Способ измерения показателя преломления жидких и газообразных прозрачных сред и устройство для его осуществления Советский патент 1985 года по МПК G01N21/41 

Qt-einCf .2m )-Ч о2. - угол наклона щели относител направлеиия распространения све4. Устройство для измерения пока зателя преломления жидких и газообразных прозрачных сред, содержащее лазер и расположенные последователь но по ходу излучения формирующую оптическую систему, плоский экран, кювету с двумя ячейками, объектив и 1 фотоэлектрический анализатор, состоящий из щели и фотоприемника, подключенный к блоку обработки сигналов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены две непрозрачные полуплоскости, размещенные в ячейках кюветы с возможностью перемещения по ее длине и образующие щели равной ширины с плоским экраном, а перед кюветой установлена шторка с возможностью попеременного диафрагмирования ячеек

1. Способ измерения показателя преломления жидких и газообразных прозрачных сред, включающий пропускание через среду монохроматического когерентного пучка света, воздействие на пучок непрозрачным препятствием,формирование дифракционной картины в плоскости анализа и вычисление показателя преломления по положет0о экстремумов дифракционной картины, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерений, на пучок воздействуют щелью, образованной двуыя полуплоскостями, расположенными в исследуемой среде, одна из которых сдвинута относительно другой в направлении распространения света, изменяют эффективную ширину щели и при совмещении одного из минимумов дифракционной картины с фиксированной точкой плоскости анализа по координате фиксированной точки и величине эффективной ширины щели определяют показатель преломления. .. Способ по п. 1,отличаю-щ и и с я тем, что изменение эффективной ширины щели проводят путем перемещения одной из полуплоскостей, образующих щель, параллельно направлению распространения света и определяют величину показателя преломления п из .соотношения hSin q ( i w7k) где m 1; +2; +3...; h - расстояние между полуплосCO костями в направлении распространения света; с о - ширина щели; Л - длина волны света; Ч - угол между направлением распространения света и направлением на фиксированную точку плоскости анализа из 4 центра щели. 4i 3. Способ по п. 1,отличаюо cc щ и и с я тем, что изменение эффективной ширины щели осуществляют пу4 тем наклона щели относительно направления распространения света и определяют показатель преломления п из соотношения ./ A/2i(f-A8(l -D-2ni1i || - ) - : где m +1; +2; +3. ..; A 5inCoit4 Vbiioi з B 2b-ht oCi r/2b-5inq -2mA, .. л л j 1 (,)42b- 5inq)itf ci :, Sii -f IJ

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения пока зателя преломления жидкостей и газов при решении технологических задач, проведении научно-исследовательских работ и т.д. Известны способ и устройство для измерения показателя преломления, основанного на интерференционном методе lj . Однако точность измерения ограничена возможностью регистрадаи дробно доли интерференционной полосы, для повышения чувствительности приходит ся использовать кюветыбольшой длины, что приводит к трудностям, связанным с термостатированием кюветы. Наиболее близкими по технической сущности к изобретению являются способ измерения показателя преломл ния жидких и газообразных прозрачных сред, включающий пропускание через среду монохроматического коге рентного пучка света, воздействие н пучок нейрозрзчным препятствием, формирование дифракционной картины в плоскости анализа и вычисление показателя преломления по положению экстремумов дифракционной картины, и устройство для осуществления способа, содержащее лазер и расположенные последовательно по ходу излучения, формирующую оптическую систему плоский экран, кювету, с двумя ячейками, объектив и фотоэлектрический анализатор, состоящий из щели и фотоприемника, подключенньй к блоку обработки сигнала. Сформированный оптической системой параллельньш лазерньш пучок посылают в кювету таким образом, чтобы половина пучка проходила через исследуемую среду, а половина - через эталонную. На краях плоского непрозрачного экрана свет дифрагирует и формирует в фокальной плоскости объек-тива, установленного за кюветой, дифракционную картину. Если показатель преломления исследуемой среды отличается от эталонного, то разность фаз световых волн, прошедших разные ячейки кюветы, вьфазится какд(2 -41л1/ где йп - относительная разность показателей преломления эталонной и исследуемых сред; I - длина кюветы; - длина волны света. В результате дифракционная картина имеет искажения и смещения ее экстремальных точек относительно неискаженной картины пропорциональны величине А(р Положение нулевого максимума определяют при помощи колеблющегося щелевого электрома гнитного анализатора и установленного за ним фотоприемника, закрепленных на подвижной каретке, снабженной микрометрическим винтом. По величине амплитуды первой гармоники сигнала, снимаемого с фотоприемника, судят о положе1гии нулевого максимума дифракционной картины относительно щелевого анализатора. Блок обработки сигнала состоит из предварительного 3, и узкополоеного усилителей и фазов го детектора, на который также поступает сигнал с генератора, питаю щего электромагнитный вибратор щеле вого анализатора Г21 . Недостатки известного способа и реализующего его устройства заклю чаются в низкой точности измерений показателя преломления, обусловленн малой разностью фаз световых волн, образующих дифракционную картину (линейно связанной с длиной кюветы) приводящей к малым искажениям дифрак1щонной картины, а следовательно, к погрешностям регистрации. Кро ме того, ограничен диапазон измерений разности показателя преломления при заданной длине кюветы, что обус ловлено отсутствием в схеме компенсатора. Данным методом невозможно определять абсолютный показатель преломления без использования вакуума в качестве эталонной среды. Н достатком является также сложность конструкции кюветы. Цель изобретения - повышение точ ности измерений. Поставленная цель достигается тем что согласно способу измерения пока зателя преломления жидких и газообразных прозрачных сред, включающему пропускание через среду монохроматического когерентного пучка света, воздействие на пучок непрозрачным препятствием, формирование дифракционной картины в плоскости анализа и вычисление показателя преломления по положению экстремумов дифракцион-ной картины, на пучок воздействуют щелью, образованной двумя полуплоскостями, расположенными в исследуемой .среде,одна из которых сдвинута относительно другой в направлении распространения света, изменяют зф фективную ширину щели и при совмещении одного из минимумов дифракизнон ной картины с фиксированной точкой плоскости анализа по координате фиксированной точки и величине эффектив ной ширины щели определяют показател преломления. В частности, можно изменение эффек тивной 1шрины щели приводить путем перемещения одной из полуплоскостей. образующих щель, параллельно направлению распространения света и определять показатель преломления и из соотношения7 03Д h 9in qi 2{Ь5it t|trYl где h расстояние между полуплоскостями в направлении распространения света; ширина щели; длина волны света; угол между направлением распространения света и направлением на фиксированную точку плоскости анализа из-центра щели. Кроме того, возможно изменение эффективной ширины щели осуществлять путем наклона щели относительно направления распространения света и определять показатель преломления из соотношения ((--й- г -д.е. m +1; +2; +3...; A- sinUtU l-eino(,., e 2b-Ktg :, 2Ь nЦ-2w 91 -(ошч ;nty)+2b6in cpig-tsij igCf-Sintf jj , ( oi - угол наклона щели относительно направления распространений света. В устройство для измерения показателя преломления жидких и газообразных прозрачных сред, содержащее лазер- и расположенные последовательно по ходу излучения формирующую оптическую систему, плоский экран, кювету с двумя ячейками, объектив и фотоэлектрический анализатор, состоящий з щели и фотоприемника, подключенный блоку обработки сигналов, дополниельно введены две непрозрачные полулоскости , размещенные в ячейках кюеты с возможностью перемещения по е длине и образующие щели равной ирины в с плоским экраном, а перед юветой установлена шторка с возможостью попеременного диафрагмироваия ячеек. На фиг.1 показана схема устройста, вид сбоку; на фиг,2 - то же. У -v-wivj- у iCi itriJL f Л. - 14J /K.ti ИИ верху; на фиг.З и 4 - варианты реалиации способа. Устройство содержит последовательо расположенные лазер 1, фopмиpvющую оптическую систему 2, кювету 3, разделенную непрозрачной диафрагмой на две идентичные ячейки с исследуе мой и эталонной средами, плоский экран 4, расположенный за входным окном кюветы, две полуплоскости 5 и 6, размещенные в ячейках кюветы с возможностью перемеп1ения по ее длин и образующие щели равной ширины с плоским экраном 4, шторку 7, объектив 8, фотоэлектрический анализатор состоящий из колеблющейся а1ели 9 и фотоприемника 10, соединенного с блоком 11 обработки сигнала. Анализатор определяет параметры дифракционной картины 12 (фиг.З н 4 Способ осуществляют следующим образом.. Лазерньщ пучок пропускают через кювету 3, заполненну1о исследуемой средой, воздействуя на нее щелью ши риной Ь , образованной полуплоскостями 5 и 6, расположенными в среде и смещенными одна относительно друг вдоль направления распространения света. В фокальной плоскости объект ва 8 получают искаженную дифракцион ную картину 12. Затем плавно переме щают одну из полуплоскостей щели lia раллельно самой себе, добиваясь сов мещения одного из минимумов дифракционной картины с фиксированной точ кой плоскости анализа. При этом рас стояние между полуплоскостями составит величину h Для упрощения вывода формулы для расчета показателя преломления рассмотрим условие только для возникно вения первого минимума дифракции правой части дифракционной картины |(фиг.2).. Согласно теории ФренеляКирхгофа выражение для первого дифракционного минимума имеет вид Ъ-SinCf Ti . Следовательно, разность хода лучей, сходяпщхся в первом дифракционном минимуме, составляет , поэтому Ak-t kM-81 91 . Нирина плоского фрО1(та волны света для нижне- полуплоскости равна 1)1,, а следовательно.

DM-A-, +1 /Л-8и-2Л Ml)M4kK .

Обозначая угол между направлением 55 распространения зондирующего излучения и направлением из центра щели на первый дифракционный минимум при

m R - C)t 4 Р5 - 8Е 2 -Х 3

mR (b-big()-6in(« + q),; С (Ь-ЬЦц))-51пос

PC b-hig(octq4)5;n(citi,1; 6Е b-h.tg-(citcf2)6;n ы. наличии измеряемой жидкости cf , а при ее отсутствии % можем записать t5;nq t(b-hlgcfobinq) 2gi 2b-6inqi-htgCfo-5incj 2A. Так как су весьма мал, то gjpcpo учитывая, что , получаем П- - 1 впсро n(2bsinqi-2ii hsin tf , откуда h-ein q (b-SAnCftZ) В общем случае это выражейие имеет ™ ., 2(b5in qit «пЛ .где m +1; +2 J +3.. .. . Знак + используется для определения -показателя преломления по положению минимумов левой части дифракционной картины, знак правой. Полученная формула слутшт для расчета показателя исследуемой среды. Фиксирование точки в плоскости анализа осуществляется при помопщ фотоэлектрическоро анализатора и в значительной мере упрощает измерение, так как угол ср практически постоянен, так же как и пмрина щели Ь . Для вычисления п необходимо только измерить величину h , определяняцую э(|)фективную ширину щели, и изменение которой приводит к компенсационному смещению экстремальных точек дифракционной картины в плоскости анализа. Процесс измерений по другому варианту осуществления способа заключается в том (фиг.4), что щель наклоняют относительно направления распространения света, добиваясь совмещения одного из минимумов дифракционной картины с фиксированной точкой плоскости анализа. При этом угол наклона щели составит величину 06.. в этом случае условие для первого минимума дифракции можно записать в виде 5inO(,5л nt, Учитывая, что -, n и --;- п ff Sin получим 2b-b{l(j.+t ioi-Kf2 j sinicc+q,V5i t)l )и-.).... 2bn :2bni ot-s n4t-bneinci htg-oc-5i -n higot-h-n.5mq,- 6iniot4Cp,V5inoi Й Поскольку при нормальном полож щели без вещества условие минимум записьтается в виде 21)эш q, PI Г 2 то получим .;пС|,-2,Ц а ,.6;nq, I . Ь |2b5in4,-2 - Ir . , . -I Uc y- ;oQ;i F - (ы+,51По1 2Ь-ЬЦ9б1-п J((.in« 4 Sin 4,).2U;n c,i l.igC,5inq, / J- , lo-f b-sin t-S-fth .. ,n et+C|.V5i«q,J+ - -jtgctx x 6int644C n-5;noi -2X :0. Обозначая A 6in o6vqi,)-5tnoi. 3 8 2b-bl.Coi5 (,- ig-cp,-5incf, Получим Устройство работает следующим образом. Сформированньй оптической сист мой 2 лазерный пучок посылают в к ту 3 таким образом, чтобы половин пучка проходила через ячейку с эт лонной средой с показателем прело ния .П(, а половина - через ячейку с исследуемой средой /ig. Плоский экран 4 установлен таким образом, что диафрагмирует половину световых окон обеих ячеек кюветы и образует щели равной ширины с полуплоскостями 5 и 6. Световой пучок дифрагирует на щелях 4, 5 и 4, 6 с образованием двух дифракционных картин, сформированных объективом 8 в его фокальной плоскости. Перекрывая непрозрачной шторкой 7 ячейку с исследуемой средой, при помощи плавленного перемещения полуплоскости 5 добиваются максимального искажения первой дифракционной картины. Перемещая вдоль фокальной плоскости фотоэлектрический анализатору устанавливают колеблющуюся щель 9 напротив одного из экстремзп ов дифракционной картины (наиболее удобного для регистрации), при этом сигнал, снимаемый с фотоприемника, имеет амплитуду первой гармоники, равной- нулю. Затем измеряют расстояние между полуплоскостью 5 и плоским экраном А (величина h, ). После этого перемещают шторку 7, диафрагмируя ячейку с эталонной средой, и открывают ячейку с исследуемой средой. В плоскости анализа формируется вторая дифракционная картина. Перемещая полуплоскость 6 вдоль кюветы, доби- ваются совмещения положения экстремумов второй дифракционной картины с положением экстремумов первой дифракционной картины, оценивая величину несовпадения при помощи фотоэлектрического анализа по положению одноименного экстремума второй дифракционной картины относительно щели 9. После этого измеряют расстояние между полуплоскостью 6 и экраном 4 (величина h ).. Таким образом получают две идентичные дифракционные картины, для которых условия экстремумов записы- : ваются как 2Ь,.Ьc|, .2Ьг51ПЧ г± , В обоих вьфажениях для полученного . в процессе измерения случая Ь, Ьд {, ; m,-crTil ; Л const, следовательно, Ь п, пг Расчетная формула для определения относительного показателя пр1еломле ГОШ имеет вид: Предлагаемые способ и устройство для era реализации отличаются от известных Использованием плавной компенсации искажений дифракционной кар тины, возникающих вследствие влияния показателя преломления исследуемой средь на дифрагирующий световой пучок . Использова1ше предлагаемого способа и устройства для его реализации дает возможность повысить точность измерений показателя преломления за счет использования щели с раз несенными полуплоскостями, позволяющей, изменяя ее эффективную ширину, управлять параметрами формируемой дифракционной картины, т.е. искусственно -создавать ее значительные искажения, облегчающие их регистрацию с малой погрешностью; проводить измерения абсолютного показателя преломления исследуемой среды без сравнения с зталонной; использовать неограниченный диапазон измеряемых прозрачных сред; повысить пространственное разрешение измерений, так как для анализа требуется минимальный объем исследуемого вещества; не предъявлять высоких требований к изготовлению и юстировке большинства элементов схемы, отличающихся простотой конструкции.

-оу I

..Uj

Фиг,3

-Li.J

ФигЛ