LV12549B - Divstaru refraktometrs - Google Patents

Description

DIVSTARU REFRAKTOMETRS

Izgudrojums attiecas uz analītisko mērierīču būvi, konkrēti uz mērierīcēm optiski caurspīdīgu objektu, piemēram, Šķidru šķīdumu sastāva analīzei, šim nolūkam izmērot gaismas laušanas leņķi uz mērāmā objekta un optiskā mērelementa, izgatavota, piemēram, no stikla, kura laušanas koeficients zināms, robežpārejas.

Par tuvāko izgudrojuma analogu uzskatāmi Pulfriha kritiskā leņķa refraktometri /1,2/, kuros kā mērelementi visbiežāk izmantotas masīvas stikla prizmas ar 90° laušanas leņķi. Šajās mēriericēs uz mērāmā objekta un mērprizmas robežvirsmas no gaismas avota krīt gaismas kūlis. Iespējami divi šāda tipa refraktometru paveidi atkarībā no tā, vai gaismas kūlis uz minēto robežvirsmu krīt no mērāmā objekta vai no mērelementa puses. Pirmajā gadījumā gaismas kūlis caur caurspīdīgu mērkivetes logu un mērāmo objektu, piemēram, šķidru šķīdumu slīdoši krīt uz robežvirsmu, otrajā gadījumā gaismas kūlis uz robežvirsmu krīt zem leņķa, kas tuvs kritiskajam. Lai reģistrētu kritiskā leņķa vērtību, gaismas kūļa stariem jābūt attālumā saejošiem. Kritisko leņķi un, līdz ar to, mērāmā objekta laušanas koeficientu nosaka vizuāli, vai ar fotoelektrisku reģistrācijas ierīču palīdzību /3/, izmērot gaismas un ēnas robežu uz graduētas refraktometra mērskalas. Mērāmā objekta sastāva noteikšanas pamatā ir laušanas koeficienta atkarība no mērāmā objekta - analizējamās vielas komponentu procentuālā sastāva. Mērāmā objekta termostatēšanas temperatūrās kļūda tiek kompensēta, izmantojot mērsistēmas termodevēju, kas caur termokompensācijas signāla formētāju pievienots mērījumu datu apstrādes un izvades blokam.

Taču šai mērierīcei piemīt virkne būtisku trūkumu. Līniju spektra gaismas kūļa iegūšanai izmantotās gāzizlāžu lampas tiek barotas no apjomīgiem

-2augstspriegirma barošanas avotiem, pie kam gaismas kūļa veidošanai nepieciešamas optiskas palīgierīces, kas, kopā ņemot, ierobežo to izmantošanu galvenokārt laboratorijas apstākļos. Savukārt kritiskā leņķa portatīvie refraktometri, kuros izmantots dabīgais apgaismojums, raksturojas ar relatīvi nelielu mērījumu precizitāti. /4/. Bez tam, ja analizējamais objekts ir šķidrs sķīdums, analīzei minimāli nepieciešamais šķidruma tilpums šiem refraktometriem sasniedz 0,5 - 1 ml, kas, ņemot ari vērā relatīvi lielo mērelementa, piemēram, prizmas masu, palielina, turklāt, mērīšanas sistēmas termoinerci un, līdz ar to, viena mērījuma termostabilizādjai nepieciešamo laiku līdz vairākām minūtēm.

Izgudrojuma mērķis - palielināt mērierīces mērīšanas leņķisko jutību un izšķiršanas spēju, līdz ar to palielinot mērīšanas precizitāti, vienlaikus nodrošinot iespēju izveidot portatīvu tās konstrukciju un samazināt mērīšanai nepieciešamā mērāmā objekta tilpumu, kā ari mērīšanas sistēmas termostabiliziādjai nepieciešamo laiku.

Izvirzītais mērķis sasniegts ar to, ka divstaru refraktometrs, kas sastāv no gaismas avota, kas caur kivetes logu un mērāmo objektu, piemēram, caurspīdīgu šķidrumu, optiski saistīts ar optisko mērelementu un satur kā termokompensādjas signāla formētāju, kura ieeja pievienota mērsistēmas temperatūras devējam, tā arī fotoelektriskos koordinātjutīgos mērlineālus un datu apstrādes un izvades bloku, pie kam kā gaismas avots izmantota pusvadītāju lāzerdiode, kuras kolimēto staru gaismas kūļa diametrs 8, bet optiskais mērelements, kas izgatavots, piemērām, no stikla un izveidots plakanparalēlas plāksnes veidā ar savstarpēji ortogonālām skaldnēm un biezumu d, kuras divu gaismas staru kūļu izejas skaldne optiski sasitīta ar fotoelektriskajiem koordinātjutīgiem mērlineāliem, kas savienoti ar vienu no datu apstrādes un izvades bloka ieejām, bet otra tā ieeja pievienota termokompensācijas signāla formētāja izejai, pie kam lāzera staru kūļa krišanas leņķim Θ uz kivetes ieejas logu jāapmierina divu izejas staru kūļu veidošanās nosacījumus mērelementa izejas skaldnē:

-3δ² δ² δ²η:

90° > Θ> arcsinVž, «2 > «υkur z = 0.5 + —7 + 0.5-1(1 + -^)⁴¹ od ν 4α d²n² πι, n₂ mērāmā objekta un optiskā mērelementa gaismas laušanas koeficienti.

Divstaru refraktometra blokshēma parādīta zīmējumā Fig. 1. Šis refraktometrs, kura gaismas avots 1 caur kivetes 2 logu 3 un mērāmo objektu 4 optiski saistīts ar optisko mērelementu 5, un satur kā termokompensācijas signāla formētāju 6, kura ieeja pievienota mērsistēmas temperatūras devējam 7, tā arī fotoelektriskos koordinātjutīgos mērelementus un datu apstrādes un izvades bloku, pie kam optiskā mērelementa 5 divu gaismas staru kūļu izejas skaldne 8 optiski saistīta ar fotoelektriskajiem koordinātjutīgiem mērlineāliem 9, kas savienoti ar vienu no datu apstrādes un izvades bloka 10 ieejām, bet otrai tā ieejai pievienota termokompensācijas signāla formētāja 6 izeja.

Divstaru refraktometrs darbojas sekojošā veidā. No gaismas avota 1 lāzerdiodes, kolimēts monohromatiska starojuma gaismas kūlis ar diametru δ, zem leņķa Θ krīt uz kivetes 2 caurspīdīgu logu 3 un pēc tam tiek lauzts uz mērāmā objekta - pētāmās vielas un mērelementa optiskās saskares robežpāreju, zem leņķa, kura lielumu nosaka mērāmā objekta un mērelementa atbilstošie laušanas koeficienti «i un «2, pie kam lielumu ni, savukārt, nosaka analizējamā objekta sastāvs. Tādejādi gaismas staru kūlis mērelementā nonāk zem noteikta leņķa, kura lielums ir atkarīgs no analizējamā mērāmā objekta parauga laušanas koeficienta «i, kas, savukārt, raksturo šī parauga sastāvu. Mērelements izveidots, piemēram, no stikla, plakanparalēlas plāksnes veidā ar savstarpēji ortogonālām skaldnēm un biezumu d. Zīmējumā Fig. 1 parādīta iespējamā lauztā staru kūļa gaita optiskajā mērelementā. Viena šī kūļa daļa, izejot no mērelementa izejas skaldnes 8 tieši, tiek lauzta un veido vienu no izejas gaismas kūļiem ar izejas leņķi β, bet otra kūļa daļa, nonākot uz mērāmā objekta un mērelementa robežvirsmai pretējās - ārējās virsmas, iekšēji atstarojas un, izejot no mērelementa izejas skaldnes 8, tiek lauzta un veido otru no izejas gaismas kūļiem ar izejas leņķi, kurš pēc absolūtās vērtības ir vienāds ar

-4leņķi β. Tā kā abi izejas gaismas kūļu leņķi ir atkarīgi no tā zem kāda leņķa gaismas kūlis nonāk mērelementā, abi šie izejas gaismas kūļi nes informāciju par mērāmā objekta - parauga laušanas koefiocientu Mi un līdz ar to par parauga satāvu. Lai no mērelementā izejas skaldnes 8 tiktu izstaroti divi gaismas kūļi, ir pietiekami vienai daļai no uz robežvirsmu krītošā staru kūļa vismaz vienreiz iekšēji atstaroties no mērelementā ārējās virsmas, kā tas paradīts zīmējumā Fig. 1. Palielinot mērelementā plāksnes garumu, sākot no tās izejas skaldnes, uz mērāmā objekta un mērelementā robežpārejas lauztais gaismas kūlis var vairākkārt iekšēji atstaroties no optiskā mērelementā pretējām paralēlajām virsmām, pirms tas sasniedz savu mērelementā izejas skaldni 8 un sadalās divos izejas gaismas kūļos, kā . tas parādīts zīmējumā Fig. 2. Mērelementā garuma izvēles iespējas ļauj optimizēt mērsistēmas konstruktīvo risinājumu. No mērelementu izejas skaldnes iznākošo divu staru kūļu ceļā novietoti fotoelektriskie koordinātjutīgie mērlineāli, ar kuru palīdzību tiek fiksētas abu šo gaismas kūļu ģeometriskās atrašanās un pārvietošanās koordinātes, kas atkarīgas no leņķu β lieluma, un līdz ar to raksturo mērāmā objekta sastāvu. Atšķirībā no prototipa, divstaru refraktometrā tiek mērītas divu no mērelementā 5 izejas skaldnes 8 izejošo gaismas kūļu koordinātu vērtības, kas palielina mērierīces jutību. Ar fotoelektriskajiem koordinātjutīgajiem mērlineāliem, piemērām, firmas Texas Instruments TSL 218 var panākt augstu, līdz dažiem mikroniem, izšķiršanas spēju, kas, kopā ar minēto divstaru refraktometram raksturīgo augsto leņķisko jutību ļauj palielināt mērierīces precizitāti. Signāli no mērlineāliem 9 tiek pievadīti datu apstrādes un izvades blokam 10, kurš izveidots uz mikrokontroliera bāzes. Šai blokā vienlaikus tiek ievadīta informācija par mērsistēmas termisko stāvokli, izmantojot temperatūras devēju 7, kas pieslēgts termokompensācijas signāla formētajam 6, no kura izejas datu apstrādes un izvades blokam 10 tiek pievadīts temperatūras korekcijas signāls, izmantojot zināmās laušanas koeficientu temperatūras atkarības. Pēc datu apstrādes blokā 10 iegūtais rezultāts tiek pārveiLV 12549

-5dots mērāmā objekta koncentrācijas mērvienībās. Tā, piemēram, šķidra šķīduma gadījumā koncentrācijas mērvienību var izteikt briksos, kas raksturo izšķīdinātās vielas svara daļu simts gramos šķīdinātāja, ko šajā gadījumā indicē uz bloka 10 datu izvades displeja.

Vienlaikus ar paaugstinātu mērīšanas precizitāti, divstaru refraktometrs, salīdzinājumā ar prototipu, dod iespēju izveidot kompaktu un portatīvu mērierici. To nodrošina pusvadītāju lāzerdiodes izmantošana par gaismas avotu, vienkārša mērelementa realizācijas iespēja un kompakta mērīšanas rezultātu fiksācijas un datu apstrādes sistēma.

Salīdzinājumā ar mērāmā objekta analīzei nepieciešamo mazāko tilpumu 0,5 - 1 ml izmantojot prototipa mērierices, divstaru refraktometra izmantošanas gadījumā šis tilpums var tikt samazināts vismaz desmit reižu, pateicoties, pirmkārt, lāzera stara kūļa nelielajam diametram un, otrkārt, relatīvi nelielam gaismas kūļa apgaismotajam robežvirsmas laukumam starp mērāmo objektu un mērelementu. Bez tam, analīzei nepieciešamā mērāmā objekta minimālā tilpuma samazināšana un mērelementa izveidošana nelielas masas plakanparalēlas plāksnes veidā, kopā ņemot, ļauj daudzkārt samazināt šī refraktometra mērsistemas termostabilizācijai nepieciešamo laiku un, līdz ar to, vienam mērījumam patērēto laiku, kas prototipa gadījumā var sasniegt vairākas minūtes.

Divstaru refraktometra graduēšanai izmanto paraugu komplektu, piemēram, zināma sastava šķidrus šķīdumus ar noteiktiem laušanas koeficientiem.

Lai ilustrētu divstaru refraktometra mērīšanas iespējas, eksperimentāli noteikta laušanas koeficienta atkarība no' temperatūras destilētam ūdenim, kura optisko konstanšu atkarība no temperatūras un starojuma viļņu garuma λ ir zināma un noteikta ar augstu precizitāti /1/. Šim nolūkam mērķivetē kā paraugu iepilda uzkarsētu destilētu ūdeni un atsaista termokompensācijas signāla formētāja izeju no datu apstrādes un izvades bloka. Līdz ar destilēta ūdens pakāpenisku atdzišanu, kura temperatūra tiek mērīta ar platīna

-6temperatūras devēju, pie kam temperatūras mērīšanas kļūda nepārsniedz ± 0,01 ° C, mainās parauga laušanas koeficients. Atbilstoši mainās abu no mērelementa izejas skaldnes izejošo staru kūlu pozīcijas uz fotoelektriskajiem koordinātjutīgajiem mērlineāliem. Eksperimentāli noteiktais abu staru kūļu relatīvās summārās novirzes Δ lielums mikronos pa mērlineālu koordinātēm atkarībā no atbilstošās parauga temperatūras mērīšanas brīdī parādīta attēlā Fig. 3.

Šo noviržu mērīšanas kļūdas lielums nepārsniedz ± 2 mikronus. Attēlā Fig. 4 parādīta destilētā ūdens laušanas koeficienta atkarība no temperatūras /1/.

Izgudrojums, pateicoties divstaru refraktometra augstajiem tehniskajiem rādītājiem var tikt plaši izmantots gan pārtikas rūpniecībā gan medicīnā paraugu analīzei un kontrolei, piemēram, destilēta ūdens tīrības un saharozes kontrolei, olbaltumvielu koncentrācijas noteikšanai asins serumā, kā arī injekcijām nepieciešamo šķīdumu izgatavošanas kontrolei.

Izmantotā literatūra:

1. Μοφφε B.B. Pe<ļ>paKTOMeTpnHecKHe MeTOflbi χημηη. —JleHHHrpafl: Χημηη, 1974.

2. JleiīKHH M.B., Mojiohhiikob E.H., MopO3OB B.H, ΙΙΙακαρΒΗ B.C. OTpaHcaTenbHaa pecjppaKTOMeTpHH. —JīeHHHrpaa: MaiiiHHOCTpoeHHe, 19833. Prozess - Refraktometer PR 11. A. Kriiss - Optronic — Hamburg, 1998.

4. Goldberg, Herbert E. Refractometer. — Patent US 3625620, IPC Class G01N 021/46, Class 256/135. Dec. 7,1971/Aug. 24,1970.

Claims (1)

1. IZGUDROJUMA FORMULA

   Divstaru refraktometrs, kas satāv no gaismas avota, kas caur kivetes logu un mērāmo objektu, piemēram, caurspīdīgu šķidrumu, optiski saistīts ar optisko mērelementu, un satur kā termokompensācijas signāla formētāju, kura ieeja pievienota mērsistēmas temperatūras devējam, tā arī fotoelektriskos koordinatjutīgus mērlineālus un datu apstrādes un izvades bloku, atšķiras ar to, ka, lai palielinātu mērierices mērīšanas precizitāti, nodrošinot portatīvu tās konstrukciju, vienlaikus samazinot mērīšanai nepieciešamā objekta tilpumu un mērsistēmas termostabilizācijas laiku, tā gaismas avots caur kivetes logu un mērāmo objektu optiski saistīts ar optisko mērelementu un satur kā termokompensācijas signāla formētāju, kura ieeja pievienota mērsistēmas temperatūras devējam, tā arī fotoelektriskos koordinātjutīgus mērelementus un datu apstrādes un izvades bloku, pie kam optiskā mērelementa divu gaismas staru kūļu izejas skaldne ir optiski saistīta ar fotoelektriskajiem koordinātjutīgiem mērlineāliem, kas savienoti ar vienu no datu apstrādes un izvades bloka ieejām, bet otrai tā ieejai pievienota termokompensācijas signāla formētāja izeja, kā gaismas avots izmantota lāzerdiode ar kolimētā gaismas staru kūja diametru δ, optiskais mērelements izveidots plakanparalēlas plāksnes, piemēram, no stikla, veidā ar biezumu d, pie kam kivetes loga plakne un mērelementa izejas skaldne ir perpendikulāras mērelementa plāksnei un lāzera staru kūļa krišanas leņķis Θ uz kivetes logu apmierina divu izejas staru kūļu veidošanās nosacījumus mērelementa izejas skaldnē: