Лазерный интерференционный масляный манометр
Лазерный интерференционный масляный манометр содержит U-образную трубку, заполненную маслом, лазерный интерферометр с устройством разделения луча и ввода лазерных лучей в колена манометра и вывода из них на фоторегистрирующие устройства. В каждом из колен манометра установлен поплавок, верхняя часть которого выполнена в виде фторопластого стакана с наружным радиусом на 1 мм меньшим радиуса трубки манометра и тремя выступами, стабилизирующими его соосное с трубкой положение, при этом в плоском днище стакана сделаны отверстия вблизи стенок, сквозь которые тонкие слои масла над днищем фторопластовых стаканов сообщаются между собой; а нижняя часть поплавков выполнена в виде стеклянного запаянного цилиндрического баллона с верхними стеклянными ножками, на которых лежит фторопластовый стакан, и боковыми ножками для стабилизации поплавка в вертикальном положении, при этом к нижней части стеклянного баллона припаяна балластная капля стекла. Технический результат - расширение диапазона измеряемых давлений. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к метрологии, а именно к области измерения давления в различных отраслях промышленности и для научных исследований.
Известен ртутный интерференционный манометр, использующий для демпфирования поверхностных волн в ртути слой масла. Интерференция наблюдается в тонком клине, образованном поверхностью масла или ртути с поверхностью плоской стеклянной пластины, прикрепленной к корпусу манометра в слое масла. (Peube, G 01 L 7/18, FR 1362334, опубл. 1964-05-29).
Недостатком указанного манометра является узкий диапазон измеряемых давлений, определяемый толщиной клина.
Известен лазерный интерференционный ртутный манометр, в котором задача формирования квадратурных сигналов для счета интерференционных полос и защита лазера от возвращенного света решена с помощью многоэлементной оптической схемы, включающей в себя поляризационный делитель света, четыре четвертьволновые пластинки и поворотное зеркало (Harrison E.R., Hatt D.J., Prowse D.B., Wilbur-Ham J.A New Interferometric Manometer//Metrologia, 1976, v.12, pp.115-122).
Недостатком оптической схемы интерферометра является ее сложность.
Известен лазерный интерференционный масляный манометр, в котором для подавления поверхностных волн высота столбов масла над твердым плоским дном колен манометра уменьшена до 0,5 мм, а ее изменение в каждом колене при изменении разности давлений измеряется с помощью двух интерферометров Физо с наклонным падением лазерных лучей на поверхность масла для исключения возврата отраженного света в лазер (Poulter K.F., Nash P.J. An interferometric oil micromanometer // J.Phys. E: Sci. Instrum. 1979. vol.12. 931-936).
Недостатком устройства является то, что при глубине слоя масла в коленах манометра не более 0,5 мм максимальная разность уровней не может превышать 1 мм, что ограничивает верхний предел измеряемых манометром давлений. Изменение давления в манометре должно производиться со скоростью менее 1,5·10-2 Па/с, так как при большей скорости интерференционная картина терят качество, что приводит к увеличению времени измерений.
В основу изобретения положена задача создания манометра, который обеспечивал бы необходимую точность измерений одновременно с расширением диапазона измеряемых давлений за счет уменьшения интерференционных шумов (погрешностей) вследствие использования свойства слоя масла толщиной до 0,5 мм демпфировать поверхностные волны при сохранении толщины этого слоя в процессе измерений, а за счет использования в схеме интерферометра поляроида и призмы обеспечивал бы возможность реверсивного счета интерференционных полос и подавление эффекта попадания отраженного света обратно в лазер.
Достижение вышеупомянутого технического результата обеспечивается тем, что в лазерном интерференционном масляном манометре, содержащем U-образную трубку, заполненную маслом, лазерный интерферометр с устройствами для разделения луча на два луча, ввода лазерных лучей в колена манометра и вывода из них на фоторегистрирующие устройства, дополнительно в каждом из колен манометра установлен поплавок, верхняя часть которого выполнена в виде фторопластового стакана с наружным радиусом, на 1 мм меньшим радиуса трубки манометра, и тремя выступами, стабилизирующими его соосное с трубкой положение, при этом в плоском днище стакана сделаны отверстия вблизи стенок, сквозь которые тонкие слои масла над днищем фторопластовых стаканов сообщаются между собой, а нижняя часть поплавков выполнена в виде стеклянного запаянного цилиндрического баллона с верхними стеклянными ножками, на которых лежит фторопластовый стакан, и боковыми ножками для стабилизации поплавка в вертикальном положении, при этом к нижней части стеклянного баллона припаяна балластная капля стекла. При этом лазерный интерферометр выполнен по схеме Майкельсона, и в него включен лазер, поворотная призма, делительная пластина, поляроид, ориентированный под углом 45° к плоскости падения луча на делительную пластину, призма полного внутреннего отражения.
В предлагаемом решении применено демпферное поплавковое устройство, позволяющее поддерживать тонкий слой масла без уменьшения его толщины, что позволяет существенно расширить диапазон измеряемых давлений и производить счет интерференционных полос со скоростью 1000 полос/с. При этом применение поплавкового устройства существенно снижает стоимость установки по сравнению с воздушной подвеской всей установки и упрощает ее без снижения точности измерений. Балластная капля стекла позволяет отрегулировать толщину слоя масла.
Поворотная призма и поляроид совмещают в себе 2 функции - получение на выходе интерферометра квадратурного сигнала для обеспечения реверсивного счета интерференционных полос, а также ослабление интенсивности отраженного света обратно в лазер, что обеспечивает возможность точных измерений.
Изобретение поясняется чертежом, на котором показаны оптическая схема интерферометра и конструкция поплавка.
Оптическая схема интерферометра содержит лазер (на фиг.1 не указан), поворотную призму 1, поляроид 2, делительную пластинку 3, поворотную призму полного внутреннего отражения 4, поляризационный делитель 5, фотодиоды 6.
Поплавок состоит из двух частей. Верхняя - фторопластовый стакан 7 с наружным радиусом на 1 мм меньше радиуса трубки манометра и тремя выступами, стабилизирующими его соосное с трубкой положение. Дно стакана внутри плоское, а снизу конусное, для свободного выхода пузырьков воздуха при обезгаживании масла, имеет три небольших отверстия вблизи стенок для обеспечения протока масла внутрь. Нижняя часть поплавка - стеклянный запаянный цилиндрический баллон 8 с тремя стеклянными ножками 9 сверху, на которых лежит верхняя часть, и шестью ножками 10 - в радиальном направлении, которые стабилизируют его вертикальное положение внутри трубки манометра. Размеры частей подбираются таким образом, чтобы обеспечить необходимую толщину слоя масла 11 в поплавке. Глубина погружения поплавка регулируется изменением объема балластной капли стекла 12, припаянной к нижней части стеклянного баллона. При изменении давления газа в манометре поплавки перемещаются вдоль осей колен таким образом, что толщина слоя масла 11 сохраняется неизменной.
U-образный манометр 13 изготовлен из стеклянной трубки. Интерферометр установлен прямо на торцевых окошках манометра 14.
Осветителем интерферометра служит частотно-стабилизированный гелий-неоновый лазер типа ЛГН-302, в излучении которого выделена одна продольная мода с линейной поляризацией и длиной волны λ=632,9 нм. Для обеспечения возможности реверсивного счета интерференционных полос (что необходимо для правильной обработки сигнала) применен известный способ смешения пучков с линейной и круговой поляризациями, который здесь реализован следующим образом. Пучок лазера после поворотной призмы 1 проходит через поляроид 2, ориентированный под углом 45° к плоскости падения на делительную пластинку 3. Пройдя напрямую колено, он на выходе сохраняет линейную поляризацию. Второй пучок два раза проходит поворотную призму полного внутреннего отражения 4, которая поставлена вместо обычно применяемого здесь поворотного зеркала. При этом он получает эллиптическую поляризацию, близкую к круговой. На выходе интерферометра пучки света проходят через поляризационный делитель 5, который формирует квадратурные сигналы интерференции, регистрируемые двумя фотодиодами 6.
Аналоговые сигналы с фотодиодов 6 поступают в блок сопряжения, где они преобразуются в счетные импульсы. Счет импульсов производится при непрерывном взаимодействии блока сопряжения с ЭВМ через параллельный порт. Количество счетных импульсов и соответствующее значение давления отображается на дисплее компьютера в реальном времени, в процессе напуска газа в измерительное колено манометра 13.
Совмещение в призме 4 двух функций, отражателя и четвертьволновой пластинки, делает оптическую схему предельно простой. Кроме того, поляроид 2 на входе обеспечивает потери интенсивности возвращенного света, достаточные, чтобы лазер работал в нормальном режиме.
Конструкция манометра за счет использования поплавков обеспечивает снижение интерференционных шумов на два порядка (с 2-3 до 0,01-0,03 интерференционной полосы) без применения специальных фундаментов или подвесов установки.
1. Лазерный интерференционный масляный манометр, содержащий U-образную трубку, заполненную маслом, лазерный интерферометр с устройством разделения луча на два луча и ввода лазерных лучей в колена манометра и вывода из них на фоторегистрирующие устройства, отличающийся тем, что дополнительно в каждом из колен манометра установлен поплавок, верхняя часть которого выполнена в виде фторопластового стакана с наружным радиусом, на 1 мм меньшим радиуса трубки манометра, и тремя выступами, стабилизирующими его соосное с трубкой положение, при этом в плоском днище стакана сделаны отверстия вблизи стенок, сквозь которые тонкие слои масла над днищем фторопластовых стаканов сообщаются между собой, а нижняя часть поплавков выполнена в виде стеклянного запаянного цилиндрического баллона с верхними стеклянными ножками, на которых лежит фторопластовый стакан, и боковыми ножками для стабилизации поплавка в вертикальном положении, при этом к нижней части стеклянного баллона припаяна балластная капля стекла.
2. Лазерный интерференционный масляный манометр по п.1, отличающийся тем, что лазерный интерферометр выполнен по схеме Майкельсона.
3. Лазерный интерференционный масляный манометр по п.1, отличающийся тем, что в устройство разделения луча на два луча и ввода лазерных лучей в колена манометра включены поворотная призма, делительная пластина, поляроид, ориентированный под углом 45° к плоскости падения луча на делительную пластину, призма полного внутреннего отражения.
