Рефрактометр Советский патент 1987 года по МПК G01N21/43 

1,- 1

Изобретение относится к технике измерения показателя преломления жидких сред.

Целью изобретения является повышение точности измерения показателя преломления.

На чертеже изображена схема рефрактометра.

Рефрактометр содержит источник 1 излучения, подводящий излучение световод 2, чувствительный элемент - фо кон 3, отводящий излучение световод 4, фотоприемник 5, измеритель 6 сиг- , нала (тока) фотоприемника, механизм перемещения чувствительного элемента, включающий узел 7 крепления фо- кона, закрепленный жестко на координатном столике 8, вертикально перемещающимся с помощью микрометрическог винта 9, позволяющего ос тдествлять плавные микроперемещения и являющегося одновременно измерителем перемещения, В случае -необходимости очень точного измерения показателя прелом- ления (ПП) в устройство может быть включен интерференционный измеритель 10 перемещения, позволяющий точ но измерить перемещен ия координатног столика 8.

Рефрактометр работает следующим образом.

До начала измерения производится градуировка измерителя 9 или 10 перемещений в единицах ПП. Для этого кю-

вету, внутри которой устанавливают фокон 3, заполняют эталонными жидкостями с известными значениями ПП, находящихся в диапазоне П (где П

минимальный и максимальньм ПП жидкости) , и перемещают фокон вверх из полностью погруженного состояния до глубины погружения, при которой ток фотодиода начинает возрастать и пре- вышает наименьшее значение на некоторую заданную величину, именуемую далее номинальным током фотодиода 1. Это позволяет производить точное перемещение и установку глубины погру- женил фокона, а значит и точное измерение ПП жидкости П,,.

В исходном состоянии до помещения фокона 3 в жидкость он находится на воздухе. При этом оптический сигнал, поступающий от источника через световод 2, фокон 3 и световод 4 к фото- ,приемнику 5, имеет наибольшую величину, что фиксируется измерителем 6.

-гт

мин макс мин . соответственно

992

Далее фокон полностью погружают в жидкость, при этом показания измерителя 6 минимальные.

Для измерения ПП контролируемой жидкости фокон 3, закрепленный в держателе 7, перемешдют микрометрическим винтом 9 вместе с координатным столиком 8 вверх до тех пор, пока не начнет возрастать ток фотодиода и показания измерителя 6 не станут соответствовать 1ц. После этого.перемещение столика прекращают и по микрометру 9 или измерителю 10 определяют величину ПП контролируемой жидкости.

При изменении ПП жидкости П,, например, в случае ее нагрева перемещение столика 8 производится до тех пор, пока показания измерителя 6 не станут соответствовать 1ц. По шкалам измерителей 9 или 10 определяют абсолютное значение ПП 11.

В основу рефрактометра положено явление зависимости коэффициента передачи К - светОпропускания фокона от показателя преломления жидкости и глубины его погружения в жидкость. Фокон представляет собой световод монотонно-переменного сечения (усеченный конус, имеющий большее и меньшее основания), образующая которого прямая линия. Фокон обладает тем свойством, что апертурный угол лучей к оси фокона, вводимых со стороны большего основания, увеличивается при прохождении через фокон. При увеличе НИИ ПП среды П;, (исходно фокон на- ходился в воздухе Пср 1) для части лучей нарушается условие полного внутреннего отражения и они покидают фокон, выходя через боковую поверх- ность, причем высвечивание лучей начинается с части боковой поверхности, прилежащей к меньшему основанию фокона, так как здесь углы лучей к оси больше, чем у большего основания. При этом уменьшается коэффициент передачи К фокона. Если участок фокона со стороны меньшего основания, где начинается высвеч1-тание лучей, вытянуть из среды с ПП Пер и поместить в воздух с ПП П с.р 1 , то величина К не изменится. Для сохранения К постоянным необходимо по мере увеличения все более вытягивать фокон из среды

в воздух.

1 Согласно инварианту Штраубеля для

того, чтобы через фокон, выполненный из материала с ПП П и находящийся в

13321

среде с ПП П,., прошли все лучи, наибольший апертурный угол у большего основания фокона которых в , необходимо, чтобы

Ё2. - д, J, (.чг

d, sinCei -0) 1 П/

маис

dj d2

2d 10

d, d - диаметры большего и меньшего торцов фокона б| - критический угол лучей в

световоде постоянного сечения, образованного материалом с ПП П и

средой с ПП П

ср

Если фокон с обеих сторон соединен световодами, ПП сердцевины которых П, а ПП оболочки П, то

- Ф) .

угол конусности фокона, который представляет собой половину угла при вершине конуса, образующегося при продолжении фокона в сторону меньшего основания (d - 0); Длина рабочего участка фокона.

При увеличении ПП среды до П через фокон проходит только та часть лучей, для которых выполняется условие полного внутреннего отражения. Наибольшая апертура этих лучей на входе Sg определяется выражением

sin е

в. Sin(& ;;-0),

к

где 1 - (п) критический

м

угол лучей в световоде постоянного сечения, образованного материалом с ПП П,.

Для определения коэффициентов передачи фокона (отношение мощности, прошедшей через фокон, к мощности, . вводимой в него) в зависимости от величины 1 (1 - длина части фокона, помещенная в среду с ПП и отсчитываемая от большего сечения) применим метод модово-лучевой эквивалентности. На основе этого метода для изотропного возбуждения фокона получается выражение

(1 I 22 liEllL® c I).l (1)

9с J Из выражения (1) следует, что при постоянной глубине погружения фокона

99

в контролируемую жидкость при изменении П, т.е. , величина К также меняется. Для поддержания К постоянным, например, при увеличении П,, необходимо уменьшать величину 1. При полностью погруженном фоконе в жидкость с ПП в диапазоне П,,, „о,

d|

К К TJ-. Для К -всегда выполняется условие 17 К . Анализ выражения (1) показывает, что для обеспечения наибольшего изменения оптического сигнала на выходе фокона при его постепенном до полного погружения в жидкость, начиная с большего основания, т.е. для лучшего использования фокона и обеспечения наиболее широкого диапазона измеряемых ПП необходимо, чтобы

25

0

5

0

0

R

в противном случае устройство имеет зону нечувствительности.

Из выражения (1) следует, что глубина погружения фокона, при которой К const в случае изменения П., т.е. в J определяется

1 ()2 . 2d

Таким образом, 1 является функцией П,.

Установление фокона перпендикулярно к границе раздела жидкость - возг, дух обеспечивает высокую точность установки постоянного сигнала на выходе фотодиода при перемещении фокона в строгом соответствии с изменением П.,. Форма и параметры фокона могут обеспечиваться при его изготовлении, например, методом вытягивания существующих световодов типа кварц-полимер диаметром d после удаления полимерных покрытий и нагрева материала в световодах до температуры размягчения, а также специальной отливкой. В последнем случае фокон может выполняться с большими поперечными размерами, при этом свет к нему можно подводить и отводить с помощью световод- ных жгутов. Формула изобретений

Рефрактометр, содержащий источник излучения, световод для ввода иэлучения

1

, кювету для исследуемой жидкости

чувствительный элемент в виде фокона размещенньй в кювете, световод для вывода излучения и фотоприемник, о т личающийся тем, что, с це- лью повышения точности измерения показателя преломления, в него введен механизм перемещения фокона с измерителем перемещения, при этом оптичес- кая ось фокона перпендикулярна основанию кюветы, а его широкий торец обращен к нему, причем угол d- конусности фокона выбирается из условия

l (DjJi«Jl.)2

nt

с

99

шению

а диаметры большего d и меньшего d торцов фокона удовлетворяют соотно-

d,/d,

sin 0с

iT - (1/п,)2

шению

где П - показатель преломления материала фокона-,

П мин минимальньш показатель преломления из диапазона контролируемых сред с апертурный угол излучения, проходящего через широкий торец фокона.

Редактор И.Шулла

Составитель С.Голубев

Техред;М.Ходанич Корректор А.Обручар

Заказ 3825/39Тираж 776Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Изобретение относится к технике измерения показателя преломления жидких сред. Цель изобретения - повышение точности измерения показателей преломления жидких сред. Рефрактометр снабжен чувствительным элементом в виде фокона, механизмом перемещения и измерителем перемещения. Измерение показателя преломления производится перемещением фокона до достижения сигналом на его выходе некоторой данной величины и измерением этого перемещения. 1 ил. (Л с 00 00 кэ со :о