ЛАЗЕРНЫЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ РТУТНЫЙ МАНОМЕТР
LASER INTERFERENTIAL MERCURY PRESSURE GAUGE

Изобретение относится к метрологии, а именно к области измерения давления в различных отраслях промышленности и для научных исследований.
Ртутные манометры с интерферометрическими устройствами для измерения высоты ртутного столба вошли в мировую метрологическую практику в середине 70-х годов прошлого века, когда почти одновременно были разработаны ультразвуковой [Heydemann P.L.M., Tilford C.R., Hyland R.W. Ultrasonic manometers for low and medium vacuum under development at the National Bureau of Standards. J. Vac. Sci. Technol. 1977, V. 14(1), 597-605] и лазерный [Е. R. Harrison, D.J. Hatt, D.В. Prowse and J. Wilbur-Ham, A New Interferometric Manometer, Metrologia 12, 1976, 115-122] интерференционные ртутные манометры. Такие средства измерения (СИ) показали себя как наиболее точные первичные эталоны Паскаля в области давлений до 1 атмосферы [С.R. Tilford, Three and a Half Centuries Later-The Modern Art of Liquid-Column Manometry, Metrologia 30, 1993, 545-552]. Поэтому в дальнейшем они получили широко распространенное применение в качестве национальных эталонов не только в странах с высокоразвитой экономикой (Великобритания, Франция, ФРГ, Италия, Швейцария, Япония), но и в "развивающихся" странах (Китай, Индия, Ю. Корея, Мексика). В РФ (СССР) в 80-х годах делались попытки разработать подобные СИ [А.А. Захаров, Д.Н. Астров, Л.Б. Белянский, Ю.А. Дедиков, С.П. Полунин. Интерференционный ртутный манометр. Приборы и Техника эксперимента. 1986, 3, 196-201], которые, однако, в дальнейшем не имели должного развития.
Основной проблемой, без решения которой функционирование лазерного интерференционного ртутного манометра вообще невозможно, являются механические волны на поверхности ртути, разрушающие интерференционную картину и препятствующие бесперебойному счету полос. Решение этой проблемы было впервые дано в [Е.R. Harrison, D. J. Hatt, D.В. Prowse and J. Wilbur-Ham, A New Interferometric Manometer, Metrologia 12, 1976, 115-122] и стало стандартным применение поплавковых устройств, уменьшающих интенсивность поверхностных волн и несущих на себе собирающую линзу, фокусирующую лазерный пучок на поверхность ртути ("кошачий глаз"). Поплавки, описанные в этой работе, изготавливались из стали и имели вольфрамовые утяжелители, благодаря чему отличались глубоким погружением, то есть вытесняли много ртути (порядка 100 мм по высоте столба). Это решение выбрано за прототип.
Недостатком прототипа является то, что при работе манометра возможные изменения поверхностного натяжения ртути за счет осаждения ее поверхностных загрязнений на стенку трубки могут приводить к изменениям глубины погружения поплавков с разъюстировкой оптической системы и снижению достоверности измерений.
В основу изобретения положена задача создания лазерного интерференционного ртутного манометра, в котором за счет изоляции поверхности ртути в трубе манометра от стенки с помощью тонкого кольца из капролона значительно повышаются стабильность поверхностного натяжения ртути и глубины погружения поплавков, что в конечном счете приводит к повышению достоверности и точности измерений, что является очень важным для создания эталона давления.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в лазерном интерференционном ртутном манометре, включающем U-образную трубку с установленными в ее коленах поплавковыми устройствами, снабженными собирающими линзами, систему откачки и напуска газа, систему регистрации, состоящую из интерферометра, лазерного источника излучения, электронно-оптического блока регистрации и управляющего компьютера, поплавковые устройства выполнены в виде чаш, снабженных сквозным отверстием в дне, с установленными на них стабилизаторами большего, по крайней мере, на три миллиметра, диаметра, стабилизатор, наружный диаметр которого на 0,1 мм меньше внутреннего диаметра трубки, жестко скреплен с чашей и изготовлен из капролона; под выступающей над чашей нижней частью стабилизатора дополнительно установлено кольцо из капролона.
Устройство поплавка предлагаемого манометра менее сложное по сравнению с прототипом, а также не связано с глубоким погружением поплавка в ртуть, что сокращает количество ртути и размеры манометра, необходимые для обеспечения заданного диапазона измерений. Выполнение чаши и стабилизатора с возможностью размещения под стабилизатором дополнительного кольца из капролона препятствует оседанию загрязнений на стенке, благодаря чему настройка поплавка не нарушается и контраст интерференционной картины сохраняется достаточно высоким для уверенной работы счетчика полос, что приводит к повышению достоверности и точности измерений.
Изобретение поясняется с помощью фиг. 1, на которой показана конструкция манометра и детали его установки, на фиг. 2 приведена конструкция интерферометра и схема регистрации, а на фиг. 3 - конструкция поплавков.
-3
Корпус манометра сварен из двух стальных цилиндрических труб 1 с хонингованными внутренними поверхностями. Внутренний диаметр труб - 50 мм. Трубы 1 имеют длину 1100 мм (измерительное колено) и 600 мм (колено сравнения). Колени манометра соединены внизу тонкой стальной трубкой 2, а сверху - фланцем 3 с боковыми отверстиями для соединения с вакуумной установкой. Расстояние между осями труб 70 мм. Сверху на фланце с помощью вакуумных уплотнительных витоновых колец крепится крышка с оптическими окнами, на которой установлены узлы интерферометра - полупрозрачная разделительная пластина и поворотная призма с настроечными элементами. Фланец служит также для крепления корпуса манометра к стальной раме 4, имеющей четыре настроечных опорных винта 5, с помощью которых манометр, погруженный в термостатирующее устройство, установлен в нише массивного бетонного фундамента 6, изолированного от пола лаборатории. Термостатирующее устройство представляет собой водяную ванну 7 с установленной внутри нее спиральной медной трубкой 8, по которой циркулирует вода с заданной температурой из промышленного термостата. Стальной корпус водяной ванны изолирован от стенки фундамента толстым слоем минеральной ваты. Температура воды в ванне измеряется с помощью платиновых термометров сопротивления. На раме 4 закреплены также лазерный источник 9 и электронно-оптический блок регистрации 10. С помощью опорных винтов 5 по отражению лазерного пучка от поверхности ртути производится установка манометра по вертикали с отклонением не более 10 радиана.
Для обеспечения возможности реверсивного счета полос лазерный пучок после отражения в призме 11 проходит через поляризатор 12, приобретая линейную поляризацию под углом 45° к плоскости падения на полупрозрачную разделительную пластину 13. Часть пучка 14, проходящая сквозь пластину в измерительное колено, после отражения от поверхности ртути и пластины выходит из интерферометра, сохранив линейный характер поляризации. Пучок 15, отраженный от пластины в колено сравнения, дважды испытывает полное отражение в поворотной призме 16, приобретая эллиптическую поляризацию (близкую к круговой). Пучки 14 и 15, сведенные разделительной пластиной, направляются на поляризационный делитель 17, на выходе которого образуются две картины интерференции, отличающиеся сдвигом фаз на 90°, регистрируемые двумя фотодиодами электронно-оптического блока 10. В блоке 10 после преобразования аналоговых сигналов в цифровые производится счет импульсов, и результат передается на управляющий компьютер через его параллельный порт.
Поплавок состоит из трех частей: чаши 19, стабилизатора 20 и линзы 21 с держателем 22. Чаша 19 из нержавеющей стали имеет в дне сквозное отверстие 23 для протока ртути 24 вовнутрь. Стабилизатор 20 изготовлен из капролона (полиамид-6) и прикрепляется к чаше 19 винтами. Его наружный диаметр на 0,1 мм меньше внутреннего диаметра трубки 1 манометра. Как показал опыт, такая конструкция обеспечивает равномерное движение поплавка вместе со ртутью без перекосов и затираний. Собирающая линза 21 имеет фокусное расстояние около 36 мм. Ее стальной держатель 22 соединен со стабилизатором 20 с помощью резьбы, что обеспечивает возможность юстировки устройства. Размеры и масса всей конструкции подбирались при изготовлении опытным путем таким образом, чтобы обеспечить плавание поплавка с поддержанием толщины слоя ртути внутри чаши около 2 мм. Окончательная подстройка может осуществляться с помощью грузов, накладываемых сверху на стабилизатор.
Опыт показал, что такая конструкция поплавков обеспечивает уверенный счет интерференционных полос только вблизи исходного положения ртутного столба, при нулевой разности уровней. С началом движения ртути при напуске газа в измерительное колено контраст интерференционной картины снижается настолько, что счет полос теряет достоверность. Причина этого была установлена в результате визуальных наблюдений поверхности ртути в трубах манометра (без поплавков) при изменении разности уровней и связана с неизбежным наличием окисных поверхностных загрязнений. Оказалось, что при движении ртути вниз ее поверхность очищается, что объясняется оседанием загрязнений на стенке. И, наоборот, при движении ртути вверх загрязнения переходят со стенки на поверхность ртути. Следствием этого должно быть изменение поверхностного натяжения ртути и глубины погружения поплавков, что приводит к разъюстировке оптической системы "кошачий глаз". Эту проблему удалось решить, изолировав поверхность ртути в трубке манометра 1 от стенки с помощью тонкого кольца из капролона 25, как показано на Фиг. 3b. Перемещаясь вместе со ртутью, такое кольцо препятствует оседанию загрязнений на стенке, благодаря чему настройка поплавка не нарушается и контраст интерференционной картины сохраняется достаточно высоким для уверенной работы счетчика полос.
Принцип действия и процедура измерения давления состоит в следующем.
-2
После предварительной откачки обоих колен манометра до предельного давления порядка 10 Па производится напуск порции газа в измерительное колено, что приводит к изменению разности уровней ртути в коленах в соответствии с известным законом
где р - измеряемое давление газа на уровне ртути в измерительном колене,
0
р - остаточное давление в вакуумном колене,
ρ - плотность ртути,
g - ускорение свободного падения,
h - разность уровней ртути в манометре.
Свободные поверхности ртути в коленах манометра служат зеркалами интерферометра Майкельсона, освещенного лазерным источником 9. Поэтому изменение разности уровней приводит к смещению интерференционной картины, которое регистрируется электронно-оптическим блоком 10 в виде последовательности электрических импульсов. Чувствительность схемы составляет один импульс на половину интерференционной полосы, что соответствует изменению разности уровней жидкости на δh=λ/4, где λ=0,6329 мкм - длина волны применяемого He-Ne лазера ЛГН 303, или давления - на 0,021 Па (разрешение системы регистрации). Таким образом, измерение давления сводится к определению соответствующего количества импульсов N и расчету по уравнению измерения
При этом вносятся следующие поправки:
- на зависимость плотности ртути от температуры;
- на зависимость длины волны лазера в измерительном колене от давления газа;
- на разность высот уровня ртути в измерительном колене и положения прибора сравнения.
2
5
-2
-6
Предлагаемое изобретение позволило совместить достоинство прототипа, связанное с отражением луча лазера непосредственно от поверхности ртути, с возможностью значительной стабилизации поверхностного натяжения ртути и глубины погружения поплавка, что необходимо для получения устойчивой интерференционной картины и повышения точности измерений давления лазерным интерференционным ртутным манометром. Точность измерений давления манометром в диапазоне 1,0·10-1,3·10 Па составляет 5,2·10 Па+4,9·10·р, где р - измеряемое давление, Па.