Устройство для измерения показателя преломления отдельных сечений исследуемой среды при нестационарных процессах



Устройство для измерения показателя преломления отдельных сечений исследуемой среды при нестационарных процессах
Устройство для измерения показателя преломления отдельных сечений исследуемой среды при нестационарных процессах
Устройство для измерения показателя преломления отдельных сечений исследуемой среды при нестационарных процессах
Устройство для измерения показателя преломления отдельных сечений исследуемой среды при нестационарных процессах

 


Владельцы патента RU 2548924:

Галиуллин Рафаэль Анварович (RU)

Устройство может быть использовано для исследования быстропротекающих процессов в газах и других прозрачных средах, например в ударных волнах. Устройство содержит источник монохроматического излучения, два прозрачных плоскопараллельных окна, между которыми находится исследуемая среда, нож Фуко, регулируемую по ширине щель, перпендикулярную кромке ножа Фуко, фотоприемник, запоминающее устройство. Угол падения луча света на входное окно больше нуля. Кромка ножа Фуко расположена параллельно направлению движения неоднородности или градиенту изменения показателя преломления. По изменению сигнала фотоприемника судят об изменении оптических свойств исследуемой среды. Регистрируется смещение луча в направлении, перпендикулярном градиенту изменения показателя преломления, в зависимости от показателя преломления среды в сечении. Технический результат - возможность определения показателя преломления исследуемой среды в известном сечении устройства. 3 ил.

 

Изобретение относится к оптическим методам и приборам. В нашем рассмотрении основной измеряемой величиной является интенсивность светового луча, падающего на вход фотоприемника. Измеряемая величина зависит от коэффициента преломления среды, через который проходит луч, и поэтому мы можем определить изменения коэффициента преломления среды.

Мы рассматриваем случай, когда коэффициент преломления среды однороден в плоскости луча (см. рис.1) и меняется со временем. Такая ситуация, в частности, возникает, если фронт ударной волны плоский и параллелен плоскости рисунка 1, в которой лежит луч света.

Для случаев, когда показатель преломления меняется только по одной координате, разработан метод, описанный на стр.35 Книги «Теневые методы» Васильева Л.А. со ссылкой на источник: Ball G.A 5th symposium (internal.) on combustion, 1954. New York, 1955, p.366.

При исследовании нестационарных процессов, в частности в ударных трубах, в которых объект резко меняет свои характеристики, необходимо развернуть процесс во времени, получать количественные данные в течение всего эксперимента. Схема метода с фотоэлектрической регистрацией сигнала описана на стр.61 Книги «Теневые методы» Васильева Л.А. со ссылкой на источник: Васильев Л.А., Галанин А.Г., Ершов И.В. Сунцов Г.Н. Приборы и техника эксперимента, т.V-VII №3, 195 (1964). В методе, описанном в этой статье, показывается, что угол отклонения света в плоских неоднородностях линейно связан с градиентом логарифма показателя преломления газа, и кромка ножа Фуко расположена перпендикулярно направлению движения неоднородности.

В статье «Experimental Investigation of Air Radiation from Behind a Strong Shock Wave» Jomal of Thermophysics and Heat Transfer Vol.16, No. 1 January-March 2002 (p.77-82), описывается устройство для обнаружения положения фронта ударной волны в ударной трубе, однако это устройство позволяет определить положение фронта с точностью не более 1,1 мм и не может дать информацию о тонкой структуре фронта ударной волны.

Задача изобретения - создание устройства для получения электрического сигнала, коррелированного с оптическим показателем преломления сечения исследуемой среды при нестационарных процессах.

Техническим результатом является возможность получения электрического сигнала, коррелированного с показателем преломления исследуемой среды 4, лежащей в плоскости рис.1.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве (рис.1), которой представляет собой источник света 1, два прозрачных плоскопараллельных и параллельных между собой окна 3 и 5, между которыми находится среда 4 с переменным во времени показателем преломления, нож Фуко 7, щель 8, перпендикулярная кромке ножа Фуко, регистратор света 9, запоминающее устройство 10, новым является то, что угол α1 падения луча света на входное окно 3 больше нуля и что кромка ножа Фуко расположено параллельно направлению движения неоднородности.

На рис.1 представлена схема устройства и положение луча света в исходном состоянии.

В исходном состоянии среда слева от окна 3 однородна и имеет коэффициент преломления света n1, окна 3 и 5 однородны, плоскопараллельны и имеют равные коэффициенты преломления света n2, исследуемая среда 4 однородна и имеет коэффициент преломления света n3, среда справа от окна 5 однородна и имеет коэффициент преломления света n1. Входящий монохроматический однородный луч света 2 лежит в плоскости рисунка 1.

При этих условиях для углов падения и углов преломления луча справедливы соотношения

, ,

отсюда следует, что sinα1=sinα4, а следовательно, α14 и поэтому выходящий луч параллелен входящему лучу.

Часть выходящего луча 6 по высоте задерживается ножом Фуко 7, а оставшаяся часть проходит дальше и падает на щель 8, которая ограничивает луч по ширине, затем луч попадает на фотоприемник 9 (например, ФЭУ), далее сигнал запоминается с помощью запоминающего устройства 10 (например, осциллограф). Кромку ножа Фуко обычно устанавливается в положение, при котором нож задерживает половину выходящего луча.

Все углы отклонения можно выразить через параметры устройства и величину угла падения α1:

α 2 = arcsin ( n 1 n 3 sin α 1 ) ) ,

Выходящий луч имеет параллельное смещение в плоскости рис.1 относительно входящего луча. Величина этого смещения зависит от n2, толщины l окон, n3 и расстояния L между внутренними поверхностями окон. Вычислим вклад в это смещение, которое дает среда 4. Отклонение от перпендикуляра к поверхности окна, даваемое средой 4: Δ y 1 = L t g ( α 2 ) Δ y 1 = L t g ( arcsin ( n 1 n 3 sin α 1 ) )

Смещение от перпендикуляра к поверхности окна, даваемое выходным окном:

Δ y 2 = l t g ( α 3 ) Δ y 2 = l t g ( arcsin ( n 1 n 3 sin α 1 ) ) ,

является константой при постоянном α1.

Полное смещение выходящего луча относительно входящего, при условии, что толщина входного и выходного окна равны:

Δ y = Δ y 1 + 2 Δ y 2 Δ y = L t g ( arcsin ( n 1 n 3 sin α 1 ) )

Δ y = L t g ( arcsin ( n 1 n 3 sin α 1 ) ) + 2 l t g ( arcsin ( n 1 n 3 sin α 1 ) ) .

Смещение луча, зависящее от изменения n3, определяется первым слагаемым, второе слагаемое необходимо учитывать при конструировании установки. Таким образом, зависимость смещения луча от n3 определяется выражением:

Δ y = L t g ( arcsin ( n 1 n 3 sin α 1 ) )

На рис.2 показан вид сверху на схему устройства и движение луча света.

На рис.3 показано положение луча при увеличении n3 - коэффициента преломления исследуемой среды 4. В этом случае уменьшился угол α2 отклонения луча в среде 4 и большая часть луча задержалась ножом Фуко.

В общем случае, при смещении луча нож Фуко будет задерживать большую или меньшую часть луча, и таким образом сигнал фотоприемника будет коррелировать с изменением показателя преломления исследуемой среды 4. Изменяя ширину щели, можно регулировать толщину слоя исследуемого вещества, из которого поступает свет в фотоприемник.

Для малых углов α1 имеем: α1≈sinα1≈tgα1,

поэтому

Δ y = L t g ( arcsin ( n 1 n 3 sin α 1 ) ) L α 1 n 1 n 3 .

При изменении n3 от n31 до n32 изменение Δy будет:

Δ y 1 Δ y 2 = L α 1 n 1 n 31 L α 1 n 1 n 32 = L α 1 n 1 ( n 32 n 31 n 31 n 32 ) ,

и если относительное изменение n3 мало, можем записать:

Приведенные выше соотношения показывают, что существует корреляция между сигналом фотоприемника и изменением показателя преломления в среде.

Заявляемое устройство отличается четырьмя отличительными признаками, влияющими на достижение технического результата.

Первый - щель фотоприемника располагается перпендикулярно градиенту показателя преломления исследуемой среды.

Второй - кромка ножа Фуко расположено параллельно градиенту показателя преломления исследуемой среды.

Третий - смещение луча зависит не от градиента показателя преломления, а от показателя преломления исследуемой среды.

Четвертый - устройство очень простое в изготовлении и наладке.

Устройство для измерения показателя преломления отдельных сечений исследуемой среды содержит источник монохроматического излучения, два прозрачных плоскопараллельных окна, между которыми находится исследуемая среда, нож Фуко, регулируемую по ширине щель, перпендикулярную кромке ножа Фуко, фотоприемник, запоминающее устройство, отличающееся тем, что угол падения луча света на входное окно больше нуля и кромка ножа Фуко расположена параллельно направлению движения неоднородности или градиенту изменения показателя преломления.



 

Похожие патенты:

Устройство может быть использовано для контроля формы поверхностей оптических деталей, а также для измерения неоднородностей оптических материалов. Устройство содержит осветитель, конденсор, задающий и анализирующий пространственные фильтры, приемно-регистрирующее устройство.

Изобретение относится к оптическим теневым приборам, осуществляющим анализ теневой картины. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при контроле оптических деталей с вогнутыми эллиптическими поверхностями. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в оптическом приборостроении для контроля формы волновых фронтов и оптических поверхностей .

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при контроле линзовых антенн. .

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при разработке устройств контроля качества оптических деталей и определения фазовых искажений в прозрачных оптических средах.

Изобретение относится к экспериментальным методам исследования нестационарных и быстропротекающих процессов в прозрачных неоднородностях с помощью оптический устройств.

Изобретение относится к области медицины, а именно к клинической лабораторной диагностике, и описывает способ оценки функционального состояния лимфоцита человека.

Изобретение относится к области оптических измерений и предназначено для измерения изменений показателя преломления и двойного лучепреломления, вызванных нелинейными эффектами.

Изобретение относится к области бесконтактного измерения плотности пористого материала с использованием измерения коэффициента преломления материала посредством оптической когерентной томографии.

Изобретение относится к оптике для визуализации фазовых (прозрачных) объектов и может быть использовано при исследовании газовых потоков, контроля качества оптических элементов.

Изобретение относится к контролю качества бетонов, растворов и цементного камня. .

Изобретение относится к области оптических измерений и предназначено для измерения показателя преломления газовых сред. .

Изобретение относится к области сельского хозяйства. .

Изобретение относится к волоконно-оптическим устройствам (сенсорам), предназначенным для анализа состава и концентрации газообразных и жидких веществ, а также тонких слоев молекул, на основе планарных и цилиндрических полых световодов, включая полые микроструктурированные волноводы.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к фотометрии для контроля агрегационной способности частиц коллоидных систем в широких областях техники. .

Изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для исследования оптических неоднородностей в прозрачных средах и получения изображения градиентных объектов.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для систем автоматического измерения концентрации газов. Способ измерения концентрации газов основан на измерении смещения интерференционной картины, которая находится на пути одного из лучей, способных интерферировать. Величина смещения пропорциональна разности между показателями преломления света исследуемой газовой смеси и атмосферного воздуха, включает регистрацию цифровых изображений интерференционных картин с газом и без газа. Из них выделяют сигналы одной и той же строки и формируют по две триады матриц, а затем сравнивают их по каждому пикселю трех RGB цветовых составляющих путем сдвига матрицы, характеризующей интерференционную картину газа на один пиксель влево до совпадения всех триад по цветовым составляющим, при этом фиксируется момент совпадения интенсивности по всем пикселям для всех цветовых составляющих и полученное среднее значение разности (смещения) характеризует концентрацию измеряемого газа. Техническим результатом изобретения является повышение безопасности измерений, возможность осуществления непрерывного автоматизированного контроля и дистанционного снятия результатов измерения, повышение точности, оперативности и достоверности измерений. 3 ил.
Наверх