RU2145418C1 - Устройство для автоматического экспресс-анализа концентрации сахара и других оптически активных веществ в прозрачных растворах - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к созданию методов и аппаратурных средств агромониторинга, а именно к построению систем контроля качества агропромышленной продукции, в частности алкоголя. Данное устройство работает на основе модуляционной методики измерения угла поворота плоскости поляризации излучения бихроматического зеемановского лазера. Устройство также содержит оптические кюветы и оптоэлектронную систему регистрации. Последняя состоит из двух каналов - измерительного и опорного. Каждый из каналов содержит последовательно соединенные одинаковые поляроид, фотоприемник, полосовой фильтр и триггер Шмидта. Опорный канал дополнительно содержит управляемый фазовращатель меандра, который может быть выполнен в виде пьезоэлектрического управляемого поворотного механизма, на котором закреплен поляроид опорного канала. В систему регистрации входят последовательно включенные в отрицательную обратную связь автоподстройки фазовращателя синхронный детектор и дифференциальный усилитель, последний подключен к аналого-цифровому преобразователю. Это дает возможность построить помехоустойчивую двухканальную оптоэлектронную систему регистрации угла поворота плоскости поляризации излучения, существенно увеличить чувствительность и точность прибора при определении углов поворота плоскости поляризации излучения, происходящих за счет естественной оптической активности растворов, содержащих сахар или другие оптически активные компоненты, а также полностью автоматизировать процесс измерения, накопления и статобработки данных. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к области создания методов и аппаратурных средств агромониторинга, а именно к построению систем контроля качества агропромышленной продукции, в частности, алкоголя.

Известно устройство для анализа органического состава сельскохозяйственной продукции (в том числе и по содержанию сахара) на основе оптического спектрометра, работающего в ближней инфракрасной области спектра (БИКС). (Крищенко В. П. Применение инфракрасной спектроскопии для контроля качества сельскохозяйственной продукции. Сельскохозяйственное использование спектроскопии в ближней инфракрасной области. М., ЦИНАО, 1986.) [1]. Устройство состоит из БИК-спектрометра, в оптический тракт которого помещена кювета с исследуемым веществом. С помощью спектрометра регистрируется, графически отображается на дисплее компьютера и математически обрабатывается абсорбционный спектр в диапазоне длин волн 1 - 2,5 мкм, который соответствует возбуждению молекулярных колебательных обертонов и комбинаций основных колебательных переходов в молекулах.

Преимуществом данного устройства является то, что спектрометр позволяет записывать полный спектр в заданном диапазоне длин волн и автоматически сравнивать его с заранее накопленной базой спектральных данных для нужного класса веществ. Спектры обертонов значительно более селективны по сравнению с обычными колебательными спектрами, по их форме легко устанавливаются тип растворенного органического соединения и его концентрация в растворе.

Недостаток устройства заключается в относительно низкой чувствительности БИК-спектрометра, обусловленной малыми экстинкциями полос поглощения обертонов, что практически исключает возможность его применения для регистрации малых и сверхмалых концентраций сахара. Кроме того, БИК-спектрометр сам по себе является дорогостоящим прибором, требующим обслуживания квалифицированным персоналом.

Известно простое устройство (поляриметр) для измерения концентрации сахара, глюкозы, фруктозы и др. веществ, растворенных в прозрачных жидкостях, на основе использования эффекта естественной оптической активности этих веществ (Ю.С.Ляликов. Физико-химические методы анализа. М., Госхимиздат, 1960, 438 с.) [2]. Общей отличительной чертой устройства и его многочисленных модификаций является наличие оптической кюветы, помещенной между двумя скрещенными поляроидами (поляризатором и анализатором). Свет от источника излучения линейно поляризуется поляризатором, далее проходит через кювету с исследуемым раствором и, если в кювете отсутствует оптически активный компонент, полностью задерживается анализатором, в результате чего не попадает на фотоприемник. В этом случае электрический сигнал с фотоприемника равен нулю (нуль-метод). При наличии оптически активного вещества в исследуемом растворе поляризация прошедшего через кювету излучения повернута на некоторый угол φ. Угол поворота равен
φ = α•C•L,
где α- удельное вращение плоскости поляризации света (табличная величина для каждого вещества, обладающего естественной оптической активностью); C - концентрация вращающего компонента раствора; L - длина кюветы. Таким образом, концентрация C искомого компонента вычисляется по величине угла поворота φ плоскости поляризации, который в свою очередь обнаруживается при повороте анализатора до момента получения нулевого сигнала фотоприемника.

Наиболее близким к данному изобретению аналогом является промышленный автоматический поляриметр А1-ЕПН, который работает по описанному принципу и представляет собой усовершенствованную модификацию модуляционного поляриметра ПЭА [3]. Поляриметр содержит некогерентный источника света, световой поток от которого проходит через спектральный фильтр и поступает в одноканальную оптоэлектронную систему регистрации, которая состоит из последовательно соединенных поляризатора, модулятора, оптической кюветы, анализатора, фотоприемника, усилителя и модуля регистрации переменного сигнала модуляции с компенсационной схемой его отработки по отрицательной обратной связи на управление вращением анализатора с помощью реверсивного электродвигателя. Пройдя через поляризатор и модулятор, свет оказывается линейно поляризованным, причем плоскость поляризации совершает малые гармонические колебания около своего среднего положения. Если в оптическую кювету помещается оптически активная среда, то среднее положение плоскости поляризации изменяется, в результате чего также изменяется амплитуда первой гармоники сигнала модуляции, которая является сигналом "ошибки" для модуля компенсации. Последний вырабатывает управляющее напряжение на реверсивный двигатель и поворачивает анализатор на угол, равный углу поворота поляризации в оптической кювете, одновременно отображая величину этого угла на цифровом счетчике.

Недостатками описанного устройства является также его относительно низкая чувствительность, существенная зависимость чувствительности от амплитуды светового сигнала (интенсивности источника излучения или прозрачности исследуемого раствора), необходимость в использовании дополнительного довольно сложного оптоэлектронного узла - модулятора положения плоскости поляризации излучения, а также невозможность существенного повышения чувствительности на основе автоматизации процесса измерения.

Задачей изобретения является существенное повышение чувствительности регистрирующей системы и точности измерений при определении углов поворота плоскости поляризации излучения, происходящих за счет естественной оптической активности растворов.

Поставленная задача решается устройством, блок-схема которого изображена на фиг. 1. Устройство состоит из источника когерентного поляризованного излучения 1, системы поворотных зеркал (2, 3), двух одинаковых оптических кювет (К1, К2), собирающей линзы (Л) и оптоэлектронной системы регистрации, состоящей из двух каналов: измерительного (с индексом 1) и опорного (с индексом 2), каждый из которых содержит последовательно соединенные поляроид (П1, П2), фотоприемник (ФП1, ФП2), усилитель (У1, У2), полосовой фильтр (ПФ1, ПФ2), триггер Шмидта (ТШ1, ТШ2). В опорный канал также входит последовательно соединенный с ТШ2 управляемый фазовращатель сигнала (ФВ). Выход измерительного канала с ТШ1 соединен с измерительным входом синхронного детектора (СД), а на опорный вход СД подан сигнал опорного канала с ФВ. Выходной сигнал СД усилен дифференциальным усилителем (ДУ) и подан одновременно на управляющий вход ФВ и на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), коды которого преобразуются в числовые значения, периодически регистрируются и статистически обрабатываются на персональном компьютере ПК. Таким образом, СД и ДУ включены в цепь отрицательной обратной связи и вырабатывают сигнал отработки для ФВ, который одновременно является измеряемой величиной.

Отличительной чертой устройства является то, что в качестве источника поляризованного излучения использован бихроматический зеемановский лазер [4] , особенность режима генерации которого обеспечивает применение надежной и легко автоматизируемой двухканальной оптоэлектронной схемы регистрации величины оптической активности исследуемого раствора.

В основе принципа работы устройства лежит модуляционная методика измерения угла поворота плоскости поляризации излучения бихроматического зеемановского лазера. В изобретении данная методика модифицирована так, что она использует особенность поляризационной характеристики излучения. Как известно, бихроматический зеемановский лазер генерирует одновременно две бегущие электромагнитные волны с равными амплитудами, но с противоположными круговыми поляризациями и различными оптическими частотами ω₁ и ω₂ [4]. Это равносильно тому, что поляризация результирующего светового пучка является линейной, вращающейся с разностной частотой Ω = ω₁-ω₂. Световой пучок, выходящий через переднее зеркало лазера (см. фиг. 1), направляется с помощью качающегося поворотного зеркала 2 попеременно в кюветы К1 и К2, заполненные исследуемым раствором и раствором сравнения, соответственно. Далее излучение проходит через поляроид П1 и регистрируется фотоприемником ФП1, сигнал с которого усиливается, фильтруется полосовым фильтром ПФ1 и подается на вход триггера Шмидта ТШ1. В силу вращения плоскости поляризации излучения электрический сигнал на входе триггера Шмидта является гармоническим с частотой 2Ω. Таким образом, триггер вырабатывает меандр, фаза которого совпадает (с точностью до постоянного смещения в электронном тракте) с фазой переменного светового сигнала, прошедшего через кювету и поляроид. Далее меандр детектируется синхронным детектором СД, выходное напряжение которого поступает на вход дифференциального усилителя ДУ. Одновременно световой пучок, выходящий через заднее зеркало лазера, проходит через поляроид П2 и регистрируется фотоприемником ФП2, сигнал с которого также усиливается, фильтруется полосовым фильтром ПФ2 и подается на вход триггера Шмидта ТШ2, который вырабатывает меандр, сфазированный с переменным световым сигналом, прошедшим через поляроид П2. Меандр с выхода триггера ТШ2 поступает на вход управляемого фазовращателя ФВ и далее на опорный вход синхронного детектора СД. Выходной сигнал дифференциального усилителя ДУ подается на управляющий вход фазовращателя ФВ и является сигналом отработки отрицательной обратной связи. Одновременно выход ДУ является измеряемой величиной, соответствующей повороту поляризации света за счет оптической активности среды в кювете. Эта величина регистрируется в цифровом виде с помощью АЦП и подается на персональный компьютер для накопления и статобработки.

В идеальном случае бесконечного коэффициента усиления тракта обратной связи фаза опорного сигнала подстраивается так, чтобы постоянное напряжение с выхода СД занулялось. Это означает, что фазы исследуемого и опорного сигналов автоматически скрещиваются, что является электронным аналогом оптического скрещивания поляроидов (нуль-метод). В этом случае изменение амплитуды исследуемого сигнала не влияет на измеряемый фазовый сдвиг, т.е. система оказывается неподверженной амплитудным шумам. Кроме того, использование синхронного детектирования при формировании тракта обратной связи дает возможность с высокой эффективностью "очистить" измеряемый сигнал от различного рода случайных шумов, что приводит к существенному возрастанию чувствительности и точности измерения. Дополнительное уменьшение случайной ошибки, а также резкое подавление систематической ошибки достигается за счет периодического статистического накопления двух измеряемых величин угла поворота плоскости поляризации соответственно в исследуемом растворе и растворе сравнения.

Следует особо отметить, что вместо фазовращателя ФВ устройство может содержать электромеханический узел вращения (например, с пьезоэлектрическим приводом), на котором закреплен поляроид опорного канала П2 и на который подано напряжение отрицательной обратной связи с выхода ДУ. В этом случае меандр с выхода ТШ2 подается непосредственно на опорный вход СД, а автоподстройка фазы осуществляется вращением П2.

Для демонстрации принципиальных возможностей предложенного устройства была использована наиболее простая оптико-механическая и электронная конфигурация, соответствующая вышеприведенной блок- схеме. На фиг. 2 показан график изменения сигнала на выходном устройстве при модельном повороте поляризации на угол 0,02^o для кюветы длиной 10 см и концентрации сахарозы в модельном водном растворе 0,3 г/л. Установленные параметры устройства: разностная частота зеемановского бихроматического лазера 10 кГц, постоянная времени синхронного детектора 0,1 с, период переключения кювет 4 с. В процессе измерений не обнаружено разницы в величине изменения выходного сигнала при вариации амплитуды входного светового сигнала более, чем на порядок. "Разрывы" в графике между уровнями сигнала соответствуют моментам переключения хода луча качающимся зеркалом. Видно, что система автоподстройки "теряет" привязку к нулевой разности фаз, но при появлении сигнала автоматически восстанавливает привязку с новым значением угла поворота поляризации. Эту особенность системы удобно использовать для определения количества порядков набега фазы при непрерывном контроле изменения концентрации сахара в растворе, например, в технологических процессах.

Предлагаемое устройство отличается простотой, высокой чувствительностью и степенью автоматизации. Его оптические и электронные тракты собираются на стандартной, доступной и дешевой отечественной элементной базе. Несмотря на указанную выше преднамеренную упрощенность конкретного воплощения устройства, схема оказалась устойчивой по отношению к различного рода акустическим и электромагнитным помехам. Среднеквадратичная ошибка определения угла поворота при указанной длине оптических кювет составила величину ~0.0001^o, что является рекордным значением для известных поляризационных и фазовых методов анализа [2,5].

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Крищенко В.П. Применение инфракрасной спектроскопии для контроля качества сельскохозяйственной продукции. Сельскохозяйственное использование спектроскопии в ближней инфракрасной области. М., ЦИНАО, 1986.

2. Ляликов Ю.С. Физико-химические методы анализа. М., Госхимиздат, 1960, 438 с.

3. Волошин З.С. и др. Справочник специалиста КИПиА сахарной промышленности. М., Агропромиздат, 1985, С.73-74.

4. Бадалян А.М., Ковалевский В.И., Сапрыкин Э.Г., Седельников А.П., Смирнов Г. И. Бихроматический зеемановский лазер с нелинейным поглощением. //Автометрия, 1984, N1, c. 106-108.

5. Гольдштейн С.Ш., Мукимов К.М., Сигал Г.П., Соколов Б.Ю. //ПТЭ, 1992, N6, с. 113.

Claims (2)

1. Устройство для автоматического экспресс-анализа концентрации сахара и других оптически активных веществ в прозрачных растворах, содержащее источник поляризованного излучения, оптические кюветы и оптоэлектронную систему регистрации, отличающееся тем, что в качестве источника поляризованного излучения устройство содержит бихроматический зеемановский лазер, а система регистрации состоит из двух каналов - измерительного и опорного, каждый из которых включает последовательно соединенные одинаковые поляриод, фотоприемник, полосовой фильтр и триггер Шмидта, а опорный канал дополнительно содержит управляемый фазовращатель меандра, кроме того, в систему регистрации входят синхронный детектор и дифференциальный ускоритель, последовательно включенные в отрицательную обратную связь автоподстройки фазовращателя, причем напряжение отработки, поступающее с выхода дифференциального усилителя, является информационным сигналом и периодически регистрируется аналого-цифровым преобразователем.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фазовращатель меандра выполнен в виде пьезоэлектрического управляемого поворотного механизма, на котором закреплен поляриод опорного канала.

Images