УСТРОЙСТВО ФОТОМЕТРА С ШАРОВЫМ ОСВЕТИТЕЛЕМ
PHOTOMETER DEVICE WITH BALL ILLUMINATOR

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано для проведения фотометрических измерений при выполнении химических и клинических анализов с целью определения концентрации различных веществ в растворах в медицинских учреждениях, в сельском хозяйстве, в геологии и биохимии, на предприятиях водоснабжения, пищевой, химической, металлургической промышленности и в других отраслях народного хозяйства.
В основу функционирования как известных фотометров, так и заявленного положен оптический метод исследования веществ - метод фотометрии, основанный на избирательном поглощении светового излучения в диапазоне от ультрафиолетовой до инфракрасной области молекулами определяемого вещества или его соединениями. Принцип действия фотометра заключен в измерении отношений двух потоков излучения, один из которых - световой поток, подаваемый на исследуемый образец, другой - световой поток, прошедший через образец. Каждый поток последовательно проецируется на фотоприемное устройство, которое преобразует его в электрический сигнал, пропорциональный потоку излучения. Усиленные и обработанные сигналы с фотоприемного устройства регистрируются. Измерения производятся для различных длин волн оптического излучения, соответственно, в результате измерений получается спектр отношений потоков.
Известен фотометр концентрационный малогабаритный КФК-5М, предназначенный для определения концентрации веществ в растворах путем фотометрических измерений [КФК-5М, 1994, Загорский оптико-механический завод, БШ2.853.027ТУ]. Данный однолучевой фотометр состоит из установленных последовательно по ходу лучей источника света в виде лампы накаливания, диафрагмы, системы линз, кюветного отделения для размещения кюветы с исследуемым раствором, сменного светофильтра и фотоприемного устройства, соединенного с микропроцессорным устройством. В режиме «холостой пробы» световой поток от лампы, расположенной в фокальной плоскости системы линз, проходит последовательно через диафрагму, уменьшающую рассеяние света, систему линз и параллельным пучком направляется на фотоприемное устройство. В режиме измерений между системой линз и фотоприемным устройством устанавливаются последовательно по ходу лучей кювета с раствором исследуемого вещества и сменные светофильтры, служащие для выделения узких спектральных интервалов. Световой поток от лампы проходит последовательно через диафрагму, систему линз, кювету с раствором исследуемого вещества и частично, в зависимости от количества исследуемого вещества поглощается в кювете. Прошедший через кювету световой поток, величина которого зависит от состава раствора и количества вещества в растворе, направляется на устанавливаемый вручную сменный светофильтр, пропускающий узкую область спектра в том диапазоне длин волн, где находится аналитическая линия излучения исследуемого вещества. Световой поток на выходе светофильтра попадает на фотоприемное устройство, которое преобразует его в электрический сигнал. Усиленные электрические сигналы, полученные при прохождении светового потока через исследуемый раствор вещества и «холостую пробу», сравниваются микропроцессорным устройством и представляются в виде величин измеряемых коэффициентов пропускания, оптической плотности прозрачных жидких растворов, а также концентрации веществ в растворах. В данном устройстве выделение излучения узкого спектрального диапазона из сложного по составу широкополосного излучения осуществляется с помощью стеклянных абсорбционных светофильтров, выделяемых излучение в спектральном интервале шириной 50 нм, и узкополосных интерференционных светофильтров, выделяемых излучение в спектральном интервале шириной 20 нм. Для определения концентрации исследуемого вещества в фотометре устанавливается такой светофильтр, максимум спектрального диапазона пропускания которого совпадает с аналитической линией излучения исследуемого вещества. Такой фотометр, при использовании которого применяются сменные светофильтры с различной шириной полосы пропускания, обладает точностью, недостаточной для удовлетворения требований, предъявляемых к современным измерительным приборам подобного типа.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в разработке конструкции малогабаритного фотометра с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.
Техническим результатом изобретения являются повышение точности измерения, снижение порога чувствительности, обеспечение стабильности и воспроизводимости результатов измерения, а также упрощение конструкции устройства за счет исключения светофильтров, сменяемых вручную при проведении измерения.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что фотометр включает осветитель, оптическую систему линз, кюветное отделение, в котором размещается кювета с раствором исследуемого вещества, фотоприемное устройство, микропроцессорную вычислительную систему (МИВС). Согласно изобретению осветитель выполнен в виде фотометрического шара, имеющего диффузно отражающую внутреннюю поверхность, несколько сквозных отверстий со встроенными в них источниками света - светодиодами, работающими в импульсном режиме и испускающими близкое к монохроматическому излучение с необходимой для измерения длиной волны, и фотодиодом фотоприемного устройства, формирующего опорный канал, шторку, установленную перед фотодиодом для предотвращения попадания на его чувствительную площадку прямых лучей от установленных в отверстиях фотометрического шара светодиодов, и выходное отверстие, ось которого совпадает с осью оптической системы линз фотометра, а прямые лучи от источников излучения - светодиодов - не попадают в это отверстие. При включении в импульсном режиме одного из встроенных в поверхность фотометрического шара светодиодов с излучением определенной длины волны внутри осветителя создается изотропное световое поле, интенсивность которого пропорциональна мощности источника, а освещенность любой точки шара, экранированной от прямых лучей источника излучения - светодиода, пропорциональна потоку излучения светодиода. Отраженный от внутренней поверхности фотометрического шара световой поток проходит через выходное отверстие осветителя, оптическую систему линз фотометра, кюветное отделение, содержащее кювету с раствором исследуемой жидкости или «холостую пробу», и фокусируется на чувствительной площадке фотоприемного устройства фотометра, а также попадает на фотодиод, встроенный в поверхность фотометрического шара, и регистрируется фотоприемным устройством осветителя. Так же, как и выходной сигнал фотоприемного устройства фотометра - сигнал измерительного канала, выходной сигнал фотоприемного устройства осветителя, который пропорционален потоку излучения светодиода, поступает на вход МИВС для дальнейшей обработки. При этом выходной сигнал, поступающий на МИВС с осветителя, образует опорный канал, предназначенный для регистрации светового потока от источника излучения, обеспечения контроля параметров излучения и компенсации влияния на точность измерения тех факторов, которые обусловлены особенностью работы светодиода в импульсном режиме.
Используемый в предлагаемом изобретении импульсный режим включения источника светового излучения позволяет увеличить динамический диапазон измерения фотометра при сохранении заданной погрешности измерения. Однако флуктуации амплитуды и длительности импульсного светового потока обуславливают нестабильность результатов измерений. Внесенный в конструкцию фотометра опорный канал отслеживает флуктуации излучения источника в осветителе, и на основании данных об импульсном излучении вводится поправка в показания измерительного канала в виде поправочного коэффициента, что обеспечивает повышение достоверности измерений и стабильность работы фотометра.
Поправочный коэффициент определяется как отношение напряжения на выходе фотоприемного устройства осветителя, полученного в режиме «холостой пробы», к напряжению на выходе этого же устройства в режиме измерения, и для коэффициента пропускания раствора исследуемого вещества Т справедливо выражение:
где:
1
1x
U и U - напряжение на выходе фотоприемного устройства фотометра в режиме измерения и в режиме «холостой пробы» соответственно;
п
k - поправочный коэффициент, определяемый соотношением:
где:
2
2х
U и U - напряжение на выходе фотоприемного устройства осветителя, формирующего опорный канал, в режиме измерения и в режиме «холостой пробы» соответственно. Измерение коэффициентов пропускания, оптических плотностей растворов веществ, а также измерение концентрации веществ в растворах производится фотометром в том диапазоне длин волн источника излучения - светодиода, в который входит аналитическая линия излучения исследуемого вещества. Для предлагаемого фотометра с шаровым осветителем спектральный диапазон излучения осветителя должен находиться в пределах от 400 нм до 980 нм. Излучение осветителя должно иметь узкую спектральную полосу шириной до 10 нм. Один или несколько линейных размеров светящегося тела источника излучения должны находиться в пределах от 0,003-0,006 диаметра фотометрического шара осветителя. При этом фотометрический шар осветителя имеет отверстия с установленными в них источниками, для которых должно выполняться следующее условие:
где:
ш
S - площадь внутренней поверхности фотометрического шара осветителя;
o
S - площадь отверстий на внутренней поверхности фотометрического шара осветителя;
ρ - коэффициент отражения внутренней поверхности фотометрического шара осветителя.
Использование в устройстве предлагаемого фотометра осветителя в виде фотометрического шара, имеющего:
- несколько удовлетворяющих условию (3) сквозных отверстий, в которых установлены:
- светодиоды - источники световых импульсов, имеющие линейные размеры в пределах 0,003-0,006 диаметра фотометрического шара, работающие в импульсном режиме, испускающие близкое к монохроматическому излучение с длиной волны в интервале от 400 нм до 980 нм и имеющие узкую спектральную полосу шириной до 10 нм;
- фотодиод фотоприемного устройства, формирующего опорный канал, обеспечивающий контроль параметров импульсного излучения светодиодов и компенсацию влияния флуктуации источника света, рассчитанную с помощью поправочного коэффициента (2);
- шторка, размещенная перед фотодиодом и предотвращающая попадание на его чувствительную поверхность прямых лучей от источников излучения - светодиодов;
- выходное отверстие, находящееся на оси оптической системы линз фотометра и размещенное на внутренней поверхности фотометрического шара так, что прямые лучи от источников излучения в шаре не попадают в это отверстие, а также использование МИВС, управляющей параметрами световых импульсов и обрабатывающей данные фотоприемных устройств фотометра и осветителя с целью компенсации влияния флуктуаций световых импульсов на результаты измерений, позволяют повысить точность измерения, снизить порог чувствительности, обеспечить стабильность и воспроизводимость результатов измерения, а также упростить конструкцию устройства, исключив потребность в сменяемых вручную светофильтрах при проведении измерения.
Фотометр с шаровым осветителем представлен на чертеже, где изображена его принципиальная схема.
Фотометр включает осветитель 1 в виде фотометрического шара, содержащего несколько отверстий с установленными в них источниками излучения - светодиодами 2, фотодиодом 3 фотоприемного устройства осветителя 4, установленную перед фотодиодом 3 шторку 5 и выходное отверстие 6. Осветитель 1 через выходное отверстие 6 связан с установленными на одной оптической оси с оптической системой линз 7, кюветным отделением 8, в котором размещается кювета 9 с исследуемым веществом или «холостая проба», и фотоприемным устройством фотометра 10. Фотоприемное устройство фотометра 10, установленное в измерительном канале прибора, и фотоприемное устройство осветителя 4, формирующее опорный канал прибора, связаны с МИВС 11, выполняющей функции управления осветителем 1, а также обработки, передачи и отображения измерительной и сопутствующей информации.
Фотометр с шаровым осветителем работает следующим образом. Осветитель 1 от включенного источника световых импульсов - светодиода 2 - формирует световой поток, который воспринимается фотодиодом 3 и проходит через выходное отверстие 6 в направлении оптической системы линз 7, оптическая ось которой совмещена с оптической осью кюветы 9, установленной в кюветном отделении 8. Прошедший через кювету 9 световой поток, величина которого зависит от состава раствора в кювете и количества вещества в растворе, фокусируется на чувствительной площадке фотоприемного устройства 10. Электрический сигнал измерительного канала от фотоприемного устройства 10, пропорциональный интенсивности светового потока, прошедшего через кювету 9, поступает на вход МИВС 11. Одновременно электрический сигнал опорного канала от фотоприемного устройства 4, пропорциональный интенсивности светового потока, сформированного в осветителе 1 при излучении светодиодом 2 светового импульса, также поступает на вход МИВС 11. Электрические сигналы измерительного и опорного каналов фотометра обрабатываются МИВС 11, и результаты измерения отображаются ею.
Результатом реализации заявленного технического решения является фотометр с опорным каналом и осветителем, выполненным в виде фотометрического шара, характеризуемый:
- более высокой точностью измерения, увеличенной на 10%;
- более низким порогом чувствительности, сниженным в 10-15 раз;
- улучшенными характеристиками результатов измерений;
- стабильностью и воспроизводимостью;
- отсутствием дополнительных ручных операций в процессе измерений;
- меньшей длительностью процесса измерения, сокращенной на 20%.
Предложенное техническое решение реализовано в выпускаемых малогабаритных аналитических приборах. Их технические характеристики полностью удовлетворяют функциональным требованиям и назначению малогабаритного концентрационного фотометра.