Рефрактометрическая система Советский патент 1991 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к средствам измерения концентрации растворов электролитов, например солености морской воды.

Целью изобретения является увеличение точности измерения концентрации растворов путем совмещения измерения показателя преломления и удельной электрической проводимости при сохранении высокого пространственно-временного разрешения.

На фиг.1 представлена оптическая схема рефрактометрической системы; на фиг.2 - взаимное расположение первой и второй диафрагм и расположение второй диафрагмы относительно получаемого трансфор- мированного изображения первой диафрагмы; на фиг.З - график распределения освещенности в изображении первой диафрагмы при фиксированных значениях

с

00

о со

о о

показателя преломления исследуемого рас- гвора.

Рефрактометрическая система содержит источник 1 излучения, первую диафрагму 2 и первый объектив 3, кювету в виде двух оптических элементов 4 и 5, формирующих пространство между ними в форме цилиндрической линзы 6, второй объектив 7 и вторую диафрагму 8, фотоприемник 9. Оптические элементы 4 и 5 могут быть выполнены из монолитной детали. Образующая цилиндрической поверхности линзы б перпендикулярна оптической оси объективов 3 и 7. В стенке корпуса 10 сделаны два противолежащих отверстия, через которые происходит заполнение объема исследуемым раствором,

Система работает следующим образом.

Излучение, испускаемое источником 1, попадает на расположенную в непосредственной близости от него диафрагму 2, которая формирует излучающую поверхность в виде прямоугольника. Далее излучение направляется объективом 3 через оптический элемент 4 на жидкостную цилиндрическую линзу 6 (рассеивающую, если показатель преломления раствора меньше, чем показатель преломления материала, из которого сделаны оптические элементы 4 и 5, и собирающую в противном случае). Оптическая система юстируется таким образом, что в граничной точке предела измерений (т.е. при максимальном или минимальном значении показателя преломления исследуемой жидкости, для измерения концентрации которой предназначена рефрактометрическая система, например п 1,3 для водных растворов кислот, солей, щелочей)лучи, вышедшие из цилиндрической линзы б через оптический элемент 5, фокусируются объективом 7, образуя трансформированное изображение первой диафрагмы 2,

В плоскости изображения установлена вторая диафрагма 8. кромка которой смещена относительно сопряженныхточек кромки первой диафрагмы 2 таким образом, что перекрывает большую часть сфокусированного изображения (79...90% по площади). На фиг.2 показано взаимное расположение диафрагм 2 и 8 и получаемого трансформированного изображения 11. При этом каждая точка первой диафрагмы преобразуется в плоскости установки второй диафрагмы в линию, параллельную образующей цилиндрической поверхности. График распределения освещенности Е; фансформированного изображения по оси Y представлен на фиг.З.

Лучи, вышедшие из диафрагмы 8, попадают на фотоприемник 9.

При изменении концентрации раствора изменяется показатель преломления и

удельная электрическая проводимость жидкости цилиндрической линзы 6, и световой поток расфокусируется в плоскости диафрагмы 8, Чем больше изменение показателя преломления исследуемой жидкости, тем

0 больше расфокусировка изображения диафрагмы, и соответственно увеличивается сигнал на выход фотоприемника 9. По результатам одновременного измерения показателя преломления и удельной элект5 рической проводимости исследуемой жидкости можно определить концентрацию раствора.

Режим работы рефрактометрической оптической системы, реализующей гонио0 метрический метод измерения показателя преломления, определяется угловыми параметрами светового пучка, т.е. линейное сме- щение кромки второй диафрагмы относительно первой должно быть задано в

5 зависимости от фокусного расстояния второго объектива. При этом режим работы системы, реализованный при расположении кромки второй диафрагмы соответственно сопряженным точкам кромки первой диаф0 рагмы, не является оптимальным, поскольку дополнительное смещение на величину (1...5) -10 h позволяет уменьшить фоновую засветку при сохранении практически того же значения крутизны характеристики пре5 образования. Эти данные получены путем обобщения результатов расчета ряда реализаций оптических систем (по типовым программам расчета хода лучей через оптическую систему) и подтверждены лабо0 ратормыми испытаниями опытного образца рефрактометрической системы.

Эффективность системы состоит в повышении точности измерения концентрации раствора за счет повышения точности

5 прямых измерений показателя преломления и удельной электрической проводимости объема жидкости, ограниченного цилиндрической поверхностью.

В рефрактометрической системе может

0 быть достигнуто в десятки и сотни раз большее изменение освещенности при том же изменении показателя преломления, что и в системе-прототипе, поскольку, благодаря наличию двух дополнительных объективов

5 обеспечивается проецирование всего светового потока, прошедшего через исследуемый раствор, в плоскость второй диафрагмы. При этом световое пятно в плоскости второй диафрагмы имеет форму полосы (благодаря первой диафрагме и свойствам цилиндрической жидкостной линзы), которая при минимальном или максимальном значении показателя преломления перекрывается этой диафрагмой так, что из-за нее выходит и попадает на фотоприемник малая (фоновая) часть светового потока (1...10%). Как видно из графика (фиг.З), незначительное изменение показателя преломления приводит к размытию границы светового пятна и выходу части светового потока из-за второй диафрагмы. Рефрактометрическая система, позволяет реализовать максимальную чувствительность при любой конфигурации и размерах чувствительной площади фотоприемника. Это очень важно, так как увеличение размеров приемной площадки ведет к росту шумов фотоприемникэ и увеличению погрешности измерения.

Формула изобретения

Рефрактометрическая система измерителя концентрации электролитов, содержащая последовательно установленные источник излучения, кювету, стенки которых выполнены в виде двух оптических элементов, герметично соединенных со стенкой корпуса, и фотоприемник, отличающаяся тем, что, с целью увеличения точности измерения, в устройство дополнительно введены два объектива и две диафрагмы прямоугольной формы, внутренние поверхности оптических элементов стенок кюветы выполнены цилиндрическими, одна из диафрагм и один из объективов размещены последовательно между источником излучения и кюветой, а другие объектив и диафрагма - между кюветой и фотоприемником так, что точки плоскостей диафрагм оптически сопряжены в сечении, перпендикулярном образующей цилиндрической поверхности кюветы, кромки диафрагм параллельны образующей, а кромка одной из диафрагм смещена относительно сопряженных точек кромки другой диафрагмы при максимальном или минимальном значениях диапазона измерения на расстояние 1Геом(1...5) -10 геом - геометрическая ширина.диафрагмы, размещенной между источником излучения и

кюветой; фокусное расстояние объектива, размещенного между кюветой и фотоприемником.

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно к средствам измерения концентрации растворов электролитов, например солености морской воды. Целью изобретения является повышение точности измерения концентрации растворов. Рефрактометрическая система содержит источник излучения, кювету в виде двух оптических элементов, формирующих пространство между ними в форме линзы, и фотоприемник. Дополнительно в состав системы введены два объектива и две диафрагмы прямоугольной формы. Линза выполнена цилиндрической. Первая диафрагма и первый объектив размещены между источником излучения и первым оптическим элементом, а второй объектив и вторая диафрагма - между вторым оптическим элементом и фотоприемником таким образом, что в сечении, перпендикулярном образующей цилиндрической поверхности, оптически сопряжены точки плоскостей первой и второй диафрагм. Кромки диафрагм параллельны образующей, а кромка второй диафрагмы смещена относительно сопряженных точек кромки первой диафрагмы при максимальном или минимальном значениях диапазона измерений на расстояние I Геом + +{1...5) 10 где 1геом - геометрическая ширина первой диафрагмы; f - фокусное расстояние второго объектива. Два оптических элемента выполнены из монолитной детали.3 ил. сл с

465

отн. ед.

2500

Фиг. 2 -

1500 2000

1000 0,10,2 Ytffff

Фиг.З