CN85202765U - 可直读浓度的双波长光度计 - Google Patents

Abstract

一种可直读浓度的双波长光度计，其光源为一强光源，光源后放一聚焦透镜，透镜后放一个可插放试管的试管座并使其位于透镜的焦点上，试管座后为一电磁转换波长装置，所采用的滤光片，一片为本底波长滤光片，另一片为比色波长滤光波，当试管为圆形时，在波长转换装置后安放一个光积分器。光电管将接到的光信号，并通过电流放大器，采用同一电路的对数转换及函数线性校正器，减法器等在数字表上直接显示出试样溶液的浓度值。

Description

本实用新型属于化学分析中用分光度法测溶液浓度的测量装置：具体地说，是涉及到一种可直读溶液浓度的双波长光度计。

众所周知，分光光度定量分析法都是以比耳定律（有时也称为比耳——朗伯定律）作为测试的理论依据，即

A＝acl＝－lgT＝lg 1/7

式中，A为吸光度，a为比例常数（它是与射的单色光及物质吸收性质有关的量，C为吸收溶液的浓度，l为测量光束在溶液中所经过的距离，T为透时率且T＝ (I)/(I) ，I_o为仪器中测量光束的初始光强，I为光接收器的实测光强。

从上式可知，透射率T与吸光度A成对数比例关系，为了能从透射率T求得浓度a，一般的做法是先根据式A＝lg 1/(T) 中A与T之间的对数关系设计出一种对数转换电路，直接测出吸光度A，然后再根据式A＝acl中A与C之间的线性关系求出浓度C。

但是，在实际上，浓度C与吸光度A只是在特征光谱吸收带中及溶液浓度适当的条件下，两者才能构成线性正比关系。否则测量结果就会偏离比耳定律。这样，仅仅依靠仪器中的对数转换电路就不能直接显示出浓度C的数值。在已往的测量中，一般都是预先配制一系列（一般不少于五个）已知浓度的标准溶液，先分别测出其吸光度值，並绘制出吸光度——浓度标准曲线，以供在测未知浓度的试样溶液时，用所测得的吸光度值从标准曲线中查出相应的浓度值。这种仪器最大的缺点就是不能从仪器上直读出试样溶液的浓度值；而且操作繁琐，易造成一系列的累积误差，影响测量精度。

目前，已出现了一种配有函数线性校正电路的比色计或分光光度计，这种电路可将试样溶液高浓度区域的吸光度偏离值校正到与浓度或线性正比关系，从而可在仪器上用数字直接显示出试样溶液的正确的浓度值。但是这类仪器所采用的电子线路往往比较复杂，价格也较高。

另一方面，目前的各类比色计或分光光度计，无论是单光束或双光束的仪器，也无论它们是否可直读浓度，为了防止外界环境光对测量光束的干扰，一般都要将试样溶液放到仪器暗盒中进行测量。其中有些仪器采用手工操作，需先将试样溶液倒入用玻璃特制的比色池中，然后再放入暗盒中进行测量，这类仪器操作繁琐，不能保证比色池体的窗口每次的清洁度都一致，更难于保证各个比色池体的窗口的光学性能的一致，且试样溶液易溅入到暗盒中腐蚀仪器，影响仪器的精度和寿命。其中另一类仪器虽然采用了可自动进样的流动比色池，但当试样溶液是盛于化验试管中且批量很大时（如医院中对人体血液的化验），仍然存在一个操作不便的问题。

同时，对于单光束或双光束的仪器来说，在测量过程中除试样溶液外，还应有作为基准的参考溶液及用于仪器校零和浓度定标的空白溶液，这不仅增加了操作步骤，同时由于空白溶液存在时效变值，需经常更换，也给操作带来很大的不便。目前有一种按B·Chancc提出的双波长分光光度法设计的双波长分光光度计，由于全是测定一个试样溶液在两个毗邻波长下吸光度的差值，这样可将背景吸收扣除，也就不需要作为基准的参考溶液。这种仪器可以自动扣除散射光的影响，取得可靠的测量结果。但是这种仪器的试样溶液必须放在暗盒中，每次测量前仍需用空白溶液校零，且需要有复杂的波长切换装置和校正吸光度与浓度成线性关系的电子线路，操作复杂，成本高。

本实用新型的目的是提供一种机械结构和电子线路均大为简化了的，不需使用暗盒和专用比色池的，操作方便的，可直读试样溶液浓度的双波长光度计。

本实用新型目的是通过下述构思和方式实现的，即在国内外现有双波长光度计的基础上，对其机械结构和电子线路作了以下几个方面的改进：

1.光源，本实用新型的光源采用强光源，並在强光源与试样溶液之间安放了一个聚焦透镜，並使从强光源发出的测量光束聚焦在试样溶液中，从而使测量溶液处于远比环境光照强得多的光照之下，这样就可以将环境光的干扰忽略不计，省去了暗室操作，为连续快速测试试样溶液提供了条件。

2.比色池，本实用新型用盛放试样溶液的化验试管本身代替了比色池，即设计了一种试管座，可将试管***试管座中，试管座的两侧开有进光孔和出光孔，使测量光束经过试管中的试样溶液。这种试管座可以十分方便地更换试管，同时可以进一步减少环境光的影响。

3.光积分器。当化验试管为园形时，本实用新型在试器座后安置了一个光积分器，测量光束经过光积分器后可以消除因为园形试管壁所带来的误差。

这是因为，圆形试管的玻璃成份和应力不均匀及管壁上的点状、条状条纹等造成了经过圆形试管的测量光束产生明暗阴影，这种明暗阴影透射到光电接收器上，将造成电讯号的升降；为转动圆形试管，将造成电讯号大幅度的变化，从而严重影响仪器的测量精度。但是由于阴影是明暗相间的，测量光束强度的变化是局部的，而测量光束的总能量不变。所以通过一个光积分器可以消除上述局部变化，保证测量精度。

4.滤光片和波长转换装置。为了消除试样溶液中混浊度所造成的误差，在光积分器后安装一个用电磁自动转换二个滤光片的装置。波长的选择原则与B·Chance在双波长分光光度计中的选择原则不同，本实用新型是选一个与试样溶液最大透时率相同的波长作为本底波长，再选一个与试样溶液最大吸光度相同的波长作为比色波长，测量时先用本底波长的滤光片测出试样溶液（相当于空白溶液）的吸光度，再用比色波长的滤光片测出试样溶液的吸光度，二者的差值即为试样溶液已消除混浊误差的吸光度值，再经过吸光度与浓度的函数线性校正电路校正后，即可直接显示试样溶液的浓度值。

通过实验证实，两波长在毗邻的条件下一般为1～2毫微米，可消除99％以上的散射光，而波长差在几十～几百毫微米时，虽然性能差些但也可以消除90％的散射光，故已能满足测量精度的要求，又可以不用空白溶液，而只要用试样溶液就可以直接校正吸光度零位。

5.吸光度与浓度的函数线性校正电路，为了能从仪器上直接读出浓度值，可在对数转换电路后配置一个函数线性校正电路。但是一般仪器所采用的这类线路都较为复杂。本实用新型是在对原对数转换电路的基础上加以改进使其同时具备对数转换和函数线性校正两种功能。这是因为这两个电路都是利用非线性元件PN结的伏安特性设计的，在对数转换电路中，输入端的电位与输出端的电位呈对数关系，集成放大器的输入失调电压和输入电流将引起较大的非对数转换误差，故通过电位器来校准对数转换误差。如果将其中控制校准精度的二个电阻加以调整，就可以使该对数转换器在较大数值时偏离正确的对数转换值，其偏离的数值正好与试样溶液在高浓度区域中吸光度的偏低的数值相抵，这就修正了试样溶液在高浓度区域偏离比耳定律的非线性误差，从而使其同时，起到了函数线性数正的功能。

本实用新型的优点是能在不使用暗盒的开敞条件下，用普通化验试管代替比色池並只要将试管直接***仪器中的试管座即可在仪器上直读出试样溶液的浓度值，操作十分方便。而所采用的将对转换和函数线性校正合一的电路又十分简单有效，所采用的电磁转换波长装置也具有结构简单，操作方便的优点，由于可用本底波长滤光片直接对试样校准吸光度的零位值，从而省去了    试样溶液每次使用前要用空白溶液校零位的操作。本实用新型通过一些简单的机械结构和电子线路，就达到了国内外同类仪器的测量精度，但又简化了操作步骤和降低了生产成本，这对于生产单位和使用单位来说，都将是很有实际价值的。

下面将给出作为本实用新型的一个具体实施例的医用血色素测量仪並结合附图进一步描述其细节和优点。

附图的图面说明：

1.该血色素测量仪的光路和电路示意图；

2.该血色素测量仪的结构示意图；

3.该血色素测量仪中使用的光积分器示意图；

4.该血色素测量仪中使用的电磁转换波长装置的电路图；

5.该血色素测量仪中使用的对数转换和函数线性校正电路图。

目前国内医院对血色素化验方法大多采用单波长比色计或分光光度计，所以操作复杂，测量误差大，且每测试一个试管血液中的血色素，都需清洗比色池，将试管中的血液倒入（或吸入）比色池，效率很低。但是，按照上述实用新型构思所制作的双波长血色素测定仪都能有效地解决这些问题。

参见附图1和附图2，作为本实用新型的一个实施例的血色素测定仪光路和电路及结构如图所示，其中的主要部件为：一个作为强光源的溴钨或卤钨光源灯〔1〕（电压为12伏，电流为3安培）一个放在灯后的聚光透镜〔2〕，一个放在透镜后的试管座〔4〕，该试管座中有一个可与盛放试样溶液的圆形试管的外径相匹配的圆柱形的孔〔3〕，试管座的两侧开有进光孔和出光孔。在进行血色素测定时可将试管***孔〔3〕中，同时试管座安放的位置要正好使圆柱形的孔〔3〕位于测量光束的聚焦点上。这一点可通过调正光源灯的位置来进行。在试管座后有一个电磁转换波长装置，它连接在试管座的后部，它由一个电磁吸动滑棒〔11〕，二个吸动线包〔6〕、〔13〕和二个滤光片〔7〕〔12〕组成。其中一端为本底波长吸动线包〔13〕和本底波长滤光片〔12〕，另一端为比色波长吸动线包〔6〕和比色波长滤光片〔7〕，吸动线包〔6〕〔13〕可使滤光片〔7〕〔12〕在滑棒〔11〕上滑动。在电磁转换波长装置后有一个位于测量光束同轴线上的光积分器〔8〕，在光积分器后有一个作为光接收器的真空式光电管〔10〕，和一个微电流放大器〔23〕，由于光电管的阻抗很大，一旦受潮漏电会给放大器的转出带来很大影响，所以将它们同置于用硅塑料密封的防潮盒〔9〕中。

当光电管〔10〕接受到测量光束的光信号后，在其阴极输出端转变为电信号，然后用微电流放大器〔23〕将电讯号放大，再经过对数放大器和函数线性校正器〔24〕修正，然后经过减法器（图中未画出），供数字表〔15〕显示。

在仪器的外壳上依次排列有函数线性校正电路的校准旋扭δ〔14〕，直接显示溶液浓度的3 1/2 位的数字表〔15〕，溶液浓度的校正旋钮C〔16〕，校准溶液透射率的开关OT〔17〕，本底波长校准旋钮B〔18〕，开关OT〔17〕的暗电流校零旋钮〔19〕，校准吸光度用的开关OA〔20〕，开关OA〔20〕的校零旋钮〔21〕及电源开关〔22〕。一个仪器盖〔5〕在与试管座〔4〕上的圆柱形的孔〔3〕的对应位置上开有一个相应的孔，或者在与试管座〔4〕的座体对应位置上开有一个开口（图中均未画出），从而在仪器盖〔5〕关闭后仍然可使试管***试管座中的孔〔3〕中。当然这种试管座也可以做成可使试管自动进样的流水线式或转盘式各种式样，在仪器上也可以配上数字打印设备等。

在该血色素测定仪中，选波长为650毫微米透光率为36％的滤光片为本底波长滤光片，选波长为540毫微米，透光率为32％的滤光片为比色波长滤光片。由于波长间隔为110毫微米，浓度测量范围可达0.7A，到2A，在血色素测量中，浓度测量范围要求为0－20克％，则吸光度变化为0－2A，所以完全可以满足要求。这样只要将盛有大约为2毫升的血色素溶液的试管***试管座，在仪器上立即自动分别测出溶液的本底波长吸光度值和比色波长吸光度值，並在仪器的数显表上直接显示出作为二者差值的该溶液的浓度值。

参见附图3，这是用了血色素测定仪中的一个光积分器〔8〕的一个实例，它的下部为圆柱体，上部为平截圆锥体。在紫外光区可采用石英材料制成，在可见光区可采用光学玻璃或有机玻璃制成。圆柱体的底面为进光毛面〔8a〕，它是一圈一圈凹凸相间的条纹；圆柱体本身为导光体〔8b〕，圆锥体本身为聚光体〔8C〕圆锥体截面为出光面〔8d〕，在导光体和聚光体的表面用真空涂膜法涂一层铝膜以增加积分效果。这种光积分器的进光毛面可以使测量光束进入导光体后产生漫射光，从而大幅度地消除了由圆形试管产生的明暗阴影，然后再通过聚光体使漫射光从新聚合后从出光面射出。据实验测定，在没有光积分器的情况下，转动园形试管所引起的吸光度的变化为0.2A；如加上光积分器，吸光度的变化为0.01A，如将圆形试管定位和用双波长校正，吸光度变化仅为0.001A，而仪器精度要求为变化不超过0.005A。

参见附图4，电磁转换波长装置的电路图的原理为：R1为限流电阻（阻值为4K欧姆），开关S1常通于12伏的电源並对电容器C1充电电容为200微法，在揿下开关S1后，电容器C1通过阻流电阻R1对晶体管T1（型号为DD01）的基极供电，当晶体管T1导通后，晶体管T2（型号为3DD15）也导通，吸动线包L1〔3〕中有电流通过产生磁场，吸动装在电磁吸动滑棒〔11〕上的一个滤光片〔12〕在滑棒上滑动到测量光束的光路中，当电容器C1所存储的电量放完后，晶体管T1和T2即恢复成不导通状态，由电容器C1和限流电阻R1组成的阻容放电电路中的时间常数控制晶体管T1的工作时间约为5秒钟，另外，当晶体管T2导通时，晶体管T3（型号为3CG15）也导通，此时电容器C2（电容为1000微法）通过晶体管T2和T3放电，当晶体管T2不导通时，电容器C2通过吸动线包L1充电，使晶体管T4导通，晶体管T5（型号为3DD15）也导通，此时吸动线包L2〔6〕有电流通过，产生磁场，吸动装在电磁吸动滑棒〔11〕上的另一个滤光片〔7〕滑动到测量光束的光路中，从而完成了自动切换动作。当电容器C2充电电压达到电源电压12伏时，晶体管T4就不导通，跟着晶体管T5也不导通，其工作时间由电容器C2和电阻R4（阻值为510欧姆）组成的阻容放电电路中的时间常数所控制，也约为5秒钟左右。之所以要对工作时间进行控制，这是因为吸动线包只有在大电流情况下工作才有足够的功率吸动滤光片在滑棒上滑动，但是如通电时间长就会使仪器产生温升，影响测量结果。所以必须限制该自动转换电路在短暂时间内工作。此外电阻R2（阻值为12.5K欧姆）和电阻R3（阻值为6.2K欧姆）均为限流电阻。

参见图5，该电路为一个同时具备对数转换和函数线性校正双重功能的电路图，它基本上是属于一个经过改进了的对数转换电路，输入端Ein与输出端EOut的电压呈对数关系。其中双三极管（型号为SG921S）中的A管与集成运算放大器T1（型号为5G24，电压为12伏）组成对数转换电路，与其有关的电阻R1为5.6K欧姆，R2为300欧姆，R3、R4、R5、R6均为10K欧姆，电容C1为2000微微法。

双三极管中的B管与集成运算放大器T2（型号为5G24，电压为12伏）组成恒流源，以补偿A管的温度系数，与其有关的热敏电阻RT的，阻值为20°1K欧姆，RT为50K欧姆，R和R8为1K欧姆，R10为10K欧姆，电容C2为2000微微法，C3和C4为100毫微法。硅稳压管（型号为2DWT）与有关电阻组成稳压电路，电阻R9，R11和R13阻值为10K欧姆，R12为1K欧姆。在上述电路中，集成运算放大器T1的输出端电位由电位器W调节，在常用的对数转换电路中，均将电位器W调节到可完全补偿集成运算放大器的失调电压，则输出端Eout与输入端Ein的电位呈高精度的对数关系。但是在本电路中通过将电阻R1以原来的阻值100K欧姆改成5.6K欧姆，将电阻R2从原来的100欧姆改成300欧姆，这样就扩大了电位器W的校准范围，即使其校准的对数转换关系在较大数值时偏离正确的数值，並正好等于试样溶液在高浓度区域吸光度的偏低值，也就是说，通过电位器W调节的电位高于集成运算放大器T1的失调电压值，並使A管在较低电压区域导通。这就成输出电压Eout电压增高，同时达到了对数转换和函数线性校正的双重目的。从而使仪器直接显示出试样溶液的浓度值成为可能。

在本实施例中所用到的其它电路，如微电流放大器，减法器以及外壳上的各种旋钮和开关的电路连接等，固属本专业中的技术人员所熟知的内容，在此就不再详述了。

最后，需要再次说明的是：给出本实施例本身及其光路、电路和结构的细节的目的只是为了便于理介和应用本实用新型，而不是为了限制本实用新型。只要是符合本实用新型构思的各种双波长光度计及其改进和变体，只要是属于下述权利要求书中所给出的范围，都是属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (6)

1、一种可直读浓度的双波长光度计。它是由下列部件和电路构成：

一个光源灯；

一个放在光源灯后的聚焦透镜；

一个位于聚焦透镜后的波长转换装置，该装置有两个滤光片；

一个位于波长转换装置后的作为光接收器的光电管；

光电管将接到的光信号转换为电信号並通过电流放大器对数转换器和函数线性校正器后及其可得出两滤光片所得吸光度差值的减法器，最后由数字表显示出试样溶液的浓度；

本实用新型的特征在于：

(1)上述光源灯采用强光源；

(2)在本光度计中没有专门的比色池，而只是在上述聚焦透镜和电磁转换波长装置之间安装了一个试管座，试管座上开有与试管相匹配的孔，盛有试样溶液的试管可***孔中，试管座的位置应使孔中溶液位于聚焦透镜的聚焦点上；

(3)在本光度计中没有用于安放试管座和试管的暗盒，即可使试管在开敞的条件下测试；

(4)上述滤光片一片为本底波长滤光片，波长与试样溶液最大透射率的波长相同；另一片为比色波长滤光片，波长与试样溶液最大吸光度的波长相同；

2、据权利要求1所述的光度计，其中，当试管为圆形时，在波长转换装置后安放一个光积分器。

3、据权利要求2所述的光度计，其中上述光积分器由石英材料或光学玻璃制成，它的下部为圆柱体，上部为平截圆锥体。圆柱体的底面为进光毛面，它是一圈一圈凹凸相间的条纹；在圆柱面和圆锥面表面上涂有一层铝膜。

4、据权利要求1或2所述的光度计，其中，上述波长转换装置为－电磁切换波长装置，它是由一个电磁吸动棒，分别位于滑棒二端的本底波长吸动线包和比色波长吸动包及位于滑棒上的本底波长滤光片和比色波长滤光片构成，该装置中还有一个由阻容放电电路的时间常数控制吸动线包吸动滤光片作的电路。

5、据权利要求1或2或3所述的光度计，其中，上述的对数转换器和函数线性校正器是采取同一电路，其中双三极管中的A管与集成运放大器T1组成对数转换电路，双三极管中的B管与集成运算放大器T2组成恒流源，並采用热敏电阻RT补偿A管的温度系数；硅稳压管与有关电阻组成稳压电路；将该电路中用于校准对数转换电路精度的电位器W中的二个电阻一个增大，另一个减低，所采用的电阻值使在较大数值时偏离正确的对数转换值，该偏离数正好与试样溶液在高浓度区域中吸光度的偏离数相抵。

6、据权利要求4所述的光度计，其中，上述的对数转换器和函数线性校正器是采取同一电路，其中双三极管中的A管与集成运算放大器T1组成对数转换电路，双三极管中的B管与集成运算放大器T2组成恒流源，並采用热敏电阻RT补偿A管的温度系数；硅稳压管与有关电阻组成稳压电路；将该电路中用于校准对数转换电路精度的电位器W中的二个电阻一个增大，另一个减低，所采用的电阻值使在较大数值时偏离正确的对数转换值，该偏离数正好与试样溶液在高浓度区域中吸光度的偏离数相抵。

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