Со всех углов. Как работают спектрофотометры
Автомобильный бизнес движется в ногу со временем и осваивает новейшие технологии. Без этого сейчас просто не выжить. Время клиентов дорого, и СТО стремятся осуществить ремонт качественно и максимально быстро. Как возможность ускорения процесса — использование спектрофотометра в работе колориста. На рынке огромный выбор различных спектрофотометров, как и какой выбрать — давайте разберемся.
«Вы видите на стоянке десять белых машин, колорист видит десять разных белых машин» — так частенько шутят насчет работы специалистов по цветоподбору. Действительно, еще несколько лет назад, глаз специалиста был основным решающим критерием. Да, конечно, в программе по цветоподбору содержатся тысячи рецептур краски, но именно колорист, оценивая их, выбирая подходящую формулу для каждого автомобиля, делая пробные выкраски и сравнивая образцы между собой. Это можно сравнить с работой дегустатора вин или парфюмерии.
Правда, в отличие от неспешной работы в шато на юге Франции, СТО не может себе позволить долгие поиски правильной формулы. Современный тренд — скорость и точность. Именно он управляет автобизнесом. И его помощник — спектрофотометр.
Распространение по миру
Эти приборы уже давно работают в полиграфии, исследовательских лабораториях, фармацевтике, в области охраны окружающей среды и многих других направлениях. В сферу автосервиса они попали относительно недавно, и прошли значительный эволюционный путь. Совершенствуется и программное обеспечение для работы со спектрофотометрами. Грамотное использование этих инструментов позволяет максимально быстро найти формулу, сократить количество шагов в процессе колеровки и, как следствие, сэкономить ресурсы.
Спектрофотометры предлагают большинство производителей систем цветоподбора для оптимизации работы колориста. BASF, Axalta, AkzoNobel, PPG, GreenLine — этот список компаний далеко не полный. Основными поставщиками спектрофотометров для автомобильной индустрии являются X-Rite и BYK. Но надо учитывать важный нюанс: каждый производитель ремонтных эмалей разрабатывает программное обеспечение под особенности собственной линейки. Естественно, это очень большая работа, требующая много времени и средств. При этом характеристики и возможности как программы, так и спектрофотометра могут сильно отличаться друг от друга.
И чем современнее спектрофотометр, тем выше его стоимость. В чем же их принципиальное отличие?
Как это устроено?
Чтобы понять,— обратимся к принципу работы. Если коротко, то с помощью встроенного в прибор источника света образец освещается; свет, отраженный от образца, анализируется, определяется отношение отраженного от образца светового потока к падающему потоку во многих точках спектра, на основании этих данных программное обеспечение строит графики. Кроме спектральной кривой спектрофотометра представляет измерения в колориметрических координатах цвета, например в CIE L*a*b*. Цветовое различие между двумя образцами традиционно определяется как расстояние между их цветовыми координатами в цветовом пространстве CIE L*a*b* и обозначается как ΔЕ.У каждого цвета коэффициент уникален, и подобрать оттенок с высокой точностью — дело техники.
Не будем углубляться в терминологию технического строения приборов. Скажем простым языком: приборы могут быть одноугловыми и многоугловыми. Самыми распространенными и доступными на сегодняшний день являются одноугловые колориметры. Они позволяют достаточно точно определить неэффектный цвет. Поэтому чаще всего их можно встретить в строительных магазинах, где колеруют эмали для внутренних и наружных работ. В автомобильной индустрии такие приборы не применяют, так как большинство цветов сейчас имеют эффектные частицы, которые изменяют оттенок цвета при различных углах обзора, и для объективной оценки цвета необходим многоугловой спектрофотометр.
Эволюция спектрофотометров
Самыми первыми многоугловыми спектрофотометрами были трехугловые приборы. Они появились в начале 90-х годов прошлого столетия. Это был прорыв в мире колористики. Впервые прибор мог определить координаты LAB для каждого угла обзора, что позволяет произвести более точный поиск и найти ближайшую рецептуру эмали с эффектом металлик. Как известно, технологии не стоят на месте, и в 2000-х годах производители делают следующий шаг в развитии спектрофотометров и выпускают приборы нового поколения — пятиугловые. Это позволяет более детально сканировать цвет и получать больше информации для подбора точной рецептуры.
Работа по усовершенствованию продолжается, и примерно в одно и то же время (4–5 лет назад) у акул рынка BYK и X-Rite выходит третье поколение спектрофотометров. Обладая всеми функциями «классических» многоугловых спектрофотометров, BYK-mac i и X-RiteMA-T12 предлагают новые возможности: кроме традиционного измерения цветовых характеристик образца под пятью разными углами (15°, 25°, 45°, 75° и 110°), эти спектрофотометры измеряют цвет при –15° (за границей зеркального отражения). Угол –15° в полной мере позволяет проанализировать поведение/миграцию цвета покрытия с эффектом «хамелеон»— когда цвет меняется от зеленой к красной области цветового пространства. От аналогов новый спектрофотометр отличает возможность полного анализа влияния на внешний вид изделия визуальных эффектов покрытия («искристость», «зернистость»).
Дело в том, что два образца с одинаковыми цветовыми характеристиками внешне могут отличаться друг от друга. И отличие это заключается в свойствах эффектных пигментов. В том, как покрытие ведет себя при изменении угла обзора и различных условиях освещенности. Проще говоря, в том, как краска «играет» на солнце. Уникальная технология оценки эффектных пигментов реализована в третьем поколении спектрофотометров. Встроенная CCD-камера фотографирует измеряемый участок поверхности при различном освещении. Сначала при прямом падающем свете («яркий солнечный день»), а затем — при рассеянном освещении («облачный день»). Встроенный компьютер анализирует каждый снимок: пиксель за пикселем он подсчитывает количество «вспыхнувших» частичек пигмента при попадании на них света при всех шести углах отражения (при прямом свете). И количество светлых и темных фрагментов при рассеянном освещении. В первом случае определяется степень «искристости» покрытия, во втором — измеряется степень «зернистости» покрытия. Таким образом, вы получаете выраженное в объективных цифрах проявление и поведение эффектного покрытия.
Ценовой вопрос
Правда, и цена у аппаратов третьего поколения весьма неслабая и в розницу достигает 3 млн рублей в зависимости от комплектации приборов. Однако производители ЛКС, выпуская приборы под «своими» брендами, делают их более доступными по цене. Естественно, позволить себе приборы новейших поколений могут производители премиальных лакокрасочных систем. А игроки рынка в более доступном ценовом сегменте по-прежнему применяют в производстве спектрофотометры второго и даже первого поколений.
Подводя итог, можно сказать, что спектрофотометр поможет заметно сократить время на подбор и составление краски, а значит,— и снизить стоимость этой услуги.
Ведь чем быстрее выполнил эту работу колорист, тем меньше своего рабочего времени он потратил. К тому же, следуя рекомендациям колористических программ, удается минимизировать и расход лакокрасочных материалов. Один и тот же цвет можно создать из разных компонентов за разное количество шагов — тут просто огромное поле для оптимизации процесса. Естественно, для получения правильных результатов необходимо проходить специализированное обучение по работе с приборами и программой. Поэтому поставщики ЛКС организуют регулярное обучение для своих партнеров-колористов. ПО постоянно обновляется и совершенствуется, а базы цветов регулярно пополняются, поскольку на рынки выходят новые игроки и новые производители.
Уйдет ли профессия колориста в прошлое? Возможно, но в далеком будущем, ведь для автоматизации процесса в настоящее время невозможно исключить человека из цепочки, так как прибор по-прежнему «не видит зерна» и для подбора рецепта все так же нужны человеческий глаз и ум.
Спектрофотометр
Электронный прибор, с помощью которого определяется состав веществ и их соединений в эмульсиях, взвесях и растворах называется медицинским спектрофотометром. Устройство имеет два наиболее известных названия: фотоэлектрический фотометр и фотоэлектроколориметр. Спектрофотометры используются в различных сферах, но больше всего они нашли свое применение в медицине и фармацевтике. Приборы отличаются высокой точностью и позволяют сэкономить реактивы и время на проведения исследования.
Особенности спектрофотометров
Самые первые фотометры нуждались в участии медицинского работника для проведения исследования. Специалист должен был сравнивать и фиксировать полученные с устройства показатели. Данные сопоставлялись с общепринятыми нормативами. На смену таким приборам пришли автоматизированные фотоэлектроколориметры.
Спектрофотометры – это современное медицинское оборудование, которое предназначается для изучения и анализа свойств предметов либо веществ с помощью электромагнитного излучения. Световые лучи проходят сквозь пробу или отражаются от нее. Прибор сравнивает поток света, который первоначально направляется на биоматериал с излучением, проходящим сквозь образец либо отражающим от его поверхности.
Для проведения анализа сканируется широченный диапазон волн: начиная от 160 нм (ультрафиолет), заканчивая 3300 нм (инфракрасные лучи), с помощью чего получается максимально точная информация о веществе.
Спектрофотометрическая методика основана на том, что каждый предмет обладает особенными спектральными характеристиками. Именно поэтому во время проведения анализа не играет роли температурный режим и агрегатное состояние образца. Особенностью спектрофотометра является возможность проведения качественных и количественных исследований.
Главным плюсом фотоэлектрического фотометра есть вывод полученной информации на дисплей (лаборант может увидеть состав пробы, наличие и численность примесей). С помощью специальных световых фильтров устройство определяет в образце не менее 3-5 составляющих компонентов.
Сферы применения
Спектрофотометры используются для исследований в биохимии (анализируются липиды, электролиты, субстраты, ферменты), иммунохимии (проводится анализ ламбда, ферритин, миоглобин, микроальбумин, гаптоглобин), бактериологии. Для анализа качества еды и воды (сточной, природной и питьевой) применяется фотоэлектроколориметр. При определении качественных характеристик воды определяется мутность и цвет жидкости, наличие тяжелых металлов и поверхностно-активных компонентов, содержание нитритов, фосфатов, фенолов и сульфатов.
Спектрофотометр пригодится для проведения научных, гормональных, экологических и специальных исследований. В отделениях санитарно-эпидемиологического надзора обязательным является наличие данного прибора. Кроме медицины оборудование используется в сельском хозяйстве и промышленной отрасли.
Фотоэлектрический фотометр нужен для:
- выявления чистоты исследуемых образцов и нахождения примесей;
- измерения в жидкостях оптической плотности и ее изменений;
- определения концентрации пробы (исследование проводится в медицинских учреждениях);
- изучения, анализа состава и химического строения веществ, образцов и реактивов;
- спектральной диагностики.
Фотоэлектроколориметр – это устройство, которое применяется для проведения различных исследований: медицинских; биологических; фармацевтических; химических. Благодаря точным результатам, которые появляются на экране оборудования, доктор может узнать характеристику реагентов и назначить пациенту эффективное лечение.
Как устроен прибор?
Абсолютно все автоматизированные фотоэлектроколориметры состоят из: источника света (вольфрамовой, дейтериевой или галогено-дейтериевой лампы); усилителя сигналов; фотоприемника; монохроматора; оптических составляющих (световодов, зеркала, призмы и стекла); отсека для реагента.
Монохроматор содержит дифракционную решетку либо призму, которые выделяют излучение определенной длины волны. В различных моделях есть от одного до четырех отсеков для проб. С помощью фотоприемников спектрофотометр фиксирует уровень светового излучения, который проходит сквозь биологический материал.
Наиболее современные приборы укомплектованы фотодиодной матрицей, в состав которой входит встроенный датчик. Чип преобразует световой сигнал в электрический, это фиксируется микроконтроллером и высвечивается на мониторе оборудования. Не достаточно мощные приборы обрабатывают волны с различной длиной постепенно, и только потом выводят результаты на дисплей. От количества фотодиодных датчиков зависит производительность и информативность спектрофотометра.
С помощью приборов с фотодиодной матрицей можно проводить оперативные исследования не отходя от производства либо во время возникновения химической реакции. Это позволяет детально проанализировать состояние реакционных веществ.
Особенности работы устройства
Спектрофотометрическая методика основана на измерении степени отражения или поглощения монохроматических световых лучей. Во время исследования посторонние факторы не могут влиять на результативность анализа. Все приборы работают на двух разновидностях схем. В первом случае на пробу попадает монохроматический световой луч с определенной длиной волны, который после прохождения через образец направляется на фотоприемник, измеряющий разницу между потоками.
Суть второй схемы заключается в том, что на реагент попадает световой поток прямо от лампы, затем монохроматор выделяет небольшой пучок и направляет его к фотоприемнику.
Спектрофотометры бывают однолучевыми и двухлучевыми. В приборах с одним лучом для измерения применяются коэффициенты коррекции. В случае двухлучевой диагностики один луч попадает на пробу, а второй – на эталонное значение. Оборудование с двумя лучами более точное, информативное и менее чувствительное к окружающим факторам.
Правила выбора спектрофотометра
При подборе устройства необходимо учитывать сферу его применения и выполняемые задачи. Фотоэлектрические фотометры бывают переносными и стационарными. Портативные аппараты имеют небольшой вес, компактные и легкие в использовании. Стационарные приборы устанавливаются в медицинских учреждениях и диагностических центрах. С помощью этих устройств проводятся более сложные измерения. Такие спектрофотометры могут подключаться к персональному компьютеру с помощью кабеля, а полученные данные подлежат архивированию, обработке и распечатке на принтере.
При выборе медицинского аппарата нужно учитывать: спектр действия (диапазон); длину волны; многофункциональность устройства; габариты; цену; вероятность проведения определенных исследований; количество секций для реагентов; способ получения результатов. Также необходимо обратить внимание на штатную комплектацию модели спектрометра, потому как практически все современные приборы продаются с кюветом и чашкой Петри.
Что такое спектрофотометр
Спектрофотометр – это высокотехнологичный прибор, необходимый для измерения спектральной зависимости степени поглощения, пропускания, оптической плотности и концентрации растворов, веществ посредством различных видов электромагнитного излучения: видимого, инфракрасного, ультрафиолетового.
Принцип работы
Методы спектрометрии предполагают анализ спектрального состава разных биологических материалов с помощью отраженного или прошедшего через них электромагнитного излучения в оптическом диапазоне по их способности отражать (поглощать) различные длин волн. Для этого проводится сравнение двух фотопотоков оптического излучения: падающего на образец и прошедшего или отраженного от/через образец.
Эффективность данного анализа состоит в том, что все вещества по-разному поглощают свет при разной длине волны. По количеству поглощенного света можно установить концентрацию вещества, изучить состав его элементов. Анализ можно проводить в количественном и в качественном аспектах.
Устройство спектрофотометра
Спектральные анализаторы разных видов состоят из следующих основных элементов:
- источник света в виде разного вида ламп – вольфрамовых (видимый и инфракрасный спектр), дейтериевых (УФ-диапазон), комбинации галогено-дейтериевых (ультрафиолетовый и инфракрасный);
- монохроматора – призм, дифракционных решеток для выделения узких участков спектра оптического излучения;
- преломляющих, отражающих, дифракционных оптических элементов – для направления светового потока (стекла, призмы, зеркала, световоды);
- отделение или кювета для размещения исследуемого вещества, твердого или жидкого;
- фотоприемника – для фиксации уровня светового излучения, который проходит через исследуемый образец;
- усилителя сигналов – для передачи сигналов после определенного преобразования для обработки на компьютер.
Схема прибора
В состав схемы спектрального анализатора входят источник непрерывного спектра, узел исследуемого материала, спектральный узел и система регистрации.
Существует 2 основных конструктивных типа спектрофотометров:
- однолучевые – измеряют интенсивность света до и после каждого образца, для измерений применяются коэффициенты коррекции;
- двухлучевые – один луч падает на исследуемый предмет, а второй — на образец, затем сравниваются результаты интенсивности между двумя световыми путями.
Преимущество двухлучевых спектральных анализаторов очевидно: они более точны и менее чувствительны к изменяющимся условиям окружающей среды.
Что измеряет
Спектрофотометры имеют широкий масштаб возможностей. Они применяются для измерения концентрации веществ, их плотности, наличия различных включений, выявления примесей. Также они определяют возможности и скорость изменения показателей при модифицировании состава. Нередко используются для точной классификации цветов, спектрального анализа.
Спектрофотометры необходимы для следующих измерений:
- установления концентрации материалов в медицинских, фармацевтических, химико-биологических методах исследований;
- определения в растворах оптической плотности и скорости ее изменения;
- распознавания неизвестных веществ, для измерения чистоты материалов (присутствия примесей);
- изучения химического строения и состава веществ, химических реактивов, различных образцов;
- оценки цвета – в полиграфии, при производстве в лакокрасочной, текстильной, химической, пищевой, косметической отраслях (при производстве пластмасс, тканей, лаков, красок, косметических средств и т.п.);
- спектрального анализа в научных исследованиях, в астрономии, физике, биологии.
Области применения
Возможности спектрофотометрии нашли применение в самых разных сферах жизнедеятельности человека:
- промышленности и производства;
- энергетике;
- научных отраслях (от химии до астрономии);
- фармацевтике, медицине;
- экологии, защите окружающей среды;
- полиграфии.
Благодаря высокой скорости и точности проведения анализа спектрофотометры востребованы в разных сферах контроля качества, прежде всего научно-исследовательских, пищевых, нефтехимических, производственных, металлургических, биохимических лабораториях, а также в лабораториях проверки состава воды. На производственных линиях используются крупногабаритные стационарные установки, которые обладают многофункциональностью и подходят для самых сложных разноплановых исследований.
Портативный вариант приборов позволяет использовать их для исследований в полевых условиях, например, для анализа состава воздуха, воды, грунта, почвы. Спектрофотометры умеют измерять спектры отражения и вычислять наличие пигментов в цвете, эти свойства нашли практическое применение при колорировании красок и эмалей в типографиях, при покраске автомобилей, предметов интерьера.
В нашем интернет-магазине можно приобрести модели спектрофотометров высокого качества отечественных и зарубежных производителей, в том числе из США. Мы предлагаем широкий модельный ряд приборов различной оснащенности, отличающихся по спектральным диапазонам, погрешностью и воспроизводимостью установки длины волны, наличием сканирования спектров, комплектацией, видом установки длины волны (ручная, автоматическая). Наши консультанты помогут в выборе и подберут необходимый вам вариант под любой бюджет и задачи.
Спектрофотометры, их устройство
Спектрофотометры — современное оборудование, предназначенное для изучения 
свойств веществ или предметов посредством анализа спектра оптического диапазона электромагнитного излучения, прошедшего через образец или отраженного от него. Проще говоря, спектрофотометры сравнивают поток света, изначально направленный на изучаемый образец, с потоком света, прошедшим через образец или отразившимся от него. Для исследований сканируют максимально широкий диапазон длин волн — от 160 нм (область ультрафиолета) до 3300 нм (инфракрасная область), что позволяет получить максимум информации о веществе.
Методы спектрофотометрии основаны на том, что своими, характерными только для него, спектральными свойствами, обладает каждое вещество. При этом не имеют значения агрегатное состояние, температура, взаимодействие образца с другими веществами, например, в смеси или химическом соединении. С помощью спектрофотометров возможны качественные и количественные исследования.
Спектрофотометры сложнее и дороже обычных фотоколориметров, но зато они точнее и позволяют решать более сложные задачи. Большим преимуществом спектрофотометров является возможность делать вывод о составе вещества, наличии и количестве примесей, в то время как фотоколориметры работают только с уже известными растворами. Например, подделку красного вина с помощью фуксина определить фотоколориметром невозможно, так как цвет раствора фуксиновых солей идентичен цвету натурального вина. А вот спектрофотометр легко выявит и идентифицирует нетипичный спектр посторонней примеси.
Устройство спектрофотометра
Спектрофотометры всех видов состоят из следующих основных компонентов:
— источник света;
— монохроматор;
— оптические элементы, направляющие световой поток: стекла, призмы, зеркала, световоды и пр.;
— отделение для изучаемого вещества, твердого или жидкого;
— фотоприемник;
— усилитель сигналов.
В качестве источника света применяются обычные вольфрамовые лампы, работающие в видимом и инфракрасном спектре, дейтериевые лампы для УФ-диапазона, комбинированные галогено-дейтериевые лампы с диапазоном от ультрафиолетового до инфракрасного.
В монохроматоре используют призмы или дифракционные решетки, выделяющие излучение определенной длины волны, обычно с точностью ±10 нм (прецизионные лабораторные приборы позволяют производить анализ с точностью ±2 нм).
Отделение для изучаемого вещества может быть приспособлено как для одного образца, так и для нескольких, а также для оперативного проточного анализа.
Фотоприемники фиксируют уровень светового потока, прошедшего через исследуемый образец. Результаты могут отображаться в разных видах, в зависимости от назначения прибора и от выбора вида исследования. Как правило, спектрофотометры оснащаются несколькими типами фотоприемников для того, чтобы фиксировать излучение в различных областях спектра. Например, сурьмяно-цезиевый способен фиксировать излучение с длиной волны от 186 до 700 нм, а полупроводниковый на основе PbS — от 700 до 1800 нм.
Самые современные спектрофотометры оснащаются фотодиодной матрицей 
с встроенными датчиками для каждого диапазона длин волн. Все датчики преобразуют световые сигналы в электрические одновременно, позволяя специализированным микроконтроллерам практически мгновенно выводить результаты анализов на дисплей. (Обычные спектрофотометры обрабатывают сигналы для волн разной длины последовательно.) От того, сколькими фотодиодными датчиками оснащен прибор, зависит его разрешающая способность. Спектрофотометры с фотодиодной матрицей позволяют проводить оперативные анализы прямо на производстве и в момент химической реакции, анализируя состояние реакционных продуктов.
В следующей статье мы расскажем о принципе работы спектрофотометров, местах их применения и особенностях подбора подходящего оборудования для лаборатории.