УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОВЫХ И ЖИДКОСТНЫХ ПРОБ
DEVICE TO DETERMINE CHARACTERISTICS OF GAS AND FLUID SAMPLES

Предлагаемое изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения оптической плотности жидкостных растворов, в том числе биологических материалов, а также в метеорологии для определения водности облаков и туманов.
4
Известно устройство для определения характеристик газовых и жидкостных проб [Pat. 4580895 United States, МПК G01N 33/48. Sample-Scanning Photometer [Text] / Shailen S. Patel.; assignee Dynatech Laboratories, Incorporated - №546451; Filed Oct. 28, 1983; Date of Patent Apr.8, 1986], содержащее корпус, установочный узел для размещения планшета с пробами, два шаговых привода для перемещения установочного узла по двум взаимно перпендикулярным осям, неподвижный считывающий узел, содержащий излучатель и фотоприемник с фильтром, размещенные по разные стороны от плоскости перемещения установочного узла с планшетом. Устройство также содержит блоки обработки, регистрации и управления.
Недостатки аналога заключаются в его значительных габаритах и сложной конфигурации, обусловленных использованием узла двухкоординатного перемещения планшета с пробами. Возможность перемещения планшета по двум осям требует в устройстве наличия свободной площадки, равной, по крайней мере, площади четырех планшетов. Подвижность второго шагового двигателя (перемещаемого вместе с планшетом при работе первого шагового привода) требует сложной системы электроподводки. Также сложной является система центрировки планшетов. К недостаткам можно отнести и сложность замены фильтра, который расположен в нижней части корпуса.
6
Из числа аналогов наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство [Пат. 2035716 Российская Федерация, МПК G01N 21/01, 21/13, 21/25, 21/59, 33/48. Устройство для определения характеристик газовых и жидкостных проб [Текст] / Машковцев А.П., Осипов Л.С., Пилипенко К.Н.; заявители и патентообладатели Машковцев А.Н., Осипов Л.С., Пилипенко К.Н. - №92001686/25; заявл. 21.10.92; опубл. 20.05.95, бюл. №14. - 5 с.: ил.], которое и выбрано в качестве прототипа. В прототипе по сравнению с аналогом уменьшены габариты, упрощена конструкция, а также повышены точность и удобство использования.
Технический результат в прототипе достигается тем, что, в отличие от аналога, установочный узел перемещается с помощью лишь одного шагового привода вдоль одной координатной оси, а считывающий узел выполнен подвижным и в процессе работы перемещается вторым шаговым приводом вдоль оси, перпендикулярной оси перемещения установочного узла, причем второй шаговый привод, как и первый, жестко установлен на корпусе. За счет этого уменьшена необходимая рабочая площадь и упрощена конструкция.
Кроме того, установочный узел в прототипе снабжен подпружиненным фиксатором, который выполнен с возможностью зажима планшета при перемещении установочного узла относительно внешнего упора. Таким образом, в прототипе обеспечивается однозначность и автоматизм фиксации планшета, что повышает точность измерений и удобство эксплуатации по сравнению с аналогом.
Повышение удобства использования достигается в прототипе еще и тем, что, в отличие от аналога, излучатель и фотоприемник расположены соответственно снизу и сверху плоскости перемещения установочного узла, причем фильтр выполнен съемным.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства-прототипа в исходном состоянии, на фиг.2 - функциональная схема считывающего узла. На фиг.3 показана функциональная схема, поясняющая взаимное положение установочного и считывающего узлов прототипа в процессе сканирования планшета.
Прототип (фиг.1, 2) содержит корпус 1, установочный узел 2 для размещения планшета 3 с кюветами для исследуемых проб, снабженный подпружиненным фиксатором 4, который выполнен с возможностью зажима планшета 3 при перемещении установочного узла 2 относительно внешнего упора 5, считывающий узел 6, выполненный с размещенными по разные стороны от плоскости перемещения планшета 3 фотоприемником 7 и излучателем 8, расположенным со стороны дна кювет и подключенным к источнику питания 9, два шаговых привода 10 и 11, жестко установленных на корпусе 1, и съемный фильтр 12, расположенный перед фотоприемником 7, соединенным с соответствующим входом блоков обработки, регистрации и управления 13, 14, 15, а с выходом соединены приводы 10 и 11. При этом первый привод 10 выполнен с возможностью перемещения установочного узла 2 вдоль первой оси, второй привод 11 выполнен с возможностью вращения считывающего узла 2 вдоль второй оси, перпендикулярной первой, а внешний упор 5 расположен на корпусе 1 с возможностью воздействия на фиксатор 5 при перемещении установочного узла 2 относительно корпуса 1.
Считывающий узел 6 (фиг.2) представляет собой U-образную конструкцию, в верхней части которой расположен фотоприемник 7 со съемным светофильтром 12, а в нижней части расположен излучатель 8 таким образом, что установочный узел 2 с планшетом 3 имеет возможность перемещения между ними (на фиг.1 и 3 показана только верхняя часть U-образной конструкции). Размещение съемного светофильтра 12 в верхней части U-образной конструкции обеспечивает удобный доступ оператора к нему.
Прототип работает следующим образом.
Пусть в исходном состоянии считывающий узел 6 посредством своего шагового привода 11 установлен в крайнее положение напротив ряда "1" кювет планшета 3 (см. фиг.1). Установочный узел 2 посредством своего шагового привода 10 перемещен в позицию загрузки, то есть находится вне считывающего узла 6, который не препятствует установке (или съему) планшета 3. В этой позиции установочный узел 2 расположен вплотную к корпусу 1, и упор 5, воздействуя на подпружиненное плечо фиксатора 4, отжимает его, позволяя установить (или снять) планшет 3. Таким образом, в исходном состоянии устройства планшет 3 доступен для съема и установки. В считывающий узел 6 установлен съемный светофильтр 12, соответствующий применяемому методу исследования.
Приступая к работе, оператор помещает очередной планшет 3 в установочный узел 2, выбирает одну из имеющихся в приборе программ и запускает измерение. Все остальные операции прототип осуществляет автоматически.
Установочный узел 2 с планшетом 3 перемещается соответствующим шаговым приводом 10 вдоль первой оси, то есть вдоль направления (А-Н) кювет планшета 3. Одновременно фиксатор 4 выходит из контакта с упором 5 и зажимает планшет 3. При совмещении оптической оси узла считывания 6 с каждой очередной кюветой первого ряда, в которой находится исследуемая проба, включается излучатель 8 и происходит измерение (по принципу вертикальной фотометрии). После сканирования первого ряда (A1-H1) кювет считывающий узел 6 перемещается соответствующим шаговым приводом 11 вдоль второй оси, перпендикулярной первой, то есть вдоль направления (1-12) кювет планшета 3, на следующий ряд. Далее снова перемещается установочный узел 2 и идет сканирование ряда "2" кювет планшета 3. Этот процесс повторяется до завершения сканирования всех кювет планшета 3, причем центры кювет совершают движение по 12-ти параллельным прямым соответственно рядам "1”-"12", а оптическая ось считывающего узла 6 совершает движение в перпендикулярном направлении, пересекающем эти прямые, соответственно рядам "А"-"Н" кювет планшета. На фиг.3 показано положение установочного и считывающего узлов при измерении кюветы В9.
По окончании сканирования планшета 3 считывающий узел 6 посредством своего шагового привода 11 возвращается в исходное положение, то есть напротив ряда "1" кювет планшета, а установочный узел 2 посредством своего шагового привода 10, перемещаясь в сторону корпуса 1, возвращается в положение загрузки. Упор 5, воздействуя на фиксатор 4, отжимает его, планшет 3 освобождается, он может быть снят и заменен следующим. При этом блоки обработки, регистрации и управления 13, 14, 15 обеспечивают обработку и регистрацию полученной первичной измерительной информации.
Реальные конструктивные параметры узлов прототипа выбраны так, что сканирование осуществляется лучом диаметром 1 мм с шагом 0,04 мм. Эта особенность прототипа дополнительно расширяет область его применения, и допускает использование его не только при сканировании планшетов, но и, в частности, при непрерывном сканировании пленочных образцов (фурограмм).
Прототип позволяет производить измерения растворов, находящихся в кюветах планшетов, в следующих режимах работы: измерение оптической плотности относительно воздуха или холостой пробы; определение концентрации анализируемых веществ по заранее известным коэффициентам; определение концентрации анализируемых веществ с использованием стандартных проб; измерение оптической плотности до и после химической реакции с последующим пересчетом в единицы концентрации по известным коэффициентам или с помощью стандартов.
пр
Из представленного описания видно, что прототип осуществляет все необходимые измерения планшета 3 с использованием двух однокоординатных шаговых приводов 10 и 11, неподвижных относительно корпуса, что не требует сложной электроподводки. При этом габариты устройства прототипа оцениваются величиной рабочей площади S, покрываемой планшетом 3 при его перемещении в процессе сканирования. Искомая оценка определяется в прототипе размерами двойной площади планшета, а именно:
пр
S=2ab,
где а и b - соответственно длина и ширина планшета (габаритные размеры).
То есть двухкоординатная система взаимонезависимого линейного перемещения установочного и считывающего узлов по взаимно перпендикулярным осям, параллельным плоскости планшета, реализованная в прототипе, позволяет не только упростить систему подключения шаговых приводов (за счет неподвижной установки обоих приводов), но и сократить вдвое, по сравнению с аналогом, площадь, используемую для перемещения планшета.
В то же время необходимо отметить, что прототип не достигает предельного минимума габаритов, который, естественным образом, ограничен размерами самого планшета. Следовательно, существует потенциальная возможность дальнейшего уменьшения габаритов, которая техническим решением прототипа не реализована. Кроме того, как хорошо известно, конструкция механизмов точного линейного перемещения, используемых в прототипе, содержит несколько кинематических пар, поэтому имеет достаточно сложную практическую реализацию (см., например, [Колпаков А.П. Проектирование и расчет механических передач / А.П.Колпаков, И.Е.Карнаухов. - М.: Колос, 2000. - 328 с., ил.; С.204], [Панов В.А. Справочник конструктора оптико-механических приборов / В.А.Панов [и др.]; под общ. ред. В.А.Панова. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1980. - 742 с., ил.; С.436-442], [Эрдеди А.А. Детали машин: Учеб. для машиностр. спец. сред. проф. учеб. заведений / А.А.Эрдеди, Н.А.Эрдеди. - 2-е изд., испр. и доп.- М.: Высш. шк.; Изд. Центр «Академия», 2001. - 285 с., С.216]).
Недостатками прототипа являются большие габариты и сложность конструкции, определяемые выбранным способом сканирования планшета на основе линейного перемещения установочного и считывающего узлов по взаимно перпендикулярным осям.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание устройства, выполняющего измерение растворов в кюветах планшета при меньшей, чем в прототипе, величине рабочей площади, покрываемой планшетом при его перемещении в процессе сканирования, и более простой кинематической схеме.
Техническим результатом является уменьшение габаритов устройства и упрощение его конструкции.
Для достижения указанного технического результата в устройстве, содержащем корпус, установочный узел для размещения планшета с кюветами для исследуемых проб, снабженный подпружиненным фиксатором, который выполнен с возможностью зажима планшета при перемещении установочного узла относительно внешнего упора, считывающий узел, выполненный с размещенными по разные стороны от плоскости перемещения планшета фотоприемником и излучателем, расположенным со стороны дна кювет и подключенным к источнику питания, два шаговых привода, жестко установленных на корпусе, съемный фильтр, расположенный перед фотоприемником, соединенным с соответствующим входом блоков обработки, регистрации и управления, а с выходом соединены приводы, первый привод выполнен с возможностью вращения установочного узла вокруг собственной вертикальной оси, а второй привод выполнен с возможностью вращения считывающего узла вокруг вертикальной оси, находящейся на одном краю этого узла так, чтобы при вращении оптическая ось фотоприемника и излучателя, расположенных на другом краю считывающего узла, прошла через все кюветы вращающегося планшета, причем внешний упор расположен на считывающем узле с возможностью воздействия на фиксатор при вращении установочного и считывающего узлов.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании компактного и простого устройства для определения характеристик газовых и жидкостных проб за счет изменения кинематической схемы приводов установочного и считывающего узлов путем замены линейного перемещения вращательным и уменьшения, благодаря этому, необходимой площади для реализации процесса сканирования.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.4 представлена функциональная схема устройства в исходном состоянии, на фиг.5 - функциональная схема считывающего узла, на фиг.6 - функциональная схема устройства в процессе сканирования планшета, на фиг.7 показаны траектории центров кювет и траектория оптической оси считывающего узла в процессе сканирования планшета, на фиг.8 представлен упрощенный чертеж стандартного 96-луночного планшета производства ВНИИ «Медполимер», Москва (ТУ 64-05-1871).
Предлагаемое устройство (фиг.4, 5) содержит корпус 1, установочный узел 2 для размещения планшета 3 с кюветами для исследуемых проб, снабженный подпружиненным фиксатором 4, который выполнен с возможностью зажима планшета 3 при перемещении установочного узла 2 относительно внешнего упора 5, считывающий узел 6, выполненный с размещенными по разные стороны от плоскости перемещения планшета фотоприемником 7 и излучателем 8, расположенным со стороны дна кювет и подключенным к источнику питания 9, два шаговых привода 10 и 11, жестко установленных на корпусе 1, съемный фильтр 12, расположенный перед фотоприемником 7, соединенным с соответствующим входом блоков обработки, регистрации и управления 13, 14, 15, а с выходом соединены приводы 10 и 11. При этом первый привод 10 выполнен с возможностью вращения установочного узла 2 вокруг собственной вертикальной оси, а второй привод 11 выполнен с возможностью вращения считывающего узла 6 вокруг вертикальной оси, находящейся на одном краю этого узла 6 так, чтобы при вращении оптическая ось фотоприемника 7 и излучателя 8, расположенных на другом краю считывающего узла 6, прошла через все кюветы вращающегося планшета 3, причем внешний упор 5 расположен на считывающем узле 6 с возможностью воздействия на фиксатор 4 при вращении установочного 2 и считывающего 6 узлов.
Считывающий узел 6 (фиг.5) представляет собой U-образную конструкцию, в верхней части которой расположен фотоприемник 7 со съемным светофильтром 12, а в нижней части расположен излучатель 8 таким образом, что установочный узел 2 с планшетом 3 имеет возможность перемещения между ними (на фиг.4 и 6 показана только верхняя часть U-образной конструкции). Размещение съемного светофильтра 12 в верхней части U-образной конструкции обеспечивает удобный доступ оператора к нему.
Устройство работает следующим образом.
Пусть в исходном состоянии установочный узел 2, связанный с шаговым приводом 10, находится в позиции загрузки. Считывающий узел 6, связанный с шаговым приводом 11, находится в позиции максимального удаления от оси вращения установочного узла 2, т.е. оказывается вне установочного узла 2 и не препятствует установке (или съему) планшета 3. При таком взаимном положении установочного 2 и считывающего 6 узлов упор 5, расположенный на считывающем узле 6, воздействует на подпружиненное плечо фиксатора 4 и отжимает его, позволяя установить (или снять) планшет 3. Таким образом, в исходном состоянии устройства планшет 3 доступен для съема и установки. В считывающий узел 6 установлен съемный светофильтр 7, соответствующий применяемому методу исследования.
Приступая к работе, оператор помещает очередной планшет 3 в установочный узел 2, выбирает одну из имеющихся в приборе программ и запускает измерение. Все остальные операции устройство осуществляет автоматически.
После запуска измерения шаговый привод 11 поворачивает считывающий узел 6 вокруг вертикальной оси вращения, находящейся на краю этого узла 6, в сторону установочного узла 2. Одновременно фиксатор 4 выходит из контакта с упором 5 и зажимает планшет 3. Поворот считывающего узла 6 осуществляется до установки в позицию I (фиг.7), в которой его оптическая ось совмещается с траекторией центров кювет А1, А12, H1, H12. Шаговый привод 10 вращает установочный узел 2 с планшетом 3, например, в направлении, указанном стрелками на фиг.4. При совмещении оптической оси узла считывания 6 с центром ближайшей кюветы - А12 планшета 3 (фиг.4), в которой находится исследуемая проба, включается излучатель 8 и происходит измерение (по принципу вертикальной фотометрии).
Продолжение вращения установочного узла 2 приводит к совмещению оптической оси узла считывания 6 с центром следующей кюветы -H12, находящемся на этой же окружности I. При этом снова включается излучатель 8 и выполняется измерение.
В процессе дальнейшего вращения установочного узла 6 происходит последовательное совмещение оптической оси узла считывания 6 с центрами двух других кювет окружности I - H1, A1, при этом каждый раз включается излучатель 8 и выполняется измерение.
После сканирования всех кювет окружности I шаговый привод 11 поворачивает считывающий узел 6 в позицию II, то есть до совмещения его оптической оси с траекторией центров кювет В12, G12, G1, B1, лежащих на окружности II (фиг.7). Далее снова шаговый привод 10 вращает установочный узел 2, и теперь уже выполняется сканирование кювет окружности II, центры которых последовательно совмещаются с оптической осью считывающего узла 6, причем каждый раз включается излучатель 8 и выполняется измерение.
По завершении сканирования всех кювет окружности II считывающий узел 6 устанавливается в позицию III (фиг.7), после чего установочный узел 2 совершает очередной - третий - оборот, в процессе которого центры кювет А11, С12, F12, Н11, Н2, F1, C1, A2 последовательно совмещаются с оптической осью считывающего узла 6, и каждый раз при совмещении включается излучатель 8 и выполняется измерение.
Далее процесс повторяется до завершения сканирования всех кювет планшета 3, причем считывающий 6 узел поочередно устанавливается в позиции с IV по XVI (фиг.7), то есть его оптическая ось поочередно совмещается с траекториями кювет, центры которых группами располагаются на окружностях IV - XVI, а именно:
группа IV - кюветы D1, D12, E1, E12;
группа V - кюветы В2, В11, G2, G11;
группа VI - кюветы A3, А10, Н3, Н10;
группа VII - кюветы С2, С11, F2, F11;
группа VIII - кюветы D2, D11, E2, E11;
группа IX - кюветы А4, А9, В3, В10, G3, G10, Н4, Н9;
группа Х - кюветы А5, А8, С3, С10, F3, F10, Н5, Н8;
группа XI - кюветы А6, А7, В4, В9, D3, D10, Е3, Е10, G4, G9, Н6, Н7;
группа XII - кюветы В5, В8, С4, С9, F4, F9, G5, G8;
группа XIII - кюветы В6, В7, D4, D9, Е4, Е9, G6, G7;
группа XIV - кюветы С5, С8, F5, F8;
группа XV - кюветы С6, С7, D5, D8, Е5, Е8, F6, F7;
группа XVI - кюветы D6, D7, Е6, Е7.
При этом установочный узел 2, вращаясь, обеспечивает, со своей стороны, поочередное совмещение центров кювет каждой группы с оптической осью считывающего узла 6. На фиг.6 показано положение установочного 2 и считывающего 6 узлов при измерении кюветы F5.
По окончании сканирования планшета 3 установочный узел 2 и считывающий узел 6 возвращаются в исходное состояние, показанное на фиг.4, то есть приходят в такое положение, при котором считывающий узел 6 оказывается вне установочного узла 2, а упор 5, воздействуя на подпружиненный фиксатор 4, отжимает его. Планшет 3 освобождается, он может быть снят и заменен следующим. При этом блоки обработки, регистрации и управления 13, 14, 15 обеспечивают обработку и регистрацию полученной первичной измерительной информации.
Реальные конструктивные параметры узлов предлагаемого устройства выбраны так, что сканирование осуществляется лучом диаметром 1 мм с шагом 0,04 мм. Это дополнительно расширяет область применения устройства и допускает использование его не только при сканировании планшетов, но и, в частности, при непрерывном сканировании пленочных образцов (фурограмм).
Предлагаемое устройство позволяет производить измерения растворов, находящихся в кюветах планшетов, в следующих режимах работы: измерение оптической плотности относительно воздуха или холостой пробы; определение концентрации анализируемых веществ по заранее известным коэффициентам; определение концентрации анализируемых веществ с использованием стандартных проб; измерение оптической плотности до и после химической реакции с последующим пересчетом в единицы концентрации по известным коэффициентам или с помощью стандартов.
Измерения в заявляемом устройстве при определении характеристик исследуемых жидкостных проб, находящихся в кюветах планшетов, осуществляются в позициях пересечения траекторий кювет планшета 3 с траекторией оптической оси считывающего узла 6 в процессе взаимного перемещения установочного 2 и считывающего 6 узлов. При этом центры кювет планшета 3 совершают движение по концентрическим окружностям 16-ти радиусов, а оптическая ось считывающего узла совершает движение по дуге, пересекающей эти окружности (фиг.7). Определение характеристик проб, находящихся на других носителях, выполняется точно так же, с той лишь разницей, что измерение по принципу вертикальной фотометрии выполняется при совмещении оптической оси считывающего узла 6 с необходимыми точками носителя исследуемых проб соответственно конструкции каждого данного вида носителя.
В основу построения устройства положен принцип перехода в другое измерение, а именно, принцип замены однокоординатного движения объектов позиционирования (кювет и считывающего узла) их двухкоординатным вращательным движением, для выполнения измерений в необходимых точках носителя исследуемых проб, в результате чего уменьшаются габариты и упрощается конструкция устройства.
Оценим возможные габариты, взяв за основу оценки величину рабочей площади S, покрываемой планшетом при его вращении в процессе сканирования. Искомая оценка определяется площадью круга диаметром,
равным диагонали планшета
,
где а и b - соответственно длина и ширина планшета (габаритные размеры).
пp
Сопоставив значения оценок рабочей площади для предлагаемого устройства S и прототипа S, получим коэффициент, количественно характеризующий достигнутое уменьшение габаритов в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом в зависимости от длины и ширины планшета
Разделив числитель и знаменатель выражения (1) на ab,
и обозначив
,
получим характеристику уменьшения габаритов устройства в зависимости от соотношения длины и ширины планшета
Габаритные размеры стандартного 96-луночного планшета производства ВНИИ «Медполимер» (фиг.8) составляют:
по длине - а=127 мм;
по ширине - b=85 мм.
Размеры планшетов, выпускаемых другими производителями, отечественными или зарубежными, могут отличаться лишь незначительно. С учетом этого соотношение длины и ширины планшета
Подставляя это значение в формулу (2), получаем количественную характеристику уменьшения габаритов предлагаемого устройства по сравнению с прототипом при использовании стандартных 96-луночных планшетов:
,
то есть уменьшение габаритов предлагаемого устройства, по сравнению с прототипом, для стандартных 96-луночных планшетов составляет около 20%.
Поскольку область применения предлагаемого устройства, как и прототипа, не ограничивается только 96-луночными планшетами, оценим величину и условия принципиально возможного максимального выигрыша по габаритам для любых прямоугольных объектов сканирования.
Первая производная функции R(x)
обращается в ноль при х=1, а вторая производная функции R(x)
при х=1 имеет отрицательное значение. Следовательно, функция R(x) при х=1 имеет максимум, величина которого составляет
.
max
Полученное значение R количественно характеризует максимальное уменьшение габаритов предлагаемого устройства по сравнению с прототипом, которое соответствует квадратному объекту сканирования.
Все блоки и элементы заявляемого технического решения являются хорошо известными. Приемная и излучающая части считывающего узла, блоки обработки, регистрации и управления, источник питания могут быть выполнены аналогично прототипу. Шаговые двигатели для приводов установочного и считывающего узлов не имеют специальных требований и могут быть типовыми из широкой номенклатуры серийно выпускаемых отечественных или зарубежных моделей, например ДШИ-200. Элементы механизмов зацепления (зубчатые колеса, ремни и шестерни) могут быть также покупными серийно выпускаемыми, например ряды зубчатых кинематических пар, выпускаемых фирмой Optibelt. Возможно также применение шагового двигателя с редуктором, совмещенными в одном покупном серийно выпускаемом изделии из ряда, выпускаемого, например, фирмой Fulling Motor.
Таким образом, заявляемое устройство обладает всеми функциональными возможностями прототипа, но при меньших габаритах и более простой конструкции.