Патент на изобретение №2308021

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ И ДВОЙНОГО ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ, НАВЕДЕННОГО МАГНИТНЫМ ИЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ В СВЕТЛЫХ НЕФТЕПРОДУКТАХ

(57) Реферат:

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее к поляризационным приборам, предназначенным для измерения поляризационных характеристик света, прошедшего оптически активные и двулучепреломляющие вещества. Устройство содержит источник света, установленный на плоских пружинах составной поляризационный фильтр в виде примыкающих по линии встык частей поляризационных фильтров, плоскости пропускания которых составляют угол 90° между собой, кювету, заполненную исследуемым нефтепродуктом и помещенную в магнитное или электрическое поле, четвертьволновую пластинку, простой поляризационный фильтр, фотоприемник, электронное устройство обработки и индикации результатов измерений. Плоскости пропускания частей составного поляризационного фильтра составляют углы 0 и 90° с направлением действия магнитного или электрического полей. Четвертьволновая пластинка установлена так, что ее “быстрая” ось составляет угол ±45° с направлением действия магнитного или электрического поля, а между источником света и составным поляризационным фильтром установлен дополнительный поляризационный фильтр, плоскость пропускания которого совпадает с плоскостью преимущественной поляризации источника света и совпадает с биссектрисой угла между плоскостями пропускания частей составного поляризационного фильтра. Изобретение позволяет измерять с высокой точностью как угол поворота плоскости поляризации, вызванный естественной или наведенной оптической активностью, так и разность фаз между компонентами поляризованного света, возникающего под воздействием поперечного магнитного или электрического полей в образце нефтепродукта. 9 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее к большому классу поляризационных приборов, предназначенных для измерения поляризационных характеристик света, прошедшего оптически активные или двулучепреломляющие вещества. Предлагаемое устройство предназначено для реализации известных способов измерения эксплуатационных характеристик углеводородных топлив [Патент РФ №2163717, G 01 N 21/23 от 26.06.2000 г., Патент РФ №2226268, G 01 N 21/00 от 27.06.2002 г.], основанных на определении суммарного содержания ароматических углеводородов и суммарного содержания парафинонафтеновых составляющих по измерениям показателя преломления и оптической анизотропии, наведенной в светлых нефтепродуктах воздействием на них магнитным полем (эффекты Коттона-Мутона, Фарадея) или электрическим полем (эффект Керра).

Для измерения оптической активности или двойного лучепреломления большое распространение получили простые визуальные полярископы, например, типа ПКС-125 Загорского оптико-механического завода [Васильев Б.И. Оптика поляризационных приборов, М., “Машиностроение”, 1969 г., с.135]. Полярископ с компенсатором Сенармона ПКС-125 содержит источник света 1 (фиг.1), матовое стекло 2, простой пленочный поляризационный фильтр 3, горизонтальный столик 4, на котором установлена кювета 5 длиной L, с исследуемым веществом 6, четвертьволновая пластинка 7, закрепленная в подвижной оправе 8 так, что после ввода в рабочий пучок света ее “быстрая” кристаллографическая ось составляет угол ±45° с горизонтальной плоскостью столика 4, второй простой пленочный поляризационный фильтр 9, закрепленный на подвижном лимбе с 360-ю делениями. Цена одного деления лимба соответствует углу поворота фильтра 9 на 1°. Поляризационный фильтр 3 закреплен в оправе так, что его плоскость пропускания составляет угол ±45° с горизонтальной плоскостью столика 4, а плоскость пропускания второго поляризационного фильтра 9 в исходном положении (когда =0°) составляет угол -45° с горизонтальной плоскостью столика 4, т.е. составляет угол 90° с плоскостью пропускания первого поляризационного фильтра 3, что на сфере Пуанкарэ (фиг.2) можно отобразить соответственно точками 10, 11.

Если исследуемое вещество 6 (фиг.1) изотропно, не обладает оптической активностью и не подвергается воздействию магнитного или электрического полей, а четвертьволновая пластинка 7 не введена в рабочий пучок света, то линейно поляризационный свет после кюветы 5 остается неизменным и задерживается поляризационным фильтром 9, т.е. согласно закона Малюса интенсивность света на выходе полярископа J=0,5·J_o sin² =0, где J_o – интенсивность света после матового стекла 2. При этом оператор воспринимает полное гашение света, что на сфере Пуанкарэ (фиг.2) отображено диаметрально противоположными точками экватора 10 и 11.

Если исследуемое вещество 6 (фиг.1) обладает естественной оптической активностью, то после кюветы 5 азимут поляризации линейно поляризованного света изменится на угол , что на сфере Пуанкарэ (фиг.2) можно отобразить, например, точкой 12. При этом оператор будет наблюдать некоторое увеличение интенсивности света, прошедшего через поляризационный фильтр 9 (фиг.1) согласно зависимости J=0,5·J_o sin² (+)=0,5 sin² . Для восстановления наблюдаемого ранее гашения света оператор поворачивает поляризационный фильтр 9 на угол =, при котором наблюдается снова полное гашение света, поскольку J=0,5·J_o·sin²(–)=0, что на сфере Пуанкаре (фиг.2) отображено точкой 13. Угол поворота плоскости поляризации света, прошедшего путь L в оптически активном исследуемом веществе 6, определяют по углу поворота поляризационного фильтра 9 относительно исходного (нулевого) положения.

Для работы полярископа ПКС-125 в режиме измерения двойного лучепреломления четвертьволновую пластинку 7 вводят в рабочий пучок света так, что ее “быстрая” ось постоянно совпадает с плоскостью пропускания неподвижного поляризационного фильтра 3, а на горизонтальную плоскость столика 4 устанавливают кювету 5 с исследуемым нефтепродуктом, на который воздействуют электрическим или магнитным полем, направленным, например, параллельно горизонтальной плоскости.

Если, например, исследуемый нефтепродукт содержит ароматические углеводороды, то он под воздействием магнитного или электрического поля эквивалентен оптической фазовой пластинке, “быстрая” ось которой расположена горизонтально, что на сфере Пуанкарэ (фиг.2) отображено точкой 14 на оси OP₁. В этом случае линейно поляризованный пучок света после первого поляризационного фильтра с азимутом поляризации 45° преобразуется исследуемым продуктом в эллиптически поляризованный с тем же азимутом, например, точка 15 на сфере, а после четвертьволновой пластинки преобразуется снова в линейно поляризованный свет, но уже с другим азимутом, что на сфере Пуанкарэ отображено точкой 16. Такое преобразование состояния поляризации приводит к некоторому повышению наблюдаемой оператором интенсивности света согласно зависимости J=0,5·J_o sin² , где – разность фаз между горизонтальной и вертикальной компонентами поляризационного света, вносимая исследуемым нефтепродуктом.

Для достижения наблюдаемого прежде гашения света оператор поворачивает второй поляризационный фильтр 9 (фиг.1) на угол (точка 17 на фиг.2), при котором происходит компенсация воздействия исследуемого нефтепродукта на состояние поляризации света, и снова будет наблюдаться гашение света согласно зависимости J=0,5·J_o·sin²(–)=0.

Сочетание неподвижной четвертьволновой пластинки 7 (фиг.1) и подвижного поляризационного фильтра 9 называется компенсатором Сенармона, угол поворота которого характеризует степень поляризуемости молекул смеси исследуемого нефтепродукта и связан с разностью фаз между горизонтальной и вертикальной компонентами поляризованного света, вызванного наведенным в нефтепродукте двойным лучепреломлением следующей зависимостью:

где – длина волны света;

– наведенное двойное лучепреломление;

L – длина пути света в нефтепродукте.

Однако рассмотренный полярископ ПКС-125, как и другие известные визуальные полярископы, имеет ряд существенных недостатков.

Во-первых, при исследованиях ароматических углеводородов даже при самых больших реально осуществимых напряженностях магнитного или электрических полей и значительной длине кюветы L=200 мм угол поворота компенсатора Сенармона в видимой области спектра не превышает нескольких угловых градусов. Поэтому при взаимно ортогональных пропусканиях поляризационных фильтров и при малых углах , и разности фаз в области гашения света, т.е. в области нижнего экстремума функции J=f(), приращение интенсивности света J от приращения угла всегда наименьшее, что не является оптимальным для получения наибольшей чувствительности и точности.

Во-вторых, результаты измерений угла в визуальных полярископах субъективны. Самый опытный оператор может достигать точностей измерений угла в пределах ±0,1°, что явно недостаточно для исследований нефтепродуктов методами Коттона-Мутона, Керра, Фарадея.

В-третьих, в полярископе четвертьволновая пластинка установлена после кюветы с исследуемым нефтепродуктом. Это означает, что если в процессе измерений разности фаз компенсатором Сенармона исследуемый продукт обладает еще и естественной оптической активностью, то это приводит к нежелательным дополнительным изменениям азимута состояния поляризации света и к дополнительным неконтролируемым погрешностям измерений.

В-четвертых, визуальные полярископы не содержат никаких фотоэлектрических устройств для передачи информации о результатах измерений. Поэтому они не могут использоваться в технологических линиях или входить в состав автоматизированных комплексов, предназначенных для контроля эксплуатационных характеристик светлых нефтепродуктов.

Существенное повышение точности и объективности измерений оптической активности можно достичь, если пользоваться известными фотоэлектрическими цифровыми поляриметрами, например, поляризационным измерителем глюкозы в моче ИГП-01 [Патент РФ №2029258, G 01 J 4/04 от 04.06.91 г.], который является ближайшим прототипом.

Поляризационный измеритель глюкозы ИГП-01 содержит источник света в виде светодиода 1 (фиг.3), составной поляризационный фильтр 18 в виде двух примыкающих по линии встык одна к другой частей поляризационных фильтров 19 и 20, плоскости пропускания которых составляют угол 90° между собой. Составной поляризационный фильтр 18 установлен на плоских пружинах 21 и 22, свободные концы которых закреплены на корпусе 23. После составного поляризационного фильтра 18 установлена кювета 24 с защитными изотропными стеклянными окнами 25, заполненная исследуемым продуктом 26, которая снабжена штуцерами 27 для заполнения и циркуляции исследуемого продукта 26. Перед кюветой 24 установлена коллимирующая линза 28, а после кюветы 24 установлена собирающая линза 29. После кюветы 24 перед линзой 29 установлен простой поляризационный фильтр 30, плоскость пропускания которого ортогональна биссектрисе угла между плоскостями пропускания частей 19, 20 составного поляризационного фильтра 18. В фокусе собирающей линзы 29 установлен фотоприемник 31, который связан с электронным устройством обработки информации 32 и с индикатором 33.

Составной поляризационный фильтр 18 под воздействием периодически возникающего магнитного поля в зазоре миниатюрного электромагнита совершает колебательные движения с частотой сети 50 Гц относительно узкого пучка света вблизи источника света 1. Поэтому на кювету 24 подается поляризованный свет, плоскость поляризации которого периодически скачком меняется и занимает два фиксированных положения либо +45°, либо -45° по отношению к горизонту и к пропусканию поляризационного фильтра 30.

Если предположить, что поляризационные фильтры 18, 30 идеальные, а исследуемый продукт не обладает оптической активностью, то после каждой смены плоскости поляризации света с +45° на -45° интенсивности света J₁ и J₂, воспринимаемые фотоприемником, остаются постоянными, поскольку согласно закону Малюса J_1,2=0,5·J_o·sin²(±45°)=0,25J_o,

где J_o – интенсивность света, падающего на составной поляризационный фильтр 18.

Если исследуемый продукт обладает оптической активностью, то после кюветы азимут линейно поляризованного света будет периодически скачком изменяться от +45°+ до -45°+. Это означает, что в один полупериод колебаний составного поляризационного фильтра свет на фотоприемнике увеличивается на величину J=0,5·J_o·[sin²(45°+)-sin² 45°], а во второй – на ту же величину уменьшается. В результате в спектре сигнала фотоприемника, кроме постоянной составляющей J=0,25J_o, будет присутствовать переменная составляющая, которая пропорциональна интенсивности света J. Поскольку при малых углах (несколько угловых градусов) функцию J=() можно представить линейной, то отношение J/J_o=(J₁-J₂)/(J₁+J₂)=± sin2 является мерой искомой величины , что и реализуется электронным устройством 32 с цифровым индикатором результатов измерений 33.

При этом никаких угловых перемещений поляризационных фильтров или дополнительных компенсаторов угла поворота плоскости поляризации не требуется. Чувствительность такого фотоэлектрического поляризационного устройства максимальна потому, что на линейном участке функции J=() производная (J)/ наибольшая.

Однако и это известное устройство можно использовать только для измерения естественной или наведенной продольным магнитным полем оптической активности.

Поляризационный измеритель глюкозы в моче ИГП-01 не содержит компенсаторов разности фаз между горизонтальной и вертикальной компонентами поляризованного света, поэтому он не приспособлен для измерения двойного лучепреломления. В устройстве ИГП-01 в качестве источника света используется светодиод и это устройство не приспособлено для использования в нем таких простых источников узкого коллимированного монохроматического пучка света, как полупроводниковые лазеры, которые удобны для формирования узких пучков света и пропускания их через узкие, но длинные кюветы. Известно, что излучение полупроводниковых лазеров частично поляризовано, причем состояние поляризации этой части излучения меняется в зависимости от температуры и потребляемого тока. Произвольное (неконтролируемое) изменение состояния частичной поляризации полупроводниковых лазеров существенно ухудшает метрологические возможности фотоэлектрических поляризационных устройств типа ИГП-01.

Предлагается новое устройство для измерения оптической активности и двойного лучепреломления, наведенного магнитным или электрическим полями в светлых нефтепродуктах, которое свободно от упомянутых недостатков.

Технический результат заявляемого устройства заключается в повышении точности измерения наведенного двойного лучепреломления при наличии в исследуемых нефтепродуктах естественной оптической активности. Технический результат достигается предлагаемым устройством, которое содержит источник света, составной поляризационный фильтр в виде двух примыкающих по линии встык одна к другой частей поляризационных фильтров, плоскости пропускания которых составляют угол 90° между собой, установленный на плоских пружинах, кювету с защитными изотропными стеклянными окнами, заполненную исследуемым продуктом, простой поляризационный фильтр, плоскость пропускания которого ортогональна биссектрисе угла между плоскостями пропускания частей составного поляризационного фильтра, фотоприемник, электронное устройство обработки и индикации результатов измерений.

Плоскость пропускания частей составного поляризационного фильтра составляет соответственно углы 0° и 90° с горизонтом и с направлением вектора напряженности магнитного или электрического полей, действующих на исследуемый продукт. Между составным поляризационным фильтром и кюветой на подвижной оправе установлена четвертьволновая пластинка так, что после фиксации в рабочем пучке света ее “быстрая” кристаллографическая ось совпадает с биссектрисой угла между плоскостями пропускания частей составного поляризационного фильтра или ортогональна ей. Между источником света и составным поляризационным фильтром установлен дополнительный простой поляризационный фильтр, плоскость пропускания которого совпадает с плоскостью частичной преимущественной поляризации источника света и совпадает с биссектрисой угла между плоскостями пропускания частей составного поляризационного фильтра.

На фигуре 1 показана структурная схема известного полярископа с компенсатором Сенармона.

На фигуре 2 показана сфера Пуанкарэ, иллюстрирующая изменения состояния поляризации света в процессе прохождения света через элементы оптической схемы известного полярископа.

На фигуре 3 показана структурная схема известного поляризационного измерителя глюкозы ИГП-01, являющегося прототипом.

На фигуре 4 показана структурная схема предлагаемого устройства, работающего в режиме измерения естественной оптической активности.

На фигуре 5 показана структурная схема предлагаемого устройства, работающего в режиме измерения оптической активности, наведенной продольным магнитным полем.

На фигуре 6 показана структурная схема предлагаемого устройства, работающего в режиме измерения двойного лучепреломления, наведенного поперечным магнитным полем в нефтепродукте.

На фигуре 7 показана структурная схема предлагаемого устройства, работающего в режиме измерения двойного лучепреломления, наведенного поперечным электрическим полем в нефтепродукте.

На фигуре 8 показана сфера Пуанкарэ, иллюстрирующая работу предлагаемого устройства в режиме измерения оптической активности.

На фигуре 9 показана сфера Пуанкарэ, иллюстрирующая работу предлагаемого устройства в режиме измерения двойного лучепреломления.

Устройство для измерения оптической активности и двойного лучепреломления, наведенного магнитным или электрическим полями в светлых нефтепродуктах, содержит источник света 1 (фиг.4), составной поляризационный фильтр 18 в виде двух примыкающих по линии встык одна к другой частей поляризационных фильтров 19 и 20, плоскости пропускания которых составляют с горизонтом и с направлением поперечного вектора напряженности магнитного или электрического вектора. Составной поляризационный фильтр 18 закреплен на якоре электромеханического вибратора с плоскими пружинами 21, 22, которые защемлены на корпусе 23. Далее по ходу пучка света установлена кювета 24 с защитными изотропными стеклянными окнами 25, которая заполнена исследуемым продуктом 26, простой поляризационный фильтр 30, фотоприемник 31, электронное устройство обработки информации 32 и индикатор результатов измерений 33. Между составным поляризационным фильтром 18 и кюветой 24 в подвижной оправе 34 закреплена четвертьволновая пластинка 35 так, что после фиксации в рабочем пучке света ее “быстрая” кристаллографическая ось совпадает с биссектрисой угла между плоскостями пропускания частей 19, 20 составного поляризационного фильтра 18 или ортогональна ей. Плоскость пропускания простого поляризационного фильтра 30, например, совпадает с биссектрисой угла между плоскостями пропускания частей 19, 20 составного поляризационного фильтра 18 и совпадает с “быстрой” кристаллографической осью четвертьволновой пластинки 35, когда она находится в рабочем пучке света. Может быть другой вид юстировки, когда плоскость пропускания простого поляризационного фильтра 30 ортогональна биссектрисе угла между плоскостями пропускания частей 19, 20 составного поляризационного фильтра 18 и ортогональна “быстрой” оси пластинки 35.

Между источником света 1 и составным поляризационным фильтром 18 установлен дополнительный простой поляризационный фильтр 36, плоскость пропускания которого совпадает с плоскостью преимущественной частичной поляризации источника света 1 и совпадает с биссектрисой угла между плоскостями пропускания частей составного поляризационного фильтра 18.

Кювета 24 с продуктом 26 может быть помещена в продольное магнитное поле селеноида 37 (фиг.5), в поперечное (горизонтальное) поле постоянного магнита 38 (фиг.6), либо в поперечное (горизонтальное) электрическое поле конденсатора 39 (фиг.7).

Плоскости пропускания частей 19 и 20 составного поляризационного фильтра 18 составляют соответственно углы 0° и 90° с направлением вектора напряженности поперечного магнитного поля магнита 38 (фиг.6) или поперечного электрического поля конденсатора 39 (фиг.7).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В режиме измерения естественной или наведенной продольным магнитным полем оптической активности четвертьволновая пластинка 35 должна быть выведена из рабочего пучка света.

Узкий коллимированный монохроматический пучок света интенсивностью J_o от источника 1 (фиг.4, 5) проходит поляризационный фильтр 36 и становится линейно поляризованным интенсивностью 0,5·J_o с азимутом поляризации ±45°, что на сфере Пуанкарэ (фиг.8) для примера отображено точкой экватора 40.

Под воздействием импульсов магнитного поля миниатюрного электромагнита якорь электромеханического вибратора с укрепленным на пружинах 21, 22 составным поляризационным фильтром 18 совершает колебательные движения с частотой сети 50 Гц. В рабочий пучок света вводится то левая часть 19, то правая часть 20 составного поляризационного фильтра 18. Поэтому после прохождения этого фильтра азимут линейно поляризационного света периодически скачком занимает положение 0° или 90°, что на сфере (фиг.8) отображено соответственно точками 41, 42.

Четвертьволновая пластинка (фиг.4, 5) находится вне рабочего пучка света, поэтому линейно поляризованный свет интенсивностью 0,25·J_o с периодически скачком меняющимся азимутом проходит кювету 24 (фиг.3) с исследуемым продуктом 26, простой поляризационный фильтр 30 и воспринимается фотоприемником 31.

Если исследуемый нефтепродукт 26 не обладает естественной или наведенной продольным магнитным полем магнита 37 (фиг.5) оптической активностью, то монохроматический линейно поляризованный свет с переменным азимутом 0° или 90° проходит кювету 24 без изменений состояния поляризации точки 41 и 42 на фиг.8. Плоскость пропускания поляризационного фильтра 30 (фиг.4, 5) ортогональна биссектрисе угла между плоскостями пропускания частей 19, 20 составного поляризационного фильтра 18 (точка 43 на фиг.8). Точка 43 равноудалена относительно точек 41, 42, поэтому интенсивность света J, воспринимаемая фотоприемником 31, после каждой смены азимута с 0° на 90° остается постоянной и равной J=0,125·J_o.

Если исследуемый нефтепродукт 26 обладает естественной оптической активностью или под воздействием продольного магнитного поля магнита 37 обладает наведенной оптической активностью, то на выходе из кюветы 24 азимут линейно поляризованного света будет изменен на угол =V·L·Н, где V – постоянная Верде, L – длина пути, пройденного светом в нефтепродукте, Н – напряженность магнитного поля. В результате азимут линейной поляризации будет периодически скачком изменяться, например, от 0°+ до 90°+, что на сфере Пуанкарэ (фиг.8) отображено точками 44 и 45.

В результате в один полупериод колебаний составного поляризационного фильтра 18 (фиг.4, 5) свет на фотоприемнике 31 будет равен J₁=0,125·J_o(1+sin2), а во второй J₂=0,125·J_o(1-sin2). В результате в спектре сигнала фотоприемника 31 кроме постоянной составляющей, пропорциональной интенсивности света J=0,125·J_o, будет присутствовать переменная составляющая, которая пропорциональна интенсивности света J=J₁-J₂.

При малых углах отношение J/J_o=(J₁-J₂)/(J₁+J₂) является мерой искомой величины угла поворота плоскости поляризации , которое регистрируется электронным устройством обработки результатов 32 и выдается индикатором 33, например, в угловых градусах.

В режиме измерения двойного лучепреломления, наведенного магнитным или электрическим полем в светлых нефтепродуктах (фиг.6, 7), четвертьволновая пластинка 35 должна быть введена в рабочий пучок света.

При этом узкий коллимированный монохроматический пучок света интенсивностью J_о от источника 1 (фиг.6, 7) проходит поляризационный фильтр 36 и становится линейно поляризованным интенсивностью 0,5·J_o c азимутом поляризации 45°, что на сфере Пуанкарэ (фиг.9) отображено точкой экватора 40.

При воздействии импульсов магнитного поля якорь электромагнитного вибратора с укрепленным на пружинах 21, 22 составным поляризационным фильтром 18 совершает колебательные движения с частотой сети 50 Гц и в рабочий пучок света вводится то левая 19, то правая 20 части составного поляризационного фильтра 18. После этого фильтра азимут линейно поляризационного света периодически скачком занимает положение 0° или 90°, что на сфере Пуанкарэ (фиг.9) отображено соответственно точками 41, 42. Пусть “быстрая” ось четвертьволновой пластинки 35 составляет угол +45° с направлением действия магнитного поля магнита 38 (фиг.6) или электрического поля конденсатора 39 (фиг.7), т.е. совпадает с биссектрисой угла между плоскостями пропускания частей 19, 20 составного поляризационного фильтра 18, что на сфере Пуанкарэ (фиг.9) отображено направлением 0-40, совпадающим с осью ОР₂. Поэтому линейно поляризованный свет с периодически скачком изменяющимся азимутом (точки 41, 42) преобразуется четвертьволновой пластинкой в циркулярно поляризованный, соответственно левой (точка 46) и правой (точка 47) циркуляции.

Далее циркулярно поляризованный свет с периодически скачком меняющимся направлением циркуляции проходит кювету 24 (фиг.6, 7) с исследуемым нефтепродуктом 26, простой поляризационный фильтр 30 и воспринимается фотоприемником 31.

Если исследуемый нефтепродукт 26 не обладает наведенным магнитным или электрическим полем двойным лучепреломлением, то монохроматический циркулярно поляризованный свет проходит кювету 24 с нефтепродуктом 26 без изменений состояния поляризации, что на сфере Пуанкарэ (фиг.9) соответствует тем же точкам 46, 47. Плоскость пропускания поляризационного фильтра 30 (фиг.6, 7) ортогональна биссектрисе угла между плоскостями пропускания частей 19, 20 составного поляризационного фильтра 18, что соответствует точке 43 (фиг.9), которая равно удалена от точек 46, 47, поэтому интенсивность света J, воспринимаемая фотоприемником 31, после каждой смены направления циркуляции остается постоянной и равной J=0,125·J_o. Следует заметить, что если нефтепродукт 26 обладает естественной оптической активностью, то независимо от величины этой активности точки 46 и 47 (фиг.9) преобразуются сами на себя, т.е. после кюветы 24 (фиг.4, 5) состояние поляризации света остается таким же, как и до нее, т.е. то лево-, то право-циркулярно поляризованным.

Если исследуемый нефтепродукт 26 обладает двойным лучепреломлением, наведенным магнитным полем магнита 38 (фиг.6) или электрическим полем конденсатора 39 (фиг.7), то исследуемый продукт 26 можно представить фазовой пластинкой, “быстрая” ось которой совпадает с направлением действия поля (горизонтальна), а вносимая ею разность фаз

где L – длина пути света в нефтепродукте;

– длина волны света;

– наведенное двойное лучепреломление.

Поэтому на выходе кюветы 24 после прохождения света нефтепродукта 26 циркулярно поляризованный свет левой циркуляции (точка 46 на фиг.9) будет преобразован в эллиптически поляризованный, например, в точку 48 (фиг.9), а правой циркуляции (точка 47) – в точку 49.

Точки 48, 49 принадлежат большому меридиану, проходимому через точки 46, 40, 47, 43 с азимутом преимущественной поляризации света ± 45°. Далее эллиптически поляризованный свет проходит поляризационный фильтр 30 (фиг.6, 7) и воспринимается фотоприемником 31.

Поскольку плоскость пропускания поляризационного фильтра 30 составляет угол -45° по отношению к горизонту, т.е. по отношению к направлению действия магнитного или электрического поля (точка 43 на фиг.9), то периодическая скачкообразная смена состояния поляризации, соответствующая точкам 48, 49 на сфере (фиг.9), приводит к периодическому изменению интенсивности света, воспринимаемого фотоприемником 31, на величину J=0,125·J_o[(1+sin )-(1-sin )]. При (5°=0,087266 рад) sin и отношение J/J_o является мерой искомой величины двойного лучепреломления, наведенного в нефтепродукте магнитным или электрическим полями.

В предлагаемом устройстве для удобства реализации способов определения эксплуатационных характеристик углеводородных топлив [патенты РФ №226268 и №2163717] электронное устройство 32 и индикатор 33 формируют и индуцируют информацию о наведенном двойном лучепреломлении в относительных единицах, названных бензольным индексом – BIN [Николаев В.Ф., Дияров И.Н., Султанова Р.Б., Фахрутдинов М.Р., Багаутдинова Д.Б., Катаев В.Е., Нефтехимия, 2002, том. 42, № 6, с.470-474; Николаев В.Ф., Дияров И.Н., Кутушев И.Р., Султанова Р.Б., Фахрутдинов М.Р., Катаев В.Е. Заводская лаборатория. Диагностика материалов., 2003, №10, т.69, с.21-23].

Бензольный индекс – безразмерная величина, характеризующая отношение наведенного двойного лучепреломления в исследуемом нефтепродукте к наведенному двойному лучепреломлению при тех же условиях в индивидуальном бензоле – в типичном представителе ароматических углеводородов.

Как видно из описания, предлагаемое устройство обладает отличительными признаками, которые не есть простая сумма отличительных признаков упомянутых известных аналогов. Так, в отличие от известного устройства [Патент РФ №2029258, G01J 4/04 от 04.06.91 г.] плоскости пропускания частей 19, 20 составного поляризационного фильтра 18 составляют углы 0° и 90° с горизонтальной плоскостью, в которой действуют магнитное и электрическое поле, а не под углом ±45°, как у известных устройств. В отличие от известного устройства ПКС-125 [Васильев Б.И. Оптика поляризационных приборов, М, “Машиностроение”, 1969 г., с.135] четвертьволновая пластинка 35 установлена не после кюветы, а перед кюветой 24 так, что ее “быстрая” ось совпадает с биссектрисой угла между плоскостями пропускания частей 19, 20 составного поляризационного фильтра 18. Кроме того, предлагаемое устройство снабжено дополнительным простым поляризационным фильтром 36, плоскость пропускания которого совпадает с плоскостью частичной преимущественной поляризацией источника света 1 и совпадает с биссектрисой угла между плоскостями пропускания частей 19, 20 составного поляризационного фильтра 18.

Предлагаемое устройство имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с известными устройствами такого же класса.

Во-первых, предлагаемое устройство позволяет производить измерения как естественной или наведенной оптической активности, так и наведенного двойного лучепреломления в относительных единицах “BIN”. Командой на переход от одного режима работы предлагаемого устройства на другой служит отсутствие или наличие в рабочем пучке света четвертьволновой пластинки.

Во-вторых, благодаря размещению четвертьволновой пластинки перед кюветой стало возможным производить точные измерения двойного лучепреломления в единицах BIN независимо от наличия и величины оптической активности исследуемого нефтепродукта.

В-третьих, измерения оптической активности и двойного лучепреломления производятся на линейном участке функций J=₁ () и J=₂(BIN) с максимальной крутизной, что позволяет достигать предельно возможных точностей измерений угла поворота плоскости поляризации =±0,001° и двойного лучепреломления в относительных единицах BIN=±0,001.

В-четвертых, благодаря установленному на оправе источника света дополнительному поляризационному фильтру происходит стабилизация состояния поляризации света простых полупроводниковых квантовых генераторов и тем самым устранение дополнительных неконтролируемых ошибок измерений. А применение квантовых генераторов существенно упрощает оптическую схему и конструкцию предлагаемого устройства.

В-пятых, в предлагаемом устройстве нет вращающихся оптических элементов, нет сложных и дорогих датчиков перемещения. Плоские пружины, на которых укреплен составной поляризационный фильтр, работают только в пределах небольших упругих деформаций, поэтому предлагаемое устройство имеет высокую надежность, компактное и простое.

Предлагаемое устройство может использоваться в составе лабораторных или промышленных комплексов для контроля светлых нефтепродуктов, а также отдельно для лабораторного анализа нефтепродуктов.

Формула изобретения

Устройство для измерения поляризационных характеристок света, содержащее источник света, установленный на плоских пружинах составной поляризационный фильтр в виде двух примыкающих по линии встык одна к другой частей поляризационных фильтров, плоскости пропускания которых составляют угол 90° между собой, кювету с защитными изотропными стеклянными окнами, простой поляризационный фильтр, плоскость пропускания которого ортогональна биссектрисе угла между пропусканием частей составного поляризационного фильтра, фотоприемник, электронное устройство обработки информации и индикатор результатов измерений, отличающееся тем, что плоскости пропускания частей составного поляризационного фильтра составляют соответственно углы 0 и 90° с горизонтом и направлением вектора напряженности поперечного магнитного или электрического полей, действующих на исследуемый продукт, а между составным поляризационным фильтром и кюветой установлена в подвижной оправе четвертьволновая пластинка так, что после фиксации в рабочем пучке света ее “быстрая” ось совпадает с биссектрисой угла между плоскостями пропускания частей составного поляризационного фильтра или ортогональна ей, а между источником света и составным поляризационным фильтром установлен дополнительный простой поляризационный фильтр, плоскость пропускания которого совпадает с плоскостью частичной преимущественной поляризацией источника света и совпадает с биссектрисой угла между плоскостями пропускания частей составного поляризационного фильтра.

РИСУНКИ