Шахтный интерферометр
Изобретение относится к оптико-электронным измерениям, предназначено для определения концентрации метана и углекислого газа в рудничном воздухе и может быть использовано для измерения уровня загазованности воздуха при экологических исследованиях. Цель изобретения - повышение чувствительности, стабильности и точности измерений. С этой целью в шахт
СОК13 (;OH TCK11X
C(. 1 ÈÀËÈ111 lÃ(:KÈX
РF. (:FlÓÜÍÈÊ
ГОСУДАРСТВЕ! % ЫИ КОМИ ГЕТ
Г!О ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРblFV1Flf1
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ6СТВУ
I y с « ь
- 1, (:i/ ; - fiIl
, у Ь" (21) 4751146/25 (22) 09.08.89 (46) 07.01.92. Бюл, N. 1 (71) Научно-производственное объединение
"Метрология" (72) Ю. А, Салоид и С. Т, Лисогорская (53) 535.8(088.8) (56) Оптико-электронные приборы для научных исследований. — М.: Машиностроение, 1986, с,241, 244, „., 5Ц„„1703994 А1 (elis G 0I J 9/02. G Оч N 21/л5 (54) ШАХТНЫЙ ИНТЕРФЕPOMLTP (57) Изобретение относится к оптико-электронным измерениям, предназначено для определения концентрации метана и углекислого газа в рудничном воздухе и может быть использовано для измерения уровня загазованности воздуха при экологических исследованиях. Цель изобретения — повышение чувствительности, стабильности и точности измерений. С этой целью в шахт< I t!L< i1! < I ep I>e )0 ."..1 р jjo(<0 I<11T0ï< <О (
14, закреппен<<ий !<а I Орпусе и со"...д:!не!i
I<ь«1 С IIOJ 313)TOI(!<Ой I 130()ott Cf1 "Си, пр!1 2 0j,у О(I инес кОГ 0 пу <а с Од« 0(1 ci c)poli t Гlо /<0010!1, а уГ ОЛ <0 I) b! Ii 01 раХК«1 Р 1ь 7 tie(1!)Cpe)Дс i ве!
ii. ф-пы, 2 л. Изобре1е<(ие Относится к 0( 33(азопаннос1и Г<оздуха при акопу(ических L < c (; JI e j L0 t) a t L < (t K. Извес)е<< ин1ерферомегр ИТР--1, состо; «е(<ичина применяе(4ой щели для получения удовле1ворительного контраста выбрана в 3-4 раза меныве критических размеров, Поэтому набл<одаемая интсрфере!<ционная картина имее(очснь t 8 качества про(отипа выбран шахтный интерферогле1р ШИ-7, выполненный по Схв(лЕ Жа(лана. Известен шлх1ный интерферометр LLll 7, содержащий установленные последовэTeлы<о L1 оптически связанные источник - излучения, све<оделительный элемент, кам ру, n««OJ L1 L Недостатка<411 и!<терфероме1pa ШИ-7 я«ляе Гся 1<изкая <у«с<с!<гепьность, стабильность и точ(<ость и" (4epe! Оптических дет;пях части световой энер(I1L1, «а(; Lit Ширина полос равного наклона в прототипе зависит от угла наклона светоделительtIОй г<пaс1ины. Под действием вибрации и температуры происходит изменение пространс1венной о()и<3«тации толстой с()етодел!11ельной плаc1LIt «печет эа собой дрейф нуля прибора, Целью изобретения является повышение чувствительности, вибростойкости, стабильности, точности измерений и уменьшение температурной зависимости. Поставленная цель достигается тем, что шахтный интсрферометр содержащий установленные последовательно и оптически связанные источник излучения, светоделительный элемент, ка<леру, выполненную в виде двух герметичных полостей разного обьема, размещенных одна в другой для эталонной и исследуемой газовых смесей соответственно, уголковый отражатель. поворотное зеркало и измерительную систему. камера снабжена ко(лпенсирующей призмой и Гланоглетром, приче(л компенсирующая приз(ла оптически связана с уголковым отрахка1елем, светоделитель и ко(лпснсиру<ощая призма закреплены с одного торца камеры по ходу излучения, а уголковый отражатель закреплен с другого торца камеры, при этом манометр закреплен на камере и соединен с полостью для э1 алонной газовой смеси. Кроме того, светоделитель выполи.н в виде призмы Kecrepca. На фиг. 1 представлена оптическая схема предлагае(4ого шахтного i» Интерферометр содержит установленIIt4e последовательно и опт(<чески связан1 /03994 35 55 1Ièо исто Iflик 11злу10 l1 .я, 00ст01 щий из л,ззера 1 и конденсатора 2, рходное поворотное зеркало 3, свет0делиггл1,ны1т элемент 4, камеру, выполнен нуl0113 двух гl. р1летичнь х II0лостей разного обье;ла, размеще Ilfhlx одна в другой, полость 5, предназначенную для эталонной газовой смеси, и полосiь 6 для исследуемой газовой с1леси, уголковый отражатель 7, компенс1тру1ощую призму 8, поворотное зеркало 9 и измерителы1ую систему, состоящую из обьектива 10 и окуляра 11, фотоприемное устройство 12 и вычислительное устройство 13, причем компенсирующая призма 8 опт1чески связана с уголковытл отражателем 7, светоделитель 4 и компенсирующая призма 8 закреплены с одного торца камеры по ходу излучения, а уголковый отражатель 7 закреплен с другого торца камеры . при этом манометр 14 закрепле11 на камере и соеди1тен с полостью 5, предназначенной для эталонной газовой смеси. кроме того. светоделительный элемент 4 выполнен в виде призмы Кестерса. Элементы оптической схемы (фиг. 2) условно смещены вдоль вертикальной оси рисунка для наглядной демонстрации хода лучей в предлагаемом устройстве. Интерферометр работает следующим образом. Источник излучения формирует пучок света с помощью лазера 1 и конденсатора 2 и после отражения на входном поворотном зеркале 3 попадает на вход призглы Кестерса 4. В этой призме происходит разделение светового пучка на два потока, параллельно выходящих иэ призмы Кестерса 4. Один луч с выхода призмы Кестерса 4 проходит только в полости. заполненной эталонной газовой смесью 5. а другой луч — только в полости, заполненной исследуемой газовой смесью 6, Оба луча, пройдя соответственно камеры 5 и 6, отразившись от уголкового отражателя 7, далее снова через камеры 5 и 6 поступают на компенсирующую призму 8. После отражения от компенсирующей призмы 8 оба луча снова проходят камеры 5 и 6 и, отразившись от уголкового отражателя 7, через камеры 5 11 6 постуflBIOT после отражения от боковых граней призмы Кестерса 4 на ее светоделительную грань, где и происходит интерференция лучей. Затем интерференционный сигнал через поворотное зеркало 9, обьективом 10 и окуляром 11 фокусируется «а фотоприемное устройство 12 и далее на вычислительное устройство 13, где осуществляется визуально счет интерференционных голос. Конструктивно камеры представляют собой объемы, например в цилиндр без дна помест ить стака11 без дна 0>QII>13v0flhй 1 соты, Эти обьемы закре1тллтлтся, нзпр1тмт 1т. ПУТЕМ СКЛЕИВа1цтя С УГОЛКОВЫ1Л от Ража;0;Етт 7 с 0, j11011 cTOP0II I и призмой Кестерсз 4 11 ко .пе11с1,рукзще1т призтлой 8 (HP- 100) с другой стороны (ф1лг. 1). Образовавшиеся полости 5 11 6 снабжены входными и выходными каналами с вентилями для связи с атмо1:форой. В полости 5, заполненной эталонной газовой смесью, имеется отверстие для присоединения тройника с манометром 14 на выходе, Свободный конец тройника с вентилем предназначен для впуска с полость 5 эталон I01: газовой смеси. Для уравновешивания температуры газовых смесей в полостях 5 и 6 полость с эталонной газовой смесью является наружной. При этотл расположении камер 5 и 6 аталонная газовая сглесь лучше прогревается окружающим устройство атмосферным воздухом. Закачиваемая в ка.леру 6 иссг1едуемая газовая смесь имеет температуру, близкую температуре эталонной газовой смеси. Таким образом, если учитывать изменение давления в герметичной камере 5 с эталонной газовой смесью, то результаты проводимых измерений предлагаемым устройством зависят только от качества газового состава исследуемого атмосферного воздуха. Температурное повышение давления в ограниченном объеме может приводить к значительным погрешностям в определении качественных и количественных характеристик газового состава исследуемого воздуха. Для учета изменений давления в камере 5 в процессе измерений в предлагаемом устройстве применен манометр 14. При использовании баллона со сжатым воздухом без примесей COg и метана для первоначального запуска через редуктор в камеры 5 и 6 с эталонной и исследуемой газовыми смесями при одновременном сбросе счетчика прибора в исходное положение можно проводить автономную калибровку прибора. При такой автономной калибровке отпадает необходимость перед повторным измерением каждый раз подниматься на поверхность для забора в камеры чистого аттлосферного воздуха. Отсутствие окон в камерах 5 и 6 уменьшает потери излучения по сравнени.о с прототипом на величину, равн ю восыл1ткратным потерям на границах раздела газовая смесь — стекло и атмосфврОй Клотерь = 5% х8=- 40% в кажд011 и камер, Лучи света проходят по каждой иэ камер 4 раза (фиг. 2). Это дает возможность повысить чувствительность измерений в 2 раза по сравнению с про1отипом, Оптическая схема предлагаемого прибора постро1 /03994 f.Iles та1с, что изменения гес1мет рических раэIc pun нниду температурных деформаций, 11риноднщих к наклонам угî 1voBGfo отражателя, перел1е;це11ие есо вдоль продольной ocIl прибора и сдвигом о плоскости, перпендикулярной продольной оси прибора, не влияет на результаты измерения, Компенсирующая призма 0 выполняет функцисо зеркала, но отражение происходит со с мещением в плоскости, перпендикулярной продольной оси прибора на величину сИ1 ГЗ, где Ь вЂ” высота призмы HP — 180. Такил1 пространственным разделением входящих и оыходящстх в призме 8 лучей устраняе1ся обратная сняэь элементов оп1ической схемы с входом лазера 1 и повыснается то-llfoc7b измерения прибора за счет 11оныше1н1л однозначности определения длины волны лазера, При этом повышается лс страстность интерференционной картины, а следовательно, и точность определе1111я фазы интерференционного сигнала, очность счета полос интерференции, Присем в предлагаемом приборе на фотоприемfloe устройство 12 поступает световой сигнал в виде пятна с распределениелт интенсивности flo закону Гаусса. а не полосоой иlf Tåðôåренционный сигнал, что ос ределяется выбором источника излуче11ия, который очень сложно преобразовать о электрический сис нал иэ- за конечности мин11мальных размеров фотоприемника, В результате температурных деформац1111нызываемых местными нагревами оптических элементов может происходить разворот ориентации полос интерференционной KBpTHlfbl, а это служит дополнитель1ым источсгиком погрешности в прототипе. Ко11структивное решение оптической схемы н предлагаемом устройстве в значительной лтере оознолнет устранить f оздсйстние этоСО ЯНЛЕНИЛ На РЕЗУЛЬтатЫ 11эл1ЕПЕ11ИН. ИЗЛ1Е11ение пространстоессной ориентации элементоо схемы под ноздейстниел1 нибра5 ции и температуры н одинаковой мере олияет на ход лучей, проходящих в канале с эталонной и исследуемой гаэовь ми смесями, и не приводит к угловым раэъюстировкам интерферирующих лучей в 10 предлагаемом устройстве. Предлагаемое устройство простое в сборке и после склейки не требует дополнительных юстировок. Формула изобретения 15 1. Шахтный интерферометр, содержащий установленные последооательно и оптически связанные источник излучения, соетоделительный элемент, камеру, выполненную в виде двух герметичных полостей 20 разного обьема, размещенных одна в другой для эталонной и исследуемой газовых смесей соответственно, уголкооый отражатель, поворотное зеркало и измерительную систему, отличающийся тем, что, с 25 целью повышения чувствительности, стабильности и точности измерений, камера снабжена компенсирующей призмой и манометром, причем компенсирующая призма оптически связана с уголкооым отражате30 лем, светоделитель и компенсирующая призма закреплены с одного торца камеры по ходу излучения, э уголковый отражатель закреплен с другого торца камеры. при этом манометр эакрейлен на камере и соединен 35 с полостью для эталонной газовой смеси. 2. Интерферометр по п.1, отл ичаюшийся тем, что, с целью уменьшения температурной зависимости и повышения вибростойкости, светоделитель выполнен в 40 виде призмы Кестерсэ. Редактор М,Бланар Составитель Т.Фролова Техред М.Моргентал Корректор Т.Колб Заказ 55 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101
