RU2292038C2 - Method and device for measuring refractivity - Google Patents

Method and device for measuring refractivity Download PDF

Info

Publication number
RU2292038C2
RU2292038C2 RU2005106125/28A RU2005106125A RU2292038C2 RU 2292038 C2 RU2292038 C2 RU 2292038C2 RU 2005106125/28 A RU2005106125/28 A RU 2005106125/28A RU 2005106125 A RU2005106125 A RU 2005106125A RU 2292038 C2 RU2292038 C2 RU 2292038C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fpu
prism
refractive index
output
light
Prior art date
Application number
RU2005106125/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2005106125A (en
Inventor
Ринад Исмагилович Волков (RU)
Ринад Исмагилович Волков
Эдуард Иванович Федоров (RU)
Эдуард Иванович Федоров
Original Assignee
Ооо "Нпо "Сетал"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ооо "Нпо "Сетал" filed Critical Ооо "Нпо "Сетал"
Priority to RU2005106125/28A priority Critical patent/RU2292038C2/en
Publication of RU2005106125A publication Critical patent/RU2005106125A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2292038C2 publication Critical patent/RU2292038C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)

Abstract

FIELD: measuring technique.
SUBSTANCE: device for measurement of refractivity has measuring prism. There is slit diaphragm onto side face of prism. Light-emitting diode is glued behind slot diaphragm. Multiple-element receiver is glued to another side face of prism. Third face of prism has to be plane of separation through which plane the optical contact is made with tested matter. Output of multiple-array receiver is connected to threshold unit. Output of threshold unit is connected with control input of switch. Signal input of switch is connected with output of pulse generator. Outputs of switch and pulse generator are connected to counting inputs of two counters correspondingly. Zero adjustment inputs of counter and their outputs are connected with corresponding inputs of microprocessors. Output of microprocessor is connected with display.
EFFECT: improved precision of measurement; higher manufacturability of structure; reduced cost.
4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, а именно к способам и средствам измерения показателя преломления жидких и пастообразных веществ, использующим метод предельного угла, и может быть применено при создании средств измерения как оптически прозрачных, так и оптически непрозрачных жидкостей, паст, гелей, мелкодисперсных порошков и т.п. веществ.The invention relates to optical electronic instrumentation, and in particular to methods and means of measuring the refractive index of liquid and pasty substances using the method of limiting angle, and can be used to create measuring instruments of both optically transparent and optically opaque liquids, pastes, gels, fine powders, etc. substances.

Способ измерения показателя преломления, использующий явление полного внутреннего отражения (метод предельного угла), известен давно [1]. При использовании этого способа измеряют критический, или предельный угол, при котором наблюдается эффект нарушения полного внутреннего отражения на границе двух сред, показатель преломления одной из которых известен. Как правило, в качестве измерительного элемента с известным показателем преломления используется стеклянная призма, хотя имеется возможность использования и других оптических элементов: полусферы, плоскопараллельных пластин и др. [1].A method of measuring the refractive index using the phenomenon of total internal reflection (the method of limiting angle) has been known for a long time [1]. When using this method, the critical or limiting angle is measured at which the effect of violation of the total internal reflection at the boundary of two media is observed, the refractive index of one of which is known. As a rule, a glass prism is used as a measuring element with a known refractive index, although it is possible to use other optical elements: hemispheres, plane-parallel plates, etc. [1].

Известны два варианта измерения критического угла:Two options for measuring the critical angle are known:

- на плоскость соприкосновения двух сред направляют пучок лучей света со стороны среды с большим показателем преломления и регистрируют отраженный свет,- on the plane of contact of the two media direct a beam of light rays from the side of the medium with a large refractive index and register the reflected light,

- на плоскость соприкосновения двух сред направляют скользящий пучок света со стороны среды с меньшим показателем преломления и регистрируют преломленные лучи света. Этот вариант пригоден только для прозрачных сред.- on the plane of contact of the two media direct a sliding beam of light from the side of the medium with a lower refractive index and register the refracted rays of light. This option is only suitable for transparent environments.

В обоих вариантах регистрируют положение границы света и тени, зависящее от критического угла, по которому определяют показатель преломления исследуемого вещества.In both cases, the position of the border of light and shadow, depending on the critical angle, is determined by which the refractive index of the test substance is determined.

Критический угол измеряют каким-либо угломерным устройством, показания которого переводят в показатель преломления исследуемого вещества.The critical angle is measured by any goniometric device, the readings of which are converted into the refractive index of the test substance.

Недостаток известных способов состоит в том, что измерения предельного угла проводят по границе света и тени, которая недостаточно четкая для высокоточных измерений, а это приводит к погрешностям определения коэффициента преломления. Кроме того, положение границы света и тени замеряется в одной точке - точке пересечения границы либо со шкалой, либо с одним элементом фотоприемной линейки, что также не способствует получению высокой точности измерений показателя преломления.A disadvantage of the known methods is that the measurement of the limiting angle is carried out at the border of light and shadow, which is not clear enough for high-precision measurements, and this leads to errors in determining the refractive index. In addition, the position of the border of light and shadow is measured at one point - the point of intersection of the border with either the scale or with one element of the photodetector line, which also does not contribute to obtaining high accuracy of measurements of the refractive index.

Широко известны устройства, построенные на методе предельного угла, например, проточные рефрактометры серии PR фирмы K-PATENTS [2]. 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.Widely known are devices based on the method of limiting angle, for example, flow-through refractometers of the PR series from K-PATENTS [2]. In these devices using the method of limiting angle, the optical element - a prism - is in contact with the test substance. The boundary between two media: the optical element and the test substance is illuminated by a non-parallel beam of light. Part of the light rays incident on the contact boundary at an angle less than critical goes into the test substance, and part of the light rays incident at large angles on the contact border undergoes total internal reflection and is projected onto a photodetector (FPU) - CCD line. The position of the border of light and shadow on a CCD line determines the refractive index of the test substance.

Недостаток известного устройства кроется в недостатке применяемого способа: отсчет ведется по одной точке пересечения нечеткой границы света и тени на одном фотоприемном элементе.A disadvantage of the known device lies in the disadvantage of the applied method: the countdown is carried out at one point of intersection of the fuzzy border of light and shadow on one photodetector.

Предлагаемый способ определения показателя преломления и построенное на его основе устройство призвано устранить указанные выше недостатки.The proposed method for determining the refractive index and the device built on its basis is designed to eliminate the above disadvantages.

В предлагаемом способе измерения показателя преломления, также использующем метод предельного угла, 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 (ФПУ).In the proposed method of measuring the refractive index, also using the method of limiting angle, the test substance is in contact with the working face of the prism with a known refractive index exceeding the refractive indices of the investigated substances. The plane of contact through the first side face of the prism is illuminated by a diverging beam of light from a monochromatic point or slit light source. The part of the light that has undergone total internal reflection on the plane of contact of the working face of the prism with the test substance is sent through the second side face of the prism to a multi-element matrix photodetector (FPU).

Отличие предлагаемого способа состоит в том, что показатель преломления исследуемого вещества определяют по относительной площади тени на фоточувствительной поверхности матричного ФПУ, полученной от исследуемого вещества, а относительную площадь тени на фоточувствительной поверхности ФПУ находят путем многократного считывания сигналов со всех фоточувствительных элементов ФПУ, амплитуду сигналов которых сравнивают с заданным пороговым значением, и вычисляют отношение числа сигналов, не достигших порогового значения, к общему числу считанных с ФПУ сигналов. Указанное отношение пропорционально относительной площади тени на фоточувствительной поверхности ФПУ. Под относительной площадью тени понимается отношение площади тени к площади всей фоточувствительной поверхности ФПУ.The difference of the proposed method is that the refractive index of the test substance is determined by the relative area of the shadow on the photosensitive surface of the matrix FPU obtained from the test substance, and the relative area of the shadow on the photosensitive surface of the FPU is found by repeatedly reading the signals from all the photosensitive elements of the FPU, the signal amplitude of which compare with a given threshold value, and calculate the ratio of the number of signals that have not reached the threshold value to the total number read from the PD signals. The indicated ratio is proportional to the relative area of the shadow on the photosensitive surface of the FPU. The relative shadow area refers to the ratio of the shadow area to the area of the entire photosensitive surface of the FPU.

Другими словами, существенные отличия состоят в том, что, во-первых, измерение ведут не по одной точке на границе света и тени, а по всей площади тени, включая границу света и тени; во-вторых, относительную площадь тени вычисляют по отношению незасвеченных фоточувствительных элементов матрицы ФПУ к их общему числу. Благодаря такому подходу погрешность измерения показателя преломления, вызванная нечеткостью границы света и тени, существенно снижается за счет осреднения большого числа единичных измерений по всему множеству фоточувствительных элементов ФПУ.In other words, the essential differences are that, firstly, the measurement is carried out not on one point at the border of light and shadow, but on the entire area of the shadow, including the border of light and shadow; secondly, the relative shadow area is calculated by the ratio of the unlit photosensitive elements of the FPU matrix to their total number. Thanks to this approach, the error in the measurement of the refractive index, caused by the fuzziness of the border of light and shadow, is significantly reduced due to the averaging of a large number of individual measurements over the entire set of photosensitive elements of FPU.

Функциональную зависимость показателя преломления от относительной площади тени на ФПУ для каждого конкретного устройства (рефрактометра) определяют хорошо известным способом тарировки по эталонным жидкостям с известными показателями преломления, например, калиброванным водным растворам кислот, солей, оснований, сахарозы и др. ([1], таблицы 6-8). Найденная функциональная зависимость записывается в постоянную память микропроцессора.The functional dependence of the refractive index on the relative shadow area on the FPU for each specific device (refractometer) is determined by a well-known calibration method for reference liquids with known refractive indices, for example, calibrated aqueous solutions of acids, salts, bases, sucrose, etc. ([1], tables 6-8). The found functional dependence is recorded in the permanent memory of the microprocessor.

Сущность изобретения поясняется чертежами (см. фиг.1, 2, 3, 4). На фиг.1 схематично представлен ход лучей света в измерительном элементе, который для примера выполнен в виде призмы, на фиг.2 и 3 - распределение тени и света на фоточувствительной поверхности ФПУ для веществ с различными показателями преломления, на фиг.4 - функциональная схема устройства (рефрактометра).The invention is illustrated by drawings (see figure 1, 2, 3, 4). Figure 1 schematically shows the course of light rays in the measuring element, which for example is made in the form of a prism, figure 2 and 3 - the distribution of shadow and light on the photosensitive surface of the FPU for substances with different refractive indices, figure 4 - functional diagram devices (refractometer).

Расходящийся световой поток от источника света 1 через щелевую диафрагму 2 (см. фиг.1) направляется на плоскость раздела двух сред 3: призмы 4 и исследуемого вещества 5, показатель преломления которого должен быть меньше показателя преломления призмы. Для расширения номенклатуры исследуемых веществ показатель преломления призмы 4 должен быть как можно больше. В качестве материала призмы могут быть рекомендованы сапфир (nD=1,76808) и стекло марки СТК-9 по ГОСТ 13659-78 (nD=1,7460), имеющие высокий показатель преломления и хорошую механическую прочность.The diverging light flux from the light source 1 through the slit diaphragm 2 (see Fig. 1) is directed to the plane of separation of two media 3: prism 4 and the test substance 5, the refractive index of which should be less than the refractive index of the prism. To expand the range of the investigated substances, the refractive index of prism 4 should be as large as possible. As a prism material, sapphire (n D = 1.76808) and STK-9 glass according to GOST 13659-78 (n D = 1.7460) having a high refractive index and good mechanical strength can be recommended.

Луч «с» падает на плоскость раздела под критическим углом. Лучи, падающие под меньшими углами к плоскости раздела (типа луча «а»), уйдут в исследуемое вещество 5, а лучи, падающие под большими углами к плоскости раздела (типа луча «б»), будут претерпевать полное внутреннее отражение и попадать на фоточувствительную поверхность 6 ФПУ 7. При этом часть фоточувствительной поверхности 6 окажется незасвеченной (от начала фоточувствительной поверхности 6 до луча «с»), а часть - засвеченной (от луча «с» до конца фоточувствительной поверхности 6). Величина незасвеченной площади фоточувствительной поверхности ФПУ находится в зависимости от показателя преломления исследуемого вещества. Следовательно, измерив незасвеченную часть площади фоточувствительной поверхности ФПУ, можно найти показатель преломления исследуемого вещества. Чтобы исключить зависимость результата измерений от площади фоточувствительной поверхности ФПУ, замеряют относительную площадь тени: площадь тени, отнесенную ко всей фоточувствительной поверхности ФПУ.Ray “c” falls on the separation plane at a critical angle. Rays incident at smaller angles to the separation plane (such as beam "a") will go into the test substance 5, and rays incident at large angles to the separation plane (such as beam "b") will undergo total internal reflection and fall on the photosensitive surface 6 FPU 7. In this case, part of the photosensitive surface 6 will be unlit (from the beginning of the photosensitive surface 6 to the beam "c"), and part - illuminated (from the beam "c" to the end of the photosensitive surface 6). The magnitude of the unlit area of the photosensitive surface of the FPU is dependent on the refractive index of the test substance. Therefore, by measuring the unlit portion of the photosensitive surface of the FPU, we can find the refractive index of the test substance. To exclude the dependence of the measurement result on the area of the photosensitive surface of the FPU, measure the relative area of the shadow: the area of the shadow, referred to the entire photosensitive surface of the FPU.

На фиг.2 приведен пример распределения света и тени на фоточувствительной поверхности ФПУ для исследуемого вещества с относительно низким показателем преломления, а на фиг.3 - с более высоким показателем преломления.Figure 2 shows an example of the distribution of light and shadow on the photosensitive surface of the FPU for the test substance with a relatively low refractive index, and in figure 3 with a higher refractive index.

Площадь тени вычисляется по числу незасвеченных фоточувствительных элементов ФПУ. Осуществляя выборку элементов ФПУ и сравнивая сигнал с них с заданным порогом, определяют число незасвеченных элементов ФПУ. Далее находят отношение незасвеченных элементов к общему числу элементов ФПУ, которое пропорционально относительной площади тени. Выборку элементов можно проводить как детерминированно, например, построчной выборкой всех элементов ФПУ, так и случайным образом (метод Монте-Карло [4]). Необходимым условием является равная вероятность выборки для любого элемента ФПУ.The shadow area is calculated by the number of unlit photosensitive elements of the FPU. By sampling the elements of the FPU and comparing the signal from them with a given threshold, determine the number of unlit elements of the FPU. Next, find the ratio of unlit elements to the total number of elements of the FPU, which is proportional to the relative area of the shadow. The selection of elements can be carried out both deterministically, for example, by line-by-line sampling of all FPU elements, or randomly (Monte Carlo method [4]). A prerequisite is an equal probability of sampling for any element of the FPU.

Устройства, реализующие метод предельного угла, также известны давно. Например, автоматические рефрактометры [4], [5], [6], которые содержат источник света, измерительную призму, фотоприемные устройства (ФПУ) и устройства обработки сигналов ФПУ, нормирующие выходной сигнал.Devices implementing the limit angle method have also been known for a long time. For example, automatic refractometers [4], [5], [6], which contain a light source, a measuring prism, photodetectors (FPUs) and FPU signal processing devices that normalize the output signal.

Известно также применение матричного многоэлементного фотоприемника в дифференциальном рефрактометре для измерения показателя преломления по величине смещения положения изображения щели относительно начального положения [7].It is also known to use a multi-element matrix photodetector in a differential refractometer for measuring the refractive index by the magnitude of the shift in the position of the image of the slit relative to the initial position [7].

Рефрактометр, использующий метод предельного угла [8], содержит осветитель с оптической схемой и преломляющую призму, реализующие метод предельного угла, выходную оптическую схему с зеркалом, ФПУ в виде линейки светочувствительных элементов, микропроцессор и дисплей. Оптическая схема осветителя формирует световые лучи, которые направляются на входную боковую грань призмы, выполненной из стекла с высоким показателем преломления. Рабочая грань призмы соприкасается с исследуемым веществом, имеющим меньший показатель преломления. Выходная оптическая схема сопряжена с другой боковой гранью призмы и с помощью зеркала направляет световые лучи на ФПУ. Выход ФПУ подключен к микропроцессору, предназначенному для вычисления показателя преломления исследуемого вещества. Выход микропроцессора соединен с дисплеем, на котором отображаются результаты проведенных измерений.A refractometer using the limit angle method [8] contains a illuminator with an optical circuit and a refracting prism that implements the limit angle method, an output optical circuit with a mirror, an FPU in the form of a line of photosensitive elements, a microprocessor, and a display. The optical scheme of the illuminator generates light rays that are directed to the input side face of the prism made of glass with a high refractive index. The working face of the prism is in contact with the test substance, which has a lower refractive index. The output optical circuit is coupled to another side face of the prism and directs light rays to the FPU using a mirror. The output of the FPU is connected to a microprocessor designed to calculate the refractive index of the test substance. The microprocessor output is connected to a display on which the results of the measurements are displayed.

Недостатки известного устройства состоят в том, что:The disadvantages of the known device are that:

- осветитель с оптической схемой, призма, выходная оптическая схема, зеркало и ФПУ конструктивно разобщены друг от друга, что вызывает появление погрешности из-за температурных и механических деформаций основания и крепления указанных элементов;- a illuminator with an optical circuit, a prism, an output optical circuit, a mirror, and a FPU are structurally disconnected from each other, which causes an error due to thermal and mechanical deformations of the base and mounting of these elements;

- измерение ведется по линейке светочувствительных элементов, что исключает возможность пространственного осреднения и, следовательно, ограничивает точность измерения показателя преломления;- the measurement is carried out on a line of photosensitive elements, which eliminates the possibility of spatial averaging and, therefore, limits the accuracy of the measurement of the refractive index;

- сложность измерительной части и конструкции рефрактометра в целом, наличие большого количества узлов и необходимость их взаимной регулировки и юстировки снижают технологичность изделия и повышают его себестоимость.- the complexity of the measuring part and the design of the refractometer as a whole, the presence of a large number of nodes and the need for their mutual adjustment and adjustment reduce the manufacturability of the product and increase its cost.

Предлагаемое устройство призвано снизить указанные недостатки, повысить точность измерения показателя преломления, а также повысить технологичность конструкции и, следовательно, уменьшить себестоимость изделия, что является существенным фактором при серийном производстве.The proposed device is designed to reduce these disadvantages, improve the accuracy of measuring the refractive index, as well as improve the manufacturability of the design and, therefore, reduce the cost of the product, which is a significant factor in mass production.

Предлагаемое устройство содержит (см. фиг.1 и 4) измерительную призму 4, на первой боковой грани которой нанесена щелевая диафрагма 2, за которой приклеен к призме источник света - светодиод 1, а ко второй боковой грани призмы 4 приклеено ФПУ 7. Третья грань призмы 4 является плоскостью раздела 3, через которую осуществляется оптический контакт с исследуемым веществом 5. Светодиод 1 со щелевой диафрагмой 2, измерительная призма 4 и ФПУ 7 составляют единый монолитный измерительный блок. ФПУ выполнено на основе многоэлементной фотоприемной матрицы, например, ПЗС или КМОП телевизионной матрицы. Выход ФПУ 7 подключен к пороговому устройству 8, выход которого соединен с первым входом ключа 9, ко второму входу которого подключен выход генератора импульсов 10. Выходы ключа 9 и генератора импульсов 10 подключены к счетным входам счетчиков импульсов 11 и 12 соответственно. Выходы счетчиков 11 и 12 подключены к информационным входам микропроцессора 13, управляющий выход которого соединен со входами установки нуля счетчиков 11 и 12. Выход микропроцессора 13 соединен с дисплеем 14.The proposed device contains (see Figs. 1 and 4) a measuring prism 4, on the first side face of which a slit diaphragm 2 is applied, behind which a light source - LED 1 is glued to the prism, and FPU 7 is glued to the second side face of the prism 4. Third face prism 4 is a section 3 plane through which optical contact is made with the test substance 5. LED 1 with a slit diaphragm 2, measuring prism 4 and FPU 7 form a single monolithic measuring unit. FPU is made on the basis of a multi-element photodetector, for example, a CCD or CMOS television matrix. The output of the FPU 7 is connected to a threshold device 8, the output of which is connected to the first input of the key 9, to the second input of which the output of the pulse generator 10 is connected. The outputs of the key 9 and the pulse generator 10 are connected to the counting inputs of the pulse counters 11 and 12, respectively. The outputs of the counters 11 and 12 are connected to the information inputs of the microprocessor 13, the control output of which is connected to the zero-setting inputs of the counters 11 and 12. The output of the microprocessor 13 is connected to the display 14.

Устройство работает следующим образом. Сформированные щелевой диафрагмой 2 расходящиеся световые лучи от источника света 1 направляются на плоскость раздела двух сред 3: призмы 4 и исследуемого вещества 5. На рабочей грани призмы 4, материализующей плоскость раздела 3, часть лучей света претерпевает полное внутреннее отражение и через вторую грань призмы 4 попадает на ФПУ 7, другая часть лучей уходит в исследуемое вещество 5. На фоточувствительной поверхности 6 ФПУ 7 формируется изображение в виде светлого и темного участков. Соответственно на выходе ФПУ 7 появляются сигналы разной амплитуды: светлому участку соответствует сигнал большой амплитуды, темному - малой.The device operates as follows. The diverging light rays formed by the slit diaphragm 2 from the light source 1 are directed to the separation plane of two media 3: prism 4 and the test substance 5. On the working edge of the prism 4, materializing the separation plane 3, some light rays undergo complete internal reflection through the second face of the prism 4 falls on FPU 7, another part of the rays goes into the test substance 5. On the photosensitive surface 6 of the FPU 7, an image is formed in the form of light and dark areas. Accordingly, at the output of the FPU 7, signals of different amplitudes appear: the bright section corresponds to a signal of large amplitude, the dark to small.

Пороговое устройство 8 осуществляет сравнение амплитуды сигналов ФПУ 7 с пороговым значением. Пороговое значение равно примерно 2/3 от уровня сигналов со светлого участка ФПУ. Сигналы, амплитуда которых выше порогового значения, вызывают срабатывание порогового устройства 8, при этом пороговое устройство закрывает ключ 9 и запрещает прохождение импульсов от генератора 10 на вход счетчика импульсов 11. Если сигналы с ФПУ 7 ниже порогового значения, то пороговое устройство 8 не срабатывает, ключ остается открытым и пропускает импульсы генератора 10 на счетчик 11. Счетчик 11 подсчитывает число импульсов, прошедших через ключ 9, счетчик 12 - общее число импульсов генератора 10.The threshold device 8 compares the amplitude of the signals of the FPU 7 with a threshold value. The threshold value is approximately 2/3 of the signal level from the light portion of the FPU. Signals whose amplitude is higher than the threshold value trigger the threshold device 8, while the threshold device closes the key 9 and prohibits the passage of pulses from the generator 10 to the input of the pulse counter 11. If the signals from the FPU 7 are lower than the threshold value, then the threshold device 8 does not work, the key remains open and passes the pulses of the generator 10 to the counter 11. Counter 11 counts the number of pulses passing through the key 9, counter 12 - the total number of pulses of the generator 10.

Микропроцессор 13 принимает значения со счетчиков 11 и 12 и вычисляет их отношение. Далее микропроцессор 13 вычисляет по полученному отношению коэффициент преломления исследуемого вещества 4. Очевидно, что чем больше произведено единичных измерений (чем больше подсчитано импульсов), тем точнее, благодаря осреднению, будет результат измерений. Микропроцессор 13 задает необходимое число измерений, достаточное для получения заданной точности, по прошествии которого выдает информацию на дисплей 14 и одновременно формирует импульс установки на ноль счетчиков 11 и 12 для начала процесса нового измерения.The microprocessor 13 takes values from the counters 11 and 12 and calculates their ratio. Further, the microprocessor 13 calculates the refractive index of the analyte 4 from the obtained ratio. It is obvious that the more individual measurements are made (the more pulses are counted), the more accurate, due to averaging, will be the measurement result. The microprocessor 13 sets the required number of measurements, sufficient to obtain the specified accuracy, after which it displays information on the display 14 and at the same time generates an impulse to set the counters 11 and 12 to zero to start the new measurement process.

Предлагаемый способ и построенное на его основе устройство позволяют получить высокую точность измерения показателя преломления, автоматизировать процесс измерения, а также повысить технологичность конструкции устройства для измерения показателя преломления.The proposed method and the device built on its basis make it possible to obtain high accuracy in measuring the refractive index, automate the measurement process, and also improve the manufacturability of the design of the device for measuring the refractive index.

Повышение точности измерения достигается за счет:Improving the accuracy of the measurement is achieved by:

- использования пространственных (измерение площади) параметров при измерении, а не временных (длительностей, периодов, частот и т.п.), которые вносят элементы нестабильности при измерениях. Так, в приведенном примере выполнения устройства нестабильность частоты генератора импульсов 10 совершенно не влияет на точность измерения показателя преломления;- use of spatial (area measurement) parameters during measurement, and not time (durations, periods, frequencies, etc.), which introduce elements of instability during measurements. So, in the above example, the instability of the frequency of the pulse generator 10 does not affect the accuracy of the measurement of the refractive index;

- создания единого монолитного (источник света - призма-ФПУ) измерительного блока, что существенно снижает расстраиваемость оптической системы и практически исключает температурные и механические погрешности измерительной системы устройства;- creating a single monolithic (light source - prism-FPU) measuring unit, which significantly reduces the frustration of the optical system and virtually eliminates the temperature and mechanical errors of the measuring system of the device;

- большого количества элементов и высокого пространственного разрешения ФПУ (использование сотен строк с сотнями элементов в одной строке, расположенных с шагом в несколько микрон), участвующих в измерении;- a large number of elements and high spatial resolution of the FPU (the use of hundreds of lines with hundreds of elements in one line, located in increments of several microns) involved in the measurement;

- осреднения результатов большого числа единичных (с каждого элемента ФПУ) измерений.- averaging the results of a large number of individual (from each element of the FPU) measurements.

Упрощение конструкции рефрактометров, реализующих предлагаемый способ, достигается благодаря крайне простой оптической схеме рефрактометра (см. фиг.1): источник света с диафрагмой - призма-ФПУ.Simplification of the design of refractometers that implement the proposed method is achieved due to the extremely simple optical design of the refractometer (see Fig. 1): a light source with a diaphragm - a prism-FPU.

Высокая технологичность обеспечивается за счет исключения взаимной регулировки и юстировки элементов измерительной части рефрактометра, а начальная выставка параметров обеспечивается программными средствами, заложенными в микропроцессор, с помощью эталонных жидкостей с известными показателями преломления.High manufacturability is ensured by eliminating mutual adjustment and alignment of the elements of the measuring part of the refractometer, and the initial exhibition of parameters is provided by software embedded in the microprocessor using reference liquids with known refractive indices.

Предлагаемый способ и основанное на нем устройство предполагают использование современных высоких технологий, таких как малогабаритные высокоразрешающие ФПУ (ПЗС-матрицы, КМОП-матрицы и т.п.), микропроцессоры (микроконтроллеры) с соответствующим программным обеспечением, малогабаритные полупроводниковые источники света (монохроматические светодиоды). Все это позволяет создать малогабаритные, в том числе карманные, средства измерения показателя преломления различных веществ, а по показателю преломления находить потребительские параметры веществ (концентрация определенных веществ: сахара, соли и т.п.в продуктах; сухой остаток: шкала Brix; процент содержания спирта в ликеро-водочных продуктах и др.), которые могут быть вычислены микропроцессором по известным зависимостям или занесены в виде таблиц в его память.The proposed method and the device based on it involve the use of modern high technologies, such as small-sized high-resolution FPUs (CCD arrays, CMOS arrays, etc.), microprocessors (microcontrollers) with the appropriate software, small-sized semiconductor light sources (monochromatic LEDs) . All this allows you to create small-sized, including pocket, means of measuring the refractive index of various substances, and by the refractive index to find consumer parameters of substances (concentration of certain substances: sugar, salt, etc. in products; dry residue: Brix scale; percentage of content alcohol in alcoholic beverages, etc.), which can be calculated by a microprocessor according to known dependencies or listed in tables in its memory.

ЛитератураLiterature

1. Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы химии, главы 7-9, изд. "Химия", Ленинградское отделение, 1974 г.1. Ioffe B.V. Refractometric Methods of Chemistry, chapters 7–9, ed. "Chemistry", Leningrad branch, 1974

2. Х.Сало. Рефрактометр, патент США №6067151, МПК G 01 N 21/41, 23 мая 2000 г.2. H. Salo. Refractometer, US patent No. 6067151, IPC G 01 N 21/41, May 23, 2000

3. Н.П.Бусленко, Ю.А.Шрейдер. Метод статистических испытаний. М., Гос. издат. физико-математической литературы, 1961 г.3. N.P. Buslenko, Yu.A. Schreider. Statistical Test Method. M., State. published physical and mathematical literature, 1961

4. А.Г.Климанов, В.К.Шуваев. Рефрактометр, заявка №93010878, МПК G 01 N 21/41, дата подачи заявки - 01.03.93 г., дата публикации - 27.02.95 г., Россия.4. A.G. Klimanov, V.K. Shuvaev. Refractometer, application No. 93010878, IPC G 01 N 21/41, application filing date 01.03.93, publication date 02.27.95, Russia.

5. Л.П.Брусиловский и др. Автоматический рефрактометр для контроля параметров жидких сред, заявка №2113710, МПК G 01 N 33/04, G 01 N 21/43, дата подачи заявки - 26.12.97 г., дата публикации - 20.06.98 г., Россия.5. L.P. Brusilovsky and others. Automatic refractometer for monitoring the parameters of liquid media, application No. 21113710, IPC G 01 N 33/04, G 01 N 21/43, application filing date - 12/26/97, publication date - 06/20/98, Russia.

6. А.И.Пеньковский, Н.А.Петрановский. Рефрактометр, заявка №2049985, МПК G 01 N 21/43, дата подачи заявки - 28.08.92 г., дата публикации - 10.12.95 г., Россия.6. A.I. Penkovsky, N.A. Petranovsky. Refractometer, application No. 2049985, IPC G 01 N 21/43, application filing date - 08/28/92, publication date - 10/12/95, Russia.

7. А.И.Пеньковский и др. Способ измерения крепости водки и устройство для его осуществления, патент РФ №2241220, МПК G 01 N 33/14, приоритет 13 декабря 2001 г., дата публикации 27 ноября 2004 г., Бюл. №33.7. A.I. Penkovsky et al. Method for measuring the strength of vodka and device for its implementation, RF patent No. 2241220, IPC G 01 N 33/14, priority December 13, 2001, publication date November 27, 2004, Bull. No. 33.

8. К.Д.Шарма, К.Р.Блейли. Ручной карманный автоматический рефрактометр, патент США №6816248, МПК G 01 N 21/41,09 ноября 2004 г.8.K.D. Sharma, K.R. Bleyley. Hand-held pocket automatic refractometer, US patent No. 6816248, IPC G 01 N 21 / 41.09 November 2004

Claims (3)

1. Способ измерения показателя преломления, основанный на явлении полного внутреннего отражения на плоскости соприкосновения исследуемого вещества с оптическим элементом, которую освещают расходящимся монохроматическим пучком света от точечного или щелевого источника света, часть света, претерпевшую полное внутреннее отражение, направляют на многоэлементное матричное фотоприемное устройство (ФПУ), на фоточувствительной поверхности которого формируют зоны света и тени, отличающийся тем, что показатель преломления исследуемого вещества определяют по относительной площади тени на фоточувствительной поверхности матричного ФПУ, а относительную площадь тени находят путем многократного считывания сигналов со всех фоточувствительных элементов ФПУ, амплитуду сигналов которых сравнивают с заданным пороговым значением, подсчитывают число сигналов, не достигших порогового значения, и общее число считанных с ФПУ сигналов, и вычисляют отношение числа сигналов, не достигших заданного значения, к общему числу считанных сигналов, которое пропорционально относительной площади тени.1. The method of measuring the refractive index, based on the phenomenon of total internal reflection on the plane of contact of the test substance with the optical element, which is illuminated by a diverging monochromatic beam of light from a point or slit light source, the part of the light that underwent total internal reflection is sent to a multi-element matrix photodetector ( FPU), on the photosensitive surface of which zones of light and shadow are formed, characterized in that the refractive index of the investigated substance TWA is determined by the relative area of the shadow on the photosensitive surface of the matrix FPU, and the relative area of the shadow is found by repeatedly reading the signals from all the photosensitive elements of the FPU, the signal amplitude of which is compared with a predetermined threshold value, the number of signals that have not reached the threshold value is calculated, and the total number read from FPU signals, and calculate the ratio of the number of signals that have not reached a given value to the total number of read signals, which is proportional to the relative area di shadows. 2. 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.2. A device for measuring the refractive index containing a light source, an optical element made in the form of a prism made of glass with a high refractive index, the working face of which is in contact with the test substance, an array photodetector (FPU), a microprocessor and a display connected to the information output of the microprocessor characterized in that a threshold device, a pulse generator, a key and two pulse counters are introduced into it, wherein the output of the FPU is connected to a threshold device, the output of which is connected to the control input of the key, to the signal input of which the output of the pulse generator is connected, the outputs of the key and the pulse generator are connected to the counting inputs of the corresponding counters, the outputs of the counters are connected to the corresponding information inputs of the microprocessor, and the inputs for setting the counters zero are connected to the control output of the microprocessor. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что источник света выполнен в виде щелевой диафрагмы, нанесенной на входную боковую грань призмы, и светодиода, установленного сразу за щелью и приклеенного к боковой грани призмы, а ФПУ приклеено ко второй боковой грани призмы.3. The device according to claim 2, characterized in that the light source is made in the form of a slit diaphragm deposited on the input side face of the prism, and an LED mounted immediately behind the slit and glued to the side face of the prism, and the FPU is glued to the second side face of the prism.
RU2005106125/28A 2005-03-09 2005-03-09 Method and device for measuring refractivity RU2292038C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005106125/28A RU2292038C2 (en) 2005-03-09 2005-03-09 Method and device for measuring refractivity

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005106125/28A RU2292038C2 (en) 2005-03-09 2005-03-09 Method and device for measuring refractivity

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2005106125A RU2005106125A (en) 2006-08-20
RU2292038C2 true RU2292038C2 (en) 2007-01-20

Family

ID=37060156

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005106125/28A RU2292038C2 (en) 2005-03-09 2005-03-09 Method and device for measuring refractivity

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2292038C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2562270C2 (en) * 2014-01-31 2015-09-10 Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" (АО "Швабе - Технологическая лаборатория") Method for measurement of refraction and dispersion index and device of its implementation
RU2563543C2 (en) * 2014-01-31 2015-09-20 Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" (АО "Швабе-Технологическая лаборатория") Method and device to measure refraction index
RU167778U1 (en) * 2016-01-11 2017-01-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского" Device for determining the content of titanium (III) in solutions

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2562270C2 (en) * 2014-01-31 2015-09-10 Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" (АО "Швабе - Технологическая лаборатория") Method for measurement of refraction and dispersion index and device of its implementation
RU2563543C2 (en) * 2014-01-31 2015-09-20 Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" (АО "Швабе-Технологическая лаборатория") Method and device to measure refraction index
RU167778U1 (en) * 2016-01-11 2017-01-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского" Device for determining the content of titanium (III) in solutions

Also Published As

Publication number Publication date
RU2005106125A (en) 2006-08-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7469601B2 (en) Flow meter using digital signals
US20110188030A1 (en) Microelectronic sensor device for optical examinations in a sample medium
EP1634058B1 (en) Light source wavelength correction
US6734956B2 (en) Optical configuration and method for differential refractive index measurements
RU2292038C2 (en) Method and device for measuring refractivity
US6816248B2 (en) Hand-held automatic refractometer
US3386332A (en) Differential refractometry
GB2197068A (en) Optical sensor device
CN103323427A (en) On-line self-calibration turbidity meter and turbidity detection method
CN100590420C (en) Refractometer cell for both absolute and differential refractive index measurement of fluids
US20050007596A1 (en) Apparatus and method for increasing the sensitivity of in-line infrared sensors
US6844537B2 (en) Method and device for measuring the velocity of a moving surface
RU2562270C2 (en) Method for measurement of refraction and dispersion index and device of its implementation
FI89412C (en) Method and polarimeter for measuring widening of the polarization plane in sugar or other solution
JPH0599659A (en) Method and device for measuring light-beam incident angle and usage of distance measuring equipment
RU2563543C2 (en) Method and device to measure refraction index
CN201903498U (en) Integrating sphere for dry type chemical detection
CN214408685U (en) Food analyzer based on total reflection refraction method
Svirskis et al. Proposal for a New Differential High-Sensitivity Refractometer for the Simultaneous Measurement of Two Refractive Indices and Their Differences
SU1024740A1 (en) Optical electronic discrete level indicator
SU1420387A1 (en) Quick-operating spectrometer
RU2032166C1 (en) Method of determination of refractive index of wedge-shaped articles
SU1122940A1 (en) Device for measuring refractive index of absorbing medium
SU593122A1 (en) Method of measuring refractive index of substance
RU2241220C2 (en) Method for measuring strength of vodka and device for realization of said method

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20070310

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20100310