Устройство для измерения показателя поглощения излучения прозрачной средой

СОЮЗ СОВЕТСНИСОЦИАЛИСТ ИЧЕСНРЕСПУБЛИН 19) Б сссРРЫТИЙ ОБРЕТЕНИ НИ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ДВ ТОРСИ минаторам и рассеивающие коллекторы, установленные вплотную к входным иллюминаторам кювет и имеющие по одному сквозному отверстию, размещенному по ходу излучения, на расстоянии 1/4 диаметра кюветы от ееоси, дополнительно введена сменная апертурная диафрагма коллиматора, а отражающий элемент выполнен в виде экрана, расположенного между приемным объективом и отклоняющим зеркалом под углом 45 к оптической осиоустройства и имеющего отверстие,которое расположено на .одной оптической оси со сквозным отверстием рассеивающих коллекторов, при этом(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯПОКАЗАТЕЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПРОЗРАЧНОЙ СРЕЦОЙ, содержащее измерительныйканал, включающий источник излучения,:расположенные вдоль оптической оси поФходу излучения конденсор, полевуюдиафрагму, коллиматор с апертурнойдиафрагмой, модулятор с приводом,отклоняющее зеркало, сменные цилиндрические измерительную кювету и кюве.ту сравнения, каждая из которых снабжена входным и выходным иллюминаторами, световые диаметры которыхравны диаметрам сменных цилиндрических кювет, а стенки сменных цилиндри"ческих кювет выполнены зеркальными,отражающий элемент, приемный объектив и фотоприемник, о т л и ч а ю -щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, сменные цилиндрические измерительная кюветаи кювета сравнения дополнительносодержат прямоугольные призмы с отражающими катетными гранями, расположенные вплотную гипотенузной граньюк выходным иллюминаторам каждой изкювет, симметрично упомянутым иллю(21 (22 (46 (72 В.В,. Зеленчдрявцев и вани световые диаметры иллюминаторов сменных цилиндрических измерительной кюветы и кюветы сравнения, диаметрысоответствующих сменных апертурныхдиафрагм коллиматора и диаметры сквоз.ных отверстий в рассеивающих коллекторах связаны с длинами кювет сле,дующими соотношениями: 4 ср ср ср Р Р гд Д Аа - диаметры сме турных диафр лиматора; К а - диаметры скв верстий в ра щих коллектоных апе гм колзных от сеиваюах изме ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕ по делАм изов чтений и световые диаметры иллюминаторов, цилиндрических измерительной кюветы и кюветысравнения соответственно;1122897рительной кюветы и кюветы сравнения соответственно; 1, 1 - длина измерительной кюветы и кюветы сравнения соответственноИзобретение относится к построению оптических схем приборов, предназначенных для исследовании оптических характеристик прозрачных сред, в частности для измерения показателя 5 поглощения излучения в пробах водывзятых в исследуемых акваториях.Известен лабораторный измеритель спектрального показателя поглощения "Волна", содержащий источник излучения, коллиматор, систему разводящих зеркал, модулятор. измерительную кювету н кювету сравнения, размещенные в Фотометрическом шаре с отверстиями,соосными с оптической осью при бораи Фотоприемником, установленным под углом к ней 11Недостатком этой схемы является большая абсолютная погрешность измерений показателя поглощения вследствие малой длины кювет, которая ограничена соотношением 104 К где, - длина кюветы;- радиус Фотометрического шара.Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения показателя поглощения излучения прозрачной средой, содержащее измерительный канал, включающий источник излучения, рас положенные вдоль оптической оси по ходу излучения конденсор, полевую диаФрагму, коллиматор с апертурной диаФрагмой, модулятор с приводом, от. .клоняющее зеркало, сменные цилиндри ческие измерительйую кювету и кювету сравнения, каждая иэ которых снабжена входным и выходным иллюминаторами, световые диаметры которых равны диаметрам сменных цилиндрических 40 кювет, а стенки сменных цилиндрических кювет. выполнены зеркальными.Более высокая чувствительность этого устройства для чистых океанских вод определяется значительно большими 45 размерами измерительной кюветы, а следовательно, длиной оптического пути светового потока в среде и, как следствие, большим отношением сигналов 13 с / 11 и на Фотоприемнике характеризующего величину показателя поглощения Я,исследуемой среды в соответствиис выражением 1 Нсй: . -- 1)и с "игде 11 Уи - сигналы с Фотоприемника при установленных в измерительный канал прибора кюветы сравненияи измерительной кюветы соответственно; 11 - Й - разность длин измерительной кюветы и кюветы сравнения 21,Недостатком известного устройства является систематическая погрешность метода измерений, вследствиитого, что теоретически при измерениях показателя поглощения Фотоприемник должен регистрировать не только непоглощенный прямой, но и весьрассеянный средой световой поток.Известное устройство, снабженное кюветами с зеркальными стенками исветосильным коническим световодом,позволяет регистрировать только прямой и рассеянный вперед световой поток. Доля рассеянного потока назадприбором не измеряется, а рассчитывается теоретически по измереннойинцикатриссе рассеяния этол среды,поэтому для получения окончательнойвеличины вносится соответствующаяпоправка. Кроке того, свет; рассеянный в обоих кюветах под одним и темже углом при одинаковых диаметрахкювет претерпевает в измерительнойкювете в П раз больше количествоотражений от зеркальных стенок, чемв кювете сравнения.Вследствие этого при измеренияхпоявляется дополнительная погрешность.Повышение точности измерений можно достичь путем уменьшения систематической погрешности, определяемойрассеянием света "назад и различнымчислом отражений от зеркальныхстенок в кюветах устройства.Целью изобретения является повышение точности измерений,Поставленная цель достигается темчто в устройстве для измерения показателя поглощения излучения прозрачной средой, содержащим измерительныйканал, включающий источник излучения,расположенные вдоль оптической осипо ходу излучения конденсор, полевуюдиафрагму, коллиматор с апертурнойдиафрагмой, модупятор с приводом,отклоняющее зеркало, сменные цилиндрические измерительную кювету н кюветусравнения, каждая из которых снабжена входным и выходным иллюминаторами, световые диаметры которых равныдиаметрам сменных цилиндрических кювет, а стенки сменных цилиндрическихкювет выполнены зеркальными, отражающий элемент, приемный объектив и Фо 25топриемник, сменные цилиндрическиеизмерительная кювета и кювета сравнения дополнительно содержат прямоугольные призмы с отражающими катетнымигранями, расположенные вплотную гипотенузной гранью к выходным иллюминаторам каждой из кювет, симметричноупомянутым иллюминаторам и рассеивающие коллекторы, установленные вплотную к входным иллюминаторам кювет иимеющие по одному сквозному отверстиюЗ 5размещенному по ходу излучения, нарасстоянии 1/4 диаметра кюветы от ееоси, дополнительно введена сменнаяапертурная диафрагма коллиматора, аотражающий элемент выполнен в видеэкрана, расположенного между приемнымобъективом и отклоняющимзеркаломопод углом 45 к оптической оси устройства, и имеющего отверстие, которое расположено на одной оптическойоси со сквозным отверстием рассеивающих коллекторов, при этом световыедиаметры иллюминаторов сменных цилиндрических измерительной кюветыи кюветы сравнения, диаметры 50соответствующих сменных апертурных диафрагм коллиматора идиаметры сквозных отверстийв рассеивающих коллекторах, связанныес длинами кювет следующими соотношениями )Аср сср Зс ср где О Х - диаметры иллюминаторов измерительной кюветы и кюветы сравнения соответ,ственно;кО 3 - диаметры отверстий в рассеивающих коллекторах измерительной кюветы и кюветы сравнения;сц,с - диаметры апертурных диафрагм при установке измерительной кюветы и кюветы сравнения;иь ср- длины кювет,ФНа Фиг.1 изображена оптическаясхема предлагаемого устройства; наФиг.2 - ход лучей в кювете,.Устройство содержит источник света 1 и установленные на оптическойоси конденсор 2, полевую диафрагму 3,расположенную в Фокальной плоскостиколлиматора 4. Сменные апертурныедиафрагмы 5 и 6 устанавливаются вплоскости входного зрачка коллиматора 4. За отклоняющим зеркалом 7,разомещенным под углом 45 к оптическойоси устройства, установлена кюветаизмерительного канала 8 с входным 9и выходным 10 иллюминаторами, иликювета канала сравнения 11, имеющаятакже входной 12 и выходной 3 иллюминаторы (на фиг,1 кювета сравненияпоказана пунктиром). Вплотную к выходным иллюминаторам О и 13 измерительной кюветы 8 и кюветы сравнения 11 установлены гипотенуэные грани прямоугольных призм 14 и 5 соответствующих кювет, причем стенки кювет 8 н 11 и катетные грани призм 14и 15 имеют зеркальные отражающие покрытия. Вплотную к входным иллюминаторам 9 и 12 кювет 8 и 1 соответственно установлены рассеивающие коллекторы 16 и 17,выполненные из молочного стекла, с отверстиями 18 и 19,причем диаметр отверстия 19 в коллекторе 17 кюветы сравнения 11 равендиаметру апертурной диафрагмы 6, адиаметр отверстия 18 в коллекторе 16измерительной кюветы 8 равен диаметру апертурной диафрагмы 5. Центротверстия 8 коллектора 16 (или приустановке кюветы сравнения, отверстия 19 коллектора 17) лежит на оптической оси, проходящей через центроотклоняющего зеркала 7 под углом 45к его поверхности. Отражающий экран20 установлен под углом к оптическойоси устройства (на Фиг, под углом11 ри установке в измерительный канал устройства кювет, заполненных исследуемой жидкостью,на параллельныйсветовой поток, прошедший внутрь кюветы действуют два Фактора, онределяющие оптические свойства среды:во-первых, свет поглощается средойв соответствии с выражениями (3) или(4) и во-вторых, рассеивается, причем на рассеивающие коллекторы устанавливаемых кювет практически попадают все лучи, рассеянные как вперед (на фиг,2 обозначены)так иназад (на фиг,2 обозначены как ),эа исключением лучей, рассеянных под 5углом9 У; причем количество отражений для каждого вида лучей в обоихкюветах как было показано в (1 О)одинаково. Таким образом, как прямые - прошедшие через среду параллельные световые потоки, так и пото.ки, рассеянные средой под разнымиуглами ; попадают на рассеивающиеколлекторы 16 и 7, измерительнойкюветы 8 или кюветы сравнения 11, 25причем яркость этих коллекторовпропорциональна суммарной величинепрямых и рассеянных световых потоков, прошедших на их поверхность,и фотоприемник 22, регистрируют З 0сигналы, отразившиеся от экрана 20и сфокусированные объективом ,21пропорциональные выражениям (3) и(4) для измерительной кюветы и кюветы сравнения соответственно,Очевидно, измерив величины сигналов (2), (3) и (4) и подставив ихв выражение (5),можно получить измеренную величину показателя поглощения, которая тем ближеистиннойМ, 40чем меньше света рассеивается средой под большими углами , т,е. чемболее вытянута индикатрисса рассеяния в области малых углов, что характерно для чистых морских и океанических вод. Установка прямоугольной призмы в кюветах подобного типа преследует единственную цель - увеличить вдвое 50 оптическую базу прибора, или, что то же самое - уменьшить расход исследуемого вещества при анализе,Применение прямоугольной призмы в кювете позволяет учитывать при иэ мерениях долю рассеянного светового потока не только вперед, но и в заднюю полусферу. Рассеивающий коллектор с отнерсти ем позволяет в совокупности с прямоугольной призмой регистрировать излучение,рассеянное как в переднюю, так и в заднюю полусферы,.в широком диапазоне углов, так как будучи Ламбертовским рассеивателем, коллектор рассеивает излучение пропорционально световому потоку, пришедшему на него независимо от угла падения, Это, в свою очередь, сводит методическую ошибку при измерениях Я к минимуму и повышает точность измерений,Расположение отверстий в рассеивающих коллекторах и отражающем экране конструктивно обеспечивает прохождение параллельного светового потока от коллиматора в кюветы с исследуемой средой без виньетирования пучка и излишних потерь энергии источника, Расположение отверстий в рассеивающих коллекторах на расстоянии 1/4 диаметра кюветы обеспечивает симметричность хода светового пучка относительно стенок кюветы, В этом случаепараллельный световой поток попадает на центральный участок световойзоны отражающих граней прямоугольнойпризмы, что является оптимальным условием для исключения зарезания пучка на фасках призмы и стенках кюветы,Эти явления зареэания могут привестик некоторой погрешности при измерениях,При размещении отверстий в коллекторах ближе /4 диаметра кюветы кцентру возможен возврат части прямого пучка при отражении от отражающихграней прямоугольной призмы в отверстие коллектора, а не на его поверх-.ность, что приведет к значительнойпогрешности при измеренияхЯ.Установка в плоскости входногозрачка объектива коллиматора сменных апертурных диафрагм позволяетизменять диаметры световых потоков,вошедших в кюветы с исследуемой средой в соответствии с соотношениями(10), так как размер апертурной диафрагмы определяет диаметр параллельного светового потока в устройстве.Использование предлагаемого устройства для измерения показателя поглощения излучения прозрачноц средой позволит повысить точность измерений вследствие того, что фотоприемник в устройстве регистрирует как поямое и рассеянное вперед излучение, так и1122897 1 О 1Составитель Н. Стуков едактор Л.Лосева Техред А.Ач Корректор И,Леонт каз 8127/33ВНИИПИ ирак 822венного комитета СССРретений и открытийЖ, Раушская наб.,одписное Государ елам из Иосква по 11303атент", г,ужгород, ул.Проектная, 4 иэлучение, рассеянное средой назад,причем использование соотношений (10)значительно снизит систематическуюсоставляющую погрешности метода измерений из-за разницы в количествах 5отражений от стенок кювет для рассеянного средой излучения. Использование предлагаемого устройства особенно эффективно для ис- О следований поглощения в чистых морских и океанических водах, так как применение кювет с двойным ходом све. тового потока н соотношений (О) значительно увеличивает величины измеряемых сигналов при минимальных систематических погрешностях. Например, при соотношениях размеров:А1= 600 мм, О 1,= 120 мм, й= й = 18 мм, 1= 100 мм 01= 20 мм, с, = д = 3 мм база прибора равна 2 (1 - 1.,)И р1000 мм =м, а это позволит измерять величины М, - 0;01 м , с поги л "4решностью 6 ЭС5%, при аппаратурИнои чувствительности,1 К и4 -ф