Способ измерения показателя преломления газа в турбулентных потоках

 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области интерференционной рефрактометрии, и может быть использовано при измерениях показателей преломления турбулизованных потоков газа. Сущность изобретения: дополнительно осуществляют калибровку интерферометра белого света в единицах измерения монохроматического света непосредственно перед проведением измерений, используют средства компенсации оптической разности хода и регистрируют усредненные положения ахроматической полосы после прекращения компенсационных воздействий и возвращения ахроматической полосы в зону наблюдения. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к интерференционной рефрактометрии, и может быть использовано при измерении показателей преломления турболизованных потоков газа в технологических и экспериментальных установках.

Известен способ измерения показателя преломления газа, заключающийся в формировании интерференционной картины монохроматического света из двух лучей, пропускании одного из этих лучей через исследуемый газ, изменении оптического хода по крайней мере для одного из этих лучей в исследуемом газе, изменении порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света по периодическому закону, регистрации изменений порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света, возникающих вследствие изменения оптического хода в исследуемом газе, и определении по результатам этой регистрации и с учетом закона изменения оптического хода в исследуемом газе величины показателя преломления этого газа.

Известный способ позволяет точно измерять показатели преломления в традиционных газовых средах [1] однако оказывается принципиально неприменим при измерениях в изолированных средах, когда изменение оптического хода в исследуемом газе не представляется возможным (например, в потоках газа).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ измерения показателя преломления газа, заключающийся в формировании интерференционной картины монохроматического света и интерференционной картины из двух лучей белого света, предварительной установке ахроматической полосы этой последней интерференционной картины в отсутствие исследуемого потока в нулевое положение с запоминанием этого положения и соответствующего ему порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света, периодическом изменении порядка интерференции в интерференционной картине белого света и пропорциональном ему изменении порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света, фиксации положения ахроматической полосы в интерференционной картине белого света относительно ее нулевого положения, регистрации измерений порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света и определении по результатам фиксации положений ахроматической полосы и регистрации изменения порядка интерференции в монохроматическом свете значения показателя преломления газа.

Способ-прототип позволяет эффективно и точно измерять абсолютные показатели преломления изолированных газообразных сред стационарного типа [2] однако при переходе к измерениям в потоках газа, являющихся слабонеоднородными средами (со случайными флуктуациями показателя преломления), демонстрируют резкое снижение точности и достоверности измерений.

Задачей изобретения является повышение точности и достоверности при измерениях абсолютного показателя преломления газа в турбулизованных потоках.

Указанная задача в рамках известного способа, заключающегося в формировании интерференционной картины монохроматического света, формировании интерференционной картины из двух лучей белого света, предварительной установке ахроматической полосы этой картины в отсутствие исследуемого потока в нулевое положение A₀ с запоминанием этого положения и соответствующего ему значения порядка интерференции N₁ в монохроматическом свете, формировании исследуемого потока и пропускании через него одного из лучей белого света, изменении порядка интерференции в интерференционной картине белого света с периодичностью T_б и амплитудной 2A, монотонном изменении порядка интерференции в интерференционной картине белого света со скоростью V_б и пропорциональном ему изменении порядка интерференции в монохроматическом свете, фиксации положений ахроматической полосы в интерференционной картине белого света относительно ее нулевого положения, регистрации изменений порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света и определении по результатам фиксации положений ахроматической полосы и регистраций изменений порядка интерференции в монохроматическом свете значения показателя преломления газа в потоке, n, с погрешностью δ_п, решается за счет того, что дополнительно в отсутствие исследуемого потока инициируют кратковременные изменение порядка интерференции в интерференционной картине белого света в диапазоне ±(A-1,5) по отношению к нулевому положению ахроматической полосы с пропорциональным ему изменением порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света, фиксируют и запоминают по крайней мере одно положение ахроматической полосы А₁ и соответствующее ему значение порядка интерференции N₂, после чего возвращают ахроматическую полосу в ее нулевое положение, после формирования исследуемого потока при первом попадании в ходе монотонного изменения порядка интерференции ахроматической полосы в диапазон ±(A-1,5) относительно ее нулевого положения прекращают эти монотонные изменения порядка интерференции, после прекращения монотонного изменения порядка интерференции в интерференционных картинах белого и монохроматического света определяют и запоминают значение порядка интерференции N₃ в интерференционной картине монохроматического света, определяют усредненное положение ахроматической полосы А_ср с периодичностью проведения измерений Т_из, определяемой по соотношению T_из>15v_пD^-1(1-70C⁶_п^/5λ^-6/5D^8/5)^-1, где v_п скорость исследуемого потока, D поперечный размер исследуемого потока, λ длина волны излучения, C²_п структурная характеристика флуктуаций показателя преломления газообразного вещества в потоке, по R зафиксированным положениям ахроматической полосы, где число R определяется в соответствии с соотношением R>120C²_пλ^-2D^8/3δ^-_п², результирующее значение показателя преломления определяют по соотношению
а величину скорости монотонных изменений порядка интерференции в интерференционной картине белого света выбирают из соотношения
V_б > (2A-3)T_б.

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

Способ осуществляется следующим образом. До начала измерения формируют две интерференционные картины: одну в монохроматическом свете и одну в белом свете (последнее посредством 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 газа 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 А₀ и запоминается. Следует отметить, что нулевое положение может задаваться, например, с использованием реперной интерференционной картины. Одновременно осуществляют регистрацию и запоминание порядка интерференции N₁ в интерференционной картине монохроматического света, соответствующего нулевому положению ахроматической полосы А₀.

Положение ахроматической полосы в интерференционной картине белого света на этом этапе фиксируют периодически (с периодом Т_б) в условиях принудительного изменения порядка интерференции в интерференционной картине белого света по периодическому закону (с периодом Т_б). Значение порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света также регистрируют периодически (с периодом Т_м, причем на практике оказывается удобным принять Т_б= T_м). При этом дробная часть порядка интерференции может определяться по методу временных интервалов, а целевая часть по методу суммарно-разностного счета.

Перед началом измерений также формируют и запоминают диапазон калибровки ±(A-1,5) порядков интерференции по отношению к нулевому положению ахроматической полосы А₀; здесь 2А соответствует величине амплитуды периодической модуляции (в порядках интерференции) в белом свете, при этом на практике рекомендуется задавать А > 3. После этого производят калибровку посредством временного изменения порядка интерференции в интерференционной картине белого света в диапазоне калибровки с пропорциональным ему изменением порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света. В ходе указанных изменений фиксируют и запоминают по крайней мере одно положение ахроматической полосы A₁ (отличное от A₀) и соответствующее ему значение порядка интерференции N₂ в монохроматическом свете. После этого принудительно возвращают ахроматическую полосу в ее нулевое положение A₀ (с адекватными пропорциональными изменениями порядка интерференции в монохроматическом свете) и определяют соответствующий калибровочный коэффициент K по соотношению

который запоминается и используется для последующих расчетов. (Следует отметить, что в общем случае процесс калибровки может производиться и более сложным образом, например с фиксацией нескольких положений ахроматической полосы в диапазоне калибровки и соответствующих значений порядка интерференции в монохроматическом свете с последующим построением калибровочной кривой для всего диапазона калибровки).

После завершения предварительных операций формируется исследуемый поток газа и в нем осуществляется измерение величины показателя преломления. Для этого один из лучей белого света пропускается через исследуемый поток (перпендикулярно потоку, вдоль его диаметра), при этом ахроматическая полоса уходит из поля наблюдения. После этого инициируют принудительные монотонные изменения порядка интерференции в интерференционной картине белого света со скоростью V_б с соответствующими пропорциональными (коэффициент пропорциональности K) изменениями порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света. При этом периодические и монотонные изменения порядка интерференции в белом и монохроматическом свете происходят одновременно. По мере возрастания величины изменения порядка интерференции ахроматическая полоса смещается в направлении ее нулевого положения A₀ и через определенное время вновь появляется в поле наблюдения. При первом попадании фиксируемого положения ахроматической полосы в диапазон калибровки ±(A 1,5) прекращают принудительное монотонное изменение порядка интерференции и регистрируют значение порядка интерференции N₃ в интерференционной картине монохроматического света. Следует отметить, что при относительно небольших флуктуациях фазы в слабонеоднородном потоке газа (порядка 1 3 радиан) надежная фиксация положения ахроматической полосы в поле зрения в условиях осуществления периодической модуляции с амплитудой 2A может обеспечиваться лишь в диапазоне ±(A-1,5) порядков интерференции (относительно нулевого положения A₀, соответствующего средней точке поля наблюдения). Последнее связано с тем, что для надежной фиксации требуется присутствие в поле зрения (т.е. в диапазоне ±A порядков интерференции относительно точки A₀) как минимум двух локальных максимумов интерференционной картины белого света, симметричных относительно положения самой ахроматической полосы и отстоящих от нее на 1,5 порядка интерференции. В связи с этим диапазон калибровки задан ±(A-1,5) порядков интерференции относительно точки A₀, а для надежной фиксации хотя бы одного положения ахроматической полосы в этом диапазоне в ходе осуществления монотонных изменений порядка интерференции скорость этих изменений V_б не должна превышать величины
V_б>(2A 3)/T_б. (2)
Следует отметить, что на практике соотношение (2) может реализовываться только на заключительном этапе проведения измерений, т.е. при непосредственном приближении ахроматической полосы к диапазону калибровки.

После прекращения принудительных монотонных изменений порядка интерференции в белом и монохроматическом свете также определяют усредненное положение ахроматической полосы A_ср по P реализациям с периодом T_из. Необходимость подобной операции связана с тем, что из-за влияния турбулентных флуктуаций показателя преломления газовой среды (а следовательно, и фазы излучения, проходящего турбулентный поток) интерференционная картина белого света не будет носить стационарного характера, а сама ахроматическая полоса будет случайным образом смещаться с поля зрения. Частотный спектр указанных смещений (флуктуаций) зависит от величины внешнего масштаба турбулентности в потоке и величины скорости потока V_п. В данном случае величина внешнего масштаба турбулентности не превышает поперечного размера потока D, поэтому центральная частота спектра флуктуаций f_ц может быть определена в виде
f_ц 0,22 v_п/D, (3)
а соотношение для расчета ширины частотного спектра флуктуаций Δf
Δf=4v_пC⁶_п^/5(2π/λ)^6/5L^3/5, (4)
где L длина хода светового пучка в турбулизованной среде (в данном случае L D),
из чего следует, что нижняя частота спектра f_н может быть определена по соотношению
f_н=0,2v_пD^-1(1-70C⁶_п^/5λ^-6/5D^8/5). (5)
Для исключения корреляционных взаимосвязей между результатами измерений (фиксаций положения ахроматической полосы) в процессе определения усредненного положения A_ср оказывается необходимым, чтобы период между этими измерениями, T_из, соответствовал соотношению
T_из>3/f_н=15v^-_п¹D(1-70C⁶_п^/5λ^-6/5D^8/5)^-1, (6)
С другой стороны для эффективного осуществления усреднения и обеспечения необходимой погрешности измерения показателя преломления δ_п величина соответствующей составляющей погрешности δ_ϕ (обусловленная флуктуациями в потоке) не должна превышать величины d_п. Для случая значительного разнесения световых пучков приводится соотношение для расчета величины дисперсии флуктуаций фазы излучения σ²_ϕ при прохождении им слабо турбулизованной среды (поток):
σ²_ϕ=120C²_пλ^-2LL⁵_o^/3, (7)
где L₀ внешний масштаб турбулентности (в данном случае L₀≅D). Таким образом, для обеспечения эффективного усреднения оказывается необходимым, чтобы число реализаций R удовлетворяло соотношению
δ_п>δ_ϕ=σ_ϕ·R^-1/2=R^-1/2·11C_пλ^-1D^4/3, (8)
откуда
R>120C²_пλ^-2D^8/3δ^-_п². (9)
Так, например, в случае слабо турбулизованного потока, когда C²_п=10^-16 см^-2/3 а λ 0,6 мкм, D 50 см, V_п 50 м/с, d_п=0,1, период измерения не должен задаваться меньшим: T_из>0,15 с (f_ц 22 Гц, Δf 6 Гц), а число реализаций R может быть ограничено на уровне R>8. При возрастании требований к точности измерений δ_п=0,01 число реализаций R должно быть увеличено соответственно до 800,0.

После завершения определения усредненного положения ахроматической полосы A_ср (эта операция обычно занимает время R·T_из) осуществляется расчет значения показателя преломления газа в турбулизованном потоке:

Следует отметить, что под величиной n в данном случае понимается усредненное значение показателя преломления газа в потоке вдоль диаметра основного сечения потока.

Рефрактометр (см. чертеж), реализующий описанный выше способ измерения, состоит из интерферометра 1 белого света, включающего оптически связанные между собой источник 2 коллимированного белого света, два светоделителя 3, 4, два зеркала 5, 6, камеру (трубу) 7, в которой формируется исследуемый поток газа, 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 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, рефрактометр содержит интерферометр 14 монохроматического света, включающий оптически связанные между собой лазер 15, два светоделителя 16, 17, два зеркала 18, 19, фотопреобразователь 20, модулятор 21, генератор 22 периодического сигнала и блок 23 регистрации 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 также содержит средства 24 компенсации, состоящие из первого элемента 25 компенсации, установленного в плече интерферометра 1, связанном с вакуумируемой камерой 8, и второго элемента 26 компенсации, установленного в одном из плеч интерферометра 14, и блок управления 27 элементами 25, 26 компенсации. Кроме того, рефрактометр включает микроЭВМ 28, связанную через посредство интерфейсных средств 29 с информационными выходами блоков 13, 23 и управляющим входом блока 27. На практике элементы компенсации могут выполняться, например, в виде плоскопараллельной стеклянной пластины или специальных кювет с контрольным газом.

Рефрактометр функционирует следующим образом.

Источник 2 белого света интерферометра 1 с помощью делителя 3 и зеркала 5 формирует два луча белого света, один из которых проходит через камеру (трубу) 7, в которой формируется исследуемый поток, а другой через вакуумированную камеру 8. Прошедшие камеры 7, 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 центральное положение в поле зрения (т.е. в нулевое положение A₀), 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 2А (порядков интерференции) и периодом Т_б, при этом диапазон модуляции располагается симметрично относительно А₀ (когда ахроматическая полоса пребывает в нулевом положении), а величина А обычно задается большей 3. В процессе измерения (на предварительном этапе) блок 13 периодически определяет положение ахроматической полосы, которое после завершения настройки остается неизменным и соответствующим А₀.

Лазер 15 интерферометра 14 формирует с помощью делителя 16 и зеркала 18 два монохроматических луча света, которые в дальнейшем сводятся делителем 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=Т_б) изменений порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света. В процессе измерений блок 23 периодически (и синфазно с блоком 13) измеряет порядок интерференции в этой интерференционной картине. Так, в частности, блок 23 обеспечивает регистрацию значения порядка интерференции N₁, соответствующего нулевому положению ахроматической полосы (измерение производится сразу же после завершения настройки).

После завершения настройки производится калибровка рефрактометра посредством принудительного изменения порядка интерференции в интерференционной картине белого света (в интерферометре 1 белого света) с помощью элемента 25 средств 24 компенсации и пропорциональное изменение порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света (в интерферометре 14 монохроматического света) с использованием элемента 26 средств компенсации 24. Управление элементами компенсации осуществляется микроЭВМ 28 через посредство интерфейсных средств 29 и блока 27. Указанные изменения порядка интерференции в белом свете не превышают величины ±(A-1,5) относительно нулевого положения А₀, в результате чего ахроматическая полоса остается в поле зрения фотопреобразователя 10. В ходе этих изменений фиксируется и запоминается положение ахроматической полосы А₁ (блоком 13) и соответствующее ему значение порядка интерференции N₂ в интерференционной картине монохроматического света (блоком 23). После этого значения А₁ и N₂ передаются на микроЭВМ 28, которая осуществляет расчет коэффициента К по соотношению (1), после чего дает команду блоку 27 на возвращение ахроматической полосы в ее нулевое положение (А₀).

Далее в камере 7 интерферометра 1 формируется исследуемый поток газа, в результате чего ахроматическая полосы уходит из поля зрения фотопреобразователя 10. После этого микроЭВМ 28 через посредство интерфейсных средств 29 и блока 27 осуществляет монотонное изменение порядка интерференции в интерференционных картинах белого (с помощью элемента 25) и монохроматического (с помощью элемента 26) света. Указанные пропорциональные изменения порядка интерференции продолжаются вплоть до момента появления ахроматической полосы в поле наблюдения (±A) фотопреобразователя 10. Далее после первого попадания ахроматической полосы в диапазон калибровки ±(A-1,5) относительно нулевого положения А₀ с микроЭВМ 28 через интерфейсные средства 29 поступает команда блоку 27 на прекращение монотонных изменений порядка интерференции. На этом этапе для надежной регистрации попадания ахроматической полосы в указанный диапазон скорость изменения порядка интерференции V_б должна соответствовать соотношению (2).

После завершения монотонных изменений порядка интерференции фиксируют (с помощью блока 23) значение порядка интерференции N₃ в монохроматическом свете. Затем определяют усредненное положение ахроматической полосы - А_ср. Для этих целей в отсутствие монотонных изменений через равные периоды времени Т_из, определяемые в соответствии с соотношением (6), фиксируют положения ахроматической полосы А_r общим числом R, определяемым в соответствии с соотношением (9). После фиксации R положений ахроматической полосы (с помощью блока 13) микроЭВМ 28 осуществляет расчет усредненного положения А_ср по соотношению

Следует отметить, что на практике период Т_из оказывается существенно большим периода Т_б модуляции, поэтому проведение такого рода измерений не вызывает никаких затруднений.

На заключительном этапе микроЭВМ 28 осуществляет расчет результирующего значения показателя преломления n по соотношению (10).

Следует отметить, что присутствие в (10) в качестве первого слагаемого 1 указывает на необходимость вакуумирования камеры 7 непосредственно перед проведением настройки (неглубокий вакуум -10 Па).

Рассмотренный выше способ измерения показателя преломления газа позволяет на один-два порядка повысить точность и достоверность результатов измерений за счет учета случайных флуктуаций фазы излучения, возникающих в случайно-неоднородной среде, представленной турбулентным потоком газа. Повышение точности и достоверности достигается за счет выполнения операции калибровки интерферометра белого света в единицах измерения монохроматического света на этапе, предшествующем измерению и регистрации усредненных положений ахроматической полосы после прекращения компенсационных воздействий на интерферометры белого и монохроматического света.

Формула изобретения

Способ измерения показателей преломления газа в турбулентных потоках, заключающийся в формировании интерференционной картины монохроматического света, формировании интерференционной картины из двух лучей белого света, предварительной установке ахроматической полосы этой интерференционной картины в отсутствие исследуемого потока в нулевое положение А₀ с запоминанием этого положения и соответствующего ему значения порядка интерференции N₁ в интерференционной картине монохроматического света, формировании исследуемого потока и пропускании через него одной из лучей белого света, изменении порядка интерференции в интерференционной картине белого света с периодичностью Т_б и амплитудой 2А, монотонном изменении порядка интерференции в интерференционной картине белого света со скоростью V_б и пропорциональном ему изменении порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света, фиксации положения ахроматической полосы в интерференционной картине белого света относительно ее нулевого положения, регистрации изменений порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света и определении по результатам фиксации положений ахроматической полосы и регистраций изменений порядка интерференции в монохроматическом свете значения показателя преломления n с погрешностью δ_п отличающийся тем, что дополнительно в отсутствие исследуемого потока инициируют кратковременное изменение порядка интерференции в интерференционной картине белого света в диапазоне ± (А 1,5) по отношению к нулевому положению ахроматической полосы с пропорциональным ему изменением порядка интерференции в интерференционной картине монохроматического света, фиксируют и запоминают по крайней мере одно положение ахроматической полосы А₁ и соответствующее ему значение порядка интерференции N₂, после чего возвращают ахроматическую полосу в ее нулевое положение, поле формирования исследуемого потока при первом попадании в ходе монотонного изменения потока интерференции ахроматической полосы в диапазон ± (А 1,5) относительно ее нулевого положения прекращают эти монотонные изменения порядка интерференции, после прекращения монотонного изменения порядка интерференции в интерференционных картинах белого и монохроматического света определяют и запоминают значение порядка интерференции N₃ в интерференционной картине монохроматического света, определяют усредненное положение ахроматической полосы A_ср с периодичностью проведения измерений Т_и3, определяемой по соотношению
T_из> 15v_пD^-1(1 - 70C⁶_п^/5λ^-6/5D^8/5)^-1,
где V_п скорость исследуемого потока;
D поперечный размер исследуемого потока;
λ - длина волны излучения;
C²_п- структурная характеристика флуктуаций показателя преломления вещества в исследуемом потоке,
по R зафиксированным положениям ахроматической полосы, где число R определяется в соответствии с соотношением
R > 120C²_пλ^-2D^8/3δ^-_п²,
результирующее значение показателя преломления определяют по соотношению

а величину скорости монотонных изменений порядка интерференции в интерференционной картине белого света V_б выбирают из соотношения V_б < (2А 3) / Т_б.

РИСУНКИ

Рисунок 1