Автоматический рефрактометр полного внутреннего отражения

 

I. АВТОМАТИЧЕСКИЙ РЕФРАКТОМЕТР ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ, содержащий последовательно расположенные источник излучения, оптическую систему, дифференциальный анализатор с блоком фотоприемников, соединенный с блоком выходного СНГнала , отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции прибора и повьшения точности измерений , дифференциальный анализатор выполнен в виде двух расположенных в одной плоскости прямоугольных и взаимно перпендикулярных щелей. 2. Рефрактометр по п.I, о т л и. ч-ающийся тем, что, с целью упрощения прямых измерений, одна (Л сторона одной щели выполнена профилированной .

4р11 G 01 К 21/43

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCHQMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

laaL

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СООИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК г

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНЯТИЙ (2 l ) 3633906/24-25 (22 ) 19.08.83 (46) 07.02.85. Бюл. У 5 (72 ) А.К.Фролов, А.С.Аксенов, С.И.Бергер, В.И.Воронкнн, П.С.Тарасов и.Н.И.Шадура (71 ).Всесоюзный научно-исследовательский и экспериментально-конструкторский институт продовольственного машиностроения. (53 ) 535.24(088.8 ) (56) 1 И1акаряи Э.С., Шмулевич М.И.

О погрешности рефрактометров с объективной регистрацией светоконтраст». ной границы. -"Оптико-механическая промышленность", 1977, М 1, с.56-58..

2. Патент ФРГ М 1106093, кл. 6 01 N 21/43, .42 h, 36, .. опублик. 1965 (прототип ).

„„SU„„1138715 А (54 )(57 ) 1. АВТОМАТИЧЕСКИЙ РКФРАКТОИЕТР ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ, содержащий последовательно располо« .женные источник излучения, оптическую систему, дифференциальный анализатор с блоком фотоприемников, соединенный с блоком выхолного сиг-. нала, отличающийся ° тем, что, с целью упрощения конструкции прибора и повышения точности измерений, дифференциальный анализатор выполнен в виде двух расположенных в одной плоскости прямоугольных и взаимно перпендикулярных щелей.

2. Рефрактометр по п.l, о т л и. ч а ю шийся тем, что, с целью З упрощения прямых измерений, одна .сторона одной щели выполнена профилированной. С:

)138715

Изобретение относится к технической физике и обеспечивает создание простых и высокоточных фотоэлектрочных автоматических рефрактометров критического угла. Эти рефрактометры применяются для измерения показателя преломления жидких сред, а также для Определения по этому показателю содержания сухих веществ или концентрации продукта, 10

Известен автоматический рефрактометр, критического угла, работающий по измерчтельной дифференциальной схе- ме с опорным уровнем, в котором использованы два фотоприемника, иэ 15 которых один находится в светлой части зоны светового поля и дает опорный сигнал, а другой своей щелью размещен на границе светотени, образуемой вследствие явления полного 20 внутреннего отражения при контакте измерительной призмы прибора с контролируемой средой (11.

Недостаток данного рефрактометра с опорным уровнем состоит в том, что при изменении показатедя преломления контролируемой среды и ориентация фотоприемника своей щелью относительно границы критического угла i в положении баланса наруша30 ется. В результате появляется дополнительная погрешность.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому положительному эффекту явля- 35 ется автоматический рефрактометр полного внутреннего отражения, содержащий последовательно расположенные источник излучения, оптическую систему, дифференциальный анализатор 40 с блоком фотоприемников„ соединенный с блоком выходного сигнала $2), В рефрактометре на следящую систему подается сигнал пропорционально второй производной от функции 45 распределения светового потока в зоне границы светотени. Получение второй производной обеспечивается оптической системой с тремя :целями.

Две крайние щели лежат симметрично 50 относительно средней и в сравнении с ней в два раза короче. Крайние (на— ружные ) щели пропускают свет, а средняя отражает. В результате получаются два потока, которые отклоняются призмами, поочередно прерываются вращающимся диском, и далее зерка. лами направляются на фотоприемник.

Если первая производная от функции (i ) в точке 1„ стремится к экстремальному значению, то вто-. рая производная в этой точке равна нулю, Это позволяет использовать вторую производную в качестве критерия определения критического угла.

Измерительная схема рефрактометрй использующая вторую производную

У12 избавлена от систематической погрешности, свойственной схеме с опорным уровнем. Дпя нее ориентация комбинированного щелевого анализатора относительно 1 сохраняется для

КР всех значений показателя преломления.

Недостатком известного устройства является сложность конструкции рефрактометра, обусловленная тем, что при построении второй производной схема управляема только вблизи

Поэтому требуется дополнительная система грубого выведения щелей в рабочую зону.

Целью изобретения является упрощение конструкции автоматического рефрактометра и повышение точности измерении.

1

11оставленная цель достигает— ся тем, что в автоматическом рефрактометре полного внутреннего отражения, содержащем последовательно расположенные источник излучения, оптическую систему,,дифференциальный анализатор с блоком фотоприемников, соединенный с блоком выходного сигнала, дифференциальный анализатор выполнен в виде двух расположенных в одной плоскости прямоугольных и взаимно перпендикулярных щелей.

Для упрощения прямых измерений одна сторона одной щели выполнена профилированной.

Так как экстремальное значение первой производной функции уд (i ). совпадает с i, то наибольшая чувствительность измерения будет в случае, когда первая щель расположена в полутеневой части границы светотени и одним из краев совмещается с i . Одновременно,сле дует, что щель целесообразно применять возможно более узкой, так как возрастает крутизна характеристики y„(i ). Ограничением является уменьшение полезного сигнала, а также опасность получения не3 11387 управляемой следящей системы при компенсационной схеме измерения.

На фиг.! представлены графики относительного изменения светового потока у „(i ) и g (! ) соответственно для щелей длиной а„ и а, на фиг.2 — реверсивная характеристика управления; на фиг.3 — схема компенсационного автоматического рефрактометра; на фиг.4 — расположение щелей анализатора относительно границы раздела света и тени.

Кривая для щели длиной а сме2 щена в светлую зону поля таким образом, чтобы кривые пересека- !5 лись на. i при одном значении

p (! ), при котором щель размером а„

Ц находится в полутени и передней кромкой совпадает с - точка "1".

kp

Равенство сигналов фотоприемников дпя обеих щелей осуществляется при следующем условии

Ь1 1 1 1 1 " = сС Ь "т 2Pg

"(1,) 2 М2 (1

Так как щели расположены в одной плоскости, то

Кс != Кдг и К „= К

30 Кроме того g „(! ) = с (1„)

Можно принять, что Е = L

Тогда а„ b1 1 41 Ь2 2

11ри, равенстве- чувствительности фотоприемников, т.е. !а, = p2, обе щели 35 должны иметь равные площади.

Но так как а 1 <а2, то b > b2.

При смещении грайицы светотейи относительно щелей вправо р (!.!) 1 а1 о (i „) и наоборот, при смещении 4О влево 0(м1(! < ) 90(j(! )

Следовательно, получают вполне работоспособную реверсивную характеристику управления с переходом íà 45 ноль, а изменение сигнала прямо ! пропорционально выражению

При изменении показателя преломления измеряемой среды с п . до и

2 характеристики относительного изменения светового потока у „(!2 ) и 55

„2 12) .будут пересекаться йри другом значении у„(i ) - в точке П, однако равенство (1 ) не нарушается и

15 4 ориентация фотоприемников своими щелями относительно i сохраняеткр ся»

Схема компенсационного автоматичекого рефрактометра с предложенным дифференциальным щелевым анализатором содержит (фиг.3 ) источник 1 излучения, светофильтр 2, конденсатор

3, измерительную призму 4,щелевой анализатор 5, блок 6 фотоприемников, усилитель 7, электродвигатель 8, шкалу 9, кулачок 1О, механизм Il, потенциометр 12, термометр 13 сопротивления, блок 14 выходного сигнала, проточную кювету l5 ° П!елевой анализа тор 5 имеет две щели 16 и 17 (фиг.4 ).

Прибор работает следующим образом.

- Модулированный поток излучения лампы конденсатором 3 направляется на рабочую грань измерительной

I призмы 4 и, отражаясь от нее, образует световое поле фотоприем.— ников 6. Если через кювету протекает контролируемая жидкость и показатель и ее преломления меньше показателя преломления материала и мерительной призмы N (n(N ), то, вследствие явления полного внутреннего отражения, в зоне светового поля фотоприемников образуется граница светотени. Ее положение служит мерой пока- зателя преломления контролируемой жидкости. За положением границы следит блок 6 фотоприемников с анализатором 5, перемещаемым с помощью рычажно-кулачкового механизма 11 реверсивным электродвигателем 8.

В положении баланса„ когда щели анализатора 5 расположены на границе светотени, сигналы фотоприемников равны и электродвигатель находится в состоянии покоя. При смеще- нии границы светотени вследствие изменения показателя преломления измеряемой среды в цепи фотоприемников согласно рассмотренной характеристике управления появляется сигнал разбаланса, который после усиления усилителем 7. поступает на электродвигатель 8. Последний приходит в движение и устанавливает фотоприемники в новое положение с сохранением ориентации щелей относительно границы светотени. Одновременно поворачивается шкала 9 и ползунок потенциометра 12 и устанавливается новое значение выходного сигнала.

Для введения температурной поправ- . ки на показания прибора в цепь поS

1138715 тенциометра 12 подключены термометр 13 сопротивления, устанавливаемый в проточной кювете 15.

Схема автоматического рефракто .:. метра прямого измерения состоит иэ 5 источника излучения, светофильтра, конденсатора, измерительной призмы, двухщелевого анализатора, блока фотонриемников, усилителя электронного преобразователя и блока выходного сигнала. Двухщелевой анализатор с блоком фотоприемников неподвижны, а перемещается относительно щелей граница светотени.

11редлагаемый автоматический реф- 15 рактометр критического угла с компенсационной схемой измерения исключает дополнительную погрешность, связанную с изменением крутизны характеристики p (i ) при изме-20 ненни показателя преломления контролируемой среды, а также вначительно уменьшает влияние неравномерности светового поля на показания прибора.В отличие от иэвестцых устройств для измерения показателя преломления, в которых используется ,аналогичная характеристика управления, представляющая собой вторую производную от функции распределения светового потока в зоне границы светотени, предлагаемое устройство значительно проще и легко реализуется.

Кроме того, двухщелевой анализатор в рефрактометре по схеме прямого измерения позволяет изменением профиля щелей в направлении перемещения границы светотени получать необходимую линейную зависимость между выходным сигналом и измеряемым параметром и создавать простую и надежную конструкцию промьппленного рефрактометра, ll38715

Составитель С.Голубев

Редактор 11. Коссей Техред М.Кузьма . Корректор И. Эрдейи

Заказ 10b79/3 - Тираж 897 Подписное

В1!ИИПИ осударственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал 1БП! "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4