Оптоволоконный рефрактометр Советский патент 1991 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для измерения показателя преломления жидкостей при химико-биологических исследованиях, анализах горючего.

Цель изобретения - упрощение конструкции рефрактометра и уменьшение количества жидкости, требуемой для анализа.

На фиг.1 показана схема оптоволоконного рефрактометра; на фиг.2 - то же, вид сверху.

Рефрактометр содержит источник 1 излучения, волоконно-оптический световод 2, передающий элемент 3. приемный элемент 4, приемник 5 излучения. Приемный и передающий элементы представляют собой поверхностно-микронеоднородные отрезки световода одинаковой длины, расположенные в горизонтальной плоскости, параллельно между собой направленные навстречу друг другу и смещенные относительно друг друга на расстояние b a/tg а , где а - апертурный угол; а - расстояние между ними.

Рефрактометр работает следующим образом.

Капля исследуемой жидкости помещается между передающим элементом 3 и приемным элементом 4 и растекается по всей длине элементов. Свет от источника 1 через волоконно-оптический световод 2 поступает на передающий элемент 3. Часть света

х|

о

SD Ю СЛ 00

выходит через торец световода, а ос-, альная часть (вытекащие моды) проходит через исследуемую жидкость и попадает на приемный элемент 4. При этом количество света, попавшего на приемный элемент 4, зависит от показателя преломления исследуемой жидкости. Свет из приемного элемента 4 через волоконно-оптический световод 2 попадает в приемник 5 излучения, где и регистрируется мощность светового потока, которая является функцией показателя преломления исследуемой жидкости.

Оголенные участки световолокна придают световому потоку диффузный характер рассеяния и приема в среду и из среды через боковую поверхность волокон вследствие наличия на сердцевине волокна поверхностных микронеоднооодностей, В рефрактометре используется явление .зависимости коэффициента затухания светового потока, идущего по передающему поверхности о-микронеоднеродному элементу, представляющему собой оголенное свето- волокно на поверхностных микронеодно- родностях, в зависимости от коэффициента преломления жидкости с последующим восприятием этого излучения, образованного вытекающими модами. При этом восприятие ведется так же через боковую поверхность поверхностно-микронеоднородного вопокнэ и аналогично происходит перетекание светового потока, образованно о втека- ющими модами на поверхног/ них микронеоднородностял приемного элемента. Наличие поверхностных микрснеодно- родностей сердцевины волоконного световода на измерительном участкр вызывает экспоненциальный характер затухания и перехода светового потока в среду вследствие потерь на , т е

Р рое-2 Ц

где Р - мощность светового потока на входе волоконного световода передающего элемента;

Ро - мощность светового потока на входе;

L - длина измерительного участка, ;- коэффициент затухания на поверхностных микронеоднородностях

Анализируя указанную формулу, можно предположить, что мощность светового потока, образованного вытекающими модами, будет равна

Рвм Ро- Р,

где Рв м - мощность светового потока вытекающих мод передающего элемента,

Таким образом, наибольшее перетекание, а значит и чувствительность будут максимальными приближении Рвм к Р0

Это возможно, если световой поток будет полностью переходить в среду, т.е. необходимо или увеличивать число микронеодно- родностей, или увеличивать длину

чувствительного элемента измерительного участка.

Восприятие светового потока приемным элементом носит диффузный характер, поэтому для более полного перехода светового потока его необходимо концентрировать на приемном элементе. Это возможно только путем создания оптически плотной среды между элементами для улучшения световой связи.

В этой связи можно сказать, что максимальная чувствительность рефрактометра будет лежать в пределах п 1.4. к которому относится большинство углеводородных топлив и глицерин.

Характер восприятия на приемном элементе также подчиняется экспоненциальному закону и будет зависеть от длины приемного элемента и коэффициента поверхностных микронеоднородностей на элементе. Передающий и приемный элементы выбираются одинаковой длины для более полного перехода светового потока из пере- да ющего в приемный элемент

При помещении к пли анализируемом

жидкое™ между передающим и приемным элементами на нее действует сила тяжести, под действием которой происходит обволакивание волскон, поэтому для равномерного обволакивания элементов они

рэсположени в горизонтальной плоскости п оаллельно между собой. При таком расположении волокон характер смачиваемости и обволакивания волокон будет равномерен для обоих элементов, что в значительной

мере влияет на точность устройства.

Характер ввода распространения и вытекания через боковую поверхность светового потока подчиняется оптическим законам, поэтому, если брать идеально

5 гладкое волокно, то угол выхода светового потока через боковую поверхность передающего элемента не будет больше угла ввода -- апертурного угла. Таким образом, для того, чтобы учесть этот признак, волокна сме0 щены относительно друг друга на величину Ь. При этом математический анализ размещения элементов и характера распространения светового потока показывает, что величина b будет равна отношению a/tg a

5 , где а - расстояние между оголенными участками световолокна; tg a - тангенс апертурного угла.

В многомодовом волокне при вводе луча происходит распространение мод внутри

волокна под различными углами. В рефрактометре используются вытекающие моды, т.е. вектора распространения электромагнитных волн, не параллельных оптической оси волокна. Вытекание таких мод происходит через боковую поверхность передающего элемента и носит диффузный характер. Поэтому для регистрации этого светового потока приемный элемент должен находиться в световом потоке, образованном вытекающими через боковую поверхность передающего элемента модами.

Выбор расстояния между волокнами связан с физическими свойствами жидкостей, так как на анализируемую жидкость действует сила поверхностного натяжения, то в результате экспериментальных исследований было установлено оптимальное значение расстояния между волокнами, при котором жидкость с самым минимальным коэффициентом поверхностного натяжения

равномерно смачивала оба элемента и удерживалась на этих элементах.

Формула изобретения

Оптоволоконный рефрактометр, содержащий источник излучения, волоконно-оп- тимеский световод с чувствительным элементом в виде поверхностно-микронеоднородного участка световода и приемник

излучения, отличающийся тем, что, с целью упрощения констоукцми и сокращения расхода жидкости для анализа, чувстви- тельный элемент выполнен в виде передающего и приемного отрезков одинаковой длины, расположенных в одной плоскости с осью устройства параллельно между собой, направленных навстречу друг другу и смещенных относительно друг друга на величину b a/tg а .где о. -апертурный

угол; а - расстояние между отрезками, обеспечивающее удержание капли исследуемой жидкости между ними.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для измерения показателя преломления жидкостей при химико-биологических исследованиях, анализах горючего. Цель изобретения - упрощение конструкции оптоволоконного рефрактометра и сокращение расхода жидкости для анализа. Цель достигается тем, что в оптоволоконном рефрактометре, измерительный участок представляет собой передающий и приемный поверхностно-микронеоднород- ные волоконно-оптические элементы, представляющие собой оголенные участки световолокна одинаковой длины, расположенные в горизонтальной плоскости параллельно, направленные навстречу друг другу и смещенные относительно друг друга на величину Ь, равную a/tg а , где а - расстояние между оголенными участками световолокна; tg a - тангенс апертурного угла, при этом приемный элемент расположен в световом потоке, образованном вытекающими через боковую поверхность передающего элемента модами, причем расстояние между оголенными участками световолокна обеспечивает удержание капли исследуемой жидкости между ними. 2 ил, (Л С

Фиг. 7