Поляриметр для измерения концетрации сахара в моче Советский патент 1992 года по МПК G01N21/21 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к поляриметрическим измерениям концентрации сахара в растворах.

Поляриметр позволяет оперативно производить массовые обследования пациентов в клиниках, медпунктах, в быту для раннего диагностирования и лечения сахарного диабета.

Известные портативные поляриметры типа П-161 и круговые поляриметры типа СМ содержат подвижный и неподвижный поляризационные фильтры, между которыми установлена кювета с исследуемой средой. Подвижный поляризационный фильтр связан с лимбом для визуального отсчета угла поворота этого фильтра. Неподвижный

фильтр выполнен из нескольких частей, плоскости пропускания которых отличаются друг от друга на небольшой угол (5-8°), составляя так называемое полутеневое устройство.

Недостатками визуальных приборов являются низкая точность измерений (± 0,1 по углу и ±0,2% по концентрации сахара), быстрая утомляемость оператора и вызванные этим дополнительные субьективные погрешности измерений.

Известные фотоэлектрические поляриметры строятся по однолучевой компенсационной схеме. Часть из них строится по схеме компенсации угла поворота плоскости поляризации путем поворота одного из поляризационных фильтров, а часть - по

ч

Јь

ю

ч| 00

00

схеме с неподвижными поляризационными фильтрами, но с применением клиновых, магнитооптических или электрооптических компенсаторов.

Наиболее близким к предлагаемому является поляриметр с неподЕижными поляризационными фильтрами, содержащий источник света, конденсор, диафрагму, коллиматор, два поляризационные фильтры, закрепленные так, что их плоскости пропускания взаимно ортогональны и между ними установлена кювета с исследуемой средой и модулятор-компенсатор, работаю: щий с использованием эффекта Фарадея.

Однако актианое вещество, например стекло ТФ5, модулятора-компенсатора, находящееся между поляризационными фильтрами, неизбежно вносит искажение в состояние поляризации проходящего через него света из-за естественной или наведенной тепловыми натяжениями анизотропии стекла, что вносит существенные погрешности в измерения угла поворота плоскости поляризации и, следовательно, концентрация сахара.

Кроме того, учитывая закон Мал юса, описывающий зависимость интенсивности прошедшего света J от угла поворота плоскости поляризации

I I0cos2(a+ A a),

сильное влияние анизотропии полупрозрачного слоя делителя на состояние поляризации света, различия в пропускании света полупрозрачного слоя и поляризаторов,

различия в чувствительностях и в других характеристиках фотоприемников,

Цель изобретения - повышение точности измерений и упрощение конструкции. Поставленная цель достигается тем, что

в поляриметре, содержащем источник света, диафрагму диаметром d, коллиматор с фокусом f, ограничивающую диафрагму, светофильтр, два поляризационных фильтра, кювету, наполненную исследуемой средои, модулятор и фотоприемник, модулятор установлен за поляризационными фильтрами, выполнен в виде подвижной маски с окнами размерами а х В, расположенными со смещением на величину ширины окна В

вдоль направления перемещения, плоскость маски совмещена с плоскостью изображения диафрагмы коллиматора проекционной системой с увеличением М, один из поляризационных фильтров вы пол т

нен в виде двулучевой поляризационной призмы, плоскости поляризации р- и s-ком- понент которой составляют углы ± 45° по отношению к плоскости пропускания другого поляризационного фильтра, угол раздвоения лучей двулучевой призмой удовлетворяет условию

Использование: изобретение относится к оптическому приборостроению. Сущность изобретения: поляриметр содержит источник света, диафрагму, коллиматор, светофильтр, поляризационный фильтр, кювету, двулучепреломляющую призму Волластона, за которыми установлен модулятор в виде подвижной маски с окнами, расположенными со смещением на величину окна вдоль направления перемещения. Плоскость маски совмещена с плоскостью изображения диафрагмы, причем плоскость раздвоения лучей перпендикулярна направлению перемещения маски. Фотоприемник соединен с входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого подключен к цифровому вольтметру, и непосредственно связан с первым входом устройства сравнения. К второму входу устройства сравнения подключен источник эталонного напряжения, а выход устройства сравнения соединен с регулируемым элементом источника тока, питающего источник света.3 ил. СО с

где 1о - интенсивность света, падающего на первый поляризационный фильтр;

До; - приращение угла после кюветы, при взаимно ортогональных поляризационных фильтрах ( а 90°) и при малых углах Да (зона компенсации) приращение cll/d а всегда наименьшее, что является не оптимальным для получения наибольшей чувствительности и точности.

Точные улоизмерительные устройства (точность в пределах тысячных долей градуса) или точные магнитооптические (электрооптические) компенсаторы сложны конструктивно и дорогие.

Известные устройства, например балансная схема для поляриметрических измерений, Которая содержит делитель света в виде стеклянного кубика с полупрозрач- Ным слоем, два поляризатора с плоскостями пропускания ± 45° по отношению к азимуту падающего на делитель линейно поляризованного пучка света, два фотбприемн ка, включенных в мостовую схему, не могут обеспечить даже той точности измерений угла поворота плоскости поляризации, которую обеспечивают известные описанные поляриметры. Причинами этого являются

arctg- - /3 arctg

A-Md 2f

причем плоскость раздвоения лучей перпендикулярна направлению перемещения маски, фотоприемник соединен через ем- когсть с входом усилителя с регулируемым коэффициентом усилителя, выход которого соединен с цифровым вольтметром, и непосредственно соединен с первым входом устройства сравнения, на второй вход которого подключен источник эталонного напряжения, а выход устройства сравнения подключен к регулируемому элементу источника тока, питающего источйик света.

На фиг. 1 показана структурная схема поляриметра для измерения концентрации сахара в моче: на фиг, 2 - маска модулятора со стороны падающего на нее света (разрез А-А на фиг. 1); на фиг. 3 - кривая зависимости интенсивности света от угла поворота плоскости поляризации света, иллюстрирующая работу поляриметра.

Поляриметр для измерения концентрации сахара в моче содержит источник 1 света, установленные по ходу луча конденсатор 2, диафрагму 3 диаметром d, коллиматор 4 с фокусом f, ограничивающую диафрагму 5,

светофильтр 6, например, пропускающий желтый свет (линия D спектра, т. е. А 589 нм), поляризационные фильтры 7 и 8, между которыми установлена кювета 9 длиной L с защитными изотропными стеклами 10 и исследуемой средой 11. Один из поляризационных фильтров, например фильтр 8, выполнен в виде двулучевой поляризационной призмы, например, е виде призмы Вол- ластона, плоскости поляризации р- и s-компонент которой составляют углы ±45° по отношению к плоскости пропускания другого закрепленного неподвижно поляризационного фильтра 7. За призмой Вол- ластона 8 установлена линза 12, которая совместно с коллиматорной линзой 4 составляет проекционную систему с увеличением М. Угол раздвоения лучей ft призмой Волластона 8 удовлетворяет условию

Ш 2f

arctg --- fi arctg

A -Md 2f

За поляризационными фильтрами 7 и 8 в фокальной плоскости линзы 12 установлен модулятор в виде подвижной маски 13, закрепленной на гибких элементах 14, например, в виде плоских пружин, консольно закрепленных на корпусе поляриметра. Маска 13 находится в фокальной плоскости проекционной системы с увеличением М, состоящей из линз 4 и 12, и выполнена в виде непрозрачной пластинки с прозрачными прямоугольными окнами размерами АхВ (фиг. 2), которые расположены со смещением на величину ширины В окна вдоль направления перемещения маски, которое перпендикулярно плоскости раздвоения лучей призмой Волластона. т. е. окна смещены так, что края прозрачных смежных окон лежат на линии, совпадающей с направлением раздвоения лучей призмой 8, Для. возбуждения колебаний к оправе 15 маски 13 прикреплена пластинка 16 из магнито- мягкого материала, играющая роль подвижного якоря электромагнита 17, который подключен к сети переменного тока через диод 18. За маской 13 модулятора установлена линза 19 и фотоприемник 20. Фотоприемник 20 через емкость 21 связан с входом усилителя 22. у которого коэффициент усиления регулируется при настройке. Выход усилителя 22 соединен с цифровым вольтметром 23, который имеет цифровое табло и выход для подключения цифропечатающе- го устройства. Одновременно фотоприемник 20 непосредственно соединен с первым входом устройства 24 сравнения, на второй вход которого подключен источник эталонного напряжения U0, а выход устройства 24 сравнения подключен к регулирующему элементу 25 источника 26 тока, питающего источник 1 света.

5Поляриметр для измерения концентрации сахара в моче работает следующим образом.

Светящее тело источника 1 света (фиг. 1) конденсором 2 переносится в плоскость

0 диафрагмы 3, находящейся в фокусе коллиматора 4. Лучи света, прошедшие диафрагму 3, после коллиматора 4 становятся коллимированными, часть из них проходят ограничивающую диафрагму 5 и узкополос5 ный фильтр 6. Далее коллимированный монохроматический пучок света проходит поляризационный фильтр 7, становится линейной поляризованным с азимутом поляризации, например, 45° к горизонту.

0 проходит кювету 9 с исследуемой средой 11, двулучевую призму Волластона 8 и разделяется на два линейно поляризованных пучка р- и s-компоненты которых составляют углы ± 45° по отношению к плоскости пропуска5 ния поляризованного фильтра 7, а интенсивности света этих пучков зависят от величины угла поворота плоскости поляризации света а, исследуемой средой 11. Проекционная система, состоящая из линз 4 и

0 12, переносят изображение диафрагмы 3 в плоскость маски 13 в виде двух разделенных изображений с увеличением М. При азимуте поляризационного фильтра 7 ± 45° к горизонту плоскость разделения пучков

5 призмой Волластона 8 может быть расположена вертикально или горизонтально (на фиг, 1 показан вертикальный вариант расположения этой плоскости). Маска 13 (фиг. 2) под воздействием электромагнита 17,

0 питаемого от сети переменного тока через диод 18, на магнитомягкий якорь 16 колеблется с частотой сю в направлении, перпендикулярном этой плоскости, т. е. в данном варианте горизонтально. Поскольку угол

5 раздвоения лучей двулучевой призмой 8 удовлетворяет условию

arctg -MA yg arctg-A-Md

50

2f

2f

а прозрачные окна маски 13 смещены вдоль направления ее колебания на величину В окна, то в процессе колебания маски 13 раздвоенные двулучевой призмой Волластона 8 пучки света периодически по очереди проходят то верхний пучок, когда маска 13 (фиг. 2) смещается влево, то нижний пучок, когда маска 13 смещается вправо, а далее прошедшие пучки света линзой 19 (фиг, 1) собираютсй иа фоточуаствительном слое фотоприемника 20. Причем, поскольку линза 19 с плоскости приемника 20 строит изображение плоскости, находящейся перед линзой 12, где пучок еще не раздвоен, то в процессе модуляции пучков в плоскости маски 13 прошедшие пучки света попадают в одно и то же место фоточувствительного слоя фотоприемника 20, что исключает появление паразитных сигналов

Если исследуемая среда 11 (фиг. 1) не обладает оптической активностью, например дистиллированная вода, то монохроматический линейно поляризованный свет с азимутом 45° проходит кювету 9 без изме- нений и двулучевой призмой Волластона 8 разделяется на два пучка абсолютно одинаковые как по форме, так и по интенсивности света (фиг. 3, точки 1, 2 на кривой Малюсэ, отобрзхающей зависимость интенсивности света t, прошедшего через поляризованный фильтр гри изменении угла плоскости поляризации а падающего на него света) В этом случае фотоприемник 20 воспринимает не изменяющийся во времени свет I, равный половине интенсивности падающего на призму Волластона 8 света Jo, т. е. I 0,5f0.

Если исследуемая среда 11 обладает оптической активностью из-за содержания в ней сахара, то в зависимости от концентрации сахара с на выходе кюветы 10 азимут линейной поляризации изменяется на

,01 ,

где а о 52,6° - удельное вращение плоскости поляризации сахара для рабочей длины волны А 589 нм.

В зтом слу ае (фиг. 3) равенство интен- сивиостей пучюв после призмы Волластона нарушается, например один из них увеличится иа Д1 I0sin2 Да (фиг. 3, т. 3), а другой на такую же величину уменьшается (фиг. 3, т. 4). В результате в спектре сигнала фото- приемника 20 кроме постоянной составляющей, пропорциональной интенсивности света I 0,5 10 (фиг, 3, т. 5), присутствует переменная составляющая частоты СУ, которая пропорциональна интенсивности Д1 (фиг. 3, кривая 6). Переменная составляющая сигнала отфильтровывается с помощью емкости 21 (фиг. 1) и ее амплитуда измеряется цифровым вольтметром 22, который может работать в двух режимах. В режиме измерения угла поворота плоскости поляризации Да O,5arcsinl/I0 при малых Да измерение ведется с учетом допущения Да Д1/21о В режиме измерения концентрации с

100 Да

учитывается опреде a D -L

ленная длина кюветы, например при L - - 100 мм с 2 Да . Результаты измерений индицируются на индикаторном табло цифрового вольтметра 23 и по желанию оператора могут быть зафиксированы печатающим устройством

Амплитуда переменной составляющей светового потока Д I зависит как от угла поворота До, так и от величины поглощения т исследуемой среды 11, а амплитуда постоянной составляющей 0 зависит только от поглощения г. Поэтому для устранения влияния поглощения г на результаты измерения угла поворота плоскости поляризации Да и, следовательно, концентрации С постоянная составляющая сигнала фотоприемника 20 подается на один вход сравнивающего устройства 24, а эталонный (опорный) потенциал - на второй вход устройства 24. Разница этих потенциалов подается на регулирующий элемент 25, который регулирует величину тока лампы 1 от источника 26 и тем самым регулирует интенсивность излучения лампы 1 так, что постоянная составляющая сигнала фотоприемника 20 не зависит от поглощения т среды Ни всегда равна установленной заранее при калибровке величине, которую принимают за единицу. Такая автоматическая регулировка единичного значения постоянной составляющей обеспечивает пропорциональность ДI 2 Да с. высокую точность и простоту измерений концентрации сахара в растворах и, прежде всего, в моче

Чувствительность и точность измерений предлагаемого поляриметра зависит в основном от обнаружительной способности фотоприемника 20, от чувствительности и динамического диапазона цифрового вольтметра 23 и достигают значений ± 0,001° и ± 0,0015° соответственно.

Такая высокая точность измерений обеспечивается благодаря наличию новых отличительных признаков предлагаемого поляриметра.

Так в отличие от известных устройств, построенных по компенсационной схеме в предлагаемом поляриметре оба поляризационные фильтры закреплены неподвижно и, следовательно, не требуются углоизмери- тельные устройства, которые являются источниками существенных и порой основных погрешностей измерений. Кроме того, известные фотоэлектрические поляриметры с неподвижными поляризационными фильтрами являются однолучевыми и момент компенсации угла поворота плоскости поляризации при повороте одного из поляризационных фильтров определяют по максимальному гашению света, когда кривая, зависимости I f( a) (закон Мал юса) имеет наименьшую крутизну. В предлагаемом же поляриметре используется двулуче- вая схема и весь процесс измерения производится (фиг. 3) на участке кривой 1 - f (а) с максимальной крутизной. Поэтому при одних и тех же отклонениях от нулевого положения азимута линейной поляризации приращение светового потока А I/ Д а в предлагаемом поляриметре выше, а следовательно, выше и чувствительность.

Предлагаемый поляриметр намного проще существующих известных фотоэлектрических поляриметров тем, что не содержит сложных углоизмерительных устройств, не содержит компенсаторов, не требует сложных в технологическом отношении элементов и узлов. Угол раздвоения лучей ft призмой Волластона 8 достаточен в пределах не многим более 0,5°, поэтому эта призма может быть изготовлена не, как обычно, из исландского шпата, а из более дешевого материала., например из кристаллического кварца. Отсутствие сложных угло- измерительных устройств позволяет уменьшить габариты и вес предлагаемого поляриметра.

Таким образом, при использовании предлагаемого поляриметра повышает- ся точность измерений (± 0,0015°) при одновременном упрощении конструкции, понижаются стоимость и трудоемкость поляриметра до пределов, когда он может использоваться как в клиниках, так и в быту, а кроме того в обслуживании предлагаемый поляриметр прост (требуется наполнить кю- вету, включить поляриметр в сеть и прочитать результаты измерений на цифровом индикаторе).

Формула изобретения

Поляриметр для измерения концентра- ции сахара в моче, содержащий источник излучения и установленные по ходу излучения и оптически связанные конденсор, диафрагму диаметра d, коллиматор с фокусным расстоянием f, ограничивающую диафрагму, светофильтр, два поляризационных фильтра, установленную между ними кювету с исследуемой средой, модулятор, фокусирующую линзу и фотоприемник, а также усилитель, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения конструкции, за вторым по ходу излучения поляризационным фильтром расположена линза, составляющая с коллиматором проекционную систему с увеличением М, модулятор установлен за линзой по ходу излучения и выполнен в виде подвижной маски, расположенной в плоскости, перпендикулярной оптической оси, с окнами размерами АхВ, расположенными со смещением на величину В вдоль направления смещения, перпендикулярно оптической оси, при этом маска установлена так, чтобы плоскость совмещена с плоскостью изображения диафрагмы проекционной системой, один из поляризационных фильтров выполнен в виде двулучевой поляризационной призмы, плоскости поляризации р « и S-компонент которой составляют угол ± 45° к плоскости пропускания второго поляризационного фильтра, при этом угол/ раздвоения лучей двулучевой призмой удовлетворяет условию

arctg р arctg

A -Md 2f

а плоскость раздвоения лучей перпендикулярна направлению перемещения маски, в поляриметр введены конденсатор, цифровой вольтметр, устройство сравнения, регулирующий элемент и источник тока, при этом первый выход фотоприемника соединен через конденсатор с входом усилителя, выход которого соединен с цифровым вольтметром, второй выход фотоприемника соединен с первым входом устройства сравнения, на второй вход которого подключен источник эталонного напряжения, а выход устройства сравнения подключен к регулирующему элементу источника тока.

5А. Я

4 {в з ;; ю,8 х 1 // 20 I i i I - ..../ / i

Ј±±

-40

5