Интерференционный автоматический рефрактометр

 

1. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ АВТОМАТИЧЕСКИЙ РЕФРАКТОМЕТР, содержап(ий источник излучения и расположенные последовательно по ходу излучения светоделительный блок, модулятор с оптическим элементоми контрольную кювету, внутри которой параллельно ее оптической оси установлен подBr r KiT г .i:.. :; . , .j S:Т.::., ,. -. .-.-;- ,; , . i -. «:i- - г ., .. : : БМсЛЯ ;ГЙ;{ вижный вал с закрепленным на нем первым отражателем, второй отражатель , а также систему фоторегистрации , отличающийся тем, что с целью повышения точности измерений , в него дополнительно введены вакуумированная полость и третий отражатель, причем вакуумированная полость расположена между светоделительным -блоком и контрольной кюветой , свободный конец вала расположен в вакууг 1рованной полости, второй Отражатель установлен на торцовой поверхности свободного конца вала, третий отражатель установлен i на валу симметрично первому отражателю относительно оси вала, а оп (Л тический элемент модулятора выполнен в виде подвижной полупрозрачной пластины, установленной в вакуумированной полостиперпендикулярно оси вала. 20

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

РЕСПУБЛИК зев С 01 N 21/45

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО делАм изОБРетений и (лнРытий (21) 3432749/18-25 (22) 26.04.82 (46) 15.07.84 Бюл. Ф 26 (72) В.Н.Гришин и Ю.В.Мищенко (71) Московский ордена Ленина и ордена. Октябрьской Революции энергетический институт (53) 535.24 (088.8) (56) 1. Патент США N - 3680963, кл. 356-107, опублик. 1972.

2. Авторское свидетельство СССР

N - 741121, кл. С 01 N 21/45, 1980 (прототип) . (54 ) (5 7) 1 . ИНТЕР ФЕРЕ НЦИОН НЫЙ АВТО—

МАТИЧЕСКИЙ РЕФРАКТОМЕТР, содержащий источник излучения и расположенные последовательно по ходу излучения светоделительный блок, модулятор с оптическим элементом и контрольную кювету, внутри которой параллельно ее оптической оси установлен подвижный вал с закрепленным на нем первым отражателем, второй отражатель, а также систему фоторегистрации, отличающийся тем, что с целью повышения точности изме. рений, в него дополнительно введены вакуумированная полость и третий отражатель, причем вакуумированная полость расположена между светоделительным блоком и контрольной кюветой, свободный конец вала расположен в вакуумированной прости, второй отражатель установлен на торцовой поверхности свободного конца вала, третий отражатель установлен на валу симметрично первому отражателю относительно оси вала, а оптический элемент модулятора выполнен в виде подвижной полупрозрачной пластины, установленной в вакуумированной полости перпендикулярно оси вала .

1103122

2. Рефрактометр по п. 1, о т л и- ч а ю шийся тем, что в качестве отражателей применены трипаль-. призмы, а часть полупрозрач-. ной пластины выполнена отражающей.

Изобретение относится к области измерительной техники,в частности к устройствам для измерения абсолютных значений показателя преломления газообразных и жидких -веществ, и может быть использовано для анализа теплофизических параметров газообразных и жидких веществ в широкой области параметров состояния.

30

Известен интерференционный рефрактометр для измерения абсолютных значений показателя преломления газов и жидкостей, содержащий источник излучения, светоделительный блок, кювету, одна полость которой заполнена .исследуемым веществом, а другая заполнена эталонным веществом, первый отражатель, неподвижно закрепленный в первой полости кюветы, подвижный второй отражатель, расположенный во второй полости кюветы, блок фоторегистрации и блок измерения (1) .

Однако такое устройство характеризуется низкой точностью измерения показателя преломления газа и жидкости, что обусловлено низкой точностью измерения величины перемеще— ния подвижного отражателя, а также. изменением физического состояния эталонного вещества при механическом перемещении подвижного отражателя вследствие изменения объема, занимаемого эталонным веществом, Наиболее близким по технической сущности к изобретению является автоматический интерференционный рефрактометр, содержащий источник излучения и расположенные последовательно по ходу излучения светоделительный 40 блок, модулятор с оптическим элементом и контрольную кювету, внутри которой параллельно ее оптический оси установлен подвижный вал с закрепленным на нем первым отражате- 45 лем, второй отражатель, а также систему фоторегистрации (21 .

Недостатком этого устройства является невысокая точность, обусловленная способом определения величины перемещения отражателя, который вследствие наличия люфтов механизма и несовпадения моментов срабатывания концевых выключателей приводит к наличию неконтролируемой погрешности, и применяемым методом фоторегистрации, не позволяющим получить абсолютную погрешность измерения сдвигов интерференционных полос меньше 0,25 полосы.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Для достижения указанной цели в устройство, содержащее источник излучения и расположенные последовательно по ходу излучения светоделительный блок, модулятор с оптическим элементом и контрольную кювету, внутри которой параллельно ее оптической оси установлен подвижный вал с закрепленным на нем первым отражателем, второй отражатель, а также систему фоторегистрации, дополнительно введены вакуумированная полость и третий отражатель, причем вакуумированная полость расположена между светоделительным блоком и контрольной кюветой, свободный конец вала расположен в вакуумированной полости, второй отражатель установлен на торцовой поверхности свободного конца вала, третий отражатель установлен на валу симметрично первому отражателю относительно оси вала, а оптический элемент модулятора выполнен в виде подвижной полупрозрачной пластины, установленной в вакуумированной полости перпендикулярно оси вала.

Кроме того, в качестве отражателей могут быть применены триппльпризмы, а часть полупрозрачной пластины выполнена отражающей.

1103122

На фиг. 1 показана схема устройст-ва; на фиг. 2 — схема одного из трех блоков системы фоторегистрацни; на фиг. 3 — схема измерительного блока устройства; на фиг. 4 — вариант выполнения устройства.

Интерференционный автоматический рефрактометр (фиг. 1) содержит источник излучения 1, светоделительный блок 2, подвижный вал 3, отражатели

4-6, корпус 7, разделенный перегородкой на контрольную кювету и расположенную между ней н светоделительным блоком 2 вакуумированную полость, механизм перемещения 8 вала 3, модулятор 10 с оптическим элементом 9, блок управления 11, блоки 12-14 системы фоторегистрации, измерительный блок 15. Светоделительный блок 2 разделяет луч света от источника излучения 1 на три парал— лельных световых пучка 16-18. Пучки

16 и 18 делятся оптическим элементом соответственно на пучки 19 и 20, 21 и 22, а пучок 17 — на пучки 23 н 24.

В качестве отражателей могут быть использованы триппль-призмы 42-44 (фнг. 4).

Каждый из блоков 12-14 системы фоторегистрации состоит из фото- . преобразователя 25, фильтра 26 и усилителя-формирователя 27 (фиг. 2), Измерительный блок 15 содержит (фиг. 3) схемы 28-30 измерения дробной части интерференционной полосы, генератор опорной частоты 3 1, логические схемы 32-34,регистры памяти

35-37, реверсивные счетчики 38-40 и схему вычисления 41.

Устройство работает следующим образом.

Луч света от источника излучения

1 светоделительным блоком 2 расщепля-. ется на три параллельно распространяющихся световых пучка 16-18 с примерно одинаковыми интенсивностями. Направление распространения пучка 17 совпадает с осью вала 3, два других пучка 16 и 18 распространяются симметрично относительно этой оси. Пучок 17 оптическим элементом 9 делится на два пучка 23 и 24, один из которых (23) в виде отраженного пучка распространяется в обратном направлении, а другой . (24) отражается от отражателя 5 и накладывается на пучок 23, в ре45 щих блоками 12, 13, и 14 системы Фоторегистрации формируются три лоу гические последовательности, поступающне на измерительный блок 15. Задача измерения сдвигов интерференционных картин при этом сводится к измерению полных фазовых сдвигов межу ду характерным моментом времени в. сигнале управления (скажем моментом йересечения нулевого уровня сигналом пилообразного напряжения) н характерными моментами времени в сиг5

40 зультате чего в плоскости приема блока 13 системы фоторегистрации . наблюдается интерференционная картина. Аналогичным образом формируются интерференционные картины в плоскостях приема блоков 12 и 14 системы фоторегистрацни, Эти интерференционные картины образованы соответственно пучками 19, 20 и 21

22, причем пучки 19 и 21 отражаются от оптического элемента 9, а пучки

20 и 22 - соответственно от отражателей 4 и 6;

В предложенном рефрактометре для измерения сдвигов интерференционных полос применяется так называемый метод временных интервалов, позволяющий регИстрировать упомянутые сдвиги с точностью до сотых (и даже тысячных) долей полосы. Предлагаемый метод предполагает использование в рефрактометре интерференционного модулятора и соответствующей системы фоторегистрации, измерения и управления. Роль оптического элемента модулятора, служащего для периодического изменения оптических разностей хода в измерительных и опорных плечах интерферометров, выполняет полупрозрачная пластина, периодически перемещающаяся с помощью преобразователя перемещения модулятора 10. В результате смещения пластины на расстояние Ь Х величина оптической разности хода меняется (в любом из пучков 16, 17, 18) на

4 b.Х. Управление преобразователем перемещения осуществляется с помощью п риодического электрического сигнала (например, периодического пилообразного сигнала, поступающего с выхода блока управления 11). При этом в световых сигналах, поступающих на входы, блоков 12, 13 и 14 системы фоторегистрации,присутствуют переменные составляющие синусоидального типа. На основании этих составляю1103122

2(Ь + hk)ne= М„З; (2) (4) 5 налах на выходах блоков 12, 13 и 14 системы фоторегистрации, например моментами переходов напряжения из

"0" в "1". С этой целью сигналы с выходов блоков 12, 13 и 14 системы фоторегистрации подаются на первые входы соответствующих схем 28, 29 и 30, служащих для измерения дробной части интерференционной полосы, соответствующей нецелой части упомянутого полного фазового сдвига. На вторые входы схем 28, 29 и 30 поступает сигнал с выхода блока управцения 11,. а на третьи входы схем

28, 29 и 30 поступает сигнал с выхо- 15 да генератора опорной частоты 31. Каждая из схем 28, 29 и 30 осуществляет периодический (один раз за период развертки) подсчет числа импульсов, поступающих за интервал времени меж- 20 ду моментом пересечения нулевого уровня сигналом пилообразного напряжения и первым положительным фронтом в соответствующей логической последовательности. Измеренные текущие 25 значения дробных частей интерференционной полосы m;, m2, и m, зано" сятся в регистры памяти 35, 36 и 37, а также подаются в логические схемы

32, 33 и 34. Последнее осуществляетсящ с целью определения целых интерференционных полос. С выходов регистров памяти 35, 36.и 37 сигналы поступают на соответствующие входы логических схем 32, 33 H 3 1. Упомянутые35 схемы производят периодическое сравнение текущих значений m,, m „ H m>,. и предшествовавших значений изме- рений K1(; > m 2 H ш1(„ 1ц а новании которого дается команда о прибавлении "1", вычитании "1" или сохранении неизменным содержимого счетчиков 38, 39, 40. По окончании эксперимента схема вычисления 44 на основании информации, поступающей 45 со счетчиков 38, 39 и 40 и регистров памяти 35, 36 и 37, по известному алгоритму осуществит расчет показателя преломления пэ

Использование вакуумированной полости и размещение в ней второго отражателя 5, установленного на торцо-. вой части вала 3 (фиг. 1), позволяет проводить эксперимент в один этап. В предложенном рефрактометре

5S появляется возможность одновременного измерения величины расстояния L на которое перемещается вал 3, и величины показателя преломления э .

Использование третьего отражателя 6, установленного на валу 3 симметрично отражателю 4, оказывается необходимым для устранения влияния перекосов вала 3 в процессе осевого перемещения на результат измерения. На практике из-за наличия люфтов в местах прохождения вала 3 через стенки контрольной кюветы и из-за деформаций самого вала 3 могут возникать перекосы вала величиУ на которых может составлять до 10 рад (по отношению к оптической оси) . В результате возникновения перекосов может оказаться, что расстояние, проходимое отражателем 4, существенно (до нескольких микрон) отличается от расстояния L, проходимого отражателем 5 (упомянутые перекосы слабо влияют на изменение положения торцового отражателя 5, так как он располагается на оптической оси кюветы) . В результате возникают значительные погрешности измерения и точность измерения ухудшается. С введением третьего отражателя появляется возможность компенсировать упомянутые рассогласования.

Дело в том, что при установке отражателя 6 симметрично отражателю 4 их дополнительные смещения — 61. одинаковы по величине и противоположны по знаку.

Запишем соотношение для каждого из пучков 16, 17, 18

21по И2 (1) 2(L — ь Т) п = М Ъ > (3) где Ъ вЂ” длина волны света, M,M,M — полные сдвиги интерференционных картин, образованных соответственно составляющими пучков 16, 17, 18 (в полосах).

Несложные преобразования с соот— ношениями (1), (2) и (3) позволяют получить формулу для определения и, Из приведенных соотношений следует, что введение третьего отражателя 6 позволяет существенно повысить„ точность измерения, исключив влияние перекосов вала 3. С другой стороны, упомянутый метод временных интервалов

1103122 позволяет регистрировать сдвиги .интерференционных картин с точностью не хуже 0,01 полосы. Тогда в соответствии с соотношением (4) можно рассчитать относительную погрешность измерения пв-3„

"Ь

S = — - (5)

0,02 0,01

"В М„a АА> M2

Для сравнения можно привести соотношение, характеризующее величину относительной погрешности измерения

n > в устройстве !23:

026 О 25

Ь (6) 15

11В Q„H

Из сравнения соотношений (5) и (6) следует, что в предлагаемом рефрактометре может быть достигнут уровень точности измерения существенно больший, чем в известном устройстве.

Для произвольного типа отражателя, например для плоского отражателя. требуется осуществлять весьма точную начальную настройку для того, чтобы отражающие поверхности отражателей были установлены строго перпендикулярно направлению распространения световых лучей. При этом даже при небольших наклонах отражателей может 30 возникнуть ситуация, когда составляющие пучков 16, l7 и 18 не перекрываются или перекрываются лишь частично что приводит к резкому ухудшению видности соответствующих интерферен- З5 ционных картин.

Устранить упомянутый недостаток можно путем использования в качестве отражателей триппль-призм 42, 43, 44 (фиг. 4), что позволяет в меньшей степени заботиться о точности отражателей, так как отраженный триппль призмой пучок распространяется в направлении, параллельном падающему пучку. Однако применение триппльпризм приводит к необходимости делать полностью отражающими определенные участки полупрозрачной пластины (фиг. 4). При наличии отражающих участков световой пучок, например

24, отраженный от триппль-призмы 42, испытывает вторичное отражение оптического элемента 9, вторично проходит через триппль-призму, накладывается на составляющую 19, отраженную от оптического элемента 9.

Следует отметить, что применение триппль-призм 42-44 позволяет также в два раза повысить чувствительность, а в ряде случаев и точность измерения показателя преломления.

Применение пр едл ага емог и ус тр ойс тва позволяет более чем на порядок повысить точность измерения показателя преломпения газообразных и жидких веществ, что в свою очередь повышает качественный уровень проведения теплофизических исследований.

Последнее приводит к более широкому применению упомянутых веществ в народном хозяйстве.

1103122

Составит ель С . Боги нс кий

Редактор Н.Швыдкая Техред Л.Иикеш Корректор А.Дзятко

Заказ 4970/32 Тираж 823, Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб ., д . 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул . Проектная, 4