Поляриметр для измерения концетрации сахара в моче

 

Использование: изобретение относится к оптическому приборостроению. Сущность изобретения: поляриметр содержит источник света, диафрагму, коллиматор, светофильтр , поляризационный фильтр, кювету, двулучепреломляющую призму Волластона, за которыми установлен модулятор в виде подвижной маски с окнами, расположенными со смещением на величину окна вдоль направления перемещения. Плоскость маски совмещена с плоскостью изображения диафрагмы, причем плоскость раздвоения лучей перпендикулярна направлению перемещения маски. Фотоприемник соединен с входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого подключен к цифровому вольтметру, и непосредственно связан с первым входом устройства сравнения. К второму входу устройства сравнения подключен источник эталонного напряжения, а выход устройства сравнения соединен с регулируемым элементом источника тока, питающего источник света.3 ил. СО с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 6 01 N 21/21

> 0", ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ф%

Оа

° ю аФ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4796587/25 (22) 28.02.90 . (46) 23,07.92. Бюл. N 27 (71) Центральное конструкторское бюро

"Фотон" (72) А,И, Пеньковский, В.И. Верещагин, Н,А, Петрановский, Ф,Ф. Закиров, Д.Д, Хамелин и Н.А, Аникин (56) Волкова Е,А. Поляризационные измерения. M,: Изд-во стандартов, 1974„с. 76-101.

Гринштейн М.М., Кучикян Л.М. Фотоэлектрические концентратомеры для автоматического контроля и регулирования. — M. Машиностроение, 1966, с. 151-166. ((|4) ПОЛЯРИМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОН- .

ЦЕНТРАЦИИ САХАРА В МОЧЕ (57) Использование: изобретение относится к оптическому приборостроению. Сущность изобретения: поляриметр содержит источник света, диафрагму, коллиматор, светоИзобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к поляриметрическим измерениям концентрации сахара в растворах.

Поляриметр позволяет оперативно производить массовые обследования пациентов в клиниках. медпунктах, в быту для раннего диагностирования и лечения сахарного диабета.

Известйые портативные поляриметры типа П-161 и круговые поляриметры типа

CM содержат подвижный и неподвижный поляризационные фильтры, между которыми установлена кювета с исследуемой средой. Подвижный поляризационный фильтр связан с лимбом для визуального отсчета угла поворота этого фильтра. Неподвижный

„„ Ы,, 1749783 А1 фильтр, поляризационный фильтр, кювету, двулучепреломля ющую призму Волластона, за которыми установлен модулятор в виде подвижной маски с окнами, расположенными со смещением на величину окна вдоль направления перемещения, Плоскость маски совмещена с плоскостью изображения диафрагмы, причем плоскость раздвоения лучей перпендикулярна направлению перемещения маски, Фотоприемник соединен с входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого подключен к цифровому вольтметру, и непосредственно связан с первым входом устройства сравнения. К второму входу устройства сравнения подключен источник эталонного напряжения, а выход устройства сравнения соединен.с регулируемым элементом источника тока, питающего источник света. 3 ил, .фильтр выполнен из нескольких частей, плоскости пропускания которых отличаются фь друг от друга на небольшой угол (5-8 ), со- О ставляя так называемое полутеневое устройство, Недостатками визуальных приборов являются низкая точность измерений (+. 0,1 по углу и +0,27; по концентрации сахара), быстрая утомляемость оператора и вызванные этим дополнительные субъективные по- в грешности измерений.

Известные фотоэлектрические поляриметры строятся по однолучевой компенсационной схеме. Часть из них строится по схеме компенсации угла поворота плоскости поляризации путем поворота одного из поляризационных фильтров, а часть — по

1749783

3 схеме с неподвижными пдляризационными фильтрами, йо с применением клиновых, магнитооптических или злектрооптических: компенсаторов.

Наиболее близким к предлагаемому яв- 5 ляется поляриметр с неподвижными поляризационными фильтрами, .содержащий источник света, конденсор, диафрагму, коллиматор, два пбляризационные фильтры, закрепленные так, что их плоскости пропу- 10 сканил взаимно ортогойальны и между ними установлена кювета с исследуемой средой и модулятор-компенсатор, работающий с использованием эффекта Фарадея, Однако активное вещество, например 15 стекло ТФ5, модулятора-компенсатора, находящееся между поляризационными фильтрами, неизбежно вносит искажение в сосТояние поляризации проходящего через него света из-за естественной или наведен- 20 ной тепловыми натяжениями анйзотропии стекла, что вносит существенные погрешности в измерения угла поворота плоскости поляризации и, следовательно, концентрация сахара. 25

Кроме того, учитывая закон Малюса, описывающий зависимость интенсивности прошедшего света J от угла поворота пло- скости поляризации

j = jatos (à+ Aa), сильное влияние анизотропии полупрозрачного слоя делителя на состояние поляризации света, различия в пропускании света полупрозрачного слоя и поляризаторов, различия в чувствительностях и в других характеристиках фотоприемников.

Цель изобретения — повышение точности измерений и упрощение конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что в поляриметре, содержащем источник света, диафрагму диаметром d, коллиматор с фокусом f, ограничивающую диафрагму, светофильтр, два поляризационных фильтра, кювету, наполненную исследуемой средой, модулятор и фотоприемник, модулятор установлен за поляризационными фильтрами, выполнен в виде подвижной маски с окнами размерами а х В, расположенными со смещением на величину ширины окна В вдоль направления перемещения, плоскость маски совмещена с плоскостью изображения диафрагмы коллиматора проекционной системой с увеличением M. один из поляризационных фильтров выпол-. нен в виде двулучевой поляризационной призмы, плоскости поляризации р- и s-компонент которой составляют углы + 45О по отношению к плоскости пропускания другого поляризационного фильтра, угол раздвоения лучей двулучевой призмой удовлетворяет условию где 4 — интенсивность света, падающего на первый поляризационный фильтр;

Ла- приращение угла после кюветы, 35 при взаимнб ортогональных полярйзационных фильтрах (а = 90 ) и при малых углах

Ьа (зона компенсации) приращение

d j/d а всегда наименьшее, что является не оптимальным для получения наибапьшей 40 чувствительности и точности.

Точные улоизмерительные устройства (точность в пределах тысячных долей градуса) или точные магнитооптические (электрооптические) компенсаторы сложны 45 конструктивно и дорогие, Известные устройства, например балансная схема для поляриметрических измерений, которая содержит делитель света в виде стеклянного кубика с полупрозрач- 50 ным слоем, два поляризатора с йлоскостями: пропускания + 45 по отношению к азимуту падающего на делитель линейно полярйзованного* пучка света, два фотоприемнйка, включенных в мостовую схему, не могут 55 обеспечить даже той точности измерений угла поворота плоскости поляризации, которую обеспечивают известные описаниые поляриметры, Причинами этого являются

Md . А — Md

arctg

На фиг. 1 показана структурная схема поляриметра для измерения концентрации сахара в моче; на фиг, 2 — маска модулятора со стороны падающего на нее света (разрез

А-А на фиг. 1); на фиг. 3 — кривая зависимости интенсивности света от угла поворота плоскости поляризации света, иллюстрирующая работу поля риметра.

Поляриметр для измерения концентрации сахара в моче содержит источник 1 света, установленные по ходу луча конденсатор

2, диафрагму 3 диаметром d, коллиматор 4 с фокусом f, ограничивающую диафрагму 5, 1749783

40 варианте горизонтально. Поскольку угол

45 раздвоения лучей двулучевой призмой 8 удовлетворяет условию

55 светофильтр 6, например, пропускающий желтый свет (линия 0 спектра, т. е. Л = 589 нм), поляризационные фильтры 7 и 8, между которыми установлена кювета 9 длиной L c защитными иэотропными стеклами 10 и исследуемой средой 11. Один иэ поляризационных фильтров, например фильтр 8, выполнен в виде двулучевой поляризационной призмы, например, в виде призмы Волластона, плоскости поляризации р- и

s-компонент которой составляют углы «+ 45О по отношению к плоскости пропускания другого закрепленного неподвижно поляризационного фильтра 7. За призмой Волластона 8 установлена линза 12, которая совместно с коллиматорной линзой 4 составляет проекционную систему с увеличением M. Угол раздвоения лучей 9 призмой

Волластона 8 удовлетворяет условию эгст9 2Х P + s«<9 2

Md А — Md

За поляризационными фильтрами 7 и 8 в фокальной плоскости линзы 12 установлен модулятор в виде подвижной маски 13, за-. крепленной на гибких элементах 14, например,.в виде плоских пружин. консольно закрепленных на корпусе поляриметра. Маска 13 находится в фокальной плоскости проекционной системы с увеличением М, . состоящей из.линз 4 и 12, и выполнена в виде непрозрачной пластинки с прозрачными прямоугольными окнами размерами АхВ (фиг. 2), которые расположены со смещением на величину ширинь! В окна вдоль направления перемещения маски, которое перпендикулярно плоскости раздвоения лучей призмой Волластона. т. е. окна смещены так, что края прозрачных смежных окон лежат на линии, совпадающей с направлением раздвоения лучей призмой 8. Для. возбуждения колебаний к оправе 15 маски

13 прикреплена пластинка 16 иэ мэгнитомягкого материала, играющая роль подвижного якоря электромагнита 17, который подключен к сети переменного тока через диод 18. 3а маской 13 модулятора установлена линза 19 и фотоприемник 20. Фотоприемник 20:через емкость 21 связан с входом усилителя 22, у которого коэффициент усиления регулируется при настройке. Выход усилителя 22 соединен с цифровым вольтметром 23, который имеет цифровое табло и выход для подкл ючения цифропечатающего устройства. Одновременно фотоприемиик20 непосредственно соединен с первым входом устройства 24 сравнения, на второй вход которого подключен источник эталон10

35 ного напряжения U>, а выход устройства 24 сравнения подклЮчен к регулирующему элементу 25 источника 26 тока, питающего источник 1 света.

Поляриметр для измерения концентрации сахара в моче работает следующим образом, Светящее тело источника 1 света (фиг, 1) коидеисором 2 переносится в плоскость диафрагмы 3, находящейся в фокусе коллиматора 4, Лучи света, прошедшие диафрагму 3, после коллиматора 4 становятся коллимированными, часть из них проходят ограничивающую диафрагму 5 и узкополосный фильтр 6. Далее коллимированный монохроматический пучок света проходит поля риэационный фильтр 7, становится линейной поляризованным с азимутом поляризации, например, 45 к горизонту. проходит. кювету 9 с исследуемой средой 11, двулучевую призму Волластона 8 и разделяется на два линейно поляризованных пучка р- и s-компоненты которых составляют углы

+ 45 по отношению к плоскости пропускания поляризованного фильтра Т, а интенсивности света этих пучков зависят от величины угла поворота плоскости поляризации света а исследуемой средой 11. Проекционная система, состоящая из линз 4 и

12, переносят изображение диафрагмы 3 в плоскость маски 13 в виде двух разделенных иэображений с увеличением М. При азимуте поляризэционного фильтра 7+- 45 к горизонту плоскость разделения пучков призмой Волластона 8 может быть рэсположена вертикально или горизонтально (на фиг, 1 показан вертикальный вариант расположения этой плоскости), Маска 13 (фиг.

2) под воздействием электромагнита 17, питаемого от сети переменного тока через диод 18, на магнитомягкий якорь 16 колеблется с частотой е в направлении, перпеидикулярном этой плоскости, т, е. в данном

Md А — Md

s« Q 2

2f а прозрачные окна маски 13 смещены вдоль направления ее колебания на величину В окна, то в процессе колебания маски 13 раздвоенные двулучевой призмой Волластона

8 пучки света периодически по очереди проходят то верхний пучок, когда маска 13 (фиг, 2) смещается влево, то нижний пучок, когда маска 13 смещается вправо. а далее прошедшие пучки света линзой 19 (фиг, 1) соби1749783 раются на фоточувствительном слое фотоприемника 20, Причем, поскольку линза 19 о плоскости приемника 20 строит изображение плоскости, находящейся перед линзой

12, где пучок еще не раздвоен, то в процессе модуляции пучков в плоскости маски 13 прошедшие пучки света попадают в одно и то. же место фоточувствительного слоя фотоприемника 20, что исключает появление парвзитных сигналов.

Если исследуемая среда 11 (фиг. 1) не обладает опти еской активностью, например дистиллированная вода, то монохроматический линейно поляризованный свет с азимутом 45 проходит кювету 9 без изменений и двулучевой призмой Волластона 8 разделяется на два пучка абсолютно одинаковые как по форме, так и по интенсивности света (фиг, 3, точки 1, 2 на кривой Малюса, отображающей зависимость интенсивности света t, прошедшего через поляризованный фильтр г рй изменении угла вращения плоскости поляризации а падающего на него света). В этом случае фотоприемник 20 воспринимает не изменя1ощийся во времени свет 1, равный половине интенсивности падающего на призму Волластона 8 света Jo, т,,е. I = 0,5 о.

Если исследуемая среда 11 обладает оптической активностью иэ-эа содержания в ней сахара, то в зависимости от концентрации сахара с на выходе кюветы 10 азимут линейной поляризации изменяется на

Ьа= 001 с L(а)о где (а )р = 52,6 — удельное вращение плоскости поляризации сахара для рабочей длины волны А = 589 нм.

В- этом слу ие (фиг. 3) равенство интенсивностей пучков после призмы Волластона нарушается, например один иэ них увеличится на A 1= lostn2 Ла(фиг. 3, т, 3), а другой на такую же величину уменьшается (фиг. 3, т. 4). В результата в спектре сигнала фотоприемника 20 кроме постоянной составляющей, пропорциональной интенсивности света I = 0,5 4 (фйг, 3, т. 5), присутствует переменная составляющая частоты м, которая пропорциональна интенсивности Ж (фиг. 3, кривая 6). Переменная составляющая сигнала отфильтровывается с помощью ейкости 21 (фиг, 1) и ее амплитуда. измеряется цифровым вольтметром 22, который может работать в двух режимах. В режиме измерения угла поворота плоскости поляризации Ла= 0,5агсэ!и1/Ip при малых Ьа измерение ведется с учетом допущения ба = A I/24, В режиме измерения концентрации с учитывается опреде100 AQ (a)î " ленная длина кюветы, например при L- 10Î мм с = 2 Ла. Результаты измерений индицируются на индикаторном табло цифрового вольтметра 23 и по желанию оператора могут быть зафиксированы печатающим устройством, Амплитуда переменной составляющей

10 светового потока A t зависит как от угла поворота Ла, так и от величины поглощения т исследуемой среды 11, а амплитуда постоянной составляющей lp зависит только от поглощения т, Поэтому для устранения вли15 яния поглощения т на результаты измере ния угла поворота плоскости поляризации

Ла и, следовательно, концентрации С постоянная составляющая сигнала фотоприемника 20 подается на один вход

20 сравнивающего устройства 24, а эталонный (опорный) потенциал — на второй вход устройства 24. Разница этих потенциалов подается на регулирующий элемент 25, который регулирует величину тока лампы 1

25 от источника 26 и тем самым регулирует интенсивность излучения лампы 1 так, что постоянная составляющая сигнала фотоприемника 20 не зависит от поглощения г среды 11 и всегда равна установленной заранее при калибровке величине, которую принимают за единицу. Такая автоматическая регулировка единичного значения постоянной составляющей обеспечивает пропорциональность At = 2 Ла = с. высокую точность и простоту измерений концентрации сахара в растворах и, прежде всего, в моче, Чувствительность и точность измерений предлагаемого поляриметра зависит в

40 основном от обнаружительной способности фотоприемника 20, от чувствительности и динамического диапазона цифрового вольтметра 23 и достигают значений +. 0.001 и

+ 0,0015 соответственно.

Такал высокая точность измерений обеспечивается благодаря наличию новых отличительных признаков предлагаемого поляриметра.

Так в отличие от известных устройств, построенных по компенсационной схеме в предлагаемом поляриметре оба поляризационные фильтры закреплены неподвижно и, следовательно, не требуются углоизмерительные устройства. которые являются источниками существенных и порой основных погрешностей измерений. Кроме того, известные фотоэлектрические поляриметры с неподвижными поляризационными фильтрами являются однолучевыми и момент ком1749783

10 пенсации угла поворота плоскости поляризации при повороте одного из по-: ляризационных фильтров определяют по максимальному, гашению света, когда кривая.зависимости I = f(а) (закон Мзлюса) 5 имеет наимейьшую крутизну. В предлагаемом же поляриметре используется двулучевая схема и весь процесс измерения производится (фиг. 3) нз участке кривой 1 =

- f (à) с максимальной крутизной. Поэтому 10 при одних и тех же отклонениях от нулевого положения азимута линейной поляризации приращение светового потока Л I/ Ь а в предлагаемом поляриметре выше, а следовательно, выше и чувствительность. 15

Предлагаемый поляриметр намного проще существующих известных фотоэлектрических поляриметров тем, что не содержит сложных углоизмерительных устройств, не содержит компенсаторов, не требует 20 сложных в технологическом отношении элементов и узлов. Угол раздвоения лучей

Р призмой Воллзстона 8 достаточен в пределах не многим более 0,5, поэтому эта приэмз может быть изготовлена не, как 25 обычно, из исландского шпата, а из более дешевого материала., например из кристаллического кварца. Отсутствие сложных углоизмерительных устройств позволяет уменьшить габариты и вес предлагаемого 30 поля риметра.

Таким образом, при использовании предлагаемого поляриметра повышается точность измерений (+ 0,0015 ).при одновременном упрощении конструкции, 35 понижаются стоимость и трудоемкость поляриметра до пределов, когда он может использоваться как в клиниках, так и в быту, а кроме. того в обслуживании предлагаемый поляриметр прост (требуется наполнить кю- 40 вету, включить поляриметр в сеть и прочитать результаты измерений на цифровом индикаторе).

Формула изобретения

Поляриметр для измерения концентра- 45 ции сахара в моче, содержащий источник излучения и установленные по ходу излучения и оптически связанные конденсор; диафрагму диаметра d, коллиматор с фокусным расстоянием f, ограничивающую диафрагму, светофильтр, двз поляризационных фильтра, установлейную между ними кювету с исследуемой средой ; модулятор, фокусирующую линзу и фотоприемник, а также усилитель, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения конструкции, за вторым по ходу излучения поляризационным фильтром расположена линза, составляющая с коллиматором проекционную систему с увеличением М, модулятор установлен за линзой по ходу излучения и выполнен в виде подвижной маски, расположейной в плоскости, перпендикулярной оптической оси, с окнами размерами АхВ, расположенными со смещением на величину В вдоль направления смещенйя, перпендикулярно оптической оси, при этом маска установлена так, чтобы плоскость совмещена с плоскостью изображения диафрагмы проекционной системой, один из поляризационных фильтров выполнен в виде двулучевой поляризационной призмы, плоскости поляризации р - и

S-компонент которой составляют угол -45 к плоскости пропускания второго поляризационного фильтра, при этом, угол ф раздвоения лучей двулучевой призмой удовлетворяет условию

Md А — Md агсщ — < p (агсщ —.

2f 2f а плоскость раздвоения лучей перпендикулярна направлению перемещения маски, в поляриметр введены конденсатор, цифровой вольтметр, устройство сравнения, регулирующий элемент и источник тока, при этом первый выход фотоприемника соединен через конденсатор с входом усилителя, выход которого соединен с цифровым вольтметром, второй выход фотоприемника соединен с первым входом устройства сравнения, на второй вход которого подключен источник эталонного напряжения, з выход устройства сравнения подключен к регулирующему элементу источника тока.

1749783

«ygo . gy

900 оС

Составитель Д,Пеньковский

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М.Демчик

Редактор И,Дербак

Заказ 2591 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113О35, Москва. Ж-35, Раушская.наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина. 101