Способ измерения показателя преломления конденсированных сред

 

Сущность изобретения: одновременно регистрируют положения двух светоконтрастных границ, возникающих как при отражении от исследуемой среды, так и от границы двух частей призмы с показателем преломления n₁ и n₂, причем n_и<n<n, где n_и показатель преломления исследуемой среды, при этом соединение двух частей призмы производят так, чтобы их граница оставляла тупой угол относительно базовой плоскости первой призмы, а показатель преломления исследуемой среды n_и вычисляют по формуле n_и= n₁·sin(arcsin n₂/n₁+γ), где γ разность в угловом положении светоконтрастных границ. 3 ил. 1 табл.

Изобретение относится к технической физике, предназначено для измерения показателя преломления n конденсированных сред и может быть использовано в химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Известны способы измерения показателя преломления, основанные на методе предельного угла [1] Эти способы отличают относительно невысокие требования к оптическому качеству исследуемых образцов и простота измерительных схем. В качестве основной части они включают измерение положения светоконтрастной границы для света, отраженного от границы измерительной призмы нарушенного полного внутреннего отражения НПВО с показателем преломления n₁ и исследуемой среды с показателем преломления n₂, причем n₂ < n₁. По угловому положению светоконтрастной границы, характеризуемому углом полного внутреннего отражения Θ_кр по формуле n₂ n₁ ˙sin Θ_кр вычисляется показатель преломления исследуемой среды.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения показателя преломления [2] в котором измерение показателя преломления проводится следующим образом. Измерительную призму рефрактометра, имеющую показатель преломления n₁, приводят в контакт с жидкостью с известным показателем преломления n₂, поверхность контакта освещают сходящимся пучком света, регистрируют угловое положение светоконтрастной границы с помощью угломерного устройства. Так как угловое положение светоконтрастной границы в данном случае известно и составляет Θ_кр=arcsin (n/n₁), по значению Θ_кр проводят калибровку угломерного устройства. Затем в контакт с измерительной призмой приводят исследуемое вещество, аналогичным образом освещают поверхность контакта, регистрируют угловое положение Θ_крсветоконтрастной границы и по значению Θ_кр по формуле n₂ n₁ arcsinΘ_крвычисляют показатель преломления n₂ исследуемой среды.

Недостатком этого способа является необходимость периодических (один-два раза в день при постоянных измерениях) калибровок измерительного устройства с помощью образцовых средств. Кроме того, благодаря изменению температуры окружающей среды, вибрациям и изменению влажности точность измерений может снижаться неконтролируемым образом.

Задачей изобретения является повышение точности и упрощение процедуры измерений.

Для этого в способе измерения показателя преломления конденсированных сред, заключающемся в приведении измерительной призмы рефрактометра в контакт с исследуемой средой, освещение поверхности контакта расходящимся пучком света, регистрации углового положения светоконтрастной границы, образованной при отражении от границы измерительной призмы с исследуемой средой, и вычислении показателя преломления n_и, дополнительно регистрируют положение светоконтрастной границы, образованной при отражении от границы двух частей измерительной призмы с показателями преломления n₁ и n₂, причем n_и < n₂ < n₁, при этом части призмы соединены так, что их граница составляет тупой угол относительно базовой плоскости первой по ходу освещающего пучка части призмы, а показатель преломления вычисляют по формуле n_и n₁ sin (arc sin n₂/n₁ +γ ) (1) где γ- разность в угловом положении светоконтрастных границ.

На фиг.1 представлена возможная схема реализации предлагаемого способа; на фиг.2 ход лучей в измерительной призме; на фиг.3 схема рефрактометра, работающего по предлагаемому способу.

Расходящийся пучок света, имеющий показатель преломления n₁ от источника 1 проходит через часть 2 измерительной призмы, и падает на границу с исследуемой средой 3 с показателем преломления n_и. После отражения от этой границы свет падает на границу со второй частью 4 измерительной призмы, имеющей показатель преломления n₂, причем n_и < n₁< n₂. Отраженный от этой границы свет через оптическую систему 5 направляется на регистрирующее устройство 6.

Освещение границы измерительной призмы с исследуемой средой производится таким образом, что критический угол Θ_кр¹, соответствующий это границе и равный Θ_кр¹ arc sin n_и/n₁, находится внутри апертуры падающего излучения А. Таким образом, внутри этой апертуры образуется первая светоконтрастная граница, соответствующая углу Θ_кр¹, отмеченная на чертеже штриховкой. Затем световой пучок падает на границу раздела двух частей призмы и отражается от нее. При этом показатель преломления двух частей призмы и угол наклона β измерительной плоскости части 2 призмы и плоскости контакта частей 2 и 4 призмы выбираются таким образом, чтобы критический угол падения для этой границы Θ_кр'' также находился внутри апертуры падающего излучения. Благодаря этому образуется вторая, опорная светоконтрастная граница, положение которой определяется величинами n₁, n₂ и β и известно исследователю. Таким образом, апертура регистрируемого излучения будет ограничена двумя светоконтрастными границами, положение одной из которых известно и может служить началом отсчета, и второй, положение которой определяется значением показателя преломления исследуемого вещества. По разности угловых положений светоконтрастных границ γ по формуле (1) вычисляется показатель преломления исследуемой среды.

Для обеспечения рационального положения опорной светоконтрастной границы на краю апертуры используемого излучения (что позволяет использовать в максимальной степени апертуру излучения для регистрации положения подвижной светоконтрастной границы, формируемой отражением на границе призмы с исследуемым веществом) необходимо провести расчет значения угла β (см. фиг.2) в зависимости от значений А и n_и.

Пусть апертура А источника позволяет охватить диапазон значений показателей преломления исследуемой среды от n'_и до n''_и т.е. Aarcsin arcsin . Пусть n_и (n''_и n_и)/2. Наиболее благоприятной для измерения будет ситуация, когда используется весь диапазон углов в апертуре А. Для этого опорная светоконтрастная граница, формируемая при отражении на границе двух частей призмы, должна находиться вблизи угла Θ_э=arcsin.

Расчет положения опорной светоконтрастной границы.

Пусть угол падения света на исследуемую среду Θ_i, тогда на фиг.2 видно γ= Θ_i; α= 90 β ρ= γ-α Θ_i 90 + β (2) Угол отражения от границы двух частей призмы Θ_ф 90 ρ= 180 Θ_i -β (3) и, следовательно, угол между I и II частями призмы β= π- Θ_ф Θ_i, так как максимальное значение Θ_i Q_{i max}=arcsin, а значение угла полного внутреннего отражения для границы двух частей призмы Θ_ФПВО arc sin n₂/n₁. Следовательно, для угла β получим
β=π-arcsin arcsin.

Способ осуществляется следующим образом.

Свет от источника 1 света ( λ= 589 нм) через диафрагму 7 и конденсатор 8 падает на границу раздела измерительной призмы с исследуемой средой 3 в апертуре углов А 20^о. После отражения от границы с исследуемой средой свет падает на границу со второй частью 4 измерительной призмы. После отражения от границы свет проходит через оптическую систему 5 и падает на регистрирующую систему 6 (линейка ПЭС, 500 элементов разложения). Измерительная призма выполнена из стекла ТК4 (часть 1) с n_е 1,61381, часть 2 из стекла К8 с n_е 1,51829. Угол β= 56^о.

В качестве исследуемой среды был взят раствор едкого натра. Положение первой светоконтрастной границы, отвечающей отражению от исследуемой среды, было зарегистрировано для угла падения Θ_i 56,451^о. Положение второй светоконтрастной границы, отвечающей отражению от границы двух частей призмы, зарегистрировано для угла падения Θ_ф 70,208^о. Таким образом, согласно формулам (1, 2) для показателя преломления исследуемой среды получим n 1,34411.

Средняя квадратичная погрешность определения показателя преломления предложенным методом составляет ±8 ˙10^-5, что вполне удовлетворительно для приборов подобного класса.

В таблице приведены результаты ряда измерений для растворов NaOH различных концентраций.

Как видно из таблицы, предложенный способ обеспечивает большую точность. Кроме того, значительно экономится время измерений (порядка 1-2 ч в день) за счет отказа от периодических проверок прибора.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД, заключающийся в приведении измерительной призмы рефрактометра в контакт с исследуемой средой, освещении поверхности контакта расходящимся пучком света, регистрации углового положения светоконтрастной границы, образованной при отражении пучка света от границы измерительной призмы с исследуемой средой, и выполнении показателя преломления n_и исследуемой среды, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют угловое положение светоконтрастной границы, образованной при отражении от границы двух частей измерительной призмы с показателем преломления соответственно n₁ и n₂, причем n_и<n<n, при этом части призмы соединены так, что их граница составляет тупой угол относительно базовой плоскости первой по ходу освещеающего пучка части призмы, а показатель преломления вычисляют по формуле
n_и=n₁·sin(arcsinn₂(n₁+γ),
где γ разность угловых положений светоконтрастных границ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4