеянии мутными растворами. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения концентрации оптически активных веществ в мутных растворах, при котором кювету с оптически активным веществом помещают в монохроматический пучок света между двумя линейными поляризаторами, плоскости пропускания которых отличаются на угол ±45°, один из которых простой, а другой пропускает отдельно два пучка света с взаимно ортогональными плоскостями поляризации, измеряют интенсивность света J₁, прошедшего кювету и поляризаторы, плоскости пропускания которых составляют между собой угол +45°, измеряют интенсивность света J₂, прошедшего кювету и поляризаторы, плоскости пропускания которых составляют между собой угол -45°, по отношению разности этих интенсивностей J₁-J₂ к их сумме J₁+J₂ определяют угол поворота плоскости поляризации α_λ находящимся в кювете веществом, а концентрацию оптически активного вещества в растворе определяют умножением этого отношения на постоянный коэффициент М, учитывающий длину кюветы L и удельное вращение анализируемого вещества [α]_λ, отличающийся тем, что, с целью исключения ошибок измерений, вызванных эффектом деполяризации света при рассеянии мутными растворами, перед определением отношения разности к сумме измеренных интенсивностей света J₁ и J₂ сначала контролируют только разность интенсивностей света J₁-J₂, поворачивают простой поляризатор от исходного положения Θ=0 на угол Θ=α_λ, при котором разность интенсивностей света J₁-J₂ становится равной нулю, оставляют в этом положении простой поляризатор, удаляют из пучка света кювету с исследуемым раствором, а затем по отношению разности к сумме интенсивностей пучков света, не подвергающихся рассеянию, J₁ ^o и J₂ ^o определяют угол поворота простого поляризатора Θ=α_λ, умножают этот результат на коэффициент М и находят концентрацию оптически активного вещества в растворе, который был в рабочем пучке света до его удаления.2. Устройство для измерения концентрации оптически активных веществ в мутных растворах, содержащее источник монохроматического света, кювету с оптически активным веществом, установленную в монохроматическом пучке света между двумя линейными поляризаторами, плоскости пропускания которых отличаются на угол ±45°, один из которых в виде простого поляроида, а другой в виде призмы Волластона, пропускающей отдельно два пучка света с взаимно ортогональными плоскостями поляризации, два фотоприемника, два усилителя сигналов U₁, и U₂, пропорциональных интенсивностям света J₁ и J₂, формирователи разности и суммы этих сигналов, блок определения отношений разности к сумме сигналов, источник постоянного сигнала и индикатор результатов измерений, отличающийся тем, что для реализации способа измерения концентрации оптически активных веществ в мутных растворах выход формирователя потенциала разности сигналов U₁-U₂ через контакты включателя, установленного в месте фиксации кюветы в рабочем пучке света, и через электронный ключ подсоединен к последовательно соединенным усилителю с автоматической регулировкой усиления, синхронному детектору, пороговому устройству и двум индикаторам, простой поляризатор установлен в оправе, связанной с механизмом плавных угловых перемещений, а между источником света и простым поляризатором установлен циркулярный поляризатор.