УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ ИССЛЕДУЕМОЙ СРЕДЫ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССАХ
DEVICE TO MEASURE INDEX OF REFRACTION OF SEPARATE CROSS SECTIONS OF INVESTIGATED MEDIUM DURING NON-STATIONARY PROCESSES

Изобретение относится к оптическим методам и приборам. В нашем рассмотрении основной измеряемой величиной является интенсивность светового луча, падающего на вход фотоприемника. Измеряемая величина зависит от коэффициента преломления среды, через который проходит луч, и поэтому мы можем определить изменения коэффициента преломления среды.
Мы рассматриваем случай, когда коэффициент преломления среды однороден в плоскости луча (см. рис.1) и меняется со временем. Такая ситуация, в частности, возникает, если фронт ударной волны плоский и параллелен плоскости рисунка 1, в которой лежит луч света.
th
Для случаев, когда показатель преломления меняется только по одной координате, разработан метод, описанный на стр.35 Книги «Теневые методы» Васильева Л.А. со ссылкой на источник: Ball G.A 5 symposium (internal.) on combustion, 1954. New York, 1955, p.366.
При исследовании нестационарных процессов, в частности в ударных трубах, в которых объект резко меняет свои характеристики, необходимо развернуть процесс во времени, получать количественные данные в течение всего эксперимента. Схема метода с фотоэлектрической регистрацией сигнала описана на стр.61 Книги «Теневые методы» Васильева Л.А. со ссылкой на источник: Васильев Л.А., Галанин А.Г., Ершов И.В. Сунцов Г.Н. Приборы и техника эксперимента, т.V-VII №3, 195 (1964). В методе, описанном в этой статье, показывается, что угол отклонения света в плоских неоднородностях линейно связан с градиентом логарифма показателя преломления газа, и кромка ножа Фуко расположена перпендикулярно направлению движения неоднородности.
В статье «Experimental Investigation of Air Radiation from Behind a Strong Shock Wave» Jomal of Thermophysics and Heat Transfer Vol.16, No. 1 January-March 2002 (p.77-82), описывается устройство для обнаружения положения фронта ударной волны в ударной трубе, однако это устройство позволяет определить положение фронта с точностью не более 1,1 мм и не может дать информацию о тонкой структуре фронта ударной волны.
Задача изобретения - создание устройства для получения электрического сигнала, коррелированного с оптическим показателем преломления сечения исследуемой среды при нестационарных процессах.
Техническим результатом является возможность получения электрического сигнала, коррелированного с показателем преломления исследуемой среды 4, лежащей в плоскости рис.1.
1
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве (рис.1), которой представляет собой источник света 1, два прозрачных плоскопараллельных и параллельных между собой окна 3 и 5, между которыми находится среда 4 с переменным во времени показателем преломления, нож Фуко 7, щель 8, перпендикулярная кромке ножа Фуко, регистратор света 9, запоминающее устройство 10, новым является то, что угол α падения луча света на входное окно 3 больше нуля и что кромка ножа Фуко расположено параллельно направлению движения неоднородности.
На рис.1 представлена схема устройства и положение луча света в исходном состоянии.
1
2
3
1
В исходном состоянии среда слева от окна 3 однородна и имеет коэффициент преломления света n, окна 3 и 5 однородны, плоскопараллельны и имеют равные коэффициенты преломления света n, исследуемая среда 4 однородна и имеет коэффициент преломления света n, среда справа от окна 5 однородна и имеет коэффициент преломления света n. Входящий монохроматический однородный луч света 2 лежит в плоскости рисунка 1.
При этих условиях для углов падения и углов преломления луча справедливы соотношения
,
,
1
4
1
4
отсюда следует, что sinα=sinα, а следовательно, α=α и поэтому выходящий луч параллелен входящему лучу.
Часть выходящего луча 6 по высоте задерживается ножом Фуко 7, а оставшаяся часть проходит дальше и падает на щель 8, которая ограничивает луч по ширине, затем луч попадает на фотоприемник 9 (например, ФЭУ), далее сигнал запоминается с помощью запоминающего устройства 10 (например, осциллограф). Кромку ножа Фуко обычно устанавливается в положение, при котором нож задерживает половину выходящего луча.
1
Все углы отклонения можно выразить через параметры устройства и величину угла падения α:
<mrow><msub><mi>α</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>arcsin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
2
3
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>L</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>α</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⇒</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>L</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>⋅</mo><mi>arcsin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Выходящий луч имеет параллельное смещение в плоскости рис.1 относительно входящего луча. Величина этого смещения зависит от n, толщины l окон, n и расстояния L между внутренними поверхностями окон. Вычислим вклад в это смещение, которое дает среда 4. Отклонение от перпендикуляра к поверхности окна, даваемое средой 4:
Смещение от перпендикуляра к поверхности окна, даваемое выходным окном:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>y</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>l</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>α</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⇒</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>y</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>l</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
1
является константой при постоянном α.
Полное смещение выходящего луча относительно входящего, при условии, что толщина входного и выходного окна равны:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>y</mi><mo>=</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>y</mi><mn>2</mn></msub><mo>⇒</mo><mi>Δ</mi><mi>y</mi><mo>=</mo><mi>L</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>⋅</mo><mi>arcsin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>y</mi><mo>=</mo><mi>L</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>⋅</mo><mi>arcsin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>l</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
3
3
Смещение луча, зависящее от изменения n, определяется первым слагаемым, второе слагаемое необходимо учитывать при конструировании установки. Таким образом, зависимость смещения луча от n определяется выражением:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>y</mi><mo>=</mo><mi>L</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>⋅</mo><mi>arcsin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
На рис.2 показан вид сверху на схему устройства и движение луча света.
3
2
На рис.3 показано положение луча при увеличении n - коэффициента преломления исследуемой среды 4. В этом случае уменьшился угол α отклонения луча в среде 4 и большая часть луча задержалась ножом Фуко.
В общем случае, при смещении луча нож Фуко будет задерживать большую или меньшую часть луча, и таким образом сигнал фотоприемника будет коррелировать с изменением показателя преломления исследуемой среды 4. Изменяя ширину щели, можно регулировать толщину слоя исследуемого вещества, из которого поступает свет в фотоприемник.
1
1
1
1
Для малых углов α имеем: α≈sinα≈tgα,
поэтому
<mrow><mi>Δ</mi><mi>y</mi><mo>=</mo><mi>L</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>⋅</mo><mi>arcsin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo stretchy="false">)</mo><mo>)</mo></mrow><mo>≈</mo><mi>L</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
3
31
32
При изменении n от n до n изменение Δy будет:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>y</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>L</mi><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mn>31</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mi>L</mi><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mn>32</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>L</mi><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mn>32</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>n</mi><mrow><mn>31</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mn>31</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>n</mi><mrow><mn>32</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
3
и если относительное изменение n мало, можем записать:
Приведенные выше соотношения показывают, что существует корреляция между сигналом фотоприемника и изменением показателя преломления в среде.
Заявляемое устройство отличается четырьмя отличительными признаками, влияющими на достижение технического результата.
Первый - щель фотоприемника располагается перпендикулярно градиенту показателя преломления исследуемой среды.
Второй - кромка ножа Фуко расположено параллельно градиенту показателя преломления исследуемой среды.
Третий - смещение луча зависит не от градиента показателя преломления, а от показателя преломления исследуемой среды.
Четвертый - устройство очень простое в изготовлении и наладке.