Многоканальный фотометр Советский патент 1993 года по МПК G01N21/59 

Изобретение относится к технике фото- метрирования при измерениях светопропу- скания на заданных участках спектра светового диапазона веществ, помещенных в ячейки микротитрационных планшетов и может быть использовано при практических и научных исследованиях в медицине, биофизике, химии, биотехнологии, сельском хозяйстве, охране окружающей среды и в других областях народного хозяйства.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Функционально-блочная схема данного многоканального фотометра представлена на фиг.1,

На фиг. 2 изображен опорный канал с элементами оптической схемы, поясняющий расположение призмы опорного канала в оптической схеме.

.Многоканальный фотометр (фиг.1) содержит расположенные по горизонтальной оптической оси источник света 1, конденсор 2, интерференционные светофильтры 3 и нейтральные светофильтры 4, установленные в отверстиях вращающегося диска 5, расширитель 6 светового потока, двухлин- зовый коллиматор 7. По вертикальной опти- черкой оси в многоканальном фотометре расположены матрица положительных линз 8, сменной микротитрацирнный планшет на устройстве подвижки 9, матрица фотоприемников 10. На устройстве подвижки 9 планшета предусмотрены посадочные штифты, в которые при применении микро- титрационного планшета с U-обрззным дном, вставляется матрица отрицательных линз 11 над планшетом. Матрица диафрагм 12 располагается под планшетом. Кроме этого, за коллиматором 7 под углом в 45° к горизонтальной и вертикальной оптическим осям расположено поворачивающее зеркало 13. Многоканальный фотометр содержит та кже опорный канал, состоящий из призмы 14, фотоприемника 15 и усилителя 16, при этом фотоприемник 15 расположен против выходной грани призмы 14, а призма укреплена между линзами коллиматора 7 таким образом, что ее отражающая гран,ь наклонена под углом 45° к горизонтальной оптической оси и расстояние I от оптической оси до верхнего ребра призмы определяется выражением

«.(-

где D - диаметр линзы коллиматора;

а - размер входной грани призмы;

b - размер длинного ряда линзовой матрицы, определяемый выражением b Al (k- - 1) + d, Д - расстояние между центрами положительных линз (ячеек), k - количество линз (ячеек), d - диаметр положительных линз в матрице.

Фокусное расстояние отрицательных линз такое, что изображение нити накала источника света 1 находится на бесконечности.

Положительные линзы 8 матрицы, отрицательные линзы 11 матрицы, центры ячеек планшета на устройстве подвижки 9, центры диафрагм 12 матрицы и центры фотоприемников 10 матрицы соосны между собой.

На периферии диска 5 предусмотрены маркеры 17 положения пар светофильтров 3 и 4 относительно горизонтальной оптической оси.

Фотометр содержит также датчик положения 18 отверстий с парами светофильтров 3 и 4, который расположен против маркеров 17, двигатель 19, вал которого связан с диском 5. Кроме этого, фотометр содержит вычислительное устройство 20 с 4-мя интерфейсами 21, 22, 23, 24, коммутатор 25, регистратор 26, блок управления 27 и блок индикаций 28. Выходы фотоприемников 10 матрицы подсоединены через усилитель 29 к сигнальным входам коммутатора 25, выход

0 фогоприемника 15 опорного канала также подсоединен к сигнальному входу коммутатора 25 через усилитель тока 16. Выход коммутатора 25 соединен с сигнальным входом аналого-цифрового преобразователя 30,

5 цифровые сигнальные выходы которого соединены со входом данных вычислительного устройства микроЭВМ 20. Интерфейс 21 соединен с управляющими входами коммутатора 25 и аналого-цифрового преобразо0 вателя 30. Интерфейс 22 соединен с блоком управления 27 и индикации 28, третий интерфейс 23 связывает вычислительное устройство 20 и регистратор 26, а интерфейс 24 вычислительное устройство 20 с двигателем

5 19 и-датчиком положения 18.

Фотометр работает следующим образом,

Оператор посредством блока управления 27, который соединен через интерфейс

0 22 с вычислительным устройством 20, при- водит вычислительное устройство в исходное состояние, т.е. в вычислительном устройстве.осуществляется очистка оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), а

5 ее центральный процессор (ЦП) готов начать выполнение команд по алгоритму работы прибора, реализованному в виде программы, хранящейся в ее постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Работа

0 прибора начинается подпрограммой идентификации номера диска, т.е. определения длин волн пропускания излучения интерференционными светофильтрами. Для этого вычислительное устройство через интер5 фейс 24 запускает двигатель 19, который вращает диск 5 с парами светофильтров 3 и 4. Датчик положения 18 и маркеры 17 вырабатывают код соответствия нахождения пары светофильтров данной длины волн на

0 оптической оси. Этот код через интерфейс 24 подается на вычислительное устройство. В момент нахождения данной пары светофильтров на оптической оси по принятому коду вычислительное устройство немедлен5 но останавливает через интерфейс 24 двигатель 19. Далее вычислительное устройство через интерфейс 21 посредством коммутатора 25 подключает АЦП 30 к цепи опорного канала. Часть излучения от источника света 1 через конденсатор 2, пару светофильтров

3 и 4, расширитель б, первую линзу колли- „ матора 7, отраженное призмой 14 попадает на фотоприемник 15. Последний преобразует излучение в электрический сигнал, пропорциональный пропусканию пары светофильтров 3 и 4, который через усилитель тока 16 и коммутатор 25 подается на АЦП 30. АЦП преобразует данный сигнал в цифровой код, запоминаемый в ОЗУ вычислительного устройства 20.

Далее вычислительное устройство по описанному выше алгоритму начинает вращать диск, останавливает его при нахождении следующей пары светофильтров на оптической оси, запоминает величину сигнала и т.д., пока не будут запомнены в ОЗУ величины сигналов от всех пар светофильтров, находящихся на конкретном диске. После этого вычислительное устройство анализирует данные, запомненные в ОЗУ и данные о расположении светофильтров на диске, размещенные в ПЗУ. При наличии возрастания их светопропускания однозначно идентифицируется вполне определенный диск с известными длинами волн пропускания светофильтров. Отсутствие возрастания светопропускания воспринимается вычислительным устройством как наличие в фотометре другого диска, с другими известными длинами волн пропускания, .т.е. в фотометре допускается использование по крайней мере двух сменных дисков. При этом информация о размещении светофильтров на 2-м диске расположена также в ПЗУ вычислительного устройства.

Далее начинается обработка программы измерений светопропускания вещества. Для этого вычислительное устройство подает хранящийся в ПЗУ цифровой код на интерфейс 24. По этому коду диск 5 вращается до тех пор, пока код с датчика положения 18 и от вычислительного устройства на интерфейсе 24 не станут одинаковыми. Коды на интерфейсе при этом соответствуют положению диска, при котором световой поток перекрыт и сигналы на выходе фотоприемников пропорциональны величинам токов от фоновых паразитных засветок, темновых токов фотодиодов, смещения нуля усилителей токов 29. Далее вычислительное устройство поочередно, начиная с опорного канала, подключает АЦП для измерений величин фоновых токов к каждому каналу, АЦП 30 вырабатывает цифровые эквиваленты величин фоновых токов, которые запоминаются в ОЗУ вычислительного устройства, ФОП и ф - величины фоновых токов в опорном и 1-м рабочем канале.

После этого на блоке индикации 28 отображаются длины волн пропускания светофильтров, находящихся на установленном в фотометре диске. Оператор посредством блока управления 27 запрашивает необходимую ему длину волны для фотометрирова- 5 ния. По этой команде с блока управления 27 вычислительное устройство выставляет цифровой код на интерфейсе 24. Код выбирается из ПЗУ и соответствует длине волны пропускания требуемого фильтра. По этому

0 коду диск 5 вращается до тех пор пока код от датчика положения 18 и выставленный код вычислительного устройства не совпадут. Значение цифровых кодов соответствует положению диска, при котором центр

5 интерференционного светофильтра с требуемой длиной волны пропускания совпадает с горизонтальной оптической осью. После остановки двигателя 19, вычислительное устройство через блок индикации 28 подскэ0 зывает оператору о необходимости . установки планшета на устройство-подвижку 9. При этом планшет может быть пустой или с холостой пробой, для того, чтобы измерить истинное светопропускание иссле5 дуемого, вещества. Планшет может и не помещаться, если светопропускание будет определяться относительно воздуха. После постановки планшета оператор посредством блока управления 27 подтверждает

0 постановку планшета, и вычислительное устройство начинает подключать АЦП 30 поочередно ко всем рабочим каналам. Цифровые эквиваленты, соответствующие интенсивности падающего светового пото5 ка пад запоминаются в ОЗУ вычислительного устройства. При этом после каждого измерения в рабочем канале, измеряется величина интенсивности светового потока в опорном канале 1падОП1 и соответствующие

0 цифровые эквиваленты запоминаются также в ОЗУ вычислительного устройства. Таким образом дрейф интенсивности источника света 1 учитывается посредством опорного канала, для чего вычислительное

5 устройство нормирует величины 1Пад на величины 1пэдог1 , с одновременным учетом фоновых токов в рабочих и опорном каналах 1ФОП и 1ф , в соответствии с выражением

0Кпад (1пад - 1фУ(1лад°П - 1ф°П). (1)

и запоминает в ОЗУ величины Кпад1. соответ- ствующие интенсивностям падающих световых потоков, скорректированных на величину дрейфа источника излучения и ве- 5 личину фоновых токов.

После этого вычислительное устройство посредством блока индикации требует установки планшета с исследуемым веществом на устройство подвижки 9 и установки его в положение фотометрирования. После того

как планшет посредством устройства подвижки 9 установлен в положение фотомет- рирования, оператор посредством блока управления 27, запускает подпрограмму снятия интенсивностей световых потоков, прошедших через исследуемое вещество Inp 1 при этом после каждого измерения в рабочем канале, производится измерение интенсивности излучения в опорном канале lnponl. После реализации этой подпрограммы снова снимаются величины фоновых токов в рабочих и опорных каналах. Поправка на дрейф источника излучения и фоновых токов осуществляется вычислительным устройством рассчетно по формуле

Кпр1 (1пр1-1ф )/(1прОП|-1ф°П)..(2)

После запоминания в ОЗУ величин КПр, вычислительное устройство поступает к расчету величин светопропускания исследую емых веществ по формуле

х 100%.

(3)

к

тг 1чпад

Величины светопропускания веществ в каждом канале т запоминаются в ОЗУ. После оператор посредством блока управления 27 требует вывода результатов фотометрирования. т на индикатор 28 или регистратор 26.

Если оператору необходимо выразить результаты фотометрирования в единицах оптической плотности, то вычислительное устройство делает дополнительный расчет по формуле

Di lg Г| ,

где D - оптическая плотность в i-м канале. Данный расчетный результат также может быть выведен с помощью вычислительного устройства на блок индикации 28 или регистратора 26.

На фотоприемник ФП попадает только световой поток, прошедший через осадок и

ограниченный лучами, которые определяются диаметром диафрагмы - Д.Лучи, не прошедшие через осадок, экранируются диафрагмой Д.

Для получения адекватной информации необходимо обеспечить попадания на фотоприемник только тех лучей, которые прошли через пуговку. Это условие (для прототипа) соблюдается только в случае симметрич- ного расположения мениска и при соблюдении определенного соотношения между радиусом кривизны мениска - RH, углом сходимости светового потока - ее и диаметра сечения (в месте падения светового потока на исследуемую жидкость) светового потока - d. Постоянства R достичь

невозможно из-за различий в вязкости исследуемых жидкостей и различий смачивае- мости используемых планшет. Параметр - d также претерпевает изменения от ячейки к ячейке в зависимости от объема исследуемой жидкости. При асимметричном мениске наблюдаются два эффекта:

1. световой поток, минуя осадок, попадает на фотоприемник и сигнал с фотопри- емника увеличивается,

2. световой поток (при отсутствии осадка) срезается на краю фотоприемной площадки фотоприемника. ФП - сигнал с фотоприемника уменьшается.

И первый и второй эффект ведут к понижению точности измерений.

Таким образом, погрешность при измерении на планшетку с U-образным дном в предлагаемом устройстве гораздо меньше.

чем у прототипа. Фиг. 2 поясняется оптимальное расположение призмы опорного канала в оптической схеме в соответствии с выражением:

I ( D Я1

2-1 $(2 а) b Al(k-1) + d,

где D - световой диаметр линзы коллиматора 7,

а - размер входной грани призмы 14, I - расстояние от горизонтальной оптической оси до верхнего ребра призмы 14, . b - размер длинного ряда линзовой матрицы 8,

Д| - расстояние между центрами лоло- жительных линз,

k - количество линз в ряду, d - диаметр положительных линз в матрице.

Размер I не должен быть меньше, чем Ь/2, т.к. в противном случае произойдет срезание призмой оптического потока, падающего на линзовую матрицу. В то же время I не должно превышать величину I

( у а), т.к. в противном случае будет

перекрывание светового потока от источника света 1 оправой коллиматора 7. При I

возможно полное перекрывание светового потока оправой коллиматора - свет в опорный канал не попадает,

Диск 5 выполнен металлическим с отверстиями для интерференционных светофильтров 3, нейтральных светофильтров 4 и

маркеров 17. Нейтральные светофильтры 4 выполнены из стекла марки НС. Маркеры 17 выполнены в виде 6-ти радиальных щелей по периферии диска. 4-ре щели являются маркерами положения пар интерференционных нейтральных светофильтров. Пятая

щель является маркером положения диска при перекрытии светового потока при измерении фоновых токов. Шестая щель - маркер исходного положения диска.

Датчик положения отверстий 18 с пара- ми светофильтров выполнен в виде двух пар светодиод - фотодиод, световой поток между которыми открывается шестью маркерами. Первая пара регистрирует прохождение

5-ти маркеров, вторая пара прохождение

6-го маркера при вращении диска.

Экспериментальные исследования многоканального фотометра для фотомет- рирования жидких веществ и микротитра- ционных планшетах с ячейками с плоским и U-образным дном показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип) данный фотометр обеспечивает уменьшение абсолютной погрешности до 1% по фотометрической шка- ле.

Формула изобретения Многоканальный фотометр, содержащий источник излучения, расположенные по ходу излучения на оптической оси кон- денсор, систему для формирования рабочей длины волны, средство для расширения потока излучения, двухлинзовый коллиматор и на вертикальной оптической оси, оптически сопряженный с коллиматором сменный . микротитрационный планшет с матрицей положительных линз, установленный с возможностью перемещения параллельно плоскости расположения матрицы положительных линз и матрицы фотоприем- ных устройств, блок усилителей тока, коммутатор, вычислительное устройство с тремя интерфейсами, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, блок индикации и регистратор, при этом выходы фотоприем- ных устройств через усилители тока подсоединены к сигнальным входам коммутатора, выход которого соединен с входом аналого- цифрового преобразователя, цифровые выходы которого соединены с входом данных вычислительного устройства, управляющие выходы вычислительного устройства через первый интерфейс связаны с управляющими входами коммутатора и входом аналого- цифрового преобразователя, блоки

управления и индикации связаны с вычислительным устройством через второй интерфейс, регистратор - через третий интерфейс. отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, фотометр дополнительно содержит опорный канал, матрицы отрицательных линз и диафрагм. оптически сопряженных соответственно с матрицей положительных линз и фотоприемных устройств, при этом система для формирования рабочей длины волны содержит диск с отверстиями и реперами, расположенными на периферии диска, в отверстиях попарно расположены интерференционные и нейтральные светофильтры, датчик положения отверстий диска, двигатель и дополнительный интерфейс, при этом вал двигателя соединен с диском, датчик положения оптически связан с реперами диска и электрически с дополнительным интерфейсом, который соединен с вычислительным устройством, опорный канал содержит призму, дополнительное фотоприемное устройства и дополнительный усилитель тока, причем дополнительное фотоприемное устройство оптически связано с выходной гранью призмы и электрически соединено с дополнительным усилителем тока, выход которого соединен с входом коммутатора, призма установлена между линзами коллиматора таким образом, что отражающая ее грань наклонена под углом 45 к его оптической оси и на расстояние I от оптической оси коллиматора до верхнего ребра призмы, определяемом выражением

(

D

-а)

2 v 2

где D - световой диаметр линзы коллиматора;

а - размер входной грани призмы;

b - размер длинного ряда матрицы положительных линз,

b AJ(k-1)+d,

где Al - расстояние между центрами положительных линз:

К - количество линз в длинном ряду матрицы;

d -диаметр положительный линз.

27

28

2

Изобретение относится к технике фото- метрирования при измерениях светопропу- скания на заданных участках спектра светового диапазона веществ, помещенных в ячейки микротитрационных планшетов, и может быть использовано при практических и научных исследованиях в медицине, биофизике, химии, биотехнологии, сельском хозяйстве, охране окружающей среды и в других областях народного хозяйства. Цель изобретения - повышение точности измерений. Фотометр дополнительно снабжен связанным с валом двигателя диском с отверстиями, в которых попарно расположены интерференционные светофильтры и введенные нейтральные светофильтры в порядке возрастания их светопропускания, и с маркерами положения отверстий относительно оптической оси на периферии диска, датчиком положения отверстий, расположенным напротив маркеров и соединенным совместно с двигателем с вычислительным устройством через введенный дополнительный интерфейс, опорным каналом, состоя- . щим из призмы, фотоприемника и усил,ителя тока, при этом фотоприемник опорного канала расположен против выходной грани призмы, укрепленной между линзами коллиматора таким образом, что отражающая ее грань наклонена под углом 45 к горизонтальной оптической оси и на расстоянии I от оптической оси до верхнего ребра призмы, определяемым-выражением b/2 I (D/2-a), где D - световой диаметр линзы коллиматора, а - размер входной грани призмы, b - размер длинного ряда матрицы положительных линз Ь Д1(к+1) + d, где Al - расстояние между центрами положительных линз, k - количество линз (ячеек) в ряду, d - диаметр положительных линз в матрице. 2 ил. ел 00 о ел CJ ел со