RU120229U1

RU120229U1 - DIFFERENTIAL METER OF OPTICAL DENSITY OF A LIQUID AT CULTIVATION OF PHYTOMASS

Info

Publication number: RU120229U1
Application number: RU2012123708/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Григорьевич Чирков; Сергей Петрович Плотников; Юрий Александрович Кожевников; Любовь Петровна Князева; Марина Юрьевна Росс; Юрий Михайлович Щекочихин; Елена Михайловна Иванникова; Анастасия Игоревна Ямчук; Татьяна Викторовна Лавренева; Галина Васильевна Терехова; Людмила Александровна Казакова; Людмила Григорьевна Эфендиева
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2012-09-10

Abstract

Дифференциальный измеритель оптической плотности жидкой среды при культивировании фитомассы, содержащий излучатель с конденсором, опорный и измерительный каналы, кювету, расположенную на пути луча измерительного канала, фотоприемники сигналов опорного и измерительного каналов и дифференциальный измерительный усилитель, отличающийся тем, что содержит дополнительную кювету, установленную на пути луча канала сравнения, насос, выход которого одним трубопроводом соединен непосредственно с кюветой, расположенной на пути луча измерительного канала, а вторым трубопроводом соединен с дополнительной кюветой через вентиль и мембрану, трубопровод с вентилем, соединяющий насос с дополнительной кюветой в обход мембраны, выпускные трубопроводы обеих кювет и регулировочный потенциометр, включенный между входами дифференциального измерительного усилителя. A differential optical density meter of a liquid medium during phytomass cultivation, containing an emitter with a condenser, a reference and measuring channels, a cuvette located in the path of the measuring channel beam, photodetectors of the signals of the reference and measuring channels and a differential measuring amplifier, characterized in that it contains an additional cuvette installed on the path of the beam of the reference channel, the pump, the outlet of which is connected directly with one pipeline to the cuvette located in the path of the beam of the measuring channel, and the second pipeline is connected to the additional cuvette through the valve and the membrane, the pipeline with the valve connecting the pump with the additional cuvette bypassing the membrane, exhaust pipelines both cuvettes and an adjustment potentiometer connected between the inputs of the differential instrumentation amplifier.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при измерении оптической плотности жидкой среды, в том числе с целью определения концентрации содержащегося в ней фитопланктона, при производстве фитомассы микроводорослей биотопливного или кормового назначения в закрытых системах и открытых водоемах.The utility model relates to measuring technique and can be used to measure the optical density of a liquid medium, including for the purpose of determining the concentration of phytoplankton contained in it, in the production of biomass or feed microalgae phytomass in closed systems and open reservoirs.

Оптические методы и устройства для измерения параметров жидких сред широко используются в научных и практических целях.Optical methods and devices for measuring the parameters of liquid media are widely used for scientific and practical purposes.

Известен, например, планшетный фотометр предназначенный для измерения оптической плотности и флуоресценции жидкостей, помещенных в ячейки планшета, содержащий оптически связанные источник света, формирователь световых пучков, интерференционные светофильтры, оптический распределитель, планшет и устройство для приема излучения (патент РФ №2176384, МПК G01J 1/00, G01N 21/27, опубл. 27.11.2001). Кроме того, фотометр содержит коммутатор световых потоков с вращающимся внутри неподвижного корпуса ротором, в котором закреплено плоское зеркало или световод, а в корпусе закреплена серия неподвижных осветительных световодов.Known, for example, a tablet photometer designed to measure the optical density and fluorescence of liquids placed in a tablet cell containing optically coupled light source, light beam shaper, interference light filters, optical distributor, tablet and device for receiving radiation (RF patent No. 2176384, IPC G01J 1/00, G01N 21/27, publ. 11/27/2001). In addition, the photometer contains a light flux switch with a rotor rotating inside the fixed housing, in which a flat mirror or optical fiber is fixed, and a series of stationary lighting optical fibers is fixed in the housing.

Недостатком известного фотометра является достаточно сложная конструкция. Кроме того, он использует однолучевой метод измерения, не обеспечивающий высокой точности.A disadvantage of the known photometer is a rather complicated design. In addition, it uses a single-beam measurement method that does not provide high accuracy.

Известно также устройство для исследования параметров крови, содержащее кювету, электродвигатель, светодиоды прямого и отраженного света, фотодиод, световоды впускного и выпускного клапанов, блоки индикации, управления и ЦАП, блоки регистрации и усиления сигналов (патент РФ №2149403, МПК G01N 333/49 убл. 20.05.2000).There is also known a device for the study of blood parameters, containing a cuvette, an electric motor, LEDs of direct and reflected light, a photodiode, optical fibers of the intake and exhaust valves, indication, control and DAC blocks, signal registration and amplification units (RF patent No. 2149403, IPC G01N 333/49 ub. 20.05.2000).

К недостаткам известного устройства следует отнести излишнюю сложность его оптической схемы и отсутствие опорного канала, что снижает точность измерения оптической плотности.The disadvantages of the known device include the excessive complexity of its optical design and the absence of a reference channel, which reduces the accuracy of measuring optical density.

По технической сути наиболее близким к предлагаемой полезной модели является измеритель оптической плотности состоящий из опорного и измерительного каналов (патент РФ №104354, МПК G08B 17/107, опубл. 10.05.2011). При этом его оптическая схема содержит два излучателя и два фотоприемника, а электрическая схема, имеет усилители опорного и измерительного каналов, сигналы с которых поступают на вычитающее устройство, выполненное на основе дифференциального усилителя.In technical essence, the closest to the proposed utility model is an optical density meter consisting of reference and measuring channels (RF patent No. 104354, IPC G08B 17/107, publ. 05/10/2011). At the same time, its optical circuit contains two emitters and two photodetectors, and the electrical circuit has amplifiers for the reference and measuring channels, the signals from which are fed to a subtractor made on the basis of a differential amplifier.

Существенным недостатком известного измерителя является то, что он не позволяет отделить сигнал, связанный с присутствием микрофлоры в исследуемой жидкой среде от фона, обусловленного растворенными в ней химическими веществами и взвешенными ультрадисперсными неорганическими компонентами, изменяющими ее цветность и мутность. При этом результаты измерений зависят от многих изменяющихся со временем факторов и являются ненадежными. Известный измеритель имеет сложную конструкцию и большие размеры.A significant drawback of the known meter is that it does not allow to separate the signal associated with the presence of microflora in the studied liquid medium from the background due to the dissolved chemicals and suspended inorganic inorganic components that change its color and turbidity. Moreover, the measurement results depend on many factors changing over time and are unreliable. The known meter has a complex structure and large dimensions.

Задачей предлагаемой полезной модели является создание простого компактного измерительного устройства для измерения оптической плотности жидкой среды, содержащей фитопланктон, с высокой точностью и надежностью, независимо от сезонных и случайных изменений ее химического состава и концентрации взвешенных в ней неорганических компонентов.The objective of the proposed utility model is to create a simple compact measuring device for measuring the optical density of a liquid medium containing phytoplankton with high accuracy and reliability, regardless of seasonal and random changes in its chemical composition and concentration of inorganic components suspended in it.

В результате использования предлагаемой полезной модели обеспечивается высокая точность и надежность определения концентрации микрофлоры в жидкой среде путем отделения сигнала оптической плотности, связанного с присутствием микрофлоры в исследуемой жидкой среде, от фона, обусловленного растворенными в ней химическими веществами и взвешенными ультрадисперсными неорганическими компонентами, изменяющими ее цветность и мутность.As a result of using the proposed utility model, high accuracy and reliability of determining the concentration of microflora in a liquid medium is ensured by separating the optical density signal associated with the presence of microflora in the studied liquid medium from the background due to chemicals dissolved in it and suspended ultrafine inorganic components that change its color and turbidity.

Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый дифференциальный измеритель оптической плотности жидкой среды при культивировании фитомассы, содержащий излучатель с конденсором, опорный и измерительный каналы, кювету, расположенную на пути луча измерительного канала, фотоприемники сигналов опорного и измерительного каналов и дифференциальный измерительный усилитель, содержит дополнительную кювету, установленную на пути луча канала сравнения, насос, выход которого одним трубопроводом соединен непосредственно с кюветой, расположенной на пути луча измерительного канала, а вторым трубопроводом соединен с дополнительной кюветой через вентиль и мембрану, трубопровод с вентилем, соединяющий насос с дополнительной кюветой в обход мембраны, выпускные трубопроводы обеих кювет и регулировочный потенциометр, включенный между входами дифференциального измерительного усилителя.The specified technical result is achieved by the fact that the proposed differential meter of the optical density of the liquid medium during the cultivation of phytomass, comprising an emitter with a condenser, a reference and measuring channels, a cuvette located in the path of the beam of the measuring channel, photodetectors of the signals of the reference and measuring channels and a differential measuring amplifier, contains an additional a cuvette installed in the path of the beam of the comparison channel, a pump, the output of which is connected directly to a cuvette located in the path of the beam of the measuring channel, and the second pipe is connected to an additional cuvette through a valve and a membrane, a pipeline with a valve connecting the pump with an additional cuvette bypassing the membrane, the outlet pipelines of both cuvettes and an adjustment potentiometer connected between the inputs of the differential measuring amplifier.

Состав и принцип работы предлагаемого дифференциального измерителя оптической плотности жидкой среды при культивировании фитомассы поясняются чертежом, на котором представлена общая схема измерителя.The composition and principle of operation of the proposed differential meter of optical density of the liquid medium during cultivation of phytomass are illustrated by the drawing, which shows the general scheme of the meter.

Измеритель включает в себя излучатель 1 и конденсор 2, относящиеся к обоим (измерительному и опорному) оптическим каналам, кювету 3 и фотоприемник 4, образующие измерительный оптический канал, дополнительную кювету 5 с мембраной 6 и фотоприемник 7, образующие опорный оптический канал, дифференциальный измерительный усилитель 8 с регулировочным потенциометром 9, насос 10, выход 11 которого непосредственно соединен трубопроводом 12 с кюветой 3 и трубопроводом 13 - с дополнительной кюветой 5 через вентиль 17 и мембрану 6. К кювете 3 и дополнительной кювете 5 также присоединены выпускные трубопроводы 14 и 15, соответственно.The meter includes an emitter 1 and a condenser 2 related to both (measuring and reference) optical channels, a cuvette 3 and a photodetector 4, forming a measuring optical channel, an additional cuvette 5 with a membrane 6 and a photodetector 7, forming a reference optical channel, a differential measuring amplifier 8 with an adjustment potentiometer 9, pump 10, the outlet 11 of which is directly connected by a pipe 12 to a cuvette 3 and a pipe 13 - with an additional cuvette 5 through a valve 17 and a membrane 6. To a cuvette 3 and an additional cuvet 5 are also connected the exhaust pipes 14 and 15, respectively.

Работает дифференциальный измеритель оптической плотности на примере определения концентрации фитопланктона в жидкой среде следующим образом.A differential optical density meter works by the example of determining the concentration of phytoplankton in a liquid medium as follows.

Перед началом измерения исследуемую жидкую среду подают из открытого водоема или биореактора на вход 16 насоса 10. С выхода 11 насоса 10 исследуемая жидкая среда поступает непосредственно в кювету 3 по трубопроводу 12 и заполняет ее, вытесняя воздух через выпускной трубопровод 14. Одновременно при закрытом вентиле 17 заполняют исследуемой жидкой средой дополнительную кювету 5 через открытый вентиль 18 и трубопровод 19, вытесняя воздух через выпускной трубопровод 15.Before starting the measurement, the test fluid is fed from an open reservoir or bioreactor to the inlet 16 of the pump 10. From the outlet 11 of the pump 10, the test fluid enters directly into the cell 3 through the pipe 12 and fills it, displacing the air through the exhaust pipe 14. Simultaneously with the valve 17 closed fill the test cell with an additional cell 5 through an open valve 18 and a pipe 19, displacing air through the exhaust pipe 15.

После этого включают излучатель 1 и через конденсор 2 подают излучение на фотоприемник 4, пропуская его через кювету 3 (измерительный канал) и на фотоприемник 7 - через дополнительную кювету 5 (опорный канал). Электрические сигналы с фотоприемников 4 и 7 подают на входы измерительного дифференциального усилителя и с помощью потенциометра 9 производят балансировку каналов, добиваясь минимального абсолютного значения выходного электрического сигнала. Затем открывают вентиль 17, закрывают вентиль 18 и с выхода 11 насоса 10 по трубопроводу 13 подают исследуемую жидкую среду в дополнительную кювету 5 через вентиль 17 и мембрану 6, При этом мембрана 6 отсекает содержащуюся в исследуемой жидкости фитомассу, не пропуская через поры твердые частицы, размеры которых меньше размеров клетки фитопланктона. Подачу исследуемой жидкой среды в дополнительную кювету 5 через мембрану 6 продолжают до тех пор, пока отделенная от фитомассы исследуемая жидкая среда полностью не вытеснит из кюветы 5 через выпускной трубопровод 15 исследуемую жидкую среду, содержащую фитомассу. После этого измеряют сигнал, пропорциональный оптической плотности фитомассы на выходе измерительного дифференциального усилителя 8. При необходимости периодически производят балансировку каналов в описанном выше порядке.After that, the emitter 1 is turned on and radiation is fed through the condenser 2 to the photodetector 4, passing it through the cuvette 3 (measuring channel) and to the photodetector 7 - through an additional cuvette 5 (reference channel). Electrical signals from photodetectors 4 and 7 are fed to the inputs of the measuring differential amplifier and, using potentiometer 9, the channels are balanced to achieve the minimum absolute value of the output electrical signal. Then open the valve 17, close the valve 18 and from the outlet 11 of the pump 10 through the pipe 13 serves the studied liquid medium in an additional cuvette 5 through the valve 17 and the membrane 6, while the membrane 6 cuts off the phytomass contained in the test liquid, without passing solid particles through the pores, the sizes of which are smaller than the sizes of phytoplankton cells. The flow of the investigated liquid medium into the additional cell 5 through the membrane 6 is continued until the studied liquid medium separated from the phytomass completely displaces the studied liquid medium containing the phytomass from the cell 5 through the outlet pipe 15. After that, a signal is measured proportional to the optical density of the phytomass at the output of the measuring differential amplifier 8. If necessary, the channels are periodically balanced in the manner described above.

Claims

A differential meter of optical density of a liquid medium during cultivation of phytomass containing a radiator with a condenser, a reference and measuring channels, a cuvette located in the path of the beam of the measuring channel, photodetectors of the signals of the reference and measuring channels and a differential measuring amplifier, characterized in that it contains an additional cuvette mounted on the path of the beam of the comparison channel, the pump, the output of which is connected by a single pipe directly to the cuvette located on the path of the beam meter channel, and the second pipe is connected to an additional cell through a valve and a membrane, a pipeline with a valve connecting the pump to an additional cell bypassing the membrane, the outlet pipelines of both cells and an adjustment potentiometer connected between the inputs of the differential measuring amplifier.