Интерференционный автоматический рефрактометр

СОЮЗ СОВЕТСКИХШИЛ.ПЬИИИиРЕСПУБЛИК А зСЮС 01 и ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ СВИДЕТЕЛЬСТВ ВТОРСН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И (ЛНРЫТИ(46) 15.07.84 Бюл. У 26 (72) В.Н.Гришин и Ю.В.Мищенко (71) Московский ордена Ленина и ордена. Октябрьской Революции энергетический институт(56) 1. Патент США 9 3680963, кл. 356-107, опублик. 1972.2. Авторское свидетельство СССР Мф 741121, кл. С 01 И 21/45, 1980 (прототип) .(54) (57) 1. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫД АВТОМАТИЧЕСКИИ РЕФРАКТОМЕТР, содержащийисточник излучения и расположенныепоследовательно по ходу излучениясветоделительный блок, модулятор соптическим элементом и контрольнуюкювету, внутри которой параллельноее оптической оси установлен подвижный вал с закрепленным на немпервым отражателем, второй отражатель, а также систему фоторегистрации, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены вакуумированная полость и третийотражатель, причем вакуумированнаяполость расположена между светоделительным блоком и контрольной кюветой, свободный конец вала расположен в вакуумированной прости, второй отражатель установлен на торцовой поверхности свободного концавала, третий отражатель установленна валу симметрично первому отражателю относительно оси вала, а оптический элемент модулятора выполненв виде подвижной полупрозрачнойпластины, установленной в вакуумированной полостиперпендикулярно осивала.1103122 10 Известен интерференционный рефрактометр для измерения абсолютных значений показателя преломления газови жидкостей, содержащий источникизлучения, светоделительныи блок,15кювету, одна полость которой заполнена .исследуемым веществом, а другаязаполнена эталонным веществом, первыйотражатель, неподвижно закрепленный20в первой полости кюветы, подвижныивторой отражатель, расположенныйво второй полости кюветы, блок фоторегистрации и блок измерения 1 .Однако такое устройство характе 15ризуется низкой точностью измеренияпоказателя преломления газа и жидкости, что обусловлено низкой точностью измерения величины перемеще -ния подвижного отражателя, а также.изменением физического состояния ЗОэталонного вещества при механическом перемещении подвижного отражателя вследствие изменения объема, занимаемого эталонным веществом,Наиболее близким по технической ;З 5сущности к изобретению является автоматический интерференционный рефрак"тометр, содержащий источник излучения и расположенные последовательнопо ходу излучения светоделительный 40блок, модулятор с оптическим элементом и контрольную кювету, внутрикоторой параллельно ее оптическийоси установлен подвижный вал с закрепленным на нем первым отражателем, второй отражатель, а такжесистему фоторегистрации 2 . Кроме того, в качестве отража телей могут быть применены триппльпризмы, а часть полупрозрачной пластины выполнена отражающей. 2, Рефрактометр по п. 1, о т л и-ч а ю щ и й с я тем, что в качестве отражателей применены трипальИзобретение относится к области измерительной техники,в частности к устройствам для измерения абсолютных значений показателя преломления газообразных и жидких веществ, и может быть использовано для анализа теплофизических параметров газообразных и жидких веществ в широкой области параметров состояния,призмы, а часть полупрозрач-. ной пластины выполнена отражающей. Недостатком этого устройства является невысокая точность, обусловленная способом определения величины перемещения отражателя, который вследствие наличия люфтов механизма и несовпадения моментов срабатывания концевых выключателей приводит к наличию неконтролируемой погрешности, и применяемым методом фоторегистрации, не позволяющим получить абсолютную погрешность измерения сдвигов интерференционных полос меньше 0,25 полосы.Целью изобретения является повышение точности измерений.Для достижения указанной цели в устройство, содержащее источник излучения и расположенные последовательно по ходу излучения светоделительный блок, модулятор с оптическим элементом и контрольную кювету, внутри которой параллельно ее оптической оси установлен подвижный вал с закрепленным на нем первым отражателем, второй отражатель, а также систему фоторегистрации, дополнительно введены вакуумированная полость и третий отражатель, причем вакуумированная полость расположена между светоделительным блоком и контрольной кюветой, свободный конец вала расположен в вакуумированной полости, второй отражатель установлен на торцовой поверхности свободного конца вала, третий отражатель установлен на валу симметрично первому отражателю относительно оси вала, а оптический элемент модулятора выполнен в виде подвижной полупрозрачной пластины, установленной в вакуумированной полости перпендикулярно оси вала,На фиг. 1 показана схема устройства; на фиг. 2 - схема одного из трех блоков системы фоторегистрацни; на фиг. 3 - схема измерительного блока устройства; на фиг. 4 - вариант выполнения устройства.Интерференционный автоматический рефрактометр (фиг. 1) содержит источник излучения 1, светоделительный блок 2, подвижный вал 3, отражатели 4-6, корпус 7, разделенный перегородкой на контрольную кювету и расположенную между ней н светоделительным блоком 2 вакуумированную полость, механизм перемещения 8 вала 3, модулятор 10 с оптическим элементом 9, блок управления 11, блоки 12-14 системы фоторегистрации, измерительный блок 15. Светоделительный блок 2 разделяет луч света от источника излучения 1 на три парал - лельных световых пучка 16-18, Пучки 16 и 18 делятся оптическим элементом соответственно на пучки 19 и 20, 21 и 22, а пучок 17 - на пучки 23 н 24.В качестве отражателей могут быть использованы триппль-призмы 42-44 (фнг. 4).Каждый из блоков 12-14 системы фоторегистрации состоит из фото- преобразователя 25, фильтра 26 и усилителя-формирователя 27 (фиг. 2),Измерительный блок 15 содержит (фиг. 3) схемы 28-30 измерения дробной части интерференционной полосы, генератор опорной частоты 3 1, логические схемы 32-34,регистры памяти 35-37, реверсивные счетчики 38-40 и схему вычисления 41.Устройство работает следующим образом.С4Луч света от источника излучения 1 светоделительным блоком 2 расщепля-: ется на три параллельно распространяющихся световых пучка 16-18 с примерно одинаковыми интенсивностями. Направление распространения пучка 17 совпадает с осью вала 3, два других пучка 16 и 18 распространяются симметрично относительно этой оси. Пучок 17 оптическим элементом 9 делится на два пучка 23 и 24, один из которых (23) в виде отраженного пучка распространяется в обратном направлении, а другой , (24) отражается от отражателя 5 и накладывается на пучок 23, в ре 45 щих блоками 12, 13, и 14 системы Фоторегистрации формируются три ло 50 гические последовательности, поступающне на измерительный блок 15. Задача измерения сдвигов интерференционных картин при этом сводится кизмерению полных фазовых сдвигов меж 55 ду характерным моментом времени в сигнале управления (скажем моментомйересечения нулевого уровня сигналом пилообразного напряжения) ихарактерными моментами времени в сиг 5 10 5 20 25 30 35 40 зультате чего в плоскости приема блока 13 системы фоторегистрации наблюдается интерференционная картина. Аналогичным образом формируются интерференционные картины в плоскостях приема блоков 12 и 14 системы фоторегистрацни, Эти интерференционные картины образованы соответственно пучками 19, 20 и 21 22, причем пучки 19 и 21 отражаются от оптического элемента 9, а пучки 20 и 22 - соответственно от отражателей 4 и 6;В предложенном рефрактометре для измерения сдвигов интерференционных полос применяется так называемый метод временных интервалов, позволяющий регистрировать упомянутые сдвиги с точностью до сотых (и даже тысячных) долей полосы. Предлагаемый метод предполагает использование в рефрактометре интерференционного модулятора и соответствующей системы фоторегистрации, измерения и управления. Роль оптического элемента модулятора, служащего для периодического изменения оптических разностей хода в измерительных и опорных плечах интерферометров, выполняет полупрозрачная пластина, периодически перемещающаяся с помощью преобразователя перемещения модулятора 10. В результате смещения пластины на расстояние Ь Х величина оптической разности хода меняется (в любом из пучков 16, 17, 18) на 4 Ь Х. Управление преобразователем перемещения осуществляется с помощью п.риодического электрического сигнала (например, периодического пилообразного сигнала, поступающего с выхода блока управления 11). При этом в световых сигналах, поступающих на входы, блоков 12, 13 и 14 системыфоторегистрации,присутствуют переменные составляющие синусоидальноготипа. На основании этих составляю(4)налах на выходах блоков 12, 13 и 14 системы фоторегистрации, например моментами переходов напряжения из "0" в "1". С этой целью сигналы с выходов блоков 12, 13 и 14 системы фоторегистрации подаются на первые входы соответствующих схем 28, 29 и 30, служащих для измерения дробной части интерференционной полосы, соответствующейнецелойчасти упомяну того полного фазового сдвига. На вторые входы схем 28, 29 и 30 поступает сигнал с выхода блока управцения 11,. а на третьи входы схем 28, 29 и 30 поступает сигнал с выхо да генератора опорной частоты 31. Каждая из схем 28, 29 и 30 осуществляет периодический (один раз за период развертки) подсчет числа импульсов, поступающих за интервал времени меж ду моментом пересечения нулевого уровня сигналом пилообразного напряжения и первым положительным фронтом в соответствующей логической последовательности, Измеренные текущие 25 значения дробных частей интерференционнойполосы ш, ш 2, и ш, зано" сятся в регистры памяти 35, 36 и 3, а также подаются в логические схемы 32, 33 и 34. Последнее осуществляетсязО с целью определения целых интерференционных полос, С выходов регистров памяти 35, 36.и 37 сигналы поступают на соответствующие входы логических схем 32, 33 и 3 1. Упомянутые схемы производят периодическое сравнение текущих значений ш, ши ш, и предшествовавших значений изме-рений Б11 ш 2( ) и ш 1(1)на ос новании которого дается команда о прибавлении "1", вычитании "1" или сохранении неизменным содержимого счетчиков 38, 39, 40. По окончании эксперимента схема вычисления 44 на основании информации, поступающей 45 со счетчиков 38, 39 и 40 и регистровпамяти 35, 36 и 37, по известному алгоритму осуществит расчет показателя преломления пэИспользование вакуумированной полости и размещение в ней второго отражателя 5, установленного на торцо-. вой части вала 3 (фиг, 1), позволяет проводить эксперимент в один этап. В предложенном рефрактометре55 появляется воз можност ь одновр еменн ого измерения величины расстояния Ь на которое перемещается вал 3, и величины показателя преломления э,Использование третьего отражателя 6, установленного на валу 3 симметрично отражателю 4, оказываетсянеобходимым для устранения влиянияперекосов вала 3 в процессе осевогоперемещения на результат измерения. На практике из-за наличия люфтов в местах прохождения вала 3через стенки контрольной кюветы ииз-за деформаций самого вала 3 могут возникать перекосы вала величиУна которых может составлять до 10 рад(по отношению к оптической оси). Врезультате возникновения перекосовможет оказаться, что расстояние,проходимое отражателем 4, существенно (до нескольких микрон) отличается от расстояния . , проходимогоотражателем 5 ( упомянутые перекосыслабо влияют на изменение положенияторцового отражателя 5, так как онрасполагается на оптической осикюветы) . В результате возникаютзначительные погрешности измерения и точность измерения ухудшается. С введением третьего отражателяпоявляется возможность компенсировать упомянутые рассогласования.Дело в том, что при установке отражателя 6 симметрично отражателю 4 ихдополнительные смещения - 61. одинаковы по величине и противоположныпо знаку,Запишем соотношение для каждогоиз пучков 16, 17, 182 Ьпо 2 Ъ (1) 2(Ь - ьЬ)п= МЪ(3)где Ъ - длина волны света,М,М,М - полные сдвиги интерференционных картин, образованных соответственно составляющими пучков 16, 17,18 (в полосах).Несложные преобразования с соот -ношениями (1), (2) и (3) позволяютполучить формулу для определения п Из приведенных соотношений следует, что введение третьего отражателя 6 позволяет существенно повысить точность измерения, исключив влияние перекосов вала 3, С другой стороны, упомянутый метод временных интерваловпозволяет регистрировать сдвиги .интерференционных картин с точностью не хуже 0,01 полосы. Тогда в соответствии с соотношением (4) можно рассчитать относительную погрешность измерения пв Ьо = е -(5)О,рг О,ое"В Ме М мДля сравнения можно привести соотношение, характеризующее величину относительной погрешности измерения ив устройстве 21:ОД 5 О 25Ь (6) 15119 ММ 2Из сравнения соотношений (5) и (6)следует, что в предлагаемом рефрактометре может быть достигнут уровеньточности измерения существенно больший, чем в известном устройстве.Для произвольного типа отражателя,например для плоского отражателя.требуется осуществлять весьма точнуюначальную настройку для того, чтобы 25отражающие поверхности отражателейбыли установлены строго перпендикулярно направлению распространениясветовых лучей, При этом даже принебольших наклонах отражателей может 30возникнуть ситуация, когда составляющие пучков 16, 17 и 18 не перекрываются или перекрываются лишь частично 1что приводит к резкому ухудшениювидности соответствующих интерферен- З 5ционных картин,Устранить упомянутый недостаток можно путем использования в качестве отражателей триппль-призм 42, 43, 44 (фиг. 4), что позволяет в меньшей степени заботиться о точности отражателей, так как отраженный триппль призмой пучок распространяется в направлении, параллельном падающему пучку. Однако применение триппльпризм приводит к необходимости делать полностью отражающими определенные участки полупрозрачной пластины (фиг. 4). При наличии отражающих участков световой пучок, например 24, отраженный от триппль-призмы 42, испытывает вторичное отражение оптического элемента 9, вторично проходит через триппль-призму, накладывается на составляющую 19, отраженную от оптического элемента 9.Следует отметить, что применение триппль-призм 42-44 позволяет также в два раза повысить чувствительность, а в ряде случаев и точность измерения показателя преломления. Применение предлагаемого устройства позволяет более чем на порядок повысить точность измерения показателя преломпения газообразных и жидких веществ, что в свою очередь повышает качественный уровень проведения теплофизических исследований. Последнее приводит к более широкому применению упомянутых веществ в народном хозяйстве.1103 122 Редактор Н.Шв Заказ 497 Подписноета СССР и д, 4/5 лиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная ВНИИП по 13035, оставитель С. Богинскийехред Л.Иикеш Корректор А,Дзятко Тираж 823, осударственного коми ам изобретений и отк сква, Ж, Раушская