RU236549U1 - Мобильный дифференциальный рефрактометр для контроля состояния жидких сред и их смесей - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для контроля состояния жидких сред в экспресс-режиме с использованием явления рефракции. Мобильный дифференциальный рефрактометр содержит в корпусе основание, с размещенными на нем источником излучения с закрепленной на торце источника излучения линзой, блоком питания источника излучения, кюветой Андерсона, аналого-цифровым преобразователем, многофункциональным источником питания, устройством обработки, устройством индикации, устройство обработки выполнено с возможностью реализации алгоритма определения показателя преломления n_m, отличающийся тем, что удлинение выполнено по центру нижней грани кюветы Андерсона для размещения кюветы Андерсона в отверстии с обеспечением возможности поступления плоскопараллельного фронта источника излучения на переднюю грань кюветы Андерсона под прямым углом, линза расположена на расстоянии не более 20 мм от кюветы Андерсона, а на расстоянии l от грани кюветы Андерсона размещена фотодиодная линейка 5, так что максимальное расстояние F от центра дифференциальной кюветы Андерсона до фотодиодной линейки составляет 200 мм. Технический результат состоит в обеспечении возможности экспресс-контроля состояния используемых в различных сферах деятельности человека всех прозрачных жидких сред и их смесей. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для контроля состояния жидких сред в экспресс-режиме с использованием явления рефракции.

К методам экспресс-контроля в последнее время стали предъявлять более жесткие требования. Основное из них связано с тем, что проводимые измерения не должны вносить необратимые изменения в физическую структуру исследуемой среды и изменять её химический состав. Так же при исследовании опасных и летучих сред должно быть обеспечено условие их герметичности (испарения от среды должны быть или исключены, или минимальны). Кроме того, к многим устройствам предъявляются повышенные требования по их функциональным возможностям при использовании (должны быть применимы для измерений большого числа сред).

Развитие научно-технологического прогресса привело к разработке большого числа искусственных жидких сред с различными показателями преломления, обладающих высокой химической активностью. Это позволяет им вступать в химическую реакцию с большим числом сред, образуя сложные соединения. Это приводит к тому, что показатель преломления таких соединений изменяется в очень больших пределах от 1.23 до 2.63 и его достаточно сложно спрогнозировать. Поэтому, особенно при экологическом мониторинге, а также при работе с химическими, биологическими и фармацевтическими соединениями экспресс-контроль необходимо начинать с использованием широкого диапазона измерения показателя преломления n_m, иначе сложно будет понять причину отсутствия результата измерения (или прибор сломался, или значение n_m вышло за допустимый диапазон измерения). Использовать несколько приборов для измерения показателя преломления в этом диапазоне - нерационально (по стоимости), кроме того, транспортировка их займет объем и ограничит мобильность, которая требуется при экспресс-контроле.

Известен способ качественного анализа воды в режиме реального времени, что по существу является экспресс-контролем (патент RU 2 660 367 C2 Опубликовано: 05.07.2018). Задачей данного метода является определение параметров лазерного излучения, прошедшего сквозь воду, для определения состояния воды, которая была подвержена очистке с использованием различных стадий. Для этого воду размещают в классической кювете. В рассматриваемом способе используется фотоприемное устройство для регистрации лазерного излучения. Преломления оптической оси лазерного излучения в используемой кювете на стенках не происходит. При этом регистрируется изменение мощности лазерного излучения, которое произошло по причине рассеяния луча на сточных водах. Далее осуществляется последующая обработка регистрируемого оптического сигнала с целью получения множества выборочных значений по мощности. Эти выборочные значения сравнивают с порогом, и идентифицируют выборочные значения, находящиеся в пределах (ниже) порога (определяемые далее также, как соответствующие порогу значения). Способ дополнительно включает определение мутности сточных вод на основании выборочных значений, находящихся ниже порога).

Недостатком рассматриваемого способа является его невысокая точность измерения, которая не позволит при работе, например, с химическими соединениями, биологическим растворами и прочие определять в них незначительные изменения. Кроме того, для контроля сточных вод делается предварительная калибровка, которую необходимо будет реализовать для большого числа сред, которые потом надо будет исследовать, что крайне нерационально. Эта калибровка должна быть реализована для различного класса сточных вод и типов жидкостей, что резко ограничивает возможности применения прибора в отличие от разработанного нами рефрактометра с кюветой Андерсона, где делается калибровка только один раз и она действительна для всех существующих жидких сред и их смесей. Это обеспечивается за счет дифференциального режима измерения.

Наиболее близким по технической реализации является изобретение (RU 2488096 C2 Опубликовано: 20.07.2013). Данное изобретение так же направлено на определение показателя преломления жидких сред. В основе данного изобретения так же лежит прямоугольная кювета, одна часть которой - это измерительная призма, показатель преломления которой нам известен, а другая - исследуемая жидкость. Между измерительной призмой и исследуемым веществом помещен клин из прозрачного вещества, показатель преломления которого больше показателя преломления измерительной призмы и больше показателя преломления исследуемого вещества. Исходя из этого имеется ограничение, которое предполагает, что показатель преломления исследуемой жидкости не должен превышать показатель преломления клина кюветы. Это ограничивает диапазон измерения показателя преломления исследуемых сред. Кроме того, данная конструкция дифференциального рефрактометра предполагает качественную калибровку перед исследованием, которая напрямую влияет на точность полученный результатов.

Также близким по технической реализации является изобретение US10024789 B2 (Опубликовано: 07.17.2018), в котором контроль состояния среды основан на измерении показателя преломления. В изобретении рассматривается случай применения дифференциальной кюветы Андерсона для контроля состояния проточной среды в стационарной установке, в которой осуществляется электролиз. Используется оригинальная конструкция оптических элементов, позволяющая при их перемещении компенсировать разность хода оптических лучей, регистрируемых на фотоприемном устройстве, прошедших два раза через кювету и отраженных от стенок кюветы при её прохождении. При этом необходимо обеспечить с высокой точностью контроль положения стеклянной пластинки, которая осуществляет подстройку разности хода лучей, так как расстояние, на которое она сместилась, используется в вычислении общего смещения изображения щели, которое далее используется для определения показателя преломления исследуемой жидкости.

В мобильном рефрактометре данный способ измерения реализовать невозможно, так как после каждого перемещения рефрактометра и смены кюветы необходимо делать калибровку, которая возможна только в условиях стационарной лаборатории. Кроме того, нигде в представленном способе не указаны показатели преломления материала, из которого изготовлены стенки кюветы, перегородка кюветы и стеклянная пластина, а также не отмечены значения их толщины по ходу распространения лучей. Это все влияет на смещения положения направления распространения лучей и разность их хода. В формулу и алгоритм для определения показателя преломления исследуемой среды эти параметры не входят. При реализации исследований жидких сред с диапазоном изменения показателя преломления более чем на 1.2 подобрать такое количество дифференциальных кювет, стекол и обеспечить запас по смещению стеклянной пластины для проведения измерений в мобильном рефрактометре, который необходимо оперативно перемещать с этим оборудованием на большие расстояния при проведении экспресс-контроля, представляет собой крайне сложную задачу, реализация которой нецелесообразна. Кроме того, обеспечить погрешность измерения показателя преломления порядка 0.0001, необходимую для экспресс-контроля при использовании данной конструкции в полевых условиях будет невозможно, погрешность измерения показателя преломления будет значительно выше.

Близким по технической реализации к предлагаемой нами полезной модели является изобретение (RU 2644439 С2 Опубликовано: 12.02.2018). Изобретение описывает способ контроля качества продуктов путем сравнения оптических характеристик исследуемого продукта с соответствующими оптическими характеристиками эталонных продуктов и стационарное устройство для осуществления этого контроля. В качестве оптических характеристик продукта используют показатели преломления в нескольких спектральных диапазонах и координаты цветности. Недостатки этого способа заключаются в том, что измерение цвета в единицах ЦНТ является очень грубым (погрешность измерения более 15%), т.к. координатами цветности эталонов являются другие среды. Использует всего лишь 16 эталонов цвета. Необходимо отметить, что показатели преломления жидкой среды и его координаты цветности определяют по одним и тем же выходным сигналам многофункционального матричного фотоприемного устройства (ММФПУ). Диапазоны измерения в монохромном фотоприемнике меняют установкой перед ним цветных светофильтров, что существенно увеличивает время измерений. Кроме того, конструкция является громоздкой по сравнению с предлагаемой нами, что сужает область применения прибора.

При Т=20°С измерения проводятся с погрешностью Δn порядка 0.0001. При температуре 20±1°С никаких поправок не требуется, т.е. точность контроля температуры может быть низкой порядка 1°С). Диапазон измерения от n составляет от 1.3330 до 1.36477. Такой диапазон измерения при экспресс-контроле сейчас не востребован (очень маленькие функциональные возможности по реальному применению прибора - только на ограниченном количестве водных растворов и то при некоторых добавках в виде фосфора и фтора измерения не реализовать). Предварительная градуировка по большому числу водных растворов делает бессмысленным использование данного прибора.

Также близким по технической реализации (использование для регистрации положения границы свет-тень аналога фотодиодной линейки фотоприемное устройство выполнено в виде CMOS-линейки, содержащей 1024 элемента размером 8×125 мкм, а также цифровой обработки информации при измерениях) является полезная модель (RU 157412 U1. Опубликовано: 29.05.2015), которое также можно считать аналогом нашей разработки. В полезной модели описывается работа цифрового автоматического рефрактометра, который в своем составе содержит кювету 1 с исследуемой жидкостью 2, излучатель 3, призму 4 и фотоприемное устройство 5, а также и блок электроники с дисплеем (на чертежах условно не показан). Излучатель 3 выполнен в виде желтого светодиода с длиной волны λ, равной 589 нм, снабженного отсекающим ИК-фильтром 6 и поляроидом 7 и линзы 8. Призма 3 выполнена из кристалла сапфира в форме объемного тела с двухлучевым преломлением, например, в виде полусферы, которая своим плоским основанием контактирует с исследуемой жидкостью 2 и установлена так, что ось кристалла расположена перпендикулярно оптической оси системы.

Для измерения показателя преломления используется явление полного внутреннего отражения (ПВО). Это другой принцип измерения показателя преломления n по сравнению с дифференциальным рефрактометром. В этом случае используется математическое соотношение для определения n с использованием угла полного внутреннего отражения. Измерения в данном случае проводятся в замкнутом объеме при определенной температуре Т порядка 20°С. Диапазон измерения показателя преломления составляет от 1.3300 до 1.4900 с погрешностью 0.0001. Это для проведения экспресс-контроля состояния жидких сред в современных условиях это явно недостаточно. В стационарных настольных рефрактометрах для экспресс-контроля жидких сред и их смесей обеспечивается диапазон от 1.32 до 1.72. Кроме того, не указан вес конструкции рефрактометра с автономным блоком питания. По конфигурации прибора можно предположить, что это скорее всего настольный лабораторный рефрактометр, который использовать в полевых условиях крайне сложно.

Близким по технической реализации (по использованию дифференциального преобразования светового потока на клине призмы), а также по названию «Рефрактометр дифференциальный портативный» является изобретение (RU 2488096 C2. Опубликовано: 20.07.2013), которое можно считать прототипом нашей разработки. При рассмотрении принципа работы рефрактометра авторы используют термин кювета (недифференциальная), которая сформирована гранями оптических элементов, что также имеет общее с нашей разработкой. В состав конструкции дифференциального рефрактометра входят: источник квазимонохроматического света, измерительная призма, оправа, осветительное устройство, исследуемое вещество, зрительная труба, кольцо - диафрагма, вторая внутренняя труба, объектив, состоящий из системы линз, шкала, окуляр, регулируемый зазор, защитное стекло, диоптрический окуляр, призма, выполненная в форме клина, плоскопараллельная пластина, пазы, канавки оправы, выступы для кольца диафрагмы, пружина, кювета в форме стакана.

Принцип работы портативного дифференциального рефрактометра заключается в следующем образом. Квазимонохроматический свет с максимумом спектральной плотности излучения на длине волны λ=589 нм от источника света поступает на границу контакта исследуемого вещества с оптическим клином. Поскольку показатель преломления исследуемого вещества меньше показателя преломления клина, то падающие лучи преломляются и входят в клин, где вторично преломляются на границе контакта клина с эталонной жидкостью. Далее проходят дважды измерительную призму с преломлением на границах жидкость призмы - защитное стекло и стекло - воздух. Здесь происходит дифференцирование оптического луча, по физическому принципу подобное дифференцированию в кювете Андерсона. Далее лучи проходят диафрагму и объектив, после которого строится изображение границы света и тени в плоскости шкалы. На шкале с рисками изображение границы света и тени наблюдается с помощью окуляра. Одновременно часть светового потока делительным кубиком отражается на многоэлементный фотоприемник и с помощью телекамеры происходит фотоэлектрическая регистрация местоположения границы света и тени.

По причине этих конструкционных особенностей дифференциальный рефрактометр позволяет проводить измерения показателя преломления жидких сред в диапазоне от 1.32 до 1.47. Это значительно ограничивает его возможности по применению для экспресс-контроля жидких сред. Поскольку измеряемый показатель преломления, и, соответственно, иные параметры исследуемой среды находят с помощью таблицы или специального программируемого устройства, на основе данных, полученных после многочисленных градуировок перед использованием рефрактометра - это существенно снижает его функциональное применение для экспресс-контроля. Причем некоторых данных при проведении экспресс-контроля могут в наличии отсутствовать. Кроме этого, прибор градуирован только при определенной температуре 15°С, при низких температурах, таких как -5°С и ниже, а также при высоких температурах более 30°С возникают большие погрешности, т.к. данную градуировку применять нельзя.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение возможности экспресс-контроля состояния используемых в различных сферах деятельности человека всех прозрачных жидких сред и их смесей.

Для этого необходимо, в отличие от ранее разработанных конструкций мобильных рефрактометров для экспресс-контроля обеспечить измерение показателя преломления исследуемой среды в диапазоне от 1.23 до 2.63 с погрешность 0.0001 и менее во всем диапазоне температур Т, при которых эти среды и их смеси могут использоваться для решения различных задач. Обеспечить такой температурный режим измерения в других мобильных приборах для экспресс-контроля в силу их конструктивных особенностей невозможно.

Для решения данной задачи предлагается конструкция мобильного дифференциального рефрактометра для контроля состояния жидких сред и их смесей, содержащего в корпусе 10 основание, с размещенными на нем источником излучения 1 с закрепленной на торце источника излучения линзой 3, блоком питания 2 источника излучения, кюветой Андерсона 4, аналого-цифровым преобразователем 6, многофункциональным источником питания 7, устройством обработки 8, устройством индикации 9, при этом линза расположена на расстоянии не более 20 мм от кюветы Андерсона, а на расстоянии l от грани кюветы Андерсона размещена фотодиодная линейка 5, при этом максимальное расстояние F от центра дифференциальной кюветы Андерсона до фотодиодной линейки составляет не более 200 мм, а устройство обработки 8 выполнено с возможностью реализации алгоритма определения показателя преломления n_m.

Технический результат, в отличие от ранее достигнутых возможностей по экспресс-контролю жидких сред с использованием других моделей мобильных рефрактометров и их смесей, заключается в том, что заявленный мобильный дифференциальный рефрактометр обеспечивает проведение экспресс-контроля всех существующих в мире прозрачных жидких сред и их смесей в диапазоне температур Т, в которых будет работать электроника, лазер и фотодиодная линейка, так как при установке кюветы Андерсона в конструкцию рефрактометра необходимо будет открывать крышку корпуса. При такой конфигурации мобильного рефрактометра и методики проведения измерений диапазон его устойчивой эксплуатации составляет от - 40 до 50°С (при более высоких температурах окружающей среды смысл экспресс контроля жидких сред для человека теряется). Показатель преломления n_m жидких сред и их смесей в этом диапазоне температур Т измеряется в диапазоне от 1.23 до 2.63 с погрешностью 0.0001 и менее, что при использовании других типов рефрактометров для экспресс-контроля обеспечить невозможно. В ряде случаев при проведении контроля состояния жидкой среды по смещению оптической оси лазерного излучения при исследовании ряда сред и их смесей существует возможность установить причины, которые вызвали изменения состояния среды.

При таких высоких функциональных возможностях рефрактометра сохраняется его компактность, мобильность при перемещении. Рефрактометр работает от автономного источника питания, при необходимости его можно подключить к аккумуляторам ноутбука, на который также можно перенести информацию об исследованиях жидких сред в реальном времени.

В отличие от ряда рассмотренных аналогов в виде мобильных рефрактометров для экспресс-контроля, разработанному дифференциальному рефрактометру необходимо проводить градуировку один раз. Также его можно использовать для измерений показателя преломления любых прозрачных жидкостей и их смесей, в отличие от ряда других моделей, где необходима предварительная градуировка под каждую измеряемую жидкость, что существенно усложняет процесс контроля.

На прилагаемых к описанию полезной модели чертежах дано: На фиг.1 представлены результаты контроля состояния водопроводной воды по изменению n_m воды от температуры Т. График 1 соответствует фильтрованной воде, график 2 соответствует воде, в которую добавили окислы.

На фиг.2 представлены результаты измерений изменения показателя преломления n-m моторных масел от температуры Т. Графикам соответствует масло: 1 - Rheinol PRIMUS РХ 5W-30, 2 - Shell HELIX НХ8 5W-30.

На фиг.3 представлена структурная схема дифференциального рефрактометра: 1 - источник излучения; 2 - блок питания источника излучения; 3 - линза; 4 - кювета Андерсона; 5 - фотодиодная линейка; 6 - аналого-цифровой преобразователь; 7 - многофункциональный блок питания; 8 - устройство обработки; 9 - устройство индикации; 10 - корпус дифференциального рефрактометра.

На фиг.4 представлена дифференциальная кювета Андерсона с траекторией распространения оптической оси лазерного излучения: 11 - боковая грань кюветы Андерсона, на которую поступает лазерное излучение; 12 - перегородка; 13 - боковая грань кюветы Андерсона, через которую выходит лазерное излучение; 5 - фотодиодная линейка.

На фиг.5 представлен фрагмент А из фиг.4, на которой представлена дифференциальная кювета Андерсона: 5 - фотодиодная линейка.

На фиг.6 представлена геометрическая форма дифференциальной кюветы Андерсона с размерами в 3D-модели с удлинением для ее крепления.

Предлагаемая нами конструкция мобильного рефрактометра относится к оптическому приборостроению и обеспечивает контроль состояния жидкой среды, с помощью определения положения оптической оси источника излучения на фотодиодной линейке. Изменение параметров кюветы Андерсона и показателя преломления эталонной жидкости n_s позволяет обеспечить проведение измерений n_m с погрешностью 10^-4 и менее в диапазоне его изменения от 1.23 до 2.63, в который входят все существующие в мире прозрачные жидкие среды и их смеси, что обеспечивает его высокие функциональные возможности по применению.

Мобильный рефрактометр может быть использован в большом числе сфер деятельности человека, в которых применяются жидкости, например, в пищевой, химической, фармацевтической промышленности, в биологии и прочие. Отдельным направлением с использованием данного прибора является контроль качества топлива, опасных летучих химических сред, например, гептан, в сельском хозяйстве - удобрений, где требуется обеспечить герметичность исследуемой среды, так как испарения влияют на ее состояния и представляют опасность для человека.

Мобильный дифференциальный рефрактометр для контроля состояния жидких сред и их смесей (фиг.3) размещается в корпусе 10, чтобы при измерениях исключить попадание видимого света на фотодиодную линейку 5, которая вместе с аналого-цифровым преобразователем 6 размещена на основании корпуса 10. На основании корпуса 10 размещается источник излучения 1 и его блок питания 2, на торце источника излучения крепится линза 3. На расстоянии не более 20 мм от линзы 3 на основании корпуса 10 размещается кювета Андерсона 4, далее на расстоянии l от ее грани размещается фото диодная линейка 5. На основании корпуса 10 также (11) размещается устройство обработки 8, устройство индикации 9 и многофункциональный источник питания 7.

В конструкции мобильного дифференциального рефрактометра используется фотодиодная линейка с 2048 сенсорами (пикселями). Это оптимальный вариант модели линейки для проведения необходимых измерений, а также по её стоимости. В случае решения более конкретных задач по контролю состояния определенного типа жидких сред (например, бензины различных марок и их смеси, показатель преломления таких сред изменяется в более узком диапазоне, например, от 1.36 до 1.58) в конструкции рефрактометра можно использовать фотодиодную линейку с 4094 сенсорами, что обеспечит погрешность измерения 0.00005 (цена рефрактометра при этом увеличится).

Суть метода контроля состояния жидкой среды в новой конструкции мобильного дифференциального рефрактометра заключается в том, что определяется ее показатель преломления n_m с использованием дифференциальной кюветы Андерсона, в двух отсеках которой размещаются две жидкости (эталонная с известным показателем преломления n_s и исследуемая с - n_m, который необходимо определить). Плоскопараллельный фронт источника излучения под прямым углом поступает на переднюю грань кюветы Андерсона, далее преломляется на границах нескольких сред и выходит из кюветы Андерсона под углом, который отличается от прямого. Оптическая ось источника излучения, которая соответствует максимуму по интенсивности его пучка регистрируется на фотодиодной линейке 5 (фиг. 3). Положение оптической оси источника излучения по отношению к первоначальному её положению на фотодиодной линейке 5 (до размещения кюветы Андерсона между 1 и 5 (фиг. 3) смещается на некоторое число пикселей, на которых регистрируется излучение (в том числе и максимум). Определяя номер пикселя, на который сместилась оптическая ось источника излучения, определяется расстояние L. Данное смещение L оптической оси также можно определить, решив задачу геометрической оптики путем вывода аналитического соотношения для смещения L оптической оси относительно параметров оптической части рефрактометра и расстояния l от боковой грани кюветы Андерсона 13 до фотодиодной линейки 5 (фиг.4). Далее с использованием соотношения для смещения L определяется по его измеренному значению показатель преломления n_m и устанавливается состояние среды (сравнивается полученное значение n_m с данными, соответствующими стандартному состоянию среды). При этом важным элементом в данном процессе является контроль температуры Т жидкой среды, как исследуемой, так и эталонной.

Для вывода уравнения смещения L от параметров кюветы Андерсона 4, места ввода оптической оси лазерного излучения в кювету и расстояния от центра кюветы до фотодиодной линейки 5 на фиг.4 был выделен фрагмент А, который подробно представлен на фиг.5.

На фиг.6 для примера представлена 3D-модель кюветы Андерсона со всеми ее размерами (указаны в мм). Для устойчивого ее размещения и крепления в корпусе 10 дифференциального рефрактометра используется специально разработанное удлинение, выполненное по центру нижней грани кюветы Андерсона, размещенное по центру грани (фиг.4). Основание мобильного дифференциального рефрактометра выполнено с отверстием для размещения кюветы Андерсона 4 и придания кювете Андерсона устойчивого состояния (фиг.3).

Мобильный дифференциальный рефрактометр выполнен с возможностью замены кюветы Андерсона на кювету с другими размерными параметрами, такими как: толщина стенок (до 6 мм), толщина перегородки (до 4 мм), ширина и длина основания кюветы (до 200 мм), а также выполненную из другого оптического материала, из которого она изготавливается, с целью повышения точности измерения. В частности, могут быть использованы в качестве материала кюветы кварц, сапфир, специальные стекла.

При замене кюветы Андерсона на другую кювету расстояние F от центра кюветы до фотодиодной линейки (фиг.4) остается неизменным и составляет до 200 мм, что обеспечивает корректность использования выведенного уравнения для L, которое используется для определения показателя преломления n_m. При этом повторная градуировка не требуется. Максимальное значение расстояния F составляет 200 мм, что обуславливается ограничениями по размеру корпуса дифференциального рефрактометра, который составляет по ширине и длине основания не более 500 мм.

При определении смещения L положения оптической оси источника излучения на фотодиодной линейке после ее прохождения кюветы Андерсона было использовано ранее выведенное нами соотношение, которое опубликовано в статье «Новый оптический метод описания изменения траектории оси лазерного пучка в дифференциальной кювете Андерсона для определения показателя преломления жидких сред» (журнал «Компьютерная оптика». 2024. том 48. №2. С.217-224). Для реализации контроля достоверности измерений n-m в конструкции разработанного мобильного дифференциального рефрактометра смещение L было разбито на четыре отрезка L₁, L₂, L₃ и L₄. Поэтому выведенное ранее уравнение для смещения L оптической оси имеет следующий вид:

На основе заложенного программного алгоритма с использованием уравнения (1) в устройстве обработки 8 вычисляется показатель преломления n-m по результатам измерения смещения L оптической оси источника излучения на фотодиодной линейке 5, с выводом значения показателя преломления n_m на устройство индикации 9. Устройство обработки 8 может быть выполнено на основе микроконтроллера из серии STM32F3, например, STM32F303ZET7. С целью обеспечения электрического питания, фотодиодная линейка 5, аналого-цифровой преобразователь 6, устройство обработки 8 и устройство индикации 9 подсоединяются к многофункциональному источнику питания 7. Многофункциональный источник питания выполнен на основе микросхемы с несколькими выходными напряжениями стабилизации от 4 В до 12 В, в состав которого входит аккумулятор.

В состав конструкции рефрактометра может входить преобразователь напряжения, который позволяет реализовать его работу через USB-порт от аккумулятора ноутбука, который может выступать в качестве устройства обработки и хранения данных, и очень часто присутствует у пользователей, которые будут проводить экспресс-контроль с использованием этого прибора.

Далее на основе эталонных данных о показателях преломления жидких сред и их смесей определяется их состояние с учетом измерений температуры Т исследуемой среды и эталонной жидкости. Для получения достоверного значения, в соответствии с требованиями экспресс-контроля, показатель преломления жидкой среды необходимо измерять с погрешностью 0.0001.

В ВНИИМ им. Д.И. Менделеева изготавливаются наборы эталонных жидкостей РЖЭ-1, предназначенных для использования в качестве рабочего эталона 2 - го разряда показателя преломления в соответствии с МИ 2129-91 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений показателя преломления твердых и жидких прозрачных веществ». Погрешность определения показателя преломления 0.00002, погрешность определения температурного коэффициента 10^-7 град^-1. С использованием этого набора было проведена оценка погрешности измерения показателя преломления n_m. В двух отсеках кюветы Андерсона размещались эталонные жидкости из набора РЖЭ-1 (n_m = n_s). В этом случае траектория оптической оси лазерного излучения испытывает только двухкратное преломление – смещается относительно первоначального направления ввода излучения по фотодиодной линейке на расстояние L₁. Из полученного соотношения для L₁ получить аналитическое соотношение для n_m не составляет проблем.

Выполненная оценка погрешности измерения показателя преломления n_m с использованием (2) с учетом всех допусков по изготовлению граней кюветы составляет 0.00003 (погрешность измерения расстояния F в данном случае учитывать не надо, так как значение F в формулу для L₁ не входит). Полученные результаты n-m для жидких сред из набора РЖЭ-1 с использованием L₁ совпали в пределах погрешности измерений с данными по показателям преломления данных сред, представленными в паспорте набора РЖЭ-1. Это подтверждает адекватность вывода соотношения для смещения L и надежность работы конструкции мобильного дифференциального рефрактометра.

Для подтверждения возможностей использования новой конструкции дифференциального рефрактометра на фиг.1 представлены результаты измерения зависимости показателей преломления n_m(Т) различных жидкостей. Для определения достоверности полученных результатов измерений с использованием мобильного дифференциального рефрактометра (фиг.2) с кюветой Андерсона, представленной на фиг.6, были выполнены исследования изменения показателя преломления n_m от температуры Т с использованием промышленного рефрактометра Abbe NAR - 2Т (погрешность измерения 0.0001). В таблицах 1 и 2 представлены результаты исследований с использованием двух приборов.

Таблица 1. Изменение показателя преломления n_m касторового масла от температуры Т

Т, К	Мобильный дифференциальный рефрактометр	Промышленный рефрактометр Аббе NAR - 2T
275.7±0.1	1.4822 ± 0.0002	1.4820 ± 0.0001
278.2± 0.1	1.4813 ± 0.0002	1.4811 ± 0.0001
283.3± 0.1	1.4794 ± 0.0002	1.4792 ± 0.0001
287.2± 0.1	1.4783 ± 0.0002	1.4780 ± 0.0001
291.3± 0.1	1.4769 ± 0.0002	1.4767 ± 0.0001
293.1±0.1	1.4763 ± 0.0002	1.4760 ± 0.0001
295.2± 0.1	1.4717 ± 0.0002	1.4714 ± 0.0001
299.3± 0.1	1.4635 ± 0.0002	1.4633 ± 0.0001
303.2± 0.1	1.4546 ± 0.0002	1.4544 ± 0.0001
307.2± 0.1	1.4442 ± 0.0002	1.4439 ± 0.0001
310.1± 0.1	1.4347 ± 0.0002	1.4344 ± 0.0001
313.2± 0.1	1.4227 ± 0.0002	1.4225 ± 0.0001
316.1± 0.1	1.4118 ± 0.0002	1.4115 ± 0.0001

Таблица 2. Изменение показателя преломления n_m 4 % раствора амидопирина от температуры Т

Т, К	Мобильный дифференциальный рефрактометр	Промышленный рефрактометр Аббе NAR - 2T
275.1± 0.1	1.3439 ± 0.0002	1.3437 ± 0.0001
277.2± 0.1	1.3442 ± 0.0002	1.3441 ± 0.0001
283.3± 0.1	1.3438 ± 0.0002	1.3437 ± 0.0001
287.5± 0.1	1.3432 ± 0.0002	1.3430 ± 0.0001
290.3± 0.1	1.3427 ± 0.0002	1.3426 ± 0.0001
293.1±0.1	1.3420 ± 0.0002	1.3418 ± 0.0001
296.2± 0.1	1.3414 ± 0.0002	1.3415 ± 0.0001
299.8± 0.1	1.3408 ± 0.0002	1.3406 ± 0.0001
303.3± 0.1	1.3402 ± 0.0002	1.3401 ± 0.0001
305.9± 0.1	1.3395 ± 0.0002	1.3393 ± 0.0001
310.3± 0.1	1.3382 ± 0.0002	1.3380 ± 0.0001
313.2± 0.1	1.3374 ± 0.0002	1.3371 ± 0.0001
316.1± 0.1	1.3364 ± 0.0002	1.3361 ± 0.0001

Анализ данных в таблицах 1 и 2 показывает, что результаты измерений показателя преломления n_m совпадают в пределах погрешности измерения, что подтверждает достоверность используемого нами метода определения n_m с использованием данных по измерению смещения L оптической оси источника излучения и обоснованность разработки мобильного дифференциального рефрактометра для его реализации.

Claims (4)

1. Мобильный дифференциальный рефрактометр, содержащий в корпусе 10 основание, с размещенными на нем источником излучения 1 с закрепленной на торце источника излучения линзой 3, блоком питания 2 источника излучения, кюветой Андерсона 4, аналого-цифровым преобразователем 6, многофункциональным источником питания 7, устройством обработки 8, устройством индикации 9, а устройство обработки 8 выполнено с возможностью реализации алгоритма определения показателя преломления n_m, отличающийся тем, что удлинение выполнено по центру нижней грани кюветы Андерсона для размещения кюветы Андерсона в отверстии с обеспечением возможности поступления плоскопараллельного фронта источника излучения на переднюю грань кюветы Андерсона под прямым углом, линза расположена на расстоянии не более 20 мм от кюветы Андерсона, а на расстоянии l от грани кюветы Андерсона размещена фотодиодная линейка 5, так что максимальное расстояние F от центра дифференциальной кюветы Андерсона до фотодиодной линейки составляет 200 мм.

2. Мобильный дифференциальный рефрактометр по п. 1, отличающийся тем, что содержит кювету Андерсона с возможностью замены во время проведения измерений, которая характеризуется толщиной стенок до 6 мм, толщиной перегородки до 4 мм, шириной и длиной основания до 200 мм.

3. Мобильный дифференциальный рефрактометр по п. 1, отличающийся тем, что содержит фотодиодную линейку с 2048 сенсорами.

4. Мобильный дифференциальный рефрактометр по п. 1, отличающийся тем, что устройство обработки выполнено на основе микроконтроллера из серии STM32F3.