Цифровой способ измерения величины угла оптического вращения и устройство для его реализации

01 21/21 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ЦИФРОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ УГЛА ОПТИЧЕСКОГО ВРАЩЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ(73) Патентообладатель Залесский Илья Ефимович(57) Цифровой способ измерения величины угла оптического вращения плоскости поляризации оптически активным веществом, заключающийся в том, что излучение источника последовательно формируют в параллельный пучок, линейно поляризуют, покачивают плоскость поляризации пучка излучения с заданной частотой модуляции, поворачивают плоскость поляризации на величину угла оптического вращения,анализируют состояние поляризации пучка излучения, выделяют из него монохроматическое излучение заданного спектрального состава, детектируют и преобразуют в модулированный электрический сигнал, который усиливают и управляют с его помощью поворотом реверсивного электродвигателя и поворотом плоскости поляризации детектируемого излучения до достижения состояния скрещенности с поляризацией пучка излучения, испытавшего оптическое вращение, отличающийся тем, что детектируемое излучение преобразуют в последовательность электрических импульсов, которые усиливают, дискриминируют по амплитуде и стандартизируют по форме, а стандартизированные импульсы суммируют во время положительного полупериода модулирующего сигнала и вычитают из полученной суммы во время отрицательного полупериода модулирующего сигнала, при этом знак результирующего числа определяют сравнением количества импульсов, соответствующих положительному и отрицательному полупериодам, а результирующее число после Фиг. 1 окончания данного интервала времени измерения анализируют на отличие от нуля или равенство нулю с учтом того, что знак результирующего числа обусловлен знаком оптической активности вещества и на 1 2848 1 правлением поворота плоскости поляризации веществом, и при результирующем числе, отличном от нуля, с помощью электронного тактового импульса, сформированного после окончания каждого интервала времени измерения, управляют поворотом плоскости поляризации детектируемого излучения, а также направлением поворота с учтом знака оптической активности, и суммируют тактовые импульсы с учтом знака оптической активности для данного и последующих интервалов времени измерения, а при равном нулю результирующем числе запрещают управление поворотом плоскости поляризации детектируемого излучения и суммирование тактовых импульсов, соответствующих каждому интервалу времени измерения, а о величине угла поворота плоскости поляризации оптически активным веществом судят по суммарному числу тактовых импульсов, равному или пропорциональному указанной величине. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что всю энергию детектируемого излучения используют для измерения, а также для формирования тактовых импульсов управления поворотом и счта величины угла поворота. 3. Способ по пп. 1 или 2, отличающийся тем, что измеряют величины энергии детектируемого излучения, соответствующие положительному и отрицательному полупериодам модулирующего сигнала, и сопоставляют их на равенство, при достижении которого запрещают формирование тактовых импульсов управления поворотом и счта величины угла поворота. 4. Способ по любому из пп. 1, 2 и 3, отличающийся тем, что интервалы времени измерения выбирают кратными периоду модулирующего сигнала. 5. Устройство для цифрового измерения величины угла оптического вращения плоскости поляризации линейно поляризованного излучения оптически активным веществом, содержащее лампу накаливания, первый объектив, неподвижный линейный поляризатор, модулятор плоскости поляризации, плоскопараллельный слой оптически активного вещества, линейный поляризатор, выполненный с возможностью поворота его вокруг оси пучка излучения, спектральный прибор, второй объектив, фотоумножитель, электронный усилитель, электродвигатель и измеритель величины угла поворота плоскости поляризации веществом, отличающееся тем, что содержит фотоумножитель, выполненный с возможностью одноэлектронного счта фотонов, выход которого соединн со входом широкополосного импульсного электронного усилителя, выход которого соединн с электронной схемой дискриминации и стандартизации, выход которой соединн с сигнальным входом первой схемы совпадений, выход которой соединн с сигнальным электронной схемы задающего генератора модулятора плоскости поляризации, и входом электронной анализирующей схемы,один выход которой соединн с управляющим входом второй схемы совпадений, сигнальный вход которой соединн с выходом электронной схемы задающего генератора модулятора, а выход соединн с сигнальными входами измерителя угла поворота и электронной схемыуправления электродвигателем, который через безлюфтовую механическую передачу соединн с линейным поляризатором, а два других выхода электронной анализирующей схемы соединены с управляющими входами электронной схемы управления электродвигателем и измерителя угла поворота.(56) 1. Дисперсия оптического вращения и круговой дихроизм в органической химии/Под ред. Г. Снатцке. М. Мир, 1970. - С. 88-94, 440. 2. Инструкция к поляриметру электронному автоматическому ПЭА (производство Киевского завода электронных вычислительных машин совместно с Уманьским заводом Вега производственного объединения Завод Арсенал), 1991. 3. -. - ,. -. , 2,, 1982. - С. 4. Изобретение относится к области оптического приборостроения, а более конкретно, к способам измерения оптической активности веществ и оптико-электронным поляризационным устройствам для измерения оптической активности веществ, которые используются в аналитической химии, пищевой, перерабатывающей и микробиологической промышленности и медицине. Известен способ измерения оптической активности растворов веществ 1, 2, заключающийся в том, что источник излучения проектируют в монохроматическом свете на диафрагму, а излучение, прошедшее через диафрагму, формируют в параллельный пучок, линейно поляризуют, покачивают плоскость поляризации пучка излучения с определнной частотой модуляции, поворачивают плоскость поляризации излучения на величину угла оптического вращения, пропуская его через слой оптически активного вещества, компенсируют этот поворот плоскости поляризации, анализируют состояние поляризации пучка излучения, детектируют и преобразуют модулированное по интенсивности излучение в модулированный по величине электрический сигнал, который усиливают на частоте модуляции и преобразуют в квазипостоянный сигнал посредством фазового детектирования. Этот квазипостоянный сигнал пропорционален сигналу на частоте 2 2848 1 модуляции, а его фаза зависит от фазы сигнала на частоте модуляции, и используется для формирования постоянного тока компенсации, пропускаемого через обмотку компенсатора. Ток компенсации увеличивают или уменьшают до тех пор, пока поворот плоскости поляризации активным веществом не будет полностью компенсирован, о чм свидетельствует исчезновение сигнала на частоте модуляции. По величине тока компенсации определяют величину угла поворота плоскости поляризации исследуемым раствором вещества. Известен способ измерения величины угла оптического вращения 3, заключающийся в том, что излучение источника формируют в параллельный пучок, линейно поляризуют его, покачивают плоскость поляризации с частотой модуляции, поворачивают плоскость поляризации на величину угла оптического вращения,анализируют состояние поляризации пучка излучения, выделяют из него монохроматическое излучение заданного спектрального состава, детектируют и преобразуют в модулированный электрический сигнал, который усиливают по напряжению и мощности и которым управляют поворотом плоскости поляризации детектируемого излучения до состояния скрещенности с поляризацией излучения, испытавшего оптическое вращение, а величина этого поворота измеряется преобразователем угол-код. Оба описанных выше способа не позволяют измерять оптическую активность оптически плотных, окрашенных, растворов и светорассеивающих сред. Это обусловлено неэффективным использованием энергии детектируемого фотоумножителем излучения. Задача изобретения - повысить эффективность использования энергии детектируемого фотоумножителем излучения и расширить область применения спектрополяриметрической методики и техники на измерение оптической активности и концентрации оптически активных веществ в оптически плотных, окрашенных,растворах и светорассеивающих средах. Поставленная задача решается посредством сохранения дискретности потока излучения (это поток фотонов) при его преобразовании в электрический сигнал, в поток одноэлектронных импульсов фотопримника. Цифровой способ измерения величины угла оптического вращения плоскости поляризации линейно поляризованного излучения оптически активным веществом заключающийся в том, что излучение источника последовательно формируют в параллельный пучок, линейно поляризуют, покачивают плоскость поляризации пучка излучения с заданной частотой модуляции, поворачивают плоскость поляризации на величину угла оптического вращения, анализируют состояние поляризации пучка излучения, выделяют из него монохроматическое излучение заданного спектрального состава, детектируют и преобразуют в модулированный электрический сигнал, который усиливают и которым управляют поворотом плоскости поляризации детектируемого излучения до достижения состояния скрещенности с поляризацией пучка излучения, испытавшего оптическое вращение, отличающийся тем, что детектируемое излучение преобразуют в последовательность электрических импульсов, которые усиливают, дискриминируют их по амплитуде и стандартизируют по форме, а стандартизованные импульсы суммируют во время положительного полупериода модулирующего сигнала и вычитают из полученной суммы во время отрицательного полупериода модулирующего сигнала,при этом знак результирующего числа определяют сравнением количества импульсов, соответствующих положительному и отрицательному полупериодам, а результирующее число после окончания заданного интервала времени измерения анализируют на отличие от нуля или равенство нулю с учетом того, что знак результирующего числа обусловлен знаком оптической активности вещества и направлением поворота плоскости поляризации веществом, и при результирующем числе, отличном от нуля, с помощью электронного тактового импульса, сформированного из модулирующего сигнала после окончания каждого интервала времени измерения, управляют поворотом плоскости поляризации детектируемого излучения, а также направлением поворота с учтом знака оптической активности для данного и последующих интервалов времени измерения,а при равном нулю результирующем числе запрещают управление поворотом плоскости поляризации детектируемого излучения и суммирование электронных тактовых импульсов, создаваемых после каждого интервала времени измерения, а о величине угла поворота плоскости поляризации оптически активным веществом судят по суммарному числу тактовых импульсов, равному или пропорциональному указанной величине. Цифровой способ измерения величины угла оптического вращения дополнительно отличается от прототипа тем, что всю энергию детектируемого излучения используют для измерения и формирования электронных тактовых импульсов управления поворотом и счта величины угла поворота, а не части энергии, приходящуюся на гармоническую составляющую с частотой модуляции, как в прототипе. Цифровой способ измерения величины угла оптического вращения дополнительно отличается тем, что измеряют энергии детектируемого излучения, соответствующие положительному и отрицательному полупериодам модулирующего сигнала, и сопоставляют их на равенство, при достижении которого запрещают формирование тактового импульса управления поворотом и счта величины угла поворота, а в прототипе сигнал управления должен уменьшиться до нуля, чтобы прекратить управление поворотом плоскости поляризации. Цифровой способ измерения величины угла оптического вращения дополнительно отличается тем, что интервалы времени измерения выбирают кратными периоду модулирующего сигнала. 3 2848 1 Известно устройство 1, 2 для измерения величины угла оптического вращения, которое содержит лампу накаливания, зеркало, которое проектирует изображение лампы накаливания через светофильтр на диафрагму, линзу, линейный поляризатор, магнито-оптический модулятор, поляриметрическую трубку с исследуемым веществом, магнито-оптический компенсатор, линейный анализатор, вторую линзу, фотоумножитель,селективный усилитель, фазовый детектор, усилитель квазипостоянного тока, который после усиления по мощности протекает через обмотку магнито-оптического компенсатора и калиброванное сопротивление. По величине падения напряжения на этом сопротивлении, которое измеряется цифровым вольтметром, определяет величину угла оптического вращения , в том числе и в единицах Международной сахарной шкалы. Известно устройство 3 для измерения величины угла оптического вращения, которое содержит галогенную вольфрамовую лампу накаливания, линейный поляризатор, магнито-оптический модулятор, поляриметрическую трубку с исследуемым раствором вещества, линейный анализатор, имеющий возможность поворота вокруг оптической оси проходящего через него потока излучения, интерференционный фильтр,имеющий возможность регулировки (покачивания) своего положения, фотоумножитель, преобразующий оптическое излучение в модулированный электрический сигнал, усилитель (сервоамплитудный модуль), реверсивный электродвигатель с тахогенератором для демпфирования реверсивного электродвигателя, механическую безлюфтовую зубчатую передачу вращения на линейный анализатор и преобразователь угол-код,установленный соосно с реверсивным электродвигателем, 5-декадный индикатор для визуализации выходного сигнала преобразователя угол-код в единицах Международной сахарной шкалы. Оба описанных выше устройства не позволяют измерять оптическую активность в оптически плотных,окрашенных, растворах и светорассеивающих средах. Задача изобретения - повысить эффективность использования энергии детектируемого фотоумножителем излучения и обеспечить измерение оптической активности веществ в оптически плотных, окрашенных, растворах и светорассеивающих средах. Устройство для цифрового измерения величины угла оптического вращения плоскости поляризации линейно поляризованного излучения оптически активным веществом, содержащее лампу накаливания, первый объектив, неподвижный линейный поляризатор, модулятор плоскости поляризации, анализируемый образец,представляющий собой плоскопараллельный слой оптически активного вещества, линейный поляризатор,выполненный с возможностью поворота его вокруг оси пучка проходящего через него излучения, спектральный прибор, второй объектив, фотоумножитель, преобразующий падающее на него модулированное излучение в модулированный электрический сигнал, электронный усилитель, электродвигатель для поворота линейного поляризатора на угол, равный углу поворота плоскости поляризации образцом до достижения состояния скрещенности с излучением, прошедшим образец, и измеритель величины угла поворота плоскости поляризации веществом, отличающееся тем, что содержит фотоумножитель, выполненный с возможностью одноэлектронного счта фотонов, выход которого соединн со входом широкополосного импульсного электронного усилителя, выход которого соединн с электронной схемой дискриминации усиленных одноэлектронных импульсов по амплитуде и стандартизации их по форме, выход которой соединн с сигнальным входом первой схемы совпадений, выход которой соединн с сигнальным входом реверсивного счтчика и входом управления электронной анализирующей схемы для определения знака оптической активности образца и кодового состояния реверсивного счетчика, выходы которого соединены с информационными входами этой анализирующей схемы, один выход которой соединн с управляющим входом второй схемы совпадений, а управляющие входы первой схемы совпадений и реверсивного счтчика и информационный вход второй схемы совпадений соединены с выходами электронной схемы задающего генератора модулятора, при этом выход второй схемы совпадений соединн с сигнальными входами счтчика угла поворота и электронной схемы управления шаговым электродвигателем, который через безлюфтовую механическую передачу соединн с линейным поляризатором, а два других выхода электронной анализирующей схемы соединены с управляющими входами электронной схемы управления шаговым электродвигателем и счтчика угла поворота. На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема устройства, цифрового фотоэлектрического автоматического поляриметра или сахариметра, реализующего цифровой способ измерения величины угла оптического вращения плоскости поляризации оптически активным веществом. На фиг. 2 представлены временные и угловые зависимости оптических и электрических сигналов, поясняющие принцип работы цифрового способа измерения. Цифровой способ измерения величины угла оптического вращения и устройство для его реализации осуществляются с помощью известных отдельных элементов и электронных схем. Устройство для осуществления цифрового способа измерения содержит следующие составные элементы(фиг. 1) лампу накаливания 1, первый объектив 2, светофильтр 3, который может и отсутствовать, неподвижный линейный поляризатор 4, модулятор магнито-оптический 5, поляриметрическую кювету или образец в виде плоскопараллельного слоя 6, линейный поляризатор-анализатор 7, имеющий возможность поворота вокруг оси пучка проходящего через него излучения, спектральный прибор (интерференционный фильтр) 8, второй объектив 9, который иногда может и отсутствовать, фотоумножитель 10, выполненный с 4 2848 1 возможностью одноэлектронного счта фотонов, широкополосный импульсный электронный усилитель 11, электронную схему дискриминации и стандартизации импульсов 12, первую схему совпадений 13, сигнальный вход которой соединн с выходом схемы 12, реверсивный счтчик 14, счтный вход которого соединн с выходом первой схемы совпадений 13, электронную анализирующую схему 15 для определения кодового состояния реверсивного счтчика 14, с информационными выходами которого соединены информационные входы схемы 15, и знака оптической активности образца, сигнальный вход схемы 15 соединн с выходом первой схемы совпадений 13, вторую схему совпадений 16, управляющий вход которой соединн с одним выходов анализирующей схемы 15, электронную схему задающего генератора модулятора 17, питающего магнито-оптический модулятор 5, выходы которой соединены с управляющими входами первой схемы совпадений 13 и реверсивного счтчика 14 и сигнальным входом второй схемы совпадений 16, электронную схему управления 18 шаговым двигателем 19, который через передачу 20 управляет положением линейного поляризатора-анализатора 7, и счтчик угла поворота 21 с индикацией, при этом управляющие входы счтчика угла поворота 21 и схемы управления 18 соединены с соответствующими выходами анализирующей схемы 15, а их сигнальные входы соединены с выходом второй схемы совпадений 16. Работа устройства для цифрового способа измерения величины угла оптического вращения веществом заключается в том, что излучение лампы накаливания 1 формируют объективом 2 в параллельный пучок и пропускают через светофильтр 3, который в большинстве случаев может отсутствовать, поляризатор 4, магнито-оптический модулятор 5, осуществляющий покачивание плоскости линейно поляризованного проходящего через него излучения с заданной частотой модуляции, определяемой схемой задающего генератора модулятора 17, исследуемый образец, поворачивающий плоскость поляризации на определнный угол и помещенный в поляриметрическую трубку 6, поляризатор-анализатор 7, имеющий возможность поворачиваться вокруг оси пучка проходящего через него излучения, интерференционный фильтр 8, выделяющий монохроматическое излучение заданного спектрального состава, и вторым объективом 9, который при определнных условия может и отсутствовать, направляют на фотокатод фотоумножителя 10, который энергию падающего излучения преобразует во временную последовательность одноэлектронных импульсов,которые усиливают по амплитуде усилителем 11, дискриминируют по амплитуде и стандартизуют по форме электронной схемой 12 и через первую схему совпадений 13 и поступают на счтный вход реверсивного счтчика 14 и на сигнальный вход анализирующей электронной схемы 15 для определения кодового состояния счтчика 14 после заданного интервала времени измерения. На управляющие входы схемы совпадений 13 и реверсивного счтчика 14 поступают от электронной схемы задающего генератора модулятора 17 сигналы, синхронные с положительным и отрицательным полупериодами синусоидального сигнала задающего генератора и устанавливающие счтчик в режим сложения для положительного полупериода (фиг. 2),счтчик при этом суммирует положительные одноэлектронные импульсы, а в режиме вычитания для отрицательного полупериода этого сигнала счтчик вычитает отрицательные одноэлектронные импульсы. После окончания заданного времени измерения в реверсивном счтчике будет записано некое результирующее число, знак которого определяет анализирующая электронная схема 15. После окончания времени измерения электронная схема 17 формирует тактовый импульс, который поступает на сигнальный вход второй схемы совпадений 16. Если по окончанию времени измерения счтчик 14 остановится в отличном от нуля состоянии, то анализирующая схема 15 разрешает прохождение этого тактового импульса на выход второй схемы совпадений 16 и он поступает на счтные входы электронной схемы управления 18 шагового двигателя 19 и счтчик угла поворота 21. Шаговый двигатель 19 поворачивается на единичный угол, поворачивая поляризатор-анализатор 7 в направлении к состоянию скрещенности, а в счтчик угла поворота добавляется или вычитается единичка. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока поляризатор-анализатор 7 не установится в состояние скрещенности, а реверсивный счтчик 14 по окончании времени измерения не установится в нулевое состояние, после чего анализирующая схема 15 не разрешит прохождение очередного тактового импульса через вторую схему совпадений 16. Шаговый двигатель и поляризатор-анализатор останутся неподвижными, сохранится неизменным показание счетчика угла поворота 21. Направление поворота шагового двигателя 19 и знак плюс или минус оптической активности вещества определяет анализирующая схема 15, соответствующие выходные сигналы которой поступают на управляющие входы схемы управления 18 и счетчика угла поворота 21. На цифровом индикаторе представляется знак оптической активности вещества и е величина в виде количества единичных шагов поворота, которые могут быть выражены в угловых единицах или в единицах Международной сахарной шкалы. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.