close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 03614

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 3614
(13)
C1
6
(51) G 01N 21/45
(12)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ
В КАПИЛЛЯРАХ
(21) Номер заявки: a 19980414
(22) 1998.04.25
(46) 2000.12.30
(71) Заявитель: Институт электроники Национальной
академии наук Беларуси (BY)
(72) Автор: Ильин В.Н. (BY)
(73) Патентообладатель: Институт
электроники
Национальной академии наук Беларуси (BY)
(57)
Способ определения показателя преломления жидкостей в капиллярах, заключающийся в том, что освещают капилляр с рабочей жидкостью двумя когерентными пучками света, формируют интерференционную
картину в плоскости изображения с пространственным периодом ε1 и приводят ее в движение, отличающийся тем, что одновременно с первым освещают второй капилляр с эталонной жидкостью второй парой
когерентных пучков, формируют вторую интерференционную картину в плоскости изображения от капилляра с эталонной жидкостью с пространственным периодом ε2≠ε1, приводят ее в движение синхронно с первой,
после чего фиксируют моменты совпадения фаз интерференционных картин, определяют число интерференционных полос между двумя соседними совпадениями фаз, по числу которых судят о величине показателя
преломления рабочей жидкости.
BY 3614 C1
(56)
1. С.М. Чернов, К.К. Жилик, П.Г. Рабзонов. Определение показателя преломления жидкостей и газов в
капиллярах//ЖПС, 1982. - Т. 37, Вып. 3, - С. 445-459.
2. RU 1824545 А1, МПК G01N 21/45, 1993.
3. BY 1134 С1, МПК G01N 21/45, 1996 (прототип).
Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к интерференционным способам
измерения показателя преломления жидкостей в капиллярах в условиях технологических процессов.
BY 3614 C1
Известен способ определения показателя преломления (ПП) жидкостей в капиллярах [1], заключающийся
в том, что освещают капилляр с жидкостью параллельным пучком света, формируют изображение границы
раздела жидкость/стекло, измеряют максимальный угол отклонения пучков, формирующих указанную границу, по величине которого вычисляют показатель преломления исследуемого вещества.
В данном способе не обеспечивается необходимая точность измерения ПП из-за ошибок в определении
параметров капилляра (внешнего и внутреннего диаметров), а также его некоаксиальности и эллиптичности,
которые непосредственно влияют на искомый угол отклонения пучков. Это накладывает исключительно жесткие условия на качество изготовления капилляров. Кроме того, определение максимального угла рассеяния, связанное с фотометрированием края границы света и тени, которое не может быть выполнено с погрешностью лучше, чем 5 %, вносит дополнительные ошибки в результат измерения. Очевидна
нелинейность зависимости угла рассеяния от показателя преломления, что указывает на неодинаковую чувствительность способа для различных значений показателя преломления n.
Известен также способ определения показателя преломления жидкостей в капиллярах [2], заключающийся в том, что освещают капилляр с жидкостью двумя когерентными пучками света, формируют интерференционную картину в плоскости изображения, приводят ее в движение, измеряют изменение значения периода
движущихся интерференционных полос, по которому судят о величине показателя преломления жидкости.
Данный способ не обеспечивает необходимой чувствительности (10-5) к измеряемому параметру, а, следовательно, и необходимой точности контроля ПП, из-за статической ошибки базирования оптического капилляра на измерительной позиции.
Наиболее близким техническим решением является способ определения показателя преломления жидкостей в капиллярах [3], заключающийся в освещении капилляра с жидкостью двумя когерентными пучками
света в прямом направлении, повторном освещении в обратном направлении прошедшими через него интерферирующими пучками, формировании движущейся интерференционной картины в плоскости изображения и определении показателя преломления по величине изменения периода движущихся интерференционных полос.
Данный способ также не обеспечивает необходимой чувствительности (лучше чем 5 х 10-5), а следовательно, и необходимой точности контроля показателя преломления жидкостей из-за неизбежных ошибок базирования оптического капилляра на измерительной позиции при смене контролируемых образцов, а также
из-за статических деформаций волнового фронта пучка, вызванного локальными погрешностями радиуса
капилляра и внутренней структуры стекла.
Техническая задача, которую позволяет решить предлагаемое изобретение - повышение чувствительности способа к изменению измеряемого параметра (показателя преломления) с одновременным повышением
точности контроля за счет обеспечения зондирования исследуемой жидкости двумя системами интерференционных полос с близкими значениями периодов.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе определения показателя преломления
жидкостей в капиллярах, заключающемся в том, что освещают капилляр с рабочей жидкостью двумя когерентными пучками света, формируют интерференционную картину в плоскости изображения с пространственным периодом ε1 и приводят ее в движение, дополнительно одновременно с первым освещают второй
капилляр с эталонной жидкостью второй парой когерентных пучков, формируют вторую интерференционную картину в плоскости изображения от капилляра с эталонной жидкостью с пространственным периодом
ε2≠ε1, приводят ее в движение синхронно с первой, после чего фиксируют моменты совпадения фаз интерференционных картин, определяют число интерференционных полос между двумя соседними совпадениями
фаз, по числу которых судят о величине показателя преломления рабочей жидкости.
Способ осуществляется следующей совокупностью операций.
Два капилляра с рабочей и эталонной жидкостями освещают двумя парами когерентных пучков, лежащих
в одной плоскости и сходящихся друг к другу соответственно под углами интерференции α и β. Формируют
две интерференционные картины соответственно от капилляра с рабочей и капилляра с эталонной жидкостями с пространственным периодом ε1 и ε2, отличающимися на незначительную величину, задаваемую условием нониусного совпадения и дискретностью отсчета дробной части интерференционных полос ∆ε = «ε1ε2 «, где
(1)
ε1=B0λ/2sin(α/2) и ε2=B0λ/2sin(β/2),
B0 - коэффициент увеличения оптического капилляра как цилиндрической линзы; λ - длина волны света.
Далее обе интерференционные картины приводят в движение синхронно друг другу и фиксируют моменты
совпадения фаз или, что то же, моменты появления импульсов нониусного совпадения.
Условие нониусного сопряжения двух интерференционных систем для данного случая запишем следующим образом:
Nn-Ni=1,
(2)
2
BY 3614 C1
где Nn=L0/ε1 и Ni=L0/ε2, которое означает, что на некоторой длине L0 число полос в интерференционных картинах (эталонной Nn и рабочей Ni отличается на единицу и зависит только от разности углов сходимости интерферирующих пучков. Величина L0 определяется по заданной дискретности отсчета ∆ε.
(3)
L0=ε1ε2/∆ε
Используя выражения (1) и (2) можно записать, что
(4)
{[2L0 sin (α/2)]/λ} - {[2L0 sin (β/2)]/λ}=1.
Если известен угол сходимости пучков α, то второй угол β с учетом соотношений α=2arcsin (λ/2ε1);
β=2arcsin (λ/2ε2) и (3) находится из следующего выражения:
(5)
β=2 arcsin [sin (α/2) - λ∆ε/ε1ε2].
Если, например ε1=5мкм, ε2=4,9 мкм ∆ε=0,1мкм, α=7°15', то β=7°24'.
Далее определяют число интерференционных полос ∆2 между двумя моментами совпадения фаз или, что
тоже, между соседними импульсами нониусного совпадения.
Зададимся начальными условиями. Пусть
∆1=N1/(Nn-N1)
(6)
- начальное число интерференционных полос посчитанное между двумя нониусными импульсами, полученными при совпадении текущих фаз и зависящее в отличие от N только от изменения показателя преломления;
Nn=L0/В0ε0 - начальное значение полос в рабочей картине, полученное при установке эталонного капилляра в рабочий канал. С учетом (1) и (2) и то, что в начальном состоянии rn=ri и nn=ni, получим
(7)
∆1=sin(α/2)/[sin(α/2) - sin(β/2)].
Из (7) видно, что начальное число полос между двумя нониусными импульсами не зависит ни от радиуса
капилляра rn, ни от показателя преломления nn, а зависит только от начальной разности углов двух пар интерферирующих пучков.
Для случая, когда значение показателя преломления измеряемой жидкости ni≠nn, число интерференционных полос между двумя импульсами совпадения изменится и будет равно
(8)
∆2=Nn/(Ni-Nn),
где Ni=L0/Biε0 - число интерференционных полос в рабочей диаграмме, Вi - новое значение коэффициента
увеличения капилляра, вызванное изменением показателя преломления жидкости. Подставим в (8) значений
Nn, Ni, тогда после несложных преобразований получим
(9)
∆2=(ni-1) sin(α/2)/{[(ni-(ni/nn)] sin(α/2)-(ni-1) sin(β/2)}.
При автоматическом измерении ПП фотоприемниками считывается целое число полос ∆2, следовательно
искомое значение ПП находится по следующей формуле:
(10)
ni=(∆2+1) sin(α/2)/{(∆2+1) sin(α/2)-∆2[(1-(l/nn)]sin(β/2)}.
При исходных значениях λ=0,6328 мкм, α=40° и числе полос в эталонной диаграмме ∆1=151 разрешающая способность при определении ПП составит ∆n=2x10-5, что соответствует изменению ∆2 на одну интерференционную полосу.
Способ реализован следующим образом.
С помощью оптической схемы (см. фиг.), состоящей из лазера 1, коллиматора 2, светоделителя 3 и четырех зеркал 4, 5, 6 и 7 формируются три пучка S0, Sn и Si. Пара пучков S0 Sn сходится под углом α друг к другу
на капилляре ОКn с эталонной жидкостью и формирует измерительную зону эталонного канала. Вторая пара
пучков S0 Si сходится под углом β друг к другу на капилляре OKi с рабочей жидкостью и формирует измерительную зону рабочего канала. Экран 8 применен с целью исключения попадания посторонних засветок в
схему формирования пучков. В измерительных зонах пучки интерферируют с образованием интерференционных картин, имеющих пространственный период согласно формулы (1).
На первом этапе процесса измерения в обе измерительные зоны помещается один капилляр с эталонным
значением ПП жидкости. За капилляром, работающем как цилиндрическая линза, формируются две увеличенные интерференционные картины Jn и Ji, которые посредством зеркального сканатора 9, вращающегося
со скоростью ω, проецируются в плоскость регистрации, где размещены фотоприемники 10...13. Основная
цель первого этапа - установить целое число полос ∆1 путем юстировки второго угла β при α=const (например, 40°). Это достигается при непрерывном сканировании интерференционных картин относительно неподвижных фотоприемников (частота вращения зеркального сканатора ω=24/мин). При этом число полос непрерывно высвечивается на индикаторе (на фиг. не показан). Оператор путем юстировочных подвижек
зеркала 7 добивается чтобы ∆1 было равно заданному значению, например для указанного выше случая,
∆1=151. Чем больше ∆1, тем выше чувствительность устройства.
После этого на втором этапе капилляр с эталонной жидкостью помещают только в измерительную зону
эталонного канала, а в измерительную зону рабочего канала помещают исследуемый образец, включают
сканатор 9 и осуществляют собственно измерения с вычислением ni по (10).
3
BY 3614 C1
Фотоприемники 11 и 13, установленные на одной линии с основными, но со смещением вдоль полос, регистрируют те же интерференционные полосы. Наличие сдвига фаз между фотоэлектрическими импульсами
основного (10 или 12) и дополнительного (11 или 13) фотоприемниками говорит о наличии погрешности базирования какого-либо из капилляров. Путем юстировки капилляра на измерительной позиции добиваются,
чтобы сдвиг фаз стал равен нулю в обоих каналах. В принципе допускаются небольшие наклоны полос в
обеих картинах, если они по абсолютной величине не превышают дискретности отсчета фазовой схемы и
имеют угол наклона полос одного знака.
Основные принципы метода были апробированы на действующей установке автоматического управления
формообразованием волоконно-оптических элементов (ДБТ 3253.00.00.000ТО Институт электроники АНБ
или статья: Буров Ю.Г., Ильин В.Н. Метод обработки измерительной информации при автоматической вытяжке одножильных световодов // Измерительная техника. № 3. 1993. С. 22-24].). В устройство входили лазер ЛГН-302, коллиматор 6х, светоделитель с коэффициентом пропускания 30 %, зеркала с внешним покрытием, двигатель Д-32 с редуктором и угловой скоростью вращения 24об/с, ФД-256 и блок электроники на
базе ПП ЭВМ ЕС 1841. Расстояние от измерительных зон до сканатора и от сканатора до плоскости регистрации составляет по 100 мм, т.е. полное расстояние R=200 мм. В измерительной зоне устройства устанавливались капилляры с рабочей и эталонными жидкостями, которые зондировались двумя интерференционными картинами с близкими значениями пространственных периодов.
Чувствительность ∆n=2х10-5 достигнута при разрешающей способности фазовой схемы (или схемы совпадений) δ=2,0°. При повышении δ до 1,0° и лучше чувствительность устройства к изменению ПП составит
∆n=5х10-6, что соответствует значению ∆1=300 интерференционных полос.
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
137 Кб
Теги
03614, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа