Интерференционный автоматический рефрактометр Советский патент 1984 года по МПК G01N21/45 

2. Рефрактометр чающийся чествё отражателей по п. 1, о т л итем, что в ка применены трипгшь1103122призмы, а часть полупрозрачной пластины выполнена отражающей .

1. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ АВТОМАТИЧЕСКИЙ РЕФРАКТОМЕТР, содержап(ий источник излучения и расположенные последовательно по ходу излучения светоделительный блок, модулятор с оптическим элементом- и контрольную кювету, внутри которой параллельно ее оптической оси установлен подBr r KiT г .i:.. :; . , .j S:Т.::., ,. -. .-.-;- ,; , . i -. «:i- - г ., .. : : БМсЛЯ ;ГЙ;{ вижный вал с закрепленным на нем первым отражателем, второй отражатель, а также систему фоторегистрации, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены вакуумированная полость и третий отражатель, причем вакуумированная полость расположена между светоделительным -блоком и контрольной кюветой, свободный конец вала расположен в вакууг 1рованной полости, второй Отражатель установлен на торцовой поверхности свободного конца вала, третий отражатель установлен i на валу симметрично первому отражателю относительно оси вала, а оп(Л тический элемент модулятора выполнен в виде подвижной полупрозрачной пластины, установленной в вакуумированной полостиперпендикулярно оси вала. 20

Изобретение относится к области измерительной техники,в частности к устройствам для измерения абсолютных значений показателя преломления газообразных и-жидких веществ, и может быть использовано для анализа теплофизических параметров газообразных и жидких веществ в широкой области параметров состояния,

Известен интерференционный рефрактометр для измерения абсолютных значений показателя преломпения газов и жидкостей, содержащий источник излучения, светоделительный блок, кювету, одна полость которой заполнена исследуемым веществом, а другая заполнена эталонным веществом, первы отражатель, неподвижно закрепленный в первой полости кюветы, подвижный второй отражатель, расположенный во второй полости кюветы, блок фоторегистрации и блок измерения lj .

Однако такое устройство характеризуется низкой точностью измерения показателя преломления газа и жидкости, что обусловлено низкой точностью измерения величины перемеще-ния подвижного отражателя, а также изменением физического состояния эталонного вещества при механическом перемещении подвижного отражателя вследствие изменения объема, занимаемого эталонным веществом,

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является автоматический интерференционньй рефрактометр, содержащий источник излучения и расположенные последовательно по ходу излучения светоделительный блок, модулятор с оптическим элементом и контрольную кювету, внутри которой параллельно ее оптический оси установлен подвижный вал с закрепленным на нем первым отражателем, второй отражатель, а также систему фоторегистрации 2.

Недостатком этого устройства является невысокая точность, обусловленная способом определения величины перемещения отражателя, который вследствие наличия люфтов механизма и несовпадения моментов срабатывания концевых выключателей приводит к наличию неконтролируемой погрешности, и применяемым методом фоторегистрации, не позволяющим получить абсолютную погрещность измерения сдвигов интерференционных полос меньше 0,25 полосы.

Цельр) изобретения является повышение точности измерений.

Для достижения указанной цели в устройство, содержащее источник излучения и расположенные последовательно по ходу излучения светоделительный блок, модулятор с оптическим элементом и контрольную кювету, внутри которой параллельно ее оптической оси установлен подвижньй вал с закрепленным на нем первым отражателем, второй отражатель, а также систему фоторегистрации, дополнительно введень вакуумированная полость и третий отражатель, причем вакуумированная полост расположена между светоделительным блоком и контрольной кюветой, свободный конец вала расположен в вакуумкрованной полости,второй отражатель установлен на торцовой поверхности свободного конца вала, третий отражатель установлен на валу симметрично первому отражателю относительно оси вала, а оптический элемент модулятора выполнен в виде подвижной полупрозрачной пластины, установленной в вакуумированной полости перпендикулярно оси вала.

Кроме того, в качестве отражателей могут быть применены триппльпризмы, а часть полупрозрачной пластины выполнена отражающей. На фиг. 1 показана схема устройс ва; на фиг. 2 - схема одного из тре блоков системы фоторегистрации; на фиг. 3 - схема измерительного блока устройства; на фиг. А - вариант выполнения устройства. Интерференционный автоматический рефрактометр (фиг. 1) содержит источник излучения 1, светоделительны блок 2, подвижный вал 3, отражател 4-6, корпус 7, разделенный перегородкой на контрольную кювету и рас положенную между ней и светоделительным блоком 2 вакуумированную полость, механизм перемещения 8 вала 3, модулятор 10 с оптическим элементом 9, блок управления 11, бл ки 12-14 системы фоторегистрации, измерительньй блок 15. Светоделител ный блок 2 разделяет луч света от источника излучения 1 на три парал лельных световых пучка 16-18. Пучки 16 и 18 делятся оптическим элементом соответственно на пучки 19 и 20, 21 и 22, а пучок 17 - на пучки 23 и 24. В качестве отражателей могут быт использованы триппль-призмы 42-44 (фиг. 4). Каждый из блоков 12-14 системы фоторегистрации состоит из фотопреобразователя 25, фильтра 26 и усилителя-формирователя 27 (фиг. Измерительный блок 15 содержит (фиг. 3) схемы 28-30 измерения дроб ной части интерференционной полосы, генератор опорной частоты 31, логические схемы 32-34,регистры памяти 35-37, реверсивные счетчики 38-40 и схему вычисления 41. Устройство работает следующим образом. Луч света от источника излучения 1 светоделительным блоком 2 расщепл ется на три параллельно распространяющихся световых пучка 16-18 с примерно одинаковыми интенсивностями. Направление распространения пучка 17 совпадает с осью вала 3, два других пучка 16 и 18 распространяются симметрично относительно этой оси. Пучок 17 оптическим элементом 9 делится на два пучка 23 и 24, один из которых (23) в виде отраженного пучка распространяется в обратном направлении, а другой . (24) отражается от отражателя 5 и накладывается на пучок 23, в результате чего в плоскости приема блока 13 системы фоторегистра1 ;ии наблкщается интерференционная картина . Аналогичным образом формируются интерференционные картины в плоскостях приема блоков 12 и 14 системы фоторегистрации. Эти интерференщгонные картины образованы соответственно пучками 19, 20 и 21 22, причем пучки 19 и 21 отражаются от оптического элемента 9, а пучки 20 и 22 - соответственно от отражателей 4 и 6 . В предложенном рефрактометре для измерения сдвигов интерференционных полос применяется так называемый метод временных интервалов, позвслякшрй регистрировать упомянутые сдвиги с точностью до сотых (и даже тысячных) долей полосы. Предлагаемый метод предполагает использование в р рактометре интерференционного модулятора и соответствующей системы . фоторегистрации, измерения и управления. Роль оптического элемента модулятора, служащего для периодического изменения оптических разностей хода в измерительных и опорных плечах интерферометров, выполняет полупрозрачная пластина, периодически переменяющаяся с помощью преобразователя перемещения модулятора 10. В результате смещения пластины на расстояние л X величина оптической разности хода меняется (в любом из пучков 16, 17, 18) на 4 Х. Управление преобразователем перемещения осуществляется с помощью пг.риодического электрического сигнала (например, периодического пилообразного сигнала, поступающего с выхода блока управления 11). При этом в световых сигналах, поступающих на входы, блоков 12, 13 к 14 системы фоторегистрации,присутствуют переменные составлякядие синусоидального типа. На основании этих составляющих блоками 12, 13,и 14 системы фоторегистращш формируются три логические последовательности, поступающие на измерительный блок 15. Задача измерения сдвигов интерферен1щонных картин йри этом сводится к измерению полных фазовых сдвигов между характерным моментом времени в сигнале управления (скажем моментом Пересечения нулевого уровня сигналом пилообразного напряжения) и характерными моментами времени и сигналах на выходах блоков 12, 13 и 14 системы фоторегистрации, например моментами переходов напряжения из О в 1. С этой целью сигналы с выходов блоков 12, 13 и 14 системы фоторегистрации подаются на первые входы соответствуюЕцих схем 28, 29 и 30, служащих для измерения дробной части интерференционной полосы, соот ветствуклцей нецелой части упомянутого полного фазового сдвига. На вторые входы схем 28, 29 и 30 поступает сигнал с выхода блока управдения 11,. а на третьи входы схем 28, 29 и 30 поступает сигнал с выхода генератора опорной частоты 31. Ка дая из схем 28, 29 и 30 осуществляет периодический (один раз за период развертки) подсчет числа импульсов, поступающих за интервал времени между моментом пересечения нулевого уро ня сигналом пилообразного напряженйя и первым папозкительным фронтом в соответствующей логической последовательности. Измеренные текущие значения дробных частей интерференционной полосы tn, т2; .и заносятся в регистры памяти 35, 36 и 37 а также подаются в логические схемы 32, 33 и 34. Последнее осуществляетс с целью определения целых интерференционных полос. С выходов регистров памяти 35, 36 и 37 сигналы поступают на соответствующие входы логических схем 32, 33 и 31. Упомянуты схемы производят периодическое сравнение текущих значений т,;, m г, и га и предшествовавших значений измерений m,(i.,-|, m2(;-o и ./ia основании которого дается команда о прибавлении 1, вычитании 1 или сохранении неизменным содержимого счетчиков 38, 39, 40. По окончании эксперимента схема вычисления 44 на основании информации, поступающей со счетчиков 38, 39 и 40 и регистров памяти 35, 36 и 37, па известному алгоритму осуществит расчет показате ля преломпения и . Использование вакуумированной полости и размещение в ней второго отражателя 5, установленного на торцовой части вала 3 (фиг. 1), позволяет проводить эксперимент в один этап. В предложенном рефрактометре появляется возможность одновременног измерения величины расстояния L , на которое перемещается вал 3, и величины показателя преломпения Ид , Использование третьего отражателя 6, установленного на валу 3 симметрично отражателю 4, оказывается необходимым для устранения влияния перекосов вала.З в процессе осевого перемещения на результат измерения . На практике из-за наличия люфтов в местах прохождения вала 3 через стенки контрольной кюветы и из-за деформаций самого вала 3 могут возникать перекосы вала, величина которых может составлять до 10 рад (по отношению к оптической оси). В результате возникновения перекосов может оказаться, что расстояние, проходимое отражателем 4, существенно (до нескольких микрон) отличается от расстояния L , проходимого отражателем 5 ( упомянутые перекосы слабо влияют на изменение положения торцового отражателя 5, так как он располагается на оптической оси кюветы) , В результате возникают значительные погрешности измерёния и точность -измерения ухудшается. С введением третьего отражателя появляется возможность компенсировать упомянутые рассогласования. Депо в том, что при установке отражателя 6 симметрично отражателю 4 их дойолнительные смещения - лЬ одинаковы по величине и противоположны по знаку. Запишем соотношение для каждого из пучков 16, 17, 18 2Ln 2(L + U.L)ng 2(L - &L)ng , где 1 - длина волны света, M.M2,Mj - полные сдвиги интерференционных картин, образованных соответственно составляющими пучков 16, 17, 18 (в полосах). Несложные преобразования с соотношениями (1), (2) и (3) позволяют получить формулу для определения п. , Из приведенных соотношений следует, что введение третьего отража- теля 6 позволяет существенно повысить точность измерения, исключив влияние перекосов вала 3. С другой стороны , помянутый метод временных интервалов позволяет регистрировать сдвиги интерференционных картин с точностью не хуже 0,01 полосы. Тогда в соответствии с соотношением (4) можно рассчитать относительную погрешность измерения Пд-8„ В М, + М Алд Для сравнения можно привести соотношение, характеризующее величину относительной погрешности измерения ; g В устройстве L2J: п, 0,76 0.25 N2 Из сравнения соотношений (5) и (6) следует, что в предлагаемом рефракто метре может быть достигнут уровень точности измерения существенно больший, чем в известном устройстве. Для произвольного типа отражателя например для плоского отражателя, требуется осуществлять весьма точную начальную настройку для того, чтобы отражающее поверхности отражателей были установлены строго перпендикулярно направлению распространения световых лучей. При этом даже при небольших наклонах отражателей может возникнуть ситуация, когда составляю щие пучков 16, 17 и 18 не перекрыва ются или перекрываются лишь частичн что приводит к резкому ухудшению видности соответствующих интерферен ционных картин.

Фиг. 2 Устранить упомянутый недостаток можно путем использования в качестве отражателей триппль-призм А2, 43, 44 (фиг. 4), что позволяет в меньшем степени заботиться о точности отражателей, так как отраженный триппльпризмой пучок распространяется в направлении,параллельном падающему пучку. Однако применение триппльпризм приводит к необходимости делать полностью отражающими определенные участки псшупрозрачной пластины (фиг. 4). При наличии отражающих участков световой пучок, например 24, отраженный от триппль-призмы 42, испытывает вторичное отражение оптического элемента 9, вторично проходит через триппль-призму, накладывается на составляющую 19, отраженную от оптического элемента 9. Следует отметить, что применение триппль-призм 42-44 позволяет такж« в два раза повысить чувствительность, а в ряде случаев и точность измерения показателя преломления . Применение предлагаемого устройства позволяет более чем на порядок повысить точность измерения показателя преломления газообразных и жидких веществ, что в свою очередь повышает качественный уровень проведения теплофизических исследований. Последнее приводит к более широкому применению упомянутых вещестн в народном хозяйстве.