Интерференционный расходомер Советский патент 1982 года по МПК G01F1/00 

(54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ РАСХОДОМЕР

1

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения расходов прозрачных потоков бесконтактным методом.

Известны оптические приборы для измерения скорости и расхода прозрачных потоков 1 .

При неравномерной скорости и плотности потока по сечению измерительного канала точность измерения известными приборами не всегда бывает удовлетворительна.

Наиболее близок к предлагаемому расходомер для прозрачных потоков, позволяющий измерять непосредственно расход вещества при любом распределении скорости и плотности по сечению и содержащий источник линейно поляризованного излучения, полупрозрачное зеркало и два непрозрачных зеркала, образующих кольцевой интерферометр, измерительный канал прямоугольного сечения, расположенный на пути лучей кольцевого интерферометра, и приемное устройство, выполненное в виде последовательно расположенных четвертьволновой фазовой пластинки, анализатора, фотоприемника, усилителя и регистратора (2.

Известное устройство имеет недостаточную точность, вызванную искажениями состояния поляризации лучей на зеркалах и на иллюминаторах измерительного канала, а также низким отнощением сигнал/шум из-за отсутствия модуляции лучей кольцевого интерферометра.

Цель изобретения - повыщение точности измерения расхода.

Поставленная цель достигается тем, что в интерференционном расходомере, содержащем источник линейно поляризованного излучения, полупрозрачное зеркало и два непрозрачных зеркала, образующих кольцевой интерферометр, измерительный канал прямоугольного сечения, расположенный на пути 15 лучей кольцевого интерферометра, и приемное устройство, выполненное в виде последовательно расположенных четвертьволновой фазовой пластинки, анализатора, фотоприемника, усилителя и регистратора, перед кольцевым интерферометром расположены электрооптический модулирующий кристалл и вторая четвертьволновая фазовая пластинка, азимут оптической оси которой равен 45°, между непрозрачными зеркалами кольцевого интерферометра последовательно

расположены кварцевые оптические активные пластинки, между которыми помещена третья фазовая пластинка с азимутом оптической оси равиым 45°, при этом измерительный канал расположен симметрично относительно плоскости полупрозрачного зеркала кольцевого интерферометра.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - ориентация оптических осей анизотропных элементов.

Интерференционный расходомер содержит источник 1 линейно поляризованного излучения, одно полупрозрачное зеркало 2 и два непрозрачных зеркала 3 и 4, образующие кольцевой интерферометр, измерительный канал 5 прямоугольного сечения, электрооптический модулирующий кристалл 6, кварцевые четвертьволновые фазовые пластинки 7-9, кварцевые оптически активные пластинки 10 и 11, поворачивающие плоскость поляризации проходящих лучей на угол равный 45°, анализатор 12, фотоприемник 13, усилитель 14, настроенный на частоту модуляции, и регистратор 15.

Расходомер работает следуюи им образом.

При отсутствии напряжения на электрооптическом кристалле 6 в интерферометр входит линейно поляризованный луч, который полупрозрачным зеркалом 2 делится на два луча. Благодаря кварцевым пластинкам 10, 8, 11 на выходе появляются два циркулярно поляризованных луча с противоположным направлением вращения электрических векторов из-за нечетного количества зеркал в кольцевом интерферометре. При подключении модулирующего напряжения на кристалл 6 в интерферометр входит благодаря четвертьволновой пластинке 7 линейно поляризованный луч с модулированным азимутом, а на выходе имеют место два эллиптически поляризованных луча с одинаковым азимутом оси эллипса равным 0° с одинаковой эллиптичностью и противоположным направлением вращения электрических векторов. В результате интерференции этих лучей образуется линейно поляризованный луч, волновая функция которого имеет вид:

cos (45°+)sin(45 +26--f)

sin Й5°+) cos (-45°+2&-fj

А -амплитуда излучения источника;

о51пЛ t-модулированный угол поворота плоскости поляризации после четвертьволновой пластинки 7; 6-фазовое с.мещение, возникающее при каждом прохождении луча сквозь измерительный канал;

А-фазовое с.мещение .между ортогональными составляющими луча, который проходит по часовой стрелке, вызванное отражением от полупрозрачного зеркала 2.

Суммарный линейно поляризованный луч после прохождения сквозь четвертьволновую пластинку 9 становится эл.,1иптически поляризованным с азимутом большой оси эллипса 0°. Интенсивность луча после анализатора 12 равна

l - |l-sin2rsinHS-4)-sin ( sin At) sin Й5-4)-sin 2 у,

где т - отклонение анализатора от начального азимута (45°).

На выходе усилителя 14, настроенного на частоту модуляции Я (или на другую нечетную гармонику), сигнал равен нулю при повороте анализатора на угол Y 28- -4-. Угол f, который пропорционален расходу, регистрируется устройством 15. Измеряемая разность фаз 6 связана с расходом G вещества уравнением

, 41KG аЛ-Cot o где а - сторона прямоугольного сечения из5мерительного канала, которая перпендикулярна лучам; -угол между лучом и осью канала; удельная рефракция измеряемого вещества, которая практически не зависит от давления и температуры и

0остается постоянной при конденсации газа в жидкость. Влияние искажений состояния поляризации лучей на зеркалах и при прохождении сквозь иллюминаторы измерительного канала исключено благодаря симметричному расположению канала относительно полупрозрачного зеркала, а также благодаря кварцевым оптически активным пластинкам 10 и 11, которые меняют местами ортогональные составляющие лучей, поляризованных в плоскости падения и в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Разность фаз А между составляющими лучом, который проходит в интерферометре по часовой стрелке и дважды отражается от полупрозрачного зеркала 2, приводит благодаря действию пластинок 10 и 11 к фазовому смещению между интерферирующими лучами, которое компенсируется поворотом анализатора 12 на угол -4- до начала измерений. На точность измерений и на пороговую чувствительность не влияет нестабильность рабочей точки модулирующего электрооптического кристалла 6 благодаря тому, что измеряемая и модулирующая величины не суммируются, а перемножаются. Предлагаемый расходомер позволяет измерять расход потоков при неравномерном распределении скоростей и плотности потока по сечению потока и может найти применение при измерении прозрачных потоков в криогенной технике, химической промыщлен