Интерференционный рефрактометр

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению показателей преломления оптически прозрачных жидких и газообразных сред, и может быть использовано при исследовании интегральных характеристик потоков и контроля качества продуктов технологических процессов. Целью изобретения является повышение точности измерения показателей преломления. Интерференционный рефрактометр компенсационного типа состоит из двух независимых интерференционных схем. Первая схема интерферометра осуществляет слежение в белом свете за идентичностью показателей преломления исследуемого и контрольного вещества. Вторая схема интерферометра осуществляет регистрацию в монохроматическом свете изменений показателя преломления контрольного вещества по отношению к вакууму. Высокая точность измерений обеспечивается благодаря выполнению конденсатора оптической разности хода первого и второго интерферометра в виде двух кювет, соединенных между собой и через регулятор с резервуаром газообразного вещества под давлением. 6 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению показателей преломления оптически прозрачных изолированных жидких и газообразных сред, и может быть использовано при исследовании интегральных характеристик газовых и жидкостных потоков и контроле качества продуктов технологических процессов. Целью изобретения является повышение точности измерения показателей преломления жидких и газообразных сред. На фиг. 1 приведена оптическая схема интерференционного рефрактометра; на фиг. 2 - оптическая схема источника коллимированного белого света; на фиг. 3 - структурная схема блока регистрации изменений порядка интерференции; на фиг. 4 - структурная схема блока регистрации нулевого положения ахроматической полосы; на фиг. 5 - временные диаграммы работы блока регистрации изменений порядка интерференции; на фиг. 6 - временные диаграммы работы блока регистрации нулевого положения ахроматической полосы. Рефрактометр содержит первый интерферометр 1, состоящий из источника 2 коллимированного белого света, включающего последовательно установленные вдоль оптической оси интерферометра газоразрядную лампу 3, экран 4 с узкой щелью и положительную линзу 5 (см. фиг. 2), установленных в измерительном плече интерферометра первой светоделительной пластинки 6, измерительной кюветы 7 с исследуемым веществом первого зеркала 8, установленных в его опорном плече второго зеркала 9, первого модулятора 10 оптической разности хода, контрольной кюветы 11, второй светоделительной пластинки 12 и первого фотоприемника 13. Рефрактометр содержит также второй интерферометр 14, состоящий из лазера 15, установленных в измерительном плече интерферометра третьей светоделительной пластинки 16, эталонной кюветы 17, третьего зеркала 18, установленных в опорном плече интерферометра четвертого зеркала 19, второго модулятора 20 оптической разности хода, вакуумированной кюветы 21, четвертой светоделительной пластинки 22, второго фотоприемника 23, резервуара 24 с контрольным веществом, соединенного через управляемый вентиль 25 с контрольной кюветой 11 интерферометра 1 и эталонной кюветой 17 интерферометра 14. Рефлектометр содержит также блок 26 регистрации изменений порядка интерференции, структурная схема которого приведена на фиг. 3. Блок 26 состоит из усилителя-формирователя 27, входом подключенного к выходу фотоприемника 23, а выходом соединенного с первым входом фазометра 28, измеряющего дробную часть порядка интерференции. Второй вход фазометра 28 подключен к выходу генератора 29 импульсов, а третий вход подключен к выходу генератора 30 линейно нарастающего сигнала, соединенному также с входом преобразователя 31 поворота, механически связанного с вторым модулятором 20 оптической разности хода. Выход фазометра 28 соединен с входом логической схемы 32, осуществляющей регистрацию целых порядков интерференции. Выходы фазометра 28 и схемы 32 соединены также с двумя информационными входами схемы 33 вычислений, осуществляющей накопление информации об изменениях порядка интерференции и расчет результирующих значений показателя преломления исследуемой среды. Кроме того, рефрактометр содержит блок 34 регистрации нулевого положения ахроматической полосы (см. фиг. 4), блок 34 состоит из аналого-цифрового преобразователя 35 и компаратора 36, входами подключенных к выходу фотоприемника 13 на второй вход компаратора 36 подается напряжение U_о. Выход компаратора 36 соединен с входом формирователя 37 интервала, выход которого соединен с управляющим входом генератора 38 тактирующих импульсов. Управляющий вход формирователя 37 подключен к выходу генератора 39 линейно нарастающего сигнала, соединенного также с выходом входом преобразователя 40 поворота, механически связанного с модулятором 10 оптической разности хода. Выход генератора 38 соединен с тактовыми входами аналого-цифрового преобразователя 35, выход которого соединен с первым входом схемы 41 сравнения и входом схемы 42 памяти, выход которой соединен с вторым входом схемы 41, выход которой соединен с входом прерывания схемы 33 блока 26. Интерференционный рефрактометр работает следующим образом. Интерферометр 1 используется в качестве следящей системы за положением ахроматической полосы. При этом световой пучок, сформированный лампой 3 источника 2 и отколлимированный с помощью экрана 4 и линзы 5, делится пластинкой 6 на два пучка, первый из которых проходит измерительную кювету 7 с исследуемым веществом и отражается от зеркала 8. Второй пучок отражается от зеркала 9, проходит модулятор 10, контрольную кювету 11, пластинку 12 и, интерферируя с первым пучком, образует интерференционную картину в белом свете, регистрируемую фотоприемником 13. В зависимости от величины показателя преломления вещества в контрольной кювете 11 ахроматическая полоса в интерференционной картине будет занимать то или иное положение. Для повышения точности измерения положения ахроматической полосы в опорное плечо интерферометра 1 введен модулятор 10 оптической разности хода, осуществляющий периодические колебания в пределах угла, в результате чего оптическая разность хода в плечах интерферометра 1 испытывает периодические изменения. Интерферометр 14 используется для непосредственного измерения компенсирующих воздействий, связанных с изменением показателя преломления контрольного вещества в кюветах 11 и 17. При этом световой пучок лазера 15 делится пластинкой 16 на два пучка, первый из которых проходит через эталонную кювету 17 и отражается от зеркала 18. Второй пучок отражается от зеркала 19, проходит модулятор 20, вакуумированную кювету 21, пластинку 22 и, интерферируя с первым пучком, образует интерференционную картину в монохроматическом свете, регистрируемую с помощью фотоприемника 23. Для повышения точности регистрации изменений порядка интерференции в интерференционной картине в опорное плечо интерферометра 14 введен модулятор 20 оптической разности хода, осуществляющий периодические колебания в пределах небольшого угла, в результате чего оптическая разность хода в плечах интерферометра меняется по периодическому закону. Регистрация изменений порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света осуществляется с помощью фотоприемника 23 и блока 26. При периодических колебаниях модулятора 20, инициируемых сигналом с генератора 30 (см. фиг. 6, кривая а), управляющего преобразователем 31 пьезоэлектрического типа, сигнал фототока на выходе фотоприемника 23 носит вид прерывистого синусоидального сигнала (кривая б). Сигнал на выходе усилителя-формирователя 27 имеет вид последовательности импульсов (кривая в). Фазометр 28 осуществляет измерение временного интервала между моментом начала сигнала развертки (кривая а) и первым "нулем" сигнала фототока (кривая г). На выходе фазометра формируется цифровой сигнал, несущий информацию о величине указанного временного интервала Δt. Этот цифровой сигнал поступает на первый вход схемы 33 вычислений, а также на вход схемы 32, осуществляющей логический анализ каждых двух последовательных измеренных значений Δ t_i и Δ t_i+1. На основе проведенного сравнения указанных значений логическая схема 32 осуществляет регистрацию целых порядков интерференции. Логический анализ, осуществляемый схемой 32, предусматривает условное разбиение максимально возможного интервала Δ t_макс, соответствующего периоду сигнала фототока Т_сф, на три приблизительно равные зоны и анализ переходов текущих значений Δ t_i из одной зоны в другую. Цифровой сигнал с выхода схемы 32, несущий информацию о значениях целых порядков интерференции, поступает на второй вход схемы 33, которая осуществляет накопление информации о величине текущих изменений порядка интерференции ΔN в виде Δ N = Δ B + δ t/Т_сф, где δ t - изменение временного интервала Δt для начала и конца измерения; Δ В - изменение целых порядков интерференции. Слежение за положением ахроматической полосы в интерференционной картине белого света осуществляется с помощью фотоприемника 13 и блока 34. При периодических колебаниях модулятора 10, инициируемых с помощью генератора 39 (см. фиг. 5, кривая а), управляющего преобразователем 40 пьезоэлектрического типа, сигнал фототока на выходе фотоприемника 13 имеет вид, показанный на фиг. 5 (кривая б). По достижении импульсным сигналом фототока уровня постоянного напряжения U_о срабатывает компаратор 36 (см. фиг. 5, кривая в), в результате чего инициируется начало формирования разрешающего импульса формирователем 37 (см. фиг. 5, кривая г). Величина напряжения U_о выбирается из соотношения U₂ < U_o < U₁, где U₁ и U₂ - первый и второй локальные максимумы сигнала фототока, расположенные симметрично справа и слева от основного максимума (кривая б на фиг. 5). Длительность формируемого на выходе формирователя 37 разрешающего сигнала выбирается равной приблизительно 3-4 периодам сигнала фототока. Поступающий на вход генератора 38 разрешающий сигнал инициирует формирование генератором 38 последовательности тактирующих импульсов (кривая д на фиг. 5), поступающих на тактирующий вход аналого-цифрового преобразователя 35. При поступлении на тактирующий вход импульсов аналого-цифровой преобразователь 35 начинает осуществлять последовательные измерения значений U_j сигнала фототока, которые в цифровом виде поступают на вход схемы 41 сравнения и на вход схемы 42 памяти. Схема 41 осуществляет сравнение абсолютного значения (U_j) с абсолютным значением (U_j-1), определенным на предыдущем такте измерения, выбирает из них наибольшее, после чего это значение запоминается в схеме 42 памяти, откуда и поступает для очередного сравнения. По окончании одного цикла измерений (один период модуляции) в схеме 42 оказывается запомненным максимальное абсолютное значение сигнала фототока U_макс. Этому значению соответствует определенный временной интервал Δt_δ , отсчитываемый от начала сигнала развертки (кривая а на фиг. 5) и заканчивающийся моментом реализации максимального значения /U_макс/ (кривая е на фиг. 5). Этот определенный временной интервал Δt_δ схемой 41 сравнивается с контрольным значением интервала Δt_δ^k, соответствующим нулевому положению ахроматической полосы в интерференционной картине. В случае совпадения или превышения интервалом Δt_δ значения Δt_δ^k схема 41 формирует сигнал прерывания, поступающий на вход схемы 33 вычислений блока 23. Измерение показателя преломления исследуемого вещества n осуществляется следующим образом. Предварительно кюветы 7, 11 и 17 вакуумируются (этап калибровки до начала технологического процесса) и определяется нулевое положение ахроматической полосы с запоминанием соответствующего значения Δt_δ^k в схеме 42 памяти. Далее кювета 7 заполняется исследуемым веществом (в ходе технологического процесса), при этом кюветы 11 и 17 продолжают оставаться вакуумированными. В это время осуществляется регистрация исходного значения дробной части порядка интерференции в интерферометре 14 и запоминание этого значения в схеме 33 вычислений. Интерферометр 1 осуществляет слежение за положением ахроматической полосы, однако из-за больших различий показателей преломления исследуемого вещества и вакуума ахроматическая полоса в это время может располагаться вне поля зрения фотоприемника 13, в результате чего до определенного момента система слежения за положением ахроматической полосы остается бездействующей. По окончании технологического процесса приоткрывается управляемый клапан 25 и контрольное вещество начинает поступать небольшими порциями в кюветы 11 и 17. Управление клапаном 25 может осуществляться вручную или автоматически. При этом интерферометр 14 начинает фиксировать изменения порядка интерференции, вызываемые изменением показателя преломления вещества в кювете 17. По мере приближения значения показателя преломления контрольного вещества в кювете 11 к значению показателя преломления исследуемого вещества в кювете 7 в поле зрения фотоприемника 13 появляется ахроматическая полоса, однако соответствия Δt_δ значению Δt_δ^k еще не наблюдается. При этом интерферометр 14 продолжает фиксировать изменения порядка интерференции, вызванные непрерывным изменением показателя преломления контрольного вещества в кювете 17 за счет постоянного поступления в кювету порций вещества из резервуара 24. Далее при достижении значением показателя преломления исследуемого вещества n в кювете 11 значения показателя преломления исследуемого вещества n_к ахроматическая полоса смещается в нулевое положение и реализуется ситуация, когда измеренное значение Δt_δ соответствует контрольному значению Δt_δ^k. При этом схема 41 блока 34 формирует сигнал прерывания, поступающий на вход схемы 33 блока 26. В результате схема 33 фиксирует текущее значение изменений порядка интерференции Δ N и осуществляет расчет значения показателя преломления исследуемого вещества по соотношению n = n_k = 1 + Δ N ^. λ /L, где λ - длина волны монохроматического света; L₁ - размер кювет 17 и 21; n_k - показатель преломления контрольного вещества. Рефрактометр может также осуществлять слежение за изменениями показателя преломления исследуемого вещества в технологических процессах. Для этого дополнительно должен использоваться вакуумирующий насос (на фиг. 1 не показан), осуществляющий при необходимости откачку части контрольного вещества из кювет 11 и 17 с целью уменьшения показателя преломления контрольного вещества в этих кюветах. При этом измерения текущих значений показателя преломления исследуемого вещества могут осуществляться каждый раз при достижении нулевых положений ахроматической полосы в интерференционной картине белого света. Точность измерения показателей преломления оптически прозрачных изолированных веществ в рефрактометре составляет 2 ˙ 10⁸, что на один-два порядка выше, чем в известном рефрактометре. Это позволяет значительно повысить качество исследований оптически прозрачных жидких и газообразных сред в научных экспериментах, а также качество контроля продуктов сложных технологических процессов. (56) Авторское свидетельство СССР N 958926, кл. G 01 N 21/45, 1982. Automatic interferometers with digital readout for refractometric analysis Applied Optics, 1968, v. 7, N 2, р. 341-343.

Формула изобретения

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ РЕФРАКТОМЕТР, содержащий два интерферометра, первый из которых включает источник коллимированного белого света, оптически связанный с первой светоделительной пластиной и установленными по ходу прошедшего первую светоделительную пластину излучения измерительной кюветой, первым зеркалом, а также установленным по ходу отраженного от первой светоделительной пластины излучения вторым зеркалом, второй светоделительной пластиной, оптически связанной с первым фотоприемником, соединенным выходом с входом блока регистрации нулевого положения ахроматической полосы, а второй интерферометр включает источник монохроматического излучения, оптически связанный с третьей светоделительной пластиной и установленным по ходу прошедшего третью светоделительную пластину излучения третьим зеркалом, а также установленными по ходу излучения, отраженного от третьей светоделительной пластины, четвертым зеркалом, эталонной кюветой, четвертой светоделительной пластиной, оптически связанной с вторым фотоприемником, соединенным выходом с входом блока регистрации изменений порядка интерференции, и компенсатор оптической разности хода первого и второго интерферометров, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, компенсатор оптической разности хода выполнен в виде двух кювет, соединенных между собой и через регулятор давления с резервуаром газообразного вещества под давлением, причем первая кювета расположена между вторым зеркалом и второй светоделительной пластиной первого интерферометра, а вторая кювета расположена между третьей светоделительной пластиной и третьим зеркалом второго интерферометра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6