ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ РЕФРАКТОМЕТР Российский патент 1994 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению абсолютных показателей преломления жидкости, и может быть использовано при осуществлении гидрофизических и океанографических исследований.

Известен интерференционный рефракторметр [1] , содержащий источник излучения и расположенные последовательно по ходу излучения светоделительный блок, модулятор с оптическим элементом и контрольную кювету, внутри которой установлен подвижный вал с закрепленным на нем отражателем. Недостатком этого устройства является невысокая точность, обусловленная способом определения величины перемещения отражателя, который вследствие наличия люфтов и несовпадения моментов срабатывания концевых выключателей приводит к неконтролируемой погрешности.

Наиболее близким к изобретению является интерференционный рефрактометр, содержащий корпус с двумя полостями, в которых расположен подвижный вал с механизмом перемещения, лазер, оптически связанный с тремя интерференционными каналами, три уголковых отражателя которых установлены на подвижном вале, генератор периодического сигнала, блок регистрации, входы которого связаны с выходами трех фотоприемников, установленных на выходах интерференционных каналов, и выходом генератора [2] . Известный рефрактометр является относительно сложным прецезионным устройством лабораторного типа, но не обеспечивает проведение измерений в полевых условиях, например, в условиях открытого водного бассейна.

Целью изобретения является расширение области применения.

Цель достигается тем, что интерференционный рефрактометр, содержащий корпус с первой и второй изолированными друг от друга полостями, установленный в первой и второй полостях корпуса подвижный вал, состоящий из первой и второй частей, лазер, оптически связанный с последовательно расположенными стеклянной призмой, имеющей светоделительные и отражающие поверхности, первым уголковым отражателем, установленным на торце первой части подвижного вала в первой полости корпуса; первым зеркалом, установленным на модуляторе оптической разности хода в первой полости корпуса, вторым зеркалом, установленным во второй полости корпуса, а также первым и вторым фотоприемниками, механизм перемещения подвижного вала, блок регистрации, два входа которого подключены к выходам первого и второго фотоприемников, а третий вход подключен к выходу генератора периодического сигнала, который также связан с модулятором оптической разности хода, дополнительно снабжен световолоконной линией, оптически связанной с выходом лазера и стеклянной призмой, первым и вторым электромеханическими переключателями, расположенными друг напротив друга, и блоком управления механизмом перемещения подвижного вала, корпус рефрактометра дополнительно снабжен третьей полостью, сообщающейся с первой его полостью, подвижный вал дополнительно снабжен третьей частью, скрепленной с второй частью и расположенной в третьей полости корпуса, вторым уголковым отражателем, установленным между его первой и второй полости корпуса и выступом, выполненным на второй части подвижного вала и расположенным между первым и вторым электромеханическими переключателями, при этом вторая часть подвижного вала выполнена из немагнитного материала, а третья часть подвижного вала выполнена из ферромагнитного материала, механизм перемещения подвижного вала выполнен в виде каркаса, скрепленного с корпусом в третьей полости рефрактометра, и установленной внутри каркаса управляющей электромагнитной обмотки, при этом место скрепления второй и третьей частей подвижного вала располагается внутри этой обмотки, и цилиндрической пружины, одним концом скрепленной с корпусом рефрактометра, а другим концом скрепленной с торцом третьей части подвижного вала, два входа блока управления механизмом перемещения подключены к выходам первого и второго электромеханических переключателей, первый его выход соединен с четвертым входом блока регистрации, а второй выход связан с управляющей электpомагнитной обмоткой механизма перемещения подвижного вала.

На фиг. 1 показана схема интерференционного рефрактометра в погруженном состоянии; на фиг. 2 - детальная схема механизма, использующегося для целей перемещения подвижного вала; на фиг. 3 - структурная схема электронной части интерференционного рефрактометра; на фиг. 4 - временные диаграммы работы электронной части интерференционного рефрактометра.

Интерференционный рефрактометр в рабочем положении показан на фиг. 1 и включает источник монохроматического излучения - лазер 1, оптически связанный через посредство первых средств 2 сопряжения со световолоконной линией 3 связи одномодового типа, которая в свою очередь через посредство вторых средств 4 сопряжения оптически связана со светоделительной призмой 5, имеющей первую светоделительную поверхность 6, вторую светоделительную поверхность 7, первую отражающую поверхность 8 и вторую отражающую поверхность 9. Лазер 1 и средства 2 сопряжения обычно устанавливаются в удобном положении над поверхностью воды (в контрольном бассейне). Средства 2 и 4 сопряжения могут выполняться, например, в виде палочковых линз.

Интереференционный рефрактометр также содержит корпус 10, состоящий из первой полости 11, второй полости 12 и третьей полости 13, при этом полости 11, 13 корпуса 10 сообщаются между собой и изолированы от окружающей водной среды. Полость 12, напротив, сообщается с окружающей водной средой и изолирована от полостей 11, 13 корпуса 10. Через три указанные полости 11-13 проходит цилиндрический подвижный вал 14, состоящий из трех частей: первой части 15, торец которой располагается в полости 11, второй части 16, выполняемой из немагнитного материала, и третьей части 17, выполняемой из ферромагнитного материала и полностью располагающейся в полости 13 корпуса 10 (на практике полости 11, 13 могут либо вакуумироваться, либо заполняться воздухом - обе эти операции осуществляются в надводном положении интерференционного рефрактометра перед началом измерений). На второй части 16 вала 14 в полости 13 корпуса 10 выполняется выступ 18.

Оптическая схема интерференционного рефрактометра также включает уголковую призму 19, установленную на торце первой части 15 вала 14, первое зеркало 20 и первый фотоприемник 21, установленные в полости 11 корпуса 10, второй уголковый отражатель 22, установленный на валу 14 между его первой и второй частями 15, 16 в полости 12 корпуса 10, второе зеркало 23, установленное в полости 12 корпуса 10 на ее внутренней стенке, и второй фотоприемник 24, установленный в полости 11 корпуса 10. Оптическая схема интерференционного рефрактометра является двухканальной, при этом первый интерференционный канал образован светоделительной 6 и отражающей 9 поверхностями призмы 5, уголковой призмой 22, зеркалами 20, 23 и фотоприемником 21, а второй интерференционный канал образован светоделительными 6, 7 и отражающими 6, 9 поверхностями призмы 5, уголковой призмой 19 и фотоприемником 24.

В полости 13 корпуса 10 установлен механизм 25 перемещения подвижного вала 14 (см. фиг. 2), механически связанный с валом 14 и состоящий из корпуса 26, скрепленного с торцовой стенкой корпуса 10, установленной в нем управляющей электромагнитной обмотки 27, и пружины 28, одним концом скрепленной с торцом третьей части 17 вала 14, а другим концом скрепленной со стенкой корпуса 10. Управляющая электромагнитная обмотка 27 располагается в корпусе 26 таким образом, чтобы место сопряжения третьей и второй частей 17, 16 вала 14 всегда располагалось внутри этой обмотки. На внутренней стенке полости 13 корпуса 10 и на внешней стенке 26 механизма 25 установлены, напротив друг друга, соответственно первый и второй 29 и 30 электромеханические контактные переключатели, которые замыкаются при механическом воздействии на них выступа 18 в процессе перемещения вала 14. При необходимости в полости 11 корпуса 10 в области первой части 15 вала 14 устанавливается датчик 31 температуры.

Электронная часть интерференционного рефрактометра (см. фиг. 3) включает генератор 32 периодического сигнала, выходом связанный с пьезопреобразователем 33 перемещения, установленным в первой полости 11 корпуса 10 на внутренней ее стенке (на этом преобразователе с возможностью перемещения совместно с ним устанавливается зеркало 20 (см. фиг. 1), а также блок 34 регистрации. Блок 34 в свою очередь включает схемы 35, 36 измерения дробной части порядка интерференции (ДЧПИ), генератор 37 опорной частоты, схемы 38, 39 сравнения, регистры 40, 41 памяти, схемы 42, 43 регистрации целых порядков интерференции (ЦПИ) и схему 44 вычислений. Три входа схемы 35 подключены соответственно к выходу генератора 32, выходу фотоприемника 21 и выходу генератора 37, а ее выход соединен с входами регистра 40 и схемы 38. Три входа схемы 36 подключены соответственно к выходу генератора 32, выходу фотоприемника 24 и выходу генератора 37, а выход ее соединен с входами регистра 41 и схемы 39. Вторые входы схем 38, 39 подключены соответственно к выходам регистров 40, 41, а их выходы соединены соответственно с входами схем 42, 43, выходы которых в свою очередь соединены соответственно с первым и вторым информационными входами схемы 44 вычислений, третий и четвертый входы которой подключены к выходам регистров 40, 41 (через посредство использования соответствующих интерфейсных средств). Схемы 35, 38, 42 и регистр 40 относятся к первому интерференционному каналу рефрактометра, а схемы 36, 39, 43 и регистр 41 - соответственно к второму интерференционному каналу рефрактометра.

Кроме того, электронная часть интерференционного рефрактометра включает блок 45 управления механизмом перемещения подвижного вала, содержащий одновибраторы 46, 47, формирователи 48, 49, счетчик 50, интегратор 51, генератор 52 синусоидального сигнала, смеситель 53 и логическую схему 54. Входы одновибраторов 46, 47 подключены соответственно к выходам переключателей 29, 30, к выходу счетчика 50 и к внешней линии "Разрешение", связанной также с первым входом схемы 54, выходом связанной с пятым информационным входом схемы 44 вычислений блока 34 (также через посредство интерфейсных средств). Выходы одновибраторов 46, 47 соединены с входами соответственно формирователей 48, 49, вторые входы которых подключены соответственно к выходам переключателей 30, 29, а их выходы соединены с входами интегратора 51 и схемы 54 (второй и третий входы схемы); кроме того, выход формирователя 48 соединен с входом счетчика 50, второй вход которого связан с внешней линией "Установка". Выход интегратора 51 соединен с первым входом смесителя 53, а выход смесителя электрически связан с управляющей электромагнитной обмоткой 27 механизма 25. Шестой информационный вход схемы 44 подключен (через посредство интерфейсных средств) к выходу средств 55 измерения температуры, вход которых в свою очередь подключен к выходу датчика 31. Все электрические связи компонентов электронных блоков 34, 35 и средств 55 с компонентами, устанавливаемыми в корпусе 10 рефрактометра, осуществляются через посредство специального водонепроницаемого герметичного электрического кабеля (не показан).

Интерференционный рефрактометр функционирует следующим образом.

Световой пучок с выхода лазера 1 поступает через посредство средств 2, линии 3 связи и средств 4 на входы интерференционных каналов рефрактометра, находящегося в погруженном состоянии. Световой пучок лазера 1 делится поверхностью 6 призмы 5 и далее, после отражения от поверхности 6, светоделительной поверхностью 7 призмы 5. Световой пучок, прошедший поверхность 7 призмы 5, отражается от поверхности 9 этой призмы, далее от зеркала 20 и, возвращаясь к поверхности 6 призмы 5, интерферирует с пучками, прошедшими эту поверхность и последовательно отразившимся от уголковой призмы 22, зеркала 23 и повторно от уголковой призмы 22, с образованием первой интерференционной картины, регистрируемой фотоприемником 21. Световой пучок, отразившийся от поверхности 7 призмы 5, далее отражается от уголковой призмы 19, поверхности 8 призмы 5, снова от уголковой призмы 19 и, интерференцируя с возвращающимся к этой поверхности световым пучком, отразившимся от зеркала 20, образует вторую интерференционную картину, регистрируемую фотоприемником 24.

Для целей повышения точности регистрации ДЧПИ в каналах интерференционного рефрактометра реализован принцип интерференционной модуляции (ИМ), предполагающий принудительное периодическое изменение оптической разности хода в обоих интерференционных каналах рефрактометра. Реализация принципа ИМ в рефрактометре осуществляется за счет установки зеркала 20, являющегося общим для обоих интерференционных каналов, на пьезопреобразователе 33, управляемом генератором 32 периодического сигнала.

Блок 34 регистрации осуществляет регистрацию изменений порядка интерференции в двух интерференционных каналах рефрактометра. Последнее обеспечивается путем периодического формирования схемами 35, 36 временных интервалов, пропорциональных по величине фазам фотоэлектрических сигналов, формирующихся на выходах фотоприемников 21, 24 (в условиях осуществления ИМ). Определение значений ДЧПИ осуществляется путем заполнения формируемых интервалов импульсами опорной частоты (с генератора 37) и периодического подсчета их счетчиками схем 35, 36.

Регистрация ЦПИ в рамках изменений порядка интерференции осуществляется по методу "трех зон", когда регистрируемые схемами 35, 36 значения ДЧПИ периодически заносятся в регистры 40, 41. Также периодически схемы 38, 39 сравнения осуществляют сравнение значений ДЧПИ (в каждом канале) для каждых двух последовательных значений ДЧПИ (для каждых двух последовательных периодов сигнала ИМ) и по результатам сравнения осуществляют коррекцию значений ЦПИ в схемах 42, 43 регистрации.

По окончании каждого очередного сигнала ИМ значений ЦПИ и ДЧПИ для двух интерференционных каналов могут считываться в схему 44 (при поступлении на последнюю соответствующего синхросигнала). Таким образом, с определенной периодичностью (период сигнала ИМ) в схемах 35, 36 и 42, 43 осуществляется фиксация значений ДЧПИ и ЦПИ, которые через определенные временные интервалы могут регистpироваться схемой 44 и использоваться для проведения необходимых вычислений.

В исходный момент времени, когда воздействие на вал 14 со стороны обмотки 27 отсутствует, вал 14 под действием пружины 28 переходит в крайнее левое положение и приходит в механический контакт с переключателем 30. При замыкании выступом 18 вала 14 переключателя 30 одновибратор 47 формирует импульс длительностью Т1 (см. фиг. 4а), соответствующий интервалу стабилизации положения вала и проведения измерений. Указанный импульс в самом начале измерения может быть сформирован только после подачи соответствующего разрешающего сигнала по внешней линии "Разрешение". По окончании сигнала Т1 формирователь 49 начинает формировать продолжительный импульс Т2 (см. фиг. 4в), соответствующий интервалу перемещения вала 14. Этот импульс поступает на вход интегратора 51, в результате чего на выходе последнего по квазилинейному закону начинает формироваться нарастающий сигнал (см. фиг. 4д), который используется для модуляции в смесителе 53 (амплитудная модуляция) синусоидального сигнала, поступающего в смеситель с выхода генератора 52 (см. фиг. 4е), в результате чего на выходе смесителя 53 формируется сигнал напряжения с линейно нарастающей амплитудой (см. фиг. 4ж), поступающий на управляющую электромагнитную обмотку 27 механизма 25 перемещения. В результате увеличения амплитуды синусоидального сигнала напряжения в обмотке 27 происходит втягивание третьей (ферромагнитной) части 17 вала 14 в обмотку, сопровождающееся общим смещением вала 14 вправо. Процесс перемещения вала 14 осуществляется до тех пор, пока выступ 18 вала 14 не придет в механический контакт с переключателем 29, в результате чего инициируется завершение импульса Т2 на входе формирователя 49 и формирование импульса Т1 на выходе одновибратора 46 (см. фиг. 4б), соответствующего интервалу стабилизации и измерения. После завершения импульса Т1 формирователь 48 формирует импульс Т3 (Т2), поступающий на второй вход интегратора 51 (см. фиг. 4). На интервале Т1 изменений амплитуды синусоидального сигнала на выходе смесителя 53 фактически не происходит. Изменения амплитуды начинаются с началом формирования импульса Т3 и способствуют смещению подвижного вала 14 влево (происходит спадание амплитуды синусоидального сигнала на выходе смесителя 53 (см. фиг. 4ж), что ведет к уменьшению уровня воздействия на третью часть 17 вала 14 со стороны обмотки 27 и смещению вала 14 под действием пружины 28). При смещении вала 14 до крайнего левого положения происходит замыкание выступом 18 вала 14 переключателя 30 на выходе одновибратора 47 вновь будет формироваться импульс Т1 (начало нового цикла перемещений). Число циклов перемещений вала 14 определяется числом К, заносимым в средства памяти счетчика 50 (по внешней линии "Установка") перед началом измерений. После реализации заданного числа циклов перемещений и появления в счетчике соответствующего числа К на выходе счетчика 50 формируется сигнал блокирования, запрещающий дальнейшее формирование импульсов Т1 на выходах одновибраторов 46, 47. Разблокирование одновибраторов 46, 47 осуществляется по внешней линии "Разрешение", по которой подается сигнал, разрешающий подведение очередного измерения (соответственно формирование импульсов Т1 на выходах одновибраторов 46, 47). Как в самом начале измерений (по линии "Разрешение"), так и по окончании каждого одностороннего перемещения вала 14 (выходы формирователей 48, 49), на выходе схемы 54 будет формироваться стробирующий сигнал, поступающий на пятый вход схемы 44 блока 34 и инициирующий процесс регистрации этой схемой текущих значений ДЧПИ и ЦПИ.

Измерение абсолютного показателя преломления (ПП) жидкости (воды в бассейне) осуществляется следующим образом.

На подготовительном этапе осуществляются заполнение полостей 11, 13 корпуса 10 воздухом под атмосферным давлением (Р_н ≈ 10⁵ Па) (допускается также вакуумирование этих полостей) и настройка двух интерференционных каналов рефрактометра. Далее интерференционный рефрактометр погружается в бассейн на глубину 1-5 м и закрепляется там в заданном положении (кроме лазера 1 и средств 2 с частью линии связи 3, см. фиг. 1).

После этого по линии "Установка" осуществляется запись в средства памяти счетчика 50 блока 45 числа К, характеризующего количество циклов смещений вала 14, после этого по линии "Разрешение" подается управляющий сигнал (на блок 45), инициирующий начало измерений. В исходном состоянии выступ 18 пребывает в механическом контакте с переключателем 30, поэтому сразу же после подачи сигнала на линии "Разрешение" одновибратор 47 сформирует импульс Т1 (по переднему фронту импульса в линии "Разрешение"). На интервале Т1 вал 14 пребывает в неподвижном состоянии, а блок 34 осуществляет последовательную регистрацию значения ДЧПИ а1, б1 и ЦПИ А1, Б1 в двух каналах рефрактометра. После окончания сигнала "Разрешение" и завершения очередного периода сигнала ИМ текущие значения (А1, Б1, а1, б1) будут переписываться с выходов схем 35, 36, 42, 43 в схему 44. После начала формирования импульса Т2 формирователем 49 блока 45 происходит смещение подвижного вала 14, которое продолжается до момента установления механического контакта выступа 18 вала 14 с переключателем 29. В течение всего времени перемещения вала 14 (Т2) схемы 42, 43 блока 34 обеспечивают регистрацию изменений ЦПИ в соответствующих интерференционных картинах. После завершения перемещений вала 14 и стабилизации его положения на временном интервале Т1 (импульс формируется одновибратором 46) схема 54 вновь инициирует считывание значений ДЧПИ (а2, б2) и ЦПИ (А2, Б2) с выходов схем 35, 36, 42, 43 в схему 44 блока 34. По завершении импульса Т1 снова инициируется перемещение вала 14 (но уже в обратном направлении), которое как и прежде сопровождается регистрацией изменений ЦПИ схемами 42, 43 блока 34. После смещения вала 14 в крайнее левое положение и возникновения механического контакта выступа 18 с переключателем 30 вал 14 останавливается, снова инициируется считывание в схему 44 блока 34 значений ДЧПИ (а3, б3) и ЦПИ (А3, Б3) и в рефрактометре инициируется переход к реализации очередного цикла перемещений. После появления заднего фронта импульса на выходе формирователя 48 содержимое счетчика 50, которое изначально задается соответствующим 0, увеличивается на единицу. Таким образом, если первоначально число К было задано равным "1", то после завершения одного цикла перемещений и появления "1" в счетчике 1, он будет формировать сигнал блокирования одновибраторов 46, 47, что фактически запрещает дальнейшее проведение измерений. Если же число К≠1, то измерения будут продолжены.

После завершения перемещений подвижного вала 14 (случай К = 1) осуществляется определение величины абсолютного ПП воздуха n_в в полостях 11, 13 корпуса 10 (в случае вакуумирования n_в = 1,0). Определение значения n_в производится по формуле
n_в= 1+(n₀-1) -(17.045-0.557 λ^-2)10^-6, где Т_н - температура воздуха, измеряемая датчиком 31 и средствами 55;
n_o - значение ПП воздуха при типовых значениях давления Р_о и температуры Т_о.

(Величина n_в может определяться на интервале изменения многократно и в дальнейшем определяться в качестве некоторого усредненного значения <n_в>). После этого схема 44 блока 34 осуществляет расчет величины абсолютного ПП жидкости (воды) n_ж по соотношению
n_ж= +
Обобщенное соотношение для расчетов n_ж в случае произвольного значения числа К имеет вид
n_ж= (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 741121, кл. G 01 N 21/45, 1980.

2. Авторское свидетельство СССР N 1103122, кл. G 01 N 21/45, 1982.

Использование: измерение показателей преломления жидкостей, может быть использовано при проведении гидрофизических и океанографических исследований. Сущность изобретения: использование в рефрактометре световолоконных средств связи и осуществление автоматизированного синхронного управления процессами перемещения подвижного вала с отражателями. 4 ил.

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ РЕФРАКТОМЕТР, содержащий корпус с первой и второй изолированными одна от другой полостями, установленный в первой и второй полостях корпуса вал, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль своей оси, состоящий из первой и второй частей, источник монохроматического излучения, оптически связанный с последовательно расположенными стеклянной призмой, имеющей светоделительные и отражающие поверхности, первым уголковым отражателем, установленным на торце первой части вала в первой полости корпуса, первым зеркалом, установленным на модуляторе оптической разности хода в первой полости корпуса, вторым зеркалом, установленным во второй полости корпуса, а также первым и вторым фотоприемниками, механизм перемещения вала, блок регистрации, два входа которого подключены к выходам первого и второго фотоприемников, а третий вход подключен к выходу генератора периодического сигнала, который также связан с модулятором оптической разности хода, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет автоматизации процесса измерений, он дополнительно снабжен световолоконной линией, оптически связанной с выходом источника монохроматического излучения, и стеклянной призмой, первым и вторым электромеханическими переключателями, расположенными друг напротив друга, и блоком управления механизмом перемещения вала, корпус рефрактометра дополнительно снабжен третьей полостью, сообщающейся с его первой полостью, вал снабжен третьей частью, скрепленной с второй частью и расположенной в третьей полости корпуса, вторым уголковым отражателем, установленным между его первой и второй частями во второй полости корпуса, и выступом, выполненным на второй части вала и расположенным между первым и вторым электромеханическими переключателями, при этом вторая часть вала выполнена из немагнитного материала, а третья часть - из ферромагнитного материала, механизм перемещения вала выполнен в виде каркаса, скрепленного с корпусом в третьей полости рефрактометра, и установленных внутри каркаса управляющей электромагнитной обмотки, при этом место скрепления второй и третьей частей вала расположено внутри этой обмотки, и цилиндрической пружины, одним концом скрепленной с корпусом рефрактометра, а другим концом - с торцом третьей части вала, два входа блока управления механизмом перемещения подключены к выходам первого и второго электромеханических переключателей, первый его выход соединен с четвертым входом блока регистрации, а второй выход - с управляющей электромагнитной обмоткой механизма перемещения подвижного вала.