УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИКСАЦИИ СМЕННЫХ КЮВЕТ И КОНТРОЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ В КОЛЛИМИРОВАННОМ ПОЛЯРИЗОВАННОМ ПУЧКЕ СВЕТА САХАРИМЕТРА
DEVICE FOR FIXING REPLACEABLE CUVETTES AND CONTROL DEVICES IN COLLIMATED POLARIZED BEAM OF SACCHARIMETER LIGHT

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее - к поляриметрическим приборам, предназначенным для исследования растворов, содержащих оптически активные вещества [1].
Известно множество отечественных и зарубежных поляриметров, сахариметров, спектрополяриметров, дихрографов с различными конструкциями кювет и устройств для их фиксации в рабочем поляризованном пучке света.
В отличие от кювет фотометров, спектрофотометров, колориметров к кюветам для поляриметрических исследований предъявляются дополнительные жесткие требования. Например, в поляриметрических приборах недопустимо отражение поляризованного света от внутренних поверхностей кюветы и других частей ее конструкции.
Недопустимо также естественное или наведенное механическими или термическими воздействиями двойное лучепреломление в защитных стеклянных окнах. Жестко лимитируется угол между нормалью к плоскости защитного окна и направлением распространения коллимированного поляризованного пучка света, проходящего через кювету с исследуемой жидкостью.
Не соблюдение этих требований приводит к неконтролируемым, нежелательным изменениям состояния поляризации света и, следовательно, к недопустимо большим погрешностям измерений угла вращения плоскости поляризации света, концентрации оптически активных веществ в растворе или удельного вращения (если ведутся исследования новых еще не изученных веществ).
Поэтому в документах Международной организации законодательной метрологии №14 «Поляриметрические сахариметры», а также в ГОСТ 8.258-77 перечислены особые требования, предъявляемые к кюветам при поляриметрических исследованиях оптически активных веществ в растворах. Перечислим основные из них.
Длина кюветы L (расстояние между внутренними поверхностями окон) обычно выбирается из ряда 10, 20, 50, 100, 150, 200, 250, 350, 400 мм, отклонение от номинальной длины не более ±0,05 мм. Торцы кюветы должны быть перпендикулярны оси сквозного отверстия и направлению распространения коллимированного поляризованного пучка света с погрешностью, не более ±5'. Клиновидность защитных стекол кюветы не должна превышать 5'. Защитные стеклянные окна должны быть изотропными, а после их закрепления не должно быть признаков появления наведенного механическими или термическими напряжениями двойного лучепреломления. Внутренний размер полости кюветы для исследуемого раствора должен быть больше диаметра проходящего через нее пучка света (обычно диаметр пучка света в фотоэлектрических поляриметрах и сахариметрах находятся в пределах от 3 до 20 мм).
Известно устройство для фиксации сменных проточных кювет с нишей, составляющей корпус сахариметра [2]. Проточные кюветы устройства выполнены различной длины, предварительно крепятся к одинаковым по размерам крышкам ниши и после установки в нишу сахариметра крышка с кюветой крепится к боковой части корпуса сахариметра.
Это известное устройство для фиксации проточных кювет в поляризованном пучке света [2] имеет существенные недостатки.
Во-первых, по окончании работы с сахариметром для чистки окон кювет требуется отвинчивать крышку с кюветой, отвинчивать накидные гайки, снимать стеклянные окна и проводить чистку окон. Такая разборка кювет требует много времени и имеется повышенная вероятность порчи окон и утери герметичности кювет.
Во-вторых, в процессе выполнения серии измерений, когда требуется работать с различными продуктами, сложно переходить от одной кюветы, например, длиной 50 мм, к другой, например, 5 мм, поскольку требуется выполнять перемонтаж.
В-третьих, затруднено использование простых и надежных устройств преобразования линейно поляризованного света на заданный угол [3], которые удобно использовать в качестве контрольных устройств вместо контрольных растворов.
Известны простые сахариметры СУ-3, СУ-4, СУ-5 (Украина), портативные поляриметры П161М (Россия), поляриметр D7 (Англия), у которых ниши выполнены в виде трубы фрагмента корпуса сахариметра, а кюветы выполнены в виде трубочек, на которых с помощью круглых накидных гаек удерживаются стеклянные окна. Такая конструкция кювет и ниши сахариметров неудобна в эксплуатации.
Главными недостатками таких кювет являются неизбежная разборка и сборка при заполнении и эвакуации исследуемого раствора, трудности заполнения кювет исследуемым раствором без попадания воздуха и без его пролива на руки.
Имеется большая группа цифровых сахариметров, служащих известными прототипами [4], которые содержат нишу 1 (фиг. 1) с крышкой 2 и с направляющими в виде двух круглых стержней 3, 4, закрепленных на специальных стойках 5 параллельно направлению распространения света. На направляющие 3, 4 устанавливаются круглые кюветы 6 или поляриметрические кристаллические пластинки в качестве контрольных устройств [5]. Крышки ниши прикреплены к корпусу сахариметров.
Такая конструкция кювет и такой вид ниши для фиксации кювет в поляризованном пучке света сахариметра имеет ряд существенных недостатков.
Во-первых, круглые направляющие 3, 4, круглые кюветы 6 и круглые поляриметрические пластинки не обеспечивают надежной фиксации кювет 6, особенно в плоскости перпендикулярной направлению распространения пучка света сахариметра, чем затрудняет применение простых и надежных стеклянных контрольных устройств [3] для проверки правильной настройки и работоспособности сахариметра.
Во-вторых, круглые направляющие 3, 4 существенно затрудняют применение набора стеклянных различных кювет с прямоугольными основаниями [6], что снижает потребительские характеристики сахариметра.
В-третьих, круглые направляющие 3, 4 и независимая от ниши 1 крышка 2 не могут надежно фиксировать проточные кюветы 6 со штуцерами, в которые вставляют микролейку и шланг для подачи и эвакуации исследуемого раствора, поскольку нет никаких средств для поджатия кюветы 6 к направляющим 3, 4 и фиксации штуцеров кюветы 6 в вертикальном положении (для предотвращения пролива исследуемого раствора 7).
Предлагается новое устройство для фиксации сменных кювет и контрольных устройств в коллимированном поляризованном пучке света сахариметра. Предлагаемое устройство содержит нишу с крышкой и направляющие, параллельные направлению распространения света в сахариметре. Устройство имеет ряд отличительных признаков. Ниша устройства, на плоскости дна которой по всей длине имеются направляющие в виде выступов. Между дном ниши и сменными кюветами или контрольными устройствами установлена подставка с ручкой, в нижней части которой имеются выступы, соответствующие выступам направляющих. В верхней части подставки выполнен прямоугольный паз параллельный направляющим ниши для установки набора кювет с плоскими и одинаковыми по ширине основаниями. В одной из стенок паза установлен пружинный толкатель для прижима кювет и контрольных устройств к противоположной стенке паза, являющейся базовой. Боковая грань выступа ниши, служащая упором наклонена в сторону подставки на угол 75°<θ<90°, а боковая грань другого выступа, обращенная в сторону подставки, наклонена на такой же угол θ в сторону от подставки.
В верхней части ниши закреплены металлические оси. Крышка ниши выполнена в виде уголка. В торцевой части крышки по обе ее стороны выполнены пазы для надевания крышки на оси, которые служат петлями.
На внутренней поверхности крышки ниши в области изгиба выполнено утолщение по всей ширине крышки, высота которого равна расстоянию от внутренней поверхности крышки до верхней части ручки подставки, установленной в нише, что обеспечивает надежную фиксацию подставки в нише.
Ниже подробно описывается предлагаемое устройство и иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 показано известное устройство, служащее прототипом с круглой кюветой с направляющими в виде двух круглых стрежней, закрепленных в нише на стойках.
На фиг. 2 показана конструкция предлагаемого устройства с нишей, на плоскости дна которой имеются выступы и с подставкой, на которой установлена открытая кювета в виде лотка.
На фиг. 3 показана конструкция предлагаемого устройства с подставкой и стеклянной кюветой из набора [6], например 20 мм.
На фиг. 4 показана конструкция предлагаемого устройства с проточной кюветой.
На фиг. 5 показана конструкция предлагаемого устройства с установленным в нише контрольным устройством [3].
Предлагаемое устройство для фиксации сменных кювет и контрольных устройств в коллимированном поляризованном пучке света сахариметра содержит нишу 1 (фиг. 2) с съемной крышкой 2, направляющие 3, 4, подставку 5, на которой установлена кювета 6 в виде открытого лотка с исследуемым раствором 7. Ниша 1 имеет дно, на плоскости которого по всей его длине выполнены направляющие в виде плоских выступов 3, 4. Между дном ниши 1 и сменными кюветами 6 установлена подставка 5 с ручкой 8. В нижней части подставки 5 имеются выступы, соответствующие выступам направляющих 3, 4. В верхней части подставки 5 выполнен прямоугольный паз 9, который параллелен направляющим 3, 4 ниши 1 и предназначен для установки кювет с плоскими и одинаковыми по ширине основаниями. В одной из стенок паза 9 установлен пружинный толкатель 10 для прижима кювет к противоположной стенке паза 9, являющейся базовой. Боковая грань выступа 3 ниши 1, служащая упором, наклонена в сторону подставки 5 на угол 75°<θ<90°.
Боковая грань другого выступа 4, обращенная в сторону подставки 5, наклонена на такой же угол θ в сторону от подставки 5.
В верхней части ниши 1 на кронштейне 11 закреплены металлические оси 12. Крышка 2 ниши 1 выполнена в виде уголка. В торцевой части крышки 2 по обе ее стороны выполнены пазы 13 для ее надевания на оси 12.
На внутренней поверхности крышки 2 ниши 1 в области изгиба выполнено утолщение 14 по всей ширине крышки 2. Величина утолщения равна расстоянию от внутренней поверхности крышки 2 до верхней части ручки 8 подставки 5, установленной в нише 1.
На фиг. 3 показан пример фиксации в нише 1 сахариметра одной из открытых стеклянных кювет 6 из набора ГОСТ 20903-75, например длиной 20 мм.
Кювета 6 с исследуемым раствором 7 установлена в подставке 5, которая в свою очередь установлена в нише 1 и зафиксирована с помощью выступов 3 и 4.
На фиг. 3 показано положение крышки 2, когда ниша 1 открыта, и положение крышки 2, когда ее требуется снять (отделить от ниши 1).
На фиг. 4 показан пример фиксации в нише 1 сахариметра проточной кюветы 6, например длиной 100 мм.
Проточная кювета 6 выполнена также в виде лотка, но снабжена входным 14 и выходным 15 штуцерами, крышкой 16 с уплотнительной прокладкой 17, скобой 18 и винтом 19 для прижима крышки 16 к кювете 6. Проточная кювета установлена на подставке 5, которая в свою очередь установлена в нише 1, зафиксирована с помощью выступов 3, 4, а также с помощью крышки 2.
При работе с проточной кюветой в комплекте предлагаемого устройства имеется вторая съемная крышка 2, у которой для пропуска шлангов, надеваемых на штуцера 14, 15, в ее нижней части выполнены пазы 20, 21.
На фиг. 5 показан вариант фиксации контрольного устройства [3] в нише 1 сахариметра со снятой крышкой. Контрольное устройство успешно используется в цифровых сахариметрах АП-05 [7] в качестве преобразователя линейно поляризованного света на заданный угол. Корпус контрольного устройства 22 имеет две пары выступов 23, 24 и 25, 26, которые по форме соответствуют выступам 3, 4 ниши. Выступы 25, 26 расположены под углом 45° к выступам 23, 24. В корпусе 22 выполнено отверстие, в которое вставлена труба 27 с фланцем 28 и закрепленной на ней плоскопараллельной пластинки 29, которая наклонена к образующей трубы 27 на угол ψ (на угол ψ по отношению к падающему на нее коллимированного линейно поляризованного света) [3]. Для проверки работы сахариметра применяют три контрольных устройства [3] с различными углами ψ.
Предлагаемое устройство для фиксации сменных кювет и контрольных устройств в коллимированном поляризационном пучке света сахариметра работает следующим образом.
Если требуется экономить расход исследуемого анализируемого раствора с оптически активным веществом, то оператор выбирает кювету в виде лотка 6 (фиг. 2), длина которой зависит от концентрации оптически активного вещества в растворе и от степени прозрачности раствора.
Кювету 6 устанавливают в подставку 5, заполняют анализируемым раствором 7 до риски, помещают в нишу 1 и закрывают крышкой 2. При этом выступ 14 крышки 2 упирается в верхнюю часть ручки 8 и тем самым фиксирует подставку 5 в нише 1.
По окончании процесса измерений концентрации оптически активных веществ в растворе 7 открывают крышку 2 с помощью ручки 8, вынимают подставку 5 с кюветой 6 из ниши 1, выплескивают содержимое кюветы 6, ополаскивают кювету 6 последующей порцией раствора, заливают еще раз последующий раствор, подставку 5 с кюветой 6 устанавливают обратно в нишу 1, закрывают крышку 2 и проводят измерения концентрации этого нового раствора сахариметром.
Если оператору удобно использовать различные стеклянные кюветы [6], например, в случае измерений как концентрации оптически активных веществ в растворах сахариметром АП-05М (АО «Швабе-Технологическая лаборатория») [7], так и оптической плотности фотометром типа КФК (АО «ЗОМЗ»), то в подставку 5 (фиг. 3) устанавливают соответствующую по длине стеклянную кювету 6, заполняют ее до риски исследуемым раствором, устанавливают в нишу 1 и закрывают крышкой 2.
После выполнения измерений концентрации оптически активных веществ в растворе 7 открывают крышку 2, вынимают подставку 5 с кюветой 6 и, если требуется, кювету устанавливают в фотометр или выплескивают раствор. Затем кювету 6 ополаскивают последующей порцией исследуемого раствора, еще раз заливают последующую порцию раствора, устанавливают подставку 5 с кюветой 6 в нишу 1, закрывают нишу крышкой 2 и проводят измерения концентрации оптически активного раствора сахариметром.
Если оператору требуется измерять концентрацию оптически активного вещества в потоке раствора, например, в случае измерения сахаристости свеклы на сахарном заводе, то в нишу 1 сахариметра [7] устанавливают проточную кювету 6 со штуцерами 14, 15 (фиг. 4), на штуцера 14, 15 надевают шланги для подачи раствора 7. При этом крышку 2 без пазов заменяют на такую же крышку 2, но с пазами 20 и 21. Для этого крышку 2 устанавливают вертикально и приподнимают вверх (фиг. 3), чтобы шпильки 11 ниши 1 вышли из пазов 12 крышки 2. А вместо крышки 2 без пазов (фиг. 4) на оси 11 надевают такую же крышку 2, но с пазами 20 и 21 (фиг. 4). После закрывания крышки 2 подставка 5 с кюветой 6 фиксируются в нише 1 путем прижима ручки 8 выступом 14 крышки 2.
Исследуемый раствор 7, например, дигерат, подают в кювету 6 через нижний штуцер 14. Содержащийся в кювете 6 воздух вытесняется через верхний штуцер 15 и происходит заполнение кюветы 6 исследуемым раствором.
По окончании процесса измерений концентрации оптически активного вещества в растворе 7 его сливают через нижний штуцер 14, промывают кювету дистиллированной водой, осушают сухим воздухом и оставляют до следующей серии измерений. Если на внутренних поверхностях окон кюветы 6 появились загрязнения, то для их удаления отворачивают винт 19, сдвигают скобу 18 в сторону нижнего штуцера 14, открывают крышку 16 и с помощью палочки с ваткой удаляют загрязнения на внутренних поверхностях окон и кюветы 6. Собирают проточную кювету в обратном порядке.
Для оперативного контроля работоспособности и поверки сахариметра [7] в нишу 1 сахариметра (фиг. 5) устанавливают контрольное устройство [3].
Первоначально корпус 22 контрольного устройства устанавливают на выступы 23, 24 (фиг. 5) и поворачивают вставку 27 относительно корпуса 22 до положения, когда показания сахариметра будут равны «00,00». Затем корпус 22 перекладывают на выступы 25, 26, т.е. поворачивают на угол 45° и показания сахариметра должны соответствовать числу, награвированному на корпусе 22. Это число может характеризовать угол α преобразования плоскости поляризации контрольным устройством в градусах, концентрацию оптически активного вещества, например сахара в процентах С% или концентрацию сахара в градусах сахарной шкалы °S.
Предлагаемое устройство для фиксации сменных кювет и контрольных устройств в коллимированном поляризованном пучке света сахариметра имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с известными прототипами.
Во-первых, ниша 1 (фиг. 2-5) сахариметра, на плоскости дна которого имеются выступы, один из которых служит упором и его боковая грань наклонена на угол 75°<θ<90° в сторону кювет или контрольных устройств, боковая грань второго выступа наклонена на такой же угол θ, но в обратную сторону. Это обеспечивает надежную фиксацию всех видов кювет и контрольных устройств и, в то же время, простоту обслуживания сахариметра.
Во-вторых, между дном ниши и сменными кюветами установлена простая подставка, позволяющая надежно фиксировать все виды сменных кювет различных конструкций и обеспечивает удобство в обслуживании. Одна стенка паза подставки является упором, а во второй стенке установлен пружинный толкатель, что упрощает работу при смене кювет.
В-третьих, крышка ниши является съемной, что упрощает ее замену на крышку с пазами для шлангов.
В-четвертых, при закрывании крышки происходит прижим ручки подставки к выступам ниши, что надежно фиксирует все виды кювет в пучке света сахариметра.
В-пятых, все виды кювет имеют фиксированные (неподвижные) окна, внутренние поверхности которых доступны для их чистки.
В-шестых, кюветы и контрольные устройства легко и просто фиксируются в параллельном поляризованном пучке света сахариметра так, что пучок света не касается оправ и стенок кювет и падает нормально к плоскостям окон.
Предлагаемое устройство найдет широкое применение в цифровых сахариметрах, например типа АП-05М, а так же в фотометрах.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Волкова Е.А. Поляризационные измерения. Издательство стандартов, М. 1974. с. 143.
2. Патент РФ №2263303 от 07.06.2004 г.
3. Патент РФ №2108564 от 10.04.1998 г.
4. Высокоточные поляриметры из Англии «Промышленное обозрение», апрель №2 (7) 2008, с. 49.
5. ГОСТ 22409-77 Пластинки поляриметрические.
6. ГОСТ 20903-75 Кюветы стеклянные для фотометров.
7. Сахариметр АП-05. Описание типа средства измерений (приложение к Свидетельству RU.С.31.065.А №54282), регистрационный №56637-14.