RU2315286C1

RU2315286C1 - Video refractometer

Info

Publication number: RU2315286C1
Application number: RU2006122446/28A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Сергеевич Зайцев; Владимир Степанович Солдатов; Сурен Петросович Буюкян; Геннадий Евгеньевич Рязанцев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Научно-Производственная Фирма "Специальные технологии"
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2008-01-20

Abstract

FIELD: measuring technique.

SUBSTANCE: video refractometer can be used for measuring refractivity of gases, liquids, glasses and other transparent media. Video refractometer has photoreceiver made in for of television camera. Light-emitting diodes 5 are mounted onto case of TV camera. Light-emitting diodes are disposed along circle. Center of circle belongs to optical axis of TV camera. Video refractometer also has registration device 7 and mirror 6. TV camera has case 1, electric plate 2, CCD array 3 and objective 4, Mirror 6 is mounted in front of TV camera in perpendicular to its optical axis at distance defined by formula S=(f(D-d)/2M)/n_max, where n_max is maximal coefficient of refractivity of tested medium placed between TV camera and mirror; f is focal length of objective of camera; D is diameter of circle onto which circle the light-emitting diodes are mounted; d are diameters of light-emitting diodes, M is minimal size of photosensitive area of CCD array.

EFFECT: improved precision of measurement; ability of making measurements due to submerge of video refractometer in tested fluids or gases.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и, в частности, для измерения показателя преломления жидкостей, газов, стекол и других оптически прозрачных сред.The invention relates to the field of measuring equipment and, in particular, for measuring the refractive index of liquids, gases, glasses and other optically transparent media.

Показатель преломления характеризует свойства сред, через границу раздела которых проходит свет, его значение зависит от длины волны света и вычисляется по формуле /1/:The refractive index characterizes the properties of media through which light passes, its value depends on the wavelength of light and is calculated by the formula / 1 /:

где i и r - соответственно углы падения и преломления света на границе двух сред.where i and r are the angles of incidence and refraction of light at the interface of two media, respectively.

Известен рефрактометр Аббе, содержащий источник света, направляемый на границу двух сред, и зрительную трубу, устанавливаемую под определенным углов к границе сред /2/. Показатель преломления отсчитывается по шкале, связанной с углом поворота зрительной трубы, погрешность измерений не превышает 0,1%.Known Abbe refractometer containing a light source directed to the boundary of two media, and a telescope mounted at certain angles to the border of the media / 2 /. The refractive index is measured on a scale related to the angle of rotation of the telescope, the measurement error does not exceed 0.1%.

Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков (прототипом) служит рефрактометр ИРФ-454Б2М, содержащий источник света, направляемый к границе сред, и приемник света в виде зрительной трубы, устанавливаемой под отсчитываемым углом к границе сред /3/. Он служит для определения показателя преломления жидкости, в частности нефти. Капля исследуемой жидкости вводится в оптическую схему рефрактометра, а показатель преломления определяется по угловому положению зрительной трубы.The closest to the claimed invention in terms of features (prototype) is an IRF-454B2M refractometer containing a light source directed to the media boundary and a light receiver in the form of a telescope mounted at a measured angle to the media boundary / 3 /. It serves to determine the refractive index of a liquid, in particular oil. A drop of the test liquid is introduced into the optical system of the refractometer, and the refractive index is determined by the angular position of the telescope.

Прототип обладает следующими недостатками:The prototype has the following disadvantages:

- показатель преломления определяется для небольшого количества жидкости (капля жидкости) и он может отличаться от основной массы жидкости, что служит источником погрешности измерений;- the refractive index is determined for a small amount of liquid (drop of liquid) and it may differ from the bulk of the liquid, which serves as a source of measurement error;

- за время измерений легкие фракции нефти испаряются, что служит дополнительным источником погрешности измерений;- during the measurement, light oil fractions evaporate, which serves as an additional source of measurement error;

- измерения связаны с перемещением зрительной трубы и визуальным считыванием показаний прибора, что ограничивает точность измерений;- measurements are associated with the movement of the telescope and the visual reading of the instrument, which limits the accuracy of the measurements;

- прототип, ввиду его конструктивных особенностей, не позволяет измерять показатель преломления газов и стекол.- the prototype, due to its design features, does not allow to measure the refractive index of gases and glasses.

Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в устранении указанных недостатков путем:The problem solved by the present invention is to eliminate these disadvantages by:

- исключения из конструкции прибора перемещаемых узлов;- exceptions to the design of the device moving nodes;

- выполнения измерений в автоматизированном режиме;- taking measurements in an automated mode;

- выполнения измерений, помимо жидкости, также для газов и стекол.- taking measurements, in addition to liquid, also for gases and glasses.

Для решения этой задачи в предлагаемом видеорефрактометре, содержащем источник света, фотоприемник и регистрирующее устройство, в соответствии с изобретением и в отличие от прототипа фотоприемник выполнен в виде телекамеры с ПЗС-матрицей, источник света содержит не менее трех светодиодов, размещенных на корпусе телекамеры по окружности, центр которой находится на оптической оси телекамеры, кроме того, видеорефрактометр снабжен зеркалом, установленным перед телекамерой перпендикулярно ее оптической оси на расстоянии, определяемом по формулеTo solve this problem, in the proposed video refractometer containing a light source, a photodetector and a recording device, in accordance with the invention, and in contrast to the prototype, the photodetector is made in the form of a camera with a CCD matrix, the light source contains at least three LEDs placed around the circumference of the camera , the center of which is located on the optical axis of the camera, in addition, the video refractometer is equipped with a mirror mounted in front of the camera perpendicular to its optical axis at a distance determined by formula is

где n_max - максимальный показатель преломления исследуемой среды, помещаемой между телекамерой и зеркалом;where n _max - the maximum refractive index of the investigated medium, placed between the camera and the mirror;

f - фокусное расстояние объектива телекамеры;f is the focal length of the camera lens;

D - диаметр окружности, на которой установлены светодиоды;D is the diameter of the circle on which the LEDs are mounted;

d - диаметры светодиодов;d are the diameters of the LEDs;

М - минимальный размер фоточувствительной области ПЗС-матрицы.M is the minimum size of the photosensitive region of the CCD.

Изобретение поясняется чертежом, на котором в качестве примера изображена схема видеорефрактометра, содержащего 8 светодиодов.The invention is illustrated in the drawing, which, as an example, shows a diagram of a video refractometer containing 8 LEDs.

На чертеже изображены: корпус телекамеры 1, плата электроники 2, ПЗС-матрица 3, объектив 4, светодиоды 5, зеркало 6 и видеокадр 7.The drawing shows: the camera body 1, the electronics board 2, the CCD matrix 3, the lens 4, LEDs 5, mirror 6 and video frame 7.

Собственно телекамера содержит корпус 1, плату электроники 2 и объектив 4. На корпусе 1 установлены светодиоды 5, расположенные на окружности, центр которой находится на оптической оси телекамеры.The camera itself contains a housing 1, an electronics board 2 and a lens 4. On the housing 1, LEDs 5 are installed, located on a circle, the center of which is on the optical axis of the camera.

Перед телекамерой перпендикулярно ее оптической оси на расстоянии S, определяемой по приведенной формуле, установлено зеркало 6.In front of the camera perpendicular to its optical axis at a distance S, determined by the above formula, a mirror 6 is installed.

Исследуемая среда (газ, жидкость, стекло) помещается между зеркалом и телекамерой.The test medium (gas, liquid, glass) is placed between the mirror and the camera.

Видеорефрактометр работает следующим образом. Свет от светодиодов 5 проходит через исследуемую среду, отражается от зеркала 6 и с помощью объектива 4 фокусируется на ПЗС-матрице 3. В результате в плате электроники 2 на основе сигналов ПЗС-матрицы 3 формируется видеосигнал, содержащий изображения светодиодов 5 в видеокадре 7.Video refractometer works as follows. The light from the LEDs 5 passes through the medium under study, is reflected from the mirror 6, and with the aid of a lens 4 it focuses on the CCD matrix 3. As a result, a video signal is formed on the electronics board 2 based on the signals of the CCD matrix 3, containing the images of the LEDs 5 in the video frame 7.

Если между телекамерой и зеркалом 6 будет вакуум, то изображения светодиодов в видеокадре 7, расположатся на окружности минимального диаметра D₀. Если же между телекамерой и зеркалом 6 поместить исследуемую среду, то они расположатся на окружности с большим диаметром D.If there is a vacuum between the camera and mirror 6, then the images of the LEDs in the video frame 7 will be located on the circle of the minimum diameter D ₀ . If the medium under investigation is placed between the camera and mirror 6, then they will be located on a circle with a large diameter D.

Отношение D/D₀ пропорционально искомому показателю преломления исследуемой среды, что и служит основанием для измерений.The ratio D / D _{0 is} proportional to the desired refractive index of the investigated medium, which serves as the basis for measurements.

Измерения выполняются путем обработки упомянутого видеосигнала в регистрирующем устройстве, не показанном на чертеже, в качестве которого служит компьютер с соответствующей компьютерной программой.Measurements are performed by processing the mentioned video signal in a recording device, not shown in the drawing, which is a computer with the appropriate computer program.

Измерения выполняются в следующей последовательности:Measurements are performed in the following sequence:

- Видеорефрактометр помещают в среду с известным показателем преломления (например, вакуум с n=1). Определяют и запоминают в компьютере значение D₀.- A video refractometer is placed in a medium with a known refractive index (for example, a vacuum with n = 1). The value D _{0 is} determined and stored in the computer.

- Видеорефрактометр погружают в исследуемую среду и определяют искомый показатель преломления этой среды относительно эталонного путем вычислений по формуле:- The video refractometer is immersed in the test medium and the desired refractive index of this medium is determined relative to the reference one by computing by the formula:

где k - метрологическая постоянная, определяемая на основе калибровочных измерений.where k is the metrological constant determined on the basis of calibration measurements.

Результаты экспериментальных исследований макета видеорефрактометра показали возможность выполнения измерений с относительной погрешностью 0,01% и менее.The results of experimental studies of the layout of a video refractometer showed the ability to perform measurements with a relative error of 0.01% or less.

На основе видеорефрактометра может быть создан ряд приборов для экспресс-анализа нефтепродуктов и иных технологических жидкостей в нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности.Based on a video refractometer, a number of devices can be created for the express analysis of oil products and other process liquids in the oil refining, chemical and other industries.

Claims

A video refractometer containing a light source, a photodetector and a recording device, characterized in that the photodetector is made in the form of a camera with a CCD matrix, the light source contains at least three LEDs placed on the camera body in a circle, the center of which is on the optical axis of the camera, in addition , the video refractometer is equipped with a mirror mounted in front of the camera perpendicular to its optical axis at a distance determined by the formula

where n _max - the maximum refractive index of the investigated medium, placed between the camera and the mirror;

f is the focal length of the camera lens;

D is the diameter of the circle on which the LEDs are mounted;

d are the diameters of the LEDs;

M is the minimum size of the photosensitive region of the CCD.