Способ измерения показателя преломления текучей среды

 

Использование: в технике измерений физических велечин для определения показателя преломления и ряда других функционально связанных с показателем преломления параметров жидких и газообразных сред. Сущность изобретения: для измерения показателя преломления текучей среды в исследуемую среду помещают изогнутый участок световода, на выход которого подают оптический сигнал заданной интенсивности, снимают оптический сигнал с выхода световода и преобразуют его интенсивность в электрический сигнал соответствующей амплитуды. В процессе измерения изменяют кривизну изгиба световода, сравнивая при этом амплитуду электрического сигнала с заданной величиной амплитуды порогового электрического сигнала, и в момент их совпадения определяют радиус кривизны световода, по которому судят о величине показателя преломления среды. 2 ил.

Изобретение относится к способам измерений физических величин и может быть использовано для определения показателя преломления и ряда других функционально связанных с показателем преломления параметров жидких и газообразных сред.

В целях реализации малогабаритных быстродействующих рефрактометров применяются способы измерения показателя преломления с помощью волоконных световодов. Известны способы измерения показателя преломления текучей среды с помощью погружаемого в исследуемую среду нерегулярного участка оптического волокна (авт.св. СССР N 1280502, кл. G 01 N 21/41, 1985) или изогнутого участка волоконного световода [1] Указанные способы предполагают подачу на вход волоконного световода оптического сигнала известной интенсивности и определение интенсивности оптического сигнала на выходе световода (после прохождения им нерегулярного или изогнутого участка). О величине показателя преломления среды судят по уровню выходного сигнала, связанному с коэффициентом ослабления энергии на нерегулярном или изогнутом участке волокна, который зависит от искомой величины показателя преломления.

Существенным недостатком указанных способов и устройств для их реализации является ограниченный диапазон измерений, связанный с конкретной величиной нерегулярности или фиксированным значением радиуса кривизны изгиба световода. Кроме того, высокоточное определение показателя преломления по изменяющейся в широких пределах аналоговой величине выходного сигнала требует применения сложной электронной схемы обработки информации.

Наиболее близким к предложенному является способ измерения показателя преломления жидких сред, заключающийся в том, что в исследуемую среду помещают световод с чувствительным элементом в виде конического фокона, находящимся на границе раздела жидкости с окружающей средой, на вход световода подают оптический сигнал, регистрируют оптический сигнал с выхода световода и преобразуют его интенсивность в электрический сигнал, в процессе измерения чувствительный элемент перемещают относительно границы раздела жидкости с окружающей средой, при этом сравнивают амплитуду электрического сигнала с заданной величиной порогового электрического сигнала и в момент их совпадения определяют величину линейного перемещения чувствительного элемента, по которой и судят об искомой величине показателя преломления [2] Устройства, реализующие указанный способ, характеризуются широким диапазоном измерения (в силу изменения параметра чувствительного элемента непосредственно в процессе измерения) и сравнительной простотой электронной схемы обработки информации.

Вместе с тем указанный способ имеет ряд принципиальных недостатков, к которым относятся необходимость поддержания в процессе измерения строго перпендикулярного положения оси фокона относительно границы раздела жидкости с окружающей средой, исключение каких-либо вибраций емкости с исследуемой жидкостью, наличие дополнительных погрешностей, связанных с влиянием на результат измерения эффекта смачивания чувствительного элемента жидкостью, а также технологическая сложность изготовления качественного чувствительного участка световода. Перечисленные недостатки существенным образом ограничивают практическое применение описанного способа, он реализуется в основном в лабораторных условиях.

Задачей настоящего изобретения является реализация способа измерения показателя преломления текучей среды, в котором устранены недостатки способа-прототипа и который обеспечит построение компактных переносных рефрактометров, характеризующихся высокой точностью в широком диапазоне измерений.

Способ измерения показателя преломления текучей среды, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в том, что в исследуемую среду помещают световод с изогнутым участком, на вход которого подают оптический сигнал, регистрируют оптический сигнал с выхода световода, преобразуют его интенсивность в электрический сигнал, в процессе измерения изменяют один из параметров световода, при этом сравнивают амплитуду электрического сигнала с заданной величиной порогового электрического сигнала и в момент их совпадения определяют изменяемый параметр световода, по которому судят о величине показателя преломления, и отличается тем, что в процессе измерения изменяют радиус кривизны изогнутого участка световода.

Необходимый технический результат обеспечивается в заявленном способе за счет контролируемого изменения кривизны изгиба световода непосредственно в процессе измерения и определения искомого показателя преломления по величине текущего радиуса кривизны изгиба световода. Соответствующие признаки заявленного способа позволяют использовать для его реализации стандартные волоконные световоды без проведения их дополнительной технологической обработки и исключают появление погрешностей измерения, связанных с изменением профиля поверхности жидкой среды в процессе измерения (чувствительный изогнутый участок световода полностью погружается в исследуемую среду и не контактирует с границей ее раздела с окружающей средой). Благодаря измерению показателя преломления с помощью изогнутого участка световода фиксированного радиуса кривизны существенно расширяется диапазон измерений при сохранении высокой точности.

На фиг.1 показана функциональная схема устройства, реализующего заявленный способ измерения показателя преломления текучей среды; на фиг.2 один из вариантов конструктивного исполнения устройства.

Способ измерения показателя преломления текучей среды осуществляется следующим образом. В исследуемую среду помещают изогнутый участок световода, на вход которого подают оптический сигнал известной интенсивности I_вх. В процессе измерения осуществляют контролируемое изменение радиуса кривизны изгиба световода R (увеличивают или уменьшают), вследствие чего интенсивность выходного сигнала изменяется в соответствии с выражением I_вых I_вх ˙ k(R, n_ср), где k коэффициент потерь, являющийся функцией радиуса кривизны R изгиба световода и показателя преломления n_ср исследуемой среды. При некотором фиксированном значении n_ср, изменение R приводит к соответствующему изменению интенсивности оптического сигнала, который снимается с выхода световода и преобразуется в электрический сигнал. Амплитуда последнего, таким образом, оказывается пропорциональной текущей величине радиуса кривизны изгиба световода. В момент совпадения амплитуды электрического сигнала с некоторой заранее установленной и поддерживаемой постоянной в процессе измерения величиной порогового электрического сигнала показатель преломления среды определяют по соответствующему этому моменту текущему значению радиуса кривизны R', исходя из приведенного выше соотношения (с учетом параметров световода показателей преломления сердцевины и оболочки волокна и их диаметров).

При изменении измеряемой величины показателя преломления n_ср, достижение амплитудой электрического сигнала того же фиксированного значения амплитуды порогового сигнала происходит при другом радиусе кривизны изгиба R''. Тем самым достигается однозначное определение показателя преломления среды в диапазоне измерений, функционально связанным с допустимыми пределами изменения величины R.

Устройство для осуществления способа содержит (фиг.1) световод 1 с изогнутым участком 2, погружаемым в исследуемую среду 3 с показателем преломления n_ср, источник излучения 4 и фотопреобразователь 5, оптически связанные с соответствующими торцами световода, блок изменения 6 радиуса кривизны изгиба световода, блок сравнения 7, соединенный с выходом фотопреобразователя 5, блок 8 определения величины показателя преломления среды, соединенный с выходом блока 6 изменения радиуса кривизны изгиба световода (последняя связь может быть как механической, так и электрической), а также источник 9 порогового сигнала, подключенный к соответствующему входу блока сравнения. Кроме того, в устройстве может быть также предусмотрена электрическая связь между выходом блока сравнения 7 и входом блока 8 определения величины показателя преломления среды (на фиг.1 показана пунктиром).

В показанном на фиг.2 варианте конструктивного исполнения устройства волоконный световод 1, источник излучения 4 и фотопреобразователь 5 размещены в едином корпусе 10, в котором установлена также колодка 11, выполняющая функцию блока 6 изменения радиуса кривизны изгиба световода, перемещение которой вдоль оси корпуса обеспечивается гайкой 12. Гайка 12, совместно с нанесенной на ней шкалой 13, позволяющей контролировать перемещение колодки 11, связанное с изменением радиуса кривизны изгиба световода, выполняет функцию блока 8 определения величины показателя преломления среды. В корпусе 10 размещен также блок сравнения 7 (не показан), представляющий собой компаратор, обеспечивающий сравнение аналоговых сигналов фотопреобразователя и источника порогового сигнала, со световым индикатором 14 на выходе, выведенным на наружную поверхность корпуса. На фиг.2 показан также съемный защитный кожух 15 с отверстиями для свободного контакта исследуемой среды с изогнутым участком световода, кожух предохраняет световод от механических повреждений в процессе эксплуатации устройства. Источники питания и порогового напряжения (не показаны) могут быть также размещены внутри корпуса 10.

Устройство работает следующим образом. После погружения рабочего конца устройства (с изогнутым участком световода) в исследуемую среду (см. фиг.2) оператор, производящий измерение, вращает гайку 12 относительно корпуса 10 в том или ином направлении, начиная, например, с одного из крайних положений нанесенной на корпусе 10 метки относительно шкалы 13, соответствующих нижнему и верхнему пределам диапазона измерений показателя преломления среды. При этом за счет наличия у гайки 12 двухзаходной внутренней резьбы происходит соответствующее линейное перемещение колодки 11 вдоль оси корпуса 10, что достигается благодаря зацеплению штырьков колодки с резьбой гайки и их скольжению в направляющих пазах корпуса (фиг.2). Перемещение колодки 11 сопровождается соответствующим однозначным изменением радиуса кривизны изгиба погруженного в среду участка световода, поскольку концы скрещивающейся петли световода, связанные с источником излучения и фотопреобразователем, жестко закреплены вне зоны перемещения колодки. Следовательно, текущий радиус кривизны изгиба световода является функцией угла поворота гайки 12: R f (α). Изменение величины R приводит к соответствующему изменению интенсивности выходного оптического сигнала световода I_вых и, следовательно, выходного электрического сигнала фотопреобразователя 6. Момент совпадения последнего сигнала с величиной фиксированного порогового сигнала источника 9 сопровождается срабатыванием блока сравнения 7 и фиксируется оператором по изменению сигнала индикатора 14.

Для любой величины показателя преломления исследуемой среды n_ср в реализуемом диапазоне измерений совпадение сигналов на входе блока сравнения происходит при некотором однозначно связанном с этой величиной радиусе кривизны изгиба световода R, следовательно, при фиксированных уровнях сигналов источников излучения 4 и порогового сигнала 9 имеется однозначная связь между искомым значением n_ср и углом поворота гайки 12: n_ср. f (α). Для любого конкретного вида этого выражения, определяющегося с учетом параметров выбранного световода 2, а также конструкции и размеров механических блоков устройства, шкала 13 может быть оцифрована непосредственно в значениях показателя преломления среды n_ср (см. фиг.2). Таким образом, в момент изменения состояния индикатора 14 оператор, прекратив вращение гайки 12, считывает по положению указателя относительно шкалы искомое значение показателя преломления n_ср.

При использовании связи между блоками 7 и 8 устройства (см. фиг.1) может быть автоматизирован процесс получения и обработки результатов измерения. В случае использования устройства, аналогичного показанному на фиг.2, в состав блока 6 изменения радиуса кривизны изгиба световода вводится датчик угла поворота, механически связанный с гайкой 12 и обеспечивающий преобразование угла поворота гайки в цифровой код. Блок 8 определения величины показателя преломления среды выполняется в данном случае в виде вычислительного блока, на входы которого поступают соответственно электрический кодовый сигнал с выхода блока 6 (выходной сигнал углового датчика) и сигнал с выхода блокa сравнения 7 (компаратора), обеспечивающего вычисление n_ср по значению выходного сигнала углового датчика в момент срабатывания компаратора.

Таким образом, на основе описанного способа измерения показателя преломления текучей среды могут быть реализованы различные варианты малогабаритных рефрактометров и приборов для определения ряда других функционально связанных с показателем преломления параметров сред, отличающиеся широким рабочим диапазоном, удобством применения и сравнительной простотой технической реализации.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ, заключающийся в том, что помещают в исследуемую среду световод с изогнутым участком, на вход которого подают оптический сигнал, регистрируют оптический сигнал с выхода световода, преобразуют его интенсивность в электрический сигнал, в процессе измерения изменяют один из параметров световода, при этом сравнивают амплитуду электрического сигнала с заданной величиной порогового электрического сигнала и в момент их совпадения определяют изменяемый параметр световода, по которому судят о величине показателя преломления, отличающийся тем, что в процессе измерения изменяют радиус кривизны изогнутого участка световода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2