Metóda určovania koncentrácie kvapalných binárnych zmesí pikolitrových objemov meraním vyrovnávacej vlnovej dĺžky

Číslo patentu: 288191

Dátum: 14.05.2014

Autori: Pudiš Dušan, Martinček Ivan

Stiahnuť PDF súbor.

Zhrnutie / Anotácia

Spôsob merania koncentrácie kvapalných binárnych zmesí pikolitrových objemov s využitím optického vlákna je založený na meraní vyrovnávacej vlnovej dĺžky ?0 pre interferujúce módy LP01 a LP11 šíriace sa v optickom vlákne, ktorého jadro je tvorené vyšetrovanou binárnou zmesou. Keďže index lomu binárnych zmesí závisí od pomeru jednotlivých kvapalín v zmesi, je možné na určenie tohto pomeru využiť meranie vyrovnávacej vlnovej dĺžky ?0 pre interferujúce módy LP01 a LP11 v optickom vlákne, pretože hodnota vyrovnávacej vlnovej dĺžky ?0 závisí od indexu lomu jadra optického vlákna, ktoré je tvorené vyšetrovanou binárnou zmesou. Opísaný spôsob je možné využiť pri návrhu a konštrukcii tzv. laboratórií na čipe.

Text

Pozerať všetko

Vynález sa týka spôsobu merania koncentrácie kvapalných binámych zmesí píkolitrových objemov s využitím optického vlákna, ktorého plášť je tvorený z taveného kremeňa a jadro z vyšetrovanej kvapalnej binámej zmesi, v ktorom sa meria vyrovnávacia vlnová dĺžka Ä., pre dvojicu interferujúcich módov LP a LP šíriacich sa jadrom optického vlákna. Oblasť techniky, ktorej sa vynález týka, je meracia technika.Na meranie koncentrácie kvapalných binárnych zmesí sa V súčasnosti používa množstvo analytických metód. Keďže index lomu kvapalnej bínámej zmesi závisí od koncentrácie jednotlivých kvapalín, ktoré zmes vytvárajú, jedna skupina metód využíva na určovanie koncentrácie kvapalných binámych zmesí meranie indexu lomu mesi. Nakoľko index lomu kvapalnej zmesi ovplyvňuje prenosové vlastnosti rôznych optických prvkov, je možné použiť meranie vybraných prenosových parametrov optických prvkov na meranie indexu lomu kvapalnej zmesi a následne na určovanie koncentrácie kvapalných binárnych zmesí.Jedným z vhodných optických prvkov na meranie indexu lomu zmesí sú optické vlákna. Do súčasnosti bolo publikovaných niekoľko metód určovania koncentrácie binámych kvapalných zmesí využívajúcich optické vlákna M. Tomic, Z. Djínovic, IEEE Sensors Joumal 8 (2008), 587 - 592.Navrhovaná metóda určovania objemovej koncentrácie kvapalných binámych mesí píkolitrových objemov je založená na vyšetrovaní medzimódovej interferencie módov LP a LP šíriacich sa jadrom optického vlákna kruhového prierezu, ktoré tvorí vyšetrovaná kvapalná binárna zmes. Koncentrácia jednotlivých zložiek kvapalnej binámej zmesi sa určuje meraním vyrovnávacej vlnovej dĺžky Ä., pre interferujúce módy. Do súčasnosti nebola publikovaná žiadna metóda, ktorá by na určovanie koncentrácie kvapalných binámych zmesí využívala meranie vyrovnávacej vlnovej dĺžky A., pre interferujúce módy LP a LP šíriace sa kvapalným jadrom optického vlákna.Optickými vláknami sa elektromagnetické žiarenie šíri prostredníctvom módov elektromagnetického poľa. Keďže každý mód elektromagnetického poľa sa v optickom vlákne šíri určitou fázovou rýchlosťou, ktorej zodpovedá príslušná fázová konštanta, je za určitých podmienok možné detegovať na konci optického vlákna medzimódovú interferenciu. Pri medzimódovej interferencii dvoch módov je signál medzimódovej interferencie závislý od rozdielu fázových konštánt interferujúcich módov a dĺžky optického vlákna, na ktorej dochádza k interferencii. Keďže fázové konštanty módov elektromagnetického poľa závisia od indexov lomu jadra a plášťa optického vlákna, od profilu indexu lomu medzi jadrom a plášťom optického vlákna a od polomeru jadra optického vlákna, so menami týchto parametrov v závislosti od nejakej fyzikálnej veličiny sa bude meniť aj optický signál medzimódovej interferencie medzi vybranými módmi elektromagnetického oľa.Význanmým parametrom medzimódovej interferencie je vyrovnávacia vlnová dĺžka Ä., pre dvojicu interferujúcich módov LP a LP I. Turek, I. Martinček, D. Káčik, P. Peterka, K. Grondžák, Recent Research Developments in Optical Engineering 5 (2003) 61 - 81. Pre optické vlákno s kruhovým priemerom jadra je hodnota vyrovnávacej vlnovej dĺžky M pre dvojicu interferujúcich módov LP a LP závislá od polomerujadra optického vlákna, od proñlu indexu lomu medzijadrom a plášťom a od indexov lomu jadra a plášťa optického väga. Pri zmenách jedného z týchto parametrov bude dochádzať k zmenám hodnôt vyrovnávacej vlnovej d ÄPri meraní medzimódovej interferencie medzi módmi LP a LP je optický signál s detegovaný na konci optického vlákna úmerný výrazukde zje dĺžka optického vlákna a Bo., B sú fázové konštanty jednotlivých interferujúcich módov LP a LP Pre optické vlákno kruhového prierezu môžeme fázové konštanty módov LP a LP vyjadriť v tvarekde k je vlnová dĺžka svetla vo vákuu, nj a np sú indexy lomu jadra a plášťa optického vlákna, U 01 a U sú normované priečne konštanty šírenia módov LPG a LP 1 a V je normovaná frekvencia daná vzťahomkde rje polomerjadra optického vlákna.Pri využití optického vlákna na meranie koncentrácie kvapalných binámych zmesí pikolitrových objemov meraním vyrovnávacej vlnovej dĺžky interferujúcich módov LPol a LP tvorí kvapalná bináma zmes jadro kapilámeho optického vlákna. Keďže index lomu jadra optického vlákna tvoreného binámou zmesou závisí od pomeru jednotlivých kvapalín, ktoré zmes tvoria, bude sa v závislosti od koncentrácie binámej zmesi meniť aj vyrovnávacia vlnová dĺžka M pre dvojicu interferujúcich módov LPm a LP. Z toho dôvodu je možné využiť meranie vyrovnávacej vlnovej dĺžky h, pre dvojicu interferujúcich módov LPm a LP priamo na určovanie koncentrácie kvapalnej binámej zmesi.Prehľad obrázkov na výkresochVynález je bližšie objasnený pomocou výkresov, na ktorých znázorňuje obr. l spôsob zapojenia kapilárneho optického vlákna z taveného kremeňa, ktorého jadro tvori kvapalná binárna zmes, umožňujúce merať medzimódovú interferenciu medzi módmi LPol a LP v tomto vlákne a určovať vyrovnávaciu vlnovú dĺžku M, obr. 2 nameraný optický signál zodpovedajúci medzimódovej interferencii pre interferujúce módy LPo, a LP v závislosti od vlnovej dĺžky svetla v kapilámom optickom vlákne z taveného kremeňa dĺžky 2 cm, ktorého jadro s priemerom 5,5 mikrometra tvorí zmes s objemovým zložením 50 toluén, 50 chloroform, s vyznačenou vyrovnávacou vlnovou dĺžkou h, pri teplote 20 °C, obr. 3 znázorňuje nameraný optický signál zodpove-dajúci medzimódovej interferencii pre interferujúce módy LPol a LP v závislosti od vlnovej dlžky svetla v kapilámom optickom vlákne z taveného kremeňa dĺžky 2 cm, ktorého jadro s priemerom 5,5 mikrometra tvorí zmes s objemovým zložením 40 toluén, 60 chloroform.Konštrukcia zariadenia, umožňujúceho merať koncentráciu kvapalných binámych zmesí pikolitrových objemov s využitím optického vlákna meraním vyrovnávacej vlnovej dĺžky M pre interferujúce módy LPm a LP šíriace sa optickým vláknom je znázornená na obr. l. Svetlo zo širokospektrálneho zdroja 1 je pomocou napájacieho optického vlákna z taveného kremeňa z, ktorého jadro § má priemer l 0 mikrometrov, privedené na vstup kvapalného jadra 7, ktoré má priemer 5,5 mikrometra, dĺžku 2 centimetre a je vyplnené vyšetrovanou kvapalnou binámou zmesou. Kvapalné jadro 1 tvorí jadro kapilárneho optického vlákna à z taveného kremeňa. Optický signál na konci kvapalného jadra 1 kapilárneho optického vlákna à z taveného kremeňa je detegovaný pomocou detekčného optického vlákna g z taveného kremeňa s jadrom Q s priemerom 10 mikrometrov, ktoré sa nachádza vo vzdialenosti l mikrometer od kapilámeho optického vlákna g s kvapalným jadrom 1. Detekčné optické vlákno i s jadrom Q je vyosené o 2,5 mikrometra od osi kapilámeho optického vlákna 3 z taveného kremeňa s kvapalným jadrom 1. Signál z jadra 6 detekčného optického vlákna g je privedený do spektrálneho analyzátora j pracujúceho v rozsahu vlnových dĺžok od 400 do l i 50 nanometrov.Na obr. 2 je znázomený priebeh optického signálu, zodpovedajúci medzimódovej interferencii pre interferujúce módy LP a LP s vymačenou vyrovnávacou vlnovou dlžkou h, meraného pomocou spektrálneho analyzátora 5 pre konštrukciu zariadenia znázomeného na obr. l, ak je kvapalné jadro 1 vyplnené kvapalnou binámou zmesou s objemovým zložením 50 toluén, 50 chloroform pri teplote 20 °C, Na obr. 3 je znázomený priebeh optického signálu, zodpovedajúci medzimódovej interferencii pre interferujúce módy LPm a LPll s vyznačenou vyrovnávacou vlnovou dĺžkou Ko, meraného pomocou spektrálneho analyzátora 5 pre konštrukciu zariadenia znázorneného na obr l, ak je kvapalne jadro 1 vyplnené kvapalnou binámou zmesou s objemovým zložením 40 toluén, 60 chlorofomi pri teplote 20 °C.Spôsob merania koncentrácie kvapalných binámych zmesí pikolitrových objemov s využitím optického vlákna meraním vyrovnávacej vlnovej dĺžky h, pre interferujúce módy LPm a LPI šíriace sa v optickom vlákne môže nájsť využitie pri meraní koncentrácie vhodných binámych zmesi používaných pri rôznych technických aplikáciách v rôznych priemyselných odvetviach. Popísaný spôsob merania koncentrácie kvapalných binámychzmesí môže tiež nájsť využitie pri návrhu a konštrukcii tzv. laboratórií na čipe - mriadení, ktoré integrujújednu alebo viac laboratómych funkcií na čipe s rozmerom niekoľko milimetrov štvorcových.Spôsob merania koncentrácie kvapalných binámych zmesí pikolitrových objemov s využitím optického vlákna, do ktorého sa privádza signál cez napájacie optické vlákno, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že meraná kvapalná bináma mes tvorijadro kapilámeho optického vlákna, pričom detekčným optickým vláknom umiestneným vo vhodnej vzdialenosti nesúosovo s jadrom kapilárneho optického vlákna sa meria spektrálna závislosť optického signálu medzimódovej interferencie módov LPm a LP šíriacich sa jadrom kapilárneho optického vlákna, pričom sa zo spektrálnej závislosti meraného optického signálu určuje hodnota vyrovnávacej vlnovej dĺžky to pre interferujúce módy LPm a LP, pomocou ktorej sa výpočtom určí percentuálne zastúpenie jednotlivých kvapalín tvoriacich kvapalnú binárnu zmes.

MPK / Značky

MPK: G01M 11/02, G01F 1/74

Značky: dĺžky, vyrovnávacej, binárnych, určovania, pikolitrových, zmesí, koncentrácie, kvapalných, meraním, vlnovej, metoda, objemov

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/6-288191-metoda-urcovania-koncentracie-kvapalnych-binarnych-zmesi-pikolitrovych-objemov-meranim-vyrovnavacej-vlnovej-dlzky.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Metóda určovania koncentrácie kvapalných binárnych zmesí pikolitrových objemov meraním vyrovnávacej vlnovej dĺžky</a>

Podobne patenty