RU157412U1 - Автоматический цифровой рефрактометр для определения показателя преломления жидкостей - Google Patents

Abstract

Автоматический цифровой рефрактометр для определения показателя преломления жидкостей, содержащий кювету с исследуемой жидкостью, оптический блок, включающий излучатель, призму и фотоприемное устройство и блок электроники с дисплеем, отличающийся тем, что излучатель выполнен в виде желтого светодиода с длиной волны λ, равной 589 нм, снабженного отсекающим ИК-фильтром и поляроидом, а призма выполнена из кристалла сапфира в форме объемного тела с двухлучевым преломлением, которая своим плоским основанием контактирует с исследуемой жидкостью и установлена так, что ось кристалла расположена перпендикулярно оптической оси системы, а фотоприемное устройство выполнено в виде CMOS-линейки, содержащей 1024 элемента размером 8×125 мкм, при этом блок электроники включает программное обеспечение в виде измерительной части и интерфейса пользователя.

Description

Полезная модель относится к оптико-электронному приборостроению, а именно, к средствам измерения показателя преломления жидких и пастообразных веществ, и может быть применено при создании средств измерения как оптически прозрачных, так и оптически непрозрачных жидкостей, паст, гелей и т.п. веществ в химической, биохимической, пищевой а также нефтяной и газовой промышленности.

В настоящее время известны несколько способов определения показателя преломления жидкостей.

1. Определение (измерение) угла отклонения луча при его прохождении через кювету, выполненную в форме призмы и содержащую исследуемую жидкость. Дифференциальная точность данного метода довольно высока и достигает порядка 10^-8 при использовании двух измерительных кювет, однако он требует использования громоздкой аппаратуры, пригоден только для лабораторных исследований и имеет низкую производительность.

2. Использование эффекта полного внутреннего отражения. При этом исследуемая жидкость контактирует с измерительной призмой, через которую она освещается расходящимся пучком монохроматического излучения. Лучи, падающие на грань призма/жидкость под углом выше критического, отражаются, а остальные - проходят в жидкость. Показатель преломления можно определить либо по соотношению падающего и отраженного потока света, либо по положению границы свет/тень отраженного от поверхности призмы света.

Широко известны устройства, построенные на методе предельного угла, например, проточные рефрактометры серии PR фирмы K-PATENTS, см патент США №6067151. В этих устройствах, использующих метод предельного угла, оптический элемент - призма - контактирует с исследуемым веществом. Граница соприкосновения двух сред: оптического элемента и исследуемого вещества освещается непараллельным пучком света. Часть лучей света, падающая на границу соприкосновения под углом менее критического, уходит в исследуемое вещество, а часть лучей света, падающая под большими углами на границу соприкосновения, претерпевает полное внутреннее отражение и проецируется на фотоприемное устройство (ФПУ) - ПЗС-линейку. По положению границы света и тени на ПЗС-линейке определяют показатель преломления исследуемого вещества.

Недостаток известного устройства кроется в недостатке применяемого способа: отсчет ведется по одной точке пересечения нечеткой границы света и тени на одном фотоприемном элементе.

Известно устройство для измерения показателя преломления, содержащее источник света, оптический элемент, выполненный в виде призмы из стекла с высоким показателем преломления, рабочая грань которой соприкасается с исследуемым веществом, матричное фотоприемное устройство (ФПУ), микропроцессор и дисплей, подключенный к информационному выходу микропроцессора, отличающееся тем, что в него введены пороговое устройство, генератор импульсов, ключ и два счетчика импульсов, причем выход ФПУ подключен к пороговому устройству, выход которого соединен с управляющим входом ключа, к сигнальному входу которого подключен выход генератора импульсов, выходы ключа и генератора импульсов подключены к счетным входам соответствующих счетчиков, выходы счетчиков соединены с соответствующими информационными входами микропроцессора, а входы установки нуля счетчиков подключены к управляющему выходу микропроцессора, см. патент РФ №2292038. В этом устройстве исследуемое вещество соприкасается с рабочей гранью призмы с известным показателем преломления, превышающим показатели преломления исследуемых веществ. Плоскость соприкосновения через первую боковую грань призмы освещают расходящимся пучком света от монохроматического точечного или щелевого источника света. Часть света, претерпевшую полное внутреннее отражение на плоскости соприкосновения рабочей грани призмы с исследуемым веществом, направляют через вторую боковую грань призмы на многоэлементное матричное фотоприемное устройство.

Недостаток данного устройства, принятого нами за прототип, как и всех известных рефрактометров, заключается в том, что граница свет-тень имеет малую крутизну, т.к. фотоприемник освещается несфокусируемым пучком, а при изменении освещенности в результате изменения напряжения питания светодиода, изменения температуры, старения светодиода и наличия отражающих частиц в измеряемой жидкости, при фиксированном уровне порога) меняются и показания прибора. Кроме того, прототип характеризуется сложностью конструкции, недостаточно высокой точностью измерений, что ограничивает его функциональные возможности.

Задача полезной модели заключается в создании конструктивно простого автоматического цифрового рефрактометра для определения показателя преломления жидкостей, имеющего высокую точность измерений за счет определения положения границы свет/тень по точке максимальной крутизны кривой освещенности, обеспечения независимости результатов измерений при изменении освещенности и использования в качестве фотоприемника “спектральную” CMOS-линейку с широким элементом, а также низкие массо-габаритные показатели и расширенные функциональные возможности.

Сущность заявляемой полезной модели как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого полезной моделью технического результата.

Автоматический цифровой рефрактометр для определения показателя преломления жидкостей, содержащий кювету с исследуемой жидкостью, оптический блок, включающий излучатель, призму и фотоприемное устройство и блок электроники с дисплеем, характеризующийся тем, что излучатель выполнен в виде желтого светодиода с длиной волны λ, равной 589 нм., снабженного отсекающим ИК-фильтром и поляроидом, а призма выполнена из кристалла сапфира в форме объемного тела с двухлучевым преломлением, которая своим плоским основанием контактирует с исследуемой жидкостью и установлена так, что ось кристалла расположена перпендикулярно оптической оси системы, а фотоприемное устройство выполнено в виде CMOS-линейки, содержащей 1024 элемента размером 8×125 мкм, при этом блок электроники включает программное обеспечение в виде измерительной части и интерфейса пользователя.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется рядом дополнительных факультативных признаков, а именно:

- призма может быть выполнен из кристалла сапфира в форме полусферы;

- призма может быть выполнен из кристалла сапфира в форме объемного тела, ограниченного плоским основанием и цилиндрической боковой поверхностью;

- рефрактометр может быть снабжен холодильником с теплоотводами.

Обеспечиваемый полезной моделью технический результат заключается в использовании в качестве материала призмы кристалла сапфира, который является двулучепреломляющим кристаллом, поскольку он расщепляет падающий луч света на два: обыкновенный (n_o) и необыкновенный (n_e), имеющий ортогональную по отношению к обыкновенному лучу поляризацию и свой показатель преломления. В нашем решении для формирования измерительного светового потока используются лучи, поляризованные в плоскости перпендикулярной оси кристалла сапфира, что приводит к тому, что в теле призмы распространяется только необыкновенный луч, при падении которого на границу призма - измеряемая жидкость отражение от этой границы в соответствии с законом Брюстера будет существенно ниже, чем у обыкновенного луча, что значительно повышает контраст свет-тень на фотоприемном устройстве и, следовательно, точностной потенциал прибора.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена оптическая схема заявленного рефрактометра, на фиг. 2 - график зависимости освещенности E от расстояния L, представляющий собой вид границы свет/тень в фокальной плоскости объектива на входе в фотоприемное устройство в результате двулучепреломления.

Автоматический цифровой рефрактометр для определения показателя преломления жидкостей содержит кювету 1 с исследуемой жидкостью 2, излучатель 3, призму 4 и фотоприемное устройство 5, а также и блок электроники с дисплеем (на чертежах условно не показан). Излучатель 3 выполнен в виде желтого светодиода с длиной волны λ, равной 589 нм., снабженного отсекающим ИК-фильтром 6 и поляроидом 7 и линзы 8. Призма 3 выполнена из кристалла сапфира в форме объемного тела с двухлучевым преломлением, например, в виде полусферы, которая своим плоским основанием контактирует с исследуемой жидкостью 2 и установлена так, что ось кристалла расположена перпендикулярно оптической оси системы. Фотоприемное устройство 5 выполнено в виде CMOS-линейки, содержащей 1024 элемента размером 8×125 мкм. Блок электроники включает программное обеспечение в виде измерительной части и интерфейса пользователя.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Заявленный рефрактометр реализует идею измерения показателя преломления на основе эффекта полного внутреннего отражения и измерения положения границы свет/тень.

От источника света 3, выполненного в виде желтого светодиода с длиной волны излучения 589 нм, расходящийся пучок света проходит через отсекающий ИК-фильтр 6 и поляризатор 7. Затем с помощью линзы 8 формируется сходящийся пучок света, который поступает в тело сапфировой призмы в виде полусферы 4.

Призма выполняет три функции:

- собственно призма, которая контактирует с исследуемой жидкостью,

- одна из ее граней служит собирающей линзой для формирования осветительного пучка,

- вторая грань фокусирует изображение перепада свет/тень на фотоприемник.

Материал призмы (сапфир) выбран по двум соображениям:

- высокая износостойкость (при промывке призмы поверхность не должна повреждаться абразивными частицами),

- высокий коэффициент преломления (это определяет верхний диапазон измеряемого показателя преломления).

Так как сапфир является двулучепреломляющим кристаллом, он расщепляет падающий луч света на два: обыкновенный (n_o) и необыкновенный (n_e), имеющий ортогональную по отношению к обыкновенному лучу поляризацию и свой показатель преломления. Отсутствие учета эффекта двулучепреломления в известных рефрактометрах приводит к ошибкам в измерениях. В нашем устройстве призма выполнена так, чтобы ось кристалла была бы параллельна плоскости призмы. В оптический блок призма устанавливается так, чтобы ось кристалла была бы перпендикулярна оптической оси системы. Таким образом, установив на пути светового потока поляроид, мы избавляемся от «лишнего» луча.

Достигнув верхней грани призмы 4, ограниченной кюветой 1 пучок взаимодействует с измеряемой жидкостью 2. Часть лучей, которая подходит к границе сапфир - жидкость под углом меньше угла ПВО, проходит внутрь жидкости. Остальные лучи отражаются от границы сапфир - жидкость и, проходя через выходную грань призмы 4, формируют кривую перехода свет-тень на линейном фотоприемнике 5. Основная его задача - найти точно и однозначно положение границы свет/тень. В предложенном нами методе положение границы свет/тень считается точка перегиба функции перехода из света в тень.

При решении описанных выше проблем точность измерений рефрактометра может быть доведена до указанных ±0,000005, что превосходит практически все зарубежные аналоги.

Для обеспечения достаточной точности измерений положение границы необходимо определять с точностью (допуском) от нескольких мкм до долей мкм, в зависимости от фокусного расстояния оптической системы.

Заявленное устройство представляет собой предельно малогабаритный оптический узел рефрактометра с габаритами 46×42×24 мм и содержащий всего лишь четыре оптические детали: призму, линзу, ИК-фильтр и поляроид.

Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается известными и описанными в заявке средствами и методами, с помощью которых возможно осуществление полезной модели, в том виде, как она охарактеризована в формуле полезной модели. Предложенное устройство может быть изготовлено промышленным способом из известных материалов с использованием известных технологий и технических средств. Его существенные преимущества заключаются в отсутствии принципиальных ограничений для повышения точности прибора, возможность разработки высокотемпературной модификации устройства, а также модификации для измерения микропроб жидкости (примерно 0,01 мл: обычно - 0,3 мл).

Claims (1)

1. Автоматический цифровой рефрактометр для определения показателя преломления жидкостей, содержащий кювету с исследуемой жидкостью, оптический блок, включающий излучатель, призму и фотоприемное устройство и блок электроники с дисплеем, отличающийся тем, что излучатель выполнен в виде желтого светодиода с длиной волны λ, равной 589 нм, снабженного отсекающим ИК-фильтром и поляроидом, а призма выполнена из кристалла сапфира в форме объемного тела с двухлучевым преломлением, которая своим плоским основанием контактирует с исследуемой жидкостью и установлена так, что ось кристалла расположена перпендикулярно оптической оси системы, а фотоприемное устройство выполнено в виде CMOS-линейки, содержащей 1024 элемента размером 8×125 мкм, при этом блок электроники включает программное обеспечение в виде измерительной части и интерфейса пользователя.

   

Images