Способ измерения давления газа Советский патент 1989 года по МПК G01L11/00 G01L11/02 

ел

N9

СП

оо

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам и методам измерения давления.

Целью изобретения является расши- рение диапазона измерения и повышение точности.

На чертеже изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения давления газа

Устройство содержит лазер 1 фиксированной длины волны с эле ктрооптичес ким частотным модулятором 2, управляющий вход которого соединен с генератором 3 электрических колебаний. Оп- тический выход модулятора 2 связан с поляризационным делителем , разделяющим составляющие модулированных колебаний. Измерительная кювета 5 и кювета 6 сравнения, заполненные газом соответственно с контролируемым и известным давлением, установлены по ходу разделенных делителем Ц пучков света. Полуволновая пластинка 7 и второй поляризационный делитель 8 расположены перед фотоэлектрическим приемником 9. К выходу последнего через звено 10 задержки подключен одним входом фазометр 11, другим входом соединенный с генератором 3. Звено 10 задержки шунтировано магнито- управляемым ключом 12 с обмоткой 13 управления. К управляющему входу электрооптического модулятора 2 подключен цифровой частотомер 1, Оптическая часть устройства представляет собой двулучевой интерферометр.

Способ реализуют следующим образом.

В кювету 5 плеча сравнения интерферометра подают газ с измеряемым давлением Р, а в кювете 6 опорного плеча находится газ с известным давлением Рд. Электрооптический частотный моду лятор 2, работающий в режиме двухполюсной модуляции, электрическим сигналом частоты SI преобразует монохроматическое излучение лазера 1 частоты ic в двухчастотное с разными оптическими частотами и) и соч- Л и взаимно перпендикулярными поляризациями. Эти составляющие излучения на входе интерферометра разделяют на два пучка, а на выходе вновь совмещают поляризационными делителями и 8. Полуволновая пластинка 7 служит для совмещения плоскостей поляризации лучей опорного и измерительного плеч. Фотоэлектрический приемник 9 преобразует биение

0 5

0

5

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 фазометра 11 и измеряют частоту модуляции Я, вычислительным частотомером 1. Затем ключ 12 размыкают и вводят тем самым временную задержку С , вносимую звеном 10. Изменяют частоту модуляции до получения ближайшего нулевого показания фазометра 11. Измеряют второе значение частоты модуляции 7 частотомером 1. Давление определяют по формуле

fl,

Р

где fl,

CRT

Si,-.Т, lA

первое и второе значения частоты модуляции, соответствующие нулевой разности фаз;

-скорость света в вакууме;

-универсальная газовая постоянная;

-абсолютная температура газа;

длина кюветы;

-молекулярная рефракция газа.

Способ измерения давления основан на следую цих физических принципах.

Фазовая задержка i/ волны света на пути 1 в среде распространения с показателем преломления п определяется выражением

с

R

Т

1 А

40

Ц

u)l(n-l) „ ...

------ 2:кп,ас/, (1)

где OJ- угловая частота световых

волн;

с - скорость света в вакууме; п, - целое число фазовых циклов; и Lf - дробная часть фазового цикла. Показатель преломления газа п связан с плотностью формулой Лоренц-Ло. ренца

(n2-1)/(n2+2), (2) где А - молекулярная рефракция газа, сохраняющая почти постояйное значение в широком диапазоне изменения плотности; Р - молекулярный вес газа. Плотность j реального газа связана с давлением интерполяционным уравуе- нием Ван-дер-Ваальса

P RT9/wrH-B(P,T)j , (3) где Т - абсолютная температура,

R - .универсальная газовая постоянная, В(Р,Т) - поправкаj которая выбирается

из условия наилучшего согласия с опытом в заданном диапазоне температур Т и давлений Р. Подставляя значение п-1 в выражение (1), получают

преобразуют в электрический сигнал который сравнивают по фазе с электр ческим модулирующим сигналом. Фазов сдвиг сравниваемых сигналов при дав

лении газа в кювете сравнения в соответствии с формулой (7)

10

CRT

P. (8)

С учетом погрешностей фазометра и неконтролируемых фазовых сдвигов в оптической части интерферометра измеряемый фазовый сдвиг Выразив плотность р через давление Г(и. +Л)АП Р из формулы (3), окончательно получа- e| (i+|,)( -. ( + ) + j (9)

Ч U ют

где

,, - wAl(ni32) /м cW(n+1)

WAl(n2+2)1+B(Pj,T) f . cRf(n+T) Сомножитель в формуле (5)

(() ,,.

п+Т

обусловливает нелинейность зависимости величины фазовой задержки t/ от давления Р, Проведенные оценки для воздуха, азота и других легких газов в диапазоне давления 0-1000 кПа показали, что погрешность от нелинейности не превышает 0,5%. Поэтому для технических измерений можно использовать линейную зависимость

- ж -

Для измерения фазовой задержки if в зависимости от давления Р когерентное оптическое излучение с частотой колебаний подвергают частотной модуляции электрическим сигналом частоты Я, при которой образуются две составляющие излучения с разным и оптическими частотами ы и и+П и взаимно перпендикулярными поляризациями. Эти компоненты излучения разделяются на два пучка света с основной w и смещенной uj+SI оптическими частотами.

Через измерительную кювету длиной 1, заполненную газом с контролируемым давлением Р, пропускают зондирующее излучение смещенной частоты а)+Я, а через кювету сравнения той же длины, заполненную газом с известным давлением Р , - зондирующее излучение основной частоты w.

Прошедшие через кюветы пучки света совмещают до образования интерференционной картины. Возникающие при этом биония интенсивности интерферирующего излучения с разностной частотой SI

L CRT J

V - относительная мультипликати ная погрешность измерения от непостоянства угла накло 20 преобразовательной характер стики давление - фаза; сГ- абсолютная аддитивная погре ность измерения от смещения (дрейфа нуля) преобразовате 25 ной характеристики давлемие

фаза.

После измерения разности фаз cf, а точнее дробной части фазового цикла, изменяют частоту модуляции Л 30 ДО получения нулевой разности фаз

П -|т -(1-1-,)Р,0, (10).

где fl,- значение частоты модуляции соответствующее нулевой раз ности фаз;

с/, - погрешности измерения разно сти фаз Jqi,. Далее задерживают электрический

сигнал частоты fl , на время t j . При

этом разность фаз увеличивается до

значения

35

40.

45

50

... -П)+ .

0,(II)

где j и - погрешности измерения

разности фаз 4(/j. Дополнительно изменяют частоту модуляции до восстановления нулевой разности фаз

3 l t --P-n,tJ(U)W,0,(l2)

55 Д ji. второе значение частоты модуляции, соответствующее нулевой разности фаз; и (f, -погрешность измерения разно сти фаз йц.,.

яня

1527530

преобразуют в электрический сигнал, который сравнивают по фазе с электрическим модулирующим сигналом. Фазовый сдвиг сравниваемых сигналов при давлении газа в кювете сравнения в соответствии с формулой (7)

CRT

P. (8)

С учетом погрешностей и неконтролируемых фазов в оптической части интер измеряемый фазовый сдвиг Г(и. +Л)АП e| (i+|,)( -. (

С учетом погрешностей фазометра и неконтролируемых фазовых сдвигов в оптической части интерферометра измеряемый фазовый сдвиг Г(и. +Л)АП e| (i+|,)( -. ( + ) + j (9)

где

L CRT J

V - относительная мультипликативная погрешность измерения от непостоянства угла наклона преобразовательной характеристики давление - фаза; сГ- абсолютная аддитивная погрешность измерения от смещения (дрейфа нуля) преобразователь- ной характеристики давлемие фаза.

После измерения разности фаз cf, а точнее дробной части фазового цикла, изменяют частоту модуляции Л ДО получения нулевой разности фаз

П -|т -(1-1-,)Р,0, (10).

где fl,- значение частоты модуляции, соответствующее нулевой разности фаз;

с/, - погрешности измерения разности фаз Jqi,. Далее задерживают электрический

сигнал частоты fl , на время t j . При

том разность фаз увеличивается до

значения

... -П)+ .

0,(II)

где j и - погрешности измерения

разности фаз 4(/j. Дополнительно изменяют частоту модуляции до восстановления нулевой разности фаз

3 l t --P-n,tJ(U)W,0,(l2)

Д ji. второе значение частоты модуляции, соответствующее нулевой разности фаз; и (f, -погрешность измерения разности фаз йц.,.

выбирают из (13)

Д р порог чувствительности фаВеличину задержки соотношения

П,Ч(5...10) где зометра.

Нижний предел определяется случайными погрешностями, связанными с флуктуациями фазы, верхний предел - дисперсионными погрешностями, связанными с изменением частоты зондирующего излучения.

При пороговых изменениях фазового сдвига лм,-v, (S.. .10) 5(/ целое число фазовых циклов не изменяется (п, const). Поэтому фиксируемые разности фаз (10) и (12) содержат целое число фазовых циклов;

Л, ,, -(li()

где 0,1,2,3... - целые числа.

Кроме того, при пороговых изменениях разности фаз ( cf г , ) можно считать, что погрешности измерения разности фаз остаются практически неизменными (, у -у и , c/lj / , . Приравняв разности фаз (Ю) и (12), соответствуюи1ие огной и той же нулевой разности фаз t, &, получают

(и)+Я,)А1 (u+fl5)Al , ..p...-.-p+Q,

о

(15)

откуда

среде

давление газа в зондируемой

Р

1. CRT

л,-п ТА «

с учетом задаваемого давления . кювете сравнения, через которую

(16)

Р.

проходит пучок света основной оптической частоты иЗ, разностное давление

ЛР

где

РО Я,

яТ-я;

- Р.

(17) в среде

40

45

CRT

ГА

известное давление сравнения.

Результат измерения давления (1б) соответствует частному случаю, когда давление в среде сравнения .

Из полученных выражений (1б) и (17) следует, что давление однозначно определяется двумя значениями частоты модуляции Я, и Л, не зависит от це- ,,50 лого числа фазовых циклов п, и погрешностей измерения фазовых сдвигов ( и cf) ,

Формула изобретения

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 фазометрсн 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 фаз изменяют частоту модуляции до получения нулевой разности фаз, затем задерживают электрический сигнал на время, фазовая задержка от которого превышает порог чувствительности фазометра, дополнительно изменяют частоту модуляции до восстановления нулевой разности фаз, а измеряемое давление опре- деляют по соотношению

Л CRT

Р

где Я,, частоты модуляции, соот ветствующие нулевой разности фаз;

с - скорость света в вакууме; R - универсальная газовая постоянная;

абсолютная температура газа газа;

длина пути света в кювете; молекулярная рефракция газа;

время задержки электрического сигнала.

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 P₀. Электрооптический модулятор 2, работающий в режиме модуляции, сигналом частоты 98O₁ 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 Ω₂. Затем ключ 12 размыкают и вводят тем самым временную задержку τ₀. Изменяют частоту модуляции до получения ближайшего нулевого показания фазометра 11. Измеряют это значение частоты модуляции Ω₃, а давление определяют по измеренным значениям Ω₁, Ω002, Ω₃ и τ₀. 1 ил.