Спосіб вимірювання показника заломлення

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения показателя преломления жидких и газообразных сред, в частности, в системах автоматизированного контроля и управления производством. В настоящее время одной из важных задач является автоматизированный контроль показателя преломления в процессе производства ряда продуктов потребления, например, продуктов нефтепереработки, сахарного производства и др. Известные в настоящее время способа и средства измерения показателя преломления жидких и газообразных веществ не позволяют точно и надежно осуществить указанные измерения для непрозрачных (мутных, загрязненных) сред. Так, известен способ измерения показателя преломления, включающий разделение монохроматического поляризованного света на два пучка, их пропускание через эталонное и исследуемое вещества, помещенные соответственно в эталонную и рабочую кюветы, сведение обоих пучков света и определение показателя преломления по положению экстремумов характерной картины взаимодействующих пучков (а.с. СССР № 1173171, G 01 N 21/45, 1985 г.). Недостатком этого способа является сложность технической реализации, связанная с обеспечением точности конструктивных параметров эталонной и исследуемой кювет, значения которых входят в математическую формулу для определения показателя преломления исследуемого вещества, а также низкое быстродействие, обусловленное, в частности, проведением операции смещения верхней полуплоскости в эталонной кювете и измерением этого смещения. Известен также способ измерения показателя преломления включающий регистрацию положения границы светотени, образующейся при полном внутреннем отражении на освещаемой монохроматическим пучком лучей границе раздела эталонной и исследуемой сред, поляризацию и модуляцию отраженного от границы раздела пучка лучей, изменение азимута линейно поляризованного излучения части пучка отраженных лучей, а изменение Показателя преломления определяют по изменению азимута плоскости поляризации (а.с. СССР № 807163, кл. G 01 N 21/43, 1981 г.). Недостатком этого способа является недостаточные надежность и быстродействие, обусловленные наличием подвижных механических узлов и времени, необходимым для изменения азимута, плоскости поляризации и анализа измененного состояния. Наиболее близким по технической сущности является способ измерения показателя преломления жидкости, описанный в а.с. СССР № 1636737, кл. G 01 N 21/41, 1991 г., в котором исследуемую жидкость помещают в цилиндрическую кювету с известными внутренним "а" и внешним "b" диаметрами и показателем преломления "nс" материала стенок кюветы, освещают кювету рассеянным световым пучком, который ограничивают симметрично плоскости, проходящей через ось кюветы и линию регистрации, и измеряют расстояния между границами света и тени в распределении интенсивности. Из прошедшего кювету излучения формируют пучок параллельных лучей, а показатель преломления исследуемой среды вычисляют по формуле. К недостаткам прототипа следует отнести то, что в олисанном способе светотехнические характеристики среды (мутность, загрязненность) существенным образом влияют на точность измерения показателя преломления. Так, при высоких показателях непрозрачности граница света-тени, которую измеряют при реализации способа, размывается, что существенно сказывается на точности определения показателя преломления. Предложенное изобретение решает задачу повышения точности измерения показателя преломления жидких и газообразных сред, включая непрозрачные среды. Эта задача решена тем, что в способе измерения показателя преломления среды Пер. в котором помещают исследуемую среду в цилиндрическую кювету (сосуд) с известными внутренним "а" и внешним "b" диаметрами и показателем преломления материала стенок кюветы "nс", освещают последнюю световым пучком, который ограничивают, и регистрируют границу светотени, предлагается пучок лучей, параллельных плоскости отсчета, проходящей через ось кюветы, ограничить на входе в кювету на расстоянии меньшем а/2 и большем nс а/2 относительно плоскости отсчета, регистрировать граничное положение лучей, подвергшихся полному внутреннему отражению на поверхности раздела внутренней стенки кюветы и исследуемой среды, а показатель преломления среды при соблюдении условия nсp. nс* а. Технический результат, достигаемый от использования совокупности отличительных признаков предложенного способа, заключается в том, что регистрируют граничное положение лучей, подвергшихся полному внутреннему отражению на поверхности раздела двух сред: исследуемой и материала стенок кюветы. Таким образом, фиксируемые лучи не проходят через исследуемую среду, ее светотехнические характеристики не влияют на результат измерения, следовательно, точность определения показателя преломления среды в предлагаемом способе существенно выше, чем в прототипе. Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами. На фиг.1 приведена структурная схема устройства для реализации способа, на фиг.2 представлена зависимость углов выхода лучей, прошедших через кювету (сосуд) с исследуемой средой, от координат входа их в кювету параллельно плоскости отсчета для различных значений показателя преломления исследуемых сред. Устройство, реализующее способ, содержит оптически связанные источник 1 излучения, коллиматор 2, ограничители 3 и 4, два края которых расположены соответственно на расстоянии а/2 и nс*а/2 от плоскости отсчета, цилиндрическую кювету 5, ось которой параллельна краям ограничителей 3 и 4 и лежит в плоскости отсчета, фотоприемник 6 и блок 7 регистрации, вход которого подключен к выходу фотоприемника 6. Способ осуществляется следующим образом. Исследуемую среду помещают в кювету 5. Световым потоком от источника 1 излучения, прошедшим коллиматор 2 и щель между ограничителями 3 и 4, облучают цилиндрическую кювету 5. Фотоприемником 6 фиксируют граничное положение лучей, прошедших через стенки кюветы 5 и испытавших явление полного внутреннего отражения на границе исследуемой среды и внутренней стенки цилиндрической кюветы 5, и преобразуют оптическое изображение в электрический сигнал. Блок 7 регистрации по положению границы света и тени в соответствии с градуировочной таблицей вычисляет значение показателя преломления исследуемой среды. На фиг.2 приведены графики зависимости углов выхода лучей, прошедших через кювету 5 с исследуемой средой, от координат входа их в кювету 5 параллельно плоскости отсчета для различных значений показателя преломления. Отсчет координат входа каждого луча и значения угла выхода соответствующего луча производят от плоскости отсчета, проходящей через источник 1 излучения, ось кюветы 5 и фотоприемник 6. При этом отсчет против часовой стрелки принимают со знаком "+" и по часовой - со знаком "-и. Углы выхода лучей, прошедших через прозрачную цилиндрическую кювету 5 с исследуемой средой, связаны с координатами входа в кювету 5 лучей, параллельных плоскости отсчета, зависимостями, вытекающими из формулы (I), приведенной в а.с. СССР № 1636737: где: Q 1 - угол выхода лучей, прошедших через две стенки кюветы 5 и исследуемую среду (кривые 1,2,3 и 1\2',3\ фиг.2); Q 2-угол выхода лучей, прошедших через стенки кюветы 5 и испытавших явление полного внутреннего отражения на границе стенок кюветы 5 и исследуемой среды (крипы'-4 и 4', фи.1.2); Q 3-угол выхода лучей, прошедших через стенки кюветы 5 не касаясь исследуемой среды (кривые 5 и 5', фиг,2); к и R - внутренний и внешний радиусы кюветы 5; ч - координаты входа лучей относительно плоскости отсчета. На фиг.2 приведены графики, построенные по уравнениям (1) - (3) для различных значений показателя преломления исследуемых сред: пСр1 - 1,33 (кривая 1); пСр2 = 1,38 (кривая 2); nCp3= 1-43(кривая 3)при nс= 1,56 кривые 0 и 0' отражают прохождение лучей через цилиндрическую прозрачную кювету, наполненную воздухом с показателем преломления nсро = 1. Графики на фиг.2 свидетельствуют о том, что существуют предельные углы выхода лучей Q по= Q пз для каждого определенного показателя преломления среды nсро ¸ nср3. Таким образом, если в плоскости изображения установить фртоприемник 6 и фиксировать предельное положение лучей Q по= Qпз, то по положению границы светотени можно вычислить показатель преломления исследуемой среды. Согласно уравнениям (1) - (3) и графику на фиг.2 предлагаемый способ реализуется при условии выполнения соотношения nср. >nс*а. Выполнение названных условий не является препятствием для реализации способа на практике, поскольку толстостенные стеклянные трубки с требуемым соотношением b > nc· а выпускаются промышленностью (например, ПО "Октябрь" г. Винница), а значение показателя преломления большинства жидких и газообразных сред меньше значения показателя преломления стенок стеклянных кювет (сосудов). Преимуществом предлагаемого способа по сравнению с прототипом является возможность измерения параметров мутных, непрозрачных сред без изменения градуировочных характеристик устройства, реализующего способ. Устройство, реализующее предлагаемый способ, может быть выполнено следующим образом. В качестве осветителя и коллиматора может быть использован светодиод типа АЛ107Б, создающий направленный поток света. Ограничители реализуют с помощью двух непрозрачных пластин. Кювету изготавливают из стеклянной трубки, внутренний и внешний диаметры которой имеют, например, значения 10 и 20 мм соответственно, и закрепляют ее неподвижно относительно осветителя и фотоприемника, Фотопрмемником служит линейный прибор с зарядовой связью (ЛПЗС) типа К120ОЦЛ1, Блок регистрации, обеспечивающий обработку и индикацию сигналов с выхода фотоприемника, выполняют на интегральных микросхемах. Погрешность измерения показателя преломления предлагаемым способом обусловлена в основном дискретностью фотоприемника и при использовании, например, ЛПЗС типа К1200ЦЛ содержащего 1024 светочувствительных ячейки, не превышает 0,05-0,1%. Низкая погрешность измерения и высокое быстродействие, а также возможность измерения мутных, непрозрачных сред дают возможность использовать его в системах автоматизированного контроля и управления производством жидких и газообразных сред.