Фотоколориметр

Изобретение относится к устройствам для спектральных методов исследования и анализа материалов с помощью оптических средств, конкретно к фотоколориметрам для анализа жидких сред. Технический результат заключается в расширении диапазона определяемых элементов за счет использования необходимого количества светодиодов в различных областях, в том числе инфракрасной и ультрафиолетовой, и повышении точности измерений при одновременном уменьшении габаритов, и повышении надежности фотоколориметра за счет размещения всех входящих в фотоколориметр блоков (элементов) в одном корпусе, без снижения чувствительности. Сущность: фотоколориметр содержит размещенные в одном корпусе оптический и измерительный блоки. На лицевой поверхности корпуса фотоколориметра выполнена панель управления и индикации с кнопками многофункционального переключения, цифровым дисплеем. На задней панели корпуса расположен разъем для подключения внешнего источника питания и разъем для подключения фотоколориметра к персональному компьютеру (ПК). Оптический блок содержит источник излучения с переключателем и фотоприемник светового пучка от анализируемой среды, размещаемой в кювете. Измерительный блок содержит операционный усилитель, выход которого подключен к первому входу центрального процессора (ЦП) с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), второй вход которого подключен к панели индикации и управления, первый выход ЦП с АЦП соединен со входом переключателя, а второй выход ЦП с АЦП соединен со входом цифрового дисплея, а измерительный блок дополнительно содержит усилитель, в состав которого входит набор из восьми резисторов, и микросхема, управляющая выбором резистора, первый вход усилителя соединен с выходом фотоприемника, второй вход усилителя, являющийся входом его микросхемы, соединен с третьим выходом ЦП с АЦП, а выход усилителя соединен со входом операционного усилителя. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для спектральных методов исследования и анализа материалов с помощью оптических средств, конкретно к фотоколориметрам для анализа жидких сред.

Известен Фотометрический анализатор (SU 1343309), содержащий источник и приемник излучения, электромеханический модулятор светового потока, усилитель, аналого-цифровой прибор, датчик синхронизирующих импульсов и вычислительное устройство с регистрирующим прибором. Недостатками этого фотометрического анализатора являются габариты, не позволяющие использовать его вне лабораторных условий, применение четырех светофильтров и использование электромеханических компонентов.

Также известен фотометрический анализатор (RU 2154260), состоящий из вольтметра с автономным элементом питания, электрического блока питания для светодиодов и футляра с трубками и включающий две оптопары, содержащие источники излучения - светодиоды и фотоприемники, включенные по дифференциальной схеме и образующие два оптических канала, при этом один из каналов выполнен как канал отражения и образует рефлектометр. В качестве источника излучения использованы светодиоды, а в качестве фотоприемников - фототранзисторы, образующие вместе со светодиодами два плеча мостовой измерительной схемы. Особенности конструкции данного прибора обусловливают его неудовлетворительные эксплуатационные свойства: отсутствие центрального процессора для автоматического расчета определяемых величин и соответствующего электронного цифрового табло, а так же невозможность использовать стандартные кюветы.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является фотоколориметр (RU 2187789). Фотоколориметр состоит из двух модулей: блока первичных преобразователей (оптического фотодатчика) и измерительного блока, соединяемых между собой разъемными кабелями. Оптический фотодатчик содержит в качестве оптических источников набор светодиодов с переключателем, фотодиод-приемник светового пучка от измеряемого объекта. Измерительный блок содержит штекеры: для подключения фотодатчика соответственно к блоку первичных преобразователей, к ПЭВМ и к внешнему блоку питания.

Измерительный блок расположен в корпусе, на лицевой панели которого находится цифровой дисплей и панель управления (клавиатура для оперативной настройки и выбора режима измерений). На задней панели расположен разъем для подключения блока первичных преобразователей, в котором находится фотодиод-приемник, подключенный через операционный усилитель постоянного тока к измерительному блоку с аналого-цифровым преобразователем перевода значения величины отклика фотодиода в цифровую форму, подключенным к микропроцессору, с которым соединены системной шиной оперативно-запоминающее устройство и постоянное запоминающее устройство с микросхемой для записи алгоритмов работы блока, контроллер управления жидкокристаллическим индикатором. Клавиатура для оперативной настройки и выбора режима измерений состоит из кнопочных органов управления. Преимуществом данного прибора является снижение габаритов по сравнению с известными фотоколориметрами. Однако к недостаткам этого прибора следует отнести невозможность использовать светодиоды различной яркости, необходимость использования отдельного фотоприемника для каждого источника, а также неудобства в эксплуатации, связанные с разнесением измерительного и блока первичных преобразователей в различные корпусные единицы.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении диапазона определяемых элементов за счет использования необходимого количества светодиодов в различных областях, в том числе инфракрасной и ультрафиолетовой, и повышении точности измерений при одновременном уменьшении габаритов и повышении надежности фотоколориметра за счет размещения всех входящих в фотоколориметр блоков (элементов) в одном корпусе, без снижения чувствительности.

Технический результат достигается тем, что в фотоколориметре для анализа жидких сред, содержащем размещенные в одном корпусе оптический и измерительный блоки, на лицевой поверхности корпуса выполнена панель управления и индикации с кнопками многофункционального переключения, цифровым дисплеем, на задней панели корпуса расположен разъем для подключения внешнего источника питания и разъем для подключения фотоколориметра к персональному компьютеру (ПК), оптический блок содержит источник излучения с переключателем, и фотоприемник светового пучка от анализируемой среды, размещаемой в кювете, измерительный блок содержит операционный усилитель, выход которого подключен к первому входу центрального процессора (ЦП) с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), второй вход которого подключен к панели индикации и управления, первый выход ЦП с АЦП соединен со входом переключателя, а второй выход ЦП с АЦП соединен со входом цифрового дисплея, при этом измерительный блок дополнительно содержит усилитель, в состав которого входит набор из восьми резисторов, и микросхема, управляющая выбором резистора, первый вход усилителя соединен с выходом фотоприемника, второй вход усилителя, являющийся входом его микросхемы, соединен с третьим выходом ЦП с АЦП, а выход усилителя соединен со входом операционного усилителя.

Восемь резисторов усилителя могут быть выполнены с различными номиналами, преимущественно отличающимися в 2 раза, из интервала от 53 кОм до 22 МОм.

Источник излучения может быть выполнен как из одного светодиода, так и из большего количества светодиодов, например двух или более, с максимумами излучения при различных длинах волн, в том числе в инфракрасной и ультрафиолетовых областях.

В изготавливаемых фотоколориметрах преимущественно используют источник излучения из одного, четырех или десяти светодиодов с максимумами излучения при различных длинах волн, в том числе в инфракрасной и ультрафиолетовых областях. Для передачи светового излучения к анализируемой среде при источнике излучения с количеством светодиодов два и более может быть использован оптоволоконный коллектор.

На фиг.1 изображен внешний вид фотоколориметра - проекция лицевой поверхности корпуса с панелью управления и индикации с кнопками многофункционального переключения и цифровым дисплеем.

На фиг.2 изображена блок-схема фотоколориметра согласно изобретению.

Схему работы прибора рассмотрим на примере 1.

Фотоколориметр для анализа жидких сред содержит размещенные в одном корпусе оптический, измерительный блоки и блок питания. На лицевой поверхности корпуса фотоколориметра выполнена панель управления и индикации (см. фиг.1) с кнопками многофункционального переключения, цифровым дисплеем и включателем, для подключения блока питания. На корпусе выполнен разъем для подключения фотоколориметра к персональному компьютеру (ПЭВМ).

Фотоколориметр изготавливают с оптическим блоком, содержащим от одного до двадцати светодиодов с максимумами излучения при различных длинах волн, в том числе инфракрасной и ультрафиолетовой областях. В зависимости от назначения фотоколориметра выбирают светодиоды с максимумами излучения при определенных длинах волн и количество светодиодов. Оптический блок содержит источник излучения 1, состоящий из набора светодиодов с максимумами излучения при различных длинах волн с переключателем. Также оптический блок содержит оптоволоконный коллектор 7 и фотоприемник 2 светового пучка от анализируемой среды, которую в виде определенного раствора размещают в кювете.

Измерительный блок содержит операционный усилитель 3, выход которого подключен к первому входу центрального процессора (ЦП) 4 с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), второй вход которого подключен к панели индикации и управления 5, первый выход ЦП с АЦП соединен со входом переключателей светодиодов, а второй выход ЦП с АЦП соединен со входом цифрового дисплея на панели индикации и управления 5 (схематично вынесен за пределы панели). При этом измерительный блок дополнительно содержит усилитель 6, в состав которого входит набор из восьми резисторов, и микросхема (не показаны), отвечающая за выбор резистора, первый вход усилителя 6 соединен с выходом фотоприемника 2, второй вход усилителя 6, являющийся входом его микросхемы, соединен с третьим выходом ЦП с АЦП, а выход усилителя 6 соединен со входом операционного усилителя 3.

В начале работы включают прибор кнопкой «ВКЛ» на панели индикации и управления. На экране дисплея появляется надпись «Диагностика». Во время диагностики проверяется напряжение источников питания, исправность фотоприемника и светодиодов. В случае какой-либо неисправности на экране прибора высветится соответствующее предупреждение. После диагностики на экране появится надпись «Источник ххх нм», где ххх - длина волны первого из установленных светодиодов. Стрелками на клавиатуре панели выбирают нужную длину волны и подтверждают свой выбор нажатием кнопки «ВВОД». Устанавливают фоновый раствор и подтверждают начало измерений нажатием на кнопку «ВВОД». Сообщение о том, какая длина волны выбрана, обрабатывается в ЦП и подается на переключатель светодиодов. Включается соответствующий светодиод. Так как в приборе может быть установлено несколько светодиодов, предложено использование оптоволоконного коллектора, который позволяет использовать всего лишь один фотоприемник, что значительно сокращает стоимость прибора, а также уменьшает его габаритные размеры. Свет, прошедший по оптоволоконному коллектору 7, а затем через кювету с фоновым раствором попадает на фотоприемник. Фотоприемник имеет определенный интервал чувствительности. В условных единицах этот диапазон обозначен как величины от 0 до 32767. Т.к. все светодиоды, которые установлены в прибор, имеют различную яркость, то предложена следующая электрическая схема для решения данной проблемы. В усилитель 6 входит микросхема и набор из восьми резисторов с номиналами, преимущественно отличающимися приблизительно в 2 раза (от 53 кОм до 22 МОм). Сигнал, который попадает на фотоприемник, проходит по следующей схеме: фотоприемник - резистор - операционный усилитель - ЦП. За выбор резистора отвечает микросхема, входящая в усилитель 6. С ЦП посылается сигнал на микросхему, определяющий какой из резисторов должен быть включен в схему. ЦП обрабатывает сигнал и выбирает такой резистор, при котором сигнал от светодиода будет лежать в диапазоне от 0 до 32767 и при этом будет максимальным. Номер оптимального резистора запоминается ЦП. После измерения светового тока (I_C ⁰) происходит измерение темнового тока (I_T ⁰) по аналогичной схеме с уже выбранным резистором, но при этом светодиод уже выключен. Исходя из полученных величин, ЦП рассчитывает величину разности между световым и темновым токами I⁰=I_C ⁰-I_T ⁰. Полученную величину I⁰ ЦП заносит к себе в память. Далее идет обратный пятисекундный отсчет. Это время необходимо для «регенерации» светодиода. После того, как фоновый раствор измерен, на экране выводится соответствующая надпись «ФОН ИЗМЕРЕН». По аналогичной схеме измеряются образцы для построения градуировочной кривой и непосредственно исследуемый раствор. В измерении используется подобранный ранее резистор. Измеряются величины разницы светового и темнового токов образцов для построения градуировочной кривой и исследуемого образца I=I_C-I_T. После того, как величины I измерены, ЦП производит вычисления величин Т% (пропускание) = I/I⁰ и А (оптическая плотность) = -log₁₀(T) для исследуемого раствора и выводит их на дисплей прибора.

При повторном нажатии на кнопку «ВВОД» продолжается измерение исследуемых растворов. Повторно измерять фоновый раствор нет необходимости, т.к. ЦП помнит величину I⁰ для него.

При нажатии на кнопку «ОТМ» прибор возвращается к выбору длины волны. При этом значение I⁰, которое было измерено, из памяти прибора автоматически стирается.

Таким образом, использование предлагаемого фотоколориметра обеспечивает повышение точности измерений при одновременном уменьшении габаритов и повышении надежности фотоколориметра за счет размещения всех входящих в фотоколориметр блоков (элементов) в одном корпусе, без снижения чувствительности.

1. Фотоколориметр для анализа жидких сред, содержащий размещенные в одном корпусе оптический и измерительный блоки, на лицевой поверхности корпуса фотоколориметра выполнена панель управления и индикации с кнопками многофункционального переключения, цифровым дисплеем, на задней панели корпуса расположен разъем для подключения внешнего источника питания и разъем для подключения фотоколориметра к персональному компьютеру (ПК), оптический блок содержит источник излучения с переключателем и фотоприемник светового пучка от анализируемой среды, размещаемой в кювете, измерительный блок содержит операционный усилитель, выход которого подключен к первому входу центрального процессора (ЦП) с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), второй вход которого подключен к панели индикации и управления, первый выход ЦП с АЦП соединен со входом переключателя, а второй выход ЦП с АЦП соединен со входом цифрового дисплея, при этом измерительный блок дополнительно содержит усилитель, в состав которого входит набор из восьми резисторов, и микросхема, управляющая выбором резистора, первый вход усилителя соединен с выходом фотоприемника, второй вход усилителя, являющийся входом его микросхемы, соединен с третьим выходом ЦП с АЦП, а выход усилителя соединен со входом операционного усилителя.

2. Фотоколориметр по п.1, отличающийся тем, что источник излучения выполнен из одного светодиода.

3. Фотоколориметр по п.1, отличающийся тем, что источник излучения выполнен из, по крайней мере, двух светодиодов с максимумами излучения при различных длинах волн, в том числе в инфракрасной и ультрафиолетовых областях.

4. Фотоколориметр по п.1, отличающийся тем, что источник излучения выполнен из четырех или десяти светодиодов с максимумами излучения при различных длинах волн, в том числе в инфракрасной и ультрафиолетовых областях.

5. Фотоколориметр по п.3 или 4, отличающийся тем, что для передачи светового излучения к анализируемой среде использован оптоволоконный коллектор.

6. Фотоколориметр по п.1, отличающийся тем, что восемь резисторов выполнены с различными номиналами в интервале от 53 кОМ до 22 МОм.