Способ измерения высокого давления и устройство для его осуществления

(55 6 0111/О ТЕНТНОЕ МСТВО СССРь АТЕНТ СССР) ЕД ОС 2 ЩЩ СА РЕТЕ ИВ- ) яи КОМУ СВИ ЬСТВУ В 903207/10 7,11,90 7,02.93. Бю онецкий ф ССР И.Савуцки жайараме М 6, 1986 игуира. Ям ения давл ПНИ, М 4(2 1) 22) (46) (71) л, М 5зико-технический инст ения Сверхвысо3-25.ея. Системаия по люми987, с. 151 для быстрого есценции руз КОГО ОС ДЛЯ Е техни их дав снова спект рдом т шение ЩЕ (57) е измеений в ной на альных ренрежрегислини ыстротлич новом енции,аж ми от ПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ВЛ ЕНИЯ зобретение относится квысоких и сверхвысок ме текущего времени, о трации смещений узких люминесценции в тве р, рубине. Цель: повы вия, Сущность изобрете соба, при котором при нии получают спектр лю операция получения спектра исключена,. а смещение линий люминесценции в процессе повышения давления непосредственно преобразуется в пики интенсивности с помощью гребенчатого растра 6, установленного на выходе спектрального прибора 5, Величину смещения линий определяют как сумму периодов гребенчатого растра 6 по соответствующим пикам интенсивности, Период гребенчатого растра согласован с количеством и формой линий в спектре люминесценции датчика 2. Для повышения светосилы предлагается устанавливать гребенчатый растр 4 также на входе спектрального прибора 5. Устройство для реализации способа содержит также источник возбуждения люминесценции датчика 2, оптический формирователь 3 пучка люминесцентного излучения от датчика 2 на входном растре 4 спектрального прибора 5, оптическую систему 7, фотоэлектронный приемник 8 и регистрирующее устройство 9. Положительный эффект: повышение быстродействия на несколькопорядков. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил, ЮИзобретение относится к технике измерения высоких и сверхвысоких давлений в режиме текущего времени, основанной на регистрации смещений узких спектральных линий люминесценции в твердом теле, например, рубине, и можетбыть использовано в научно-прикладных исследованиях динамики различных процессов под давлением,Общеизвестно использование так называемой рубиновой шкалы для определения "0 величины давлейия в аппаратах высокого давления, Достоинства методики рубиновой шкалы - простота зависимости, основанной на смещении В-линий люминесценции руби-. на от давления, малые размеры датчика, . 15 стабильность характеристик; высокая точность(0.5 кбар в лучшем случае); большой диапазон, возможность работать в роста- .точно широкой области температур; потенциально высокое быстродействие, которое 20 ограничивается фактическим быстродействием системырегистрации спектра люминесценции.Из анализа известных работ вытекает, что обычная схема измерений включает лю минесцентный датчик давления, размещенный в камере высокого давления с оптически прозрачными окнами, источник возбуждения люминесценции датчика, оптическую.систему, формирующую пучок лю- З 0 минесценции на входе спектрального прибора, и регистрирующее фотоэлектронное устройство, позволяющее документировать процесс спектральных измерений;Все вышеперечисленные устройства З 5 включают следующую последовательность операций; изменение давления в процессе увеличения нагрузки, установление давления после нагружения, обусловленное внутренними процессами в камере высокого 40 давления, регистрацию спектра люминесценции с характерным временем, обусловленным типом спектрального прибора и регистрирующей аппаратуры, и расчет давления после определения величины смеще ния линий.Недостатком известных систем являет-. ся то, что, как правило, регистрация спектра производится путем механической развертки в спектрометре того или иного вида, что 50 не позволяет определить давление до его стабилизации. Таким образом, наиболее медленный процесс - -механическая развертка и запись спектра, и известны попытки, исключить их. 55В качестве прототипа как по способу, так и по устройству, совпадающего с предлагаемым по решаемой задаче и ряду признаков, используем одну из последних работ (ПНИ, 1987, М 4, с, 151-153). В известном решении для определения длин волн Й-линий используется монохроматор с фиксированным положением решетки, на выходе которого установлена в фиксированном положении линейная фотодиодная матрица на 512 каналов с промежуточным усилителем яркости изображения. Таким образом, каждый канал регистрирует часть контура линий люминесценции, а их совокупность - весь спектр. Компьютерная обработка данных от каждого канала, считываемых последовательно в память машины, позволяет установить как положение линий, так и их смещение под влиянием давления, Это позволяет сократить время измерений спектра до секунд, и наблюдать в динамике установление давления посл наложения нагрузки, Быстродействие системы ограничено чувствительностью каждого канала. Компьютер непосредственно вычисляет давление в режиме текущего времени из спектра люминесценции. Быстродействие этой операции также ограниченно. Общее время измерения составляет примерно 20 с, иэ которых 5 с - накопление данных в матрице, 10 с - передача данных и 5 с - вычисление давления,Цель изобретения - повышение быстродействия,Поставленная цель достигается путемисключения операции получения спектра с,помощью спектрального прибора, как требующая определенного времени, Спектральный прибор на выходе снабжается гребенчатым растром из чередующихся прозрачных и непрозрачных интервалов, так что при смещении определенной линии в спектре под влиянием давления она последовательно пересекает прозрачные и непрозрачные участки растра, в результате чего фотоэлектронное устройство регистрирует пики интенсивности в соответствии с повышением давления, так называемые биения. Для установления простых количественных соотношений между смещением линии и количеством пиков период растра по длинам волн обычно выбирается постоянным.Величина смещения линии под давлением находится как произведение постоянного периода растра на количество пиков интенсивности, а в общем случае равна сумме всех периодов растра по соответствующим пикам интенсивности. Величина давления, как и обычно, определяется в соответствии с градуировочной зависимостью смещения линии от давления,Максимальная скорость регистрации биений ограничивается лишьчувствительностью фотоэлектронного регистрирующего у тройства, т.е. его характерной постоян- спектрального прибора совместно с растраной времени, Чем выше уровень сигнала, ми 4 и 6, на фиг. 4 - спектр люминесценции тем меньше постоянная времени регистра- рубина, используемого в качестве твердоции Поэтому, с цельюувеличения светоси- тельного датчика давленияпрад ффулевом лы, спектральный прибор на входе также 5 (жирная сплошная линия) и при повышенсна жается гребенчатым растром, период ном(пунктир)давлении,стрелкойАуказано кот рого совпадаетс периодом выходйого направление смещения линий рубина под рас ра, давлением, тонкой сплошной линией покаСущественные отличия от прототипа заны линии рубина, каждая шириной 2 дЛя . сле ующие. 10 и интервалом ДЯя между линиями. На фиг, По способу: 5 показан характер изменения интенсивно. Регистрируются не спектры при раз- сти на выходе спектрального прибора при ных давлениях, из сравнения которых нахо- повыщении давления, Шкала 1 - смещение дится смещение линий, а величина, линийрубинавнанометрах,шкала - тоже, про орциональная смещениюлиний(количе с указанием положений максимумов, котоств пиков, измеряемых в процессе повыше- рые чередуются с интервалом 1,42 нм, рвения давления), Таким образом, измерение ном интервалу между линиями рубина, давения происходит в темпе исследуемого шкала- шкала давлений в соответствии процесса изменения давления: со смещением линий согласно градуировке2, Постоянная времени регистрации 20 ДЯ(нм) = 3614 Р.5 Р, где Р(Мбар) - давлеуме ьшается на 3-4 порядка, что примернона только же повышает быстродействие На фиг. 6 показана рабочая запись биеуст ойства.ний во времени, на фиг, 7 - запись биений ,По устройству: при максимальном давлении, полученная)1. Спектрометр снабжается выходным 25 путем развертки спектра. и, г)ри необходимости, входным гребенча- Рассмотрим работу устройства, ты и растрами с постоянным периодом. Источник 1 Гнапример, лазер)через опчто; помимо функционального обеспечения тически прозрачное окно возбуждает люмиреа)1 изацииспособа,увеяичиваетсветосиву несценцию рубинового датчика 2, уст)ойства как за счет увеличения аперту размещенного в камере высокого давления ры, так и за счет возможности использова- (показана пунктиром), Люминесценция датния люминесцентного датчика давления чика 2 оптическим формирователем 3 собибол ших размеров, рвется на входном гребенчатом растре 42, Используется один интегральный спектрального прибора 5. Каждый из продатчик вместо многоканальной системы 35 зрачныхучастковгребенчатогорастра 4 шидатчиков, что дает выигрыш в светосиле нэ риной 2 дЛ(см. фиг. 2) выполняет роль"щели, поредок и более, К тому:же известные интег- от которой нэ выходе спектрального лриборалные датчики (например, фотоэлектрон- ра 5 образуется два пика интенсивности соныв умножители) на один-два порядка ответственно двум линиям рубина Й 1 и Йг, чувтеителчнее фотодиодов, 40 см, фиг, 4, При определенном периоде гре.На фиг. 1 представлена схема устройст- бенчатого растра 4 получаем совпадение ва яизмерениявеличинывысокогОдэвле- пиков интенсивности отсмежныхучастков, ни в темпе исследуемого процесса такчтна выхдеприбраформируется после- изменения давления; на фиг. 2-5 - эпюры, довательность пиков, каждый из которых поя няющие его работу; на фиг, 6, 7 - рабо является наложением линий В и В 2 рубина, чая запись биенийво времени.Из симметрии хода лучей в спектральномУстройство(фиг. 1) состоит из источника приборе относительно входа и выхода сле в збуждения люминесценции датчика 2,дует, что период гребенчатого растра по раз ещенного в камере высокого давления, длинам волнДЛ равен интервалу между лиопт ческий формирователь 3 пучка люми ниями рубина ДЛд,ДЛ =ДЛв. нес ентного излучения от датчика 2 на С учетом обратной линейной дисперсии вхо ном растре 4 спектрального йрибора 5, О спектрального прибора находим провых дного растра 6, оптической системы 7, странственный период входного растра, сог асующей выход спектрометра со вхо- Д =ДЛ/О. Выходной гребенчатый растр 6 до Фотоэлектронного приемника 8, и реги имеет такой же период(см. фиг, 2), При разстр рующего устройства 9 вертке спектра в спектрометре (либо приНа фиг. 2 пРедсаена хаРактеРистика перемещении гребенчатого растра 6 вдоль пропускания растров 4 и 6, включейных ввыходногоокна)меняетсяпропусканйесисоптческую схему спектрального прибора 5, темы. При совпадении участков прозрачнона фиг. 3 - характеристика пропусканиясти 2 д Л растров 4 и 6 на определенной длине волны пропускание максимально, при ихсмещении на пол-периода пропускание ми. нймально. Таким образом, характеристйкапропускания системы также имеет периодический характер с периодом ЛЛ(см. фиг, 3),Поэтомупри линейной развертке спектра сучетом конечной ширины линий рубина2 ЬЛя (см. фиг,4) интегральная интенсивность света на выходе гребенчатого растра6 периодически изменяется во времени.Линза 7 собирает свет на входном окне фотоэлектронного приемника 8, периодический сигнал с которого, в форме биений,записывает регистрирующий прибор 9.Такой же периодический (по длинамволн) сйгнал возникает при увеличении давлений в камере высокого давления, Под влиянием давления линии рубина смещаютсяпо длинам волн (см. пунктир со стрелкой Ана фиг, 4) так, что интервал ЬЛа междулиниями остается неизменным, Начальнаяфаза периодического сигнала определяетсяисходным положением развертки спектра,которое выбирают обычно на максимумепропускания (см. фиг. 5 и 6).Заметим, что периодический сигнал соответствует лишь шкале длин волн. Сигналво времени близок к периодическому лишьв случае линейного увеличения давления.При произвольном характере изменениядавления во времени пики интенсивностиимеют апериодический характер, однозначно связанный со смещением линий й и 82рубина во времени, Интервал между пикамиво времени соответствует смещению линийрубина на ЬЛ = 1,42 нм, число интервалов Исоответствует общему смешению Л 41,42 М, а форма пиков характеризует зависимость давления от времени,Процедура определения давления состоит в следующем. На фиг. 5 прекращениеувеличения давления отмечено вертикальной линией. По шкалам или И можно найтисмещение линий рубина, АЛО= 3,90 нм, Давление можно оценить по шкале Н 1, либо более точно по графику ЬА (Р), Находим Р =108 кбар,Рассмотрим запись биений во временив процессе нагружения, показанную на фиг.6, В точке 1 нагрузка перестала увеличиваться, и дальнейшее повышение давлениявплоть до его стабилизации обусловленовнутренними процессами в камере высокого давления,Анализируя запись, можно отметить,что наблюдаетсядва полных пика интенсивности, которым соответствует смещение линий 2.84 нм. Чтобы определить давление,например, в точках 1 - 3, при достигнутом максимальном давлении производим запись во времени одного биения путем развертки спектра, см. фиг. 7. Ординэты точек 5 1 - 3 отмечаем на кривой фиг, 7, Посколькуинтервал между пиками 1, 42 нм, удаление точек 1 - 3 от левого пика легко найти путем линейной интерполяции. Так, например, М(3) = 1,06 нм, поэтому максимальное дав ление соответствует смещению ЛМ (3) =2,84+ 106 = 3,90 нм, что соответствует давлению Р(3) = 108 кбар, Аналогично, ЬЛ (1) = 0,71 нм, АЛО (1) = 2,84+ 0,71 = 3,55 нм, Р(1) = 100 кбар. Следовательно, приращение дав ления составило 8 кбар на фоне 100 кбар зэвремя Тз - 11. Процесс стабилизации давления во времени можно получить, если точку 2 смещать от точки 1 до точки 3, каждый раэ определяя давление и интервал времени с 2-11, 20 . Быстродействие устройства для измерения давления ограничивается постоянной времени х регистрирующей системы, включающей фотоприемник 8 и регистрирующее устройство 9.25 Во избежание заметных ошибок при измерении величины давления, изменения последнего порядка 40 кбар не должны происходить быстрее (3 - 4) х, что приводит к ограничению скорости набора давления в 30 аиде .б Р/б т ( 10 х " кбэр/с .В качестве примера рассмотрим реализации устройства нэ базе дифрэкционного спектрометра с обратной линейной дисперсией 0,9 нм/мм, фокусным расстоянием зеркал 1 = 800 мм, размером заштрихованной решетки 150 х 140 мм, фотоэлектронного умножителя с рабочим диаметром фотока тода Я 6 мм, интервалом давлений до 0,5Мбэр и рубиновым датчиком давления.Чтобы все излучение, прошедшее черезвыходную маску-растр, попало на рабочую площадку ФЭУ, размещаем, например, лин эу, сразу эа маской, и, рассматривая решетку в пространстве предметов, найдем ее изображение на входном окне ФЭУ, Находим, что фокусйое расстояние линзы составляет 1 = 25 мм. Диаметр линзы не менее размеров выходной маски. Период растра 1,42 нм, и, с учетом обратной линейной дисперсии спектрометра, пространственный период маски равен 1,578 мм, При давлении Р = 0,5 Мбэр смещение линий рубина составляет 17,325 нм, что соответствует общему числу пиков 12,2. Соответственно, размер маски равен 19,25 мм. Для увеличения светосилы устанавливаем входной растр из четырех периодов, т.е, размером 6,3 х 6,3 мм (8,9 мм по диагонали). Если1793287 10 9 принять, что линза на входе-аналогична вы- ствует дублету линий рубина с периодом ходной, т.е, фокусное расстояние ее также 1.42 нм, как в предыдущем примере, а вто мм, максимальный размер рубинового рой участок имеет период 3 нм, что примерд тчика,совместимыйсосветосилойприбо- но в два раза превышает ширину линий р, 270 мкм. Чтобы исключить винъетирова рубина. Таким образом. выходная маска на н е на выходе, выходную маску увеличиваем участке 19,25 мм от начала имеет период н ширину входной, Окончательный размер 1,578 мм, а на участке не менее 60 мм - в ходной маски 25,55 х 6,3 мм (по диагона- период 3,333 мм, что соответствует 18 х 3 нм л порядка 26,5 мм). Следовательно, выход- периода растра. н я линза с диаметром ЯО 27 мм не 10 Входнойрастрставитьнеимеетсмысла, и иводит к виньетированиюи собирает свет ввиду малости размеров рубинового датчис любого участка маски нэ катоде ФЭУ, ка (порядка 10 мкм) при достижении стольПри наличии достаточно мощного, на- высоких давленйй. Интенсивность свечения и имер лазерного, возбуждению люминес- примерно на три порядка меньше, так что ц нции рубинового датчика можно 15 постоянная ФЭУ составит величину т 1 - ус ановить постоянную ФЭУг 10 - .10 с, 0,1 с. Регистрацию биений можно произвои" егйстрацию биений производить с по- дить как на самописце, так й с помощью м щью осциллографа, Максимальная ско- осциллографа (либо использовать компьюро ть набора давления составляет величину " терные методы регистрацйй "и обработки).) б Р 0 1, Мбар . Р 20 Максимальная скорость изменения давле, так что давление Рд тсния, регистрируемая без искажений, состав - ,5 Мбар может быть достйгнуто за время б Р Ь =(0,05 - 0,005) с, Фактически это импуль- ляет,1 т (10-100 кбар/с, а общее время, сн е давление, Заметим, что светосила уст- затраченное на достижение давления Р- ро ства по меньшей мере в шесть раз выше 25 2,5 Мбар, не менее 250 - 25 с соответственсв тосилы спектрометра в обычном вариан- но. те (при условии, что ширина щели равна В заключение отметим ряд особеннош рине прозрачной части 2 дЛ периода ма- стей предлагаемого метода измерения выск). Кроме того, увеличение размеров дат- сокого давления. чи 1 а эквивалентно увеличению светосилы 30 Данный метод измерения, без оговорок, наодин-два порядка,не применим для измерения быстропереВ качестве второго примера рассмот- менных давлений, поскольку возникающие ри реализацию устройства на базе того же биения могут быть обусловлены не только сп ктрометра с использованием рубина в смещением линий в результате увеличения ка естве датчика, рассчитанного на интер давления, но и возвратом давления к исходва давлений 2,5 Мбар в одном цикле изме- ному уровню. ре ия.Если процесс измерения давления с поШирина маски увеличивается примерно мощью рубинового датчика начинается с не- в и ть раз, так что с помощью линзы собрать известного начального давления (не с нуля), св т на катоде ФЭУ с любого участка маски 40 то измеряется приращение давления. не дается. Количественные измерения с помощьюРешение данной задачи приводится в данного метода йроводятся в следующих кн ге Толмачева Ю.А. Новые спектральные случаях, приборы, 1976, с. 81, Выходной растр уста, Последовательная серия измерений, на ливается по биссектрисе угла зеркаль начинающаяся с нулевогодавления, см. выно о угодкового отражателя, размещенного шеприведенные примеры. "крышей" вместо выходной щели, Свет от. Последовательная серия измерений, ра ается от одной половины зеркала, про- начинающаяся при известйбм высоком давхо ит маску-растр (расположенную точно в лении (например, после случая 1) с последуфо усе), отражается от второго зеркала, а 50 ющим уменьшением до нуля. затем возвращается на вход прибора и со, Если заранее необходимо установить бирэется на одной линии со входной щелью заданное давление в каком-либо технологмвыфе (ниже) ее, где может располагаться ческом процессе, например процессе Мл. учения искусственных алмазов, ДавлениеДругая особенность состоит в том,что в 55 получают методом последовательных прираоне 0,5 - 1 Мбар линии рубина расширя- ближений - как с уменьшением, так и с увеютя и сливаются в одну достаточно широ-личением промежуточных значений,куф линию, Поэтому выходной растр 4, При ударном или взрывном сжатии за разбиваем на двэ участка - первый соответ- моментом максимального сжатия идет процесс разгрузки. Момент времени, когда на1793287 12 чинается снижение давления, должен быть получен иэ дополнительных измерений, например путем фиксации изменения усилий. Заметим, что в этом случае общее правило таково, что число пиков, соответствующее нагружению, равно числу пиков, регистрируемых при уменьшении давления. Поэтому достаточно зарегистрировать общее число пиков и разделить их пополам. Максймаль 10 ное давление будет соответствовать половинному числу пиков. 5, Пульсирующее давление может быть зафиксировано (и измерено), если его величина не превышает значения примерно сколько порядков и ограничивается лишь быстродействием фотоэлектронного устройства. Повышению быстродействия спо(220) кбар на фоне некоторого известного значения, Облегчение измерений подобного рода состоит в том, что при любом фиксисобствует увеличение светосилы приборов, использование растров, параллельная регистрация дублетных линий в спектре, а также рованном давлении фазу сигнала можно установить по своему желанию, например,20 нулевую, путем небольшой развертки спекувеличение размеров датчика.Это позволяет"успешно проводить научно-прикладные исследования динамики различных йроцессов под давлением. тра в спектрометре,Отметим также, что любые измерения при высоком давлении носят обратимый-ха 25 ный в камере высокого давления с оптически прозрачными окнами, источник возбужФормул а изоб ретен ия 1. Способ измерения высокого давления, основанный на регистрации смещения денйя люминесценции датчика, оптический формирователь пучка люминесцентного иэ 30 спектральных линий люминесценции выбранного твердотельного датчика давления в процессе изменения измеряемого давлелучения датчика, установленный на входе спектрального прибора; на выходе которого ния, определении величины смещения ли- " установлено регистрирующее устройство, ний и последующем расчете величиныи отличающеесятем,чтосцельюповышения быстродействия, в качестве спектральзнака приращения давления по известной ного прибора в нем использован растровый спектрометр с гребенчатым спектром продля выбранного твердотельного датчика зависимости, отличающийся тем,что, с целью повышения быстродействия путем измерения давления в темпе исследуемого пускания, период которого в 1,5-3 раза превышает ширину одиночной линии люми 40 процесса изменения давления, фильтруют несценции датчика выходное люминесцентное излучение твердотельного датчика устройством с гребенча 3, Устройство по и, 2, о тл и ч а ю щ е етым спектром пропускания, регистрацию смещения линий люминесценции осуществс я твм, что, с целью упрощения, период гребенчатого растра выбран равным интервалу между двумя линиями люминесценции твердотельного датчика, например В-линиями рубина.4. Устройство по пп. 2 и 3, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью увеличения 50 светосилы, растровый спектрометр снабпикам интенсивности 2. Устройство для измерения высокого давления, содержащее твердотельный люминесцентный датчик давления, размещенжвн входным и выходным гребенчатымирастрами с одинаковыми постоянными. периодами. ляют путем подсчета числа пиков интенсивно сти йрофильтрованного люминесцентного излучения, а величину смещения линий определяют как сумму периодов, гребенчатого спектра пропускания по соответствующим рактер, поскольку в конечном итоге возвращаются к нулевому давлению. Поэтому хорошим методом проверки точности измерений служит равенство числа пиков на этапах повышения и снижения давления.Использование данного способа и устройств на его основе позволяет измерять величину высокого давления в темпе исследуемого процесса изменения давления, т.е. в режиме текущего времени, включая область импульсных давлений. Реальная скорость регистрации высокого давления превышает достигнутый уровень на не1793287Составитель А;Савуцкий Редактор Техред М.Моргентал Корректор Л.Л аз 497 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101