ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ РЕФРАКТОМЕТР

Полезная модель относится к оптико-электронному приборостроению, а именно к рефрактометрическим средствам измерения показателя преломления жидких и пастообразных веществ, использующим явление френелевского отражения, и может быть применено при создании средств измерения показателя преломления как оптически прозрачных, так и оптически непрозрачных жидкостей, паст, гелей, мелкодисперсных порошков и т.п. веществ.
Известен способ измерения показателя преломления и устройство для его реализации (RU №2292038 С2). При использовании которого измеряют критический, или предельный угол, при этом наблюдается эффект нарушения полного внутреннего отражения на границе двух сред, показатель преломления одной из которых известен. Такое применение не может реализовывать многоточечное непрерывное измерение показателя преломления, а так же требуется отбор проб вещества для измерений.
Известно устройство датчика измерения показателя преломления и чувствительного элемента измерения показателя преломления (CN 101871886 А). В способе изготовления датчика индекса показателя преломления золотая пленка является покрытием по окружной поверхности наклонной волоконной решетке Брэгга за счет использования метода ионного распыления покрытия пленки. Решетку освещают поляризованным светов, затем через демодулятор отправляют на компьютер для пересчета длины волны Брэгга в показатель преломления среды. Недостатком является то, что на волоконную решетку Брэгга сильное влияние оказывает внешние воздействия -изменение температуры, наличие вибраций или деформаций.
Известен рефрактометр (RU №2296981 С1), который работает по принципу рефрактометра Аббе, но, благодаря наличию клина, в качестве измерительной призмы используются вещество, обладающее показателем преломления и температурным коэффициентом показателя преломления, близкими или равными с теми же параметрами исследуемой среды, как, например, у дифференциальных рефрактометров, работающих по методу призмы. Недостатком данного рефрактометра является то, что он не может реализовывать многоточечное непрерывное измерение и осуществлять быстрый отклик на изменение показателя преломления, что требуется в ряде применений, а так же при работе подразумевается сканирование исследуемого вещества, что сильно усложняет его конструкцию.
Известно устройство измерения показателя преломления (JP 59015841 А). Используя волоконно-оптический мультиплексор в волокно вводят определенное количество света на разных длинах волн, свет отражается от торца и, проходя через демультиплексор, регистрируется приемным устройством. Исходя из величины отраженного сигнала на каждой длине волны рассчитывается показатель преломления в локальной точке измерения. Недостатком данного способа измерения является отсутствие измерения опорного сигнала, что существенно усложняет определение показателя преломления, снижает точность и затрудняет возможность изготовления многоканальной модификации.
Данное устройство принято за прототип.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в создании простого в исполнении устройства для реализации многоточечного непрерывного измерения показателя преломления жидкостей, паст, гелей, мелкодисперсных порошков и т.п.веществ.
1
2
Волоконно-оптический рефрактометр предполагает прецизионное измерение сигнала с оптической длиной волны в видимой области спектра, предпочтительно 589,3 нм, отраженного от границы раздела измеряемой среды и щупа-зонда с показателем преломления выше показателя преломления измеряемой среды, где коэффициент отражения R зависит от эффективного показателя преломления щупа-зонда n, а также от показателя преломления n измеряемой среды, в соответствии с формулой Френеля:
Волоконно-оптический рефрактометр связан с щупами-зондами посредством волоконно-оптических линий, что позволяет получать информацию о состоянии той или иной точки измерения в кратчайшее время. Это позволяет подключать к рефрактометру различного рода исполнительные устройства сигнализации и оповещения.
Принцип работы рефрактометра основан на дифференциальном измерении интенсивности опорного и отраженного от границы раздела «щуп-зонд/раствор» (измерительного) оптического сигнала. По оценке отношения интенсивностей опорного и измерительного сигналов определяется показатель преломления исследуемой среды.
Предлагаемый волоконно-оптический рефрактометр состоит из широкополосного источника света, светораспределительной системы, фотоприемников, микроконтроллера или компьютера, по меньшей мере, одного щупа-зонда, обеспечивающего получение отраженного от границы раздела «щуп-зонд/раствор» оптического сигнала, при этом, все волоконно-оптические компоненты работают на длине волны в видимой области спектра, предпочтительно 589,3 нм; по меньшей мере, один щуп-зонд, источник света, светораспределительная система и фотоприемники соединены посредством волоконного световода, фотоприемники соединены с микроконтроллером или компьютером посредством электрических проводов.
В частности, источник света может иметь высокую когерентность и быть выполненным в виде волоконного лазера или полупроводникового лазера или твердотельного лазера.
В частности, источник света может иметь низкую когерентность и быть выполненным в виде светодиода или суперлюминесцентного диода.
В частности, источник света, имеющий низкую когерентность, может быть выполнен в виде лампы накаливания, излучение которой сфокусировано на торец волоконного световода.
В частности, источник света, имеющий низкую когерентность, может быть выполнен в виде газовой лампы, излучение которой сфокусировано на торец волоконного световода.
В частности, светораспределительная система может быть выполнена в виде, по меньшей мере, одного волоконно-оптического циркулятора, волоконного световода и, по меньшей мере, одного волоконно-оптического переключателя.
В частности, светораспределительная система может быть выполнена в виде, по меньшей мере, одного волоконно-оптического разветвителя, волоконного световода и, по меньшей мере, одного волоконно-оптического переключателя.
В частности, волоконо-оптические компоненты могут быть одномодовыми.
В частности, волоконо-оптические компоненты могут быть многомодовыми.
В частности, фотоприемники могут быть соединены с персональным компьютером посредством кабеля для программной обработки.
В частности, компьютер может обладать возможностью программной обработки и передачи информации о показателе преломления на экран прибора.
Фигура 1 - схема устройства волоконно-оптического рефрактометра.
Фигура 2 - распределение света на границе раздела «щуп-зонд/раствор».
Устройство для измерения показателя преломления (Фиг.1) состоит из источника света 1, светораспределительной системы 2, фотоприемников 3 и 4, микроконтроллера 5, щупов-зондов 6, при этом: от источника посредством волоконного световода свет попадает в светораспределительную систему, где происходит его деление на опорную 7 и измерительную 8 составляющие, при этом опорная составляющая посредством волоконного световода попадает на фотоприемник 3, а измерительная поочередно проходит через все щупы-зонды 6, отражается (Фиг.2) от границы 21 «щуп-зонд (6)/раствор (22)» и посредством волоконного световода через светораспределительную систему попадает на фотоприемник 4, все оптические компоненты прибора термостабилизируются, сигналы с фотоприемников 3 и 4 регистрируются микроконтроллером 5.
Показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т.е. и от температуры вещества. Вследствие этого в зонд помещается элемент, чувствительный к температуре, который может быть выполнен в виде термо-ЭДС, терморезистора, волоконной решетки Брэгга.