Волоконно-оптический объемный расходомер жидкости и газа

Ответ по варианту 29

(Волоконно-оптический объемный расходомер жидкости и газа)

Анализ измерительной процедуры

      Источником излучения в датчике служит He-Ne лазер 1, который работает на атомных переходах. Т.е. излучение является индуцированным (вынужденным), оно когерентно и находится в определенном фазовом соотношении с внешним полем, соответственно обеспечивается высокая монохроматичность. Далее излучение проходит через оптическую систему, которая состоит из линзы, диафрагмы, окуляра и светофильтра. Здесь действует закон преломления в линзе. Пройдя через оптическую систему, излучение попадает в волоконный световод 2; чувствительным элементом является участок световода, натянутый в корпусе в виде струны между двумя опорами 3. Световод – это  устройство для направленной передачи световой энергии. Волоконный световод представляет собой такую нить, сердцевина которой имеет показатель преломления больший, чем оболочка. Свет в световоде распространяется в результате полного внутреннего отражения от границы раздела. Преимуществом световода является то, что он передает изображение без потерь. В центральной части световода закреплен небольшой магнит 4. В трубе 6 из немагнитного материала установлена ферромагнитная крыльчатка 5. Вращение крыльчатки происходит под действием набегающего потока рабочей среды. Причем, чем больше скорость потока, тем больше скорость вращения крыльчатки. Здесь имеет место такое физическое явление, как взаимодействие двух магнитов (ферромагнитной крыльчатки и магнита в центральной части световода). Это взаимо­действие осуществляется посредством поля, которое называ­ется магнитным.              Магнитное поле магни­тов создается упорядоченным движением электронов в атомах. В результате магнитного взаимодействия вращающаяся крыльчатка заставляет участок световода совершать вынужденные колебания. Так возникают периодические колебания световода между опорами 3, которые приводят к периодическим изменениям распределения интенсивности света (интенсивностью света называется средний по времени поток электро-магнитных волн через единицу поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению распространения волн) на выходном торце чувствительного элемента, который представляет собой одноволоконный интерферометр. На выходе световода получаем чередование черных и белых полос. Здесь наблюдается такое  явление, как интерференция. Частота изменения интенсивности свечения на выходе интерферометра линейно зависит от скорости потока, и следовательно – от расхода рабочей среды. Регистрация изменяющейся интенсивности излучения осуществляется с помощью фотосопротивления. Действие фотосопротивления основано на явлении фотоэффекта.

                   Анализ физических эффектов и закономерностей

       В основе данной схемы измерения лежит магнитное взаимодействие. Это взаимо­действие осуществляется посредством магнитного поля. Количественно магнитное поле характеризуют магнитной индукцией. Магнитное поле можно изображать графически линиями индукции. Линиями индукции называют линии, касательные к которым в каждой точке линии направлены так же, как и вектор магнитной индукции B. Через каждую точку магнитного поля можно провести линию индукции.

        Для описания магнитного поля в какой–либо точке среды наряду с магнитной индукцией B используется другая физическая величина- напряженность магнитного поля H:

Величина называется магнитной восприимчивостью среды, а - ее магнитной проницаемостью, - магнитная постоянная.

Вещества, для которых χ>0 (но незначительно), называются парамагнитными (парамагнетиками); вещества, для  которых χ<0, называются диамагнитными (диамагнетиками).

     Во всех телах, помещенных в магнитное поле, возникает магнитный момент. Это явление называется намагничива­нием. Среды, способные намагничиваться в магнитном поле, т.е. создавать собственное магнитное поле, называют магнетиками. К магнетикам относят парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики. Ферромагнетиками называют среды, в которых собственное магнитное поле значительно превосходит (в 102 – 103 раз) вызвавшее его внешнее магнитное поле. Собственным или внутренним магнитным полем среды называют магнитное поле, создаваемое ее молекулами, атомами или ионами.

     Намагниченное тело (магнетик) создает дополнительное магнитное поле с индукцией B', которая взаимодействует с индукцией B0=µa*H, обусловленной макроскопическими токами. Оба поля дают результирующее поле с индукцией B, которая получается в результате векторного сложения B' и B0 .

      В молекулах вещества циркулируют замкнутые токи; каждый такой ток имеет магнитный момент; в отсутствие внешнего магнитного поля молекулярные токи ориентированы хаотически и среднее поле, создавае­мое ими, будет равно нулю. Под действием магнитного поля магнитные моменты молекул ориентируются преимущест­венно вдоль поля, вследствие чего вещество намагничива­ется. Мерой намагничивания вещества (магнетика) явля­ется вектор намагничивания. Вектор намагничивания I равен векторной сумме всех магнитных моментов pm мо­лекул, заключенных в единице объема вещества:

Вектор намагничивания пропорционален вектору напря­женности магнитного поля:

    Кривая, выражающая зависимость между H и B или H и I, называется кривой намагничивания.

     Ферромагнетики отличаются от парамагнетиков и  диамагнетиков рядом свойств:

    а) Кривая  намагничивания  ферромагнетиков  имеет  сложный характер, для парамагнетиков она представляет прямую линию с положительным угловым коэффициентом, для диамагнетиков — прямую с отрица­тельным угловым коэффициентом. Магнитная восприим­чивость и проницаемость ферромагнетиков зависит от напряженности поля.

     Для ферромагнетиков обычно указывается начальная магнитная проницаемость (µнач) — предельное значение магнитной проницаемости, когда напряженность и индук­ция поля близки к нулю, т. е.

     б)   Кривая зависимости µ от Н для ферромагнетиков проходит через максимум.                  

  в) Магнитная восприимчивость ферромагнетиков растет с увеличением температуры. При некоторой температуре Т ферромагнетик превращается в парамагнетик; эта температура называется температурой (точкой) Кюри. При температурах выше точки Кюри вещество является парамагнетиком. Вблизи температуры Кюри магнитная восприимчивость ферромагнетика резко возрастает.

     г) Размагниченный ферромагнетик намагничивается магнитным полем; зависимость B (или I) от H при намагни­чивании будет выражаться кривой 0—7. Эта кривая называется начальной кривой намагничивания. Намагни­ченность в слабых полях растет быстро, затем рост замед­ляется и, наконец, наступает  состояние насыщения, при котором намагниченность практически ос­тается постоянной при дальнейшем увеличении поля.

       Максимальное значение намаг­ниченности называется намагни­ченностью насыщения (Is).

      При уменьшении H до нуля B (и I) будут изменяться по кривой 1—2; происходит отставание изме­нения индукции от изменения напряженности поля. Это явление называется магнитным гистере­зисом.

      Величина индукции, сохраня­ющаяся в ферромагнетике после снятия поля (когда H = 0), называется остаточной индукцией (Br). На рис. Br равна отрезку 0—2. Чтобы размагнитить ферромагнетик, нужно снять остаточную индукцию. Для этого необходимо создать поле проти­воположного направления. Изменение индукции в поле противоположного направления изобразится кривой 2—3—4.

      Напряженность поля Нс (отрезок 0—3 на рис.), при которой индукция равна нулю, называется коэрцитив­ной напряженностью (силой).

       Зависимость В (или I) от периодически изменяющейся напряженности магнитного поля от +H до —H выража­ется замкнутой кривой 7—2—3—4—5—6—7. Такая кри­вая называется петлей гистерезиса.

За один цикл изменения напряженности поля от +Н до -H расходуется энергия, пропорциональная площади петли гистерезиса.

       Свойства ферромагнетиков объясняются наличием в них областей, которые в отсутствие внешнего магнитного поля самопроизвольно намагничены до насыщения. Эти области называют доменами. Но расположение и намагни­ченность этих областей таковы, что в отсутствие поля общая намагниченность всего тела равна нулю.

      Когда ферромагнетик находится в магнитном поле, границы между доменами смещаются (в слабых полях) и векторы намагниченности доменов поворачиваются по направлению намагничивающего поля (в более силь­ных полях), в результате чего ферромагнетик намагни­чивается.

      Таким образом, ферромагнитная крыльчатка, представленная на схеме, способна намагничиваться. И в результате магнитного взаимодействия крыльчатка при вращении заставляет совершать участок световода вынужденные колебания.

         Кроме главного принципа, заложенного в основу действия данного измерительного комплекса, для реализации процедуры измерения используются также и другие вспомогательные эффекты и закономерности:

      1) Свойства лазерного излучения – когерентность, мощность, малая угловая расходимость, высокая монохроматичность, длительность импульса и др. Эти уникальные свойства делают лазеры идеальными источниками света в приборах.

    2) Полное внутреннее отражение – явление отражения света от оптически менее плотной среды, при котором преломление отсутствует, а интенсивность отраженного света практически равна интенсивности падающего. Испытывая полное внутреннее отражение, световой сигнал может распространяться внутри световода. Свет может покидать волокно лишь при больших начальных углах падения и при значительном изгибе волокна.

    3) Закон преломления в линзах (лучи, параллельные главной оптической оси, пересекаются в точке, лежащей на этой оси – в фокусе линзы).  

    4) Интерференция. Сложение двух (или нескольких) волн с одинаковыми периодами, в результате которого в одних точках пространства происходит увеличение, а в других – уменьшение амплитуды результирующей волны, называется интерференцией. Интерференция любых волн возникает лишь тогда, когда взаимодействующие волны имеют одинаковую частоту и не зависящий от времени сдвиг фаз в каждой точке. Колебания световода приводят к образованию на выходе пучков излучения с оптической разностью хода, эти лучи интерферируют на выходе из световода.

     5) Фотоэффектом называются электрические явления, которые происходят при освещении светом вещества, а именно: выход электронов из вещества (фотоэлектронная эмиссия), возникновение ЭДС, и изменение электропроводимости. Сущность внутреннего фотоэффекта состоит в том, что при освещении полупроводников и диэлектриков от некоторых атомов отрываются электроны, которые остаются внутри него. В результате внутреннего фотоэффекта возникают электроны в зоне проводимости и сопротивление полупроводников и диэлектриков уменьшается.

Список литературы:

1. Годжаев Н.М. Оптика, Москва, 1977

2. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы, Москва-Санкт-Петербург, 2000

3. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике, Москва, 1972

8