CS267610B1

CS267610B1 - A cuvette for determining light absorption

Info

Publication number: CS267610B1
Application number: CS877781A
Authority: CS
Inventors: Milan Ing Hejl; Cestmir Ing Barta; Jan Ing Zemlicka; Zdenek Ing Csc Pavlicek; Ales Ing Drsc Triska
Original assignee: Hejl Milan; Barta Cestmir; Jan Ing Zemlicka; Pavlicek Zdenek; Triska Ales
Priority date: 1987-10-30
Filing date: 1987-10-30
Publication date: 1990-02-12
Also published as: CS778187A1

Abstract

Navržená měrná kyveta řeši miniaturizaci a optimalizaci geometrických a optických parametrů zařízení pro stanoveni absorpce světelného zářeni, která pracují na principu měřeni absorpce světelného záření dané vlnové délky vzorkem měřeného prostředí. Měrná kyveta je tvořena vnějším pláštěm, popřípadě vnitřním pláštěm například ve tvaru válcové plochy, uzavřeným dvěma víky, na jejichž vnitřní funkční plochy je nanesena reflexní vrstva. Geometrické řešeni umožňuje lepši využiti vnitřního prostoru mérné kyvety k interakci světelného záření s měřeným prostředím, několikanásobným odrazem světelného paprsku uvnitř měrné kyvety se zvýší citlivost a přesnost celého zařízeni. Zařízeni se uplatní při kontrole obsahu sledovaných plynných, kapalných nebo pevných látek v ovzduší, případně při sledování obsahu alkoholových par v dechu a podobně.The designed measuring cell solves the miniaturization and optimization of geometric and optical parameters of devices for determining the absorption of light radiation, which work on the principle of measuring the absorption of light radiation of a given wavelength by a sample of the measured environment. The measuring cell is formed by an outer shell, or an inner shell, for example in the shape of a cylindrical surface, closed by two lids, on whose inner functional surfaces a reflective layer is applied. The geometric solution allows better use of the inner space of the measuring cell for the interaction of light radiation with the measured environment, multiple reflection of the light beam inside the measuring cell increases the sensitivity and accuracy of the entire device. The device is used for checking the content of monitored gaseous, liquid or solid substances in the air, or for monitoring the content of alcohol vapors in the breath, and the like.

Description

Vynález se týká měrné kyvety, která je základní součástí zařízení pro stanovení absorpce světelného záření v zadané spektrální oblasti.The invention relates to a measuring cuvette which is an essential part of a device for determining the absorption of light radiation in a given spectral region.

Zařízení pro stanovení absorpce světelného záření se používá například pro stanovení koncentrace alkoholových par v dechu vyšetřované osoby. Odpovídající přístroj je založen na měření stupně absorpce mpnochromatického světelného záření o vlnové délce 3,39 um, které prochází vrstvou vydechovaného vzduchu. K vlastní interakci mezi fotony světelného záření a molekulami alkoholu dochází v prostoru měrné kyvety tohoto zařízení, jejíž geometrické rozměry a optické parametry zásadně ovlivňují efektivitu a přesnost měření.The device for determining the absorption of light radiation is used, for example, to determine the concentration of alcohol vapor in the breath of the subject. The corresponding device is based on measuring the degree of absorption of mpnochromatic light radiation with a wavelength of 3.39 μm, which passes through a layer of exhaled air. The actual interaction between photons of light radiation and alcohol molecules occurs in the space of the measuring cuvette of this device, whose geometric dimensions and optical parameters fundamentally affect the efficiency and accuracy of the measurement.

Současně vyvíjené přístroje používají měrnou kyvetu ve tvaru hranolu. Tento geometrický tvar však vykazuje některé nedostatky, k nímž patří například skutečnost, že mezi dvěma měřeními je zapotřebí vnitřní prostor měrné kyvety pomérnč dlouho proplachovat čistým vzduchem pomocí ventilátorku, protože v důsledku ostrých hran uvnitř kyvety se původní plynná smčs združujc v těchto místech a Jen obtížné se v nich vymčňuje. Vzniká proto nebezpečí kontaminace nové náplně náplní původní. Měrná kyveta hranolovítého tvaru musí mít relativné velké rozmčry, protože nelze celý její vnitřní objem využít k měření. Velké rozměry mají dále nepříznivý dopad na výkon zdroje tepla pro vyhřívání a na dobu potřebnou pro tcmperaci měrné kyvety i na relativně velké objemy, jak proplachovacího vzduchu, tak i měřené plynné směsi. .The devices currently being developed use a measuring cuvette in the shape of a prism. However, this geometric shape has some drawbacks, such as the fact that between the two measurements it is necessary to purge the interior of the measuring cuvette with clean air for a relatively long time using a fan, because due to sharp edges inside the cuvette the original gaseous mixture is exchanged in them. Therefore, there is a risk of contamination of the new filling with the original filling. The prismatic cuvette must have relatively large dimensions, as its entire internal volume cannot be used for measurement. The large dimensions also have an adverse effect on the performance of the heat source for heating and on the time required for the operation of the measuring cuvette, as well as on the relatively large volumes of both the purge air and the measured gas mixture. .

Uvedené nedostatky odstraňuje měrná kyveta pro stanovení absorpce světelného záření podle vynálezu. Podstatou vynálezu je, že měrnou kyvetu tvoří vnější plášt ve tvaru například válcové plochy, který je uzavřen dvěma víky, přitom vnitřní funkční plochy vík jsou pokryty nanesenou reflexní vrstvou, například z hliníku. Měrná kyveta může být tvořena rovněž vnějším a vnitřním pláštěm a vnitřní plochy vík mohou mít tvar pláště komolého kužele a/neb<: jeho výsečí, popřípadě tvar pláště kužele a/nebo jeho výsečí, popřípadě tvar sférických nebe parabolických ploch a/nebo jejich výsečí, popřípadě tvary tvořené kombinací výše uvedených tvarů. .These deficiencies are eliminated by a measuring cuvette for determining the absorption of light radiation according to the invention. The essence of the invention is that the measuring cuvette consists of an outer shell in the shape of, for example, a cylindrical surface, which is closed by two lids, while the inner functional surfaces of the lids are covered with an applied reflective layer, e.g. of aluminum. The measuring cuvette can also be formed by an outer and an inner shell and the inner surfaces of the lids can have the shape of a truncated cone shell and / or its segments, or the shape of a cone shell and / or its segments, or the shape of spherical or parabolic surfaces and / or segments thereof. optionally shapes formed by a combination of the above shapes. .

Téměř celý vnitřní povrch měrné kyvety podle vynálezu lze využít k interakci světelného záření s měřeným prostředím. Mnohonásobíým odrazem světelného paprsku je zajištěna jeho relativně dlouhá celková dráha v měřeném prostředí, což vede ke značnému zvýšení citlivosti a tím i přesnosti měření. Další výhodou takto řešené měrné kyvety je její rychlejší a dokonalejší výplach po provedeném měření. Vzhledem k menším rozměrům se snižuje i potřebné množství měřeného prostředí, oprávněně lze počítat s poklesem potřebrého výkonu zdroje tepla pro vytápění i snížením doby ohřevu pro potřebnou temperaci měrné kyvety.Almost the entire inner surface of the measuring cuvette according to the invention can be used for the interaction of light radiation with the measured environment. The multiple reflection of the light beam ensures its relatively long total path in the measured environment, which leads to a significant increase in the sensitivity and thus the accuracy of the measurement. Another advantage of the measuring cuvette solved in this way is its faster and more perfect rinsing after the measurement. Due to the smaller dimensions, the required amount of the measured environment is also reduced, it is justified to count on a decrease in the required output of the heat source for heating and a reduction in the heating time for the required temperature of the measuring cuvette.

Na obr. 1 je uvedeno uspořádání měrné kyvety podle vynálezu tvořené vnějším a vnitřním pláštěm. Na obr. 2 je uveden nárys, na obr. 3 půdorys a na obr. 4 bokorys měrné kyvety včetně zdroje světelného záření a detektoru světelného záření současně s uvedením pohybu světelného paprsku v měrné kyvetě. Na obr. 5 je uveden alternativní pohyb světelného paprsku v měrné kyvetě tvořené vnějším pláštěm a dvěma víky.Fig. 1 shows an arrangement of a measuring cuvette according to the invention formed by an outer and an inner shell. Fig. 2 is a front view, Fig. 3 is a plan view, and Fig. 4 is a side view of a measuring cell, including a light source and a light detector, while showing the movement of the light beam in the measuring cell. Fig. 5 shows an alternative movement of the light beam in a measuring cuvette formed by an outer shell and two lids.

Měrná kyveta na obr. 1 je tvořena vnějším pláštěm £ a vnitřním pláštěm^, které Jsou uzavřeny dvěma víky 3 a £ Vnitřní funkční povrch vík £ a £ je pokryt nanesenou reflexní vrstvou £.The measuring cuvette in FIG. 1 is formed by an outer shell 6 and an inner shell 6, which are closed by two lids 3 and 6.

Na obr. 2 je schematicky znázorněno zařízení pro stanovení absorpce světelného záření, které tvoří zdroj 6 světelného záření, detektor 12 světelného záření a měrná kyveta podle vynálezu.Fig. 2 schematically shows a device for determining the absorption of light radiation, which comprises a light radiation source 6, a light radiation detector 12 and a measuring cuvette according to the invention.

Na obr. 3 je znázorněn pohyb světelného paprsku 9 vycházejícího ze zdroje 6 světelného záření, který je od svého vstupu £ do měrné kyvety střídavě odráží od víka £ a 4 měrné kyvety a po n odrazech opustí výstupem 11 měrnou kyvetu.Fig. 3 shows the movement of a light beam 9 emanating from a light radiation source 6, which alternately reflects it from the measuring cuvette lid from its entrance 6 to the measuring cuvette and leaves the measuring cuvette through the outlet 11 after n reflections.

CS 267 610 BlCS 267 610 Bl

Na bckorysu celého zařízení na obr. 4 je uvedeno uspořádání celého zařízení včetně zdroje ý světelného záření a detektoru 12 světelného záření.The plan view of the whole device in Fig. 4 shows the arrangement of the whole device including the light source and the light detector 12.

Na obr. 5 je zakreslena dráha světelného paprsku 9 v půdorysném průmětu. Měrná kyveta je v tomto případě tvořena pouze jedním vnějším pláštěm j_.Fig. 5 shows the path of the light beam 9 in a plan view. In this case, the measuring cuvette consists of only one outer shell.

Světelný paprsek 2 vychází ze zdroje 6 světelného záření a od svého vstupu 2 do měrné kyvety pokračuje k protilehlé reflexní vrstvě 2 nanesené na funkční ploše víka ý, na němí se v místě prvního odrazu 10 odrazí na reflexní vrstvu 2 nanesenou na víku 2· Po n požadovaných odrazech se světelný paprsek 2 dostane na výstup 11 z měrné kyvety a dopadá na detektor 12 světelného záření. Mezi vstupem 2 světelného paprsku 2 do měrné kyvety a místem prvního odrazu 10 světelného paprsku 2 je na obr. 3 vyznačena dráha x. Provedením rozkladu na kolmé složky a. a b můžeme vypočítat úhel sklonu vík 2 ³ Δ a úhel odklonu 0 zdroje 6 světelného záření a detektoru 12 světelného záření. Vstup 2 světelného paprsku 2 do měrné kyvety, jednotlivá místa odrazu 10 světelného paprsku 2 a výstup 11 světelného paprsku 2 ² měrné kyvety leží vždy na střední kružnici 2 retlexních vrstev 2 nanesených na funkčních plochách vík 2 ³ The light beam 2 emanates from the light radiation source 6 and from its entrance 2 into the measuring cuvette continues to the opposite reflective layer 2 applied on the functional surface of the lid ý, on which it is reflected at the first reflection 10 on the reflective layer 2 applied on the lid 2. In the required reflections, the light beam 2 reaches the output 11 of the measuring cuvette and impinges on the light radiation detector 12. A path x is marked in FIG. 3 between the entrance 2 of the light beam 2 into the measuring cuvette and the location of the first reflection 10 of the light beam 2. By performing the decomposition into perpendicular components a. And b, we can calculate the angle of inclination of the lid 2 ³ Δ and the angle of deflection 0 of the light source 6 and the light detector 12. The inlet 2 of the light beam 2 into the measuring cuvette, the individual reflection points 10 of the light beam 2 and the outlet 11 of the light beam 2 ^{2 of the} measuring cuvette always lie on the central circle 2 of the retlex layers 2 applied on the functional surfaces of the lids 2 ³

Jak je patrné z obr. 5, v případě měrné kyvety tvořené jedním vnějším pláštěm 2 a dvěma víky 2 ³ Δ ^vc t^varu pláště kužele, bude se světelný paprsek 2 pohybovat naznačeným způsobem. Vedle již uvedených výhod bude v případě tohoto řešení dosaženo ještě dalších. Jednak lze dosáhnout dalšího zmenšení vnějšího průměru měrné kyvety a křížením a koncentrací světelných paprsků 2 ve středu měrné kyvety nebe v jeho těsné blízkosti dalšího zvýšení citlivosti a tím i přesnosti měření.As seen from FIG. 5, if the measuring cell consisting of an outer casing 2 and the two lids 2 ³ Δ t ^va ru ^nu taper envelope, the light beam 2 to move in the manner indicated. In addition to the advantages already mentioned, other solutions will be achieved in the case of this solution. On the one hand, a further reduction of the outer diameter of the measuring cuvette can be achieved and, by crossing and concentrating the light rays 2 in the center of the measuring cuvette in the sky in its immediate vicinity, a further increase in sensitivity and thus measurement accuracy.

Zařízení pro stanovení absorpce světelného záření s měrnou kyvetou podle vynálezu bylo odzkoušeno na modelovém provedení. Model měrné kyvety byl vyroben z plexiskla s následujícími rozměry:The device for determining the absorption of light radiation with a measuring cuvette according to the invention was tested on a model design. The model of the measuring cuvette was made of plexiglass with the following dimensions:

vnitřní průměr měrné kyvety inner diameter of the measuring cuvette d = d = 40 mm 40 mm vnčjší průměr měrné kyvety outer diameter of the measuring cuvette 0 = 0 = B0 mm B0 mm střední délka medium length L = L = 50 mm 50 mm počet odrazů světelného pa- number of light reflections prsku 2 ^v měrné kyvetě2 ^{in a} measuring cuvette n - n - 6 6 úhel sklonu angle of inclination a. = a. = 7° 59*24’ 7 ° 59 * 24 ’ úhel odklonu deflection angle 0 = 0 = 22° 18’48 22 ° 18’48

Víka 2 ³ Δ byla opatřena nanesenou vrstvou kromě místa vstupu 2 ³ místa výstupu 11 světelného paprsku 2 z měrné kyvety. Jako zdroje 6 světelného záření bylo použito laseru. Odchylka skutečného místa výstupu 11 světelného paprsku 2 od teoreticky vypočteného byla 2,2 mm, což při celkové dráze světelného paprsku 2 rovné 350 mm v měrné kyvetě je.přijatelné a lze ji vysvětlit, jak výrobními tolerancemi, tak i přesností nastavení úhlů oC a 0.The lids 2 ³ Δ were provided with a applied layer in addition to the entry point 2 ³ of the exit point 11 of the light beam 2 from the measuring cuvette. A laser was used as the light source 6. The deviation of the actual point of exit 11 of the light beam 2 from the theoretically calculated one was 2.2 mm, which is acceptable with a total path of the light beam 2 of 350 mm in the measuring cuvette and can be explained by both manufacturing tolerances and accuracy of setting angles oC and 0. .

S využitím měrné kyvety podle vynálezu lze počítat všude tam, kde je požadováno stanovení množství plynných nebe kapalných látek, případně pevných částic v plynném nebo kapalném prostředí, kdy je měření založeno na principu absorpce světelného záření procházejícího požadovaným měřeným prostředím. Konkrétním případem je stanovení obsahu alkoholových par v dechu vyšetřovaných osob.The use of a measuring cuvette according to the invention can be used wherever the determination of the amount of gaseous or liquid substances or solid particles in a gaseous or liquid medium is required, where the measurement is based on the principle of absorbing light radiation passing through the desired measured medium. A specific case is the determination of the content of alcohol vapors in the breath of the examined persons.

Claims

1. Specific cuvette for lantern absorption; light radiation, characterized in that it is formed by an outer shell (1), for example in the shape of a cylindrical surface, which is closed by two lids (3, 4), a reflective layer (5) being applied to the inner functional surfaces of the lids (3, 4). , for example of aluminum.

Measuring cuvette according to Box 1, characterized in that the outer shell (1) of the measuring cuvette is supplemented by an inner shell (2), for example in the shape of a cylindrical surface.

Tindu poodle measuring cell 1 or 2, characterized in that the inner functional surfaces of the lid (3, 4) have the shape of a truncated cone shell and / or a section thereof.

4. A measuring cuvette according to item 1 or 2, characterized in that the inner functional surfaces of the lid (3, 4) have the shape of a cone shell and / or a section thereof.

Measuring cuvette according to bed 1 or 2, characterized in that the inner functional surfaces of the lids (3, 4) have the shape of spherical or parabolic surfaces and / or sections of them.

Measuring cuvette according to bed 1 or 2, characterized in that the inner functional surfaces of the lids (3, 4) have shapes formed by a combination of said shapes.