РАНЦЕВЫЙ ЛАЗЕРНО-СПЕКТРОКОМПЬЮТЕРНЫЙ (ЛАСКОМНЫЙ) КОНЦЕНТРАТОМЕР Российский патент 2012 года по МПК G01N21/64 

Группа предлагаемых изобретений относится к физике, измерениям, исследованию материалов путем определения их химических или физических свойств с помощью оптических средств, к системам, в которых материал возбуждают оптическими средствами и он люминесцирует, а именно к измерению лазерно-спектрокомпьютерными концентратомерами концентрацию люминесцентов в различных биотехнологических процессах.

В описании имеются только основные сведения для наглядного быстрого понимания сути, остальные сведения, известные из уровня техники и логично следующие из них и этого описания, могут не упоминаться, но имеются ввиду, а действия выполняются. Все аналоги относятся к новому классу ласкомных концентратомеров, поэтому в заявке единая система терминов.

В качестве 1-го аналога принят лабораторный настольный ласкомный концентратомер для измерения концентрации люминесцентов, содержащий пространственно разделенные основные части: лазер, спектрометр, настольный компьютер, размещенные на колесном столе, лазер и спектрометр соединены У-образной системой светокабелей с совмещенным кабелем через пробный носитель во время измерения, компьютер снабжен программой для выполнения команд измеряющего, система снабжена средствами повышения измерительных возможностей (настроечными образцами, градуировочными графикам и т.д.) [1].

Принцип действия ласкомных концентратомеров. Лазерный пучок по световому волокну в лазерном кабеле У-образной системы светокабелей проходит в осевое волокно совмещенного кабеля, излучается из него в виде узкого конуса, освещает измерительный объект, например, пробирку с пробой; если в ней есть бактерии, то находящиеся в них флуоресценты излучают флуоресцентный поток, часть которого освещает торцы спектральных волокон, расположенных вокруг торца лазерного волокна, но ним попадает в спектрометр, превращается в спектральный поток и высвечивается в виде спектральной кривой, обычно подобной вертикальному сечению холма (кратко: «холм») в прямоугольной системе координат на экране монитора компьютера, форма которой зависит от флуоресцентов, в то же время часть лазерного пучка отражается от пробного носителя (например, пробирки) и от пробы в нем, и таким же путем образует свою спектрокривую в виде пика в той же системе координат. По отношению площадей холма и пика компьютер вычисляет и высвечивает измеренное значение концентрации. Врач сравнивает высвеченный холм с известными ему данными и определяет вид бактерий.

Преимущество 1-го аналога (и всех концентратомеров этого класса): возможность измерения концентрации практически в момент освещения пробы (с меньшей точностью, чем прототип, а не через 7…10 суток при классической диагностике (измеренные значения которой служат основой для изготовления градуировочных графиков для измерения абсолютной концентрации измеряемых веществ).

Недостатки 1-го аналога:

1. Невозможность работать в местах, доступных только пешеходу, и в движении из-за больших габаритов и массы концентратомера.

2. Нет средств для предотвращения погрешностей при изменениях положения рабочего торца совмещенного кабеля из-за дрожания пальцев, его направляющих.

3. Нет средств для устранения помеховых погрешностей из-за световых потоков в окружающей среде, в том числе, фосфоресцентных из пробы, попавших в спектрометр.

В качестве 2-го аналога принят такой же настольный ласкомный концентратомер для измерения концентрации люминесцентов, он отличается только тем, что снабжен средством для устранения помеховых погрешностей от световых потоков в окружающей среде, а именно: прерывателем лазерного пучка между лазером и входным торцем лазерного кабеля [2]. 2-й аналог обеспечивает устранение помеховых погрешностей от световых потоков окружающей среды, в т.ч. от фосфоресцентных потоков благодаря тому, что непосредственно перед измерением, т.е. при правильно упертом рабочем торце совмещенного кабеля, включают прерыватель пучка, поэтому высвечивается только помеховый холм, который компьютер запоминает, затем выключают прерыватель, компьютер высвечивает пик и суммарный холм (его ординаты - это суммарные значения помехового холма и измеряемого холма благодаря действию лазерного пучка), компьютер вычитает из суммарного холма помеховый холм и высвечивает измеряемый холм и по нему и пику вычисляет и высвечивает измеренное значение концентрации.

Недостатки 2-го аналога устройства:

1. Невозможность работать в местах, доступных только пешеходу, и в движении из-за больших габаритов и массы концентратомера.

2. Нет средств для предотвращения погрешностей при изменениях положения рабочего торца совмещенного кабеля из-за дрожания пальцев, его направляющих.

В качестве прототипа устройства принят лабораторный настольный ласкомный концентратомер, содержащий лазер, спектрометр и компьютер, закрепленные на основе в виде колесного стола, лазер и спектрометр соединены У-образной системой светокабелей, к спектрометру электрически подсоединен компьютер, между лазером и лазерным кабелем встроен прерыватель пучка, конец совмещенного кабеля снабжен трехопорным трубчатым кабельным наконечником для его правильного упирания в измерительный объект, что существенно снижает погрешности, компьютер снабжен программой для выполнения команд измеряющего, система снабжена средствами повышения измерительных возможностей [3].

Прототип - логичное развитие 2-го аналога, поэтому здесь упомянуто только его принципиальное отличие от 2-го аналога: рабочий конец совмещенного кабеля К (номера позиций взяты из прототипа) снабжен кабельным наконечником в виде трубки 1 с рабочим горцем 3, выступающим перед рабочим торцем Т совмещенного кабеля К, причем на рабочем торце 3 наконечника 1 выполнены 3 опоры (опорных выступа) 4, обеспечивающие правильное упирание наконечника в измерительный объект, что существенно снижает погрешности.

Правильное упирание наконечника означает:

1. Пальцы упирают наконечник 1 в носитель вершинами 3-х опорных выступов 4, опора на 3 точки обеспечивает неподвижность наконечника, поэтому дрожания пальцев не изменяют положение наконечника 1 и лазерного пучка, поэтому спектрокривая неподвижна, не нужно ждать, пока компьютер наберет достаточно измеренных значений для вычисления среднего значения, первая неподвижная спектрокривая обеспечивает правильное значение измеряемой величины.

2. Вершинная плоскость (плоскость, в которой находятся 3 вершины выступов 4) находится от торцев спектроволокон на расстоянии, при котором пик имеет наибольшую высоту при прочих равных условиях, поскольку высота входит в формулу для вычисления концентрации, это повышает точность измерения.

Средства повышения измерительных возможностей описаны в прототипе, самые нужные из них: измеритель мощности лазерного пучка, шкатулка с настроечными образцами, наборы пробных носителей и градуировочных графиков, съемный противопыльный чулок и съемный настроечный колпачок для наконечника и т.д.

Преимущество прототипа - существенное повышение точности благодаря трехопорному наконечнику.

Недостаток прототипа устройства: невозможность работать в местах, доступных только пешеходу, и в движении из-за больших габаритов и массы измерительной системы.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. возможность работать в местах, доступных только пешеходу, и в движении.

Этот технический результат достигается тем, что (п.1) лазерно-спектрокомпьютерный (ласкомный) концентратомер люминесцентов, содержащий лазер, спектрометр и компьютер, лазер и спектрометр соединены У-образной системой светокабелей, к спектрометру электрически подсоединен компьютер, между лазером и лазерным кабелем встроен прерыватель пучка, конец совмещенного кабеля снабжен трехопорным трубчатым кабельным наконечником, компьютер снабжен программой для выполнения команд измеряющего, система снабжена средствами повышения измерительных возможностей, согласно предполагаемому изобретению, концентратомер снабжен прочным ранцем, в котором закреплены в плотно упакованном виде лазер, спектрометр, раскрытый ручной компьютер у задней бесцветной ненатянутой полимерной пленки, источник питания с блоком его управления, из ранца выведены бронированный совмещенный светокабель и электрокабель с вилкой, закрепленные в походном положении вокруг ранца в зажимах, к ранцу прикреплен стержень для направления конца совмещенного светокабеля; кроме того,

(п.2) ранец снабжен наплечным ранценосителем, содержащим 2 дуги с прямыми ветвями, скрепленными передними и задними поперечинами, причем задние поперечины снабжены средствами для крепления ранца за спиной, а на передней нижней поперечине установлена створка с возможностью закрепления на ней ранца в горизонтальном положении задней стенкой вверх; далее

(п.3) ранец выполнен герметичным с выравнивателем давления с наружным; наконец,

(п.4) ранец выполнен выдерживающим расчетное давление ниже уровня воды, ручной компьютер снабжен бесконтактным пультом управления для работы с водолазом, наконечник снабжен дополнительной массой с возможностью предотвращения попадания воды в наконечник.

Описание ранцевого ласкомного концентратомера.

Основной замысел предлагаемого изобретения - существенное снижение массы и габаритов концентратомера для существенного расширения его использования, т.е. во всех местах, куда может пройти человек, и в движении. Описаны основные явления, действия, части и т.д. для наглядного понимания предлагаемого изобретения; остальное, известное из уровня техники, из этого описания в других местах описания не обязательно упоминается, но имеется ввиду и выполняется. Если размеры детали и т.д. не указаны, значит, они не являются отличительными признаками, их устанавливает разработчик.

Пояснение п.1 формулы изобретения. Основное отличие: настольный компьютер, содержащий 2 части (настольный системный блок и настольный монитор) заменены ручным компьютером, например, нетбуком. Все части, кроме выведенных кабелей и стержня для направления кабельного наконечника, закреплены в ранце в плотно упакованном виде, раскрытый компьютер закреплен в задней части ранца за бесцветной (следовательно, прозрачной) ненатянутой полимерной пленкой с возможностью работы на компьютере, в нерабочее время пленка закрыта прочной створкой. В ранце закреплены источники питания в виде батарей сухих элементов, аккумуляторов и сверхконденсаторов, или один из них, а на верхней поверхности - батарея солнечных элементов. Блок управления питанием, в том числе по кабелю от наружного источника, закреплен в ранце, панель управления им - на боковой стороне за такой же пленкой, как па задней стороне ранца. Корпус ранца выполнен сплошным, только его дно снабжено небольшим отверстием (с фильтром) для выравнивания внутреннего давления воздуха с наружным. Дно ранца снабжено 4-мя ножками, одна из которых выполнена в виде винта для возможности неподвижного стояния на неровной поверхности в полевых условиях. Дно ранца снизу снабжено уплотненной розеткой для присоединения совмещенного кабеля параллельно дну рюкзака, этот присоединенный кабель в походном положении намотан вокруг ранца и закреплен в зажимах на боковых горизонтальных ребрах ранца. Так же размещен питающий электрокабель. Боковая сторона ранца снабжена зажимами для крепления по походному легкого прочного телескопического стержня для направления кабельного наконечника, в рабочем положении в канал этого стержня вводят совмещенный кабель, конец стержня снабжен зажимом для закрепления кабельного наконечника. Ранец, как обычно, снабжен ремнями для его ношения за спиной и ручкой для ношения в руке.

Пояснение п.2. Ранценоситель выполнен в виде стержневой конструкции, содержащей 2 наплечные дуги с мягкими прокладками с прямыми ветвями, скрепленными передними и задними поперечинами, причем задние поперечины снабжены средствами для крепления ранца за спиной, ранец снабжен для этого соответствующими средствами, известными из уровня техники, а на передней нижней поперечине установлена створка с возможностью закрепления на ней ранца в рабочем положении, т.е. задней стенкой вверх, чтобы измеряющий мог измерять концентрацию при медленном перемещении.

Пояснение п. 3 формулы. Любой замкнутый объем с отверстием является собирателем пыли и конденсата влаги или других жидкостей, снижающих надежность и срок службы устройства, для устранения этого недостатка корпус ранца выполнен герметичным, но тогда нужен выравниватель внутреннего давления с наружным. Этот выравниватель выполнен так: вдоль всей передней (заспинной) стенки ранца выполнена камера, разделенная герметично на переднюю и заднюю части свободно провисшей герметичной пленкой с возможностью свободного перемещения пленки в камере, а передняя стенка снабжена сквозным отверстием, это обеспечивает перемещение пленки при возникновении разности давлений по обе ее стороны, следовательно, выравнивание внутреннего давления с наружным в рассчитанных пределах.

Пояснение п.4 формулы. Для работы с водолазом (аквалангистом) корпус выполнен герметичным, выдерживающим давление под поверхностью воды в расчетном пределе. Орган управления компьютером выполнен с возможностью приема управляющих сигналов с ручного пульта, находящегося в руке водолаза. На конце кабельного наконечника, выступающего из конца стержня, закреплена металлическая гайка рассчитанной массы, кабель выступает настолько, чтобы при горизонтальном стержне наконечник свободно висел в воде вертикально при допустимом изгибе кабеля и сохранял это положение при дальнейшем увеличении угла над горизонтальным положением, в этом случае вода не попадет внутрь наконечника, следовательно, не возникнут новые погрешности измерения из-за загрязнителей на торцах световолокон.

Преимущества ранцевых ласкомных концентратомеров очевидны: они нужны для быстрых измерений концентрации веществ, содержащих люминесценты, т.е. в различных областях науки и промышленности: в геологоразведке, в биотехнологической промышленности, медицинских и ветеринарных учреждениях, полевых госпиталях МЧС, в медицине катастроф, в армии, даже на базаре для обнаружения вредных веществ в продуктах.

Литература

1. Александров и др. Пробный носитель и способ быстрого измерения абсолютной концентрации бактерий в биосубстрате по их фотолюминесценции, патент РФ №2255978, МКИ C12Q 1/06, 2002 г.

2. Александров и др. Лазернолюминесцентный концентратомер с прерывателем пучка для минутного измерения абсолютной концентрации люминесцентов и способ его использования, патент РФ №2347211, МКИ G01N 21/64, 2006 г.

3.Александров и др. Лазернолюминесцентный концетратомер, способ его использования и способ изготовления светокабельного наконечника (варианты), прототип, патент РФ №2356032, МКИ G01N 21/62, 2005 г.

Изобретение относится к измерению концентрации люминесцентов ранцевыми лазерно-спектрокомпютерными измерителями. Технический результат - возможность доставлять ранцевый лазерно-спектрокомпьютерный концентратомер в любые места, доступные для человека, например в города после сильного землетрясения, и выполнять измерения во время движения человека шагом. Лазерно-спектрокомпьютерный (ласкомный) концентратомер люминесцентов содержит лазер, спектрометр и компьютер, лазер и спектрометр соединены У-образной системой светокабелей, к спектрометру электрически присоединен компьютер, между лазером и лазерным кабелем встроен прерыватель пучка, конец совмещенного кабеля снабжен 3-опорным трубчатым кабельным наконечником, компьютер снабжен программой для выполнения команд измеряющего, ласкомный концентратомер снабжен средствами повышения измерительных возможностей. Ласкомный концентратомер снабжен прочным ранцем, в котором закреплены в плотно упакованном виде лазер, спектрометр, раскрытый ручной компьютер у задней бесцветной ненатянутой полимерной пленки, источник питания с блоком его управления, из ранца выведены бронированный совмещенный светокабель и электрокабель с вилкой, закрепленные в походном положении вокруг ранца в зажимах, к ранцу прикреплен стержень для совмещенного светокабеля. 3 з.п. ф-лы.

1. Лазерно-спектрокомпьютерный (ласкомный) концентратомер люминесцентов, содержащий лазер, спектрометр и компьютер, лазер и спектрометр соединены У-образной системой светокабелей, к спектрометру электрически присоединен компьютер, между лазером и лазерным кабелем встроен прерыватель пучка, конец совмещенного кабеля снабжен 3-хопорным трубчатым кабельным наконечником, компьютер снабжен программой для выполнения команд измеряющего, ласкомный концентратомер снабжен средствами повышения измерительных возможностей, отличающийся тем, что указанный ласкомный концентратомер снабжен прочным ранцем, в котором закреплены в плотно упакованном виде лазер, спектрометр, раскрытый ручной компьютер в задней части ранца за бесцветной ненатянутой полимерной пленкой, источник питания с блоком его управления, из ранца выведены бронированный совмещенный светокабель и электрокабель с вилкой, закрепленные в походном положении вокруг ранца в зажимах, к ранцу прикреплен стержень для совмещенного светокабеля.

2. Концентратомер по п.1, отличающийся тем, что ранец снабжен наплечным ранценосителем, содержащим 2 дуги с прямыми ветвями, скрепленными передними и задними поперечинами, причем задние поперечины снабжены средствами для крепления ранца за спиной, а на передней нижней поперечине установлена створка с возможностью закрепления на ней ранца в горизонтальном положении задней стенкой вверх.

3. Концентратомер по п.1, отличающийся тем, что ранец выполнен герметичным с выравнивателем внутреннего давления с наружным.

4. Концентратомер по п.1, отличающийся тем, что ранец выполнен выдерживающим расчетное давление ниже уровня воды, ручной компьютер снабжен бесконтактным пультом управления для работы с водолазом, наконечник снабжен дополнительной массой с возможностью предотвращения попадания воды в наконечник.