Способ лазерного сканирования жидкостей в полых призмах Российский патент 2024 года по МПК G01N21/29 

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

«Способ лазерного сканирования жидкостей в полых призмах включает формирование посредством отдельных лазерных модулей с длинами волн 405, 450, 488, 532, 589, 635 и 685 нм, лазерных лучей которые через систему светофильтров сведены в один плотный параллельный пучок, который проходя через полую прозрачную призму, заполненную анализируемым материалом преломляется в соответствии с оптической плотностью материала находящегося в призме, при этом характер преломления каждого из лазерных лучей прошедших через призму с анализируемым материалом фиксируется на экране и передается на дисплей компьютера, где сравнивается с характером преломления этих же лазерных лучей прошедших и преломленных через контрольные материалы, выполненные как из твердых прозрачных материалов, так и жидкостей помещенными в призму, с известными химическими характеристиками» (формула).

Введение: Свет, с разной длинной волны, в средах, отличных от вакуума, распространяется с различной скоростью. Этим объясняется спектральное преломление и дисперсия «белого света» в призме. Показатель преломления n рассматривается как отношение скоростей света в двух средах, например, в вакууме и воздухе или двух средах .

В соответствии с характером преломления белого света в призме, можно было предположить, что преломление лазерных лучей в призме будет происходить таким же образом, а фактические отклонения лучей будут пропорциональны длинам волн этих лазеров (Фиг. 1).

Для проверки этого положения нами был собран излучатель из семи вертикально поляризованных лазеров, охватывающий весь видимый спектр с шагом 40-50 нм. Лучи отдельных лазерных модулей с длинами волн 405, 450, 488, 532, 589, 635 и 685 нм через систему светофильтров были сведены в один плотный параллельный пучок. Если на расстоянии в 14 метров от излучателя все лучи попадали в точку, сравнимую с гауссовым распределением используемых лазеров, то после преломления этих лучей в стеклянной равнобедренной призме, их расхождение на экране (рефракция) стала соответствовать длинам волн этих лучей выраженным в волновом числе (см^-) (Фиг. 2).

Результаты установочных экспериментов показали, что лазерные лучи с разной длинной волны, имеющие одну (вертикальную) поляризацию, при прохождении грани стеклянной равнобедренной призмы К9 ВК7, имеют коэффициенты преломления, соответствующие длинам волн (выраженным в шкале волнового числа), что соответствует единицам измерения, используемым в спектроскопии (Фиг. 3). Полученные результаты общего соответствия характера преломления лазерных лучей шкале, выраженной в волновых числах, дают основания для сравнения результатов, полученных нашим способом, с результатами, получаемыми другими способами (рамановской, УФ и ИК спектроскопией) в единой шкале волновых чисел (см^-).

Способ лазерного сканирования жидкостей в полых призмах.

Лазерный сканер материалов (жидкостей) - оптическая система позволяющая проводить анализ прохождения пучка лазерных лучей с различной длинной волны (405, 450, 488, 532, 589, 635, 685 нм) через материал-жидкость, помещенный в тонкостенную полую призму, с фиксацией на экране показателя преломления (проекции каждого лазерного луча), проходящего через призму, наполненную анализируемым материалом (Фиг. 4). Батарея нормированных лазеров представляет собой своеобразную систему измерения, где любое отклонение от стандартного распределения частных отклонений (матрицы) материала сигнализирует о нарушении химического состава рассматриваемого материала.

Наряду с цельной эталонной равнобедренной стеклянной призмой К9 ВК7 и цельной призмой изготовленной из компаунд-оптик (прозрачный двухкомпонентный материал отвердевающий по принципу эпоксидной смолы) при анализе использовалась и тонкостенная стеклянная полая призма, в которую помещались исследуемые жидкости (Фиг. 5).

Принцип расчета частных отклонений А; В; С; D; Е; F для получения матрицы (штрих-кода) анализируемого материала-жидкости:

Каждый лазерный луч при прохождении его в объеме материала (помещенного в полую призму) отклоняется от исходного на определенный угол, отличный от усредненного показателя преломления "белого света". Эти частные отклонения лазерных лучей, проходящие через материал, проявляют прямую зависимость с химической структурой этого материала. При этом частные относительные отклонения А; В; С; D; Е; F количественно рассчитываются как отношение расстояний между проекциями лучей на метровую линейку (а, b, с, d, е, f) к расстоянию L между двумя крайними точками в спектре, т.е. между точками от лучей 405 и 685 нм (Фиг. 6).

Порядок профилей А; В; С; D; Е; F в матрицах ароматических углеводородов (бензол, ксилол) наиболее соответствуют порядку этих профилей в стекле (Фиг. 7). Совершенно другая картина наблюдается при рассмотрении частных отклонений в воде (перекиси водорода) и в спиртах. Если в матрицах стекла и углеводородов: ксилола, бензола, анилина, наблюдается общее превалирование частного отклонения А, тогда в матрицах воды и перекиси водорода, наблюдается общее превалирование частного отклонения D, а в матрицах спиртов превалирование частных отклонений В.

Коэффициенты А; В; С; D; Е; F, характеризующие частные отклонения лазерных лучей, имеют единую размерность и могут свободно складываться и вычитаться между собой. Расстояние между любой парой лучей (из 7 лучей исходных длин) может быть измерено и взято как их отношение к любой другой паре лучей. Совокупное число сочетаний дает специфическую картину (матрицу) свойственную именно данному исследуемому материалу, своеобразный штрихкод.

В физическом плане математически выраженные коэффициенты частных отклонений А; В; С; D; Е; F характеризуют сектора спектра исследуемых материалов, в которых происходит взаимодействие лучей с этим материалом, сектора в которых искажается нормальное преломление лучей в соответствии с шкалой нормального распределения этих лучей в цельностеклянной призме или дифракционной решетке выраженной в волновых числах (см^-).

Способ лазерного сканирования жидкостей в полых призмах

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Фиг. 1. Преломление «белого света» проходящего через призму.

Фиг. 2. Соответствие частных отклонений лазерных лучей единой шкале измерения волновых чисел.

Фиг. 3. Степень соответствия частных отклонений лазерных лучей волновому числу в стандартной равнобедренной цельностеклянной призме К9 ВК 7.

Фиг. 4. Фронтальный вид на излучатель и измерительную шкалу экрана по ходу лучей.

Фиг. 5. Преломление лазерных лучей в полой призме, наполненной маслом.

Фиг. 6. Принцип расчета частных отклонений А; В; С; D; E; F при получении матрицы, штрихкода.

Фиг. 7. Особенности частных отклонений лазерных лучей А; В; С; D; Е; F, проходящих через эталонную стеклянную призму и через тонкостенную призму, наполненную различными жидкостями.

Способ лазерного сканирования жидкостей в полых призмах

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известны различные способы сканирования жидкостей в полых призмах (Рефрактрометрические методы в физико-химических измерениях / Под ред. проф. Л.А. Конопелько. - М: Изд-во «Триумф», 2020), однако известные способы занимают достаточно много времени исследований и имеют существует недостаток, заключающийся в невозможности использования в качестве излучения плотного пучка лазерных лучей с различной длиной волны.

При этом заявленный способ лазерного сканирования, также может проводиться непосредственно в потоке жидкости, проходящей через полую призму, с датчиками, расположенными под оптимальным для процесса углом. Получаемые таким образом данные могут сразу переводиться диспетчером на пульт управления.

Производственное значение: Особое значение использование лазерного сканирования материалов приобретает при организации безотходного замкнутого производства, на тех его этапах (звеньях), где возникает необходимость мгновенного бесконтактного анализа характера протекания химических реакций, учета концентраций реагентов и продуктов реакции. Наличие матриц, характеризующих оптимальный ход реакции, позволяет организовывать производство наиболее экономически и экологически выгодным образом.

При налаженной системе измерения, оценка материала или характера протекания процесса лазерным сканированием может проходиться бесконтактно в онлайн режиме. Если на оценку состава материла, спектроскопией с учетом накопительного эффекта требуются от 1 до 60 минут (часто такой анализ часто требует специальный выбор пробы), то лазерное сканирование может проводиться непосредственно в потоке жидкости, проходящей через полую призму, с датчиками, расположенными под оптимальным для процесса углом. Получаемые таким образом данные могут сразу передаваться диспетчерам на пульт управления производством.

Системные отличия: Помимо рефрактометрии, наиболее близким аналогом разрабатываемого нами способа анализа является Рамановская, УФ и ИК спектроскопия. Если при спектроскопии наличие тех или иных веществ в материале еще ничего не говорит о химической активности этих материалов, где приоритет химической активности материала чаще зависит от пропорций компонентов входящих в материал, то отбор матриц при лазерном сканировании может проводиться по специфической оптико-химической активности этих материалов в целом. То есть, использование лазерного сканирования, в химическом производственном процессе, позволяет контролировать и снижать концентрацию вредных веществ в растворах и смесях, без потери химической продуктивности самого процесса, и при этом учитывать выделение вредных веществ в окружающую среду. Полученные нами результаты общего соответствия характера преломления лазерных лучей шкале, выраженной в волновых числах, дают основания для сравнения результатов, полученных нашим способом, с результатами, получаемыми другими способами (рамановской, УФ и ИК спектроскопией) в единой шкале волновых чисел (см^-).

Изобретение относится к оптическим методам анализа. Способ лазерного сканирования жидкостей в полых призмах включает формирование посредством отдельных лазерных модулей с длинами волн 405, 450, 488, 532, 589, 635 и 685 нм лазерных лучей, которые через систему светофильтров сведены в один плотный параллельный пучок, который, проходя через полую прозрачную призму, заполненную анализируемым материалом, преломляется в соответствии с оптической плотностью материала, находящегося в призме, при этом характер преломления каждого из лазерных лучей, прошедших через призму с анализируемым материалом, фиксируется на экране и передается на дисплей компьютера, где сравнивается с характером преломления этих же лазерных лучей, прошедших и преломленных через контрольные материалы, выполненные как из твердых прозрачных материалов, так и жидкостей, помещенных в призму, с известными химическими характеристиками. Технический результат – повышение быстродействия. 7 ил.

Способ лазерного сканирования жидкостей в полых призмах, включающий формирование посредством отдельных лазерных модулей с длинами волн 405, 450, 488, 532, 589, 635 и 685 нм лазерных лучей, которые через систему светофильтров сведены в один плотный параллельный пучок, который, проходя через полую прозрачную призму, заполненную анализируемым материалом, преломляется в соответствии с оптической плотностью материала, находящегося в призме, при этом характер преломления каждого из лазерных лучей, прошедших через призму с анализируемым материалом, фиксируется на экране и передается на дисплей компьютера, где сравнивается с характером преломления этих же лазерных лучей, прошедших и преломленных через контрольные материалы, выполненные как из твердых прозрачных материалов, так и жидкостей, помещенных в призму, с известными химическими характеристиками.