Способ определения показателя преломления жидкостей в капиллярах Советский патент 1993 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к интерференционным способам измерения показателей преломления жидкостей в капиллярах в условиях технологических процессов.

Цель изобретения - повышение точности контроля с одновременным повышением производительности.

На чертеже представлена принципиальная схема реализации способа.

Устройство содержит лазер 1, последовательно установленные за ним коллиматор 2, светоделитель 3 и зеркало 4. закрепленное на пьезодвигателе 5. По обе стороны от светоделителя 3 размещены второе 6 и третье 7 зеркала, повернутые относительно оси лазера 1 на угол ±«/4 Оптический капилляр размещен на пересечении оптических осей второго 6 и третьего 7 зеркал, за которым в плоскости изображения интерференционных картин размещены первый 8.

второй 9. третий 10 и четвертый 11 фотоприемники.

Способ осуществляется следующей сб- вокупностью операций. Формируют дв ко- герентных пучка, лежащих в однюй плоскости и сходящихся друг к другу под некоторым углом а . В этом случае, как известно, пучки интерферируют с образованием интерференционных полос, пространственный период Ј которых описывается соотношением.

Ј А/2 sin a/2.

где А -- длина волны оптического излучения, а- угол сходимости пучков. В зону пересечения пучков помещают оптический капилляр, который действует в данном случае как цилиндрическая линза, получают за капилляром интерференционную картину и приводят ее в движение. Движущиеся интерференционные полосы регистрируют фотоэлектрическим способом, и по изменению их периода судят об изменении показателя преломления жидкости

(Л

С

00

ND СЛ Јь СЛ

Основная особенность способа заключается в том, что за счет освещения капилляра вторым пучком, направленным к первому под некоторым углом, в месте пересечения формируется интерференционная картина, которая передается капилляром, действующим в данном случае как цилиндрическая линза, в плоскость анализа (изображения). Период интерференци- он4ной картины Hk в плоскости изображения можно найти из выражения (1)

где ft S/f - коэффициент увеличения оптического капилляра как цилиндрической линзы, S - расстояние от линзы (капилляра) до плоскости изображения, f - фокусное расстояние, Е Я/2 sin (а/2)-цена интерференционной полосы на стороне объекта, Я - длина волны света, а- угол сходимости пучков.

Из теории оптических приборов известна формула линзы, которая для двухкомпо- нентной оптической системы, какой является капилляр (гн - показатель преломления стекла, nz - показатель преломления

П2

(3)

жидкости или иного вещества, прозрачного для данной А), запишется следующим образом

1 2 (1/П - 1/г2) (т - 1) + 1/Г2 (п2 -1) f3/(2щ+п2)

(2)

где f - фокусное расстояние, п и Г2 - соответственно внешний и внутренний диаметры капилляра (имеют один и тот же знак). Откуда

6f niQ/n- 1/Г2)

1-(1/r2)6f При движении и регистрации интерференционных полос определяется изменение их периода Hk. выражающееся в появлении сдвига фаз

Др 360° (He-Hk)/Hk,(4)

где Не - эталонное, или номинальное значение шага интерференционных полос. Так как, в свою очередь,

fo- Se e/He,(5)

то выразив из (4) Не и подставив его значение в (5) и далее в (3), получим искомую рассчетную формулу

Сущность изобретения: в способе, заключающемся в освещении капилляра с жидкостью параллельным пучком света, дополнительно освещают капилляр вторым параллельным пучком света, формируют за капилляром интерференционную картину, приводит ее в движение, регистрируют движущиеся интерференционные полосы, по изменению величины периода которых судят о величине показателя преломления жидкости 1 ил

6 (Se Ј/Не) (1 + Д1/360°) (1/П - 1/1) ГЦ - 1/п 2 ГЦ 1 - (6 Se Ј/Г2 Не) (1 + Др/360°)

Переменной величиной в этой формуле является регистрируемый сдвиг фаз Д, остальные параметры постоянны и могут быть занесены в вычислительное устройство как фиксированные значения. Пусть Ci 6SeЈ/He: С2 (1/П-1/Г2) Г1-1/п}и Се 2щ.

П2

CiC2(1 + Ду /360°)-Сз 1-Ci(1 + Ду /3600)

В плоскости изображения формируются две системы интерференционных полос: центральная и боковая. Период полос центральной интерференционной картины (ИК) функционально связан с п, п, пз, П2, а период полос боковой ИК связан только с п, п.

Фиксируя сдвиг фаз в боковой интерференционной полосе, можно вносить поправку в результат сдвига фаз центральной интерференционной полосы, т.е. А Ар Д#5 - и в расчетную формулу (7) вносить скорректированное значение сдвига фаз. В этом случае на конечный результат может оказывать влияние только изменение га. В случае, если жидкость протекает по одному и тому же капилляру, Г2 можно также считать постоянной величиной.

(6)

Способ реализован следующим образом.

С помощью оптической схемы, состоя30 щей из лазера 1, коллиматора 2, светоделителя 3 и трех зеркал: первого 4, второго 6 и третьего 7, формируют два сходящихся под углом а друг к другу когерентных пучка, которыми освещают капилляр с исследуемой

35 жидкостью. При пересечении пучки интерферируют. Зеркало 4 колеблется с некоторой частотой (1 кГц) под воздействием пьезодвигателя 5, питаемого от генератора пилообразного напряжения (на чертеже не

40 показан). Колебания зеркала 4 приводят к изменению разности хода интерферирующих пучков и их движению в плоскости ана- лиза. Фотоприемники 8, 9, 10 и 11, установленные в плоскости изображения

45 интерференционных полос, регистрируют их; по изменению периода этих полос, выраженному появлением сдвига фаз Д, с помощью аналитического выражения (7) находят искомый показатель преломления

50 жидкости п.

В примере конкретного выполнения реализация способа осуществлялась на установке автоматического управления формообразованием волоконно-оптических

55 элементов. В устройство входили лазер

ЛГН-302, коллиматор 6х, светоделитель с коэффициентом пропускания 30%, зеркала с внешним покрытием, пьезодвигатель от серийного лазера ЛГ-77, фотоприемники ФД-256 и блок электроники на базе ПП ЭВМ ЕС 1840. При значении е- 1 мкм и линейном смещении пьеэодвигателя на величину L-10 мкм частота интерференционного сигнала составила 10 кГц. т.е. производительность способа составляет 10 000 измерений за секунду, что позволяет контролировать быстро протекающие жидкости. При чувствительности фазовой схемы лучше, чем 0,2°, регистрировались изменения показателя преломления в четвертом и пятом знаке после запятой.

2

0

5

Формула изобретения Способ определения показателя преломления жидкостей в капиллярах, заключающийся в освещении капилляра с жидкостью параллельным пучком света и анализе полученной картины в плоскости изображения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и производительности, освещают капилляр вторым параллельным пучком света под углом к первому пучку, приводят в движение полученную в плоскости изображения интерференционную картину, измеряют изменение величины периода движущихся интерференционных полос, по которому судят о величине показателя преломления жидкости.

Ч