Устройство для измерения показателя преломления газов

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению показателей преломления газообразных сред. Цель изобретения - повышение точности измерения в условиях интенсивных температурных воздействий. В интерферометр Рождественского, содержащий лазер, блок кювет с рабочей и контрольной кюветами, один интерференционный канал с фотоприемником на выходе, блок управления и блок регистрации, введены два дополнительных интерференционных канала, осуществляющих слежение за изменениями размера кювет. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению показателей преломления газообразных сред, и может быть использовано для контроля газообразных сред в технологических процессах, а также вместе с различными типами лазерных измерителей для контроля воздушной среды в производственных помещениях. Целью изобретения является повышение точности измерения в условиях температурных воздействий. На фиг. 1 приведена оптическая схема устройства; на фиг. 2 - блок кювет, вид сбоку; на фиг. 3 - схема электронной части. Устройство включает лазер 1, блок 2 кювет, содержащий рабочую кювету 3 и жестко скрепленную с ней сравнительную кювету 4, состоящую из двух частей, передней прозрачной герметичной боковой стенки 5 и задней прозрачной герметичной боковой стенки 6, первый патрубок 7, соединяющий внутреннюю полость сравнительной кюветы 4 с вакуумирующим насосом (не показан), второй патрубок 8, соединяющий внутреннюю полость кюветы 3 с внутренней полостью сравнительной кюветы 4 через управляемый вентиль 9 и с объемом исследуемого газа через управляемый вентиль 10. Первый интерференционный канал содержит установленные в его рабочей ветви делительную пластину 11, рабочую кювету 3 блока 2 кювет и первый плоский отражатель 12, установленные в его опорной ветви второй плоский отражатель 13, первый модулятор 14 оптической разности хода, сравнительную кювету 4 блока 2 кювет, делительную пластину 15 и первый фотоприемник 16, а также полупрозрачную пластину 17, установленную между лазером 1 и блоком 2 кювет. Второй интерференционный канал состоит из последовательно установленных делительной пластины 18, делительной пластины 19, закрепленной на внутренней поверхности передней боковой стенки сравнительной кюветы 4 блока 2 кювет, второго модулятора 20 оптической разности хода, расположенного внутри сравнительной кюветы 4 блока 2 кювет, первого вогнутого сферического отражателя 21, закрепленного на внутренней поверхности задней боковой стенки 6 сравнительной кюветы 4 блока 2 кювет и второго фотоприемника 22. Третий интерференционный канал состоит из делительной пластины 23, установленной между делительной пластиной 11 и вторым плоским отражателем 13, делительной пластины 24, закрепленной на внутренней поверхности передней боковой стенки 5 сравнительной кюветы 4 блока 2 кювет, третьего модулятора 25 оптической разности хода, расположенного внутри сравнительной кюветы 4 блока 2 кювет, второго вогнутого сферического отражателя 26, закрепленного на внутренней поверхности задней боковой стенки 6 сравнительной кюветы 4 блока 2 кювет, и третьего фотоприемника 27. Электронная часть состоит из блока 28 управления модуляцией, включающей генератор 29, управляющий первым, вторым и третьим преобразователями поворота 30-32 соответственно, жестко скрепленными с модуляторами 14, 20 и 25, и блока 33 регистрации, включающего три фазометра 34-36, первыми входами подключенных соответственно к выходам фотоприемников 16, 22 и 27, вторыми входами подключенных к выходу генератора 29 блока 28, а выходами соединенных с тремя входами схемы 37 вычислений. Устройство функционирует следующим образом. Высококогенерентный монохроматичный световой пучок лазера 1 делится пластиной 17 на два пучка. При этом прошедший пучок поступает в основной (первый) интерференционный канал, а отраженный - во второй интерференционный канал. Прошедший пучок в первом интерференционном канале повторно делится пластиной 11 на два пучка, поступающих в его рабочую и сравнительную ветви. Пучок в рабочей ветви проходит кювету 3 блока 2 кювет и отражается от плоского отражателя 12 в направлении делительной пластины 15. Пучок сравнительной ветви проходит через делительную пластину 23 третьего интерференционного канала, отражается от плоского отражателя 13, последовательно проходит через модулятор 14 и сравнительную кювету 4 блока 2 кювет и интерферирует на делительной пластине 15 с пучком рабочей ветви с образованием интереференционной картины (в виде колец), регистрируемой фотоприемником 16. Отраженный от делительной пластины 17 световой пучок повторно делится пластиной 18 второго интерференционного канала, которой направляется на делительную пластину 19, расположенную внутри кюветы 4 блока 2 кювет. Световой пучок, прошедший делительную пластину 19, внутри сравнительной кюветы проходит модулятор 20, отражается от вогнутого сферического отражателя 21 и, внутрь пройдя модулятор 20 и пластину 19, интерферирует с отраженным от пластины 19 пучком с образованием интереренционной картины (в виде колец), регистрируемой фотоприемником 22. Отраженный от делительной пластины 23 световой пучок направляется на делительную пластину 24, расположенную внутри сравнительной кюветы 4 блока 2 кювет. Световой пучок, прошедший делительную пластину 24, внутри сравнительной кюветы блока кювет проходит модулятор 25, отражается от вогнутого сферического отражателя 26, повторно проходит модулятор 25 и пластину 24 и интерференцирует с отраженным от пластины 24 пучком с образованием интерфеpенционной картины (в виде колец), регистрируемой фотоприемником 27. Использование модуляторов 14, 20 и 25 в трех интерференционных каналах позволяет реализовать модуляционный принцип регистрации соответствующих изменений порядка интерфеpенции в каждом канале и за счет этого значительно повысить точность регистрации. Модуляторы 14, 20 и 25 являются модуляторами поворотного типа и жестко скрепляются с соответствующими преобразователями 30-32 поворота (как правило, это преобразователи пьезоэлектрического типа) блока 28 правления модуляцией. Управление процессом периодической модуляции осуществляется с помощью генератора 29 блока 28, формирующего периодический электрический сигнал. При этом значения амплитуд интерференционной модуляции для всех трех интерференционных каналов задаются приблизительно одинаковыми. Регистрация изменений порядка интерференции в каждом интерференционном канале осуществляется с помощью соответствующих фазометров 34-36 (электронного блока 33 регистрации), на первые входы которых поступают сигналы фототока с выходов фотоприемников 16, 22 и 27. На другие входы фазометров поступает опорный сигнал (с выхода генератора 29), по отношению к которому регистрируются фазовые сдвиги, отвечающие соответствующим изменениям порядка интерференции в интерференционных каналах. По окончании измерения результаты регистрации измерений порядка интерференции с выходов фазометров 34-36 передаются (в цифровом виде) на три входа схемы 37 блока 33, которая и осуществляет результирующий расчет значения показателя преломления исследуемого газообразного вещества. При необходимости измерения показателя преломления газообразного вещества, окружающего устройства, первоначально вакуумируют рабочую 3 и сравнительную 4 кюветы. Последнее осуществляют посредством перекрывания вентиля 10 (вручную или автоматически) и открывания вентиля 9, в результате чего кюветы 3 и 4 оказываются соединенными через патрубки 7 и 8 с вакуумирующим насосом. После создания в кюветах 3 и 4 глубокого вакуума (10^-2 - 10^-3 мм рт. ст. ) закрывают вентиль 9 и начинают постепенно открывать вентиль 10, в результате чего в кювету 3 начинает поступать исследуемое газообразное вещество. При этом меняется оптический ход пучка в рабочей ветви первого интерференционного канала и фазометр 34 регистрирует соответствующие изменения порядка интерференции. После полного открывания вентиля 10 и выравнивания давлений в объеме исследуемого газа и кювете 3 фазометром 34 регистрируется результирующее значение изменения порядка интерференции ΔN₁, которое поступает в схему 37 вычислений. Второй и третий интерференционные каналы используются для слежения за изменением измерительной базы (размера L кювет 3 и 4) первого интерференционного канала. Изменения размера L кювет 3 и 4 фиксируются с момента начала заполнения кюветы 3 газообразным веществом. При этом, если в силу наличия тех или иных воздействий на блок кювет (например, температурных воздействий) размер кювет на момент окончания регистрации (считывание значения ΔN₁) окажется отличным от L, во втором и третьем каналах будут зафиксированы изменения порядка интерференции ΔN₂ и ΔN₃соответственно. Благодаря тому что делительные пластины 19 и 24 и вогнутые сферические отражатели (второго и третьего интерференционных каналов) жестко связаны с передней и задней боковыми стенками 5 и 6 кювет 3 и 4 все продольные деформации кювет 3 и 4, а также повороты блока кювет на небольшие углы (≅1^о) в процессе заполнения рабочей кюветы 3 исследуемым газообразным веществом будут приводить к регистрации конкретных изменений порядка интерференции во втором и третьем интерференционных каналах, однозначно описывающих характер деформации или поворота. Необходимость использования именно двух интерференционных каналов слежения связана с возможной неидентичностью деформаций кювет в различных сечениях блока 2 кювет. В подобной ситуации результирующее изменение размера кювет 3 и 4 ΔL может быть определено из соотношения ΔL= (1) где λ- длина волны излучения. При одновременном поступлении в схему 37 вычислений трех значений изменений порядка интерференции ΔN₁, ΔN₂ и ΔN₃ появляется возможность прецизионного расчета показателя преломления n исследуемого газообразного вещества (окружающего рефрактометр) по соотношению n= 1+ (2) Использование вогнутых сферических отражателей во втором и третьем интерференционных каналах направлено на выравнивание кривизны волновых фронтов интерферирующих пучков в условиях значительных отличий для длин плеч интерферометра и, в конечном итоге, на повышение точности регистрации изменений порядка интерференции во втором и третьем каналах. Использование третьего и второго интерференционных каналов позволяет осуществлять базы основного (первого) интерференционного канала и вносить необходимые изменения в величину L на момент определения показателя преломления контролируемого вещества. Так, при типичных значениях L 100 мм упомянутые выше изменения L за счет температур могут составлять порядка ΔL ≃ 0,1 мкм. Точность регистрации в интерференционных каналах подобного типа составляет не ниже 0,02 интерференционной полосы ( ≈0,01 мкм), следовательно, приблизительно с такой же точностью будут фиксироваться и изменения ΔL во втором и третьем интерференционных каналах. Таким образом, точность δL определения параметра L составляет не менее δL = 0,1 мкм/100 мм ≃ 10^-7. Погрешность регистрации изменений порядка интерференции ΔN в основном (первом) интерференционном канале может быть реализована порядка (0,5-1,0)˙10^-7. Нестабильность длины волны излучения λ при использовании одночастотного лазера не превышает 10^-8, поэтому результирующая точность измерения составляет 10^-7. Последнее позволит повысить качество контроля газообразных сред в технологических процессах, а также повысить уровень точности измерения лазерных измерителей перемещения (за счет более точного определения показателя преломления воздуха), предназначенных для использования в производственных помещениях. (56) Авторское свидетельство СССР N 1103122, кл. G 01 N 21/45, 1982. Авторское свидетельство СССР N 1275271, кл. G 01 N 21/45, 1985.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ГАЗОВ, содержащее источник излучения, оптически связанный с двумя последовательно установленными полупрозрачными зеркалами, и расположенные последовательно по ходу прошедшего через них излучения рабочую кювету, первый отражатель и третье полупрозрачное зеркало, оптически связанное с первым фотоприемником, второй отражатель и первую секцию сравнительной кюветы, выход которой оптически связан с третьим полупрозрачным зеркалом, установленные по ходу отраженного от второго полупрозрачного зеркала излучения, четвертое полупрозрачное зеркало, оптически связанное с вторым фотоприемником, вторую секцию сравнительной кюветы и третий отражатель, установленные по ходу излучения, отраженного от первого полупрозрачного зеркала, причем рабочая, первая и вторая части сравнительной кюветы ограничены общими для них двумя боковыми прозрачными стенками, а оба фотоприемника электрически соединены с входами электронного блока регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения в условиях воздействия температурных изменений, в устройство введены пятое, шестое и седьмое полупрозрачные зеркала, четвертый сферический отражатель и третий фотоприемник, соединенный с другим входом электронного блока регистрации, пятое полупрозрачное зеркало установлено между вторым полупрозрачным зеркалом и вторым отражателем и оптически связано с третьим фотоприемником, а по ходу отраженного от него излучения установлены шестое полупрозрачное зеркало и четвертый сферический отражатель, седьмое полупрозрачное зеркало расположено между четвертым полупрозрачным зеркалом и третьим отражателем, при этом шестое и седьмое полупрозрачные зеркала закреплены на внутренней стороне первой боковой прозрачной стенки, а третий и четвертый отражатели закреплены на внутренней стороне второй боковой прозрачной стенки сравнительной кюветы, третий отражатель выполнен сферическим, а первое и четвертое полупрозрачные зеркала оптически связаны между собой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3