Способ измерения давления газа
Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для измерения давления газов и позволяет расширить пределы измерения, повысить точность измерений. В кювету 5 плеча сравнения интерферометра подают газ с измеряемым давлением P, а в кювете 6 опорного плеча находится газ с известным давлением P<SB POS="POST">0</SB>. Электрооптический модулятор 2, работающий в режиме модуляции, сигналом частоты 98O<SB POS="POST">1</SB> преобразует излучение лазера 1 частоты ω в двухчастотное с оптическими частотами ω и ω + Ω и взаимно перпендикулярными поляризациями. Эти составляющие излучения разделяют на два пучка, а на выходе вновь совмещают фотоэлектрический приемник 9 преобразуют биение интенсивности интерферирующего света в электрический сигнал. Изменением частоты модуляции добиваются нулевого показания фазометра 11 и измеряют частоту подуляции Ω<SB POS="POST">2</SB>. Затем ключ 12 размыкают и вводят тем самым временную задержку Τ<SB POS="POST">0</SB>. Изменяют частоту модуляции до получения ближайшего нулевого показания фазометра 11. Измеряют это значение частоты модуляции Ω<SB POS="POST">3</SB>, а давление определяют по измеренным значениям Ω<SB POS="POST">1</SB>, Ω002, Ω<SB POS="POST">3</SB> и Τ<SB POS="POST">0</SB>. 1 ил.
СОЮЗ СОЭЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК (51) 4 r, 01 L 11/00
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ABTOPGHGMV СВИДЕТЕПЬС ." ВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
1 (21) 4394838/24-10 (22) 21.03.88 (46) 07.12.89 ° Бюл ° (71) Институт газа АН УССР (72) Ю.А.Скрипник, С.М.Розкин и П.И.Малежик (53) 531.787 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
Г 145077, кл. G 01 L 11/00, 1987 °
Кулеш В.П.Анализ возможностей лазерной интерферометрии для измерения давления газа. - Автометрия, 1987, 1Г 4, с. 69-74, (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА (57) Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для измерения давления газов и позволяет расширить пределы измерения, повысить точность измерений ° В кювету
5 плеча сравнения интерферометра подают газ с измеряемым давлением Р, а в кювете 6 опорного плеча находится
„„ЯУ„„1527530 А1 газ с известным давлением P, . Электрооптический модулятор 2, работающий в режиме модуляции, сигналом частоты (l., преобразует излучение лазера 1 частоты О. в двухчастотное с оптическими частотами < и ы+Л и взаимно перпендикулярными поляризациями. Эти составляющие излучения разделяют на два пучка, а на выходе вновь совмещают, фотоэлектрический приемник 9 преобразует биение интенсивности интерферирующего света в электрический сигнал, Изменением частоты модуляции добиваются нулевого показания фаэометра 11 и измеряют частоту модуляции Я . Затем ключ
12 размыкают и вводят тем самым временную задержку . Изменяют частоту модуляции до получения ближайшего нулевого показания фазометра 11. Измеряют это значение частоты модуляции Я,, а давление определяют по измеренным
5 1г, Qç Vl iо ° 1 HJI
1527530
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам и методам измерения давления.
Целью изобретения является расши5 рение диапазона измерения и повышение точности.
На чертеже изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения давления газа.10
Устройство содержит лазер 1 фиксированной длины волны с электрооптическим частотным модулятором 2, управля- ющий вход которого соединен с генератором 3 электрических колебаний. Оптический выход модулятора 2 связан с поляриэационным делителем 4, разделяющим составляющие модулированных колебаний. Измерительная кювета 5 и кювета 6 сравнения, заполненные газом 20 соответственно с контролируемым и известным давлением, установлены по
I ходу разделенных делителем 4 пучков света. Полуволновая пластинка 7 и второй поляризационный делитель 8 д расположены перед фотоэлектрическим приемником 9. К выходу последнего через звено 10 задержки подключен одним входом фазометр 11, другим вхо" дом соединенный с генератором 3. Зве- З0 но 10 задержки шунтировано магнитоупра вляемым ключом 12 с обмо гкой 13 управления. К управляющему входу электрооптического модулятора 2 подключен цифровой частотомер 14. Оптическая часть устройства представляе
35 собой двулучевой интерферометр.
Способ реализуют следующим образом.
В кювету 5 плеча сравнения интер40 ферометра одают гаэ с измеряемым давлением Р,. а в кювете 6 опорного плеча находится газ с известным давлением
Р . Электрооптический частотный модулятор 2, работающий в режиме двухпо45 люсной модуляции, электрическим сигналом частоты Я преобразует монохроматическое излучение лазера 1 частоты
ы в двухчастотное с разными оптическими частотами ы и + Q и взаимно перпендикулярными поляризациями. Эти
50 составляющие излучения на входе интерферометра разделяют на два пучка, а на выходе вновь совмещают поляризационными делителями 4 и 8. Полуволновая пластинка 7 служит для совмещения плоскостей поляризации лучей опорного и измерительного плеч ° Фотоэлектрический приемник 9 преобразует биение интенсивности интерферирующего света на выходе интерферометра в электрический сигнал с частотой Я и фазой Ч, которая измеряется фазометром 11.
Вначале ключ 12 замкнут подачей напряжения на обмотку 13 управления.
Изменением частоты модуляции добиваются нулевого показателя фаэометра 11 и измеряют частоту модуляции Я, вычислительным частотомером 14. Затем ключ 12 размыкают и вводят тем самым временную задержку 7,, вносимую звеном 10. Изменяют частоту модуляции до получения ближайшего нулевого показания фазометра 11. Измеряют второе значение частоты модуляции Й частотомером 14. Давление определяют по формуле сЕТ р л
Я Я 1А о где Я„ Й - первое и второе значения частоты модуляции, соответствующие нулевой разности фаз; с - скорость света в вакууме;
R - универсальная газовая постоянная:
Т вЂ” абсолютная температура газа;
1 - длина кюветы;
А - молекулярная рефракция газа.
Способ измерения давления основан на следующих физических принципах.
Фазовая задержка волны света на пути 1 в среде распространения с показателем преломления и определяется выражением
Ы1 (n-1) ц= - — ----=zIlndq (1) с где ы - угловая частота световых волн; с - скорость света в вакууме;
n - целое число фазовых циклов; ц - дробная часть фазового цикла.
Показатель преломления газа и свя"-ан с плотностью формулой Лоренц-Ло-. генца
А =1 (п -1) I (n +2) (2) где д - молекулярная рефракция газа, сохраняющая почти постояйное значение в широком диапазоне изменения плотности; р - молекулярный вес газа.
Плотность р реального газа связана с давлением интерполяционным уравнением Ван-дер-Ваальса
15275
P=RTp/W (1+E(P,Т)1, (3) где T — абсолютная температура, универсальная газовая постоянная, В(Р,Т) - поправка, которая выбирается из условия наилучшего согласия с опытом в заданном диапазоне температур Т и давлений Р, Подставляя значение и-1 в выражение (1), получают
10 уЯ1р (п -2) (4)
cW(n+1)
Выразив плотность у через давление
Р из формулы (3), окончательно получа-15 чают Я1(n +2) (1+В(Р T))
cRT(n+1)
Сомножитель в формуле (5) (п +2 (1+В(Р T)) и+1 обусловливает нелинейность зависимости величины фаэовой задержки и от давления Р, Проведенные оценки для воэду25 ха, азота и других легких газов в диапазоне давления 0-1000 кПа показали, что погрешность от нелинейности не превышает 0,54. Поэтому для технических измерений можно испольэовать линейную зависимость — (7)
ИА1 сRT
Для измерения фазовой задержки у в зависимости от давления P когерентное оптическое излучение с частотой колебаний подвергают частотной модуляции электрическим сигналом частоты
Я, при которой образуются две состав40 ляющие излучения с разными оптическими частотами ы и а+Я и взаимно пер" пендикулярными поляризациями. Эти компоненты излучения разделяются на два пучка света с основной м и смещенной ы+Я оптическими частотами.
Через измерительную кювету длиной
1, заполненную газом с контролируемым давлением Р, пропускают зондирующее излучение смещенной частоты й)+Д, а через кювету сравнения той же длины, заполненную газом с известным давлением P» — зондирующее излучение основной частоты ы.
Прошедшие через кюветы пучки света совмещают до образования интерференционной картины. Возникающие при этом биения интенсивности интерферирующего излучения с разностнсй частотой g, 30
6 преобразуют в электрический сигнал, который сравнивают по фазе с электрическим модулирующим сигналом. Фазовый сдвиг сравниваемых сигналов при давлении газа в кювете сравнения Р, =О в соответствии с формулой (7)
Ч Р (8)
С учетом погрешностей фазометра и неконтролируемых фазовых сдвигов в оптической части интерферометра измеряемый фазовый сдвиг
1 (ь.+Я) Al )
Ч =(1+y) =(- -----) P (1+ )+d (9)
1 (cRT д где 1. - относительная мультипликативная погрешность измерения от непостоянства угла наклона преобразовательной характеристики давление - фаза;
d - абсолютная аддитивная погрешность измерения от смещения (дрейфа нуля) преобразовательной характеристики давление фаза.
После измерения разности фаз у, а точнее дробной части фазового цикла, изменяют частоту модуляции Й до получения нулевой разности фаз (ш+ й,) Яl д(=----- ---(1+ ) Р+ d =0 (1О)
cRT где 51, — значение частоты модуляции, соответствующее нулевой разности фаз; у,и d, — погрешности измерения разности фаз Лф,, Далее задерживают электрический сигнал частоты Я,на время С . При этом разность фаэ увеличивается до значения
У (ы+ Я ) Яl (cRT о )
>О, (11) где у и l - погрешности измерения разности фаз дц, Дополнительно изменяют частоту модуляции до восстановления нулевой разности фаз
И = („-- --Р+ Я, 7 (1+ у )+д > —— О, (12)
1 Ы+Яг) Яl где Я - второе значение частоты модуляции, соответствующее нулевои разности фаз; у и д - погрешность измерения разности фаэ д,.
1527530
Величину задержки, выбирают из соотношения
Я, . =(5...10) д, (13) где а с - порог чувствительности фа5 зометра, Нижний предел определяется случайными погрешностями, связанными с флуктуациями фазы, верхний предел дисперсионными погрешностями, связан- 10 ными с изменением частоты зондирующего излучения. При пороговых изменениях фазового сдвига д, - y, = (5... 10) д „целое число фазовых циклов не изменяется (п,=
=const). Поэтому фиксируемые разности фаз (10) и (12) содержат целое число фазовых циклов;
Лч, = ад =2lln,,- (14) где п =1,2,3... - целые числа.
Кроме того, при пороговых изменениях разности фаз (д ц (с 2Гп, ) можно считать, что погрешности измерения разности фаз остаются практически неизменными (у,= у = у = у и d,= д ; — d d ). 25
Приравняв разности фаэ (10) и (12), соответствующие о ной и той же нулевой разности Фаз д = д, получают (ы+ Я < ) А1 (u+ Я ) А1 р р+д л (15)
cRT cRT откуда давление газа в зондируемой среде
Q1 cRT р (16) а,-а 1А "О !
С учетом задаваемого давления Р, в кювете сравнения, через которую проходит пучок света основной оптической частоты сй, разностное давление
cRT 40
Л р (17)
) д о о °
1 где P - известное давление в среде сравнения, Результат измерения давления (16) соответствует частному случаю, когда 45 давление в среде сравнения P =0, з полученных вьражений (16) и (17) следует, что давление однозначно определяется Лвумя значениями частоты
1 модуляции Я, и и, не зависит от целого числа фазовых циклов и, и погрешностей измерения фазовых сдвигов (у и l) .
Формула и зоб р е т е н и я
Qg cRT „ р Л
Я.-Я, 1А где Я,, Я вЂ” частоты модуляции, соответствующие нулевой разности фаз; скорость света в вакууме; универсальная газовая постоянная; с
R абсолютная температура газа газа; длина пути света в кювете; молекулярная рефракция газа; время задержки электрического сигнала.
Способ измерения давления газа, включающий частотную модуляцию оптического когерентного излучения, разделение излучения на два пучка света с основной и смещенной оптическими частотами, пропускание пучка света со смещенной частотой через первую кювету известной длины, заполненную газом с измеряемым давлением, пропускание пучка света с основной частотой через вторую кювету такой же длины, заполненную газом с известным давлением, совмещение пучков света, прошедших кюветы, преобразование биений интенсивности интерферирующего излучения в электрический сигнал частоты модуляции, измерение фаэометрс, разности его фазы и фазы модулирующего сигнала и вычисление измеряемого давления газа, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения и повышения точности, после измерения разности фаэ изменяют частоту модуляции до получения нулевой разности фаз, затем задерживают электрический сигнал на время, фаэовая задержка от которого превышает порог чувствительности фазометра, дополнительно изменяют частоту модуляции до восстановления нулевой разности фаэ, а измеряемое давление определяют по соотношению
