КЮВЕТА С ОПТИЧЕСКИМ КОМПЕНСАТОРОМ ДЛЯ ФОТОМЕТРИРОВАНИЯ СРЕД (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к оптическим исследованиям и может быть использована при фотометрировании различных сред.
Принцип действия любого фотометра, работающего в режиме пропускания, заключается в измерении коэффициента пропускания и оптической плотности раствора, находящегося в измерительной кювете. Световой поток от источника излучения, например, светодиода, проходит через измерительную кювету с раствором и попадает на фотоприемник.
Для фотометрирования растворов традиционно применяются прямоугольные кюветы с плоскопараллельными стенками. При их использовании слаборассеивающийся световой поток не фокусируется, поэтому на фотоприемник попадает всегда один и тот же участок светового пятна, что гарантирует высокую стабильность результатов измерений при небольших смешениях кюветы или при ее замене на аналогичную.
Помимо прямоугольных кювет в ряде случаев необходимо использовать цилиндрические кюветы. В частности, такие кюветы применяют при фотометрическом определении химического потребления кислорода (ХПК), одного из наиболее важных суммарных параметров водных растворов, отражающего содержание органических веществ. По методике выполнения измерения ХПК растворы сначала нагревают в герметично закрытых цилиндрических кюветах, а затем в них же фотометрируют. Проблема заключается в том, что заполненная раствором цилиндрическая кювета начинает работать как линза, что приводит к фокусировке проходящего через нее светового потока.
Возникает так называемый «линзовый эффект», приводящий к сильному искажению светового пятна, попадающего на фотоприемник. При этом минимальное смещение цилиндрической кюветы или даже ее вращение может привести к сильному изменению показаний прибора, что, естественно, негативно сказывается на точности результата измерения. Это обстоятельство особенно заметно в случае низких концентраций определяемого компонента. Как следствие, применение цилиндрических кювет в ряде случаев не позволяет укладываться в допускаемые значения погрешностей, указанных в нормативных документах.
Известно использование кювет с оптическими компенсаторами для фотометрических исследований различных сред [1, 2]. Однако в известных кюветах использование компенсаторов не устраняет «линзовый эффект».
Техническим результатом полезной модели является разработка конструкции кюветы для фотометрических исследований различных сред, которая позволяет исключить линзовый эффект при работе с цилиндрическими кюветами.
Компенсация «линзового эффекта» при фотометрировании растворов, находящихся в цилиндрических кюветах (круглых пробирках) возможна с помощью оптического компенсатора. Нами разработан оптический компенсатор, позволяющий избежать фокусировки светового потока после прохождения цилиндрической кюветы, которая мешает исследованиям. Компенсатор может быть выполнен в двух вариантах.
Технический результат в первом варианте выполнения кюветы с оптическим компенсатором для фотометрирования различных сред обеспечивается тем, что оптический компенсатор выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда, заполненного светопроводящей средой, в нем размещена кювета цилиндрической формы для заполненная фотометрируемой средой, при этом оптический компенсатор и
цилиндрическая кювета выполнены из прозрачного бесцветного материала, а коэффициенты преломления светопроводящей среды и фотометрируемой среды отличаются не более, чем на 0,02.
В качестве светопроводящей среды может быть использована дистиллированная вода.
Средой для фотометрирования может быть водный раствор.
Стенки оптического компенсатора и цилиндрической кюветы могут быть выполнены из полимеров или стекла.
Толщины стенок оптического компенсатора и цилиндрической кюветы могут быть равны. Толщины стенок оптического компенсатора и цилиндрической кюветы обычно выполняют толщиной не более 3 мм.
Технический результат во втором варианте выполнения кюветы с оптическим компенсатором для фотометрирования различных сред обеспечивается тем, что цилиндрическая кювета для заполненная фотометрируемой средой выполнена из прозрачного бесцветного материала, перед или после кюветы по ходу светового потока размещен оптический компенсатор, выполненный в виде рассевающей цилиндрической линзы, радиус и коэффициент преломления материала которой связан с радиусом цилиндрической кюветы и коэффициентом преломления среды в ней следующим соотношением:
линзы
кюветы
среды внутри кюветы
линзы
(n-1,03)R=(n-1,03)/R.
Кювета и линза могут быть выполнены из одного и того же материала. Линза может быть жестко закреплена относительно цилиндрической кюветы, а цилиндрическая кювета при этом установлена с возможностью замены.
На фигурах - 4 представлены различные конструктивные исполнения кювет для фотометрических исследований с оптическими компенсаторами и без них. На фиг.1 схематически представлена кювета с плоскопараллельными стенками. На фиг 2 схематически представлена
цилиндрическая кювета без оптического компенсатора, при прохождении через которую светового потока наблюдается «линзовый эффект». На фиг.3 представлена кювета для фотометрических исследований с оптическим компенсатором в форме прямоугольного параллелепипеда. На фиг.4 представлена кювета для фотометрических исследований с оптическим компенсатором в форме цилиндрической линзы, расположенной перед или после цилиндрической кюветы и образующей с ней коллиматор.
На фигурах приняты следующие обозначения:
1 - фотоприемник,
2 - анализируемый раствор,
3 - кювета в форме прямоугольного параллелепипеда,
4 - излучающий светодиод,
5 - цилиндрическая кювета,
6 - оптический компенсатор в форме прямоугольной кюветы,
7 - раствор для заполнения оптического компенсатора в форме прямоугольной кюветы,
8 - оптический компенсатор в форме цилиндрической линзы.
Вариант 1
Согласно первого варианта выполнения кювета содержит оптический компенсатор, который выполнен в форме прямоугольника с плоскопараллельными стенками, заполненного оптически прозрачной средой, в частности жидкостью. Цилиндрическая кювета с анализируемым раствором помещается внутрь прямоугольной кюветы. Коэффициенты преломления жидкости внутри прямоугольного компенсатора и анализируемого раствора внутри цилиндрической кюветы должны быть близки и не должны отличаться более, чем на 0,02. Таким образом, по обе стороны от стенки цилиндрической кюветы будут находиться среды с равными коэффициентами преломления, что устранит «линзовый эффект». Световой поток будет проходить через такую систему практически тем же
образом, что и в случае фотометрирования раствора в кювете в форме прямоугольного параллелепипеда, т.е. фокусировки не происходит.
В качестве среды для заполнения прямоугольного компенсатора в большинстве случаев подойдет обычная дистиллированная вода, т.к. анализируемые растворы чаще всего являются водными растворами.
Вариант 2.
Согласно второго варианта выполнения кювета содержит оптический компенсатор, который выполнен в форме цилиндрической рассеивающей линзы из прозрачного бесцветного полимерного материала, расположенной перед или после цилиндрической кюветы и образующей с ней коллиматор. Световой поток, проходя через данный коллиматор, попадает на фотоприемник не сфокусированным, что устраняет «линзовый эффект», который создавался бы цилиндрической кюветой в отсутствии цилиндрической линзы.
Для правильной работы данного коллиматора подбирается оптимальное сочетание следующих параметров: расстояние между цилиндрической кюветой и цилиндрической линзой, соотношение радиусов кривизны цилиндрической кюветы и цилиндрической линзы, соотношение коэффициентов преломления материала цилиндрической линзы и анализируемого раствора.
Радиус и коэффициент преломления материала цилиндрической линзы связан с радиусом цилиндрической кюветы и коэффициентом преломления среды в ней следующим соотношением:
линзы
кюветы
среды внутри кюветы
линзы
(n-1,03)R=(n-1,03)/R.
Конструкция предполагает жесткое закрепление цилиндрической линзы. Цилиндрические кюветы можно заменять.
Предлагаемые оба варианта конструкции цилиндрической кюветы для фотометрических исследований различных сред позволяют исключить линзовый эффект, возникающий при работе с цилиндрическими кюветами.