СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНОГО ВЕЩЕСТВА Советский патент 1973 года по МПК G01N9/24 

1

Изобретение относится к технике интерференциоппых измерений. Данный способ может быть применен при измерении плотности газов на газодинамических установках и при оптико-физических исследованиях в пламени и в электрических разрядах.

Известен способ определения малых фазовых сдвигов в световой волне с применением трехлучевого интерферометра, который может быть использован для измерения плотности оптически прозрачного вещества.

Его идея заключается в измерении смещения окуляра вдоль оптической оси при визуальном наблюдении в монохроматическом свете интерференционных полос равной интенсивности, образующихся при дифракции от трех щелей. Исследуемое вещество помещают на пути луча, проходягдего средпюю щель.

Однако процесс измерения по известному способу ведется визуально. В связи с этим он не применим при исследовании нестационарных и кратковременных процессов, а также при измерениях в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра.

Целью изобретения является повыщение чувствительности и точности измерения низких плотностей оптически прозрачного вещества и, тем самым, проведение исследований, например, в газах при плотностях, создаю2

щих разность хода в просвечивающем световом луче до 1/250 длины волны.

Для этого создают трехлучевую интерференционную картину в белом свете, развертывают ее вдоль спектра, в получающейся при этом спектроинтерференционной картине формируют места равных интенсивностей соседних полос путем введения в средний луч калиброванной разности хода, равной нечетному числу четверти длины волны, измеряют спектральное смещение этих мест, вызываемое исследуемым веществом, и при помощи известной зависимости смещением и плотностью по измеренному смещенню рассчитывают плотность вещества.

Изобретение попснено чертежами.

На фиг. 1 приведепа блок-схема установки, предназначенной для измеренпя плотности

по предложенному способу; на фиг. 2 - спектроинтерференционные ;::1ртины, иллюстрирующие последовательность измерительных операций в случае, когда интерференционные полосы параллельны направлению

дисперсии спектрографа.

Установка содержит (см. фиг. 1) источник 1 излучения белого света, осветитель 2, трехлучевой делительный блок 3, когерентные световые лучи 4, 5, 6, исследуемое вещество 7,

компенсатор 8 разности хода, трехлучевой

соединительный блок 9, проекционный блок 10, спектрограф 11.

Iia фиг. 2 изображены нулевая спектроинтерференционная картипа а, исходная картина Ь, рабочая картина с с введенным веществом.

Измерительная установка работает следующим образом.

Излучение источника 1 белого света направляют осветителем 2 в трехлучевой делительный блок 3, который образует три когерентных пространственно разделенных луча 4, 5 и 6 света. Средний луч 5 проходит через исследуемое вещество 7. На пути лучей устанавливают компенсатор 8, создаюн1,ий разность хода между средним 5 и крайними 4 и 6 лучами. Соединительный блок 9 пространственно совмещает лучи. Проекционный блок 10 фокусирует трехлучевые интерференционные полосы в белом свете на входную щель спектрографа 11. В фокальной плоскости спектрографа интерференционная картина развертывается вдоль снектра и фиксируется на фотоматериале.

Вид наблюдаемой в фокальной плоскости спектрографа спектроинтерференционной картины определяется нанравлением интерференционных полос по отнощению к направлению дисперсии спектрографа и зависит от величины разности хода между лучами. В частном случае, рассматриваемом для примера, когда нанравление нолос параллельно направлению дисперсии, т. е. когда интерференционные полосы ориентируются перпендикулярно входной щели спектрографа, будет наблюдаться следующая картина. При равенстве оптических путей трех лучей для всех длин волн {Д(ъ)0) вдоль спектра расположатся трехлучевые интерференционные полосы с постоянной интенсивностью вдоль спектра (см. фиг. 2, а). Если между средним и крайними лучами есть разность хода Д(0, изменяющаяся с длиной волны, т. е. если создан градиент разности хода вдоль спектра, то интенсивность ннтерференщюнной полосы будет периодически изменяться вдоль спектра. Причем между главными и побочными полосами будет сдвиг по фазе на половину периода. В результате этого в спектроиптерференционной картине образуются места с равными интенсивностями соседних интерференционных нолос, которые далее будут именоваться изопиками (см. фиг. 2, Ь. Для длин волн, на которых наблюдаются изопики, разность хода равна нечетному числу четверти длины волны

A (,-1,2,3).(1)

Известно, что при установлении равенства интенсивностей соседних полос с погрещностью ±5% положение изопика определяет1

ся погрещностью бА Чг

длины волны.

250

Отсюда вытекает, что, определяя иеремещение изоника но спектру, можно измерять малые разности хода, создаваемые вводимым в средний луч веществом, с П1;)грещность 0

+длины волны.

250

Чтобы нроводить измерение плотности по спектральному смещению изопика, необходимо спектр проградуировать, т. е. установить зависимость между длиной волны и разностью хода. С этой целью при создании изопик в средний луч вводят калиброванную разность хода Аи(Я) с известной зависимостью от длины волны

д.().) ,

(2)

где /(л) -дисперсионная функция калиброванной разности хода.

При измерении нлотности р вещества, например газа, по показателю нреломления «. используется зависимость

/г,-1(/,)-р,(3)

где К.(К) -ностоянная Гладстопа-Дейла. Следовательно, введение в средний луч слоя вещества толщиной / создаст для длины волны Я дополнительную разность хода

, К-1)- /С(А).р.г

(4)

6Д (л) .

Это приведет к пере.мещению изопика вдоль спектра (см. фиг. 2, &). Изопик с номером I, расположенный на длине волны Я; в соответствии с равенством

R(-) 2/-1,.

; - : )

сместится после введения исследуемого вещества на длину волны Я;, определяемую соотношением

2г -1

(А/)-(;)-р(6) 4

-( Обозначив величин

спектрального смеще

ния изопика через бЛ| лг -л,, из зависи мостей (5) и (6) нолучим формулу

R (л,-)

-SA/- ;(/./)-(X,)

(

.

которая связывает величину спектрального смещения бЯ; изопика с плотностью введенного вещества. Если принять, что

d(A)

R(i)-R(i)

h

d Ч

формулу (7) можно записать в виде

ч ()

. «

9 K(i)l id

Плотность вещества по предложенному способу измеряют путем выполнения следующей последовательности операций. Настраивают спектроинтерференционну 0 схему измерений (см. фиг. 1) на нулевую разность хода

для всех длин волн (см. фиг. 2, а). Вводят калиброванную разность хода и средний луч и фотографируют исходную снектроимтерференционную картину (см. фиг. 2,Ь). Помещают в средний луч вещество, нлотность которого надо онределить, и регистрируют рабочую спектроинтерферограмму (см. фиг.2, с). На нолученных снимках измеряют длины волн расположения изопика в исходном и рабочем положениях и по их разности определяют величину спектрального смещения изопика. По измеренному значению снектрального смещения изопика при помощи формулы 8, устанавливающей связь между плотностью и смещением изопика, рассчитывают плотность вещества. Для повышения точности определения плотности желательно измерять смещение нескольких изопнк.

Внедрение предложенного способа на газодинамических установках расширит диапазон применения интерференционных методов в сторону низких плотностей. Станет возможным проводить количественные измерения в разреженных газах при давлениях, недоступных для двухлучевого интерферометра.

Способ может быть осуществлен, например, на базе отечественных двухлучевых интерферометров ИТ-42, ИЗК-454, ИТР-2 и др. Для этого необходимо изготовить приспособления, делающие их трехлучевыми, а на выходе установить стандартный спектрограф типа ЙСП-51, ИСП-28, ДФС-8, СТЭ-1 и др.

Предмет изобретения

Способ измерения плотности оптически прозрачного вещества, например газа, с применением трехлучевого интерферометра, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерения низких плотностей, создаЕОт трехлучевую интерференционную картину в белом свете, развертывают ее вдоль спектра, в получающейся при этом спектронптерференционной картине формируют места равных интенсивностей соседних полос путем создания разности хода среднего луча относительно крайних лучей и но спектральному смещению рассчитывают плотность вещества.

1

СМ