СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ И ГАЗА В ТУРБУЛЕНТНЫХ ПОТОКАХ Советский патент 1994 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к интерференционной рефрактометрии и может быть использовано при измерениях показателей преломления турбулизованных потоков жидкости и газа.

Цель изобретения - повышение точности измерений показателя преломления жидкости и газа в турбулизованных потоках.

На чертеже представлена функциональная схема рефрактометра, реализующего способ измерения показателя преломления жидкости и газа в турбулентных потоках.

Способ осуществляется следующим образом. До начала измерения формируют две интерференционные картины: одну в монохроматическом свете и другую в белом (путем сведения двух лучей белого света). При этом обеспечивают возможность взаимосвязанных изменений порядка интерференции в обеих интерференционных картинах. Так, в частности, при монотонном нарастающем характере изменений порядка интерференции в интерференционной картине белого света обеспечивают пропорциональное монотонное нарастающее изменение порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света. В отсутствие исследуемого потока осуществляют настройку путем смещения ахроматической полосы в интерференционной картине белого света в среднее положение (например, в центр поля наблюдения), которое в дальнейшем принимается за нулевое положение ахроматической полосы и запоминается. Нулевое положение может задаваться также с использованием реперной интерференционной картины белого света.

Перед началом измерений также формируют и запоминают зону калибровки размеров 1,6 А с центром в точке нулевого положения ахроматической полосы.

Положение ахроматической полосы в интерференционной картине белого света регистрируется периодически (с периодом Т_б) в условиях принудительного изменения порядка интерференции в диапазоне 2А в интерференционной картине белого света по периодическому закону (с периодом Т_б). Изменения порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света регистрируются также периодически (с периодом Т_м) в условиях принудительного порядка интерференции в интерфеpенционной картине монохроматического света по периодическому закону (с периодом Т_м). При этом дробная часть порядка интерференции может изменяться по методу временных интервалов, а целая часть порядка интерференции может регистрироваться по методу суммо-разностного счета.

Собственно измерения показателя преломления осуществляются после формирования исследуемого потока. Для этого один из белых лучей, образующих интерференционную картину пропускают через исследуемый поток. При этом ахроматическая полоса уходит из поля наблюдения в интерференционной картине белого света. В этот момент фиксируют значение изменения порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света N_н, и после этого инициируют дополнительное изменение порядка интерференции в интерференционной картине белого света, направленное на смещение ахроматической полосы в область нулевого положения. Одновременно происходит пропорциональное принудительное изменение порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света и регистрация этих монотонных изменений. Дополнительные и периодические изменения порядка интерференции в данном случае происходят одновременно. По мере возрастания величины дополнительного изменения порядка интерференции в интерференционной картине белого света ахроматическая полоса смещается в направлении своего нулевого положения и через определенное время вновь появляется в поле наблюдения. При первом соответствии положения ахроматической полосы в зоне калибровки (размером 1,6 А) это положение ахроматической полосы фиксируется, A₁, и одновременно регистрируется соответствующее ему значение изменения порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света N₁. Далее на следующем периоде сигнала принудительного изменения порядка интерференции в интерференционной картине белого света фиксируют второе положение ахроматической полосы A₂и соответствующее ему значение изменения порядка интерференции N₂. При прохождении нулевого положения ахроматической полосы прекращают дополнительные изменения порядка интерференции в интерференционной картине белого света (подобная ситуация, в частности, может реализоваться при фиксации второго положения ахроматической полосы A₂). Скорость принудительных изменений порядка интерференции в интерференционной картине белого света Vб следует выбирать такой, чтобы ее значение, по крайней мере на заключительной стадии измерений, не превышало значения V_б < 0,8 A/T_б.

После прекращения дополнительных изменений порядка интерференции в интерференционной картине белого света регистрируют и запоминают значение изменения порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света N_к по значениям N_н и N_к рассчитывают (и запоминают) результирующее значение изменений порядка интерференции в монохроматическом свете
N_р = N_к - N_н, (1) после чего переходят к определению усредненного положения ахроматической полосы в интерференционной картине белого света. Необходимость подобной операции связана с тем, что из-за влияния турбулентных пульсаций показателя преломления на пути распространения светового пучка, проходящего через исследуемый поток, ахроматическая полоса в интерференционной картине белого света испытывает случайные смещения, частотный спектр которых определяется величиной внешнего масштаба a турбулентности потока и величиной скорости с потока. Чтобы исключить влияние случайных процессов флуктуаций показателей преломления, усредняют результат регистрации положения ахроматической полосы за время Т много больше времени пересечения светового луча наиболее крупными неоднородностями (размером a), а именно
Т >> 100 a/c, (2) где a - величина внешнего масштаба турбулентности потока;
с - скорость потока.

Рефрактометр, реализующий описанный способ измерения, состоит из интерферометра 1 белого света, включающего оптически связанные между собой источник 2 коллимированного белого света, два светоделителя 3 и 4, два зеркала 5 и 6, камеру (трубу) 7 с исследуемым потоком, вакуумированную камеру 8, компенсатор 9, фотопреобразователь 10, модулятор 11, генератор 12 периодического сигнала и блок 13 регистрации положения ахроматической полосы. Интерферометр 1 построен по классической схеме интерферометра Рождественского, при этом компенсатор 9 и модулятор 11 можно установить в любом его плече. Генератор 12 одним выходом связан с модулятором 11, а другим - с первым входом блока 13, второй вход которого подключен к выходу фотопреобразователя 10. Кроме того, рефлектометр содержит интерферометр 14 монохроматического света, включающий оптически связанные между собой лазер 15, два светоделителя 16 и 17, два зеркала 18 и 19, фотопреобразователь 20, модулятор 21, генератор 22 периодического сигнала и блок 23 регистрации изменений порядка интерференции в монохроматическом свете. Этот интерферометр также построен по схеме Рождественского, при этом модулятор 21 можно установить в любом из двух его плеч. Генератор 22 одним выходом связан с модулятором 21, а другим - с первым входом блока 23, второй вход которого подключен к выходу фотопреобразователя 20. Рефрактометр содержит также средства 24 компенсации, состоящие из первого элемента 25 компенсации, установленного в плече интерферометра 1, связанном с вакуумированной камерой 8, второго элемента 26 компенсации, установленного в одном из плеч интерферометра 14, и блок 27 управления элементами 25 и 26 компенсации. Наконец, рефрактометр содержит микроЭВМ, связанную двумя информационными входами с выходами блоков 13 и 23, а управляющим выходом - с входом блока 27. Элементы компенсации можно выполнить, например, в виде плоскопараллельной стеклянной пластины или кювет с контрольным газом.

Рефрактометр работает следующим образом.

Источник 2 белого света интерферометра 1 формирует с помощью светоделителя 3 и зеркала 5 два луча белого света, один из которых проходит через камеру 7 с исследуемым потоком, а другой - через вакуумированную камеру 8. Прошедшие камеры 7 и 8 световые лучи собираются светоделителем 4 и зеркалом 6 с образованием интерференционной картины в белом свете, регистрирующейся фотопреобразователем 10.

Компенсатор 9 используется для предварительной настройки, предусматривающей смещение ахроматической полосы в интерференционной картине белого света в нулевое положение, которое фиксируется блоком 13 и запоминается в средствах памяти микроЭВМ 28. Модулятор 11 и генератор 12 обеспечивают периодическое изменение порядка интерференции в интерференционной картине белого света с амплитудой 2 А (порядков интерференции). В процессе измерений блок 13 периодически (с периодом Т_б) определяет положение ахроматической полосы относительно нулевого положения.

Лазер 15 интерферометра 14 формирует с помощью светоделителя 16 и зеркала 18 два монохроматических пучка света, которые в дальнейшем сводятся светоделителем 17 и зеркалом 19 с образованием интерференционной картины монохроматического света, регистрируемой фотопреобразователем 20. Модулятор 21 и генератор 22 используются для периодических (с периодом Т_м, который, в частном случае, может быть равен периоду Т_б и синфазен с ним) изменений порядка интерференции в интерференционной картине белого света. В процессе измерений блок 23 периодически измеряет изменения порядка интерференции.

Первоначально, в отсутствие потока, камера 7 вакуумируется (неглубокий вакуум), после чего с использованием компенсатора 9 ахроматическая полоса смещается в нулевое положение, запоминающееся с помощью средств памяти микроЭВМ 28. Далее рассчитывается зона калибровки и информация о ней запоминается в средствах памяти микроЭВМ 28.

После этого блок 23 измеряет значение изменения порядка интерференции N_р и оно также запоминается в средствах памяти микроЭВМ 28. Затем через посредство микроЭВМ 28 и блока 27 инициируют начало принудительных и нарастающих изменений порядка интерференции в интерференционных картинах белого и монохроматического света (с использованием элементов 25 и 26 компенсации). В результате воздействия элемента 25 компенсации ахроматическая полоса появляется в поле наблюдения и попадает в зону калибровки размером 1,6 А. При этом микроЭВМ инициирует первую фиксацию положения ахроматической полосы A₁ в интерференционной картине белого света и соответствующего значения N₁, изменения порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света (значения А₁ и N₁ запоминаются в средствах памяти микроЭВМ). Далее скажем, на следующем периоде Т_б, микроЭВМ 28 инициирует повторное определение положения А₂ ахроматической полосы и соответствующего значения изменения порядка интерференции N₂ (эти значения также запоминаются в средствах памяти микроЭВМ). Если при дальнейшем регистрации блок 13 определяет факт прохождения ахроматической полосы через ее нулевое положение, микроЭВМ дает на блок 27 средств 24 компенсации команду, направленную на прекращение принудительных монотонных изменений порядка интерференции в интерференционной картине белого света. Определение значений A₁, A₂, N₁, N₂ позволяет, по существу, определить характер соответствия между изменениями порядков интерференции в интерференционных картинах белого и монохроматического света (т. е. количественно осуществить калибровку и определить значение соответствующего коэффициента пропорциональности, что позволяет сводить все измерения к регистрации изменений порядка интерференции в монохроматическом свете). После прекращения принудительных монотонных изменений порядка интерференции блок 23 регистрирует значение интерференции N_к в интерференционной картине монохроматического света, после чего микроЭВМ 28 рассчитывает результирующее значение изменения порядка интерференции в монохроматическом свете N_р по соотношению (1).

На заключительном этапе блок 13 за предварительное заданное время регистрирует М и положение ахроматической полосы. При выполнении условия (2) число регистраций М оказывается, как правило, больше 100. Все регистрируемые значения положения ахроматической полосы A_m запоминаются в средствах памяти микроЭВМ 28, а по истечении времени Т микроЭВМ 28 рассчитывает усредненное положение A_ср ахроматической полосы по соотношению
A_ср= A_m/M.

(3)
По завершении всех предварительных расчетов определяют результирующее значение показателя преломления по соотношению
n= 1+N_р+AL, где n - показатель преломления;
λ - длина волны монохроматического излучения;
L - величина измерительной базы интерферометра при измерениях в монохроматическом свете.

При дополнительном изменении порядка интерференции в интерференционной картине белого света фактическое поле наблюдения ахроматической полосы составляет порядка 2 A порядков интерференции (или ±A относительно центра в точке нулевого положения). Таким образом, даже в том случае, когда текущее положение ахроматической полосы отстоит от нулевого положения на величину порядка A (порядков интерференции), оно уже может быть зафиксировано блоком 13. Однако для обеспечения надежной регистрации именно самой ахроматической полосы (а не других положений, связанных с локальными максимумами сигнала фототока) в условиях сильных фазовых флуктуаций, связанных с турбулентными пульсациями показателя преломления, размер зоны калибровки выбран несколько меньшим - 1,6 А или ∓0,8 А относительно центра в точке нулевого положения.

Способ измерения позволяет приблизительно на порядок повысить точность и достоверность измерений показателями преломления в турбулентных потоках жидкости и газа и на этой основе повысить качество исследования аэро- и гидродинамических свойств потоков жидкости и газа, а также качество расходометрического контроля порций подводимых к энергетическим объектам жидких и газообразных веществ. (56) Коломийцов Ю. Н. Интерферометры. Л. : Машиностроение, 1976, с. 65.

Кinder W. Automatic Interferometers with digital readout for refractometric analysis. Applied Optics, 1968, v. 7, N 2, p. 341.

Изобретение относится к интерференционной рефрактометрии и может быть использовано при измерениях показателей преломления турбулизованных потоков жидкости и газа. Целью изобретения является повышение достоверности измерения показателя преломления жидкости и газа в турбулизованных потоках. Это достигается путем дополнительного осуществления калибровки системы монохроматического света и регистрации усредненных положений ахроматической полосы после прекращения компенсационных воздействий на системы белого и монохроматического света. 1 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ И ГАЗА В ТУРБУЛЕНТНЫХ ПОТОКАХ, заключающийся в формировании интерференционной картины из двух лучей белого света, предварительной установке ахроматической полосы интерференционной картины в отсутствии исследуемого потока в нулевое положение и запоминании этого положения, пропускании через сформированный исследуемый поток одного из лучей белого света, периодическом изменении порядка интерференции на величину 2А в интерференционной картине белого света, формировании интерференционной картины в монохроматическом свете, дополнительном изменении порядка интерференции в интерференционной картине белого света и пропорциональном ему изменении порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света, фиксации положений ахроматической полосы в интерференционной картине белого света относительно нулевого положения, регистрации изменений порядка интерференции N_р в интерференционной картине монохроматического света после прекращения дополнительных изменений порядка интерференции и определении по результатам фиксации положения ахроматической полосы и регистрации изменений порядка интерференции в монохроматическом свете значения показателя преломления, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности измерений, в процессе дополнительного изменения порядка интерференции при положении ахроматической полосы в диапазоне, равном 1,6А, последовательно фиксируют и запоминают по крайней мере два положения А₁ и А₂ ахроматической полосы в этом диапазоне и соответствующие им значения изменения порядка интерференции N₁ и N₂ в монохроматическом свете, после прекращения дополнительных изменений порядка интерференции в белом и монохроматическом свете определяют усредненное положение A_ср ахроматической полосы за время T, определяемое соотношением
T > > 100 a/c,
где a - величина внешнего масштаба турбулентности потока;
c - скорость потока,
и определяют результирующее значение показателя преломления n по соотношению
n= 1+N_р+AL ,
где λ - длина волны монохроматического излучения;
L - величина измерительной базы при измерениях в монохроматическом свете.