Поляриметр для измерения концетрации сахара в моче

(51)5 51 0ОСУДАРСТВЕННЪЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЪТИПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ТВУ К АВТОРСКОМУ УВИДЕТ(71) Центральное конструкторское бюро "Фотон"(56) Волкова Е,А, Поляризационные измерения. М,: Изд-во стандартов, 1974 с. 76-101.Гринштейн М.М., Кучикян Л.М, Фотоэлектрические концентратомеры для автоматического контроля и регулирования, - М.; Машиностроение, 1966, с. 151-166.)4) ПОЛЯРИМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОН- . ЦЕНТРАЦИИ САХАРА В МОЧЕ(57) Использование: изобретение относится к оптическому приборостроению, Сущность изобретения: поляриметр содержит источник света, диафрагму, коллиматор, светоИзобретение относится к оптическомуприборостроению, а именно к поляриметрическим измерениям концентрации сахара врастворах.Поляриметр позволяет оперативно производить массовые обследования пациентов в клиниках. медпунктах, в быту дляраннего диагностирования и лечения сахар-ного диабета,Иэвестйые портативные поляриметрытипа Пи круговые поляриметры типаСМ содержат подвижный и неподвижныйполяризационные фильтры, между которыми установлена кювета с исследуемой средой. Подвижный поляризационный фильтрсвязан с лимбом для визуального отсчета,угла поворота этого фильтра. Неподвижный фильтр, поляриэационный фильтр, кювету, двулучепреломляющую призму Волластона, за которыми установлен модулятор в виде подвижной маски с окнами, расположенными со смещением на величину окна вдоль направления перемещения, Плоскость маски совмещена с плоскостью изображения диафрагмы, причем плоскость раздвоения лучей перпендикулярна направлению перемещения маски, Фотоприемник соединен с входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого подключен к цифровому вольтметру, и непосредственно связан с первым входом устройства сравнения. К второму входу устройства сравнения подключен источник эталонного напряжения, а выход устройства сравнения соединен.с регулируемым элементом источника тока, питающего источник света. 3 ил,.фильтр выполнен из нескольких частей, плоскости пропускания которых отличаются друг от друга на небольшой угол (5-8), составляя так называемое полутеневое устройство,Недостатками визуальных приборов являются низкая точность измерений (+ 0,1 по углу и +0,2 по концентрации сахара), быстрая утомляемость оператора и вызванные этим дополнительные субьективные погрешности измерений.Известные фотоэлектрические поляриметры строятся по однолучевой компенсационной схеме. Часть из них строится по схеме компенсации угла поворота плоскости поляризации путем поворота одного из поляризационных фильтров, а часть - по4 1749783 3схеме с неподвижнцми пдляризационнцмифильтрами, йо с применением клиновых,магнитооптических или электрооптическихкомпенсаторов.Наиболее близким к предлагаемому является поляриметр с неподвижнцми поляризационными фильтрами, .содержащийисточник света, конденсор, диафрагму, коллиматор, два поляризационные фильтры,закрепленные так, что их плоскости пропусканил взаимно ортогойальны и между ними установлена кювета с исследуемойсредой и модулятор-компенсатор, работающий с использованием эффекта Фарадея,Однако активное вещество, например 15стекло ТФ 5, модулятора-компенсатора, находящееся между поляризационнцми фильтрами, неизбежно вносит искажение всосТояние поляризаций проходящего черезнего света из-за естественной или наведенной тепловыми натяжениями анйзотропиистекла, что вносит существенные погрешности в измерения угла поворота плоскостиполяризации и, следовательно, концентрация сахаРа. 25Кроме того, учитывая закон Малюса,описывающий зависимость интенсивностипрошедшего света 3 от угла поворота пло-скости поляризации30=осоз(а+ Ьа),сильное влияние анизотропии полупрозрачного слояделителя на состояние поляризации света, различия в пропускании света полупрозрачного слоя и поляризаторов, различия в чувствительностях ив других характеристиках фотоприемников.Цель изобретения - повышение точности измерений и упрощение конструкции.Поставленная цель достигается тем, что в поляриметре, содержащем источник света, диафрагму диаметром б, коллиматор с фокусом 1, ограничивающую диафрагму, светофильтр, два поляризационных фильтра, кювету, наполненную исследуемой средой, модулятор и фотоприемник, модулятор установлен эа поляризационными фильтрами, выполнен в виде подвижной маски с окнами размерами а х В, расположенными со смещением на величину ширины окна В вдоль направления перемещения, плоскость маски совмещена с плоскостью изображения диафрагмы коллиматора проекционной системой с увеличением М, один из поляризационных фильтров выпол-. нен в виде двулучевой поляризационной призмы, плоскости поляризации р- и з-компонент которой составляют углы . 45 О по отношению к плоскости пропускания другого поляризационного фильтра, угол раздвоения лучей двулучевой призмой удовлетворяет условиюгде 10 - интенсивность света, падающего на первый поляризационный фильтр;Ла- приращение угла после кюветы, 35 при взаимнб ортогональных полярйзационных фильтраха = 90) и при малых углах Ьа (зонакомпенсации) приращение б 1/О а всегда наименьшее,что является не оптимальным для получения наибмьшей 40 чувствительности и точности.Точные улоизмерительные устройства (точность в пределах тысячных долей градуса) или точные магнитооптические (электрооптические) компенсаторц сложны 45 конструктивно и дорогие,Известные устройства, например балансная схема для поляриметрических измерений, которая содержит делитель света в виде стеклянного кубика с полупрозрач .- ным слоем, два поляризатора с плоскостямипропускания й 45 по отношению к азимуту падающего на делитель линейно полярйзованногопучка света, два фотоприемнйка; включенных в мостовую схему, не могут 55 обеспечить даже той точности измеренийугла йоворота-плоскости поляризации, которую обеспечивают известные описайиые поляриметры, Причинами этого являются Мб А - Мдагс 19 - Рагсщ 2 21 причем плоскость раздвоения лучей перпендикулярна направлению перемещения маски, фотоприемник соединен через емкость с входом усилителя с регулируемым коэффициентом усилитеэя, выход которого соединен с цифровым вольтметром, и непосредственно соединен с первым входом устройства сравнения, на второй вход которого подключен источник эталонного напряжения, а выход устройства сравнения подключен к регулируемому элементу источника тока, питающего источник света.На фиг. 1 показана структурная схема поляриметра для измерения концентрации сахара в моче; на фиг, 2 - маска модулятора со стороны падающего на нее света (разрез А-А на фиг. 1); на фиг, 3 - кривая зависимости интенсивности света от угла поворота плоскости поляризации света, иллюстрирующая работу поля риметра.Поляриметр для измерения концентрации сахара в моче содержит источник 1 света, установленные по ходу луча конденсатор 2, диафрагму 3 диаметром б, коллиматор 4 с фокусом 1, ограничивающую диафрагму 5,светофильтр 6, например, пропускающий желтый свет (линия О спектра, т. е. Л = 589 нм), поляризационные фильтры 7 и 8, между которыми установлена кювета 9 длинойс защитными иэотропными стеклами 10 и исследуемой средой 11. Один иэ поляризационных фильтров, например фильтр 8, выполнен в виде двулучевой поляризационной призмы, например, в виде призмы Волластона, плоскости поляризации р- и з-компонент которой составляют углы + 45 О по отношению к плоскости пропускания другого закрепленного неподвижно поляризационного фильтра 7. За призмой Волластона 8 установлена линза 12, которая совместно с коллиматорной линзой 4 составляет проекционную систему с увеличением М, Угол раздвоения лучей ф призмой Волластона 8 удовлетворяет условиюМд А - Мбагсс 9 (фагсщЗа поляризационными фильтрами 7 и 8 в фокальной плоскости линзы 12 установлен модулятор в виде подвижной маски 13, за-, крепленной на гибких элементах 14, напримерв виде плоских пружин. консольно закрепленных на корпусе поляриметра. Маска 13 находится в фокальной плоскости проекционной системы с увеличением М, . состоящей из.линз 4 и 12, и выполнена в виде непрозрачной пластинки с прозрачными прямоугольными окнами размерами АхВ (фиг. 2), которые расположены со смещением на величину ширинь В окна вдоль направления перемещения маски, которое перпендикулярно плоскости раздвоения лучей призмой Волластона, т. е. окна смещены так, что края прозрачных смежных окон лежат на линии, совпадающей снаправлением раздвоения лучей призмой 8, Для. возбуждения колебаний к оправе 15 маски 13 прикреплена пластинка 16 иэ магнитомягкого материала, играющая роль подвижного якоря электромагнита 17, который подключен к сети переменного тока через диод 18, За маской 13 модулятора установлена линза 19 и фотоприемник 20. Фотоприемник 20:через емкость 21 связан с входом усилителя 22, у которого коэффициентусиления регулируется при настройке. Выход усилителя 22 соединен с цифровым вольтметром 23, который имеет цифровое табло и выход для подкл ючения цифропечатающего устройства. Одновременно фотоприемник 20 непосредственно соединен с первым входом устройства 24 сравнения, на второй вход которого подключен источник эталон 510 дикулярном этой плоскости, т, е. в данном варианте горизонтально. Поскольку угол 45 раздвоения лучей двулучевой призмой 8 удовлетворяет условию 50 55 15 20 25 30 35 40 ного напряжения Оо, а выход устройства 24 сравнения подклЮчен к регулирующему элементу 25 источника 26 тока, питающего источник 1 света.Поляриметр для измерения концентрации сахара в моче работает следующим образом,Светящее тело источника 1 света (фиг, 1) конденсором 2 переносится в плоскость диафрагмы 3, находящейся в фокусе коллиматора 4, Лучи света, прошедшие диафрагму 3, после коллиматора 4 становятся коллимированными, часть из них проходят ограничивающую диафрагму 5 и узкополосный фильтр 6. Далее коллимированный монохроматический пучок света проходит поля риэационный фильтр 7, становится линейной поляризованным с азимутом поляризации, например, 45 к горизонту. проходит, кювету 9 с исследуемой средой 11, двулучевую призму Волластона 8 и разделяется на два линейно поляризованных пучка р- и з-компоненты которых составляют углы + 45 по отношению к плоскости пропускания поляризованного фильтра 7, а интенсивности света этих пучков зависят от величины угла поворота плоскости поляризации света а исследуемой средой 11, Проекционная система, состоящая из линз 4 и 12, переносят изображение диафрагмы 3 в плоскость маски 13 в виде двух разделенных иэображений с увеличением М. При азимуте поляризационного фильтра 7+ 45 к горизонту плоскость разделения пучков призмой Волластона 8 может быть расположена вертикально или горизонтально (на фиг, 1 показан вертикальный вариант расположения этой плоскости), Маска 13 (фиг, 2) под воздействием электромагнита 17, питаемого от сети переменного тока через диод 18, на магнитомягкий якорь 16 колеблется с частотой в в направлении, перпенМб А - Мбагст 9 3агст 9 21 а прозрачные окна маски 13 смещены вдоль направления ее колебания на величину В окна, то в процессе колебания маски 13 раздвоенные двулучевой призмой Волластона 8 пучки света периодически по очереди проходят то верхний пучок, когда маска 13(фиг, 2) смещается влево, то нижний пучок, когда маска 13 смещается вправо, а далее прошедшие пучки света линзой 19 (фиг, 1) собираютсд на фоточувствительном слое фотоприемника 20, Причем, поскольку линза 19 о плоскости приемника 20 строит изображение плоскости, находящейся перед линзой 12, где пучок еще не раздвоен, то в процессе модуляции пучков в плоскости маски 13 прошедшие пучки света попадают в одно и то же место фоточувствительного слоя фотоприемника 20, что исключает появление паразитных сигналов,Если исследуемая среда 11 (фиг. 1) не обладает оптической активностью, например дистиллированная вода, то монохроматический линейно поляризованный свет с азимутом 45 проходит кювету 9 без изменений и двулучевой призмой Волластона 8 разделяется на два пучка абсолютно одинаковые как по форме, так и по интенсивности света (фиг, 3, точки 1, 2 на кривой Малюса, отображающей зависимость интенсивности света 1, прошедшего через поляризованный фильтр г рй изменении угла вращения плоскости поляризации а падающего на него света). В этом случае Фотоприемник 20 воспринимает не изменя 1 ощийся во времени свет 1, равный половине интенсивности падающего на призму Волластона 8 света 3 о, те. 1= 0,51 о,Если исследуемая среда 11 обладает оптической активностью иэ-эа содержания в ней сахара, то в зависимости от концентрации сахара с на выходе кюветы 10 азимут линейной поляризации изменяется наЬа= 0,01 с 1 а 1 огдеа 3 о = 52,6 - удельное вращение плоскости поляризации сахара для рабочей длины волны А = 589 нм,В этом слу ае (фиг. 3) равенство интенсивностей пучков после призмы Волластона нарушается, например один иэ них увеличится на Ь 1= 1 э 1 п 2 Ла(фиг. 3, т, 3), а другой на такую же величину уменьшается (фиг. 3. т. 4). В результате в спектре сигнала фотоприемника 20 кроме постоянной составляющей, пропорциональной интенсивности света 1 = 0;5 1 О (фйг, 3, т, 5), присутствует переменная составляющая частоть 1 о, которая пропорциональна интенсивности Ж (фиг. 3, кривая б). Переменная составляющая сигнала отфильтровывается с помощью ейкости 21 фиг, 1) и ее амплитуда измеряется цифровым вольтметром 22, который может работать в двух режимах, В режиме -измерения угла поворота плоскости поляризации Ла= 0,5 агсэ 1 п 1/1 О при малых Ьа измерение ведется с учетом допущения М = Л 1/21 о, В режиме измерения концентрации с учитывается опреде 100 Ьаа)о1.ленная длина кюветы, например при 1.- - 100 мм с = 2 Ьа. Результаты измеренийиндицируются на индикаторном таблоцифрового вольтметра 23 и по желаниюоператора могут быть зафиксированы печатающим устройством,Амплитуда переменной составляющей10 светового потока Ь 1 зависит как от углаповорота Ла, так и от величины поглощеният исследуемой среды 11, а амплитуда постоянной составляющей 1 о зависит только отпоглощения т, Поэтому для устранения вли 15 яния поглощения т на результаты измерения угла поворота плоскости поляризацииЬа и, следовательно, концентрации С постоянная составляющая сигнала фотоприемника 20 подается на один вход20 сравнивающего устройства 24, а эталонныйопорный) потенциал - на второй вход устройства 24. Разница этих потенциалов подается на регулирующий элемент 25,который регулирует величину тока лампы 125 от источника 26 и тем самым регулируетинтенсивность излучения лампы 1 так, чтопостоянная составляющая сигнала фотоприемника 20 не зависит от поглощения гсреды 11 и всегда равна установленной заранее при калибровке величине, которуюпринимают за единицу. Такая автоматическая регулировка единичного значения постоянной составляющей обеспечиваетпропорциональность Л 1 = 2 Ьа = с, высокую точность и простоту измерений концентрации сахара в растворах и, прежде всего,в моче,Чувствительность и точность измерений предлагаемого поляриметра зависит в40 основном от обнаружительной способностифЬтоприемника 20, от чувствительности идинамического диапазона цифрового вольтметра 23 и достигают значений + 0,001 и+ 0,0015 соответственно.Такал. высокая точность измеренийобеспечивается благодаря наличию новыхотличительных признаков предлагаемогополяриметра,Так в отличие от известных устройств,построенных по компенсационной схеме впредлагаемом поляриметре оба поляризационные фильтры закреплены неподвижнои, следовательно, не требуются углоизмерительные устройства, которые являются источниками существенных и порой основныхпогрешностей измерений. Кроме того, известные фотоэлектрические поляриметры снеподвижными поляризационными фильтрами являются однолучевыми и момент компенсации угла поворота плоскости поляризации при повороте одного из по-: ляризационных фильтров определяют по максимальному, гашению свеа, когда кривая.зависимости= т( а) (закон Малюса) 5 имеет наимейьшую крутизну. В предлагаемом же поляриметре используется двулучевая схема и весь процесс измерения производится (фиг. 3) на участке кривой 1 = - (а) с максимальной крутизной. Поэтому 10 при одних и тех же отклонениях от нулевого положения азимута линейной поляризации приращение светового потока Л У Ь а в предлагаемом поляриметре выше, а следовательно, выше и чувствительность. 15Предлагаемый поляриметр намногопроще существующих известных фотоэлектрических поляриметров тем, что не содержит сложных углоизмерительных устройств, не содержит компенсаторбв, не требует 20 сложных в технологическом отношении элементов и узлов. Угол раздвоения лучей Р призмой Воллэстона 8 достаточен в пределах не многим более 0,5, поэтому эта призма может быть изготовлена не, кэк 25 обычно, из исландского шпата, а из более дешевого материала., например из кристаллического кварца. Отсутствие сложных углоизмерительных устройств позволяет уменьшить габариты и вес предлагаемого ЗО доляриметра.Таким образом, при использованиипредлагаемого поляриметра повышается точность измерений (+ 0,00150) при ф одновременном упрощении конструкции, З 5понижаются стоимость и трудоемкость поляриметра до пределов, когда он может использоваться как в клиниках, так и в быту, э кроме. того в обслуживании предлагаемый поляриметр дрост (требуется наполнить кю вету, включить поляриметр в сеть и прочитать результаты измерений на цифровом индикаторе).Формула изобретенияПоляриметр для измерения концентрации сахара в моче, содержащий источник излучения и установленные по ходу излучения и оптически связанные конденсор; диафрагму диаметра б, коллиматор с фокусным расстоянием 1, ограничивающую диафрагму, светофильтр, два поляризационных фильтра, установленную между ними кювету с исследуемой средой; модулятор, фокусирующую линзу и фотоприемник, а также усилитель, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и упрощения конструкции, за вторым по ходу излученияполяризационным фильтром расположена линза, составляющая с коллиматором проекционную систему с увеличением М, модулятор установлен за линзой по ходу излучения и выполнен в виде подвижной маски, расположейной в плоскости, перпендикулярной оптической оси, с окнами размерами АхВ, расположенными со смещением на величину В вдоль направления смещенйя, перпендикулярно оптической оси, при этом маска установлена так, чтобы плоскость совмещена с плоскостью изображения диафрагмы проекционной системой, один из поляризационных фильтров выполнен в виде двулучевой поляризационной призмы, плоскости поляризации р - и Я-компонент которой составляют угол . 45 к плоскости пропускания второго поляризационного фильтра, при этом, угол ф раздвоения лучей двулучевой призмой удовлетворяет условиюМб А - Мдагсщ - (ф ( агссд - ,21 21а плоскость раздвоения лучей перпендикулярна направлению перемещения маски, в поляриметр введены конденсатор, цифровой вольтметр, устройство сравнения, регулирующий элемент и источник тока, при этом первый выход фотоприемника соединен через конденсаторс входом усилителя, выход которого соединен с цифровым вольтметром, второй выход фотоприемника соединен с первым входом устройстве сравнения, на второй вход которого подключен источник эталонного напряжения, э выход устройства сравнения подключен к регулирующему элементу источника тока.1749783 Составитель Д,ПеньковскиТехред М.Моргентал Дербак ектор М,Демчи Редактор роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина. 10 аказ 2591 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113 О 35, Москва. Ж, Раушская наб., 4/5