Способ определения показателя преломления жидкостей в капиллярах

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ В КАПИЛЛЯРАХ(71) Заявитель Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(73) Патентообладатель Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(57) Способ определения показателя преломления жидкостей в капиллярах, заключающийся в том, что освещают капилляр с рабочей жидкостью двумя когерентными пучками света, формируют интерференционную картину в плоскости изображения с пространственным периодом 1 и приводят ее в движение, отличающийся тем, что одновременно с первым освещают второй капилляр с эталонной жидкостью второй парой когерентных пучков, формируют вторую интерференционную картину в плоскости изображения от капилляра с эталонной жидкостью с пространственным периодом 21, приводят ее в движение синхронно с первой,после чего фиксируют моменты совпадения фаз интерференционных картин, определяют число интерференционных полос между двумя соседними совпадениями фаз, по числу которых судят о величине показателя преломления рабочей жидкости.(56) 1. С.М. Чернов, К.К. Жилик, П.Г. Рабзонов. Определение показателя преломления жидкостей и газов в капиллярах//ЖПС, 1982. - Т. 37, Вып. 3, - С. 445-459. 2.1824545 А 1, МПК 01 21/45, 1993. 3.1134 С 1, МПК 01 21/45, 1996 (прототип). Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к интерференционным способам измерения показателя преломления жидкостей в капиллярах в условиях технологических процессов. 3614 1 Известен способ определения показателя преломления (ПП) жидкостей в капиллярах 1, заключающийся в том, что освещают капилляр с жидкостью параллельным пучком света, формируют изображение границы раздела жидкость/стекло, измеряют максимальный угол отклонения пучков, формирующих указанную границу, по величине которого вычисляют показатель преломления исследуемого вещества. В данном способе не обеспечивается необходимая точность измерения ПП из-за ошибок в определении параметров капилляра (внешнего и внутреннего диаметров), а также его некоаксиальности и эллиптичности,которые непосредственно влияют на искомый угол отклонения пучков. Это накладывает исключительно жесткие условия на качество изготовления капилляров. Кроме того, определение максимального угла рассеяния, связанное с фотометрированием края границы света и тени, которое не может быть выполнено с погрешностью лучше, чем 5 , вносит дополнительные ошибки в результат измерения. Очевидна нелинейность зависимости угла рассеяния от показателя преломления, что указывает на неодинаковую чувствительность способа для различных значений показателя преломления . Известен также способ определения показателя преломления жидкостей в капиллярах 2, заключающийся в том, что освещают капилляр с жидкостью двумя когерентными пучками света, формируют интерференционную картину в плоскости изображения, приводят ее в движение, измеряют изменение значения периода движущихся интерференционных полос, по которому судят о величине показателя преломления жидкости. Данный способ не обеспечивает необходимой чувствительности (10-5) к измеряемому параметру, а, следовательно, и необходимой точности контроля ПП, из-за статической ошибки базирования оптического капилляра на измерительной позиции. Наиболее близким техническим решением является способ определения показателя преломления жидкостей в капиллярах 3, заключающийся в освещении капилляра с жидкостью двумя когерентными пучками света в прямом направлении, повторном освещении в обратном направлении прошедшими через него интерферирующими пучками, формировании движущейся интерференционной картины в плоскости изображения и определении показателя преломления по величине изменения периода движущихся интерференционных полос. Данный способ также не обеспечивает необходимой чувствительности (лучше чем 5 х 10-5), а следовательно, и необходимой точности контроля показателя преломления жидкостей из-за неизбежных ошибок базирования оптического капилляра на измерительной позиции при смене контролируемых образцов, а также из-за статических деформаций волнового фронта пучка, вызванного локальными погрешностями радиуса капилляра и внутренней структуры стекла. Техническая задача, которую позволяет решить предлагаемое изобретение - повышение чувствительности способа к изменению измеряемого параметра (показателя преломления) с одновременным повышением точности контроля за счет обеспечения зондирования исследуемой жидкости двумя системами интерференционных полос с близкими значениями периодов. Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе определения показателя преломления жидкостей в капиллярах, заключающемся в том, что освещают капилляр с рабочей жидкостью двумя когерентными пучками света, формируют интерференционную картину в плоскости изображения с пространственным периодом 1 и приводят ее в движение, дополнительно одновременно с первым освещают второй капилляр с эталонной жидкостью второй парой когерентных пучков, формируют вторую интерференционную картину в плоскости изображения от капилляра с эталонной жидкостью с пространственным периодом 21, приводят ее в движение синхронно с первой, после чего фиксируют моменты совпадения фаз интерференционных картин, определяют число интерференционных полос между двумя соседними совпадениями фаз, по числу которых судят о величине показателя преломления рабочей жидкости. Способ осуществляется следующей совокупностью операций. Два капилляра с рабочей и эталонной жидкостями освещают двумя парами когерентных пучков, лежащих в одной плоскости и сходящихся друг к другу соответственно под углами интерференциии . Формируют две интерференционные картины соответственно от капилляра с рабочей и капилляра с эталонной жидкостями с пространственным периодом 1 и 2, отличающимися на незначительную величину, задаваемую условием нониусного совпадения и дискретностью отсчета дробной части интерференционных полос 12 , где(1) 10/2(/2) и 20/2(/2),0 - коэффициент увеличения оптического капилляра как цилиндрической линзы- длина волны света. Далее обе интерференционные картины приводят в движение синхронно друг другу и фиксируют моменты совпадения фаз или, что то же, моменты появления импульсов нониусного совпадения. Условие нониусного сопряжения двух интерференционных систем для данного случая запишем следующим образом 3614 1 где 0/1 и 0/2, которое означает, что на некоторой длине 0 число полос в интерференционных картинах (эталоннойи рабочейотличается на единицу и зависит только от разности углов сходимости интерферирующих пучков. Величина 0 определяется по заданной дискретности отсчета .(4) 20(/2)/ - 20(/2)/1. Если известен угол сходимости пучков , то второй уголс учетом соотношений 2 (/21) 2 (/22) и (3) находится из следующего выражения(5) 2(/2) - /12. Если, например 15 мкм, 24,9 мкм 0,1 мкм, 715, то 724. Далее определяют число интерференционных полос 2 между двумя моментами совпадения фаз или, что тоже, между соседними импульсами нониусного совпадения. Зададимся начальными условиями. Пусть 11/(-1)- начальное число интерференционных полос посчитанное между двумя нониусными импульсами, полученными при совпадении текущих фаз и зависящее в отличие оттолько от изменения показателя преломления 0/В 00 - начальное значение полос в рабочей картине, полученное при установке эталонного капилляра в рабочий канал. С учетом (1) и (2) и то, что в начальном состояниии , получим(7) 1(/2)/(/2) - (/2). Из (7) видно, что начальное число полос между двумя нониусными импульсами не зависит ни от радиуса капилляра , ни от показателя преломления , а зависит только от начальной разности углов двух пар интерферирующих пучков. Для случая, когда значение показателя преломления измеряемой жидкости , число интерференционных полос между двумя импульсами совпадения изменится и будет равно(8) 2/(-),где 0/0 - число интерференционных полос в рабочей диаграмме, В - новое значение коэффициента увеличения капилляра, вызванное изменением показателя преломления жидкости. Подставим в (8) значений, , тогда после несложных преобразований получим(9) 2(-1) (/2)/(-(/) (/2)-(-1) (/2). При автоматическом измерении ПП фотоприемниками считывается целое число полос 2, следовательно искомое значение ПП находится по следующей формуле(21) (/2)/(21) (/2)-2(1-(/)(/2). При исходных значениях 0,6328 мкм, 40 и числе полос в эталонной диаграмме 1151 разрешающая способность при определении ПП составит 210-5, что соответствует изменению 2 на одну интерференционную полосу. Способ реализован следующим образом. С помощью оптической схемы (см. фиг.), состоящей из лазера 1, коллиматора 2, светоделителя 3 и четырех зеркал 4, 5, 6 и 7 формируются три пучка 0,и . Пара пучков 0 сходится под угломдруг к другу на капилляре ОК с эталонной жидкостью и формирует измерительную зону эталонного канала. Вторая пара пучков 0 сходится под угломдруг к другу на капиллярес рабочей жидкостью и формирует измерительную зону рабочего канала. Экран 8 применен с целью исключения попадания посторонних засветок в схему формирования пучков. В измерительных зонах пучки интерферируют с образованием интерференционных картин, имеющих пространственный период согласно формулы (1). На первом этапе процесса измерения в обе измерительные зоны помещается один капилляр с эталонным значением ПП жидкости. За капилляром, работающем как цилиндрическая линза, формируются две увеличенные интерференционные картиныи , которые посредством зеркального сканатора 9, вращающегося со скоростью , проецируются в плоскость регистрации, где размещены фотоприемники 1013. Основная цель первого этапа - установить целое число полос 1 путем юстировки второго углапри(например, 40). Это достигается при непрерывном сканировании интерференционных картин относительно неподвижных фотоприемников (частота вращения зеркального сканатора 24/мин). При этом число полос непрерывно высвечивается на индикаторе (на фиг. не показан). Оператор путем юстировочных подвижек зеркала 7 добивается чтобы 1 было равно заданному значению, например для указанного выше случая,1151. Чем больше 1, тем выше чувствительность устройства. После этого на втором этапе капилляр с эталонной жидкостью помещают только в измерительную зону эталонного канала, а в измерительную зону рабочего канала помещают исследуемый образец, включают сканатор 9 и осуществляют собственно измерения с вычислениемпо (10). 3614 1 Фотоприемники 11 и 13, установленные на одной линии с основными, но со смещением вдоль полос, регистрируют те же интерференционные полосы. Наличие сдвига фаз между фотоэлектрическими импульсами основного (10 или 12) и дополнительного (11 или 13) фотоприемниками говорит о наличии погрешности базирования какого-либо из капилляров. Путем юстировки капилляра на измерительной позиции добиваются,чтобы сдвиг фаз стал равен нулю в обоих каналах. В принципе допускаются небольшие наклоны полос в обеих картинах, если они по абсолютной величине не превышают дискретности отсчета фазовой схемы и имеют угол наклона полос одного знака. Основные принципы метода были апробированы на действующей установке автоматического управления формообразованием волоконно-оптических элементов (ДБТ 3253.00.00.000 ТО Институт электроники АНБ или статья Буров Ю.Г., Ильин В.Н. Метод обработки измерительной информации при автоматической вытяжке одножильных световодов // Измерительная техника.3. 1993. С. 22-24.). В устройство входили лазер ЛГН-302, коллиматор 6 х, светоделитель с коэффициентом пропускания 30 , зеркала с внешним покрытием, двигатель Д-32 с редуктором и угловой скоростью вращения 24 об/с, ФД-256 и блок электроники на базе ПП ЭВМ ЕС 1841. Расстояние от измерительных зон до сканатора и от сканатора до плоскости регистрации составляет по 100 мм, т.е. полное расстояние 200 мм. В измерительной зоне устройства устанавливались капилляры с рабочей и эталонными жидкостями, которые зондировались двумя интерференционными картинами с близкими значениями пространственных периодов. Чувствительность 2 х 10-5 достигнута при разрешающей способности фазовой схемы (или схемы совпадений) 2,0. При повышениидо 1,0 и лучше чувствительность устройства к изменению ПП составит 5 х 10-6, что соответствует значению 1300 интерференционных полос. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 4