Способ для измерения показателя преломления поглощающих сред и устройство для его осуществления Советский патент 1978 года по МПК G01N21/46 

peiiiie R для различных углов падения, Перестройка же углов падения связана со знач ггельными затратами времени. При исследовании динамики сред или при исследовании сред в режиме протекания за время перестройки угла в среде существенно меняются оптические характеристики, что приводит к увеличению погрешности измерения. Целью изобретения является повышение точности измерения показателя преломления в динамике. Цель достигается тем, что исходный световой пучок расшепляют, по крайней .мере, на два пучка и направляют их одновременно иод различными углами на границу контакта. Данный способ может быть осуществлен с устройства, в котором, с целью повьииения точности измерения показателя преломления в.динамике и упрощения конструкции устройства, марка коллиматора имеет, по крайней мере, две щели, перед коллиматором установлена диафрагма с двумя прозрачными зонами, а на рабочей поверхности высокопрело.мляющего оптического элемента имеются две зоны, одна зона выполнена с коэффициентом отражения 100%, причем зоны диафрагмы и высокоиреломляющего элемента попарно оптически сопряжены, а в плоскости диафрагмы установлен обтюратор. При это.м фотоприемное устройство включает в себя объектив, разделительный оитический элемент, два фотоприемника и два измерителя отношения, входы которых подключены к соответствующим фотоприемникам, а выходы - к вычислительно.му устройству. Кро.ме того, на входе и выходе высокопреломляющего оптического элемента установлены отрицательные плоско вогнутые линзы, показатель преломления и радиус которых равны соответственно показателю преломления и радиусу этого элемента, причем линзы жестко связаны соответственно с объективами коллиматора и фотоприемного устройства. На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2- временная диаграмма сигналов, полученная прн осуществлении способа измерения показателя преломления поглощающих сред. Устройство содержит источник света 1, конденсатор 2, диафрагмы 3 с прозрачными зонами 4 и 5, обтюратор 6, объектив 7. .марку 8 со щелями 9 и 10, объектив II коллиматора, линзы 12, 13, высокопрелом/1ЯЮЩИЙ оптический элемент 14 с рабочей повер.1остью 15 и зонами 16 и 17 на этой иоверхности, объектив 18 фотоприемного устройства, разделитель 19, фотоприемники 20, 21, измерители отношения 22, 23, вычислительное устройство 24, автоколлимационный окуляр 25, окуляр 26 и объектив 27. Устройство работает следующим образом. Источ1П1к света 1 с помощью конденсатора 2 освещает диафрагму 3 с двумя прозрачными зонами 4 и 5. Световые потоки, проходящие через эти зоны, модулируются в противофазе обтюратором 6. Далее световые пучки проходят объектив 7 и освещают марку 8 с несколькими щелями (на фиг. 1 для примера показаны две щели 9 и 10). Марка 8 находится в фокальной плоскости объектива 11, поэтому после объектива выходит несколъко коллимированных пучков света (по числу щелей в марке 8). Угловое расстояние между световыми пучка.мп определяется расстоянием между щелями и фокусным расстоянием объектива 11 и предварительно определено с высокой точностью. Фокусное расстояние объектива 11 может, по крайней мере, в 10 раз превышать фокусное расстояние высокопреломляющего оптического элемента со сферической или цилиндрической преломляющей поверхностью. Поэтому коллимация световых пучков после объектива 1I имеет значительно более высокую степень, чем в известныхустройствах. Это обстоятельство является очень важным, поскольку недостаточно хорощая коллимация светового пучка внутри высокопреломляющего оптического элемента, а-следовательно и значительная угловая апертура светового пучка приводят к тому, что для разных лучей пучка углы падения различны, а следовательно различны и коэффициенты отражения R, что снижает чувствительность и точность измерения. Коллимированные световые пучки направляют на блок, состоящий из отрицательных плосковогнутых линз 12, 13 и высокопрело.мляющего оптического элемента 14. Линзы и высокопреломляющий оптический элемент имеют одинаковые показатели преломления и радиусы кривизны смежных поверхностей. Пространство между ними может быть заполнено ч иммерсионной жидкостью. Проходя это пространство, световые пучки не изменяют своей расходимости и направления и падают на рабочую поверхность 15 элемента под углами (р и «рг. Использование в устройстве полусферического элемента в сочетании с плосковогнутыми линзами позволяет изменять углы падения ф в щироких пределах (20-70°) для выставления оптимального значения этих углов, при котором достигается максимальная чувствительность. При этом сохраняется высокая степень коллимации светового пучка |1J, не достигаемая при использовании одииочного полусферического или полуцииндрического элемента, используемых в изliecTHbix устройствах. Две прозрачные зоны 4 и 5 диафрагмы 3 находятся в передней фокальной плоскости объектива 7. 1Дентр рабочей поверхности элемента 15 совмещен с задней плоскостью объектива 11. Поэтому прозрачные зоны 4 1 5 оптически попарно сопряжены с зонами 16 и 17, расположенными, на рабочей поверхности 15 элемента НПВО 14. На зоны 16 и 17 падают коллимированвые пучки света под углами р, и фд. Одна из зон; например 16, приводится в контакт с исследуемой средой. Вторая зона выполнена отражающей с коэффициентом отражения 100%, например,, путем нанесения на нее зеркального отражающего покрытия. Отраженный зонами 16 и 17 световые пучки направляются на объектив фотоприемного устройства 18, который строит в своей фокальной плоскости изображение щелей 9 и 10. Далее разделитель 19 направляет эти изображения на соответствующие фотоприемники 20 и 21. Изображение каждой щели строится световыми пучками, падающими на рабочую поверхность 15 элемента НПВО под определенным углом ф и отраженными зонами 16 и 17, причем отраженные от этих зон пучки за счет обтюрации приходят на фотоприемник в противофазе. Измерение коэффициента отражения R поясняется временной диаграммой сигналов на входе фотоприемника, представленной на фиг. 2. Пусть в некоторый момент времени to обтюратор занимает такое положение, при котором открыта зона диафрагмы, например 4, сопряженная с зоной 16 элемента НПВО 14, имеющей коэффициент отражения 100%. Зона 5 при этом перекрыта обтюратором. При. вращении обтюратора оптический сигнал за время to-t имеет максимально возможную амплитуду. При дальнейщем вращении обтюратора на период времени tj-tj открывается зона 5 диафрагмы 3, сопряженная с зоной 17, контактирующей с исследуемым веществом. Зона 4 при этом перекрыта обтюратором. Поскольку угол падения света ip все1да выбирается меньще предельного угла полного внутреннего отражения, то амплитуда оптического сигнала, отраженного зоной 17; всегда меньще амплитуды сигнала, отраженного зоной 16. При дальнейшем вращении обтюратора последовательность им-пульсов повторяется. Отнощение амплитуды сигнала за время tj-tj к амплитуде сигнала за время ty-ti дает величину коэффициента отражения света R.,, для данного угла падения д. Аналогичная картина имеет место на втором фотоприемнике для другого угла cpi. Измерение отнощения амплитудных значений импульсов этих оптических сигналов производится с помощью электронных измерителей отнощения 22, 23. Информаг.ия о Н и R поступает далее на вычислительное устройство 24, которое по заданному алгоритму вычисляет оптические постоянные п и ае . При использовании К щелей в фокальной плоскости объектива 11 предлагаемое устройство позволяет одновременно определять R для всех К углов падения, причем для всех этих углов используется один обтюратор что существенно упрощает конструкцию устройства. Автоколлимационный окуляр 25 служит для выставлещ1я оптической оси колли.матора ио нормали к рабочей поверхности 15 элемента 14, что необходимо для точной установки угла «р С иолющью окуляра 26 и вспомогательного объектива 27 производится наблюдение за качеством изображения зон 16, 17 и щелей 9, 10. Использование данного изобретения позволяет повысить точность измерения показателя преломления поглощающих сред, в особенности при измерении в динамике, и упростить конструкцию устройства. Использование его в нефтехимии дает эконо.мический эффект порядка 100 тыс. руб. в год уа один прибор. Формула изобретения 1.Способ для измерения показателя преломления поглощающих сред путем определения коэффициента отражения света на границе контакта исследуемой низкопреломляющей среды с высокопреломляющей средой для нескольких углов падения, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности измерения показателя преломления в динамике, исходный световой пучок расщепляют по крайней мере, на два пучка и направляют их одновременно под различными углами на границу контакта. 2.Устройство для осуществления способа, содержащее осветительную систему, коллиматор в виде объектива с маркой в фокальной плоскости, измерительный блок в виде высокопреломляющего оптического элемента с плоской рабочей поверхностью и с входной и выходной поверхностями сферической или цилиндрической формы и фотоприемное устройство, отличающееся тем, что, с целью повыщения точности измерения показателя преломления в динамике и упрощения конструкции устройства, марка коллиматора имеет, по крайней мере, две щели, перед коллиматором установлена диафрагма с двумя прозрачными зонами, а на рабочей поверхности высокопреломляющего оптического элемента имеются две зоны, одна зона выполнена с коэффициентом отражения 100%, причем, зоны диафрагмы и высокопреломляющего элемента попарно оптически сопряжены, а в плоскости диафрагмы установлен обтюратор. 3.Устройство по п. 2 отличающееся тем, что фотоприемное устройство вк 1ючает в себя объектив, разделительный оптический

элемент, два фотоприемника и два измерителя отношения, входы которых подключены к соответствующим фотоприемникам, а выходы - к вычислительному устройству.

4. Устройство но п. 1, отличающееся тем, что на входе и выходе высокопреломляющего оптического элемента установлены отрицательные плоско-вогнутые линзы, показате.гь преломления и радиус которых равны соответственно показателю преломления и

радиусу этого элемента, причем линзы жестко связаны соответственно с объективами коллиматора и фотоприемного устройства. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе;

1.Харрик Н. Спектроскопия внутреннего отражения, М. 1970, с. 176-177.

2.Золотарев В. М. и др.. Приставка для получения спектров нарушенного полного внутреннего отражения НПВО, ОМП, Л1 8, 1966, с. 24-28.