Шахтный интерферометр

СОК,3 СОЕЕТСК 1 Х СО 11 А.И 1 (ГСКИХ РЕСПУЬНИКо ( ) 9 Ь-к 2 001 М 21/л 51)5 О 01 ТТия,1 ЕИЗ ЕНИ ВТОРСКО ДЕТЕЛЬСТВ ственное объединвТ, Лисогорская ые приборы для н М.: Машинострое ч е ГОСУДАРСТВЕН ЫЙ КОМИГО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКПРИ ГКНТ СССР(56) Оптико-электронных исследований. -1986, с,241, 244,(54) ШАХТНЫЙ ИНТЕРФГРОМЕТР (57) Изобретение относится к оптико-электронным измерениям, предназначено для определения концентрации метана и углекислого газа в рудничном воздухе и может быть использовано для измерения уровня загазованности воздуха при экологических исследованиях. Цель изобретения - повышение чувствительности, стабильности и точности измерений. С этой целью в шахт1 5 1с 1) 1 е 1) О.) 1 1) ДОО л1 т с и10 в ) е Д вы кэ.енсируОцэ 1 ц)изма 0 11 мэноме) р 14, закрепленый 1 а орусе и со".д;не 1- 1 ь 111 с 110 осо, цред 1 эзаО 11 Ой дя 3) ЭЛО,101ЭЗОПОй СМ "СИ, ПР 1 ЕМ ЛОМПСЦ- ср)Одля ц)1 зэ 0 Оп)и 1 ески свпзэ 11 э с уепковым отра):эепсм 7, кроме того, .омцесноуО цэя рзма и светодептельн,й эпемет н.цос;дс)е 1 О закреплеы по ) еду опи ескооуча с Одой сороы поосте 1, а угол Овый о) рэжэте ц 7 нецосредс ве 1 О зэкэ.ПЛО 11 с гро 55 ппопэж 1015 с)ороц, пс)1 )с)ей, Ис)очик 1 эученя выполен лазерым, С)еОделительный элезег выголнев виде призмы Кестерса, 1 э, ц. ф-лы, 2 ил,5 Изобре) еие относится к Оптико-ццтерф;)ецц,л з.ерецл, э именно дпя Оределения коцентрэции мегаэ и угпеислого газа в г)удц 1 Ол воздухе, 1 может быль использо)эО для изле)ецч уровя зээзоланности воздуха ц;и экопоических цс( вдова 15 хИзвес) е 1 нт е)+е роле гр ИТР 1, состояций из установленых цоспедоваельно и Оптически связэных источика света, коллматора, диафрагмы, обьектива, диафраг,1 с двумя щелями, двойной кОгзеты, омещенных в термокамеру и две цласины ко.цеСэ) Орэ, выходы которых через обьек)1 в и цилиндры имеот окуляр, глазной окуляр связаы с сыходом устройства,Основыл 1 едостэтком ип ерферометра ИТР - 1 является то, чо угол выхода интерферируощ х лу ей доволыо больц)ой, а величина применяемой щели для получения удовлетворительного контраста выбрана в 3-4 раза меныпе критических размеров, Поэтому наблодаемэя интсрферециоцная картина имее очснь низкуо яркость полос.8 качестве цроотица выбран шэхтньй итерферометр ШИ, выполненный по схеме Жамена.Известен шлх) цый интерферометр ШИ, содержэщий установпеные цоследовэтелыо и оптически связанные источник излучения, свеоделительный элемент, кам ру, вПопвуО в сиде двух герметичных полог ей разного объема, рэзмещеПых ода в другой дпя эталонной и исследуемой азовых смесей соответстее 11 о, уголкопй отражатель, поворотное зсркэло и измертельуо систему.Недостатками итерфероме) ра ШИяпляегся низкая увсстельость, стабильность и точность и" мерения ввиду потери в сцгическцх деталях части световой эерин, 1 ацример, в дэфралЭк, на рэццэх раздсла дизлектри вских сред го",дух-стек- ЛО и С)СКПО-ВОЗДУКО.эх ЭЭОВК КЭЛЕР) прц 8-кратном их пересе внии прц прохождени 1 излеритеьцого и опорного лучей че- РОЗ ЭЛЕМЕНТЫ ОЦИЛПСКОй СХЕЮ,10 20 25 30 35 40 45 Ширина полос равного наклона в прототце зависит от угла наклона светоделительной гпасэиньГод действием вибрации и температуры происходит изменение цространсвенной О)изтаии толстой светоделцельной пластины и как седс) вие изменяется разность хода. Поэтому в нтерферометрэх Жамена расстояние между лучами Ограничено. Значительное уменьшеие интенсивностей выходных потоков затрудняет считывание результатов измерений и приводит к ошибкам, температурная деформация светоделителыой пластины и окон газовых камер влечет эа собой дрейф нуля прибора,Целью изобретения является повышение чувствительности, вибростойкости, стабильности, точности измерений и уменьшение температурной зависимости.Поставленная цель достигается тем, что шахтный интсрферометр содержащий установленные последовательно и оптически связанные источник излучения, светоделительный элемент, калеру, выполненную в виде двух герметичных полостей разного обьема, размещенных одна в другой для эталонной и исследуемой газовых смесей соответственно, уголковый отражатель. поворотное зеркало и измерительную систему, камера снабжена компенсирующей призмой и манометром, приче 4 компенсирующая призма оптически связаа с уголковым отражаелем, светоделитель и компснсируощая призма закреглены с одного торца камеры по ходу излучения, а уголковый отражатель закреплен с другого торца камеры, при этом манометр закреплен на камере и соединен с полостью для эалонной газовой смеси,Кроме того, светоделитель выполи зн в виде призмы Кестерса.На фиг. 1 представлена оптическая схема предлагаемого шахтного интерферометра; ца фиг 2 - схема шэх 1 ого инте)фероле) ра, изометрия.Интерферометр содержит установленные последователь 10 и Оптически связанг. г 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ныо сточник злу е я, состолщй из лазера 1 и конденсатора 2, голодное поворотное зеркало 3, светоделгг льны элемент 4, камеру, выполненуо 3 двух гг. рметчнь х полостей разного обьемд, размещенных одна в другой, полость 5, предназначенную для эталонной газовой смеси, и полость 6 для исследуемой газовой смеси, уголковый отражатель 7, колпенсрующую призму 8, поворотное зеркало 9 и измерительную систему, состоящую из обьектива 10 и окуляра 11, фотоприемное устройство 12 и вычислительное устройство 13, причем компенсирующая призма 8 опть чески связана с уголковым отражателем 1, светоделитель 4 и компенсирующая призма 8 закреплены с одного торца камеры по ходу излучения, а уголковый отражатель 7 закреплен с другого торца камеры. при этом манометр 14 закреплен на камере и соединен с полостью 5, предназначенной для эталонной газовой смеси. кроме того. светоделительный элемент 4 выполнен в виде призмы Кестерса.Элементы оптической схемы (фиг. 2) условно смещены вдоль вертикальной оси рисунка для наглядной демонстрации хода лучей в предлагаемом устройстве.Интерферометр работает следующим образом,Источник излучения формирует пучок света с помощью лазера 1 и конденсатора 2 и после отражения на входном поворотном зеркале 3 попадает на вход призмы Кестерса 4. В этой призме происходит разделение светового пучка на два потока, параллельно выходящих из призмы Кестерса 4. Один луч с выхода призмы Кестерса 4 проходит только в полости. заполненной эталонной газовой смесью 5. а другой луч - только в полости, заполненной исследуемой газовой смесью б, Обд луча, пройдя соответственно камеры 5 и б, отразившись от уголкового отражателя 7, далее снова через камеры 5 и б поступают нд компенсирующую призму 8, После отражения от компенсирующей призмы 8 оба луча снова проходят камеры 5 и б и, отраэившсь от уголкового отражателя 1, через камеры 5 6 поступают после отрджения от боковых граней призмы Кестерса 4 на ее светоделительную грань, где и происходит интерференция лучей, Затем интерференционный сигнал через поворотное зеркало 9, обьективол 10 и окуляром 11 фокусируется на фотоприемное устройство 12 и далее на вычислительное устройство 13, где осуществляется визуально счет интерференционных полос.Конструктивно камеры представляют собой объемы, например в цилиндр без дна полест ить стдкд без днд, одндкодс со ты, Эи обьемы закрепляются, напригр путем склеиваня с уголковьм оч ража;е:е 7 с одной сторонч и прэлой Кесчерсд 4 ко хпенс,рующей призмой 8 (ВР) с дру. гой стороны (фиг, 1). Образовавшиеся полости 5 и 6 снабжены входными и выходными каналами с вентилями для связи с атмосферой. В олости 5, заполненной эталонной газовой смесью, имеется отверстие для присоединения тройнка с манометром 14 на выходе, Свободный конец тройника с вентилем предназначен для впуска с полость 5 эталонной газовой смеси. Для уравновешивания температуры газовых смесей в полостях 5 и 6 полость с эталонной газовой смесью является наружной. При этом расположении камер 5 и б эталонная газовая смесь лучше прогревается окружающим устройство атмосферным воздухом. Закачиваемая в кд леру б исследуемая газовая слесь имеет температуру, близкую температуре эталонной газовой смеси.Таким образом, если учитывать изменене давления в герметичной камере 5 с эталонной газовой смесью, то результаты проводилых измерений предлагаемым устройством зависят только от качества газового состава исследуемого атмосферного воздуха, Температурное повышение давления в ограниченном объеме может приводить к значительным погрешностям в определении качественных и количественных характеристик газового состава исследуемого воздуха. Для учета изменений давления в камере 5 в процессе измерений в предлагаемом устройстве применен манометр 14. При использовании баллона со сжатым воздухом без примесей СО 2 и метана для первоначального запуска через редуктор в кал;еры 5 и 6 с эталонной и исследуемой газовыми смесями при одновременном сбросе счетчика прибора в исходное положение можно проводить автономную калибровку прибора, При такой автономной калибровке отпадает необходимость перед повторным измерением каждый рдз поднилаться на поверхность для забора в камеры чистого атмосферного воздуха,Отсутствие окон в камерах 5 и 6 уменьшает потери излучения по срдвнени,о с прототипом на величину, равню восылкратным потерям на границах раздела газовая смесь - стекло и атмосферой Клотерь = 5%х 8.= 40% в каждои камер, Лучи света проходят по каждой из камер 4 разд (фиг, 2). Это дает возможность повысить чувствительность измерений в 2 раза по сравнению с прочотпом, Оптическая схема предлагаемого прибора постро 1703994сна так, что изменения геглст рических раэлеров вниду тсмгсратурих деформаций. и ри водя щ 1 х к наклонам угол к оного отражателяя, персис;цснис со вдоль продольной оси прибора и сдвигом н плоскости, перпендикулярной продольной оси прибора, не влияет иа результаты измерения, Компенсирующая призма В выполняет фуикцио зеркала, но отражение происходит со с мещеиием в плоскости, перпендикулярной продольной оси прибора на величину гИт 1 ГЗ, где Ь - высота призмы ВР - 180,Таки 4 пространственным разделением входящих и выходящих о призме 8 лучей устраняс 1 ся обратная связь элел 1 еитов оп 1 нчсской схемы с входом лазера 1 и пооыонется точность измерения прибора за счет иовышсиил однозначности определения длины волны лазера, При этом повышается лс трастиость интерференционной картины, а следовательно, и точность определения фазы интерференционного сигнала, очность счета толос интерференции, Причем в предлагаемом приборе на фотоприемноее устройство 12 поступает световой сигнал в виде пятна с распределениелт интенсивности по закону Гаусса. а ие полосоой итерферснционный сигнал, что орсделяется выбором источника излучеия, который очень сложно преобразовать о электрический си нал иэ- за конечности мимальиых размеров фотоприемника,В результате температурных деформаций вызываемых местными нагревами оптических элементов может происходить разворот ориентации полос интерференцисной картины, а это служит дополнительым источгиком погрешности в прототипе. Коструктивное решение оптической схемы н предлагаемом устройстве в значительной лтсрс позволяет устранитьоздсйстнис этоо яолеиил иа результаты излсрсн, Изспеиис пространственной ориентации элсментоо схслы под ноздсйстнисл ннбра ции и температуры н одинаковой мере влияет на ход лучей, проходящих в канале с эталонной и исследуемой гаэооьми олесями, и ие приводит к угловым раэъюстироокам иитсрферирующих лучей о 10 предлагаемом устройстве.Предлагаемое устройство простое всборке и после склейки не требует дополнительных юстировок.Формула изобретения 15 1. Шахтный иитерферометр, содержащий установленные послсдооатсльио и оптически связанные источник излучения, соетоделительиый элемент, камеру, выполненную о виде двух герметичных полостей 20 разного обьема, размещенных одна в другой для эталонной и исследуемой газооых смесей соответственно, уголкооый отражатель, поворотное зеркало и измерительную систему, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с 25 целью повышения чувствительности, стабильности и точности измерений, камера снабжена компенсирующей призмой и манометром, причем компенсирующая призма оптически связана с уголкооым отражате лем, светоделитель и компенсирующаяпризма закреплены с одного торца камеры по ходу излучения, э уголковый отражатель закреплен с другого торца камеры, при этом манометр эакрейлен на камере и соединен 35 с полостью для эталонной газовой смеси.2. Интерферометр по п.1, отл ичающ и й с я тем, что, с целью уменьшения температурной зависимости и повышения вибростойкости, светоделитель выполнен в 40 виде призмы Кестерсэ.Заказ 55 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб,. 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101