Устройство для измерения показателя поглощения излучения прозрачной средой

Устройство для измерения показателя поглощения излучения прозрачной средой

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПРОЗРАЧНОЙ СРЕДОЙ, содержащее измерительный канал, включающий источник излучения, :расположенные вдоль оптической оси по ходу излучения конденсор, полевую диафрагму, коллиматор с апертурной диафрагмой, модулятор с приводом, отклоняющее зеркало, сменные цилиндрические измерительную кювету и кювету сравнения, каждая из которых снабжена входным и выходным иллюмийаторами , светоБые диаметры которых равны диаметрам сменных цилиндрических кювет, а стенки сменных цилиндрических кювет выполнены зеркальными, отражающий элемент, приемный объектив и фотоприемник, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности измерений, сменные цилиндрические измерительная кювета и кювета сравнения дополнительно содержат прямоугольные призмы с отражающими катетными гранями, расположенные вплотную гипотенузной гранью, к выходным иллюминаторам каждой из кювет, симметрично упомянутым иллюминаторам и рассеивающие коллекторы, установленные вплотную к входным иллюминаторам кювет и имеющие по одному сквозному отверстию, размещенному по ходу излучения, на расстоянии 1/4 диаметра кюветы от ее оси, дополнительно введена сменная апертурная диафрагма коллиматора, а отражающий элемент выполнен в виде экрана, расположенного между приемным объективом и отклоняющим зеркалом под углом 45 к оптической оси устройства и имеющего отверстие,которое расположено на одной оптической оси со сквозным отверстием рассеивающих коллекторов, при этом Ф световые диаметры иллюминаторов сменных цилиндрических измерительной кюветы и кюветы сравнения, диаметры соответствукяцих сменных апертурных диафрагм коллиматора и диаметры сквоз ных отверстий в рассеивающих коллекторах связаны с длинами кювет еле- 1дующими соотнощениями: О А il и °и и i X) с% D ср ;0 к1 Чр DM, D где -световые диаметры ил люминаторов , цилиндрических измерительной кюветы и кюветы сравнения соответственно; , -диаметры сменных апер турных диафрагм коллиматора; к ц и, dtp -диаметры сквозных отверстий в рассеивающих коллекторах изме

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСГ1УБЛИН (19) (11) 3(51) О1 J 16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H АВ ГОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ )и и ои и 1

Dcp сp d cp cp

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMHTET СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3619944/18-25 (22) 11 07,83 (46) 07.11.84. Бюл.М - 41 (72) В.B.Бачериков, В.С,.Зеленчук, В.В.Ивановский, В.В.Кудрявцев и Я.Ф.Локк (53) 533.242.2 (088.8) (56) 1.Гидрофизические и гидрооптические исследования в Атлантическом. и Тихом океанах. M. "Наука, 1974, с.98.

2. Иванов А.П. Физические основы гидрооптики. Минск, "Наука и техника", 1975, с.95,(прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПОКАЗАТЕЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПРОЗРАЧНОЙ СРЕЦОЙ, содержащее измерительный канал, включающий источник излучения, :расположенные вдоль оптической оси по

D ходу излучения конденсор, полевую диафрагму, коллиматор с апертурной диафрагмой, модулятор с приводом, отклоняющее зеркало, сменные цилиндрические измерительную кювету и кювету сравнения, каждая из которых снаб. жена входным и выходным иллюминаторами, световые диаметры которых равны диаметрам сменных цилиндрических кювет, а стенки сменных цилиндрических кювет выполнены зеркальными, отражающий элемент, приемный объектив и фотоприемник, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, сменные ци-линдрические измерительная кювета и кювета сравнения дополнительно содержат прямоугольные призмы с отражающими катетными гранями, расположенные вплотную гипотенузной гранью к выходным иллюминаторам каждой из кювет, симметрично упомянутым иллюминаторам и рассеивающие коллекторы, установленные вплотную к входным иллюминаторам кювет и имеющие по одному сквозному отверстию, размещенному по ходу излучения, на расстоянии 1/4 диаметра кюветы от ее оси, дополнительно введена сменная апертурная диафрагма коллиматора, а отражающий элемент выполнен в виде экрана, расположенного между приемным объективом и отклоняющим зерка лом под углом 45 к оптической оси о устройства и имеющего отверстие,которое расположено на .одной оптической оси со сквозным отверстием рас сеивающих коллекторов, при этом ф световые диаметры иллюминаторов сменных цилиндрических измерительной кюветы и кюветы сравнения, диаметры соответствующих сменных апертурных диафрагм коллиматора и диаметры сквоз.ных отверстий в рассеивающих коллекторах связаны с длинами кювет сле;дующими соотношениями: где D» Р— световые диаметры илгу люминаторов, цилиндрических измерительной кюветы и кюветы сравнения соответственно;

d» d — диаметры сменных апер. турных диафрагм коллиматора;

К

Й „, d — диаметры сквозных отверстий в рассеивающих коллекторах изме1122897 рительной кюветы и кюветы сравнения соответственно;

1, 1 — длина измерительной кюветы и кюветы сравнения соответственно

Изобретение относится к построе. нию оптических схем приборов, предназначенных для исследований оптических характеристик прозрачных сред, в частности для измерения показателя 5 поглощения излучения в пробах воды „ взятых в исследуемых акваториях.

Известен лабораторный измеритель спектрального показателя поглощения

"Волна", содержащий источник излучения, коллиматор, систему разводящих зеркал, модулятор, измерительную кювету н кювету сравнения, размещенные в фотометрическом шаре с отверстиями,соосными с оптической осью при бора„и фотоприемником, установленным т од углом к ней (1)

Недостатком этой схемы является большая абсолютная погрешность измерений показателя поглощения вследствие малой длины кювет, которая orpamrwe e. соотношением 3« О, 4 R где, f - длина кюветы; — радиус фотометрического шара.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения показателя поглощения излучения прозрачной средой, содержащее измерительный канал, включающий источник излучения, расположенные вдоль оптической оси по ходу излучения конденсор, полевую диафрагму, коллиматор с апертурной диафрагмой, модулятор с приводом, от.клоняющее зеркало, сменные цилиндри- 35 ческие измерительйую кювету и кювету сравнения, каждая иэ которых снабжена входным и выходным иллюминаторами, световые диаметры которых равны диаметрам сменных цилиндрических 40 кювет, а стенки сменных цилиндрических кювет. выполнены зеркальными.Более высокая чувствительность этого устройства для чистых океанских вод определяется значительно большими 45 размерами измерительной кюветы, а следовательно, длиной оптического пути светового потока в среде и, как следствие, большим отношением сигналов U<1, / U< на фотоприемнике характеризующего величину показателя поглощения Я,исследуемой среды в соответствиис выражением, Uñ

М = "- -"----- я — — — i) И СР "й где U U< — сигналы с фотоприемниР 6 ка при установленных в измерительный канал прибора кюветы сравнения и измерительной кюветы соответственно; fr — Й вЂ” разность длин измерительной кюветы и кюветы сравнения $2), Недостатком известного устройства является систематическая погрешность метода измерений, вследствии того, что теоретически при измерениях показателя поглощения фотоприемник должен регистрировать не только непоглощенный прямой, но и весь рассеянный средой световой поток.Известное устройство, снабженное кю ветами с зеркальными стенками и светосильным коническим световодом, позволяет регистрировать только прямой и рассеянный вперед световой поток. Доля рассеянного потока назад прибором не измеряется, а рассчитывается теоретически по измеренной инцикатриссе рассеяния этол среды, поэтому для получения окончательной величины вносится соответствующая поправка. Кроке того, свет; рассеянный в обоих кюветах под одним и тем же углом при одинаковых диаметрах кювет претерпевает в измерительной кювете a tl раз больше количество отражений от зеркальных стенок, чем в кювете сравнения.

Вследствие этого при измерениях появляется дополнительная погрешность.

Повышение точности измерений можно достичь путем уменьшения система!

122897 тической погрешности, определяемой рассеянием света "назад и различным числом отражений от зеркальных стенок в кюветах устройства.

Целью изобретения является повыше- 5 ние точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения показателя поглощения излучения прозрачной средой, содержащим измерительный канал, включающий источник излучения, расположенные вдоль оптической оси по ходу излучения конденсор, полевую диафрагму, коллиматор с апертурной диафрагмой, модупятор с приводом,отклоняющее зеркало, сменные цилиндрические измерительную кювету н кювету сравнения, каждая из которых снабжена входным и выходным иллюминаторами, световые диаметры которых равны диаметрам сменных цилиндрических кювет, а стенки сменных цилиндрических кювет выполнены зеркальными, отражающий элемент, приемный объектив и фо2S топриемник, сменные цилиндрические измерительная кювета и кювета сравнения дополнительно содержат прямоугольные призмы с отражающими катетными гранями, располоя енные вплотную гипотенузной гранью к выходным иллюминаторам каждой из кювет, симметрично упомянутым иллюминаторам и рассеивающие коллекторы, установленные вплотную к входным иллюминаторам кювет и имеющие по одному сквозному отверстиюЗ5 размещенному по ходу излучения, на расстоянии 1/4 диаметра кюветы от ее оси, дополнительно введена сменная апертурная диафрагма коллиматора, а отражающий элемент выполнен в виде экрана, расположенного между приемным объективом и отклоняющим зеркалом о под углом 45 к оптической оси устройства, и имеющего отверстие, которое расположено на одной оптической оси со сквозным отверстием рассеивающих коллекторов, при этом световые диаметры иллюминаторов сменных цилиндрических измерительной кюветы и кюветы сравнения, диаметры 50 соответствующих сменных апертурных диафрагм коллиматора и диаметры сквозных отверстий в рассеивающих коллекторах, связанные с длинами кювет следующими соотношениями ) А с с ос!, сР где О„ Ю вЂ” диаметры иллюминаторов измерительной кюветы и кюветы сравнения соответ, ственно; к с! Π— диаметры отверстий в расС1ц ср сеивающих коллекторах измерительной кюветы и кюветы сравнения; с!ц,с — диаметры апертурных диаф-! рагм при установке измерительной кюветы и кюветы сравнения; иь e„ длины кювет.

Ю

Йа фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемого устройства; на фиг.2 — ход лучей в кювете. .Устройство содержит источник света 1 и установленные на оптической оси конденсор 2, полевую диафрагму 3, расположенную в фокальной плоскости коллиматора 4. Сменные апертурные диафрагмы 5 и 6 устанавливаются в плоскости входного зрачка коллиматора 4. 3а отклоняющим зеркалом 7,разо мещенным под углом 45 к оптической оси устройства, установлена кювета измерительного канала 8 с входным 9 и выходным 10 иллюминаторами, или кювета канала сравнения 11, имеющая также входной 12 и выходной !3 иллюминаторы (на фиг.l кювета сравнения показана пунктиром). Вплотную к выходным иллюминаторам !О и 13 измерительной кюветы 8 и кюветы сравнения 11 установлены гипотенуэные грани прямоугольных призм 14 и !5 соответствующих кювет, причем стенки кювет 8 н 11 и катетные грани призм 14 и 15 имеют зеркальные отражающие покрытия. Вплотную к входным иллюминаторам 9 и 12 кювет 8 и !! соответственно установлены рассеивающие коллекторы 16 и 17,выполненные из молочного стекла, с отверстиями 18 и 19, причем диаметр отверстия 19 в коллекторе 17 кюветы сравнения 1l равен диаметру апертурной диафрагмы 6, а диаметр отверстия 18 в коллекторе 16 измерительной кюветы 8 равен диаметру апертурной диафрагмы 5. Центр отверстия !8 коллектора 16 (или при установке кюветы сравнения, отверстия 19 коллектора 17) лежит на оптической оси, проходящей через центр о отклоняющего зеркала 7 под углом 45 к его поверхности. Отражающий экран

20 установлен под углом к оптической оси устройства (на фиг.! под углом

1122897 ср

К = (2)

Ф„

Тогда при установке в измерительный канал устройства кювет, заполненных исследуемой жидкостью, поток после измерительной кюветы

50 (3) а поток после кюветы сравнения (с учетом 2) О

45 ), причем центр его отверстия лежит на оси, соединяющей центр зеркала 7 и отверстия 18 в коллекторе 16, а площадь его проекций в плоскости коллектора 16 равна площади отверстия 18. Приемный объектив 21 установлен на оптической оси перед фотоприемником 22, фотокатод которого размещен в фокальной плоскости объектива 21. Модуляция сигнала производится при помощи модулятора 23 с приводом.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника света 1 проектируется конденсором 2 в плоскости полевой диафрагмы 3 коллиматора 4, направляющего параллельный све. товой поток через отклоняющее зеркало 7 и отверстие в отражающем экране 20 или в сухую кювету сравнения

1! или в сухую измерительную кювету 8. Причем параллельный световой поток, прошедший через отверстия 19 и 18 в рассеивающих коллектс зах укаэанных кювет, не претерпевает изменений и,отраз Авшись от катетных граней призм 15 и 14 попадает на рассеи> вающий коллектор установленной кюветы и,отразившись от экрана 20,фокусируется приемным объективом 21 на катоде приемника 22.

Величина светового потока, прошедшего измерительный канал с сухой измерительной кюветой при диаметре 35 пучка на выходе коллиматора определяемого большей апертурной диафрагмой Йд, равна и величина потока, прошедшего измерительный канал с сухой кюветой сравнения при апертурной 40

А диафрагме Й р, равна -q< .Пусть величина, определяющая коэффициент виньетирования светового потока малой диафрагмой и неидентичность каналов будет. 45

-x4490 2

Ф Р е Р сР y,Ð ®2Е P (4) Поделив (3) на (2) и сделав преобразование,получим измеренную устройством величину

Чтобы получить одинаковые количества отражейий для лучей, рассеянных под углом от осевого луча необходим мо соблюсти соотношение

Ei (6)

1 ср ср

Чтобы эта геометрия осталась справедливой для всех лучей определяющих диаметр светового потока, например для крайних лучей, необходимо соотношение вида (7)

Сделав преобразования в (7) с учетом (6),получим

А а,.

7 (8)

"ср асср

В свою очередь,. диаметры отверстий в рассеивающих коллекторах, во избежание виньетирования светового потока в канале при установке кювет должны быть равны или несколько большими диаметров соответствующих апертурА

d> > !А поэтому

IC А !и !и !

t гр (9) учитывая (5) у (7), (8), получим: д." д"„Е„ ср åð ср сд

Дпя соблюдения симметричности хода светового потока в меридиональной плоскости кювет отверстия в рассеивающих коллекторах размещены на расстоянии 1/4 Di от оси соответствующих кювет.

I! 22897

11ри установке в измерительный канал устройства кювет, заполненных исследуемой жидкостью,на параллельный световой поток, прошедший внутрь кюветы действуют два фактора, о ределяющие оптические свойства среды: во-первых, свет поглощается средой в соответствии с выражениями (3) или (4) и во-вторых, рассеивается, причем на рассеивающие коллекторы устанавливаемых кювет практически попадают все лучи, рассеянные как вперед (на фиг.? обозначены2I „)так и назад (на фиг,2 обозначены как /„ ), эа исключением лучей, рассеянных под углом =- 90; причем количество отражений для каждого вида лучей в обоих кюветах, как было показано в (10) одинаково. Таким образом, как прямые — прошедшие через среду парал- 20 лельные световые потоки, так и потоки, рассеянные средой под разными углами /; попадают на рассеивающие коллекторы 1б и 17, измерительной кюветы 8 или кюветы сравнения lt, 25 причем яркость этих коллекторов пропорциональна суммарной величине прямых и рассеянных световых потоков, прошедших на их поверхность, и фотоприемник 22, регистрируют сигналы, отразившиеся от экрана 20 и сфокусированные объективом .21 пропорциональные выражениям (3) и (4) для измерительной кюветы и кюветы сравнения соответственно.

Очевидно, измерив величины сигналов (2), (3) и (4) и подставив их в выражение (5),можно. получить измеренную величину показателя поглощения, которая тем ближе истиннойЯ„ 40 чем меньше света рассеивается средой под большими углами, т,е. чем более вытянута индикатрисса рассеяния в области малых углов, что харак. терно для чистых морских и океани- 45 ческих вод.

Установка прямоугольной призмы в кюветах подобного типа преследует единственную цель — увеличить вдвое gp оптическую базу прибора, или, что то же самое — уменьшить расход исследуемого вещества при анализе.

Применение прямоугольной призмы в кювете позволяет учитывать при иэ- Я мерениях долю рассеянного светового потока не только вперед, но и в заднюю полусферу.

Рассеивающий коллектор с отнерсти ем позволяет в совокупности с прямоугольной призмой регистрировать излучение,рассеянное как в переднюю, так и в заднюю полусферы,.в широком диапазоне углов, так как будучи Ламбертовским рассеивателем, коллектор рассеивает излучение пропорционально световому потоку, пришедшему на него независимо от угла падения. Это, в свою очередь, сводит методическую ошибку при измерениях Я к минимуму и повышает точность измерений.

Расположение отверстий в рассеивающих коллекторах и отражающем экране конструктивно обеспечивает прохождение параллельного светового потока от коллиматора в кюветы с исследуемой средой без виньетирования пучка и излишних потерь энергии источника, Расположение отверстий в рассеивающих коллекторах на расстоянии 1/4 диаметра кюветы обеспечивает симметричность хода светового пучка относительно стенок кюветы. В этом случае параллельный световой поток попадает на центральный участок световой зоны отражающих граней прямоугольной призмы, что является оптимальным условием для исключения зарезания пучка на фасках призмы и стенках кюветы, Эти явления зареэания могут привести к некоторой погрешности при измерениях.

При размещении отверстий в коллек. ° торах ближе !/4 диаметра кюветы к центру возможен возврат части прямого пучка при отражении от отражающих граней прямоугольной призмы в отверстие коллектора, а не на его поверх-. ность, что приведет к значительной погрешности при измеренияхЯ.

Установка в плоскости входного зрачка объектива коллиматора сменных апертурных диафрагм позволяет изменять диаметры световых потоков, вошедших в кюветы с исследуемой средой в соответствии с соотношениями (10), так как размер апертурной диафрагмы определяет диаметр параллельного светового потока в устройстве.

Использование предлагаемого устройства для измерения показателя поглощения излучения прозрачной средой позволит повысить точность измерений вследствие того, что фотоприемник в устройстве регистрирует как прямое и рассеянное вперед излучение, так и

1122897

10 Составитель Н. Стукова

Техред А.Ач редактор Л.Лосева

Корректор И.Леонтюк

Заказ 8127/33 Тираж 822

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Подписное

Филиал ППП "11атент", г,Ужгород, ул.Проектная, 4 иэлучение, р ассе янно е средой назад, причем использование соотношений (10) значительно снизит систематическую составляющую погрешности метода измерений из-за разницы в количествах 5 отражений от стенок кювет для рассеян ного средой излучения.

Использование предлагаемого устройства особенно эффективно для исследований поглощения в чистых морских и океанических водах, так как применение кювет с двойным ходом светового потока н соотношений (!О) значительно увеличивает величины измеряемых сигналов при минимальных систематических погрешностях. Например, при соотношениях размеров:

А

1 = 600 мм, I)g= 120 мм, d) = d = 18мм, 1 = 100 мм„01 = 20 мм, d = d = 3 мм база прибора равна 2 (1 — -„,)

И р

1000 мм = I м, а это позволит измерять величины М, - 0;01 м, с погИ ъ "1 решностью 6Ж 5i-, при аппаратурИ

Hofl чувствительности(,= 5, 1(У M

4 -