Нефелометр Советский патент 1992 года по МПК G01N21/47 

Изобретение относится к технической изике, в частности в области измерения птических свойств различных рассеивающих сред, и может быть использовано для измерения прозрачности атмосферы в целях обеспечения работы транспорта (воздушного, водного и наземного), в метеорологии, при контроле загрязнений атмосферы и т. п.

Известны нефелометры, в которых в качестве входного оптического устройства ис- пользован фокусирующий зеркальный элемент, установленный на оси конденсора по ходу светового пучка и предназначенный для фокусирования световой энергии, рассеянной исследуемым объемом среды под углом наблюдения 0 к направлению излучения, на вход фотоприемника.

Недостатком этих нефелометров является небольшой размер измерительного объема (от единиц до десятков сантиметров кубических), ограниченный (в области высоких значений прозрачности) диапазон измерений и малая репрезентативность результатов измерений.

Наиболее близким к предлагаемому является нефелометр, содержащий последовательно расположенные источник света, конденсор и входное оптическое устройство, а также размещенный в фокальной плоскости входного оптического устройства под углом в к оптической оси конденсора фотоприемник, оптически сопряженный с входным отверстием поглотителя света и с оптической осью конденсора, и измерительное устройство, подключенное к выходу фотоприемника. В этом нефелометре входное оптическое устройство выполнено в виде кольцевой линзы-призмы, посаженной внутренним цилиндром на гаситель света и направляющей всю световую энергию, рассеянную исследуемым объемом среды под углом наблюдения 0 45°, на вход фотоприемника, расположенного, как и линза-призма, на оптической оси прибора в направлении „излучения.

Недостатком этого нефелометра является небольшой размер измерительного объема. Поскольку, в управлении нефело- метрического метода Fpac Г. /изм величина рассеянного светового потока Fpac находится в прямой зависимости от показателя рассеяния г и величины измерительного объема /изм; размеры последнего определяют как параметры измерительной схемы (чувствительность и диапазон измеряемых значений прозрачности среды), так и репрезентативность результатов измерений. Для нефелометров это является особенно важным

обстоятельством, поскольку они вследствие малости измерительного объема являются локальными фотометрами.

Целью изобретения является увеличение чувствительности, диапазона измерений и репрезентативности результатов измерений.

На фиг. 1 изображена оптическая схема нефелометра; на фиг, 2 - разрез А-А на фиг.

1; на фиг. 3 - центральная полоса фокусирующего зеркального элемента.

Нефелометр содержит последовательно расположенные источник 1 света, конденсор 2 и защитное стекло 3, смонтированные в

корпусе 4, которые служат для направления пучка света в измерительный объем 5, расположенный в исследуемой среде, входное оптическое устройство в виде центральной полосы фокусирующего зеркального элемента б, например зеркального параболоида (фиг. 3) шириной не более диаметра конденсора, который установлен вдоль оптической оси конденсора на расстоянии от нее не менее радиуса конденсора.

Нефелометр снабжен корпусом 7 с защитным стеклом 3, где размещены диафрагма 9 и молочное стекло 10, установленное перед фотоприемником 11, расположенным в фокальной плоскости фокусирующего зеркального элемента 6 под углом в к оптической оси конденсора 2 и сопряженным с этой оптической осью. Фотоприемник 11 оптически сопряжен также с входным отверстием поглотителя 12 света, на оптической оси которого вершиной установлен фокусирующий зеркальный элемент 6 оптической осью под острым углом к ней и под углом в 180° к оптической оси конденсора 2..

В качестве поглотителя 12 света использована модель черного тела с прямоугольным входным отверстием. Ширина фокусирующего зеркального элемента 6 не должна быть более диаметра конденсора,.т.

е. пучка света, поскольку при большем размере на него будет поступать и фокусироваться на фотоприемник не только излучение, рассеянное измерительным объемом под углом в, но и постороннее излучение, поступающее не из измерительного объема (что снижает соотношение сигнал/фон), а при меньшем, чем диаметр пучка, на него поступает не все излучение, рассеянное измерительным объемом подуглом в (что снижает уровень полезного сигнала). Поскольку элемент 6 устанавливается оптической осью под углом 180° к оси конденсора, расстояние между ближним к оси конденсора его концом и осью должно быть

на менее радиуса конденсора, чтобы не экранировать световой поток.

Острый угол поворота элемента 6 (угол между оптическими его осями и поглотителя света) выбирают из условия исключения возможности экранирования фотоприемником 11 входного отверстия поглотителя 12 света и в реальной конструкции нефелометра этот угол не превышает 10°. Фотоприемник 11 размещен в фокальной плоскости элемента 6, поскольку выбранный угол наблюдения 0 задан положением его относительно оси конденсора 2.

Центральная полоса фокусирующего зеркального элемента 6 расположена вершимой на оптической оси поглотителя света, так как одно из необходимых условий проведения измерений нефелометрами подобного типа - визирование фотоприемником с помощью входного оптического устройства части светового пучка на фоне входного отверстия поглотителя света.

Использование части фокусирующего зеркального элемента вместо целого позволяет резко уменьшить габариты и вес прибора и отказаться от кольцевой модели черного тела, использовав вместо нее модель черного тела с прямоугольным входным отверстием и обеспечив достаточно простыми средствами необходимое соотношение сигнал/фон при всех уровнях внешней засветки (в том числе и солнечной). Выход фотоприемника 11 соединен с входом измерительного устройства 13..

Устройство работает следующим образом.

Свет от источника 1 света формируется конденсором 2 и в виде пучка света, близкого к параллельному, через защитное стекло 3 в корпусе 4 поступает в измерительный объем исследуемой среды (атмосферы). Световой поток, рассеянный измерительным объемом 5 среды под углом 0к направлению излучения, поступает на отражающую

поверхность фокусирующего зеркального элемента 6 и фокусируется им через защитное стекло 8 и диафрагму 9 на молочное стекло 10, установленное перед фотоприем- ником 11. С выхода фотоприемника 11 электрические сигналы поступают на измерительное устройство 13, вырабатывающее выходное напряжение, пропорциональное измеряемому значению показателя

рассеяния г.

Преимущество предлагаемого устройства заключается в увеличении чувствительности прибора, расширении диапазона изменяемых значений прозрачности в области высоких значений и в повышении репрезентативности результатов измерений за счет увеличения размеров исследуемого обема среды, а также в уменьшении габарита и веса прибора.

Формула изобретения

Нефелометр, содержащий последовательно расположенные источник света, конденсор, входное оптическое устройство, а также размещенный в фокальной плоскости

входного оптического устройства под углом

в к оптической оси конденсора фотоприемник, оптически сопряженный с входным отверстием поглотителя света и с оптической осью конденсора, и измерительное устройство, подключенное к выходу фотоприемника, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения чувствительности, расширения диапазона измерений и повышения репрезентативности результатов измерений,

входное оптическое устройство выполнено в виде центральной полосы фокусирующего зеркального элемента шириной, не превышающей диаметр конденсора, и установлено вершиной на оптической оси поглотителя

света вдоль оптической оси конденсора на расстоянии от нее не менее радиуса конденсора оптической осью под острым углом к оптической оси поглотителя света и под углом к оптической оси конденсора.

Фиг. 2

Использование: измерительная техника, измерение оптических свойств различных рассеивающих сред, измерение прозрачности атмосферы, контроль загрязнения атмосферы. Цель: повышение чувствительности, расширение диапазона измерений и повышение репрезентативности результатов измерений. Сущность изобретения: входное оптическое устройство выполнено в виде центральной полосы фокусирующего зеркального элемента б, который установлен вдоль оптической оси конденсатора 2 блока источника света 1 под острым углом к оптической оси поглотителя света 12. 3 ил.