автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Теория, аппаратурная реализация и исследования жидкостного поляризационно-интерферентного манометра

РГ6 од

гп

научно-производственное объединение

«всесоюзный ордена трудового красного знамени

научно-исследовательский институт метрологии имени д.и.менделеева»

На правах рукописи

КИСЕЛЕВ Юрий Александрович

ТЕОРИЯ, АППАРАТУРНАЯ РЕАЛИЗАПИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИДКОСТНОГО ПОЛЯРИЗАНИОННО-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО

МАНОМЕТРА

05.11.15 - Метрология и метрологическое обеспечение 05.11.01 ~ Приборы и методы измерений мехнических величии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С.-Петербург 1993

Работа внполнена в научно-производствейном объединении "Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологии имени Д.И.Менделеева"

кандидат технических наук, старший научш сотрудник .А.П.Щелкин доктор технических наук, старший научный сотрудник В.П.Шумилин кандидат технических наук, старший научи сотрудник В.А.Туровский

. Научный руководитель Официальные оппоненты

■НИМИ Пенза '

Ведущее- предприятие Защита состоится " " в 10 часов на заседании Специализированного Совета в НПО "ВШИМ им. Д.И.Менделеева" по адресу : 1Э8005, г.Санкт-Петербург, Московск: пр., 19, тел. 315-09-36

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке НПО "ВШИМ им. Д.И.Менделеева"

Автореферат разослан " / " _— т9ЭЗг.

Ученый секретарь Специализированного Совета к.т.н. ^ЦОиЛ В.Я.Алексеев

/

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ

Актуальность работы. В настоящее время единство и правильность

измерений давления в нашей стране обеспечивается десятью государственными первичными и специальными эталонами единицы давления. Для избыточных, абсолютных и дифференциаль ных до. в л ^ний вослроизгецеьи и передача размера единица давления от эталонов к образцовым СИ осуществляется на принципе неуплотненного порпня, теория которого разоаботана проф. М.К.Ноховскии. Для вакуумных измерений испольную1, ся,в основном, механические ( диффузионный, реляционный и компрессионный') и физико-химические ( ионные и хемосорбционные) методы, а для переменных давлений - пьезоэлектрические и оптическиэ методы. При этом измерение постоянных давлений выполняются с гораздо болое высокой точностью ( несколько порядков), чем измерение переменных давлений. Такая разница в точности измерений возникла из-за несов'5; шэнства методов и СИ переменных давлений и обусловлена инерционное:. ю физических явлений, положенных в основу построения эталонов.

В связи с отим развитие и совершенствование отечественной ¡/гчлем-иой базы выдвинуло проблему создания быстродействующих методов и средств измерений давления, которче позволили бы обеспечить наивысшую точность измерений статических и динамических давлений. Поэтому валкой и актуальной задачей являэтея разработка универсального безынерционного метода и средства измерений статических и динямичес-ких давлений, основанных на использовании рефрактометрической константы - показателя преломления жидкости с учетом последних достижений лазерной тахш'ки и поляризационной интерферометрии. Решение ->:ай задачи сдерживается отсутствием теоретической модели полярнгмщиокчо--интерф^ренционного метода в облаем измерений давления щдкпх ср^ ; и прецизионных исследований пьеэооатичсских свойств рабочих хкдкосмЗ.

Целью работы является разработка модели, аппаратурная реализация и исследования поляризационно-интерференционного манометра.

Дня дости^-ния поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- разработать теоретическую модель поляризационно-интерференционного метода измерений давления ;

- создать поляриэационно-интерференционный манометр, получивший название "пьезорефрактометр" ;

- исследовать и определить метроло.гическио и технические характеристики пьезорефрактометра.

Научная новизна. Новизна выполненной работы состоит в разработ- " ле теоретической модели поляризэционно-интерференционного метода измерений давления, основанной на использовании физической констачты

- показателя преломления жидкости, аппаратурной реализации и исследованиях жидкостного пьезорефрактометра.

Сформулирована и обоснована функциональная связь утла поворота плоскости поляризации света в жидкости от давления. Доказана принципиальная возможность измерений статико-динамических давлений поля-ризационнэ-интерференционным методом к разработана соответструющая методика.

Разрас ■ )1Ы новая оптическая принципиальная схема поляриэацион-но-интерференционного манометра, позволившая существенно снизить слияние дестабилизирующих факторов ( температура, вибрация и др. ) к различные конструкции оптических камер (ячеек) давления. В результате создан новый прибор давления - пьезорефрактометр, анализ и синтс^ которого отсутствует в зарубежной и отечественной технической литературе и который по точности на порядок к более превосходит известные налоги.

Проведен анализ повышения точности пьезорефрактометра за сч-эт П'"мк;кеы;п i его составе более совершенной и перспективной техники :\о значоикП, соответствующих эталонному уронйч соврек-т-шкх малоттров.

Впервыч предложен ноляризационно-инчерф-ренциончи:! ме.ои, измерений давления в качестве альтернативного по отношению к гостн,с:т>уп и\ему принципу "неуплотненно"') пориня".

Новизна технических решений, выполненных п работе, в част" разработки пьезорефрактометра, подтверждена авторским опиц<тл ном.

Основное положения, выноенъые на защиту

1. Разработка теоретической модели безынерчионного датгщ« иг-борений ^явления на основе кссяодсят'йй фязштесяой конс?аь*'~> -

теля преломления жидкости.

2. Аппаратурная реализация безынерционного метода измерений давления путем создания экспериментального ооразца, жидкостного поляризационно-интерфереиционного манометра ( пьеоорефрактометра).

3. Теоретические и экспериментальные исследования и метрологи--чзская аттестация пьезорефрактометра.

4. Анализ порспекаиви примечания 11одя;-/ч<щкокно-интер<*еебш;!! >•• кого метода измерении давления с целой создания универсального зтачона статико-цикад'.нческих давлений в цтгч^зоно издоовкиК

(Ю-3- Ю6'! Па.

Практическая ценность < ревлиза»шя р^зультчтоя ьаооть!.

Практическая ценность выполненной работы заключаете;- а разработке теоретической модели поляризационно-интсрференгчонноК мпномрт-рли и соэд*л!яй кччеетовкно нового тиин праЗгра давлен«'' - ииг.но'.те^гэ пьезорефралтометра.

На основе предложенных метода и средства измерений давления поим практические Г'ексмондм.'чи я с^ор'.г/лиро?"!": тглуттцтто ишгкшккшд рябо:1 по создали« '/ниверсолькоро отало:;а статико-двнак.р»»ских давлений.

б

Разработанный экспериментальной образец пьезорефрактометра атте- -ован и внедрен в НП0"ВНИИМ им.Д.И.Менделеева" в качестве образцового средства измерений избыточных и дифференциальных давлэннй кл.0,15 в Государственном первичном эталоне единицы давления - Паскаля.

Работа выполнялась в рамках научно-технической программы повышения технического уровня и качества продукции ШКГВНИИМ им. Д.И.Менделеева" на 1986-1990 г.г. и на период до 2000 г. раздел 3.1., п.1.1., per №№ 01860076581 и 01Ш0056507.

Личный вклад и апробация работы. Все теоретические, экспериментальные и методические результаты, изложенные в диссертации, получены и разработаны лично автором. Конструкторская отработка отдельных услов и в целом пьезорефрактометра осуществлялась в соавторстве.

Основные положения диссертации докладывались "а республиканском семинаре -совещании "Метрологическое обеспечекле средств измерений давлений и вакуума в народном хозяйстве УССР " (г.Донецк, 22 мая 1991 г.) и специальных семинарах в НП0"ВНИШ им.Д.И.Менделеева"

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 работы и полузно одно авторское свидетельство.

Структура работы. Диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5-ти глав, заключения и 12 приложений, включает 18 рисунков, 20 таблиц и список литературы из 64-х наименований.

П. СОДЕРШПЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика диссертации. Определяй цс.ть диссертационной работы, няучная нэгммт практическая ценность полученных результатов. Сформулированы поло'х-шы, выносимые ка защиту.

В первой главе по литературным данчнм проанализированы методы и средства измерений постоянных и переменных даплешй. Рассмотрен классический метод измерения давлений, осно единый на принципе нэуплотненного поршня и получиваий иирокое распространив в мировой метрологической практике. Грузопорш-невые манометры - единственные абсолютные приборы, воспроизводящие давление согласно его определению. Они являются исходными средствами воспроизведения и измерений для области избыточных, абсолютных, дифференциальных сахууммчтричвс!::;:: делений в диапазоне от кПа до П1а. О','мечены недостатка пор'-!-невэ.1 мачом»?рии, заключающиеся ь не --Эб-глшс?к из.-лр.чп. п;-реызннае давлепчя, больлом количестаг влняа..;,! : фа.чторо:" и .... икса«ос?4. от ур'мии: современной технолог'!' кзлтозлен;:. лл... цаьих пар, который в настоящее ври..;я достиг |!р-$дпль>и"х . ему • д-нос.>!Й. ОЗзснэааи ои*ор бе::инопционных методов пз:л:р<п';*. ,,а'Г аналитический обзор зарубэ\них и отечественных инторференцион-них методэо и ср*чета изм спкЛ давления. 0;;-гяан у.. шп'ср^р средства »з:л.'рО':ий 13 г ;с - -

ьую'дж'.; механическими приборами обладают относительно высокой чу:>с;'.и;гслыюсть'1 и безмырциошюстьо, чго делает их иерспек-тн.тыт, а .цми-р усп.-зно.' «под л:ур юЯ ргаяж» иш ■ 1" ционко! > газового маломугра ¿РГ нол/.Ш1с? на да .чтил на зн.'чи/г/ъ -МО боль ЛИ," •¡4'<-КТ и .01ДКИХ С|>С,Ч1' г Д,Г»:Ш ЮЧв «О! .4 >..).»..1/. ни Я.

а

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию юляризацио-'нно-интерференцконного метода измерений давлений. Изпестныо в настоящее время теоретические и эмпиричэские выражения удельной рефракции жидкости позволяют установить аналитическую связь между показателем преломления и давлением. На основании формул; Гладстона-Дапя, Лорентц-Лоренца и Зйкмана выводены уравнения измерений пьезооптичегчнх коэффициентов ( К которые могут быть представлены в

следующем общем виде:

где;

Функция показателя преломления; уЗ^ - изотермический коэффициент объемного сжатия жидкости.

Из анализа выражения (I) сделаны следующие вывода:

1. Пьезооптический коэффициент ^¡р • определяющий чувствительность метода зависит от 2-х параметров кидкости: изотермического коэффициента сжатия уЗ^ и показателя преломления УЬ- •

2. Чувствительность ми.'ода тем выше, чем больше значения коэффициента сжатия и показателя преломления кидкости.

Белее подробно исследована формула Гладстона-Дапя, как более удобная для математических операций. Расчетный анализ этой формулы показал, что для технических жидкостей, получивших широкое распространение в измерительной технике, их показатели преломления лекат в довольно узких пределах (1,4 - 0,07), т.е. отклонись С1 номинального значения на ~ Ь %, в то зремя, как их коэффициенты сжатия различаются в несколько раз (максимально ь 4 раза'. Это позволило сформировать п.т.-.шю чнводи: более низкую чуьс"л;игельнсо/ь к ддмеилг* икеэт те жидкости, у котгунх больше лзотермнчеекк'::

коэффициент об'земнот'о сжатия, к зависимость гтояаеат зг-. преломления о г ;,аления о определенных интервалах даол. »к.' примерно линейная. Спрозсдлизосгь отих сызодое под.-ь.р;.Ч'— на табличнпми и расчетными да.шиш. благодаря аналич^.рюс-'О? спяз:* показателя преломления с данлением, с#ирмулир01>:и1 мв!р<;лоп;чсокиЯ аеоко : измерение давления слэда'.ся из-к!]*» Н1.о показателя прелоглления рабочей жидкости.

Гасск'01рвна существующая классификация ч»»<>цс»* и измерений показателя преломления сред с метрологической оценкой. Дня изложения теоретических основ построения ивтерф.рен-цнонного манометра произведен выбор интерферометра Рол^ее.--венхокого, в котором взаимодействующие лучи могут оить разведены на сравнительно ¿ольаое расстояние, что ■'вляетсн важным условием для измерения давления. Докапан.-, лрични~п~!.~ьпг1-"г возможнее:!/ и п :.<■;• ронял лес сяннь1»: и и ¡,а,1:т- и:.е;

фвге:1ЦИ' :нзм метилом.

Получена зависимость С]/.е;.¡а^р!.-р ч:п ч.

¿;-П- о г 'ле.е ;.:ен;; : аазлен;;: /1 Г :

Л о • — - д

/

с

дР

гдз;

. А г- ■: 1 >:. Iсьега з лаку/:-; ■ .' с^ з ..ид -ос;.:,

- пьезоопгический ксо^ициепт нидкостп.

Приводил подроби.,Л анализ поллриз.ч:;:;о]шо-;ы:ср,.оренцио 1-н;; метод Г ч < , ' " -

деле.н-ы давллчц.-к

А г) —_ —- ■ с / ----------:

"I" 7Г& .Е/г с/ ^

где:

а и в - большая и малая полуоси гллипса поляризации света. В общем случае

О, = -^.<.......... > (41

/¿Г • ¿¿п. ¿Г__

где; ,

амплитуда изменения длины вектора,*

- угол наклона диагонали ' описанного вокруг оллипса прямоугольника;

§ - угол поворота эллипса относительно осей координат.

Рассмотрен практический случай при равенстве амплитуд измерения длин векторов, т.е. Е^ = Еу0 « Е0 и определонь)

нкракения для полуосей сллипса:

г> Р

Л= и £ = (С)

и коэффициента .сжатия оллипса

„ . А. . ■

Таким образом, в случае взаимодействия двух когерентных лучей, электрические векторы которых колеблются во вэакмнопер-пендикуллрлых ятосчостях с одинаковыми амплитудами, результирующий луч оказывается эллиптически поляризованным, причем наклон эллипса пол^изации к направлениям векторов равен 15°, а отношение дайн его осей равно тангенсу половин:: фаэо-еого сдвига колеблющихся векторов.

Предлог но зависимость (7) тепользопа гь для изиер^кик дивленин.

Сотссиашгены обычный аг'ерфвретмончиЯ метод изменения и полярпзационнС - интерференционный и отмечены их основные различия. Доказано, что поляркоационно-тггерф.фгчщиошшй «атот, обладает более высокой точностью измерений.

Рассмотрено применение этого метода, для измерений :юаго1.ц-нкх -и пепеменнмх давлений, в результат« чего пнясдяна формула для определений давления:

Разработана методика измерений давлений поляризационно-интерферянциокним методом. Обнаружено существенное достоинство рассмотренного метода, которое заключается в том, что

ТОЛЬКО '

измерение производится не^по абсолютно^ значению выходного сигнала, регистрирущвгс изменение давления, а «по внешнем,' признаку - исчезновению или появлению на кривой фототока палых циклов, либо го исчезновению различия б циклах при их удвоенной чаетдтч, благодаря чему нямчого снижаются требования к сгабнчънос. и олектрончой схемы.

Е третьей главе прюдитея описание разработанного поляризационного пьезорьфрактометра.

Принцип действия прибора основан на изменении поклзут.-л>; преломления рабочей жидкости под действием давления, и заключается в поляриметрическом опроделенш ра.ености хода < * аз> двух когеринтных луч^Л равной интенсианости си ч^аишо ортогональными плоскостями поляризации поел* их прохождения через

где:

- угол поворота плоскости поляризации света. Б случае переменных давлений

(О)

основной (где создается измеряемое , хвление) и опорный (где отсутствует или имеется давление, относительно которого создается измеряемое давление) каналы оптической камеры давления, содер-1 .цей рабочую жидкость.

Осуществлена разработка оптической схемы пьезорефрактометра (рис.1). Найден наиболее оптимальный и рациональный вариант с хот, характерная особенность которой состоит в том, что в ней бас ^ьым элементом является прпзмя. Кестерса 5. Это позволило значительно снизить влияние дестабилизирующих факторов (вибрация, температура и т.д.) и повысить точность измерения давления. Другая особенность схемы заключается в установке конечного зеркала 14, благодаря чему оптический путь пучков удваивается и вдвое увеличивается чувствительность прибора при одной и той же длине светопроницаемого канала камеры давления 9.

Термостатированмз осуществляется водяным термостал"м типа V 15 С, обеспечивающего постоянство температуры в пределах - 0,С2 К. Фотоэлектрическая часть оптического блока питается от высоковольтного стабилизатора типа БВ-2-2. Выходной электрический сигнал, функционально связанный с давлением, измеряется с помощью цифрового вольтметра или высокочувствительного осциллографа. Источником давления являются стандартные пневмлтическке или гидравлические прессы, грузопоршневые манометры или генераторы перемешых давлений.

Приводится подробное описание работы пьезорефрактометра и его составных частей. Били разработаны и исследованы несколько новых конструкций оптических камер давления. Максимальная чувствительность была получена в камере скидкой oSijotcucifo Рациональный способ крепления оптических стекол,

простота технологии изготовления, высокий класс обработки торцевых г. .шерхностей и удачное расположение достаточно длинных каналов и вентилей позволили реализовать в достаточной мере опти-кские свойства рабочих жидкостей, которыми заполнялась камера.

Произведен выбор конкретных типов измерительной аппаратуры, входящих в состав установки пьезорефрактометра (лазера, фотоэлектрического умножителя и измерителя олектрического сигнала).

Эксплуатационные характеристики пьезорефрактометра доведены до уровня, при котором возможно его длительное использо-ва"ие в метрологической практике.

Четвертая глава посвящена расчетным и oí..иным исследованиям оксперимвптального образца поляризационного пьезорефрактометра, направленных на определение условий работы и нахозде-ние основных технических характеристик. Работоспособные оптические камеры давление имели длину канала 50 и 100 мм при неплоскостности и нрпараллельности торцевых поверхностей, контактирующих с оптическими стеклами/соответственно не более 0,3 и I мкм.

Произведены расчеты основных технических характеристик разработанного экспериментального образца пьезорефрактометра (пороговея чувствительность, верхний предел измерений! для различных условий 'раскые рабочие жидкости).

Определено, что из технических жидкостей, получвших наибольшее распространение в манометрической техника, наибольшей чувствительностью показателя преломления к дпвлени;. обладает ; чдкиЛ пентан, у которого пороговая чувствительность составила порядка 0,03 Па, а максимально верхний предел измерений в границах одного порядка интерференции обеспечивает глицерин 15 кПа.

Ойннружвиа.по справочным• даянта, органическая гидкость, которая при определенных условиях имеет наивнещуи ч эстви-тельность показателя преломления к давлению из известных науке жидкостей - жидкая двуокись углерода, имеющая показатель преломления ^д* = 1,102 и коэффициент обземного сжатия 174 . КГ*® Па~* при давлении б МПа и температуре 13 °С. Расчетное значение пороговой пьсзочувствителыгости жадко1 двуокиси углерода дало результат ( 0 + Э) .10"^ Па при да^не волны излучения чД = 632,8 нм и длине камер:,! давления £к= 10"^ м.

Исследован экспериментальный образен пьезорефрактом!.т-ра в диапазон (0,05 - 20)кПа с 4-мя рабочими жидкостями: глицерин, вода, спирт и 0!сись углерода. Результаты опытов приведен': в таблицах.

В нитоК главе даны метрологическая оценка исследований поляризационного пьезорефрактометра я анализ перспективы развития научного управления. Рассчитаны идеализироважшг характеристики зависимостей р = ;/ (У') для рабочих жидкостей, примем яшаихся з г-ксперименгах.

Д.шные машинной обработки результатов измерений приведены а таблице. Определено среднее квадратическое отомн-ние результат ирм^ренип ( А > экспериментального образца пьезо-рефтеоттимр п -дапазонт (0,05 - 28) кП* которое составило не

более 3,5.10"^. Найдены составляющие неисключенпой систематической пог^шности (НСГП измерений из-за неточных значений:

длины волны лазерного излучения - 1,6 . 10""^ длины оптической камеры давления - 2 . 10"^

температуры рабочей иидкэсти - 2 . 10"^

заданного давления (преобразователь ИПДЦ) - б . 10"^ напрякения питания Ф:>У (блок БЗ-2-2) - 3 . Ю-4

информативного сигнала с выходом ¿ОУ - 3 . 10"^

угла поворота плоскости поляризации света - Я. 10"^ Оцененная с доверительней вероятностью 99 % НСП составили

1,2 . 10"^ при суммарном СКО - 5,9 . а граница погреш-

ности результата измерений - 1,1 . 10"^ .

Ур 'чень точности '.экспериментального образца пьезорефракто-метра соответствовал образцовой установке класса точности 0,15, что примерно на порядок вы'пе точности известных по литературном да;пмл аналогичных приборов.

Проанализированы возможности дальнейшего .уменьшения НСП за счет применнния более точных средств измерений, вхо-дпдих г> комплект пьезорефрактометра, до значения б . 10 , и расширения диапазона измерений (путем использования рабочих жщкосте" с про кусочными значениями пьезооптпческих

с >

коэффициентов —— , уменьшения длины оптической камеры

~*Р л

давления и увеличения длины волны излучений примерно до значения 1,6 М11а.

Отмечена необходимость прозедения фундаментальных исследований удельной рефракции жидкости с целью созда.чил нового униоерсачьяого оталона единицы давления для статико-ди;г-мических, в "ом числе избыточных, абсолютных, г/льсиручщих, акустически,:, дифференциальных и вакуу№!( тричьс.<ч-< давлений, в' трех направо -ниях-

Т. Зиг>ико-хи№!Ч»с"и(5 исследования сжимаемости рабочих яиц-

костсП и газон (рабочиг сред/ в широком диапазоне д.ччляшй и температур ;

2. Применение методов исследования оптически активных пвг^стп тяк>к, к?к метод дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма, которые позволили бн определить

полно оптические характеристики в зависимости от давления и

3. Использование методов из/учения поляризуемости и магнитной оптической активности рабочих сред, что способствовало бы выяснению причин расхождения между эмпирическими и теоретическими выражениями удельной рефракции жидкости.

Предложено повысить верхний предел измерений до области гноских давлений ' ТОО ШТа и более) путем регистрации вращения ПЛОСКОСТИ ПОЛЯри <н!НИ С.в';та, что позволило б»! ИМВТ„ НОВО" альтернативное техническое р<"я;ние по отношению к с;лцестг-.у11-;г,им средства!/ ипкерепиЯ пксских давлений.

Опелан чкеод о перспективности предложенного поляриз?-ционпо-ин1,!>р,1..1;.енц:!онного ¡летода в области измерений да?лени" и? :рлг.н«ш:я технических возможностей пьезорефрнк гометра и метреУюгнчео:«*характеристик российских государственных пер-

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении нестоящей работы теоретически и пкспери-^мадгль ,

ментально исследовшоУюляризационно-интерференциок шго метода, основанная на использовании физической константы - удельной рефракции вещества, применительно к задаче измерения и воспроизведения давления в жидких срезах в диапазоне Ю~^-1,б.10^Па.

Для решения птой задачи сделано следующее:

1. Проведен аналитический обзор методов и средств измерений постоянных и переменных давлений. Доказана объективная необходимость поиска альтернативных методов измерений по отношению к поркн'-вому из-за морального износа и технологических границ последнего. Приведена подробное описание таких оптических методов, к которым в последнее время проявляется наибольший интерес в мировой измерительной практике в связи с развитием лазерной техники и поляризационной интерфером.грии. Доказана актуальность задачи аппаратурной реализации поляризационно-интер^ярснционного метода измерений давлений и определены преимущества -»того метода.

2. Проведены теоретические исследовании поляризационно-интерференционного метода измерения давления. Проанализированы с точки зрения задачи измерения и воспроизведения давления в жидких рабочих средах существующие в рефрактометрии теоретические и эмпирические формулы удельной рефракции. На осномнии анализа физической константы выведена функциональная зависимость мекду показателем преломления и давлениям. Установлено,

что пьеоооптичесхий коэффициент —— , характеризующий

Г

Чувствительность метода, зависит от двух параметров жидкости: показателя преломления Л- и изотермического козф^ициен-'а объемного сжатия • Чувствительность метода тем поде, чем больше значения П и . С зтих позиций произведен выбор

технических жидкосте-и, получивших наиболее широкое применение в изг'-рительньгх установках давлений. Это позволило сделать вывод о.том, что показатели преломления вчбрачннх рабоч!" жидкостей лежат в довольно узких пределах, немногим отклон$5ь от значения 1,4 - О,(У?, т.е. - 5Í?, в то время, кал их коэффициенты с\'.атия различаются в несколько раз (максималь. j в 4 раза). Отсюда следует, что наибольшую чувствительность к давленчч будут таить те жидкости, которые обладают максимальным значением коэффициента сжатия, и что в определенном диапазоне давлений чувствительность метода практически постоянна, т.е. зависимость показателя преломления /1 от давления можно считать примерно линейной. Справедливость отого подтверждена табличны)«! и расчетными данными, которые констатируют тот факт, что измерение давления во определение интервалах сводится к измерен)« коэффициента преломления раб чей жидкости.

Из лчалта супессзучдих рефрЧктомегроа и с цельч изложения теореттисяих основ построения интерференционного мано»/*грл рибрзд интер?' рометр Рождественского, и котором взаимодейст-чупгаие лучи могут быть разведены кч сравните л ьни болыео« рассточ-ние, что является важным (*"жтзром ри измерении давлений (избыточных, д'с-ол-л чкх, !;и'Ь1-"ре!1Ш1альних и др.) Доказана л, лнпигжяль-

¡>олч.-,'нс!С.-» измер-шш и зоспроизввдения как постоянных, так и переменных давлени/, поляризационно-интерференционнкм методом, который точнее обшшого интерференционного метода, .так как изм-""'!!!" отношения физических величин мояет быть выполнено с меньаими погрешностями, чем измерение абсолютных значений.

3. 'ín бязе проведанных теоретических иссл*дорани1 рялработя-ны структурная и о.тгичеекгч принципиальная схема -поляризациинно-;ттег<!;?реициониого уднометра, получивпего назимше^пьезор'.-фрздто-м»?г" Ог;вч"::ш досгричстпа новой оптич.екоЯ cxe»i' по ерэвпгиич 3 '"то, ¡с жмг- в ч:о за. счет конзч„ог,

t

зеркала путь пучков удваивается и вЗвое увеличивается чувствительность прибора при одной и той ке длине светопроницаемого канала камеры давления, а благодаря хорошей защищенности полупрозрачного слоя призмы Кестереа вибрации и температурные флукташи вызывают примерно одинаковые изменения длины двух ветвей интерферометра и относительно малые паразитные изменения разности хода лучей, а следовательно, и соответствующие изменения угла поворота плоскости поляризации света в устройстве. НайДен практически оптимальный вариант, позволивший значительно уменьшить влияющий фактор и осуществить аппаратурную реализацию предложе иного ер циан ноге! -

метода чмеренни в диапазоне давлениЛ + 1,6.10б)ла.

4. На основе структурной и оптической схем разработана конструкция поляризационного пьезорефрактометра. В результата объединения в устройстве пьезорефрактометра наиболее рациональных узлов решены вопросы работоспособности, быстродействия и помехозащищенности, а такзе сохранности прецизионных элементов при возникновении отклонений от нормальных условий его работы. Создан оптимальный вариант оптической камеры давления, которая имеет неплоскостиость и непараллельность торцевых поверхностей, контактирующих с оптическими стеклами, соответственно не более 0,3 к I мкм. На базе зтих узлов изготовлен экспериментальный образец поляризационного пьезорефрактометра и дано списиние его составных частей и принципа действия.

5. Проведены рас/четные и экспериментальные исследования поляризационного пьезорефрактометра. Расчетные формулы доведены до окончательной выходной величины, т.е. нейдены зависимости давления от угла поворота плоскости поляризации евгта. Уточнены условия работы измерительной установки: рассчитаны порогорче чузствительности и максимальные значения давления для десяти рабочих жидкостей, перекрывающих з нормальных уело-

виях диапазон (ю~~ + 1,5 ЛО'^Па. Измерительная установка исследована пкспзрнмен-альмо в статическом режиме работ!!. Результаты измерений приедены в таблицах.

6. Осуществлены метрологическая оценка исследований поляризационного пьезорефрактометра и анализ перспективы развития научного направления. Расечитены ияеализирочаднне характеристики зависимостей давления от угла поворота плоскости поляризации света для рабочих жидкостей, исполыа&аниых в зкспериментах. Проведена машинная обработка результатов измерений. Результаты сведены в таблиц". Дан анализ составляющих НСП результата измерений и оценна границ погрешности результата измерений в диапазоне(0,05 - 2С)кПа. При совместной градуировке пьсопре^рактомегрп и цифрового комплекса для измерений давлений типа 5ЩДЦ кл.0,0б граница погрешности во всем

о

диапазоне составила 1,1 . 10 при СКО и ¡¡СП результата из—

4 Ч

иерений соответственно не более 3,5 .10" и 1,2 . Ю-"". Сделан вывод, что уровень точности пь-зорефряктомгтра соответствует образцовой измерительной установки класса точности 0,15, что является пионере*:;* достижение*: для области поляризационно-кнтерфере диошг.к измерений давлений ь -гадких рабочих средах I! стране и за рубежом.

Проанализирована возможность уменьшения границ НСП до значения ЗЛО" за счет использования более соверяенной и точной перепек, мной измерительной техники из областей механики, оптики и электроники, а такие расширения диапазона измерений до 1,6 !Ст пу;ем уменьшения дл..ны оптической камеры давления и применения газовых лазеров с максимальным значением

длинм бол1ш.

В результате проведенной работы подтверждена перспективность поляризационно-иктьрференционногб метода измерений давлений в жидких средах. Полученные результаты теоретических и окспериментальних исследований поляризационного пьгзорефракто-метра говорят о необходимости проведения в области измерений давления фундаментальных исследований физической константы -удельной рефракции жидкости, кото; ая характеризуется высокой стабильностью в рефрактометрической оптике, с целью создания нового универсального эталона единицы давления для статико-дина-мических, дифференциальных, абсолютных и вакуумметрических давлений■

Р; фаботанный поляризационный пьезорефрактометр введен в эксплуатацию в НПСГВНИИМ им. Д.И.Менделеева" в качестве прецизионного измерителя разности давлений и избыточного давления в гидравлической системе Государственного первичного а талона единицы давления - Паскаля.

ме.тоаз.

Выполненная работа по аппаратурной реализации^ и исследованиям фивической константы - удельной рефракции жидкости в области измерений давлений позволит не только решить целый ряд технических проблем на эталонном уровне, но и составить альтернативу принципу неуплотненного поршня," который на. настоящей время является господствующим в измерениях давлений с наивысшей точностью.

Основные результаты диссертации опуолкковрны слэдущзпс

у i .

1. Киселев Ю.А. .Шизиглч A.A. Устройство для иок^кк?. ляг яе-«;:!!. Лвг.свид. > I15C503, БИ, 1965, 7> 14.

2. Киселев Ю.А. .Путилова 2.В. Оценка чувствительности интер-фетжнцкогао-поляряяашонного метода измерений давлений в ниакмх средах. Метролог J? 7, 1986 , 29-34 с.

3. Киселев Ю.А. Работа пьезорефрактометра астатическом ре-киме. • Современные проблемы совершенствования средств измерений массы, силы, давления. Сборник трутов НПО "ВНИИ!.! им. Д.И.Менделеева", Ленинград, "Энергоатомиздат", 19Э0, 97-100 с.

4. Горобе? В.Н., Киселев Ю.А. Состэя";ге и применение эталона езкняцы давления-Паскаля в диапазоне от 0,2 ;о 3 МП».. 2.".°тролсги-ческая служба, » 10, 1987 г.

5. Горо'ей В.Н. , Киселев S.A. Сличение наоонаяыкх эталонов единицы дазления в диапазоне 0,2-3 КПа с эталснзм СЭЗ 13-87.

Н. Измерительная техника, II, 1990 г.

Псдп.к печ. 5.01.9? tccvaT с>'90 './Ii

Объем 1,0 п.л. Заказ 5 Тираж 90

Ротапринт ä-ЖМ