Устройство для измерения показателя поглощения излучения прозрачной средой

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПРОЗРАЧНОЙ СРЕДОЙ, содержащее измерительный канал, включающий источник излучения, :расположенные вдоль оптической оси по ходу излучения конденсор, полевую диафрагму, коллиматор с апертурной диафрагмой, модулятор с приводом, отклоняющее зеркало, сменные цилиндрические измерительную кювету и кювету сравнения, каждая из которых снабжена входным и выходным иллюмийаторами , светоБые диаметры которых равны диаметрам сменных цилиндрических кювет, а стенки сменных цилиндрических кювет выполнены зеркальными, отражающий элемент, приемный объектив и фотоприемник, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности измерений, сменные цилиндрические измерительная кювета и кювета сравнения дополнительно содержат прямоугольные призмы с отражающими катетными гранями, расположенные вплотную гипотенузной гранью, к выходным иллюминаторам каждой из кювет, симметрично упомянутым иллюминаторам и рассеивающие коллекторы, установленные вплотную к входным иллюминаторам кювет и имеющие по одному сквозному отверстию, размещенному по ходу излучения, на расстоянии 1/4 диаметра кюветы от ее оси, дополнительно введена сменная апертурная диафрагма коллиматора, а отражающий элемент выполнен в виде экрана, расположенного между приемным объективом и отклоняющим зеркалом под углом 45 к оптической оси устройства и имеющего отверстие,которое расположено на одной оптической оси со сквозным отверстием рассеивающих коллекторов, при этом Ф световые диаметры иллюминаторов сменных цилиндрических измерительной кюветы и кюветы сравнения, диаметры соответствукяцих сменных апертурных диафрагм коллиматора и диаметры сквоз ных отверстий в рассеивающих коллекторах связаны с длинами кювет еле- 1дующими соотнощениями: О А il и °и и i X) с% D ср ;0 к1 Чр DM, D где -световые диаметры ил люминаторов , цилиндрических измерительной кюветы и кюветы сравнения соответственно; , -диаметры сменных апер турных диафрагм коллиматора; к ц и, dtp -диаметры сквозных отверстий в рассеивающих коллекторах изме

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСГ1УБЛИН (19) (11) 3(51) О1 J 16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H АВ ГОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ )и и ои и 1

Dcp сp d cp cp

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMHTET СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3619944/18-25 (22) 11 07,83 (46) 07.11.84. Бюл.М - 41 (72) В.B.Бачериков, В.С,.Зеленчук, В.В.Ивановский, В.В.Кудрявцев и Я.Ф.Локк (53) 533.242.2 (088.8) (56) 1.Гидрофизические и гидрооптические исследования в Атлантическом. и Тихом океанах. M. "Наука, 1974, с.98.

2. Иванов А.П. Физические основы гидрооптики. Минск, "Наука и техника", 1975, с.95,(прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПОКАЗАТЕЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПРОЗРАЧНОЙ СРЕЦОЙ, содержащее измерительный канал, включающий источник излучения, :расположенные вдоль оптической оси по

D ходу излучения конденсор, полевую диафрагму, коллиматор с апертурной диафрагмой, модулятор с приводом, отклоняющее зеркало, сменные цилиндрические измерительную кювету и кювету сравнения, каждая из которых снаб. жена входным и выходным иллюминаторами, световые диаметры которых равны диаметрам сменных цилиндрических кювет, а стенки сменных цилиндрических кювет выполнены зеркальными, отражающий элемент, приемный объектив и фотоприемник, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, сменные ци-линдрические измерительная кювета и кювета сравнения дополнительно содержат прямоугольные призмы с отражающими катетными гранями, расположенные вплотную гипотенузной гранью к выходным иллюминаторам каждой из кювет, симметрично упомянутым иллюминаторам и рассеивающие коллекторы, установленные вплотную к входным иллюминаторам кювет и имеющие по одному сквозному отверстию, размещенному по ходу излучения, на расстоянии 1/4 диаметра кюветы от ее оси, дополнительно введена сменная апертурная диафрагма коллиматора, а отражающий элемент выполнен в виде экрана, расположенного между приемным объективом и отклоняющим зерка лом под углом 45 к оптической оси о устройства и имеющего отверстие,которое расположено на .одной оптической оси со сквозным отверстием рас сеивающих коллекторов, при этом ф световые диаметры иллюминаторов сменных цилиндрических измерительной кюветы и кюветы сравнения, диаметры соответствующих сменных апертурных диафрагм коллиматора и диаметры сквоз.ных отверстий в рассеивающих коллекторах связаны с длинами кювет сле;дующими соотношениями: где D» Р— световые диаметры илгу люминаторов, цилиндрических измерительной кюветы и кюветы сравнения соответственно;

d» d — диаметры сменных апер. турных диафрагм коллиматора;

К

Й „, d — диаметры сквозных отверстий в рассеивающих коллекторах изме1122897 рительной кюветы и кюветы сравнения соответственно;

1, 1 — длина измерительной кюветы и кюветы сравнения соответственно

Изобретение относится к построе. нию оптических схем приборов, предназначенных для исследований оптических характеристик прозрачных сред, в частности для измерения показателя 5 поглощения излучения в пробах воды „ взятых в исследуемых акваториях.

Известен лабораторный измеритель спектрального показателя поглощения

"Волна", содержащий источник излучения, коллиматор, систему разводящих зеркал, модулятор, измерительную кювету н кювету сравнения, размещенные в фотометрическом шаре с отверстиями,соосными с оптической осью при бора„и фотоприемником, установленным т од углом к ней (1)

Недостатком этой схемы является большая абсолютная погрешность измерений показателя поглощения вследствие малой длины кювет, которая orpamrwe e. соотношением 3« О, 4 R где, f - длина кюветы; — радиус фотометрического шара.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения показателя поглощения излучения прозрачной средой, содержащее измерительный канал, включающий источник излучения, расположенные вдоль оптической оси по ходу излучения конденсор, полевую диафрагму, коллиматор с апертурной диафрагмой, модулятор с приводом, от.клоняющее зеркало, сменные цилиндри- 35 ческие измерительйую кювету и кювету сравнения, каждая иэ которых снабжена входным и выходным иллюминаторами, световые диаметры которых равны диаметрам сменных цилиндрических 40 кювет, а стенки сменных цилиндрических кювет. выполнены зеркальными.Более высокая чувствительность этого устройства для чистых океанских вод определяется значительно большими 45 размерами измерительной кюветы, а следовательно, длиной оптического пути светового потока в среде и, как следствие, большим отношением сигналов U<1, / U< на фотоприемнике характеризующего величину показателя поглощения Я,исследуемой среды в соответствиис выражением, Uñ

М = "- -"----- я — — — i) И СР "й где U U< — сигналы с фотоприемниР 6 ка при установленных в измерительный канал прибора кюветы сравнения и измерительной кюветы соответственно; fr — Й вЂ” разность длин измерительной кюветы и кюветы сравнения $2), Недостатком известного устройства является систематическая погрешность метода измерений, вследствии того, что теоретически при измерениях показателя поглощения фотоприемник должен регистрировать не только непоглощенный прямой, но и весь рассеянный средой световой поток.Известное устройство, снабженное кю ветами с зеркальными стенками и светосильным коническим световодом, позволяет регистрировать только прямой и рассеянный вперед световой поток. Доля рассеянного потока назад прибором не измеряется, а рассчитывается теоретически по измеренной инцикатриссе рассеяния этол среды, поэтому для получения окончательной величины вносится соответствующая поправка. Кроке того, свет; рассеянный в обоих кюветах под одним и тем же углом при одинаковых диаметрах кювет претерпевает в измерительной кювете a tl раз больше количество отражений от зеркальных стенок, чем в кювете сравнения.

Вследствие этого при измерениях появляется дополнительная погрешность.

Повышение точности измерений можно достичь путем уменьшения система!

122897 тической погрешности, определяемой рассеянием света "назад и различным числом отражений от зеркальных стенок в кюветах устройства.

Целью изобретения является повыше- 5 ние точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения показателя поглощения излучения прозрачной средой, содержащим измерительный канал, включающий источник излучения, расположенные вдоль оптической оси по ходу излучения конденсор, полевую диафрагму, коллиматор с апертурной диафрагмой, модупятор с приводом,отклоняющее зеркало, сменные цилиндрические измерительную кювету н кювету сравнения, каждая из которых снабжена входным и выходным иллюминаторами, световые диаметры которых равны диаметрам сменных цилиндрических кювет, а стенки сменных цилиндрических кювет выполнены зеркальными, отражающий элемент, приемный объектив и фо2S топриемник, сменные цилиндрические измерительная кювета и кювета сравнения дополнительно содержат прямоугольные призмы с отражающими катетными гранями, располоя енные вплотную гипотенузной гранью к выходным иллюминаторам каждой из кювет, симметрично упомянутым иллюминаторам и рассеивающие коллекторы, установленные вплотную к входным иллюминаторам кювет и имеющие по одному сквозному отверстиюЗ5 размещенному по ходу излучения, на расстоянии 1/4 диаметра кюветы от ее оси, дополнительно введена сменная апертурная диафрагма коллиматора, а отражающий элемент выполнен в виде экрана, расположенного между приемным объективом и отклоняющим зеркалом о под углом 45 к оптической оси устройства, и имеющего отверстие, которое расположено на одной оптической оси со сквозным отверстием рассеивающих коллекторов, при этом световые диаметры иллюминаторов сменных цилиндрических измерительной кюветы и кюветы сравнения, диаметры 50 соответствующих сменных апертурных диафрагм коллиматора и диаметры сквозных отверстий в рассеивающих коллекторах, связанные с длинами кювет следующими соотношениями ) А с с ос!, сР где О„ Ю вЂ” диаметры иллюминаторов измерительной кюветы и кюветы сравнения соответ, ственно; к с! Π— диаметры отверстий в расС1ц ср сеивающих коллекторах измерительной кюветы и кюветы сравнения; с!ц,с — диаметры апертурных диаф-! рагм при установке измерительной кюветы и кюветы сравнения; иь e„ длины кювет.

Ю

Йа фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемого устройства; на фиг.2 — ход лучей в кювете. .Устройство содержит источник света 1 и установленные на оптической оси конденсор 2, полевую диафрагму 3, расположенную в фокальной плоскости коллиматора 4. Сменные апертурные диафрагмы 5 и 6 устанавливаются в плоскости входного зрачка коллиматора 4. 3а отклоняющим зеркалом 7,разо мещенным под углом 45 к оптической оси устройства, установлена кювета измерительного канала 8 с входным 9 и выходным 10 иллюминаторами, или кювета канала сравнения 11, имеющая также входной 12 и выходной !3 иллюминаторы (на фиг.l кювета сравнения показана пунктиром). Вплотную к выходным иллюминаторам !О и 13 измерительной кюветы 8 и кюветы сравнения 11 установлены гипотенуэные грани прямоугольных призм 14 и !5 соответствующих кювет, причем стенки кювет 8 н 11 и катетные грани призм 14 и 15 имеют зеркальные отражающие покрытия. Вплотную к входным иллюминаторам 9 и 12 кювет 8 и !! соответственно установлены рассеивающие коллекторы 16 и 17,выполненные из молочного стекла, с отверстиями 18 и 19, причем диаметр отверстия 19 в коллекторе 17 кюветы сравнения 1l равен диаметру апертурной диафрагмы 6, а диаметр отверстия 18 в коллекторе 16 измерительной кюветы 8 равен диаметру апертурной диафрагмы 5. Центр отверстия !8 коллектора 16 (или при установке кюветы сравнения, отверстия 19 коллектора 17) лежит на оптической оси, проходящей через центр о отклоняющего зеркала 7 под углом 45 к его поверхности. Отражающий экран

20 установлен под углом к оптической оси устройства (на фиг.! под углом

1122897 ср

К = (2)

Ф„

Тогда при установке в измерительный канал устройства кювет, заполненных исследуемой жидкостью, поток после измерительной кюветы

50 (3) а поток после кюветы сравнения (с учетом 2) О

45 ), причем центр его отверстия лежит на оси, соединяющей центр зеркала 7 и отверстия 18 в коллекторе 16, а площадь его проекций в плоскости коллектора 16 равна площади отверстия 18. Приемный объектив 21 установлен на оптической оси перед фотоприемником 22, фотокатод которого размещен в фокальной плоскости объектива 21. Модуляция сигнала производится при помощи модулятора 23 с приводом.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника света 1 проектируется конденсором 2 в плоскости полевой диафрагмы 3 коллиматора 4, направляющего параллельный све. товой поток через отклоняющее зеркало 7 и отверстие в отражающем экране 20 или в сухую кювету сравнения

1! или в сухую измерительную кювету 8. Причем параллельный световой поток, прошедший через отверстия 19 и 18 в рассеивающих коллектс зах укаэанных кювет, не претерпевает изменений и,отраз Авшись от катетных граней призм 15 и 14 попадает на рассеи> вающий коллектор установленной кюветы и,отразившись от экрана 20,фокусируется приемным объективом 21 на катоде приемника 22.

Величина светового потока, прошедшего измерительный канал с сухой измерительной кюветой при диаметре 35 пучка на выходе коллиматора определяемого большей апертурной диафрагмой Йд, равна и величина потока, прошедшего измерительный канал с сухой кюветой сравнения при апертурной 40

А диафрагме Й р, равна -q< .Пусть величина, определяющая коэффициент виньетирования светового потока малой диафрагмой и неидентичность каналов будет. 45

-x4490 2

Ф Р е Р сР y,Ð ®2Е P (4) Поделив (3) на (2) и сделав преобразование,получим измеренную устройством величину

Чтобы получить одинаковые количества отражейий для лучей, рассеянных под углом от осевого луча необходим мо соблюсти соотношение

Ei (6)

1 ср ср

Чтобы эта геометрия осталась справедливой для всех лучей определяющих диаметр светового потока, например для крайних лучей, необходимо соотношение вида (7)

Сделав преобразования в (7) с учетом (6),получим

А а,.

7 (8)

"ср асср

В свою очередь,. диаметры отверстий в рассеивающих коллекторах, во избежание виньетирования светового потока в канале при установке кювет должны быть равны или несколько большими диаметров соответствующих апертурА

d> > !А поэтому

IC А !и !и !

t гр (9) учитывая (5) у (7), (8), получим: д." д"„Е„ ср åð ср сд

Дпя соблюдения симметричности хода светового потока в меридиональной плоскости кювет отверстия в рассеивающих коллекторах размещены на расстоянии 1/4 Di от оси соответствующих кювет.

I! 22897

11ри установке в измерительный канал устройства кювет, заполненных исследуемой жидкостью,на параллельный световой поток, прошедший внутрь кюветы действуют два фактора, о ределяющие оптические свойства среды: во-первых, свет поглощается средой в соответствии с выражениями (3) или (4) и во-вторых, рассеивается, причем на рассеивающие коллекторы устанавливаемых кювет практически попадают все лучи, рассеянные как вперед (на фиг.? обозначены2I „)так и назад (на фиг,2 обозначены как /„ ), эа исключением лучей, рассеянных под углом =- 90; причем количество отражений для каждого вида лучей в обоих кюветах, как было показано в (10) одинаково. Таким образом, как прямые — прошедшие через среду парал- 20 лельные световые потоки, так и потоки, рассеянные средой под разными углами /; попадают на рассеивающие коллекторы 1б и 17, измерительной кюветы 8 или кюветы сравнения lt, 25 причем яркость этих коллекторов пропорциональна суммарной величине прямых и рассеянных световых потоков, прошедших на их поверхность, и фотоприемник 22, регистрируют сигналы, отразившиеся от экрана 20 и сфокусированные объективом .21 пропорциональные выражениям (3) и (4) для измерительной кюветы и кюветы сравнения соответственно.

Очевидно, измерив величины сигналов (2), (3) и (4) и подставив их в выражение (5),можно. получить измеренную величину показателя поглощения, которая тем ближе истиннойЯ„ 40 чем меньше света рассеивается средой под большими углами, т,е. чем более вытянута индикатрисса рассеяния в области малых углов, что харак. терно для чистых морских и океани- 45 ческих вод.

Установка прямоугольной призмы в кюветах подобного типа преследует единственную цель — увеличить вдвое gp оптическую базу прибора, или, что то же самое — уменьшить расход исследуемого вещества при анализе.

Применение прямоугольной призмы в кювете позволяет учитывать при иэ- Я мерениях долю рассеянного светового потока не только вперед, но и в заднюю полусферу.

Рассеивающий коллектор с отнерсти ем позволяет в совокупности с прямоугольной призмой регистрировать излучение,рассеянное как в переднюю, так и в заднюю полусферы,.в широком диапазоне углов, так как будучи Ламбертовским рассеивателем, коллектор рассеивает излучение пропорционально световому потоку, пришедшему на него независимо от угла падения. Это, в свою очередь, сводит методическую ошибку при измерениях Я к минимуму и повышает точность измерений.

Расположение отверстий в рассеивающих коллекторах и отражающем экране конструктивно обеспечивает прохождение параллельного светового потока от коллиматора в кюветы с исследуемой средой без виньетирования пучка и излишних потерь энергии источника, Расположение отверстий в рассеивающих коллекторах на расстоянии 1/4 диаметра кюветы обеспечивает симметричность хода светового пучка относительно стенок кюветы. В этом случае параллельный световой поток попадает на центральный участок световой зоны отражающих граней прямоугольной призмы, что является оптимальным условием для исключения зарезания пучка на фасках призмы и стенках кюветы, Эти явления зареэания могут привести к некоторой погрешности при измерениях.

При размещении отверстий в коллек. ° торах ближе !/4 диаметра кюветы к центру возможен возврат части прямого пучка при отражении от отражающих граней прямоугольной призмы в отверстие коллектора, а не на его поверх-. ность, что приведет к значительной погрешности при измеренияхЯ.

Установка в плоскости входного зрачка объектива коллиматора сменных апертурных диафрагм позволяет изменять диаметры световых потоков, вошедших в кюветы с исследуемой средой в соответствии с соотношениями (10), так как размер апертурной диафрагмы определяет диаметр параллельного светового потока в устройстве.

Использование предлагаемого устройства для измерения показателя поглощения излучения прозрачной средой позволит повысить точность измерений вследствие того, что фотоприемник в устройстве регистрирует как прямое и рассеянное вперед излучение, так и

1122897

10 Составитель Н. Стукова

Техред А.Ач редактор Л.Лосева

Корректор И.Леонтюк

Заказ 8127/33 Тираж 822

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Подписное

Филиал ППП "11атент", г,Ужгород, ул.Проектная, 4 иэлучение, р ассе янно е средой назад, причем использование соотношений (10) значительно снизит систематическую составляющую погрешности метода измерений из-за разницы в количествах 5 отражений от стенок кювет для рассеян ного средой излучения.

Использование предлагаемого устройства особенно эффективно для исследований поглощения в чистых морских и океанических водах, так как применение кювет с двойным ходом светового потока н соотношений (!О) значительно увеличивает величины измеряемых сигналов при минимальных систематических погрешностях. Например, при соотношениях размеров:

А

1 = 600 мм, I)g= 120 мм, d) = d = 18мм, 1 = 100 мм„01 = 20 мм, d = d = 3 мм база прибора равна 2 (1 — -„,)

И р

1000 мм = I м, а это позволит измерять величины М, - 0;01 м, с погИ ъ "1 решностью 6Ж 5i-, при аппаратурИ

Hofl чувствительности(,= 5, 1(У M

4 -