CN202502049U - 高压下透明流体折射率测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高压下透明流体折射率测量装置。光源输出光束经过凹面镜变成平行光，平行光束依次经过反射镜和取样镜后垂直入射到窗口Ⅰ，再经过放置在密封机构的被测流体和窗口Ⅱ后垂直入射到光谱仪入口；窗口Ⅰ与窗口Ⅱ的表面平行设置，由取样镜反射的平行光束通过功率监视仪对输出的平行光束功率进行监视测量，盛装被测流体的密封机构通过热电耦测量温度，通过恒温箱保持实验中被测流体温度恒定，开关Ⅰ用于控制气体的注入，以增加密封机构内流体压强，开关Ⅱ用于控制真空泵工作，以减少密封机构内被测流体压强，被测流体的压强通过压力测量仪测量。本装置可以实现高压透明流体在宽谱范围的不同波长下折射率的同时测量方法和装置，仪器结构简单，调节方便，测试精度高。

Description

高压下透明流体折射率测量装置

技术领域

本实用新型属于光学测量技术领域，主要涉及高压下透明流体不同波长的折射率同时测量的方法和装置。

背景技术

折射率是光在空气中的速度与光在该材料中的速度之比率，是表征光透明物质光学性质的基本物理量之一，对液体来说不同成份，折射率不同，气体折射率与气压、温度、湿度以及气体成分有关。通过测定介质内折射率的空间分布和随时间的变化，进而定性分析乃至定量确定其他的各种相关物理量，有许多重要的实际应用，因此，测量不同压力下流体折射率对于研究高压下流体特性有重要意义。目前，不同的物质，折射率的测量方法有所不同，折射率测量常用的方法有：(1)使用分光计的最小偏向角法，该方法虽然测量精度高，但对待测样品的要求也高，除了需将样品加工成三棱镜外，还对所加工成的三棱镜顶角及其中两个平面的平面度有较高的精度要求，增加了测量成本；(2)阿贝折射计临界角法，该方法测量误差因素较多，而且要求样品的折射率不得大于1.7，因而对某些样品不能使用；(3)干涉方法，此法在测量过程中，由于待测样品和测量光路需反复调整，因而光路调整复杂，手工操作强度大，测量过程时间长，不利于实现测量过程的自动化。

国内的发明专利ZL86107252给出干涉方法对空气折射率测量装置，发明专利ZL90102943给出一种测量玻璃等透明物质折射率的自动V棱镜折射率仪，发明专利ZL93114899给出一种基于激光腔变位移的空气折射率测量方法，国外的发明专利US7130060B2给出微小干涉反射探测的折射率测量方法，US4733967和US4685803给出采用干涉法的气体折射率测量方法和装置，以上这些专利是基于常用的折射率测试方法的发展，由于其局限性，无法使用在高压下流体的折射率测量。

本实用新型提出对高压下透明流体（液体和气体）在宽谱范围（涉及远红外和紫外区域）的不同波长折射率的同时测量方法和装置，实现对样品折射率的准确、快速、自动化测量，同时可给出高压下透明流体的色散公式。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种高压下透明液体/气体折射率测量装置。

本实用新型中的高压下透明液体/气体折射率测量装置所采用的技术方案是：光源输出光束经过凹面镜变成平行光，平行光束依次经过反射镜和取样镜后垂直入射到窗口Ⅰ，再经过放置在密封机构的被测流体和窗口Ⅱ后垂直入射到光谱仪入口；窗口Ⅰ与窗口Ⅱ的表面平行设置，由取样镜反射的平行光束通过功率监视仪对输出的平行光束功率进行监视测量，盛装被测流体的密封机构通过热电耦测量温度，通过恒温箱保持实验中被测流体温度恒定，开关Ⅰ用于控制气体的注入，以增加密封机构内流体压强，开关Ⅱ用于控制真空泵工作，以减少密封机构内被测流体压强，被测流体的压强通过压力测量仪测量。

本实用新型的有益效果是，对透明流体（液体和气体）在宽谱范围（涉及远红外和紫外区域）的不同波长折射率的同时测量方法和装置，将应用于高压透明流体折射率的实时诊断，同时给出多种透明介质的色散公式；仪器结构简单，调节方便，测试精度高。

附图说明

图1是本实用新型的高压下透明流体折射率测量装置的结构示意图。

图中，1.反射镜    2.光源     3.凹面镜     4.取样镜     5.功率监视仪     6.热电耦     7.恒温箱     8.窗口Ⅰ     9.被测流体     10.密封机构     11.窗口Ⅱ     12.光谱仪     13.温度显示仪     14.气体     15.开关Ⅰ     16.气管道     17.压力测量仪     18.开关Ⅱ     19.真空泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1所示，光源2输出光束经过凹面镜3变成平行光，光束经过反射镜1和取样镜4后垂直入射到窗口Ⅰ8，光束经过放置在密封机构10的被测流体9和窗口Ⅱ11后垂直入射到光谱仪12，窗口Ⅰ8与窗口Ⅱ11的表面平行，由取样镜4反射的光束通过功率监视仪5对输出的光束功率进行监视测量，盛装被测流体9的密封机构10通过热电耦6测量温度，通过恒温箱7保持实验中被测流体9温度恒定，打开开关Ⅰ15注入气体14增加密封机构10内流体压强，或打开开关Ⅱ18同时让真空泵19工作，减少密封机构10内被测流体9压强，被测流体9的压强通过压力测量仪17测量。

光源2为宽带光源，可选用如WBr（溴钨）灯，输出功率连续可调，输出功率稳定度小于0.01%。

取样镜4为Ⅰ定锲角的劈板，如锲角为10度；

窗口Ⅰ8与窗口Ⅱ11的材料为AL₂O₃；窗口Ⅰ8与窗口Ⅱ11的表面平行，平行度小于1°，窗口Ⅰ8的前后两个表面和窗口Ⅱ11的前后表面面型要求小于λ/4，λ=632.8nm；

在密封机构10中的被测流体9的厚度尽量小，取1~2mm。

通过调节光源2的输出功率，使进入光谱仪12上的强度信号在(1/2~2/3)最大值之间；

从窗口Ⅱ11出射的光束也可以采用光纤传输到光谱仪12的狭缝入口，光纤两端通过五维调节机构分别完成从窗口Ⅱ11出射的光束与光纤一端的耦合，光纤另一端与光谱仪12的狭缝     耦合；

光谱仪12由一个150刻线的光栅和CCD探测器，具有240nm谱宽度，保持入射光束强度稳定性小于0.01%；

密封机构10内壁为黑色，以吸收散射光和反射光。

当入射光垂直入射到介质表面时，反射率（或透射率）与折射率有关；对于某一波长λ的光，腔体内流体的温度为T ₀，压力为P ₀时，光束在窗口与腔体内前后表面的透射率可以写成：

                            （1）

式中，n _W是窗口材料对于某一波长的折射率，真空中某一波长的折射率为n ₀；若腔体流体压力为 P ₁，温度为T ₁时，对于某一波长λ的光，在窗口与腔体内墙后表面，透射率为：

                           （2）

式中，n _G是对于某一波长下流体的折射率。设穿过温度为T ₀，压力为P ₀腔体流体与温度为T ₁，压力为 P ₁时的透射光强分别为

和，则透射光强比分别为：

                （3）

通过测量不同压力和温度下腔内流体的光强

和

，在已知窗口和真空折射率的n _W和n ₀情况下，设

                 （4）

流体在对应波长下的折射率可以根据以下方程得到：

                                     （5）

采用光谱仪12给出多种透明流体在宽谱范围的不同波长折射率后，可以给出色散公式。

Claims (7)

1.一种高压下透明流体折射率测量装置，其特征是：所述测量装置中的光源（2）输出光束经过凹面镜（3）变成平行光，平行光束依次经过反射镜（1）和取样镜（4）后垂直入射到窗口Ⅰ（8），再经过放置在密封机构（10）的被测流体（9）和窗口Ⅱ（11）后垂直入射到光谱仪（12）入口；窗口Ⅰ（8）与窗口Ⅱ（11）的表面平行设置，由取样镜（4）反射的平行光束通过功率监视仪（5）对输出的平行光束功率进行监视测量，盛装被测流体（9）的密封机构（10）通过热电耦（6）测量温度，通过恒温箱（7）保持实验中被测流体（9）温度恒定，开关Ⅰ（15）用于控制气体（14）的注入，以增加密封机构（10）内流体压强，开关Ⅱ（18）用于控制真空泵（19）工作，以减少密封机构（10）内被测流体（9）压强，被测流体（9）的压强通过压力测量仪（17）测量。

2.根据权利要求1所述的高压下透明流体折射率测量装置，其特征是：所述的光源（2）为宽带光源。

3.根据权利要求2所述的高压下透明流体折射率测量装置，其特征是：所述的宽带光源为输出功率连续可调、稳定度小于0.01%的溴钨灯。

4.根据权利要求1所述的高压下透明流体折射率测量装置，其特征是：所述的密封机构（10）中的被测流体（9）的厚度为1~2mm。

5.根据权利要求1所述的高压下透明流体折射率测量装置，其特征是：所述的窗口Ⅰ（8）与窗口Ⅱ（11）的表面平行度小于1°，窗口Ⅰ（8）的前后两个表面和窗口Ⅱ（11）的前后表面面型小于λ/4，λ=632.8nm。

6.根据权利要求1所述的高压下透明流体折射率测量装置，其特征是：所述的光谱仪（12）强度稳定性小于0.01%。

7.根据权利要求1所述的高压下透明流体折射率测量装置，其特征是：所述的密封机构（10）内壁为黑色。

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