интерференционный рефрактометр

Формула изобретения

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ РЕФРАКТОМЕТР, состоящий из интерферометра белого света, интерферометра монохроматического света и резервуара с газом под давлением, при этом интерферометр белого света оптически связан с измерительной и первой контрольной кюветами и содержит источник коллимированного белого света, оптически связанный с первым фотоприемником, и блок регистрации положения ахроматической полосы, интерферометр монохроматического света оптически связан с эталонной и второй контрольной кюветами и содержит источник монохроматического излучения, оптически связанный с первой светоделительной пластиной, и установленное по ходу прошедшего первую светоделительную пластину излучения первое зеркало, установленное по ходу излучения, отраженного от первой светоделительной пластины, второе зеркало, вторую светоделительную пластину и второй фотоприемник, выходом соединенный с входом первого блока регистрации изменений порядка интерференции, вход синхронизации которого подключен к выходу блока регистрации положения ахроматической полосы интерферометра белого света, а первая и вторая контрольные кюветы связаны через регулятор давления с резервуаром, отличающийся тем, что интерферометр монохроматического света дополнительно оптически связан с измерительной кюветой и содержит установленные по ходу излучения по обеим сторонам эталонной кюветы третью и четвертую светоделительные пластины, установленные по ходу излучения, отраженного от третьей светоделительной пластины, третье зеркало, пятую светоделительную пластину, расположенные по обеим сторонам от измерительной кюветы, и третий фотоприемник, выходом соединенный с входом второго блока регистрации изменений порядка интерференции, вход синхронизации которого подключен к выходу блока регистрации положения ахроматической полосы интерферометра белого света.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению показателей преломления оптически прозрачных изолированных газообразных сред, и может быть использовано при исследовании характеристик газовых сред в ходе технологических процессов.

Известен интерференционный рефрактометр, состоящий из интерферометра белого света, интерферометра монохроматического света и компенсатора оптической разности хода, выполненного в виде плоскопараллельной стеклянной пластины, при этом интерферометр белого света оптически связан с измерительной кюветой, а интерферометр монохроматического света - с эталонной кюветой [1] . Недостатком известного рефрактометра является его невысокая точность и низкое быстродействие, что не позволяет использовать его для целей производственного контроля.

Наиболее близким к изобретению является интерференционный рефрактометр, состоящий из интерферометра белого света, инерферометра монохроматического света и резервуара с газом под давлением, при этом интерферометр белого света оптически связан с измерительной и первой контрольной кюветами и содержит установленные на его выходе первый фотоприемник и блок регистрации положения ахроматической полосы, интерферомер монохроматического света оптически связан с эталонной и второй контрольной кюветами и содержит источник монохроматического излучения, оптически связанный с первой светоделительной пластиной, и установленное по ходу прошедшего первую светоделительную пластину излучения первое зеркало, установленные по ходу излучения, отраженного от первой светоделительной пластины, второе зеркало, вторую светоделительную пластину и второй фотоприемник, выходом соединенный с входом первого блока регистрации изменений порядка интерференции, вход синхронизации которого подключен к синхровыходу блока регистрации положения ахроматической полосы интерферометра белого света, а первая и вторая контрольные кюветы связаны через регулятор давления с резервуаром [2] .

Недостатком известного рефрактометра является его невысокое быстродействие, связанное со значительной инерционностью регулятора давления, последнее существенно ограничивает функциональные возможности рефрактометра и не позволяет использовать его для целей производственного контроля.

Целью изобретения является повышение быстродействия.

Цель достигается тем, что в интерференционном рефрактометре, состоящем из интерферометра белого света, интерферометра монохроматического света и резервуара с газом под давлением, при этом интерферометр белого света оптически связан с измерительной и первой контрольной кюветами и содержит установленные источник коллимированного белого света, оптически связанный с первым фотоприемником, и блок регистрации положения ахроматической полосы, интерферометр монохроматического света оптически связан с эталонной и второй контрольной кюветами и содержит источник монохроматического излучения, оптически связанный с первой светоделительной пластиной, и установленное по ходу прошедшего первую светоделительную пластину излучения первое зеркало, установленные по ходу излучения, отраженного от первой светоделительной пластины, второе зеркало, вторую светоделительную пластину и второй фотоприемник, выходом соединенный с входом первого блока регистрации изменений порядка интерференции, вход синхронизации которого подключен к выходу блока регистрации положения ахроматической полосы интерферометра белого света, а первая и вторая контрольные кюветы связаны через регулятор давления с резервуаром, интерферометр монохроматического света дополнительно оптически связан с измерительной кюветой и содержит установленные по ходу излучения по обеим сторонам эталонной кюветы третью и четвертую светоделительные пластины, установленные по ходу излучения, отраженного от третьей светоделительной пластины, третье зеркало, пятую светоделительную пластину, расположенные по обеим сторонам от измерительной кюветы, и третий фотоприемник, выходом соединенный с входом второго блока регистрации измерений порядка интерференции, вход синхронизации которого подключен к выходу блока регистрации положения ахроматической полосы интерферометра белого света.

На чертеже показана схема интерференционного рефрактометра.

Рефрактометр содержит интерферометр 1 монохроматического света, состоящий из лазера 2, установленных по ходу излучения в эталонном плече первой и второй светоделительных пластин 3, 4, эталонной кюветы 5, третьей светоделительной пластины 6 и первого зеркала 7, установленных по ходу излучения, отраженного от светоделительной пластины 3, второго зеркала 8, первой контрольной кюветы 9, четвертой светоделительной пластины 10 и первого фотоприемника 11, выходом соединенного с входом первого блока 12 регистрации измерений порядка интерференции (ИПИ).

Кроме того, интерферометр 1 включает установленные по ходу излучения, отраженного от светоделительной пластины 4, третье зеркало 13, измерительную кювету 14, пятую светоделительную пластину 15 и второй фотоприемник 16, выходом соединенный с входом второго блока 17 регистрации ИПИ.

Рефрактометр также содержит интерферометр 18 белого света, состоящий из источника 19 коллимированного белого света, установленных по ходу излучения шестую светоделительную пластину 20, вторую контрольную кювету 21 и четвертое зеркало 22, установленное по ходу излучения, отраженного от светоделительной пластины 20, шестое зеркало 23, измерительную кювету 14, седьмую светоделительную пластину 24 и третий фотоприемник 25, выходом соединенный с входом блока 26 регистрации положения ахроматической полос (АП), синхровыход которого соединен с входами синхронизации блоков 12, 17 интерферометра 1 монохроматического света.

Кроме того, рефрактометр содержит резервуар 27 с газом под давлением, связанный через регулятор 28 давления с контрольными кюветами 9 и 21 и образующий совместно с ними компенсатор оптической разности хода.

Интерференционный рефрактометр работает следующим образом.

Интерферометр 18 используется в качестве следящей системы за положением АП. При этом световой пучок, сформированный источником 19, делится пластиной 20 на два пучка, первый из которых проходит контрольную кювету 21 и отражается от зеркала 22, а второй пучок отражается от зеркала 23, проходит измерительную кювету 14 с контролируемым веществом, пластину 24 и, интерферируя с первым пучком, образует интерференционную картину в белом свете, регистрируют фотоприемником 25. В зависимости от величины показателя преломления газа в кювете 21 АП в интерференционной картине будет занимать то или иное положение. Регистрация положения АП осуществляется с помощью блока 26. Для повышения точности измерения положения АП может быть использован модуляционный принцип регистрации с использованием модулятора различных конструкций.

Интерферометр 1 используется для целей непосредственного измерения компенсирующих воздействий, связанных с изменением показателей преломления газа в кюветах 9, 21. При этом световой пучок лазера 2 делится пластинами 3, 4, далее проходит через эталонную кювету 5, повторно делится пластиной 6 и отражается от зеркала 7. Отраженный от пластины 3 световой пучок повторно отражается от зеркала 8, проходит контрольную кювету 9 и пластину 10 и, интерферируя с отраженным от зеркала 7 пучком, образует первую интерференционную картину в монохроматическом свете, регистрируемую фотоприемником 11. Для регистрации величины ИПИ используется блок 12. В частности, для повышения точности измерения ИПИ в схеме интерферометра может быть реализован модуляционный принцип с использованием модуляционный принцип с использованием модуляторов различных конструкций.

Интерферометр 1 также используется для слежения за изменением показателя преломления контролируемого вещества в ходе технологического процесса. При этом световой пучок, отраженный от пластины 4, отражается повторно от зеркала 13, проходит измерительную кювету 14 и пластину 15 и, интерферируя со световым пучком, отраженным от зеркала пластины 6, образует вторую интерференционную картину монохроматического света, регистрируемую фотоприемником 16 (регистрация ИПИ осуществляется с помощью блока 17).

Измерение показателя преломления исследуемого вещества (до начала технологического процесса) n осуществляется следующим образом. На первом этапе кюветы 5, 9, 14, 21 вакуумируются (этап калибровки) и определяется нулевое положение АП, которое запоминается в средствах памяти блока 26. Далее кювета 14 заполняется исследуемым веществом (подготовка к началу технологического процесса), при этом кюветы 9, 21 продолжают оставаться вакуумированными. В этот момент времени осуществляется регистрация и запоминание исходного значения порядка интерференции (с помощью блока 12). Интерферометр 18 осуществляет слежение за положением АП, однако из-за существенных различий показателей преломления исследуемого вещества и вакуума АП в этот момент времени может располагаться вне поля зрения фотоприемника 25, в результате чего до определенного момента времени система слежения за положением АП остается бездействующей. После заполнения исходным продуктом технологического процесса кюветы 14 приоткрывают регулятор 28, в результате чего контрольное вещество (газ под давлением) начинает поступать небольшими порциями в кюветы 9, 12. Управление регулятором 28 может осуществляться вручную или автоматически. Интерферометр 1 начинает фиксировать ИПИ, вызываемые изменениям показателя преломления контрольного вещества в кювете 9. По мере приближения значения показателя преломления контрольного вещества в кювете 21 к значению показателя преломления исследуемого вещества в кювете 14 в поле зрения фотоприемника 25 появляется АП, которая смещается в направлении ее нулевого положения. При этом интерферометр 1 продолжает фиксировать ИПИ, вызванные непрерывным изменением показателя преломления контрольного вещества в кювете 9 за счет поступления в нее порций контрольного вещества из резервуара 27. Одновременно ИПИ фиксируются фотоприемником 16 и блоком 17, однако зафиксированные результаты в эти моменты времени не носят информативного характера. Далее при совпадении значений показателей преломления исследуемого вещества и вещества в кювете 21 АП перемещается в нулевое положение. При этом блок 26 интерферометра 18 формирует синхросигнал, поступающий на синхровходы блоков 12, 17, блок 17 инициирует обнуление зарегистрированных им значений ИПИ, а блок 12 фиксирует текущее значение порядка интерференции и определяет результирующую величину ИПИ - N, после чего осуществляется расчет исходного значения показателя преломления исследуемого вещества по соотношению:

n = n_к = 1 + N/L, (1) где - длина волны излучения лазера; L - размер кювет 9, 14, 5; n_к - показатель преломления контрольного вещества в момент выравнивания.

Далее при инициировании технологического процесса (например, химической реакции) происходит изменение во времени показателя преломления исследуемого вещества n(t). При этом интерферометр 1 осуществляет регистрацию ИПИ (с помощью фотоприемника 16 и блока 17), связанных с изменениями показателя преломления вещества в кювете 14. При этом в любой момент времени может быть определено текущее значение показателя преломления контролируемого вещества:

n(t) = n_к + N(t) /L, (2) где N(t) - временные изменения ИПИ, регистрируемые фотоприемником 16 и блоком 17 после начала технологического процесса. Подобный подход позволяет осуществлять эффективный контроль за режимами протекания технологических процессов и при необходимости осуществлять его коррекцию. По окончании технологического процесса результирующее значение показателя преломления исследуемого вещества может быть определено либо по соотношению (2), либо путем повторения измерений с помощью интерферометра 18 белого света (т. е. используя соотношение (1)). Отличия в этом случае будут состоять лишь в том, что предварительно потребуется повторно вакуумировать кюветы 9, 21.

Основным недостатком рефрактометра-прототипа является его невысокое быстродействие, что связано прежде всего с инерционностью регулятора давления и с возникающими в результате этого перекомпенсирующими воздействиями. Последнее не позволяет быстро и адекватно отслеживать изменения показателя преломления вещества в ходе технологического процесса и использовать полученную информацию для целей управления в реальном масштабе времени. Усовершенствование интерферометра монохроматического света и оптическая увязка его с кюветой, содержащей контролируемый газ, позволяют практически полностью устранить этот недостаток и оперативно (до 10 раз в секунду) осуществлять измерение показателя преломления, что обеспечивает возможность оптимально и эффективно организовывать технологический процесс. (56) 1. Kimder W. etc. Automatic interferometers with digital readour for refractometric analysis. Applied Optics, 1968, 7, N 2, р. 341-343.

2. Мищенко Ю. В. и Ринкевичюс Б. С. Применение компенсационных рефрактометров для исследования газовых потоков. Лазеры в народном хозяйстве. М. , 1991, МДНТП, с. 87.