Оптический доплеровский измеритель скорости потока жидкости или газа (его варианты)

 

Изобретение относится к средствам измерения скорости движения потока жидкости или газа и позволяет измерить две ортогональные проекции вектора скорости, одна из которых нанравлена вдоль оптической оси устройства . Оптические оси 7 и 8 приемных каналов 5 и 6 расположены под углами Р к оптической оси лазера 1, освещающего измерительный объем 4. Выделенные в каждом приемном канале .5 и 6 под углами г к его оси Ю 00 к

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (51)4 6 01 Р 3/36, 5!00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 г

1амр

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3920625/24-!О (22) 01.07.85 (46) 23.12.86. Бюл. № 47 (71) Институт проблем прочности

AH УССР и Киевский ордена Трудового

Красного Знамени институт инженеров гражданской авиации им. 60-летия

СССР (72) В.М. Землянский, В.В. Рубан и Н.А. Фот (53) 532.584 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ )053005, кл. G 01 Р 3/36, !983.

Авторское свидетельство СССР

¹- 396096, кл. G О! Р 3/36, 1974.

ÄÄSUÄÄ 1278713 А1 (54) ОПТИЧЕСКИЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ПОТОКА ЖИДКОСТИ ИЛИ

ГАЗА (ЕГО ВАРИАНТЫ) (57) Изобретение относится к средствам измерения скорости движения потока жидкости или газа и позволяет измерить две ортогональные проекции вектора скорости, одна из которых направлена вдоль оптической оси устройства. Оптические оси 7 и 8 приемных каналов 5 и 6 расположены под углами р к оптической оси лазера 1„ освещающего измерительный объем 4.

Выделенные в каждом приемном кана0 ле,5 и 6 под углами — к его оси

1278713! рассеянные пучки 9, 10 и 11, 12 смешиваются и поступают на фотоприемники 25 и 26 и далее на смеситель 27, в выходном сигнале которого фильтром

28 нижних частот выделяют сигнал с частотой, пропорциональной составляющей скорости ?. (проекция вектора скорости потока на ось Х ), а фильт1

Изобретение относится к средствам измерения скорости движения потока жидкости или г"..çà и может быть использов". î для измерения двух ортогональных проекций вектора скорости двумерного потока оптическими средствами.

Целью изобретения является измерение двух ортогональных проекций вектора скоросги, одна из которых направлена вдоль оси лазера, (первый вариант) и измерение двух ортогональных проекций вектора скорости, большая из которых направлена вдоль оси лазера, а также повьппение помехоустойчивости (второй вариант).

Па фиг. 1 приведена функциональная схема оптического доплеровского измерителя скорости потока жидкости или газа согласно первому варианту устройства; на фиг. 2 — то же, вто рой вариант; на. фиг. 3 — геометрия рассеянных пучков в системе координат ОХЕ; на фиг. 4 — конструкция составной призмы-смесителя.

Оптический доплеровскии измеритель скорости потока жицкости или газа (фиг. 1) состоит из лазера 1, излучающего пучок 2 на длине волны фокусирующего объектива 3, зоны

4.измерения, через которую со скорОстью К прохОдит исследуемый ПОток под углом d- к оси ОЕ, двух идентичных оптических каналов 5 и 6, которые имеют оптические оси 7 и 8, направленные под углами Д к оси схемы

ОЕ, собирают рассеянные пучки 9, 10 и 11, 12 и содержат приемные объективы 13 и 14, расположснные на фокус. ном расстоянии Г от зоны 4 измерения, 40 непрозрачные экраны с двумя отверстиром 29 верхних частот выделяют сигнал с частотой, пропорциональной составляющей скорости V (проекция векZ тора скорости потока на ось ОЕ). Эти сигналы поступают на измерители 30 и

31 доплеровской частоты соответственно. Представлены варианты устройства.

2 с,п. ф-лы, 4 ил. ями 15 и 16 для выделения рассеянных пучков под углами — к оптической

0(.

2 оси канала, зеркала 17 и 18, составные призмы-смесители 19 и 20, на выходе которых образуются сме1панные пучки 21, 22 и 23., 24, а также фотоприемники 25 и 26, смесителя 27, фильтра 28 нижних частот, фильтра 29 верхних частот и двух измерителей 30 и 31 доплеровской частоты.

На фиг. 2 (второй вариант устройства) в отличие о. первого варианта имеется один приемный объектив 32 оощий для обоих оптических каналов.

На фиг. 3 приведена геометрия рассеянных пучков для первого варианта устройства. Первый оптический канал выделяет рассеянные пучки 9 и 1О, имеющие волновые векторы К и К

S 5A 512 соответственно. Второй оптический канал выделяет рассеянные пучки 11 и 12 с волновыми векторами К и К

Ь а! 322

Разностные волновые векторы К . и К

2 расположены симметрично под одинаковыми углами g по отношению к оси

0Z. Остальные обозначения такие же как на фиг. 1.

Геометрия рассеянных пучков для второго варианта устройства строится аналогично, отличия определяются только направлением выделенных рассеянных пучков 9, 10 и ll, 12, т.е. величиной углов Ы и Р

На фиг. 4 представлена конструкция составной призмы-смесителя 19, с остоящей из призмы 33 полного внутреннего отражения и призмы-ромба 34, у которых общая грань 35 имеет полупрозрачное покрытие, а грань 36 зеркальное. Обе грани 35 и 36 состав12787!3 сигнал на частоте 35 о,=2К sin — V cos(g -d )

0( (1)

2 где К = — — модуль волнового векто 1 ра лазерного излучения с длиной волны — угол между осью ÎZ и направлением разностного вектора К =К,„-К, з11 выделенных пучков 9 и

10 (фиг. 3), угол между осью OZ u направлением вектора скорости (фиг. l и 3).

Второй оптический канал выделяет рассеянные пучки 11 и 12 также под углами — относительно своей оптичесЫ

2 кой оси 8 при помощи приемного объектива 14 и непрозрачного экрана 16 с двумя отверстиями. Выделенные пучки

1! и 12 пространственно совмещаются двухлучевым интерферометром, состоящим из зеркала 18 и составной. приз45 ной призмы-смесителя выполняются о под углом 45 к ее основанию.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

Лазер l излучает монохроматический луч 2,. направленный вдоль оптической оси 07. Фокусирующий объектив 3 фокусирует луч 2 в точке 4 (измерительный объем), через который со скоростью V движется поток жидкос-10 ти или газа. Первый 5 и второй 6 оптические каналы устроены идентично и предназначены для приема рассеянного излучения, идущего из освещенной точки 4. Оптическая ось 7 перво- 15 го канала и оптическая ось 8 второго канала расположена в одной плоскости с оптической осью OZ устройства и пересекают ее в точке 4 под одинаковыми углами 13 . При этом первый оп- 20 тический канал выделяет рассеянные пучки 9 и 10 под углами — относительс

2 но своей оптической оси 7 при помощи приемного объектива !3 и непрозрач.ного экрана 15 с двумя отверстиями.

Выделенные пучки 9 и 10 пространственно совмещаются двухлучевым интерферометром, состоящим из зеркала 17 и составной призмы-смесителя 19. Сме-30 шанные пучки 21 и 22 направляются на фотоприемник 25, на выходе которого в результате оптического гетеродинирования образуется высокочастотный мы-смесителя 20. Смещанные пучки 23 и 24 направляются на фотоприемник

26, на выходе которого в результате оптического гетеродинирования образуется высокочастотный сигнал на чатоте

„) :=2К sin — V cos (g + Ä) (2) где ф — угол между осью OZ и направлением разностного вектора К =

=Кь -Ks выделенных пучков 11 и i2 (фиг. 3).

Высокочастотные сигналы с выхода фотопРиемника 25 первого оптического канала 5 и с выхода фотоприемника 26 второго оптического канала 6 поступают соответственно на первый и второй входы смесителя 27. Сигнал с выхода смесителя поступает на входы фильтра 28 нижних частот и фильтра 29 верхних частот. На выходе 28 фильтра нижних частот выделяется сигнал раэностной частоты и1 -<1 =4KV s>n — cosp, (3) где V — проекция вектора скорости х потока Ч на ось ОХ.

Этот сигнал поступает на вход первого измерителя доплеровской частоты

30. На выходе фильтра 29 верхних частот выделяется сигнал суммарной частоты д +1 =4КЧ sin — sing, (4) где — проекция вектора скорости

Z потока Ч на ось OZ„

Этот сигнал поступает далее на вход второго измерителя 31 доплеровской частоты.

Таким образом, частота сигнала, поступающего на вход первого измерителя 30 доплеровской частоты, определяется выражением (3) и однозначно связана через параметры устройства (углы о и р и длину волны лазера

) с величиной проекции вектора скорости Ч„, а частота сигнала, поступающего на вход второго измерителя

31 доплеровской частоты, определяется выражением (4 ) и однозначно связана через те же параметры устройства (углы о(и В и длину волны лазера 1 ) с величиной проекции вектора скорости Ч, при этом оси ОХ и OZ ортогональны между собой, причем ocb OZ направлена вдоль оптической оси лазера, совпадающей с оптической осью устройства.!

278713

Оптический доплеровский измеритель скорости потока жидкости или газа (по второму варианту, работает аналогично первому. Отличие состоит в том, что приемный объектив 32 (фиг. 2) является общим для обоих оптических каналов 5 и 6, кроме того, наличие дополнительных третьих отверстий в непрозрачных экра r 30 и 16 позволяет сцелать угол с больге, а угол 8 меньше по величине. Следовательно, как видно из выражений (3) и (4), устройство (по второму варианту) имеет чувствительность в направлении оси ОХ больше, чем в направлении оси OZ„ что позволяет измерять с высокой точностью две проекции скорости потока в реальном масштабе времени, одна из которых, боль- 40 шая по абсолютной величине, направлена вдоль оптической оси лазера 0Z.

А значительное увеличение угла ol вызывает увеличение чувствительности устройства как в направлении оси ОХ, так и в направлении оси ОК.

Оптический доплеровский измеритель скорости потока жидкости или газа, содержащий последовательно установленные и оптически согласованные лазер, фокусирующий объектив, первый оптический канал, включающий приемный объектив, непрозрачный 55 экран с двумя отверстиями, двухлучевой интерферометр в виде зеркала и призмы-смесителя, фотоприе 1ник и изСоставная призма-смеситель позволяет достичь повышения помехоустойчивости за счет того, что, например, в первом оптическом канале 5 луч 10 (фиг. и 4), повернутый зеркалом

17, смешивается с лучом 9 на полупрозрачной грани 35 призмы 19. При этом часть смешанного пучка 21 далее поступает на фотоприемник 25. Другая часть смешанного пучка 22, отразившись от грани 36 призмы 19, также направляется на фотоприемник 25. Такой конструкцией составной призмысмесителя достигается увеличение в два раза полезного сигнала,.подаваемого на фотоприемник 25.

Аналогично работает составная призма-смеситель 20 во втором оптическом канале 6 — смешанные лучи 23 и 24 направляются на фотоприемник 26

Формула изобретения

20 меритель доплеровской частоты, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью измерения двух ортогональных проекций вектора скорости, одна из которых направлена вдоль оси лазера, в него введен второй оптический канал, идентичный первому, смеситель, фильтр верхних частот, фильтр нюкних частот и второй измеритель доплеровской частоты, при этом оптические оси первого и второго оптических каналов расположены в одной плоскости с оптической осью устройства и пересекают ее в измеричельном объеме под одинаковыми углами, а выходы фотоприемников соединены соответственно с первым и вторым входами смесителя, выход смесителя соединен с входом фильтра нижних частот и входом фильтра верхних частот, выход фильтра нижних частот соединен с входом первого измерителя доглеровской частоты, а выход фильтра верхних частот соединен с входом второго измерителя доплеровской частоты.

2. Оптический доплеровский измеритель скорости потока жидкости или газа, содержащий последовательно установленные и оптически согласованные лазер, фокусирующий объектив, первый оптический канал, включающий приемный объектив, непрозрачный эк— ран с двумя отверстиями, днухлучевой интерферометр в виде зеркала и призмы-смесителя, фотоприемник и измеритель доплеровской частоты, о т л ич. а ю шийся тем, что, с целью измерения двух ортогональных проекций вектора скорос;-и, большая из которых направлена вдоль оси лазера, а также повышения помехоустойчивости, в него введен второй оптический канал, идентичный первому, смеситель, фильтр верхних частот, фильтр нижних частот и второй измеритель доплеровской частоты, при этом в обоих непрозрачных экранах выполнены третьи отверстия, а первые и вторые отверстия в экранах расположены напротив друг друга., оптические оси первого и второго оптических каналов расположены в одной плоскости с онтической осью устройства и пересекают ее в измерительном объеме под одинаковыми углами, а выходы фотоприемников соединены соответственно с первым и вторым входами смесителя, выход смесителя соединен с входом фильтра нижних частот и с входом фильтра верхних частот, выход фильтра нижних частот соединен с входом первого измерителя допле1278713 I ровской частоты, а выход фильтра . верхних частот соединен с входом второго измерителя доплеровской частоты.

4Рие. 2

1278713

Составитель 19, 8Ласов

Редактор А. Шандор Техред И.Попович <оРРектоР Е. Сирохман

Заказ 6826/40 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., p. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгорбд, ул. Проектная, 4