Двухлучевой фотометр Советский патент 1989 года по МПК G01J1/42 

1

Изобретение относится к технике фотометрического анализа и может быть использовано при контроле состава жидкостей и газов в технологических процессах нефтяной, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На чертеже представлена схема предложенного фотометра.

Фотометр содержит источник 1 излучения, по ходу излучения оптическое устройство 2 для создания двух оптических каналов, с каждой из сторон рабочей 3 и сравнительной 4 кювет две одинаковые

призмы 5, имеющие прозрачные грани для ввода световых потоков, образующие осями каждой из кювет угол а, две зеркально отражающие грани, образующие с осями кювет угол 45°+кг в каждом оптическом канале фотоприемники 6, связанные с входом измерительного устройства 7.

Фотометр работает следующим образом.

От источника 1 излучения формируется два оптических канала посредством оптического устройства 2. В первом оптическом канале световой поток от источника 1 излучения через оптическое устройство

Ј 1

05 СО Ю Јъ

2 падает перпендикулярно на прозрачную грань призмы 5, претерпевает полное внутреннее отражение на грани, прилегающей к внутренней полости рабочей кюветы 3 и, отразившись от зеркальной грани призмы 5, проходит через сравнительную кювету 4. Прошедший световой поток, отразившись от зеркальной грани другой призмы, вновь претерпевает полное внутреннее отражение на грани, прилегающей к внутренней полос- ти рабочей кюветы и через прозрачную грань падает на фотоприемник 6.

Во втором оптическом канале ход светового потока через оптическое устройство 2, призмы 5, рабочую кювету 3 и взаимодействие с гранями призм, прилегающими к внутренней полости сравнительной кюветы 4, аналогичны первому каналу.

Из-за поглощения светового потока в рабочей и сравнительной происходит ослабление свеюьо lUioiwi i .дающего на фотоприемннь : л;;рОЙСТВО 7 pel :.L. ,., , i

налы с фотоприсмников, и но изменению отношения этих сигналов с,; о концентрации измеряемой компопч-мы продукта.

Теоретическое обоснование достижения поставленной цели заключается в следующем. Известно, что в условиях полного внутреннего отражения световой поток проникает на некоторую глубину исследуемой среды, при этом коэффициент ослабления вышедшего из среды потока, когда глав- ный показатель поглощения ЗС среды меньше 0,1, выражается формулой

(-a d),(1)

где а - натуральный коэффициент поглощения;

d - толщина слоя, создающего одинако- вое ослабление световых потоков при отражении и пропускании. Предположим, что на окнах кюветы образовалась загрязняющая пленка с толщиной dm. Тогда световой поток, прошедший через загрязняющую пленку и исследуемый продукт на расстоянии d от окна кюветы, ослабится на величину

A - - exp(-a dm-an(d-dn

(2)

где a .i и GO - натуральные коэффициенты пропускания загрязняющей пленки и исследуемого продукта соответственно. Следовательно, для исключения влияния загрязняющей пленки на результаты измерения отраженный световой поток должен быть ослаблен на величину равную Л , что можег быть выполнено при условии нарушенного полного внутреннего отражения (coscc ttji) путем выбора угла а, если известны показатели преломления загрязняющей пленки «21 и исследуемого продукта «л относительно материала призмы. На практике для оптимального выбора этих

параметров можно воспользоваться выражением

° E -exti-aX -cttd-dn,))}, (3) где а - функция, которую следует минимизировать;

Rs и Rp - энергетические коэффициенты отражения Френеля; m - степень поляризации. Расчеты показывают, что только при можно получить одинаковое ослабление световых потоков при пропускании и отражении. Углы а, при которых достигаются эти условия, могут быть определены численным путем из выражения (3). Для приближенной оценки величины а можно воспользоваться формулой

« 4-sif«(4)

20

Из этой формулы и указанного условия получаем

(5)

Отсюда следует, что угол а должен удовлетворять условиям:

sina.2

1-«si

(6)

4я2

При том луч, отраженный от зеркальной грани, должен быть параллельным оси кюветы, для чего угол между зеркальными гранями и осями кювет выбран

45°+ Таким образом, световой поток, падающий на первый фотоприемник, будет определяться следующим выражением

... ,,, / ц i и L - 2rf г.

ф | СР oTcTfTpTpToTup,

(7)

е Ф о - световой поток на входе призмы; т/, коэффициент пропускания слоя вещества на расстоянии d от окон сравнительной кюветы; т/, т -коэффициенты пропускания слоя вещества на расстоянии d от окон рабочей кюветы;

TO - коэффициент пропускания растворителя или «нулевого раствора в слое единичной толщины; L - оптическая база кюветы; ТИР - коэффициент пропускания призмы. Световой поток, падающий на второй отоприемник, равен

гь л-ч iiia L-1d L-Id ъ

)0ТсТсТрТрТо-СхТпр,

(8)

где гх - коэффициент пропускания слоя измеряемой компоненты в слое единичной толщины.

Электрические сигналы с фотоприемников, пропорциональные значениям Ф и Ф2,

поступают на вход измерительного устройства 7, где после деления двух сигналов с фотоприемников получают сигнал, равный

/гФ2 Ф

где k

kr

L-2d

(9)

коэффициент пропорциональности, равный произведению передаточных коэффициентов фотоприемника и делительного устройства. Следовательно, в измерительном устройстве формируется сигнал, пропорциональный коэффициенту пропускания измеряемой компоненты.

Повышение точности измерений достигается благодаря обеспечению прохождения светового потока в рабочем канале через окна сравнительной кюветы, а в сравнительном канале - через окна рабочей кюветы, что исключает погрешности, обусловленные поглощением света в загрязняющей пленке на окнах кювет.

Формула изобретения

Двухлучевой фотометр, содержащий ис- 25 точник излучения, расположенные по ходу

0

5

0

5

излучения, устройство для создания двух оптических каналов, рабочую и сравнительную кюветы, два фотоприемника и измерительное устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерении, окна рабочей и сравнительной кювет попарно объединены и выполнены в виде одинаковых прямоугольных призм, имеющих по крайней мере три прозрачные и две зеркальные боковые грани, при этом одна из прозрачных граней ортогональна к оптическим осям кювет и непосредственно примыкает к торцам кювет, две другие прозрачные грани образуют с осями кювет угол а, удовлетворяющий условиям

4rt21

I ,

гдеп21 и «3i - соответственно показатели преломления загрязняющей пленки и исследуемого продукта относительно материала призмы,

а зеркальные грани образуют с осями кювет угол 45°+-:

Изобретение относится к технике фотометрического анализа и может быть использовано при контроле состава жидкостей и газов в технологических процессах. Цель изобретения - повышение точности измерений. Фотометр содержит источник излучения, оптическое устройство для создания двух оптических каналов, рабочую и сравнительную кюветы, два фотоприемника и измерительное уо. Окна кювет совмещены и выполнены в виде прямоугольных призм, имеющих три прозрачные и две зеркальные грани, при этом две прозрачные грани образуют с осями кювет угол α, удовлетворяющий условиям SINΑ≥(1-N₃₁)/4N₂₁

COSΑ≥N₃₁, где N₂₁ и N₃₁ - соответственно, показатели преломления загрязняющей пленки и исследуемого продукта относительно материала призмы, а угол между зеркальными гранями и осями кювет равен 45° + α/2. Благодаря такой конструкции входных и выходных окон кювет обеспечивается (за счет нарушенного полного внутреннего отражения) прохождение светового потока в рабочем канале через окна сравнительной кюветы, а в сравнительном канале через окна рабочей кюветы. Это исключает погрешности, обусловленные поглощением света в загрязняющей пленке на окнах кювет. 1 ил.