SU1703994A1 - Шахтный интерферометр - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к оптико-электронным измерени м, предназначено дл  определени  концентрации метана и углекислого газа в рудничном воздухе и может быть использовано дл  измерени  уровн  загазованности воздуха при экологических исследовани х. Цель изобретени  - повышение чувствительности, стабильности и точности измерений. С этой целью в шахт

Description

Изобретение относитс  к оптнко-интер- фг-рет иопним измерени м, а именно дл  определени  концентрации метана и углекислого газа о рудничном коздухс, и гложет быть использовано дл  измерени  уровн  за азопэнности воздуха при экологических исследовани х.

Известен интерферометр ИТР-1, состо щий изустановленных последовательно и оптически св занных источника света, коллиматора , диафрагмы, объектива, диафраг- с двум  щел ми, двойной кюветы, помещенных в термокамеру и две пластины компенсатора, выходы которых через объектив и цилиндры имеют окул р, глазной окул р св заны с оыходом устройства.

Основным недостатком интерферометра ИТР-1  вл етс  то, что угол выхода интерферирующих лучей довольно большой, а величина примен емой щели дл  получени  удовлетворительного контраста выбрана в 3-4 раза меньше критических размеров. Поэтому наблюдаема  интерференционна  картина имеет очень низкую  ркость полос.

В качестве прототипа выбран шахтный интерферометр ШИ-7, выполненный по схеме Жамена.

Известен ш хтный интерферометр ШИ- 7. содержащий установленные последовательно и оптически св занные источник излучени , светоделитсльный элемент, камеру , оиполпенкую и пиде двух герметичных полотей разного объема, размещенных одна в другой дл  эталонной и исследуемой 1азоеых смесей соответственно , уголковый отражатель, поворотное зеркало и измерительную систему.

Недостатками интерферометра ШИ-7  вл етс  низка  чувствительность, стабильность и точность измерени  ввиду потери в оптических детал х части световой энергии , например, в диафрагмах, на границах раздела диэлектрических сред послух-стекло и стекло-воздух (в окнах газсвюх камер) при 8-кратном их пересечении при прохождении измерительного и опорного лучей через элементы оптической схемы,

Ширина полос равного наклона в прототипе зависит от угла наклона светоделитель- ной пластины.

Под действием вибрации и температуры

происходит изменение пространственной ориентации толстой светоделительной пластины и как следствие измен етс  разность хода. Поэтому в интерферометрах Жамена рассто ние между лучами ограничено. Значительное уменьшение интенсивностей выходных потоков затрудн ет считывание результатов измерений и приводит к ошибкам , температурна  деформаци  светоделительной пластины и окон газовых камер

влечет за собой дрейф нул  прибора.

Целью изобретени   вл етс  повышение чувствительности, вибростойкости, стабильности , точности измерений и уменьшение температурной зависимости.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что шахтный интерферометр содержащий установленные последовательно и оптически св занные источник излучени , светодели- тельный элемент, камеру, выполненную в

виде двух герметичных полостей разного объема, размещенных одна в другой дл  эталонной и исследуемой газовых смесей соответственно, уголковый отражатель, поворотное зеркало и измерительную систему , камера снабжена компенсирующей призмой и манометром, причем компенсирующа  призма оптически св зана с уголко- вым отражателем, светоделитель и компенсирующа  призма закреплены с одкого торца камеры по ходу излучени , а уголковый отражатель закреплен с другого торца камеры, при этом манометр закреплен на камере и соединен с полостью дл  эталонной газовой смеси.

Кроме того, светоделитель выполнен в виде.призмы Кестерса.

На фиг. 1 представлена оптическа  схема предлагаемого шахтного интерферометра; на фиг, 2 - схема шахтного интерферометра , изометри .

Интерферометр содержит установленные последовательно и оптически св занiiue источник излучени , состо щий из ллзе- ра 1 и конденсатора 2, пхо/ .нос поворотное зеркало 3, светоде/шгрльный эпсмснт 4. камеру , выполненную из дпух гг рметичных полостей разного обьсма, размещенных одна ci другой, полость 5, предназначенную дл  эталонной гэзоной смеси, и полость 6 дл  исследуемой газовой смеси, уголковый отражатель 7, компенсирующую призму 8, поворотное зеркало 9 и измерительную систему, состо щую из объектива 10 и оку- ллра 11. фотоприемное устройство 12 и вычислительное устройство 13, причем компенсирующа  призма 8 оптически св зана с уголковым отражателем 7, светодели- тель 4 и компенсирующа  призма 8 закреплены с одного торца камеры по ходу излучени , а уголковый отражатель 7 закреплен с другого торца камеры , при этом манометр 14 закреплен на камере и соеди- мен с полостью 5, предназначенной дл  эталонной газовой смеси, кроме того, све- тоделительный элемент 4 выполнен в виде призмы Кестерса.

Элементы оптической схемы (фиг. 2) ус- ловно смещены вдоль вертикальной оси рисунка дл  нагл дной демонстрации хода лучей в предлагаемом устройстве.

Интерферометр работает следующим образом.

Источник излучени  формирует пучок света с помощью лазера 1 и конденсатора 2 и после отражени  на входном поворотном зеркале 3 попадает на вход призмы Кестерса 4. В этой призме происходит разделение светового пучка на два потока, параллельно выход щих из призмы Кестерса 4. Один луч с выхода призмы Кестерса 4 проходит только в полости, заполненной эталонной газовой смесью 5. а другой луч - только в полости, заполненной исследуемой газовой смесью 6. Оба луча, пройд  соответственно камеры 5 и б, отразившись от уголкового отражател  7, далее снова через камеры 5 и б поступают на компенсирующую призму 8. После отражени  от компенсирующей призмы 8 оба луча снова проход т камеры 5 и 6 и. отразившись от уголкового отражател  7, через камеры 5 и б поступают после отражени  от боковых граней призмы Кестерса 4 на ее светоделительную грань, где и происходит интерференци  лучей. Затем интерференционный сигнал через поворотное зеркало 9. объективом 10 и окул ром 11 фокусируетс  на фотоприемное устройство 12 и далее на вычислительное устройство 13, где осуществл етс  визуально счет интерференционных полос.

Конструктивно камеры представл ют собой объемы, например в цилиндр без дна

поместить стакан без дна, одинаковой I uco- ты. Эги обьемы закрепл ютс , например, путем склеивани  с уголковым от рахате/;ем 7 с одной сторонм и призмой Кесте-рсз и компенсирующей призмой 8 (ВР- 180) с другой стороны (фиг. 1). Образовавшиес  полости 5 и О снабжены входными и выходными каналами с вентил ми дл  св зи с атмосферой . В полости 5, заполненной эталонной газовой смесью, имеетс  отверстие дл  присоединени  тройника с манометром 14 на выходе, Свободный конец тройника с вентилем предназначен дл  впуска с полость 5 эталонной газовой смеси. Дл  уравновешивани  температуры газовых смесей в полост х 5 и 6 полость с эталонной газовой смесью  ал етс  наружной. При этом расположении камер 5 и б эталонна  газова  смесь лучше прогреваетс  окружающим устройство атмосферным воздухом. Закачиваема  в камеру б исследуема  газова  смесь имеет температуру, близкую температуре эталонной газовой смеси:

Таким образом, если учитывать изменение давлени  в герметичной камере 5 с эталонной газовой смесью, то результаты проводимых измерений предлагаемым устройством завис т только от качества газового состава исследуемого атмосферного воздуха. Температурное повышение давлени  в ограниченном объеме может приводить к значительным погрешност м в определении качественных и количественных характеристик газового состава иссле- дуемого воздуха. Дл  учета изменений давлени  в камере 5 в процессе измерений в предлагаемом устройстве применен манометр 14. При использовании баллона со сжатым воздухом без примесей С02 и метана дл  первоначального запуска через редуктор в камеры 5 и 6 с эталонной и исследуемой газовыми смес ми при одновременном сбросе счетчика прибора в исходное положение можно проводить автономную калибровку прибора. При такой автономной калибровке отпадает необходимость перед повторным измерением каждый раз подниматьс  на поверхность дл  забора в камеры чистого атмосферного воздуха.

Отсутствие окон з камерах 5 и 6 уменьшает потери излучени  по сравнению с прототипом на величину, равною восьмикратным потер м на границах раздела газова  смесь - стекло и атмосферой Кпотерь 5%х8- 40% в каждой из камер. Лучи света проход т по каждой из камер 4 раза (фиг. 2). Это дает возможность повысить чувствительность измерений в 2 раза по сравнению с прототипом. Оптическа  схема предлагаемого прибора посгросна ток, что изменени  геометрических paj- мероп пойду температурных деформаций, привод щих к наклонам уголкопого отражател , перемещение его рдоль продольной оси прибора и.сдвигом о плоскости, перпендикул рной продольной оси прибора, не вли ет на результаты измерени , Компенсирующа  призма 0 выполн ет функцию зеркала , но отражение происходит со с мощением в плоскости, перпендикул рной продольной оси прибора на величину vT, где h - высота призмы ВР-180.

Таким пространственным разделением сход щих и ОЫУОДЯЩИХ о призме 8 лучей устран етс  обратна  св зь элементов оптической схемы с входом лазера 1 и повы- шаегс  точность измерени  прибора за счет повышени  однозначности определени  длины волны лазера. При этом повышаетс  контрастность интерференционной картины , а следовательно, и точность определени  фазы интерференционного сигнала, юность счета .полос интерференции. Причем в предлагаемом приборе на фотоприем- иое устройство 12 поступает световой сигнал в виде с распределением интенсивности по закону Гаусса, а не полосо- ой интерференционный сигнал, что определ етс  выбором источника излучени , который очень сложно преобразовать о электрический сигнал из- за конечности минимальных размеров фотоприемника.

В результате температурных деформаций вызываемых местными нагревами оптических элементов может происходить рпзворот ориентации полос интерференционной картины, а это служит дополнительным источником погрешности в прототипе. Конструктивное решение оптической схемы с предлагаемом устройстве в значительной

море позвол ет устранить коздсйстсие этого  влени  нз результаты измерени . И.ше- пение пространственной ориентации элементов схемы под воздействием пибрации и температуры в одинаковой мере вли ет на ход лучей, проход щих в канале с эталонной и исследуемой газовыми смес ми , и не приводит к угловым разъюстиров- кам интерферирующих лучей в

предлагаемом устройстве.

Предлагаемое устройство простое в сборке и после склейки не требует дополнительных юстировок.

Claims (2)

1. Шахтный интерферометр, содержащий установленные последовательно и оптически св занные источник излучени , светоделительный элемент, камеру, выполненную в виде двух герметичных полостей

разного объема, размещенных одна в другой дл  эталонной и исследуемой газовых смесей соответственно, уголковый отражатель , поворотное зеркало и измерительную систему, отличающийс  тем, что, с

целью повышени  чувствительности, стабильности и точности измерений, камера снабжена компенсирующей призмой и манометром , причем компенсирующа  призма оптически св зана с уголковым отражателем , светоделитель и компенсирующа  призма закреплены с одного торца камеры по ходу излучени , а уголковый отражатель закреплен с другого торца камеры, при этом манометр закреплен на камере и соединен

с полостью дл  эталонной газовой смеси.

2. Интерферометр по п. 1,отличаю- щ и и с   тем, что. с целью уменьшени  температурной зависимости и повышени  вибростойкости, светоделитель выполнен в

виде призмы Кестерсэ.

ь