Фотометрический анализатор

 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для контроля физико-химических свойств суспензий. Цель изобретения- повышение точности измерений фотометрического анализатора. Анализатор обеспечивает четкую связь между ступенью ослабления проходящего через исследуемую суспензию света и объемной концентрацией нерастворимых частиц. В диапазоне размеров частиц от 0,5 до 20-25 мкм с точностью не ниже 10% выполняется зависимость, аналогичная закону Бугера-Ламберта-Бера: C_y= KlnN, где N - степень ослабления света; K - коэффициент пропорциональности, определяемый параметрами анализатора; C_y - объемная концентрация частиц, т. е. суммарный объем частиц в единице объема жидкости. Загрязнение степени измерительной кюветы контролируется дополнительным фотоприемником, улавливающим рассеянное под малыми углами излучение. Значительная интенсивность рассеянного пустой кюветы излучения сигнализирует о необходимости очистки стекол или замены кюветы. Результаты измерений при помощи заявленного анализатора практически не зависит ни от химического состава жидкости, ни от химического состава частиц. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для контроля физико-химических свойств суспензий. Широко известны фотометрические анализаторы суспензий, включающие оптическую схему для формирования параллельного пучка света, измерительную кювету и фотоприемник (например, фотоэлемент). Работа анализаторов основана на частичном поглощении и рассеянии света в исследуемой суспензии, причем измеряемой величиной обычно служит степень ослабления прошедшего излучения N где I_o интенсивность падающего пучка; I_пр интенсивность прошедшего пучка. На практике чаще всего оперируют оптической плотностью среды, выражаемой через InN. Преимуществами фотометрических анализаторов (называемых также абсорбциометрами) следует считать простоту конструкции и малую стоимость. Измерения при помощи фотометрических анализаторов отличаются экспрессностью (1). Однако все подобные анализаторы обладают рядом существенных недостатков, причем главный среди них отсутствие четкой связи между степенью ослабления света (оптической плотностью) и объемной концентрацией нерастворимых частиц. Отчасти этот недостаток вызван одновременным попаданием на фотоприемник собственно прошедшего и рассеянного частицами излучений. Другой недостаток анализаторов связан с влиянием на результаты измерений загрязнения стекол измерительной кюветы. Известен (2) анализатор интенсивности рассеянного под малыми углами излучения. Анализатор содержит источник монохроматического излучения (лазер), формирователь параллельного пучка (расширитель), измерительную кювету, собирающую линзу и подвижный фотоприемник с точечной диафрагмой. Снятие зависимости интенсивности рассеянного излучения от угла производится путем перемещения фотоприемника в фокальной плоскости собирающей линзы (2). При расположении фотоприемника строго на оси падающего пучка устройство превращается в анализатор интенсивности прошедшего излучения с очень острой диаграммой направленности. Фокусировка прошедшего излучения на точечную диафрагму позволяет исключить попадание на фотоприемник рассеянного излучения. Однако недостаток анализатора отсутствие достаточно эффективного контроля состояния стекол измерительной кюветы. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является фотометрический анализатор (3), который содержит источник монохроматического излучения (лазер), формирователь параллельного пучка (расширитель), измерительную кювету, собирающую линзу и многоэлементный фотоприемник, установленный в фокальной плоскости собирающей линзы. Использование многоэлементного приемника позволяет частично устранить ошибки измерений, связанные с рассеиванием светового потока в кювете, однако и в этом анализаторе имеет место тот же, что и у (2) недостаток отсутствие эффективного контроля состояния стекол измерительной кюветы. Целью изобретения является повышение точности измерений фотометрического анализатора. Указанная цель достигается за счет того, что расстояние между измерительной кюветой и собирающей линзой меньше фокусного расстояния линзы и находится в пределах 30000-50000 длин волн используемого излучения, а толщина измерительной кюветы меньше указанного расстояния, при этом точечная диафрагма одновременно представляет собой плоский фотоприемник (например, фоторезистор), имеющий в центре отверстие для прохождения основного потока излучения. Отличительными признаками заявленного устройства следует считать расположение измерительной кюветы и собирающей линзы обеспечивающее зависимость С_v= KlnN в диапазоне размеров частиц от 0,5 до 20-25 мкм (при длине волны излучения в воздухе около 0,65 мкм), а также дополнительный фотоприемник-диафрагму. Указанная зависимость объясняется дифракцией излучения на частицах, соизмеримых своими размерами с длиной волны. Диафрагировавшую волну можно интерпретировать как суперпозицию падающей волны и множества малых "возмущений", вносимых в нее частицами. Таким образом, ослабление прошедшего излучения можно считать следствием интерференции между собой падающей волной и ее "возмущениями". Строго говоря, приведенные рассуждения справедливы только для сферических частиц. В большинстве реальных суспензий форма частиц весьма близка к сферической, что и обеспечивает выполнение указанной зависимости. Для частиц цилиндрической формы погрешность измерений тем больше, чем больше отношение их длины к диаметру. Наличие дополнительного фотоприемника-диафрагмы позволяет разделить погрешности, вносимые нестабильностью интенсивности падающего пучка и загрязнением стекол кюветы. Первая погрешность легко устраняется за счет регулировки коэффициента усиления оптико-электронного тракта. Вторая погрешность практически неустранима, поскольку загрязнение стекол искажает фронт прошедшей волны. Поэтому в заявленном устройстве осуществляется лишь контроль загрязненности стекол кюветы. Индикатором загрязнения служит излучение, рассеянное пустой кюветой по направлению самого падающего пучка. Превышение допустимого уровня интенсивности рассеянного пустой кюветой излучения сигнализирует о необходимости очистки стекол или замены кюветы. На фиг. 1 показана оптическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 представлены зависимости величины от диаметра частиц, полученные экспериментально. Предлагаемый анализатор содержит источник 1 когерентного излучения газовый или полупроводниковый лазер-линзу 2, диафрагму 3 для формирования параллельного пучка излучения, линзу 4, измерительную кювету 5, собирающую линзу 6, фотоприемник-диафрагму 7 и фотодиод 8. Анализатор работает следующим образом. Излучение лазера 1 с длиной волны порядка 0,6-0,7 мкм при помощи линзы 2 фокусируется на диафрагму 3 с отверстием малого диаметра (порядка 0,5-1 мм). Распространяющаяся за диафрагмой 3 сферическая волна превращается в параллельный пучок коллиматорной линзой 4, фокус которой совмещен с центром отверстия в диафрагме 3. Затем пучок проходит через измерительную кювету 5 с суспензией и при помощи линзы 6 фокусируется на отверстие в фотоприемнике-диафрагме 7. Рассеянное же суспензией или стеклами кюветы излучение является расходящимся. Поэтому оно не фокусируется на отверстие в фотоприемнике 7, а освещает всю его поверхность (штриховые линии на фиг. 1). Таким образом, линза 6 и фотоприемник-диафрагма 7 разделяют прошедшее и рассеянное излучения, обеспечивая как измерение степени ослабления, так и оперативный контроль состояния стекол кюветы. Прошедшее через отверстие в фотоприемнике-диафрагме 7 излучение попадает на основной фотоприемник фотодиод 8. Рассмотрим более подробно процесс измерения объемной концентрации частиц. Первой операцией после включения прибора является проверка состояния стекол измерительной кюветы. Для этого входящий в состав анализатора измерительный усилитель подключается к дополнительному фотоприемнику 7. Допустимый уровень интенсивности рассеянного стpелками пустой кюветы излучения устанавливается путем предварительной калибровки на взвесях с малой концентрацией частиц. Допустимый уровень, например, может соответствовать погрешности в 0,5-1% от максимальной измеряемой концентрации (например, 250 мм³ на 1 дм³ или 250˙10^-6). Превышение допустимого уровня сигнализирует о сильном загрязнении стекол кюветы. Если после промывки стекол интенсивность рассеянного ими излучения не уменьшается, кювету необходимо заменить. После проверки состояния стекол кювета заполняется очищенной от частиц жидкостью, а затем производится начальная установка прибора. Этот прием позволяет исключить погрешность, связанную с молекулярным ослаблением в самой жидкости. Регулируя усиление измерительного усилителя, подключенного теперь к основному фотоприемнику фотодиоду, устанавливают по шкале прибора 100% пропускания, что соответствует N= 1. При исследовании суспензий на основе одной и той же жидкости (например, воды) можно использовать эквивалентный светофильтр или вводить коэффициент пересчета. Отметим, что первую и вторую операции можно совместить. Затем кювета заполняется исследуемой суспензией и производится измерение ослабления света. Объемная концентрация частиц находится, как C_v=-KIKnP, где Р коэффициент пропускания, Р=1/N. Градуировка прибора, т.е. нахождение коэффициента К, производится только при изготовлении приборов. Кривая А (фиг.2 ) соответствует расстоянию между кюветой 5 и линзой 6, приблизительно равному 30000 длин волн, кривая В расстоянию 50000 длин волн и кривая С расстоянию 70000 длин волн. Из приведенных графиков видно, что оптимальное расстояние, обеспечивающее практически полную независимость К от размеров частиц лежит в пределах 30000-50000 длин волн. Графики были получены при помощи суспензии на основе порошка каолина, фракционированных по размерам частиц. Диспергирующей (вмещающей) жидкостью служила дистиллированная вода с добавкой поверхностно-активного вещества, замедляющего осаждение частиц. Анализ суспензий с размерами частиц более 25-30 мкм не производился ввиду их малой устойчивости (т.е. большой скорости осаждения). Заметим, что в реальных суспензиях столь крупные частицы почти не встречаются. По сравнению с прототипом предлагаемое решение позволяет повысить точность измерений за счет эффективного контроля состояния стекол кюветы и оптимального расположения элементов оптической схемы анализатора.

Формула изобретения

1. Фотометрический анализатор, включающий источник монохроматического излучения, оптическую систему для формирования параллельного пучка, собирающую линзу и фотоприемное устройство, установленное в фокальной плоскости линзы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, измерительная кювета установлена на расстоянии от линзы, находящемся в пределах 30000 50000 длин волн излучения источника, а задний фокальный отрезок линзы превышает это расстояние. 2. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что в фокальной плоскости линзы установлен дополнительный фотоприемник-диафрагма.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 10-2002

Извещение опубликовано: 10.04.2002        

---