Способ измерения показателя преломления жидких и газообразных прозрачных сред и устройство для его осуществления

 

1. Способ измерения показателя преломления жидких и газообразных прозрачных сред, включающий пропускание через среду монохроматического когерентного пучка света, воздействие на пучок непрозрачным препятствием ,формирование дифракционной картины в плоскости анализа и вычисление показателя преломления по положет0о экстремумов дифракционной картины , отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерений , на пучок воздействуют щелью, образованной двуыя полуплоскостями, расположенными в исследуемой среде, одна из которых сдвинута относительно другой в направлении распространения света, изменяют эффективную ширину щели и при совмещении одного из минимумов дифракционной картины с фиксированной точкой плоскости анализа по координате фиксированной точки и величине эффективной ширины щели определяют показатель преломления . .. Способ по п. 1,отличаю-щ и и с я тем, что изменение эффективной ширины щели проводят путем перемещения одной из полуплоскостей, образующих щель, параллельно направлению распространения света и определяют величину показателя преломления п из .соотношения hSin q ( i w7k) где m 1; +2; +3...; h - расстояние между полуплосCO костями в направлении распространения света; с о - ширина щели; Л - длина волны света; Ч - угол между направлением распространения света и направлением на фиксированную точку плоскости анализа из 4 центра щели. 4i 3. Способ по п. 1,отличаюо cc щ и и с я тем, что изменение эффективной ширины щели осуществляют пу4 тем наклона щели относительно направления распространения света и определяют показатель преломления п из соотношения ./ A/2i(f-A8(l -D-2ni1i || - ) - : где m +1; +2; +3. ..; A 5inCoit4 Vbiioi з B 2b-ht oCi r/2b-5inq -2mA, .. л л j 1 (,)42b- 5inq)itf ci :, Sii -f IJ

(!9) (! !) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

4. А

4(5!) G 01 Н 21/41

ТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР (21) 3666370/24-25 (22) 29. 11.83 (46) 07.03.85. Бюл. ((- 9 (72) Б.Б. Старостенко, П.И. Госьков и А.А. Арефьев (71) Алтайский политехнический институт им. И.И. Ползунова (53) 535.24(088.8) (56) 1. Лейкин М.В. и др. Автоматические рефрактометры. — "Оптико-механическая промьпппенность", 1973, В 12, с. 58-65.

2. Патент США 3999856, кл. 356/107, 1976 (прототип). (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ

ПРЕЛОИЛЕНИЯ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ

ПРОЗРАЧНЫХ СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.,(57). 1. Способ измерения показателя преломления жидких и газообразных прозрачных сред, включающий пропускание через среду монохроматического когерентного пучка света, воздействие на пучок непрозрачным препятствием, формирование днфракционной картины в плоскости анализа и вычисление показателя преломления по положейию экстремумов дифракционной картины„ отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, на пучок воздействуют щелью, образованной двумя полуплоскостями, расположенными в исследуемой среде, одна as которых сдвинута относительно другой в направлении распространения света, изменяют эффективную ширину щели и при совмещении одного из минимумов дифракционной картины с фиксированной точкой плоскости анализа по координате фиксированной точки и величине эффективной ширины щели определяют показатель преломления.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а ющ и и с. я тем, что изменение эффективной ширины щели проводят путем перемещения одной из полуплоскостей, образующих щель, параллельно направлению распространения света и определяют величину показателя преломления !! из соотношения

4 Gin Ц

П=

2 (b Sin q «й m Ъ где N = 1; +2; +3...; !! — расстояние между полуплоскостями в направлении распространения света;

1 о — ширина щели; — длина волны света; (— угол между направлением распространения света и на- ®® правлением на фиксированную точку плоскости анализа из „р центра щели.

3. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что изменение эффек тивной ширины щели осуществляют путем наклона щели относительно направ- !Ф ления распространения. света и определяют показатель преломления и из соотношения (В где rn = +1; +2; +3...;

1144034 о — угол наклона щели относительно направления распространения света.

4. Устройство для измерения показателя преломления жидких и газообразных прозрачных сред, содержащее лазер и расположенные последовательно по ходу излучения формирующую оптическую систему, плоский экран, кювету с двумя ячейками, объектив и

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения показателя преломления жидкостей и газов при решении технологических задач, 5 проведении научно-исследовательских работ и т.д.

Известны способ и устройство для измерения показателя преломления, О основанного на интерференционном методе j1) .

Однако точность измерения ограничена возможностью регистрации дробной доли интерференционной полосы, для повышения чувствительности приходится использовать кюветы большой длины, что приводит к трудностям, связанным с термостатированием кюветы.

Наиболее близкими по технической щО сущности к Изобретению являются способ измерения показателя преломле. ния жидких и газообразных прозрачных сред, включающий пропускание через среду монохроматического коге. 25 рентного пучка света, воздействие на пучок непрозрачным препятствием, формирование дифракционной картины в плоскости анализа и вычисление показателя преломления по положению экстремумов дифракционной картины, и устройство для осуществления способа, содержащее лазер и расположенные последовательно по ходу излучения, формирующую оптическую систему, плоский экран, кювету, с двумя ячей- З5 хами, объектив и фотоэлектрический анализатор, состоящий из щели и фофотоэлектрический анализатор, состоящий из щели и фотоприемника, подключенный к блоку обработки сигналов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены две непрозрачные полуплоскости, размещенные в ячейках кюветы с возможностью перемещения по ее длине и образующие щели равной ширины с плоским экраном, а перед кюветой установлена шторка с возможностью попеременного диафрагмирования ячеек.

3 топриемника, подключенный к блоку обработки сигнала.

Сформированный оптической системой параллельный лазерный пучок посылают в кювету таким образом, чтобы половина пучка проходила через исследуемую среду, а половина — через эталонную. На краях плоского непрозрачного экрана свет дифрагирует и формирует в фокальной плоскости объек-. тива, установленного эа кюветой, дифракционную картину. Если показатель преломления исследуемой среды отличается от эталонного, то разность фаз световых волн, прошедших разные ячейки кюветы, выразится какду=ЗР.fnL/ т где 6tl — относительная разность показателей преломления эталонной и исследуемых сред; 4 — длина кюветы;

9 — - длина волны света.

В результате дифракционная картина имеет искажения и смещения ее экстремальных точек относительно неискаженной картины пропорциональны величине gqW. Положение нулевого максимума определяют при помощи колеблющегося щелевого электромагнитного анализатора и установленного за ним фотоприемника, закрепленных на подвижной каретке, снабженной микрометрическим винтом. По величине амплитуды первой гармоники сигнала, снимаемого с фотоприемника, судят о положении нулевого максимума дифракционной картины относительно щелевого анализатора. Блок обработки сигнала состоит из предварительного

3 11440 и узкополосного усилителей и фазового детектора, на который также поступает сигнал с генератора, питающего электромагнитный вибратор щелевого анализатора j2) .

Недостатки известного способа и реализующего его устройства заключаются в низкой точности измерений показателя преломления, обусловленной малой разностью фаз световых волн, образующих дифракционную картину (линейно связанной с длиной кюветы), приводящей к малым искажениям дифракционной картины, а следовательно, к погрешностям регистрации. Кроме того, ограничен диапазон измерений разности показателя преломления при заданной длине кюветы, что обусловлено отсутствием в схеме компенсатора. Данным методом невозможно определять абсолютный показатель преломления без использования вакуума в качестве эталонной среды. Недостатком является также сложность конструкции кюветы. 25

Цель изобретения — повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения показателя преломления жидких и газооб- ЗО разных прозрачных сред, включающему пропускание через среду монохроматического когерентного пучка света, воздействие на пучок непрозрачным препятствием, формирование дифрак- .З5 ционной картины в плоскости анализа и вычисление показателя преломления по положению экстремумов дифракционной картины, на пучок воздействуют щелью, образованной двумя полуплос- 40 костями, расположенными в исследуемой .среде, одна из которых сдвинута относительно другой в направлении распространения света, изменяют эффективную ширину щели и при совме- 45 щении одного из минимумов дифракционной картины с фиксированной точкой плоскости анализа по координате фиксированной точки и величине эффективной ширины щели определяют показатель50 преломления.

В частности, можно изменение эффективной ширины щели приводить путем перемещения одной из полуплоскостей, образующих щель, параллельно направ- 55 лению распространения света и определять показатель преломления и из соотношения

gin ц

П= )

2(Ъ ц т где — расстояние между полуплоскостями в направлении расп- ространения света; — ширина щели; — длина волны света; — угол между направлением распространения света и направлением на фиксированную точку плоскости анализа из центра щели.

Кроме того, возможно изменение эффективной ширины щели осуществлять путем наклона щели относительно направления распространения света и определять показатель преломления из соотношения

11 =

Д 6 где п =- +1; +2; +3 ° -° - >

Й = (Э л К Ф ц 1-5i и о j

p, =- 2b-h ig w,; (2b вg- 2 >1

С- (пппtпiпq)+2Ъп п(уtgaj

4g

2bsiv ö- 2m A(М"

oC — угол наклона щели относитель но направления распространений света.

В устройство для измерения показателя преломления жидких и газообразных прозрачных сред, содержащее лазер и расположенные последовательно по ходу излучения формирующую оптическую систему, плоский экран, кювету с двумя ячейками, объектив и фотоэлектрический анализатор, состоящий из щели и фотоприемника, подключенный к блоку обработки сигналов, дополнительно введены две непрозрачные полуплоскости, размещенные в ячейках кюветы с возможностью перемещения по ее длине и образующие щели равной ширины в с плоским экраном, а перед кюветой установлена шторка с возможностью попеременного диафрагмирования ячеек.

Ф

На фиг.1 показана схема устройства, вид сбоку; на фиг.2 — то же, вид сверху; на фиг. 3 и 4 — варианты реализации способа.

Устройство содержит последовательно расположенные лазер 1, формирую1144034 щую оптическую систему 2, кювету 3, разделенную непрозрачной диафрагмой на две идентичные ячейки с исследуемой и эталонной средами, плоский экран 4, расположенный эа входным 5 окном кюветы, две полуплоскости 5 и 6, размещенные н ячейках кюветы с возможностью перемещения по ее длине и образующие щели равной кирины с плоским экраном 4, шторку 7, объектив 8, фотоэлектрический анализатор, состоящий иэ колеблющейся щели 9 и фотоприемника 10, соединенного с блоком 11 обработки сигнала.

Лнализатор определяет параметры дифракционной картины 12 (фиг.3 и 4).

Способ осуществляют следующим образом.

Пазерный пучок пропускают через кювету 3, заполненную исследуемой 20 средой, воздействуя на нее щелью шириной Ь, образованной полуплоскостями 5 и б, расположенными в среде и смещенными одна относительно другой вдоль направления распространения света. В фокальной плоскости объектина 8 получают искаженную дифракционHvI0 картину 12. Затем плавно перемещают одну из полуплоскостей щели йараллельно самой себе, добиваясь сов- 30 мещения одного из минимумов дифракционной картины с фиксированной точкой плоскости анализа. При этом расстояние между полуплоскостями составит величину h

Для упрощения вывода формулы для расчета показателя преломления рассмотрим условие только для возникновения первого минимума дифракпии правой части дифракционной картины 4р ,(фиг.2). Согласно теории ФренеляКирхгофа выражение для первого дифракционного минимума имеет нид

Ъ ь )1 cf = Ъ °

Следовательно, разность хода лучей, сходящихся в первом дифракционном минимуме, составляет Я, поэтому

А1 kN-ВЬ= .

1 ирина плоского фроцта волны света 5р для нижней полуплоскости равная, а следовательно, ЭЯ-.л) А ° кй "2M BL= 2 и2М Й -2а

Обозначая угон между направлением 55 распространения зондирующего излучения и направлением из центра щели на первый дифракционный минимум при наличии измеряемой жидкости д, а при ее отсутствии Яо можем записать

Ь4п (f > (b- Иф (f )sin(f = 29 или

2Ь sin (f - ) 1 (цо и и с - 2 .

Так как (gî весьма мал, то 4пс о tfcfо, учитывая, что ", получаем

6 ДЧО п(24 sin Ц-2 Ô1=66in cf, откуда

1п Ч

Я(Ъ.sin ф 2а

В общем случае это выражение имеет вид h. sin 2 Ч

ll= )

2(bsin (f t )) A1 где а = +1; +2; +3...

Знак "+" используется для определения показателя преломления по положению минимумов левой части дифракционной картины, знак "-" для праной. Полученная формула служит для расчета показателя исследуемой среды.

Фиксирование точки в плоскости анализа осуществляется при помощи фотоэлектрического анализатора и в значительной мере упрощает измерение, так как угол р практически постоянен, так же как и ширина щели Ъ

Для вычисления и необходимо только измерить величину h, определяющую эффективную ширину щели, и изменение которои приводит к компенсационному смещению экстремальных точек дифракционной картины в плоскости анализа.

Процесс измерении по другому варианту осуществления способа заключается в том (фиг,4), что щель наклоняют относительно направления распространения света, добиваясь совмещения одного иэ минимумов дифракционной картины с фиксированной точкой плоскости анализа. При этом угол наклона щели составит величину

4.

В этом случае условие для первого. минимума дифракции можно записать в виде

mR - C)1 ps - ВЕ = 2 ;

П1 R = (b 1,$g()). ; („, 1

Сж-(ь-h evl,„.

" (" Val) sin(oL

В lb-1

s

Учитывая, что — =n и = n, I sin 9) &n (Pi получим (25-h(t((ge

f2bn -2Ú À ñ sing,-h nein а+ пЯg sing,— I0

-n bt(X-II и Sing,ÖÝ n(g,e Ö>,1-Sins) - 2Ъ.

Поскольку при нормальном положении щели без вещества условие минимумов записывается в виде 15

2b seng,-Мsin Ql $ 9q =2 I<, то получим а . 2Ъ sin@,-2

2bn -2bgasinq.. д. 1пф +

14 ц, sin I1l, 20

2Ь аЦ 2q ° 2

4, t(g, Sinс(<,-h ° n 4(ot,4$Cf SIn g q

2bsin9,- 2sh

)nsint< (sin(s

Тогда

ns(ва <в y)-а о а) (2Ь-ЪЪК< - о

J(sing e sin Я,)e2bsin Ц< Ьдк » (2 b sin 4< - 2 h 1 (2Б.sing,-2 ъ) .<(sin(««<,i-sin<< )<()i(

Обозначая

4= jstn(g,eg<)-в(пс 1;

6= 2Ъ- Ц. g (воя та,оЦ«

Получим

УстРойство работает следующим образом.

Сформированный оптической системой 2 лазерный пучок посыпают в кювету 3 таким образом, чтобы половина пучка проходила через ячейку с эта- 55 лонной средой с показателем преломления

34 8 экран 4 установлен таким образом, что диафрагмирует половину световых окон обеих ячеек кюветы и образует щели равной ширины с полуплоскостями 5 и 6.

Световой пучок дифрагирует на щелях 4, 5 и 4, 6 с образованием двух дифракционных картин, сформированных объективом 8 в его фокальной плоскости. Перекрывая непрозрачной шторкой

7 ячейку с исследуемой средой, при помощи плавленного перемещения полуплоскости 5 добиваются максимального искажения первой дифракционной кар- тины. Перемещая вдоль фокальной плоскости фотоэлектрический анализатор, устанавливают колеблющуюся щель

9 напротив одного из экстремумов дифракционной картины (наиболее удобного для регистрации), при этом сигнал, снимаемый с фотоприемника, имеет амплитуду первой гармоники, равной.- нулю.

Затем измеряют расстояние между полуплоскостью 5 и плоским экраном

4 (величина h, ). После этого перемещают шторку 7, диафрагмируя ячейку с эталонной средой, и открывают ячейку с исследуемой средой. В плоскости анализа формируется вторая дифракционная картина. Перемещая полуплоскость 6 вдоль кюветы, добиваются совмещения положения экстремумов второй дифракционной картины с положением экстремумов первой дифракционной картины, оценивая величину несовпадения при помощи фотоэлектрического анализа по положению одноименного экстремума второй дифракционной картины относительно щели 9. После этого измеряют расстояние между полуплоскостью 6 и экраном 4 (величина 4g) .

Таким образом получают две идентичные дифракционные картины, для которых условия экстремумов записываются как

2b sing,< =2rn; ;

"610 ЧЪ п

4:sin Ч

:2Ъ<в nqz< =asm S, п, = 3

В обоих выражениях для полученного в процессе измерения случая b, Il °

I ф,=ср ; в;=щ ; A = const, следовательно, ) Ф

A„Ylg

9 114403

Расчетная формула для определения относительного показателя преломле- j ния име,ет Вид 0 1 2 ап-- — -—

Пл 111

Предлагаемые способ и устройство для его реализации отличаются от известных использованием плавной компенсации искажений дифракционной картины, возникающих вследствие влияния показателя преломления исследуемой среды на дифрагирующий световой пучок.

Использование предлагаемого способа и устройства для его реализации дает возможность повысить точность измерений показателя преломления за счет использования щели с раз4 1О несенными полуплоскостями, позволяющей, изменяя ее эффективную ширину, управлять параметрами формируемой дифракционной картины, т.е. искусст- венно создавать ее значительные искажения, облегчающие их регистрацию с малой погрешностью; проводить измерения абсолютного показателя преломления исследуемой среды без сравнения с эталонной; использовать неограниченный диапазон измеряемых прозрачных сред; повысить пространственное разрешение измерений, так как для анализа требуется минимальный объем исследуемого вещества; не предъявлять высоких требований к изготовлению и юстировке большинства элементов схемы, отличающихся простотой конструкции.

Фиг,2

1144034

1144034

Составитель P . .Бочинский

Редактор В. Петраш Техред М.Гергель Корректор С.Шекмар

Заказ 897/36 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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