Поляриметр

 

Использование: фотоэлектрическая поляриметрия для медицины, биологии, пищевой промышленности. Сущность изобретения: введение в поляриметрию третьего канала позволяет получить линейную шкалу, уменьшить ошибки, связанные с неиндентичностью каналов и неточностью установки поляроидов. 1 ил.

Изобретение относится к фотоэлектрическим поляриметрам и может быть использовано для измерения концентраций оптически активных веществ в медицине, химии, биологии, пищевой промышленности.

Для растворов, содержащих оптически активные вещества, имеет место следующая зависимость между углом вращения х плоскости поляризации раствора и концентрацией С оптически активного вещества x = x₁l ˙C, где l - толщина слоя раствора; x₁ - удельная вращательная способность вещества, зависящая от длины волны света, в котором проводится измерение. На основании этого закона для измерения концентрации раствора достаточно вычислить угол поворота плоскости поляризации.

Известен поляриметр для контроля, регистрации и регулирования технологических процессов, содержащий источник плоскополяризованного света, проточную поляриметрическую трубку, призму, два поляроида-анализатора, два фотосопротивления, включенных в мостовую схему. Прибор работает так. Свет от источника, пройдя через поляриметрическую трубку, попадает на призму и разделяется на два пучка, каждый из них направляется на соответствующий поляроид-анализатор с фотосопротивлением. Ток в диагонали моста является функцией световых потоков F₁, F₂, воспринимаемых фотосопротивлениями. В свою очередь эти потоки определяют величину оптической активности. Каждому значению отношения световых потоков соответствует определенное значение сопротивления, при котором мост балансируется. Сопротивление можно снабдить шкалой, градуированной непосредственно в единицах оптической активности. Отношение световых потоков однозначно определяет величину Q Q = (F₁-F₂)/(F₁ + F₂) = 1-2/(1 + F₂/F₁), где F₁ = A₁cos² (x-x₀), F₂ = A₂cos² (x + x₀), A₁, A₂ - интенсивности сигналов, x - угол, на который поворачивается плоскость поляризации после прохождения пучка света через оптически активную среду. x₀ - угол выставки поляроидов-анализаторов относительно поляроида источника плоскополяризованного излучения.

Недостатком поляриметра является низкая точность измерений из-за неидентичности каналов, неточной выставки поляроидов-анализаторов и нелинейности шкалы.

Целью изобретения является повышение точности измерения угла поворота плоскости поляризации.

Цель достигается тем, что в поляриметр, содержащем источник модулированного плоскополяризованного излучения, два поляроида-анализатора, два фотоприемника, два усилителя, два синхронных детектора, генератор опорного напряжения, блок вычитания, блок сложения, блок деления, введены дополнительно третий поляроид-анализатор, третий фотоприемник, третий усилитель, третий синхронный детектор, второй блок сложения, два блока умножения на выбираемые константы, при этом пучок света от источника модулированного плоскополяризованного излучения, пройдя через оптически активную среду, попадает соответственно на первый, второй и третий поляроиды-анализаторы оптически соединенными с соответствующими фотоприемниками к каждому из которых последовательно подсоединены соответствующие усилитель и синхронный детектор, первые выходы первого и второго синхронных детекторов подключены к соответствующим входам блока вычитания, а вторые выходы тех же детекторов подсоединены к соответствующим входам первого блока сложения, выход которого через первый блок умножения на выбираемую константу подсоединен к первому входу второго блока сложения, к второму входу которого подсоединен выход второго блока умножения на выбираемую константу, вход которого соединен с выходом третьего синхронного детектора, вторые входы синхронных детекторов подключены к первому выходу генератора опорного напряжения, который вторым выходом соединен с источником модулированного плоскополяризованного излучения, а выход блока вычитания и выход второго блока сложения подсоединены к соответствующим входам блока деления, причем плоскость поляризации третьего поляроида-анализатора совмещена с плоскостью поляризации поляроида источника модулированного плоскополяризованного излучения, а плоскости поляризации первого и второго поляроидов-анализаторов смещены по отношению к плоскости поляризации поляроида источника модулированного плоскополяризованного излучения в противоположные стороны на одинаковый угол.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого поляриметра.

Поляриметр состоит из источника модулированного плоско поляризованного излучения 1, поляроидов-анализаторов 3, 4, 5, перед которыми расположена кювета с оптически активным анализируемым веществом 2, фотоприемников 6, 7, 8, усилителей 9, 10, 11, генератора опорного напряжения 12, синхронных детекторов 13, 14, 15, блока вычитания 16, двух блоков сложения 17, 20, двух блоков умножения на выбираемую константу 18, 19, блока деления 21.

Поток излучения от источника модулированного плоскополяризованного излучения 1 проходит через кювету с оптически активной средой 2 и на входе поляроидов-анализаторов 3, 4, 5 описывается функцией F(t, x) = F₀cos²x cos ( ω t + V), где F₀ - максимальной значение светового потока, x - угол, на который поворачивается плоскость поляризации после прохождения пучка света через оптически активную среду ω- частота модулированного излучения, V - фазовый сдвиг модулированного излучения.

Далее световой поток попадает на поляроиды-анализаторы 3, 4, 5, фотоприемники 6, 7, 8, усилители 9, 10, 11 и синхронные детекторы 13, 14, 15. Напряжения на выходе синхронных детекторов 13, 14, 15 описываются соответственно функциями: U₁(t, x, x₀) = Acos²(x-x₀), U₂(t, x, x₀) = Acos²(x + x₀), U₃(t, x, x₀) = Acos²(x), где x₀ - угол выставки плоскости поляризации поляроидов-анализаторов 4, 5 относительно плоскости поляризации поляроида источника модулированного плоскополяризованного излучения 1,
A = F'₀s k r, где s - площадь чувствительной площадки фотоприемника;
k - коэффициент пропускания поляроидов-анализаторов 3, 4, 5,
r - чувствительность фотоприемника по току.

После демодуляции на синхронных детекторах 13, 14, 15 соответствующие сигналы с выходов детекторов 13, 14 поступают на блок вычитания 16 и блок сложения 17. Сигнал с выхода блока сложения 17 и сигнал с выхода синхронного детектора 15 проходят через соответствующие блоки умножения на выбираемую константу 18, 19 и складываются во втором блоке сложения 20. В блоке деления 21 сигнал с выхода блока вычитания 16 делится на сигнал с выхода второго блока сложения 20. После несложных вычислений на выходе блока деления 21 получается
U_вых = [cos²(x-x₀)-cos²(x +
+x₀)] /{ d[cos²(x-x₀) + cos²(x +
+ x₀)] + ecos²x} , где d и е константы, выбираемые ниже (x₀ в радианах). x₀ d е 0.60 0.80 0.79 0.65 0.72 1.03 0.70 0.65 1.23 0.75 0.59 1.38 0.90 0.53 1.50 0.85 0.48 1.58 0.90 0.43 1.62 0.95 0.39 1.64 1.00 0.35 1.63 1.05 0.31 1.58 1.10 0.28 1.52 1.15 0.25 1.42 1.20 0.21 1.30 1.25 0.18 1.17 1.30 0.15 1.02 1.35 0.12 0.85 1.40 0.09 0.67 1.45 0.07 0.48 1.50 0.04 0.28
При выборе значений d и e выходная функция на интервале значений x от -0.8 до +0,8 радиан практически есть U_вых(x, x₀) = х.

Введение третьего канала позволяет улучшить точность поляриметра. При неидентичных каналах значение выходной функции можно записать в виде
U_вых(x, x₀) = [K₁cos²(x-x₀)-K₂cos²(x + +x₀)] /{ d [K₁cos²(x-x₀) + K₁cos²(x + x₀)] + +K₃ecos²(x)] } .

Примем K₂ = gK₁, K₃ = hK₁, где g и h - константы, связанные с неидентичностью каналов. После подстановки при x = 0 получим
U_вых = (0, x₀) = (1-g)/[d(1 + g) +
+eh/cos²(x₀)] .

При x₀ = 0.6 U_вых (0,0.6) < 0.36 (1-g),
x₀ = 0.7 U_вых (0,0.7) < 0.29(1-g),
x₀ = 0.8 U_вых (0,0.8) < 0.24(1-g),
x₀ = 0.9 U_вых (0,0.9) < 0.19(1-g),
x₀ = 1.0 U_вых (0,1.0) < 0.16(1-g),
x₀ = 1.1 U_вых (0,1.1) < 0.12(1-g),
x₀ = 1.2 U_вых (0,1.2) < 0.09(1-g),
x₀ = 1.3 U_вых (0,1.3) < 0.07(1-g),
x₀ = 1.4 U_вых (0,1.4) < 0.04(1-g),
x₀ = 1.5 U_вых (0,0.6) < 0.02(1-g).

Двухканальная система, взятая за прототип, при x = 0, имеет погрешность U_вых = = 0.5(1-g), что на порядок больше погрешности трехканальной системы при x₀ = 1.4.

При нечетной выставке поляроидов-анализаторов погрешность при x = 0 для двухканальной системы равна [cos²(x₀)-cos²(x₀ + q)] /[cos²(x₀) + cos²(x₀ + q)] , а для трехканальной -
[cos²(x₀)-cos²(x₀ + q)] /{ d[cos²(x₀) +
+ cos²(x₀ + q)] + ecos²(p)} , где q - величина, характеризующая неточность установки поляроидов-анализаторов 4, 5,
p - величина, характеризующая неточность установки поляроида-анализатора 6.

Отношение погрешностей двухканальной и трехканальной систем определяется функцией
b(x₀) = d + ecos²(p)/[cos²(x₀) + cos²(x₀ + q)] .

Запишем значения этой функции при q = 0.05x₀, p = 0.05 радиан: x₀ b(x₀) 0.6 1.39 0.7 1.73 0.8 2.14 0.9 2.65 1.0 3.36 1.1 4.39 1.2 5.98 1.3 9.13 1.4 35.88 1.5 55.66
Погрешности из-за неточностей установки поляроидов-анализаторов у трехканальной системы намного меньше, чем у двухканальной системы.

Таким образом введение третьего канала позволяет получить линейную шкалу, уменьшить ошибки связанные с неидентичностью каналов и неточностью установки поляроидов-анализаторов.

Формула изобретения

ПОЛЯРИМЕТР, содержащий источник модулированного плоскополяризованного излучения, соединенный с входом генератора опорного напряжения, оптически связанные с источником излучения два поляроида-анализатора, на выходах которых установлены фотоприемники, соединенные через усилители с соответствующими входами синхронных детекторов, вторые входы синхронных детекторов подключены к выходам генератора опорного напряжения, первые выходы синхронных детекторов соединены с входами блока сложения, а вторые выходы синхронных детекторов соединены с входом блока вычитания, выход которого соединен через блок деления с входом блока сложения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения угла поворота плоскости поляризации, в него дополнительно введены третий поляроид-анализатор, третий фотоприемник, третий усилитель, третий синхронный детектор, второй блок сложения, два блока умножения на выбираемые константы, при этом выход первого блока сложения через первый блок умножения на выбираемую константу подсоединен к первому входу второго блока сложения, к второму входу которого подсоединен выход второго блока умножения на выбираемую константу, вход которого соединен с выходом третьего синхронного детектора, второй вход которого подключен к одному из выходов генератора опорного напряжения, а выход блока вычитания и выход второго блока сложения подсоединены к соответствующим входам блока деления, причем плоскость поляризации третьего поляроида-анализатора совмещена с плоскостью поляризации поляроида источника модулированного плоскополяризованного излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1