Дифманометр

 

О Й--И- :C А.Н И Е

М3О6РЕТЕ ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистичвсиих

Республик (11) 602798 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 10.03.76 (21) 2330464/18 — 10 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 1 04.78, Бюллетень № 14 и (51) М. Кл.

G 01 L 7/18

Гасударственный квинтет

Свввта Мнннстрав СССР вв делам нэебретеннй н еткрмтнй (53) УДК

531.787.61(088.8) (4б) Дата опубликования описания 20.03.78 (72) Авторы изобретения

Ю. П. Ефремов и В. М. Хавинсон

{71) Заявитель (54) ДИФМАНО МЕТР

Изобретение относится к области контрольноизмерительной техники, в частности, к жидкостным дифманометрам с интероферометрическим лреобра зователем перемещения уровня.

Известны, ртутные манометры, содержащие

Ч-образную трубку, в которых расстояние между уровнями ртути сравнивается с перемещением одного из зеркал интерферометра, жестко связанного с отсчетным микроскопол» и перемещающегося вдоль штриховой меры длины. Начало и аконец пе- 1ð ремещения отсчитывают после выведения ахроматической полосы в поле зрения на одну и ту же отметку, например горизонтальную марку 11), В связи с наличием дисперсии показателя преломления газа при увеличении разности давле- 15 ний в коленах Ч-образной трубки манометра контраст ахроматической полосы падает и возникает смещение ее, mo приводит к увеличению погрешности измерения разности высот уровней ртути интерференционных ртутных «»анометров, дости- ро гающей 1 мкм и более для разности давлений

1000 мм рт.ст.

Известны и»»терферометрические,.,манометры, содержащие заполненную рабочей жидкостью Ч-об- разную трубку, колена которой соединены с объе. 2ч мами, разность давлений газа в которых подпежит измерению, источника белого света; двухлучевой интерферометр по схеме Тваймана-Грина, состоящий иэ светоделителя и подвижных зеркал, роль которых выполняют поверхности жидкости в двух. коленах Ч-образной трубки; отсчетный интерферометр, оптическая ось которого совмещена с выход. ной осью двухлучевого интерферометра. Одно из зеркал отсчетиого интерферометра закреплено неподвижно, а второе помещено на движущейся карьгке микроскопа со шкалой. Движение каретки микроскопа происходит перпендикулярно поверх-, ности зеркала. Ось шкалы расположена вдоль дви. жеиия каретки 12)

Недостатком известного манометра является то, что вследствие наличия у любого газа дисперсии показателя преломления, равенство оптических разностей хода в двух интерферометрах, в общем случае, может быть достигнуто лишь для одной длины волны, поэтому ахроматическая полоса в таком приборе размыта и смещена, причем размытие и смещение зависит от разности измеряемых давлений и состава газа. Смещение ахроматической полосы прямо вызывает появление дополнительной погрешности измерения разности давлений. а раэ602798 мытие затрудняет идентификацию ахроматической поЛосы и снижает точность ее фиксации (совмещение с маркой), что также вызывает появление погрешности. Наличие таких погрешностей ограничивает точность измерения разности давлений ве- 5 личиной порядка 1 мкм.

Предлагаемый манометр, с целью повышения точности и стабильности измерения, снабжен двумя расположенными соосно и над каждым коленом

Ч-образной трубки кюветами, внутренние полости 1р которых сообщены с наджндкостным пространством в противоположном колене У-образной трубки, причем длины путей света в кюветах равны длинам путей света в коленах V-образной трубки при равенстве давлений в них, и соединенной через уси- Ig литель давления с источниками измеряемых давлений герметичной камерой, в которой размещен 0 счетный интерферометр.

Это позволит полностью исключить влияние дисперсии показателя преломления газа на точность 2р измерения разности давлений и, кроме того, исключит необходимость расчета показателя преломления.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого дифманометра с двухлучевым отсчетным интерферометром; на фиг. 2 — вариант схемы дифмапомет- зч ра с многолучевым отсчетным интерферометром.

Дифманометр состоит из заполненной рабочей жидкостью V-образной трубки 1, колена которой 2 и 3 соединены с источниками измеряемых давлений, источника белого света 4, двухлучевого интерферо- Зр метра по схеме Тваймана-Грина, состоящего иэ светоделителя 5, поворотных зеркал 6 и 7 и подвижных отражателей 8 и 9, связанных с перемещающимися поверхностями жидкости в коленах трубки 1.

Вдоль осей пучков света в плечах двухлучевого ° чб интерферометра размещены кюветы 10 и 11, длина пути света в которых равна длине пути света в коленах 2 и 3 и которые сообщаются с наджидкост. ным пространством в коленах 3 и 2 соответственно. С выходной оптической осью двухлучевого ин- 40 терферометра совмещена входная ось отсчетного интерферометра, который состоит из светоделителя 12, неподвижного зеркала 13 в одном плече интерферометра и подвижного зеркала 14 в другом плече. Подвижное зеркало закреплено на каретке 1545 микроскопа 16 со шкалой 17. Ось шкалы 17 параллельна направлению перемещения каретки 15 и перпендикулярна поверхности зеркала 14. Ocb наблюдательной системы 18 совмещена с выходной .осью отсчетного интерферометра, отсчетный интер- 5р ферометр помещен в герметичную камеру 19, с которой соединен усилитель давления 20 с коэффициентом усиления К = 0,5.

Прибор работает следующим образом. Разность уровней в коленах.2 и 3 трубки 1 при использо- 55 вании в качестве рабочей жидкости ртути численно равна измеряемой разности давлений Р, и Р2 в мм рт.ст. Усилитель давления 20 непрерывно поддерживает в.камере 19 давление исследуемого газа паиным Р=0,5(P, + Р ). Параллельный пучок бело-60 го света от источника 4 падает на светоделитель 5, часть пучка проходит через него, проходит через кювету 10, отражается от подвижного отражателя 8, снова проходит через кювету 10, и отразившись от светоделителя 5, выходит иэ интерферометра. Вторая. часть пучка белого света, отраженная от светоделителя 5, проходит через кювету 11, отражается от подвижного отражателя 9, снова про. ходит через кювету 11 и, пройдя через светоделитель 5, интерферирует с первой частью пучка. Из двухлучевого интерферометра с подвижными отражателями 8 и 9 пучок света направляется в отсчет. ный интерферометр, где он вторично интерфери. рует и после выхода из отсчетного интерферометра направляется в наблюдательную систему 18.

При равенстве оптических разностей хода в двухлучевом и отсчетном интерферометрах в поле зрения наблюдательной системы 18 видна система интерференционных полос переналожения с ахроматической полосой, совмещенной с маркой, Перед началом измерения уравнивают давления газа в коленах 2 и 3 трубки 1 и, совмещая ахроматическую полосу в поле зрения наблюдательной системы 18 с маркой, добиваются равенства оптических разностей хода в двухлучевом и отсчетном интерферометрах. Затем при разности давлений Н в коленах 2 и 3 трубки 1 перемещением каретки 15 снова добиваются появления в поле зрения наблюдательной системы 18 ахроматической полосы и совмещают ее с маркой. Оптические разности хода в двухлучевом и отсчетном интерф рометрах при этом равны. Разность давлений P, + P (численно равная разности высот уровней ртути в коленах 2 и 3) отсчитывается по шкале 17 микроскопа 16.

Изменение оптической разности хода в двухлучевом интерферометре при изменении разности давлений от Р -Р, = 0 до Р— P ) = Н равно где и> и n, — показатели преломления газа при давлениях Р, и Р соответственно;

nn — показатель преломления газа в момент уравновешивания давлений (в начале измерения).

Н вЂ” разность высот уровней ртути в коленах 2 и 3 трубки 1;

1, и 1 — длина пути света в коленах 2 и 3 трубки 1;

I и 1 — длина пути света в кюветах 10 и 11 соответствейно.

Так как длина пути света в кюветах 10 и 11 выбрана равной длине пути света в коленах 3 и 2 соответственно, т.е. I,=lз,и 11,=1<, то

Ь, = Н (n + пр).

Изменение оптической разности хода в отсчетиом интерферометре равно

Ь, =гн1, где Н вЂ” перемещение каретки 15,,n — показатель преломления газа в камере 19.

602798

Так как оптические разности хода в двухлу-. чеЫом и отсчетном интерферометрах в начале и в конце измерения равны, то равны и их изменения

Л, = Ь, Следовательно, н =н . 5

Ф 112

Так как коэффициент рефракции газа (n — 1) с очень высокой точностью пропорционален давлению газа (при давлениях, меньших давления насыщеннъи паров), то есть п — 1 = а р, где а — коэф- 10 фициент пропорциональности, зависящий от состава газа и его температуры, то арф + Р2

z()

2+ аР + aP2

Таким образом, разность уровней ртути в коленах 2 и 3 (разность давлений P -P газа) равна перемещению каретки с микроскопом, При Н = Н равенство оптических разностей хода в двухлучевом и отсчетном интерферометрах выполняется одно- 2D временно для всех длин волн, следовательно, влияние дисперсии показателя преломления на положение и форму ахроматической полосы исключается.

В варианте схемы предлагаемого двойного . интерференционного манометра с многолучевым 25 отсчетным интерферометром (фиг. 2) исключаются светоделительное зеркало 12, неподвижное зеркало 13, подвижное зеркало 14, каретка 15, микроскоп 16 и шкала 17. Многолучевой отсчетный интерферометр, например эталон Фабри-Перо 21, ломе- ЗО щен в камеру 19. Его входная оптическая ось совмещена с выходной осью двухлучевого интерферометра, а выходная — с входной оптической осью наблюдательной системы 18. Полосы переналожения в белом свете появляются в поле зрения.. наблюдательной системы, если разность высот ртути в коленах 2 и 3 трубки 1 кратна длине эталона

Фабри-Перо 21.

Н= KHt где Н вЂ” измеряемая разность высот уровней 4п ртути, Н вЂ” длина эталона Фабри-Перо, I

К вЂ” коэффициент кратности.

Таким образом, эталон Фабри-Перо 21 выполняет роль своеобразной шкалы с ценой деления, равной длине эталона.

В обоих вариантах предлагаемого устройства полностью компенсируется влияние дисперсии показателя преломления на положение и форму ахроматической полосы, что приводит к повышению точности ее фиксации и в конечном счете к повышению точности измерения разности высот уровней ртути в коленах манометра до 0,2-0,1 мкм, то есть в 5 — 10 раз.

Формула изобретения

Дифманометр, содержащий заполненную ра. бочей жидкостью V-образную трубку, интерферометрический преобразователь перемещения и отсчетный интерферометр, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и стабиль. ности измерения, он снабжен двумя расположенными соосно н над каждъгм коленом Ч-образной труб ки кюветами, внутренние полости которых сообщены с наджидкостным пространством в противоположном колене Ч-образной трубки, причем длины путей света в кюветах равны длинам путей света в коленах Ч образной трубки при равенстве давлений в них, и соединенной через усилитель давления с источниками измеряемых давлений герметичной камерой, в которой размещен отсчетный интерферометр.

Источники информации, приНятые во внимание при экспертизе:

1. Lean Terrien. Meth.odes optimus

pour measurer fa auteur de п1егсат е

d. un nLQnomutis nouve manometre int8r1е еъЫе1, Revue Optic.ue,19SS,t.b8,34 i,ñ.29 М.

2. "Манометр с интерференционным отсчетом показаний" Экспресс-информация, серия КИТ вЂ” 1,41, ГНТК СССР, ВИНИТИ, выпуск 36, сентябрь 1959.