Способ измерения концентрации оптически активных веществ в растворах (варианты)

 

Изобретение относится к измерительной технике. Способ включает сбор излучения на три поляроида-анализатора, при этом первый и второй поляроиды-анализаторы развернуты симметрично относительно плоскости плоскополяризованного излучения, поступающего в раствор, а третий поляриод-анализатор ориентирован в той же плоскости плоскополяризованного излучения, поступающего в раствор. Сигналы с трех фотоприемников усиливаются в этих трех каналах, синхронно детектируются, переводятся в цифровую форму и обрабатываются. Измерение угла поворота плоскости поляризации производится в два приема по соотношениям, которые исключают влияние неидентичности каналов и позволяют измерять угол поворота плоскости поляризации на большом диапазоне. Технический результат - повышение точности. 2 н.п.ф-лы, 2 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 зависимость между углом вращения ϕ плоскости поляризации раствора и концентрацией С оптически активного вещества: ϕ =α · l· С, где l - толщина слоя раствора, α - 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 (патент RU №2007694 С1, кл. G 01 J 4/04, 15.02.94), содержащий источник модулированного плоскополяризованного излучения, три поляроида-анализатора, при этом первый и второй поляроиды-анализаторы развернуты симметрично относительно поляроида источника плоскополяризованного излучения, а третий поляроид-анализатор ориентирован так же, как поляроид источника плоскополяризованного излучения, три фотоприемника, три усилителя, три синхронных детектора, генератор опорного напряжения, блок вычитания, два блока сложения, два блока умножения на выбираемые константы, блок деления, 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.

Дальнейшему повышению точности измерений препятствует неидентичность каналов и неточность выставки поляроидов-анализаторов.

Известен способ измерения концентрации оптически активных веществ в растворах по углу поворота плоскости поляризации (патент RU №2180733 С2, кл. G 01 J 4/04, 15.05.00), включающий пропускание модулированного плоскополяризованного излучения через исследуемый раствор, сбор пропущенного излучения на три поляроида-анализатора с фотоприемниками, при этом первый и второй поляроиды-анализаторы развернуты симметрично относительно плоскости плоскополяризованного излучения, поступающего в раствор, а третий поляроид-анализатор ориентирован в той же плоскости плоскополяризованного излучения, поступающего в раствор, сигналы с трех фотоприемников усиливаются в этих трех каналах, синхронно детектируются, переводятся в цифровую форму и обрабатываются, измерение угла поворота плоскости поляризации ϕ в одном из вариантов производится по следующему соотношению:

,

где

W₁, W₂, W₃ - значения сигналов на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы; R₁, R₂, R₃ - значения сигналов на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы; P₁, P₂, P₃ - значения сигналов на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов; V₁, V₂, V₃ - значения сигналов на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов, параметры k₁, k₂, однозначно определяются по углам разворота поляроидов-анализаторов.

Недостатком рассматриваемого способа измерения концентрации является снижение точности при измерении больших концентраций (углов поворота плоскости поляризации).

Задача изобретения состоит в точном измерении больших концентраций оптически активного вещества в растворе (или углов поворота плоскости поляризации в большом диапазоне).

Решение поставленной задачи в первом варианте достигается тем, что в способе измерения концентрации оптически активных веществ в растворах по углу поворота плоскости поляризации, включающем пропускание модулированного плоскополяризованного излучения через исследуемый раствор, сбор пропущенного излучения на три поляроида-анализатора с фотоприемниками, при этом первый и второй поляроиды-анализаторы развернуты симметрично относительно плоскости плоскополяризованного излучения, поступающего в раствор, а третий поляроид-анализатор ориентирован так же, как поляроид источника плоскополяризованного излучения, усиление сигналов с трех фотоприемников, синхронное детектирование, перевод в цифровую форму и обработку, получение значений сигналов R₁, R₂, R₃ – на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы, получение значений сигналов W₁, W₂, W₃ - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы; получение значений сигналов P₁, P₂, P₃ - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов; получение значений сигналов V₁, V₂, V₃ - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов, а измерение угла поворота плоскости поляризации ϕ производится в два приема: сперва по соотношению

вычисляют угол Θ , численное значение которого близко к численному значению измеряемого угла ϕ ,

k₁, k₂, k₃, k₄, k₅ - параметры однозначно определяются по углам разворота поляроидов-анализаторов, разбивают весь диапазон измеряемых углов на N пересекающихся числовых интервалов, причем общая часть двух соседних интервалов численно намного превышает погрешность измерения угла Θ , определяют, к какому числовому интервалу принадлежит численное значение угла Θ , затем по соотношению

вычисляется точное значение измеряемого угла ϕ , q_1i, q_2i, q_3i, q_4i, q_5i - параметры однозначно определяются по углам разворота поляроидов-анализаторов для i-го числового интервала численных значений измеряемого угла ϕ .

Во втором варианте решение поставленной задачи достигается тем, что в способе измерения концентрации оптически активных веществ в растворах по углу поворота плоскости поляризации, включающем пропускание модулированного плоскополяризованного излучения через исследуемый раствор, сбор пропущенного излучения на два поляроида-анализатора с фотоприемниками, при этом поляроиды-анализаторы развернуты симметрично относительно плоскости плоскополяризованного излучения, поступающего в раствор, усиление сигналов с двух фотоприемников, синхронное детектирование, перевод в цифровую форму и обработку, получение значений сигналов R₁, R₂ - на выходе первого, второго синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы, получение значений сигналов W₁, W₂ - на выходе первого и второго синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы; получение значений сигналов P₁, P₂ - на выходе первого и второго синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов; получение значений сигналов V₁, V₂ - на выходе первого и второго синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов, а измерение угла поворота плоскости поляризации ϕ производится в два приема: сперва по соотношению

вычисляют угол Θ , численное значение которого близко к численному значению измеряемого угла ϕ ,

k₁, k₂, k₃ - параметры однозначно определяются по углам разворота поляроидов-анализаторов, разбивают весь диапазон измеряемых углов на N пересекающихся числовых интервалов, причем общая часть двух соседних интервалов численно намного превышает погрешность измерения угла Θ , определяют, к какому числовому интервалу принадлежит численное значение угла Θ , затем по соотношению вычисляется точное численное значение измеряемого угла, q_1i, q_2i, q_3i - параметры однозначно определяются по углам разворота поляроидов-анализаторов для i-го числового интервала численных значений измеряемого угла ϕ .

На фиг.1 представлена схема реализации первого варианта предлагаемого способа измерения концентрации оптически активных веществ в растворах.

Схема реализации способа измерения концентрации оптически активных веществ в растворах (фиг.1) содержит источник модулированного плоскополяризованного излучения 1, поляроиды-анализаторы 3.1, 3.2, 3.3, перед которыми расположена кювета с оптически активным анализируемым веществом 2, фотоприемники 4.1, 4.2, 4.3, усилители 5.1, 5.2, 5.3, генератор опорного напряжения 6, синхронные детекторы 7.1, 7.2, 7.3, блок вычислений 8, блок индикации 9.

На фиг.2 представлена схема реализации второго варианта предлагаемого способа измерения концентрации оптически активных веществ в растворах.

Схема реализации способа измерения концентрации оптически активных веществ в растворах (фиг.2) содержит источник модулированного плоскополяризованного излучения 1, поляроиды-анализаторы 3.1, 3.2, перед которыми расположена кювета с оптически активным анализируемым веществом 2, фотоприемники 4.1, 4.2, усилители 5.1, 5.2, генератор опорного напряжения 6, синхронные детекторы 7.1, 7.2, блок вычислений 8, блок индикации 9.

В предлагаемом способе измерения концентрации оптически активных веществ в растворах поток излучения от источника модулированного плоскополяризованного излучения 1 при отсутствии кюветы поступает на входы поляроидов-анализаторов 3.1, 3.2, 3.3 и далее проходит через фотоприемники 4.1, 4.2, 4.3, усилители 5.1, 5.2, 5.3, синхронные детекторы 7.1, 7.2, 7.3.

Сигналы на выходах синхронных детекторов 7.1, 7.2, 7.3 описываются соотношениями:

где V₁, V₂, V₃ - значения сигналов на выходах синхронных детекторов 7.1, 7.2, 7.3, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов, α ₁ - угол разворота поляроида-анализатора 1-го канала относительно поляроида излучательной части, α ₁≈ -45° , α ₂ - угол разворота поляроида-анализатора 2-го канала относительно поляроида излучательной части, α ₂≈ 45° , α ₃ - угол разворота поляроида-анализатора 3-го канала, α ₃≈ 0° , Т_0i - энергетический коэффициент пропускания для обыкновенной волны поляроида-анализатора i-го канала, ε _i=Т_oi/Т_ei, Т_ei - энергетический коэффициент пропускания для необыкновенной волны поляроида-анализатора i-го канала.

При пропускании линейно-поляризованного излучения через кювету с раствором, содержащим оптически активное вещество, на три поляроида-анализатора с фотоприемниками, на выходе фотопремников получим сигналы, описываемые соотношениями:

где Р_i - значение сигнала с i-го канала при отсутствии поляроида-анализатора, ϕ - угол, на который поворачивается плоскость поляризации при прохождении через раствор.

В первом варианте определение угла поворота плоскости поляризации в исследуемом растворе ϕ осуществляется по соотношению:

где

параметры k₁, k₂, k₃, k₄, k₅ однозначно определяются по углам разворота поляроидов-анализаторов. Реализация этого варианта возможна благодаря следующему равенству:

где

которое получится, если в формулу

подставить значения описанных ранее сигналов. Вышеупомянутое равенство выполняется очень точно, например при α ₁=-45,5° , α ₂=46,0° , α ₃=0,0° , ε ₁=0,0003, ε ₂=0,0004, ε ₃=0,0004 на диапазоне измерения угла ϕ от 0 до 15° , k₁=0,477811; k₂=0,522188; k₃=0,629531; k₄=0,367876; k₅=2,025456; отклонение от равенства не превышает 0,0000005 радиан. При измерении больших углов отклонение от равенства может принимать большие значения. Например, при измерении угла на диапазоне от 0 до π /2 радиан отклонение от равенства при тех же значениях α ₁, α ₂, α ₃, ε ₁, ε ₂, ε ₃ и оптимальных параметрах k₁=-0,533983; k₂=1,529613; k₃=0,785223; k₄=0,198574; k₅=0,038871; достигает величины 0,0043 радиан или ≈ 0,246° . Поэтому предлагается измерение угла производить в два приема. Сперва по соотношению

где Θ - численное значение, близкое к численному значению измеряемого угла ϕ . Для диапазона от 0 до π /2 радиан при k₁=-0,533983; k₂=1,529613; k₃=0,785223; k₄=0,198574; k₅=0,038871 Θ вычисляется с погрешностью, равной ≈ 0,246° . Диапазон от 0 до 90° разделим на 5 пересекающихся интервалов: (0° , 17° ), (15° , 32° ), (30° , 52° ), (50° , 72° ), (70° , 90° ). Для каждого интервала есть свои значения параметров: для интервала (0° , 17° ) - q₁₁=0,430238, q₂₁=0,569760, q₃₁=0,630668, q₄₁=0,345084, q₅₁ =1,948745, для интервала (15° , 32° ) - q₁₂=-0,091711, q₂₂=1,089950, g₃₂=0,688517, q₄₂=0,184822, q₅₂=0,993514, для интервала (30° , 52° ) - q₁₃=-0,488712, q₂₃=1,465473, q₃₃=0,765861, q₄₃=0,219123, q₅₃=0,199223, для интервала (50° ,72° ) - q₁₄=-0,929894, q₂₄=1,783103, q₃₄=0,836253, q₄₄=0,401093, q₅₄=-0,490758, для интервала (70° , 90° ) - q₁₅=-1,505484, q₂₅=1,951184, q₃₅=0,902783, q₄₅=0,701295, q₅₅=-1.002961. Допустим, например, после вычисления по соотношению

получили Θ =0,8 радиан или 45,8366° . Оно принадлежит к третьему интервалу (от 30 до 52° ). Затем по соотношению

вычисляется числовое значение угла ϕ с точностью 0,000001 радиан или ≈ 0,0000573° . После вычисления Θ может получиться, что это числовое значение находится в пересечении двух соседних интервалов. При выборе интервала нужно выбирать тот интервал, для которого число Θ находится дальше от границы интервала. Реализация вычисления угла поворота плоскости поляризации в два приема позволила существенно увеличить точность измерения концентрации.

Реализация измерения в два приема позволяет проводить точные измерения концентрации оптически активных веществ в растворах при двухканальном исполнении. При пропускании линейно-поляризованного излучения через кювету с раствором, содержащим оптически активное вещество, на два поляроида-анализатора с фотоприемниками, на выходе фотопремников получим сигналы, описываемые соотношениями:

где P_i - значение сигнала с i-го канала при отсутствии поляроида-анализатора, ϕ - угол, на который поворачивается плоскость поляризации при прохождении через раствор.

Во втором варианте определение угла поворота плоскости поляризации в исследуемом растворе ϕ осуществляется по соотношению:

где

параметры k₁, k₂, k₃ однозначно определяются по углам разворота поляроидов-анализаторов. Реализация этого варианта возможна благодаря следующему равенству:

,

где

которое получится, если в формулу

подставить значения описанных ранее сигналов.

Вышеупомянутое равенство выполняется очень точно, например, при α ₁=-30,5° , α ₂=31,0° , ε ₁=0,0003, ε ₂=0,0004, на диапазоне измерения угла ϕ от 0 до 10° , k₁=0,9999838; k₂=1,1892767; k₃=1,1904993; отклонение от равенства не превышает 0,000004 радиан. При измерении больших углов отклонение от равенства может принимать большие значения. Например, при измерении угла на диапазоне от 0 до π /6 радиан отклонение от равенства при тех же значениях α ₁, α ₂, ε ₁, ε ₂ и оптимальных параметрах k₁=0,99883493; k₂=1,16504930; k₃=1,23837467 достигает величины 0,0005 радиан или ≈ 0,03° . Поэтому предлагается измерение угла производить в два приема. Сперва по соотношению

где Θ - численное значение, близкое к численному значению измеряемого угла ϕ . Для диапазона от 0 до π /6 радиан оптимальными параметрами являются: k₁=0,99883493; k₂=1,16504930; k₃=1,23837467. Диапазон от 0 до π /6 радиан разделим на 4 пересекающихся интервала: (0° , 11° ), (10° , 19° ), (18° , 25° ), (24° , 30° ). Для каждого интервала есть свои значения параметров: для интервала (0° , 11° ) - q₁₁=0,99997755, q₂₁=1,18856876, q₃₁=1,19148684, для интервала (10° , 19° ) - q₁₂ =0,99769378, q₂₂ =1,17233575, q₃₂ =1,22900843, для интервала (18° , 25° ) - q₁₃=0,9846406, q₂₃=1,15209097, q₃₃=1,31469975, для интервала (24° , 30° ) - q₁₄=0,94876981, q₂₄=1,13150574, q₃₄=1,46123698. Допустим, например, после вычисления по соотношению

получили Θ =0,3 радиан или ≈ 17,189° . Оно принадлежит второму интервалу (от 10° до 19° ). Затем по соотношению

вычисляется числовое значение угла ϕ с точностью 0,000008 радиан или ≈ 0,00046° . Реализация вычисления угла поворота плоскости поляризации в два приема позволила существенно увеличить точность измерения концентрации.

Сбор информации и вычисления производятся в блоке вычислений 8.

В блоке индикации 9 высвечивается число, соответствующее концентрации оптически активного вещества в растворе.

Таким образом можно добиться повышения точности измерения концентрации оптически активного вещества в растворе при большом значении концентрации раствора.

Формула изобретения

1. Способ измерения концентрации оптически активных веществ в растворах по углу поворота плоскости поляризации, включающий пропускание модулированного плоскополяризованного излучения через исследуемый раствор, сбор пропущенного излучения на три поляроида-анализатора с фотоприемниками, при этом первый и второй поляроиды-анализаторы развернуты симметрично относительно плоскости плоскополяризованного излучения, поступающего в раствор, а третий поляроид-анализатор ориентирован так же, как поляроид источника плоскополяризованного излучения, усиление сигналов с трех фотоприемников, синхронное детектирование, перевод в цифровую форму и обработку, получение значений сигналов R₁, R₂, R₃ на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы, получение значений сигналов W₁, W₂, W₃ на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы; получение значений сигналов P₁, P₂, P₃ на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов; получение значений сигналов V₁, V₂, V₃ на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов, отличающийся тем, что измерение угла поворота плоскости поляризации ϕ производится в два приема: сперва по соотношению

вычисляют угол Θ, численное значение которого близко к численному значению измеряемого угла ϕ,

k₁, k₂, k₃, k₄, k₅ - параметры однозначно определяются по углам разворота поляроидов-анализаторов, разбивают весь диапазон измеряемых углов на N пересекающихся числовых интервалов, причем общая часть двух соседних интервалов численно намного превышает погрешность измерения угла Θ, определяют, к какому числовому интервалу принадлежит численное значение угла Θ, затем по соотношению

вычисляют точное численное значение измеряемого угла ϕ, q_1i, q_2i, q_3i, q_4i, q_5i - параметры однозначно определяются по углам разворота поляроидов-анализаторов для i-го числового интервала численных значений измеряемого угла ϕ.

2. Способ измерения концентрации оптически активных веществ в растворах по углу поворота плоскости поляризации, включающий пропускание модулированного плоскополяризованного излучения через исследуемый раствор, сбор пропущенного излучения на два поляроида-анализатора с фотоприемниками, при этом поляроиды-анализаторы развернуты симметрично относительно плоскости плоскополяризованного излучения, поступающего в раствор, усиление сигналов с двух фотоприемников, синхронное детектирование, перевод в цифровую форму и обработку, получение значений сигналов R₁, R₂ на выходе первого, второго синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы, получение значений сигналов W₁, W₂ на выходе первого и второго синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы; получение значений сигналов Р₁, Р₂ выходе первого и второго синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов; получение значений сигналов V₁, V₂ на выходе первого и второго синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов, отличающийся тем, что измерение угла поворота плоскости поляризации ϕ производится в два приема: сперва по соотношению

вычисляют угол Θ - численное значение которого близко к численному значению измеряемого угла ϕ,

k₁, k₂, k₃ - параметры однозначно определяются по углам разворота поляроидов-анализаторов, разбивают весь диапазон измеряемых углов на N пересекающихся числовых интервалов, причем общая часть двух соседних интервалов численно намного превышает погрешность измерения угла Θ, определяют, к какому числовому интервалу принадлежит численное значение угла Θ, затем по соотношению

вычисляют точное численное значение измеряемого угла ϕ, q_1i, q_2i, q_3i - параметры однозначно определяются по углам разворота поляроидов-анализаторов для i-го числового интервала численных значений измеряемого угла ϕ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2