способ измерения показателя преломления конденсированных сред

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД, заключающийся в приведении измерительной призмы рефрактометра в контакт с исследуемой средой, освещении поверхности контакта расходящимся пучком света, регистрации углового положения светоконтрастной границы, образованной при отражении пучка света от границы измерительной призмы с исследуемой средой, и выполнении показателя преломления n_и исследуемой среды, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют угловое положение светоконтрастной границы, образованной при отражении от границы двух частей измерительной призмы с показателем преломления соответственно n₁ и n₂, причем n_и<n<n, при этом части призмы соединены так, что их граница составляет тупой угол относительно базовой плоскости первой по ходу освещеающего пучка части призмы, а показатель преломления вычисляют по формуле

n_и=n₁sin(arcsinn₂(n₁+),

где разность угловых положений светоконтрастных границ.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технической физике, предназначено для измерения показателя преломления n конденсированных сред и может быть использовано в химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Известны способы измерения показателя преломления, основанные на методе предельного угла [1] Эти способы отличают относительно невысокие требования к оптическому качеству исследуемых образцов и простота измерительных схем. В качестве основной части они включают измерение положения светоконтрастной границы для света, отраженного от границы измерительной призмы нарушенного полного внутреннего отражения НПВО с показателем преломления n₁ и исследуемой среды с показателем преломления n₂, причем n₂ < n₁. По угловому положению светоконтрастной границы, характеризуемому углом полного внутреннего отражения _кр по формуле n₂ n₁ sin _кр вычисляется показатель преломления исследуемой среды.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения показателя преломления [2] в котором измерение показателя преломления проводится следующим образом. Измерительную призму рефрактометра, имеющую показатель преломления n₁, приводят в контакт с жидкостью с известным показателем преломления n₂, поверхность контакта освещают сходящимся пучком света, регистрируют угловое положение светоконтрастной границы с помощью угломерного устройства. Так как угловое положение светоконтрастной границы в данном случае известно и составляет _кр=arcsin (n/n₁), по значению _кр проводят калибровку угломерного устройства. Затем в контакт с измерительной призмой приводят исследуемое вещество, аналогичным образом освещают поверхность контакта, регистрируют угловое положение _крсветоконтрастной границы и по значению _кр по формуле n₂ n₁ arcsin_крвычисляют показатель преломления n₂ исследуемой среды.

Недостатком этого способа является необходимость периодических (один-два раза в день при постоянных измерениях) калибровок измерительного устройства с помощью образцовых средств. Кроме того, благодаря изменению температуры окружающей среды, вибрациям и изменению влажности точность измерений может снижаться неконтролируемым образом.

Задачей изобретения является повышение точности и упрощение процедуры измерений.

Для этого в способе измерения показателя преломления конденсированных сред, заключающемся в приведении измерительной призмы рефрактометра в контакт с исследуемой средой, освещение поверхности контакта расходящимся пучком света, регистрации углового положения светоконтрастной границы, образованной при отражении от границы измерительной призмы с исследуемой средой, и вычислении показателя преломления n_и, дополнительно регистрируют положение светоконтрастной границы, образованной при отражении от границы двух частей измерительной призмы с показателями преломления n₁ и n₂, причем n_и < n₂ < n₁, при этом части призмы соединены так, что их граница составляет тупой угол относительно базовой плоскости первой по ходу освещающего пучка части призмы, а показатель преломления вычисляют по формуле

n_и n₁ sin (arc sin n₂/n₁ + ) (1) где - разность в угловом положении светоконтрастных границ.

На фиг.1 представлена возможная схема реализации предлагаемого способа; на фиг.2 ход лучей в измерительной призме; на фиг.3 схема рефрактометра, работающего по предлагаемому способу.

Расходящийся пучок света, имеющий показатель преломления n₁ от источника 1 проходит через часть 2 измерительной призмы, и падает на границу с исследуемой средой 3 с показателем преломления n_и. После отражения от этой границы свет падает на границу со второй частью 4 измерительной призмы, имеющей показатель преломления n₂, причем n_и < n₁< n₂. Отраженный от этой границы свет через оптическую систему 5 направляется на регистрирующее устройство 6.

Освещение границы измерительной призмы с исследуемой средой производится таким образом, что критический угол _кр¹, соответствующий это границе и равный _кр¹ arc sin n_и/n₁, находится внутри апертуры падающего излучения А. Таким образом, внутри этой апертуры образуется первая светоконтрастная граница, соответствующая углу _кр¹, отмеченная на чертеже штриховкой. Затем световой пучок падает на границу раздела двух частей призмы и отражается от нее. При этом показатель преломления двух частей призмы и угол наклона измерительной плоскости части 2 призмы и плоскости контакта частей 2 и 4 призмы выбираются таким образом, чтобы критический угол падения для этой границы _кр"" также находился внутри апертуры падающего излучения. Благодаря этому образуется вторая, опорная светоконтрастная граница, положение которой определяется величинами n₁, n₂ и и известно исследователю. Таким образом, апертура регистрируемого излучения будет ограничена двумя светоконтрастными границами, положение одной из которых известно и может служить началом отсчета, и второй, положение которой определяется значением показателя преломления исследуемого вещества. По разности угловых положений светоконтрастных границ по формуле (1) вычисляется показатель преломления исследуемой среды.

Для обеспечения рационального положения опорной светоконтрастной границы на краю апертуры используемого излучения (что позволяет использовать в максимальной степени апертуру излучения для регистрации положения подвижной светоконтрастной границы, формируемой отражением на границе призмы с исследуемым веществом) необходимо провести расчет значения угла (см. фиг.2) в зависимости от значений А и n_и.

Пусть апертура А источника позволяет охватить диапазон значений показателей преломления исследуемой среды от n"_и до n""_и т.е. Aarcsin arcsin . Пусть n_и (n""_и n_и)/2. Наиболее благоприятной для измерения будет ситуация, когда используется весь диапазон углов в апертуре А. Для этого опорная светоконтрастная граница, формируемая при отражении на границе двух частей призмы, должна находиться вблизи угла

_э=arcsin.

Расчет положения опорной светоконтрастной границы.

Пусть угол падения света на исследуемую среду _i, тогда на фиг.2 видно

= _i; = 90

= - _i 90 + (2)

Угол отражения от границы двух частей призмы

_ф 90 = 180 _i - (3) и, следовательно, угол между I и II частями призмы

= - _{ф i}, так как максимальное значение _i

Q_{i max}=arcsin, а значение угла полного внутреннего отражения для границы двух частей призмы

_ФПВО arc sin n₂/n₁. Следовательно, для угла получим

=-arcsin arcsin.

Способ осуществляется следующим образом.

Свет от источника 1 света ( = 589 нм) через диафрагму 7 и конденсатор 8 падает на границу раздела измерительной призмы с исследуемой средой 3 в апертуре углов А 20^о. После отражения от границы с исследуемой средой свет падает на границу со второй частью 4 измерительной призмы. После отражения от границы свет проходит через оптическую систему 5 и падает на регистрирующую систему 6 (линейка ПЭС, 500 элементов разложения). Измерительная призма выполнена из стекла ТК4 (часть 1) с n_е 1,61381, часть 2 из стекла К8 с n_е 1,51829. Угол = 56^о.

В качестве исследуемой среды был взят раствор едкого натра. Положение первой светоконтрастной границы, отвечающей отражению от исследуемой среды, было зарегистрировано для угла падения _i 56,451^о. Положение второй светоконтрастной границы, отвечающей отражению от границы двух частей призмы, зарегистрировано для угла падения _ф 70,208^о. Таким образом, согласно формулам (1, 2) для показателя преломления исследуемой среды получим n 1,34411.

Средняя квадратичная погрешность определения показателя преломления предложенным методом составляет 8 10^-5, что вполне удовлетворительно для приборов подобного класса.

В таблице приведены результаты ряда измерений для растворов NaOH различных концентраций.

Как видно из таблицы, предложенный способ обеспечивает большую точность. Кроме того, значительно экономится время измерений (порядка 1-2 ч в день) за счет отказа от периодических проверок прибора.