Способ измерения расхода жидкости или газа и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01N21/39 G01P3/36 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения парциального расхода газа или жидкости, например, в системах контроля и регулирования технологических процессов различных производств на предприятиях

электронной и химической промышленно- стей, а также для контроля загрязнения окружающей среды.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей известных способа и устройства за счет измерения

парциальных составляющих расхода различных химических компонент исследуемой среды.

На чертеже изображена блок-схема устройства, реализующего способ измерения.

Устройство содержит кольцевой лазер 1, резонатор которого имеет, например, четыре зеркала 2-5. С первым и вторым зеркалами 2 и 3 оптически согласованы соответственно первый и второй фотоприемники 6 и 7. На зеркале 4 установлен пье- зопреобразователь 8, служащий для стабилизации периметра резонатора. В корпусе кольцевого лазера размещены измерительная каретка 9 и невзаимный частотный элемент Фарадея 10. Фотоприемник 6 подключен к частотомеру 11, Фотоприемник 7 подключен к усилителю 12, который соединен с системой 13 стабилизации периметра и системой 14 стабилизации мощности. Система 14 стабилизации мощности управляет работой блока питания 15 разряда, а также частотно-импульсным модулятором 16. Выход катода соединен с блоком поджига 17. Система термостабилизации 18 стабилизирует температуру невзаимного элемента Фарадея. Выход частотно-импульсного модулятора 16 соединен с системой управления 19 током под- магничивания.

Устройство работает следующим образом.

Кольцевой лазер 1 (фиг.1) возбуждается постоянным напряжением от блока поджига 17, подаваемым на катод, и от блока питания 16 разряда, соединенного с анодами. При этом между анодом и катодом прикладывается постоянное напряжение примерно 2 кВ. В резонаторе лазера возникает два световых пучка, движущихся по кольцу в противоположных направлениях. Частоты излучения пучков изменяются при наличии в резонаторе элементов с независимыми оптическими свойствами Таким элементом в лазерном парциальном расходомере является кювета 9 с движущимся по ней потоком среды, пересекающей лазерные лучи под углом, не равным 90°. При этом изменение частоты встречных волн пропорционально интегральной по пути луча скорости потока. Изменение частоты регистрируется первым фотоприемником 6 и измеряется частотомером 11.

Для контроля парциального расхода химической компоненты среды устанавливается длина волны излучения лазера, совпадающая с полосой поглощения определяемой компоненты. Спектроскопия поглощения внутри резонатора для колебательно-вращательных спектров молекулы основана на использовании закона Бугара-Бера

JH Jo(w)(6))l.

где J(ftJ) и J0(ft) - спектральные интенсивности излучения с поглощением компоненты среды в резонаторе лазера и без поглощения;

К(о;) - коэффициент поглощения исследуемой линии;

I - длина пути пучка в среде. Изменение мощности излучения в резонаторе, обусловленное поглощением, измеряется вторым фотоприемником 7 и усиливается усилителем 12. Напряжение с выхода усилителя 12 поступает на систему 13 стабилизации периметра и систему 14 стабилизации мощности. Система стабилизации периметра вырабатывает напряжение, подаваемое на пьезопреобразователь 8, который деформирует тонкое зеркало 4 и стабилизирует длину резонатора, стабилизируя экстремальным методом частоту излучения лазера. Система 14 стабилизации мощности вырабатывает напряжение, которое управляет током разряда блока питания 15 лазера, и стабилизирует астатическим методом изменения мощности до заданного

уровня. Напряжение с системы 14 стабилизации мощности поступает в блок 16, который осуществляет частотно-импульсную модуляцию сигнала. Таким образом.сигнал на выходе блока 16 является функцией концентрации исследуемой компоненты среды. Для понижения порога чувствительности к расходу измеряемой среды в резонаторе кольцевого лазера размещен независимый элемент Фарадея, который

управляется от системы управления 19 током подмагничивания. Этим создается опорная разностная частота биений, например 1 кГц. Сигнал с выхода блока 16 поступает в систему управления 19 током

подмагничивания Благодаря этому разностная частота лучей в резонаторе пропорциональна произведению расхода газа на парциальную концентрацию компоненты среды или пропорциональна парциальному

расходу среды. Фотоприемник 6 принимает сигнал разностной частоты, а с помощью частотомера 11 производится отсчет показаний парциального расхода измеряемой компоненты среды.

Для уменьшения температурной погрешности измерения разностной частоты невзаимный элемен г Фарадея поддержиеа ется при постоянной температуре с по мощью системы термостабилизации 18

Формула изобретения 1. Способ измерения расхода жидкости или газа, заключающийся в формировании астречно-направленного лазерного излучения в кольцевом резонаторе, осуществле- нии опорного сдвига частоты излучения встречно-направленных волн, пропускании исследуемого потока через измерительный участок кольцевого резонатора, измерении сдвига частоты лазерного излучения, при этом стабилизируют мощность и частоту лазерного излучения, определяют по измеренному сдвигу частоты скорость потока по которой судят о расходе жидкости или газз, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможно стей способа за счет измерения парциальных составляющих расхода различных химических компонент исследуемой среды, выбирают длину волны лазерного излуие ния в соответствии с полосой поглощения определенной химической компоненты среды, при измерении сдвига частот одновременно дополнительно измеряют потери мощности лазерного излучения в кольцевом резонаторе, при этом полученный сигнал используют в качестве управляющего сигнала для сигнализации о мощности и частот лазерного излучения, а также вносят дополнительный сдвиг часто излучения встречно-направленных 13ОЛН, Г|рОПОрЦ1ПНЗЛЬН ..1Й

измеренным потерям мощности излучения, по которому судж о пэрцид.чьмой составляющей расхода.

2. Устройство для измерения расхода жидкости или газа, содержащее лазер с кольцевым резонатором термостабилизи- ро°анный невзаимный ч стотный элемент Фзрадея систему стабилизации периметра резонатора, систему стабилизации мощности излучения, перчый фотопрнемник, оптически согласованный с первым выходным зеркалом резонатора, выходом подключенный к частотомеру, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных низменностей, в него введен к1 последовательно соединенные второе фогоприем.илк. оптически согласованный с вторым выходным зеркалом резонатора и усилшель, частотно-импульсный модулятор, при этом выходы усилителя подключены к входу системы стабилизации периметр. резонатора и к входу системы стабилизации мощности излучения, выход которой подключен к входу частотно-импульсного модулятора, выход которого подключен к управляющему входу чевззимного частотного элемента Фарадея,

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения расхода жидкости или газа в системах контроля и регулирования технологических процессов и для контроля загрязнения окружающей среды. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет измерения парциальных составляющих расхода различных химических компонент среды. В кольцевом резонаторе 1 формируют встречно-направленное лазерное излучение. С помощью невзаимного частотного элемента Фарадея 10 осуществляют опорный сдвиг частоты излучения встречно-направленных волн. С помощью частотомера 11, подключенного к первому фотоприемнику 6, измеряют сдвиг частоты лазерного излучения, стабилизируя при этом мощность и частоту лазерного излучения. Собственная частота излучения стабилизируется системой 13, управляющей пьезопреобразователем 8. В соответствии с полосой поглощения определенной химической компоненты среды выбирают длину волны лазерного излучения. В процессе измерений вторым фотоприемником 7 регистрируют потери мощности лазерного излучения, обусловленные его поглощением в среде, сигнал фотоприемника 7 после усиления используют для управления системой стабилизации 14 мощности излучения и системой 13 стабилизации частоты излучения /периметра резонатора/. Одновременно вносят дополнительный сдвиг частоты излучения встречно-направленных волн с помощью блока 16 частотно-импульсной модуляции, входом подключенного к выходу системы стабилизации 14, а выходом - к системе управления 19 невзаимного элемента Фарадея 10. Измеряя дополнительный сдвиг частот, направляют парциальный выход контролируемой химической компоненты среды. 1 ил.