Интерференционный способ измерения показателя преломления газа

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ГАЗА, включающий пропускание четырех коллимированных лучей через четыре соответствующие им кюветы интерферометра Рэлея, жестко скрепленные между собой, попарное сведение лучей с формированием двух интерференционных картин, введение в одну из кювет исследуемого газа и изменение параметров его состояния, определение изменения порядка интерференции по изменению взаимного смещения интерференционных картин по окончании изменения параметров состояния газа, по которому судят о показателе преломления газа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, по окончании изменения параметров состояния газа кюветы вращают в двух различных плоскостях, параллельных оптической оси интерферометра, а за изменение порядка интерференции принимают минимальное из полученных при вращении.

Изобретение относится к технической физике, в частности к измерению показателей преломления оптически прозрачных газообразных веществ, и может быть использовано при исследовании физико-химических свойств газообразных веществ.
Целью изобретения является повышение точности измерения показателя преломления газа.
На фиг. 1 представлен ход лучей в кювете интерферометра; на фиг. 2 приведена схема оптической части устройства, реализующего способ; на фиг. 3 - его электронная часть.
Способ осуществляют следующим образом.
Предварительно вакуумируют четыре кюветы интерферометра Рэлея, образующие блок кювет. После этого с помощью источника формируют световой луч, который коллимируют и разделяют на четыре луча с приблизительно равными интенсивностями. Сформированные лучи пропускают через соответствующие кюветы блока кювет, после чего сводят с образованием двух интерференционных картин (от наложения двух пар лучей). При настройке боковые стенки кювет ориентируют приблизительно перпендикулярно оптической оси интерферометра. При наличии вакуума во всех четырех кюветах оптические разности хода для обеих пар лучей оказываются небольшими (обусловливаются тепловыми и механическими деформациями) и приводят к небольшим начальным смещениям интерференционных картин. Эти смещения регистрируются в виде исходных значений порядка интерференции (N_u) и запоминаются. После завершения настройки в одну из кювет интерферометра вводят контролируемое газообразное вещество и начинают последовательно изменять параметры его состояния (давление, температуру), одновременно регистрируя взаимные смещения двух интерференционных картин и соответствующие изменения значений порядка интерференции. Вследствие тепловых и механических деформаций блок кювет в процессе измерения меняет свое угловое положение и к моменту окончания измерений оси его кюветы располагаются под некоторым углом по отношению к оптической оси интерферометра (нарушается условие перпендикулярности лучей стенкам кювет). При этом эффективный размер кювет L_эфф (см. фиг. 1) составляет
L_эфф= L 1+ , (1) где L - длина кюветы;
n_r - показатель преломления газа, и при расчете по соотношению (1) возникает погрешность измерения
n_r - порядка . (2).
Учитывая, что углы смещения на практике могут составлять до 0,5-1^о, точность измерения n_r - в способе-прототипе не может быть лучше 10^-5-10⁶.
Способ предполагает реализацию в процессе измерения такой ситуации, когда на момент регистрации результирующего значения порядка интерференции боковая стенка блока кювет располагается практически перпендикулярно световым лучам, в результате чего погрешность измерения оказывается практически сведенной к "0". Это достигается за счет того, что в способе предполагается по окончании изменений параметров состояния контролируемого вещества искусственно осуществлять поиск такого состояния, когда боковые стенки блока кювет перпендикулярны световым лучам. Следует отметить, что в этом положении реализуется случай минимального значения регистрируемого порядка интерференции. Этот факт может использоваться для успешного отыскания этого положения по окончании изменений параметров состояния. Способ предполагает сканирование блоком кювет в пределах небольшого угла (1-2^о) в плоскости, параллельной оптической оси интерферометра, и одновременный контроль изменений порядка интерференции. В процессе сканирования определяют положение блока кювет, отвечающее минимальному значению порядка интерференции, и устанавливают блок кювет в это положение. В результате этих действий устраняется угловое смещение блока кювет в одной плоскости (в общем случае угловое смещение блока кювет может быть представлено как угловое смещение по отношению к двум фиксированным координатным плоскостям, параллельным оптической оси интерферометра).
Для устранения углового смещения в другой плоскости, параллельной оптической оси интерферометра (и не совпадающей с первой), осуществляется сканирование блоком кювет в пределах небольшого угла (1-2^о) в этой плоскости; при этом осуществляется регистрация минимального значения порядка интерференции N_мин. На практике следует выбирать плоскости сканирования, приблизительно перпендикулярными друг другу. Значение показателя преломления газа определяют по соотношению
n_г= 1+ , (3) где - длина волны излучения.
Таким образом, за счет устранения погрешности, обусловленной угловыми смещениями блока кювет, удается достичь высокой точности. При уменьшении угловых смещений до уровня 4-5' погрешность измерения уменьшается до 10^-9. При этом могут реализовываться потенциально достижимые на сегодняшний день точности измерения показателя преломления газа, которые составляют 10^-8. Следовательно, способ обеспечивает приблизительно на два порядка более высокие точности измерения n_r, чем известный.
На фиг. 2 показана оптическая часть схемы устройства, реализующего способ.
Устройство состоит из последовательно установленных вдоль оптической оси источника 1 излучения, коллимирующей системы 2, состоящей из двух собирающих линз 3 и 4, модулятора 5 оптической разности хода, установленного между линзами 3 и 4, блока 6 кювет, состоящего из трех контрольных кювет 7, 8, 9 и одной измерительной кюветы 10, диафрагм 11 с двумя узкими щелями, собирающей линзы 12, цилиндрической линзы 13 и двух блоков 14 и 15 фоторегистрации. Кюветы 7-10 блока 6 кювет жестко соединены между собой, ориентированы параллельно оптической оси устройства и закреплены в точке 16 (на одном краю блока 6 кювет) с возможностью поворота относительно этой точки. На противоположном конце блока 6 кювет установлены два механизма 17, 18 поворота, механически связанные с блоком 6 кювет и позволяющие осуществлять поворот блока 6 кювет на небольшие углы (1-2^о) во взаимно перпендикулярных плоскостях, параллельных оптической оси устройства. В качестве механизмов 18 и 17 поворота могут использоваться, например, микрометрические винты, приводящиеся в движение шаговыми двигателями.
На фиг. 3 приведена электронная часть схемы предлагаемого устройства, содержащая два блока 14 и 15 фоторегистрации, блок 19 регистрации порядка интерференции, блок 20 управления модулятором, блок 21 вычислений и блок 22 управления механизмами 18 и 17. Выходы блоков 14 и 15 фоторегистрации соединены с двумя входами блока 19, третий вход которого подключен к выходу блока 20 управления модулятором 5, а выход соединен с входом блока 21 вычислений, выход которого соединен с входом блока 22 управления механизмами, два выхода которого соединены с входами механизмов 18 и 17 поворота, а третий выход соединен с входом стробирования блока 21 вычислений.
Устройство работает следующим образом.
Световой луч источника 1 излучения коллимируется системой 2 и разделяется на четыре световых луча, проходящих через кюветы 7-10 блока 6 кювет и дифрагирующих на узких щелях диафрагм 11. Дифрагировавшие световые лучи собираются линзой 12 в ее фокальной плоскости, в результате чего формируются две интерференционные картины, которые проецируются линзой 13 на входы соответствующих блоков 14 и 15 фоторегистрации, преобразующих световые сигналы в электрические. Модулятор 5 модулирует оптическую разность хода четырех световых лучей по периодическому закону, в результате чего на выходах блоков 14 и 15 электрические сигналы носят периодический гармонический характер. Упомянутые гармонические сигналы, разность фаз между которыми пропорциональна взаимному смещению двух интерференционных картин, поступают на два входа блока 19 регистрации порядка интерференции, который по величине фазовых сдвигов между гармоническими сигналами регистрирует текущие значения изменений порядка интерференции. Блок 20 формирует периодический сигнал управления модулятором 5, который поступает на его вход, а также на третий вход блока 19, обеспечивая синхронизацию работы блоков 19 и 20. Текущее значение изменений порядка интерференции определяется один раз на каждом периоде управляющего сигнала блока 20. Зарегистрированные текущие значения изменений порядка интерференции передаются в блок 21 вычислений, где запоминаются (в общем случае блок 21 вычислений может быть выполнен на базе микроЭВМ и выполняет не только функции вычисления, но и функции формирования управляющих команд).
В исходном состоянии (после вакуумирования кювет 7-10) блок 19 регистрирует исходное значение порядка интерференции N_u, которое запоминается в блоке 21. Далее, по мере изменения параметров состояния газа в кювете 10, блок 19 регистрирует изменения порядка интерференции; при этом на момент окончания изменения параметров состояния газа в кювете 10 в блоке 21 оказывается запомненным значение порядка интерференции N_р. Далее блок 21 дает команду блоку 22 управления механизмами на начало сканирования блоком 6 кювет в одной плоскости. Блок 22 формирует соответствующие управляющие сигналы и подает их на вход первого механизма 17. При использовании в качестве механизмов 18 и 17 шаговых двигателей угловой поворот блока 6 кювет может осуществляться дискретно на небольшие углы (2-3'); при этом для каждого i-го дискретного значения угла поворота определяется соответствующее значение N_i изменения порядка интерференции. После завершения первого цикла сканирования в блоке 21 оказываются запомненными М значений N_i(1 i М), соответствующих М положениям блока 6 кювет в процессе сканирования (на практике число М может достигать порядка 50-100). Далее среди полученного множества { N_i} выявляется наименьшее значение, соответствующее некоторому фиксированному положению блока 6 кювет. Затем блок кювет устанавливается в это положение. После установки блока кювет в заданное положение на блок 22 поступает команда на начало второго цикла сканирования. При поступлении этой команды блок 22 формирует управляющие сигналы, поступающие на вход механизма 18 поворота. Механизм 18 полностью аналогичен механизму 17 и осуществляет поворот блока 6 кювет в пределах небольшого угла ( 1^о) в другой плоскости (перпендикулярной первой плоскости). Одновременно в процессе поворота блока 6 кювет блок 19 регистрирует изменения порядка интерференции для каждого положения блока 6 кювет. После завершения сканирования в блоке 21 оказываются запомненными М значений изменений порядков интерференции N_j(1 j М), соответствующих М положениям блока 6 кювет в процессе сканирования. В блоке 21 выявляется минимальное значение изменений порядка интерференции N_мин, которое и используется для последующего расчета n_r по соотношению (3). (56) Авторское свидетельство СССР N 741121, кл. G 01 N 21/45, 1980.
Коломийцев Ю. В. Интерферометры. Л. : Машиностроение, 1976, с. 249.
Изобретение относится к технической физике, в частности к измерению показателей преломления оптически прозрачных газообразных веществ, и может быть использовано при исследовании физико-химических свойств газообразных веществ. Целью изобретения является повышение точности измерения показателя преломления оптически прозрачных газообразных веществ, которое достигается за счет осуществления после вакуумирования кювет, образующих блок кювет, настройки интерферометра, формирования двух интерференционных картин, регистрации исходного значения порядка интерференции, введения в одну из кювет исследуемого вещества, изменения параметров его состояния и одновременной регистрации порядка интерференции, дополнительного сканирования блоком кювет в одной плоскости, определения положения блока кювет, отвечающего наименьшему значению порядка интерференции, установки блока кювет в это положение, сканирования блоком кювет в другой плоскости, выявления наименьшего значения порядка интерференции в процессе сканирования и использования этого значения для расчета показателя преломления газообразного вещества. 3 ил.