Способ измерения показателя преломления жидкости Советский патент 1991 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения показателя преломления жидких сред.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия измерений.

На фиг.1 показана структурная схема устройства для реализации способа; на фиг.2 - зависимость угла входа луча, прошедшего через кювету с жидкостью, от координаты выхода его из объекта и соответствующий сигнал на выходе фотоприемника.

Устройство для реализации способа (фиг.1) содержит источник 1 света, рассеиватель 2, ограничитель 3 и 4 светового потока в виде непрозрачных пластин, прозрачную цилиндрическую кювету 5, фотоприемник 6 и регистрирующий прибор 7.

Источник 1 света располагают в пространстве так, чтобы ось индикатрисы излучения была перпендикулярна оси прозрачной цилиндрической кюветы 5. Рассеиватель 2 и ограничители 3 и 4 располагают в плоскости, перпендикулярной оси светового потока, причем ограничители 3 и 4 равноудалены от нее. Фотоприемник 6 включает объектив с малой апертурой и . линейный прибор с зарядовой связью и электрически связан с регистрирующим прибором 7.

Способ осуществляют следующим образом.

Исследуемую жидкость помещают в прозрачную цилиндрическую кювету 5 Световым потоком от источника 1, рассеянным с помощью рассеивателя 2, облучают кювету 5 с жидкостью, причем диапазон углов входа излучения в кювету 5 ограничивают закрепленны- ми ограничителями 3 и 4. С помощью объектива фотоприемника 6, имеющего

(Л С

о со

С5

i

со

малую апертуру, из всех лучей, вышедших из кюветы 5 в плоскости изображения фотоприемника 6, фиксируют только параллельные лучи. Фиксация пучка параллельных лучей, определяемая объективом фотоприемника 6 после прохода через прозрачную цилиндрическую кювету 5 с исследуемой жидкостью, имеет вид свет- лых и темных полос. На выходе фотоприемника 6 формируется сигнал, отраженный на фиг.2.

В пучке параллельных лучей отсутствуют лучи, угол входа которых в кювету 5 превышает ± 9 Кр образованный осью пучка лучей и линией, проходящей через края ограничителей 3 и 4 и цилиндрическую кювету 5. Отсутст вие лучей в параллельном пучке приво ит к образованию темных полос, что соответствует уровню О сигнала на выходе фотоприемника 6 (фиг.2). Лучи,- вошедшие в прозрачную цилиндрическую кювету 5 с исследуемой жидкостью в секторе, ограниченном значением углов ± 0«« , также как и лчи, прошедшие мимо кюветы 5, образуют светлую полосу в пучке параллельных лучей, что соответствует уровню 1 сигнала на выходе фотоприемника 6 (фиг.2).

График зависимости угла входа лучей в прозрачную цилиндрическую кювету 5 с исследуемой жидкостью от координат выхода этих лучей параллельно линии регистрации, показанный на фиг.2, построен на основе уравнения

9п s Л Плл

2(arcsin -:- - arcsin + Ь п„Ъ

п0Х

arsin - arcsin

nca

n0X

in -SftJ), (1)

угол входа лучей в кювету 5; 45 внутренний и внешний радиусы кюветы 5;

показатели преломления окружающей среды, кюветы 5 и 50 исследуемой жидкости соответственно;

- координата выхода относительно линии регистрации лучей, прошедших сквозь кювету 5.

аксимальных углов входа раслучей, которые определяются

o

5 0 5 0

5

0

5

0

положением ограничителей 3 и 4, ког- да 0 0 kp и X Х(. уравнение (1) запишется в виде

Q 2(arcsin -Ц- - arcsin -&L +

KfDП0Ь

f arcsin ----i- - arcsin ). (2) ncan a

Предельный угол Q «p отличается от угла 90 , который образован линией регистрации и линией, проходящей через край ограничителя и ось кюветы, и вычисляется функцией

00 arctg --- (3)

Однако, если обеспечить условия L b и Р Ь, то предельный угол впр будет близок по значению углу.90 а при L 100b и Р 10СК b углы Q „р и 00 с погрешностью, непревышающей 1%, совпадают. Если размеры кюветы удовлетворяют условию b .L/100 и Р/100, то калибровку устройства с целью определения предельного угла для каждого нового образца жидкости проводить не нужно, в противном случае ограничители удаляют на требуемое расстояние и проводят дополнительную калибровку.

График на фиг.2, построенный на основании уравнения О) свидетельствует о том, что при отсечении ограничителями 3 и 4 лучей, угол входа которых в кювету 5 с исследуемой жидкостью превышает Qкр , приводит к отсутствию в пучке лучей, выходящих из кюветы 5 параллельно линии регистрации.

Границы светотени - Xj и Xt (фиг.2) связаны с геометрическими па;- раметрами кюветы 5, показателем преломления исследуемой жидкости и положением ограничителей 3 и 4, задающих критические углы входа лучей в прозрачную цилиндрическую кювету 5, соотношением (1).

Сигнал на выходе фотоприемника 6 (фиг.2) связан с границами светотени соотношением

Т - 2К9-Х()

,(4)

где К д, - коэффициент передачи фотоприемника 6.

При условии 2Кф 1, что обеспечивается в процессе настройки прибора из уравнения (2) с учетом соотношения (4), получают формулу

Регистрирующий прибор 7 из сигнала на выходе фотоприемника 6 вьщеля- ет интервал Т, соответствующий минимальному расстоянию между границами света и тени в распределении интен- сивности параллельного пучка, и вычисляет значение показателя преломления исследуемой жидкости согласно уравнению (5).

i

Способ отличается простотой реализации оптической системы, состоящей из источника света в виде лампы накаливания, рассеивателя, например, из оргстекла молочного цвета, двух экранов, например, металлических и длиннофокусного объектива. Требования к элементам невысокие - так, напри- мер, изменение напряжения питания источника на i10% относительно номи- нального значения не влияет на результат измерения прибора. В связи с отсутствием подвижных механизмов устройство, реализующее способ, обладает повышенной надежностью.

Способ характеризуется высоким быстродействием, определяемым в основном быстродействием фотоприемника и продолжительностью вычислений по формуле (1) вычислительного устройства, входящего в состав регистрирующего прибора. При.использовании, например, в качестве фотоприемника линейного прибора с зарядовой связью с тактовой частотой 3 МГц,, время преобразования видеосигнала не превысить 0,3 мс.

Формула изобретения

Способ измерения показателя преломления жидкости, в котором исследуемую жидкость помещают в цилиндрическую кювету с известными внутренним а и внесшим Ь диаметрами и показателем преломления п„ материала стенок кюветы, освещают кювету световым пучком, который ограничивают симметрично плоскости, проходящей через ось кюветы и линию регистрации, и измеряют расстояния между границами света и тени в распределении интенсивности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, световой пучок до его ограничения рассеивают и ограничивают рас сеянный световой пучок так, что расстояние Р от линии регистрации до краев ограничителей и расстояние L от оси кюветы до плоскости ограничи- телей много больше внешнего диаметра кюветы, из прошедшего кювету излучения формируют пучок параллельных лучей, а показатель преломления пж исследуемой жидкости вычисляют по формуле

Изобретение предназначено для измерения показателя преломления жидких сред. Цель изобретения - повышение точности быстродействия. Рассеянным пучком излучения освещают цилиндрическую кювету с исследуемой жидкостью. Диапазон углов входа излучения в кювету ограничивают. Формируют пучок параллельных лучей, прошедщих через исследуемый объект, характеристики которого связаны с показателем преломления жидкости, помещенной в кювету. Характеристиками параплель- ного светового пучка, позволяющими измерять показатель преломления, исследуемой жидкости, являются границы светотени. 2 ил. I

mfri

а . sin (arcs in --- - arcsin ---f +

nc b

Т - минимальное расстояние между границами света и тени в распределении интенсивное- д5 ти;

п - показатель преломления окружающей среды,

+

. n0Ti

arcsin

nca

2 ;

- угол между линией регистрации и линией, проходящей через край ограничителя и ось кюветы.

Фиг.7 вград