Устройство для измерения показателя поглощения излучения прозрачной средой Советский патент 1984 года по МПК G01J1/16 

ритепьной кюветы и кюветы сравнения соответственно;

1122897

ICP длина измерительной кюветы и кюветы сравнения соответственно

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПРОЗРАЧНОЙ СРЕДОЙ, содержащее измерительный канал, включающий источник излучения, :расположенные вдоль оптической оси по ходу излучения конденсор, полевую диафрагму, коллиматор с апертурной диафрагмой, модулятор с приводом, отклоняющее зеркало, сменные цилиндрические измерительную кювету и кювету сравнения, каждая из которых снабжена входным и выходным иллюмийаторами, светоБые диаметры которых равны диаметрам сменных цилиндрических кювет, а стенки сменных цилиндрических кювет выполнены зеркальными, отражающий элемент, приемный объектив и фотоприемник, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности измерений, сменные цилиндрические измерительная кювета и кювета сравнения дополнительно содержат прямоугольные призмы с отражающими катетными гранями, расположенные вплотную гипотенузной гранью, к выходным иллюминаторам каждой из кювет, симметрично упомянутым иллюминаторам и рассеивающие коллекторы, установленные вплотную к входным иллюминаторам кювет и имеющие по одному сквозному отверстию, размещенному по ходу излучения, на расстоянии 1/4 диаметра кюветы от ее оси, дополнительно введена сменная апертурная диафрагма коллиматора, а отражающий элемент выполнен в виде экрана, расположенного между приемным объективом и отклоняющим зеркалом под углом 45 к оптической оси устройства и имеющего отверстие,которое расположено на одной оптической оси со сквозным отверстием рассеивающих коллекторов, при этом Ф световые диаметры иллюминаторов сменных цилиндрических измерительной кюветы и кюветы сравнения, диаметры соответствукяцих сменных апертурных диафрагм коллиматора и диаметры сквоз ных отверстий в рассеивающих коллекторах связаны с длинами кювет еле- 1дующими соотнощениями: О А il и °и и i X) с% D ср ;0 к1 Чр DM, D где -световые диаметры ил люминаторов , цилиндрических измерительной кюветы и кюветы сравнения соответственно; , -диаметры сменных апер турных диафрагм коллиматора; к ц и, dtp -диаметры сквозных отверстий в рассеивающих коллекторах изме

1

Изобретение относится к построению оптических схем приборов, предназначенных для исследований оптических характеристик прозрачных сред в частности для измерения показател поглощения излучения в пробах воды , взятых в исследуемых акваториях.

Известен лабораторный измеритель спектрального показателя поглощения Волна J содержащий источник излуче шя, коллиматор, систему разводящих зеркалJ, модулятор, измерительную кювету и кювету сравнения, размещенные в фотометрическом шаре с отверстиями(Соосными с оптической осью прибора,и фотоприемником, установленным под углом к ней П .

Недостатком этой схемы является больа1ая абсолютная погрешность измерений показателя поглощения вследствне малой длины кювет, которая огран1 чена соотношением t 0,4 R , где, tj,- длина кюветы;

R радиус фотометрического шара Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения показателя поглощения излучения прозрачной средой, содержащее измерительный канал, включающий источник излучения, расположенные вдоль оптической оси по ходу излучения конденсор, полевую диафрагму 5 коллиматор с апертурной диафрагмой, модулятор с приводом, от.1слоняющее зеркало, сменные цилиндричеткие измерительную кювету и кювету сравнения, каждая из которых снабжена входным и выходным иллюминаторами, световые диаметры которых равны ДIiaмeтpaм сменных цилиндрических кювет, а стенки сменных цилиндрических кювет, выполнены зеркальными.Более высокая чувствительность этого устройства для чистых океанских вод определяется значительно большими размерами измерительной кюветы, а следовательно, длиной оптического

пути светового потока в среде и, как следствие, большим отношением сигналов UCB / Uj на фотоириемнике характеризующего величину показателя поглощения ЭС исследуемой среды в соответствии с выражением.

. if., ЛСР

()

1) т, и «р M

где - сигналы с фотоприемника при установленных в измерительный канал прибора кюветы сравнения и измерительной кюветы соответственно j j, - j.p - разность длин измерительной кюветы и кюветы сравнения 2.

Недостатком известного устройства является систематическая погрешность метода измерений, вследствии того, что теоретически при измерениях показателя поглощения фотоприемник должен регистрировать не только непоглощенный прямой, но и весь рассеянный средой световой поток.Известное устройство, снабженное KJ ветами с зеркальными стенками и светосильным коническим световодом, позволяет регистрировать только прямой и рассеянный вперед световой поток. Доля рассеянного потока назад прибором не измеряется, а рассчитывается теоретически по измеренной индикатриссе рассеяния этой среды, поэтому для получения окончательной величины вносится соответствующая поправка. Кроме того, свет; рассеянный в обоих кюветах под одним и тем же углом при одинаковых диаметрах кювет претерпевает в измерительной кювете в и раз больше количество отражений от зеркальных стенок, чем в к.ювете сравнения.

Вследствие этого при измерениях появляется дополнительная погрешность.

Повьшениа точности измерений можно достичь путем уменьшения систематической погрешности, определяемой рассеянием света назад и различным числом отражений от зеркальных стенок в кюветах устройства. Целью изобретения является повьппе ние точности измерений. Поставленная цель достигается тем что в устройстве для измерения показателя поглощения излучения прозрачной средой, содержащим измерительный канал, включающий источник излучения расположенные вдоль оптической оси по ходу излучения конденсор, полевую диафрагму, коллиматор с апертурной диафрагмой, моду/хятор с приводом,отклоняющее зеркало, сменные цилиндри ческие измерительную кювету и кювету сравнения , каждая из которых снабжена входным и выходным иллюминаторами, световые диаметры которых равны диаметрам сменных цилиндрических кювет, а стенки сменных цилиндрических кювет выполнены зеркальными, отражаю щий элемент, приемный объектив и фотоприемник, сменные цилиндрические измерительная кювета и кювета сравне ния дополнительно содержат прямоугол ные призмы с отражающими катетными гранями, расположенные вплотную гипо тенузной гранью к выходным иллюминаторам каждой ив кювет, симметрично упомянутым иллюминаторам и рассеиваю щие коллекторы, установленные вплотную к входным иллюминаторам кювет и имеющие по одному сквозному отверсти размещенному по ходу излучения, на ра1:стоянии 1/4 диаметра кюветы от ее оси, дополнительно введена сменная апертурная диафрагма коллиматора, а отражающий элемент выполнен в виде экрана, расположенного между приемны объективом и отклоняющим зеркалом под углом 45 к оптической оси устройства, и имеющего отверстие, которое расположено на одной оптической оси со сквозным отверстием рассеиваю щих коллекторов , при этом световые диаметры иллюминаторов сменных цилиндрических измерительной кюветы и кюветы сравнения, диаметры соответствунщих сменных апертур:Ных диафрагм коллиматора и диаметры сквозных отверстий в рассеивающих коллекторах, связанны с длинами кювет следующими соотношенййми -п 1 А Д J Р v OH -« диаметры иллюминаторов измерительной кюветы и кюветы сравнения соответч ственно; диаметры отверстий в рассеивающих коллекторах измерительной кюветы и кюветы сравнения; jft IR и 4(Г диаметры апертурных диафрагм при установке измерительной кюветы и кюветы сравнения; uJcpдлины кювет. На фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - ход лучей в кювете. Устройство содержит источник света 1 и установленные на оптической оси конденсор 2, полевую диафрагму 3, расположенную в фокальной плоскости коллиматора 4. Сменные апертурные диафрагмы 5 и 6 устанавливаются в плоскости входного зрачка коллиматора 4 . За отклоняющим зеркалом 7,размещенным под углом 45 к оптической оси устройства установлена кювета измерительного канала 8 с входным 9 и выходным О иллюминаторами , или кювета канала сравнения 1, имеющая также входной 12 и выходной 3 иллюминаторы (на фиг,1 кювета сравнения показана пунктиром), Вплотную к выходным иллюминаторам 10 и 13 измерительной кюветы 8 и «юветы сравнения 1I установлены гипотенузные грани прямоугольных призм 14 и 15 соответствующих кювет, причем стенки кювет 8 и 11 и катетные грани призм 14 и 15 имеют зеркальные отражающие покрытия . Вплотную к входным иллюминаторам 9 и 12 кювет 8 и 11 соответственно установлены рассеивающие коллекторы 16 и 17,выполненные из молочного стекла, с отверстиями 18 и 19 , причем диаметр отверстия 19 в коллекторе 17 кюветы сравнения 11 равен диаметру апертурной диафраг№л 6, а диаметр отверстия 18 в коллекторе 16 измерительной кюветы 8 равен диаметру апертурной диафрагмы 5. Центр отверстия 18 коллектора 16 (или при установке кюветы сравнения , отверстия 19 коллектора 17) лежит на оптической оси, проходящей через центр отклоняющего зеркала 7 под углом 45 к его поверхности. Отражающий экран 20 установлен под углом к oптv чecкoй оси устройства (на фиг. 1 под утлом 51 45 ), причем центр его отверстия лежит на оси , соединяющей центр зеркала 7 и отверстия 18 в коллекторе 16 а площадь его проекций в плоскости коллектора 16 равна площади отверстия 18. Приемный объектив 21 установлен на оптической оси перед 4отоприемником 22, фотокатод которого размещен в фокальной плоскости объек тива 21. Модуляция сигнала производится при помощи модулятора 23 с при водом . Устройство работает Следующим образом. Излучение от источника света 1 проектируется конденсором 2 в плоскости полевой диафрагмы 3 коллиматора 4 , направляющего параллельный све товой йоток через отклоняющее зеркало 7 и отверстие в отражающем экране 20 или в сухую кювету сравнения 11 или в сухую измерительную кювету 8. Причем параллельный световой поток, прошедший через отверстия 19 и 18 в рассеивающих коллектсрах указанных кювет, не претерпевает изменений и уотраздвшись от катетных граней призм 15 и 14 попадает на рассеи вающий коллектор установленной кюветы и (Отразившись от экрана 20,фокусируется приемным объективом 21 на катоде приемника 22. Величина светового потока, прошедшего измерительный канал с сухой измерительной кюветой при диаметре пучка на выходе коллиматора определяемого большей апертурной диафрагМОЙ d 1, равна , величина потока, прошедшего измерительный канал с сухой кюветой сравнения при апертурной диафрагме , равна -Пусть величина определяющая коэффициент виньетирования светового потока малой диафрагмой и неидентичность каналов будет

Тогда при установке в измерительньй канал устройства кювет , заполненных исследуемой жидкостью, поток после измерительной кюветы

Ф.ф

ы - Б

(3)

а поток после кюветы сравнения (с учетом 2)

il

Л Р

РИ i

(10)

ДА

ср о ер

с

Дпя соблюдения симметричности хода светового потока в меридиональной плоскости кювет отверстия в рассеивающих коллекторах размещены на расстоянии 1/4 Di от оси соответствующих кювет. 7 Vfcp-е Ри- -е- р () . Поделив (3) на (2) и сделав преобразование ,получим измеренную устройством величину еп 2(е„-€ср) ф; Чтобы получить одинаковые количества отражений для лучей, рассеянных под углом от осевого луча необходимо соблюсти соотношение -Dii- ср ср Чтобы эта геометрия осталась справедливой для всех лучей.определяющих диаметр светового потока, например для крайних лучей , необходимо соотношение вида 1Эц-сЗи Dcp-d Сделав преобразования в (7) с учетом (6),получим -di. . „k (8) ср ср В свою очередь,, диаметры отверстий в рассеивающих коллекторах, во избежание виньетирования светового потока в канале при установке кювет должны быть равны или несколько большими диаметров соответствующих апертурных диафрагм, т.е. d - -dSHd p.d поэтому учитывая (5) , (7), (8) , получим:

71

При установке в измерительный канал устройства кювет заполненных исследуемой жидкостью,на параллельный световой поток, прошедший внутрь кюветы Действуют два фактора , определяющие оптические свойства среды: во-первых, свет поглощается средой в соответствии с выражениями (3) или (4) и во-вторых, рассеивается , причем на рассеивающие коллекторы устанавливаемых кювет практически попадают все лучи, рассеянные как вперед (на фиг.2 обозначены у gy)так и назад (на фиг.2 обозначены как(„ ), за исключением , рассеянных под углом 9(7; причем количество отражений для каждого вида лучей в обоих кюветах, как было показано в (10) одинаково. Таким образок, как прямые - прощедшие через среду параллельные световые потоки, так и потоки , рассеянные средой под разными углами попадают на рассеивающие коллекторы 16 и 17, измерительной кюветы 8 или кюветы сравнения 1 , причем яркость зтих коллекторов пропорциональна суммарной величине прямых и рассеянных световых потоков, прошедших на их поверхность, и фотоприемник 22 , регистрируют сигналы, отразившиеся от экрана 20 и сфокусированные объективом .21 пропорциональные выражениям (3) и (4) для измерительной кюветы и кюветы сравнения соответственно.

Очевидно, измерив величины сигналов (2), (3) и (4) и подставив их в выражение (5)можно получить измеренную величину показателя поглощения , которая тем ближе ч истиннойЭв, чем меньше света рассеивается средой под большими углами j , т.е. чем более вытянута индикатрисса рассеяния в области малых углов , что характерно для чистых морских и океанических вод.

Установка прямоугольной призмы в кюветах подобного типа преследует единственную цель - увеличить вдвое оптическую базу прибора, или, что то же самое - уменьшить расход исследуе МОго вещества при анализе.

Применение прямоугольной призмы в кювете позволяет учитывать при измерениях долю рассеянного светового потока не только вперед, но и в заднюю полусферу.

28978

Рассеивающий коллектор с отверсти ем позволяет в совокупности с прямоугольной призмой регистрировать излучение, рассеянное как в переднюю, так 5 и в заднюю полус(.в широком диапазоне углов, так как будучи Ламбертовским рассеивателем, коллектор рассеивает излучение пропорционально световому потоку , пришедшему на него неза0 висимо от угла падения. Это, в свою очередь , сводит методическую ошибку при измерениях Эб к минимуьгу и повышав т точность измерений.

Расположение отверстий в рассеиваю15

щих коллекторах и отражающем экране

конструктивно обеспечивает прохождение параллельного светового потока от коллиматора в кюветы с исследуемой средой без виньетирования пучка

и излишних потерь энергии источника. Расположение отверстий в рассеивающих коллекторах на расстоянии 1/4 диаметра кюветы обеспечивает симметричность хода светового пучка относительно стенок кюветы. В этом случае параллельный световой поток попадает на центральный участок световой зоны отражающих граней прямоугольной призмы, что является оптимальным условием для исключения зарезания пучка на фасках призмы и стенках кюветы. Эти явления зарезания могут привести к некоторой погрешности при измерениях .

При размещении отверстий в коллек- торах ближе 1/4 диаметра кюветы к центру возможен возврат части прямого пучка при отражении от отражающих граней прямоугольной призмы в отверстие коллектора, а не на его поверх-, ность, что приведет к значительной погрешности при измеренияхЭб.

Установка в плоскости входного зрачка объектива коллиматора сменных апёртурных диафрагм позволяет изменять диаметры световых потоков, вошедших в кюветы с исследуемой средой в соответствии с соотношениями (10), так как размер апертурной диафрагмы определяет диаметр паргшлельного светового потока в устройстве.

Использование предлагаемого устройства для измерения показателя поглощения излучения прозрачной средой позволит повысить точность измерений вследствие того, что фотоприемник в устройстве регистрирует как прямое и рассеянное вперед излучение , так и