ДВУЛУЧЕВОЙ ФОТОМЕТР Российский патент 2001 года по МПК G01N21/85 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к погружаемым измерителям ослабления света мутной средой, и может использоваться для исследования и контроля окружающей водной среды.

Известен двулучевой фотометр, выполненный по дифференциальной схеме сравнения световых потоков, прошедших различные фиксированные оптические пути в исследуемой среде (авторское свидетельство СССР N 175271, кл. G 01 J 1/04).

Однако известный двулучевой фотометр характеризуется усложненной оптико-механической схемой и погрешностью измерения, обусловленной наличием большого числа отражающих поверхностей оптических деталей, расположенных в исследуемой среде.

Кроме того, в указанном двулучевом фотометре исследуемая среда анализируется в расходящихся световых пучках, что вносит дополнительную методическую погрешность измерения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является спектрофотометр, содержащий герметичный контейнер, в котором размещены излучатель и последовательно по ходу излучения коллиматор, светоотделительное устройство, прерыватель пучков излучения, иллюминаторы, узел оптических трактов эталонного и измерительного пучков излучения, расположенный в исследуемой среде, светосводящее устройство, объектов и приемник излучения, а также систему синхронизации. Узел оптических трактов эталонного и измерительного пучков излучения выполнен в виде двух отражательных призм, прерыватель пучков излучения - в виде двух взаимнопараллельных непрозрачных дисков с пропускающими излучение отверстиями, светоотделительное устройство - в виде сдвоенного кубика Люммера с общей зеркальной поверхностью. Первая и вторая отражательные призмы расположены параллельно соответственно против первого и второго иллюминаторов с противоположных сторон герметичного контейнера, а взаимно параллельные диски прерывателя расположены параллельно иллюминаторам на общей оси вращения, непересекающейся с оптической осью спектрофотометра, отверстия этих дисков расположены так, что опорный и измерительный пучки излучения прерываются поочередно (авторское свидетельство СССР N 1055973, кл. G 01 J 3/42).

К недостаткам описанного спектрофотометра можно отнести невысокую точность фотометрических измерений из-за сложности градуировки его фотометрической шкалы в абсолютных значениях измеряемой величины, в частности балансировку измерительной схемы выбранного в качестве прототипа спектрофотометра осуществить непосредственно в исследуемой среде затруднительно из-за сложности обеспечения одинаковых условий прохождения эталонного и измерительного световых пучков через иллюминатор, что обусловлено наличием двух иллюминаторов, расположенных с противоположных сторон герметичного контейнера. Поэтому в спектрофотометре - прототипе операцию балансировки проводят на воздухе. Однако при погружении устройства в исследуемую среду полученный на воздухе баланс его измерительной схемы может нарушиться, таким образом у фотометров, измерительная схема которых сбалансирована на воздухе, присутствует практически неучитываемая и исключаемая погрешность фотометрических измерений.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности фотометрических измерений.

Указанная задача решается за счет того, что в двухлучевой фотометр, содержащий герметичный контейнер, в котором размещены излучатель и последовательно по ходу излучения коллиматор, светоделительное устройство, прерыватель пучков излучения, иллюминатор, узел оптических трактов эталонного и измерительного пучков излучения, расположенный в исследуемой среде и выполненный в виде двух световозвращающих призм, светосводящее устройство, объектив и приемник излучения, причем светоделительное и светосводящее устройства каждое выполнено в виде кубика Люммера, введены два дополнительных кубика Люммера с зеркальной поверхностью, расположенные под углом 45^o к главной оптической оси, проходящей через упомянутый излучатель, упомянутый коллиматор, упомянутые объектив и приемник излучения, и под углом 90^o относительно друг друга, причем первый дополнительный кубик Люммера расположен между упомянутым коллиматором и упомянутым светоотделительным устройством, а второй - между упомянутым объективом и упомянутым светосводящим устройством, и оба дополнительных кубика Люммера расположены на главной оптической оси, упомянутые светоотделительное и светосводящее устройства, каждое из которых выполнено в виде двух кубиков Люммера, один из которых имеет полупрозрачную поверхность, а другой зеркальную поверхность, каждая из которых расположена под углом 45^o к оптической оси, перпендикулярной главной оптической оси, расположены против упомянутого иллюминатора, упомянутый диск прерывателя пучков излучения расположен между упомянутым светоотделительным устройством и упомянутым иллюминатором и параллелен последнему, упомянутая первая световозвращающая призма расположена против упомянутых кубиков Люммера с полупрозрачной, а упомянутая вторая - с зеркальной поверхностями упомянутого светоделительного и светосводящего устройства соответственно.

С целью уменьшения погрешности фотоэлектрической балансировки в исследуемой среде в фотометр вводят дополнительную третью световозвращающую призму, которую размещают в оптическом тракте измерительного пучка излучения на расстоянии длины оптического пути эталонного пучка излучения, что позволяет относительно просто проводить балансировку измерительной схемы фотометра непосредственно в исследуемой среде. При этом погрешность балансировки практически исключается.

На чертеже изображена оптическая схема двулучевого фотометра.

Двулучевой фотометр содержит герметичный контейнер 1, в котором размещены излучатель 2 и последовательно по ходу излучения коллиматор 3, светоделительное устройство 4, прерыватель 5 пучков излучения, иллюминатор 6, узел 7 оптических трактов эталонного и измерительного пучков излучения, расположенный в исследуемой среде, светосводящее устройство 8, объектив 9 и приемник излучения 10. Светоотделительное и светосводящее устройства 4, 8, каждое выполнено в виде двух кубиков Люммера 11, 12 и 13, 14. Кубики Люммера 11 и 13 имеют полупрозрачную, а кубики Люммера 12 и 14 зеркальную взаимопараллельные поверхности, каждая из которых расположена под углом 45^o к оптической оси, перпендикулярной главной оптической оси 15, проходящей через излучатель 2, коллиматор 3, объектив 9 и приемник излучения 10, а прерыватель 5 пучков излучения выполнен в виде непрозрачного диска 16 с пропускающими излучение отверстиями 17.

Двулучевой фотометр содержит два дополнительных кубика Люммера 18, 19 с зеркальной поверхностью, первый 18 из которых расположен между коллиматором 3 и кубиком Люммера 11, а второй 19 - между объективом 9 и кубиком Люммера 13 и оба кубика Люммера 18, 19 расположены на главной оптической оси 15. Светоотделительное и светосводящие устройства 4, 8 расположены против иллюминатора 6.

Диск 16 прерывателя 5 пучков излучения расположен между светоделительным устройством 4 и иллюминатором 6 и параллелен последнему.

Узел 7 оптических трактов эталонного и измерительного пучков излучения выполнен в виде двух световозвращающих призм 20, 21, первая из которых расположена против кубиков Люммера 11, 13, а вторая - против кубиков Люммера 12, 14.

Во время балансировки фотоэлектрической схемы устройства до начала измерений с целью уменьшения ее погрешности, в исследуемой среде в оптическом тракте измерительного пучка излучения размещают третью световозвращающую призму 22, таким образом, что измерительный пучок света проходит путь, равный оптическому пути эталонного пучка света.

Предлагаемый двулучевой фотометр работает следующим образом
Пучок света излучателя 2 коллимируется и направляется коллиматором 3 вдоль главной оптической оси 15. Далее световой пучок поворачивается на 90^o и направляется зеркальной поверхностью дополнительного кубика Люммера 18 на светоделительное устройство 4, в котором он полупрозрачной поверхностью кубика Люммера 11 делится на два пучка. Первый из них поворачивается этой поверхностью на 90^o к основному и падающему на нее пучку, образуя эталонный пучок света, а второй - проходит ее. Затем прошедший пучок света отражается от зеркальной поверхности кубика Люммера 12 и поворачивается ею на 90^o также к основному и падающему на нее пучку, образуя измерительный пучок света, идущий параллельно эталонному пучку.

При вращении диска 16 прерывателя 5 пучков излучения эталонной и измерительной пучки света последовательно во времени, проходя через отверстия 17 диска 16, иллюминатор 6 и поступают в исследуемую среду, в которой проходят первую половину оптических путей, ослабляясь пропорционально их длинам. Затем эталонный и измерительный пучки света, отражаясь от зеркальных поверхностей световозвращающих призм 20, 21, снова поступают в исследуемую среду, где проходят вторую половину оптических путей, дополнительно ослабляясь пропорционально их длинам.

Пройдя иллюминатор 6, эталонный и измерительный пучки света поступают на светосводящее устройство 8, в котором измерительный пучок света зеркальной поверхностью кубика Люммера 14 поворачивается на 90^o, затем проходит через полупрозрачную поверхность кубика Люммера 13 на второй дополнительный кубик Люммера 19. зеркальная поверхность которого поворачивает этот пучок света на 90^o и направляет его вдоль главной оптической оси 15 через объектив 9 на приемник излучения 10. Эталонный пучок света, наполовину ослабляясь полупрозрачной поверхностью кубика Люммера 13, поворачивается на 90^o и попадает на зеркальную поверхность дополнительного кубика Люммера 19, которая поворачивает этот пучок света на 90^o и направляет его вдоль главной оптической оси 15 через объектив 9 на приемник излучения 10.

Эталонный и измерительный пучки света в приемнике излучения 10 преобразуются в пропорциональные электрические сигналы, следующие с определенной частотой.

В результате обработки этих сигналов получают величину, пропорциональную показателю ослабления света исследуемой средой или ее прозрачности.

Во время проведения фотоэлектрической балансировки в исследуемой среде в двулучевой фотометр вводят дополнительную третью световозвращающую призму 22. При этом измерительный пучок проходит расстояние, равное расстоянию, которое проходит эталонный пучок. После проведения фотоэлектрической балансировки третью световозвращающую призму 22 убирают.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерителям ослабления света мутной средой, и может использоваться для исследования и контроля окружающей водной среды. Двулучевой фотометр содержит герметичный контейнер, в котором размещены излучатель и последовательно по ходу излучения коллиматор, светоделительное устройство, прерыватель пучков излучения, иллюминатор, узел оптических трактов эталонного и измерительного пучков излучения, расположенный в исследуемой среде и выполненный в виде двух световозвращающих призм, светосводящее устройство, объектив и приемник излучения. Светоделительное и светосводящее устройства выполнены каждое в виде двух кубиков Люммера, один из которых имеет полупрозрачную поверхность, а другой зеркальную поверхность, каждая из которых расположена под углом 45° к оптической оси, перпендикулярной главной оптической оси, и расположены против иллюминатора. В двулучевой фотометр введены два дополнительных кубика Люммера с зеркальной поверхностью, расположенных под углом 45° к главной оптической оси, проходящей через упомянутый излучатель, упомянутый коллиматор, упомянутые объектив и приемник излучения, и под углом 90° относительно друг друга. Первый дополнительный кубик Люммера расположен между упомянутым коллиматором и упомянутым светоделительным устройством, а второй - между упомянутым объективом и упомянутым светосводящим устройством. Оба дополнительных кубика Люммера расположены на главной оптической оси. Диск прерывателя пучков излучения расположен между светоделительным устройством и иллюминатором и параллелен последнему. Первая световозвращающая призма расположена против упомянутых кубиков Люммера с полупрозрачной, а вторая - с зеркальной поверхностями светоделительного и светосводящего устройства соответственно. Техническим результатом является повышение точности фотометрических измерений. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Двулучевой фотометр, содержащий герметичный контейнер, в котором размещены излучатель и последовательно по ходу излучения коллиматор, светоделительное устройство, прерыватель пучков излучения, иллюминатор, узел оптических трактов эталонного и измерительного пучков излучения, расположенный в исследуемой среде и выполненный в виде двух световозвращающих призм, светосводящее устройство, объектив и приемник излучения, причем светоделительное и светосводящее устройство каждое выполнено в виде кубика Люммера, отличающийся тем, что в устройство введены два дополнительных кубика Люммера с зеркальной поверхностью, расположенных под углом 45^o к главной оптической оси, проходящей через упомянутый излучатель, упомянутый коллиматор, упомянутые объектив и приемник излучения, и под углом 90^o относительно друг друга, причем первый дополнительный кубик Люммера расположен между упомянутым коллиматором и упомянутым светоделительным устройством, а второй между упомянутым объективом и упомянутым светосводящим устройством, и оба дополнительных кубика Люммера расположены на главной оптической оси, упомянутые светоделительное и светосводящее устройства, каждое из которых выполнено в виде двух кубиков Люммера, один из которых имеет полупрозрачную поверхность, а другой зеркальную поверхность, каждая из которых расположена под углом 45^o к оптической оси, перпендикулярной главной оптической оси, расположены против упомянутого иллюминатора, упомянутый диск прерывателя пучков излучения расположен между упомянутым светоделительным устройством и упомянутым иллюминатором и параллелен последнему, упомянутая первая световозвращающая призма расположена против упомянутых кубиков Люммера с полупрозрачной, а упомянутая вторая - с зеркальной поверхностями упомянутого светоделительного и светосводящего устройства соответственно. 2. Двулучевой фотометр по п.1, отличающийся тем, что в оптический тракт измерительного пучка излучения помещают третью световозвращающую призму на расстоянии длины оптического пути эталонного пучка излучения.