Волоконно-оптическое устройство для измерения характеристик потока

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для регистрации пространственных распределений скорости и концентрации частиц в потоках прозрачных сред. Одновременная регистрация непрерывного распределения скорости и концентрации частиц с высоким пространственным разрешением обеспечивается тем, что концевые элементы световодов располагаются параллельно друг другу, апертурный угол приемного световода выбирают как минимум вдвое больше апертурного угИзобретение относится к измерительной технике и предназначен для регистрацъш пространственных распределений скорости и концентрации частиц в потоках прозрачных сред. Цель изобретения расширение функциональных возможностей путем одновременного измерения с высоким пространственным разрешением распределения скорости и концентрации частиц в измерительном объеме устройства. ла формирующих световодов, вводятся блок обработки низкочастотной составляющей сигнала, блок измерения отношения длительности временных интервалов, блок счета количества высокочастотных импульсов, блок счета пачек высокочастотных импульсов и блок обработки информации, при этом к выходу фильтра низкой частоты подключен блок обработки низкочастотной составляющей сигнала, а к выходу фильтра высоких частот - блок обработки высокочастотной составляющей сигнала и блок счета количества высокочастотных импульсов, связанных с управляющими входами обоих блоков обработки, которые, в свою очередь , подсоединены к двум входам блока измерения отношения длительности временных интервалов. Кроме того, блок обработки высокочастотной составляющей сигнала подключен к входу блока счета пачек высокочастотных импульсов, выход которого , а также выходы блоков обработки низкочастотной составляющей сигнала и измерения отношения длительности временных интервалов соединены с блоком обработки информации. 2 ил. На фиг. 1 представлена принципиальная схема волоконно-оптического анемометра; на фиг.2 - распределение интенсивности зондирующего излучения на выходе формирующих световодов. Устройство содержит последовательно расположенные и оптически связанные лазер 1, расщепитель 2, два формирующих 3,4 и один приемный 5 световоды, концевые элементы которых размещены в непосредственной близости и параллельно друг другу , фотоприемник 6, который электрически сл с о сл Ч) 00 о ю

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 P 3/36

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4724713/10 (22) 28.07.89 (46) 30.06.91.Бюл.N 24 (71) Новосибирский государственный университет им,Ленинского комсомола (72) В.А.Орлов, Б.Г.Покусаев и С.В.Ревякин (53) 531.767(088.8) (56) Евсеев А.Р„Орлов В,А.,Дифференциальный доплеровский измеритель скорости с волоконными световодами. — Автометрия, 1986, М 6, с.62-68. (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК

ПОТОКА (57) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для регистрации пространственных распределений скорости и концентрации частиц в потоках прозрачных сред. Одновременная регистрация непрерывного распределения скорости и концентрации частиц с высоким пространственным разрешением обеспечивается тем, что концевые элементы световодов располагаются параллельно друг другу, апертурный угол приемного световода выбирают как минимум вдвое больше апертурного yrИзобретение относится к измерительной технике и предназначенО для регистрацйи пространственных распределений скорости и концентрации частиц в потоках прозрачных сред.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей путем одновременного измерения с высоким пространственным разрешением распределения скорости и концентрации частиц в измерительном объеме устройства.

„„Я „„1659862 А1 ла формирующих световодов, вводятся блок обработки низкочастотной составляющей сигнала, блок измерения отношения длительности временных интервалов, блок счета количества высокочастотных импульсов, блок счета пачек высокочастотных импульсов и блок обработки информации, при этом к выходу фильтра низкои частоты подключен блок обработки низкочастотной составляющей сигнала, а к выходу фильтра высоких частот — блок обработки высокочастотной составляющей сигнала и блок счета количества высокочастотных импульсов, связанных с управляющими входами обоих блоков обработки, которые, в свою очередь, подсоединены к двум входам блока измерения отношения длительности временных интервалов. Кроме того, блок обра- 3 ботки высокочастотной составляющей сигнала подключен к входу блока счета пачек высокочастотных импульсов, выход которого, а также выходы блоков обработки низкочастотной составляющей сигнала и измерения отношения длительности временных интервалов соединены с блоком обработки информации. 2 ил. о

- (Л

На фиг.1 представлена принципиальная . 01 схема волоконно-оп-.ического анемометра;; Я на фиг.2 — распределение интенсивности : зондирующего излучения на еиходе формирующих световодов.

Устройство содержит последовательно, расположенные и оптически связанные лазер 1, расщепитель 2, два формирующих 3,4 и один приемный 5 световоды, концевые элементы которых размещены в непосредственной близости и параллельно друг другу, фотоприемник 6, который электрически

1659862 связан с фильтрами 7 8 низких и высоких частот, соответственно. Выход фильтра 7 подключен к входу блока 9 обработки низкочастотной составляющей сигнала, а выход фильтра 8 к входу блока счета 10 высокочастотных импульсов и входу блока

11 обработки высокочастотной составляющей сигнала. Выход блока 10 связан с управляющими входами блоков 9 и 11, выходы которых соединены с двумя входами блока

12 измерения отношения длительности временных интервалов, Блок 11 также связан с блоком 13 счета пачек высокочастотных импульсов. Выходы блоков 9,12,13 соединены с блоком обработки информации 14.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 разделяется с помощью рэсщепителя 2 и направляется по двум формирующим световодам 3,.4 в зону измерения (фиг,2а). В области пересечения полей зондирующего излучения на выходе световодов 3, 4 формируется измерительная область с угловой расходимостью интерференционных полос, причем пространственный период интерференционного поля Л в каждом сечении, находящемся на расстоянии Z от плоскости торцов световода, определяется выраженигде А — длина волны лазерного излучения;

2> — расстояние между оптическими осями формирующих световодов.

Для выделения в потоке измерительного объема, образуемого пересечением двух пучков на выходе формирующих световодов (фиг.2а), апертурный угол приемного световода должен быть, как минимум, вдвое больше апертурного угла формирующих

"световодов.

Для осуществления операций измерения распределения скорости и концентрации частиц концевые элементы формирующих и приемного световодов устанавливают таким образом, чтобы направление движения потока было перпендикулярно иэображениям интерференционных полос. В данной измерительной ситуации одновременно регистрируется величина составляющей вектора скорости частицы, перпендикулярная по отношению к направлению зондирования Ч1, средняя локальная концентрация частиц rlz пролетающих через систему интерференционных полос нэ расстоянии z от плоскости торцов световодов.

Осциллограмма сигнала на выходе фотоприемника 6, полученная при пролете частицы через измерительный объем, содержит две резко отличающиеся составляющие: низкочастотную, так называемую

"пьедестал" и доплеровскую, включающую

5 N высокочастотных осцилляций(фиг.2б). Величина равна количеству интерференционных полос, пересекаемых частицей при своем движении в потоке, и рассчитывается с помощью зависимости

10 za-2а za-2a 2а

Х ХГ

2аа 4а (2)

Длительности пьедестала Т> и высокочастотной составляющей сигнала Тв определяются зависимостями

Т za+2a (3)

Ч1

20 (4)

Период осцилляции высокочастотной составляющей сигнала определяется c учетом (1) следующим образом ч v (5)

Лг

Из фиг,2 видно, что длительность временных интервалов Тп остается неизменной величиной при пролете частицами измерительной области в разных ее плоскостях с одинаковой скоростью V>

Тц — Tg

Тп =

1 Г za+2a za — 2а 2а

2 Ч1 v 3 vt

Из зависимости (6) получают выражение

Vt = 2а!Тп . (7)

Измерение скорости частиц в устройстве выполняет блок обработки низкочастотной составляющей сигнала.

Определяя величину координаты z, подставляют значение V> иэ (7) и (5):

Лк

Т вЂ” — — /т, 45 z = г„ д л T (8)

Численное значение координаты Z определяется с помощью блока 12 измерения отношения длительности временных интер50 валов, Величина средней локальной концентрации частиц п, пролетающих через определенное сечение измерительного обьема на расстоянии z от плоскости торцов световодов, является параметром, получаемым в результате статистической обработки информации о количестве пачек высокочастотных импульсов, регистрируемых s единицу времени, и в конечном итоге, измеряется с помощью блока 13.

1659862

Известно, что среднее расстояние между частицами C(z) связано с величинами т(к) и V(z} следующей зависимостью:

С (z) = г (z) V(z) где r(z) — временная пауза между доплеровскими пугами;

V(z) — средняя скорость частиц в плоскостях z, Средняя концентрация частиц n(z) в сечении z измерительной области определяется следующим образом:

n(z) = 1/C(z) = 1/ (r(z) V(z) ) . (10)

Блок счета количества высокочастотных импульсов обеспечивает регистрацию величины осцилляций N и управляет работой блоков 9 и 11. В случае, когда величина N не соответствует расчетному значению (2) количества импульсов в пуге, блок 10 через управляющие входы передает сигнал, прерывающий цикл функционирования обоих блоков обработки.

Физическая интерпретация данной измерительной ситуации состоит в следующем. Иэ процесса регистрации параметров потока исключаются те измерительные фрагменты, которые заведомо приведут к ложному срабатыванию блоков обработки . сигнала. В нашем случае ошибка при регистрации возникает в тот момент, когда к фотоприемнику поступает излучение, рассеянное на частицах, пролетающих в стороне от плоскости, проходящей через оптические оси формирующих световодов.

Под непрерывностью регистрируемых распределений скорости и концентрации частью подразумевается в конечном итоге способность устройства обеспечивать измерения характеристик потока при случайном по времени и произвольном в пространстве прохождении частиц через измерительный объем.

Формула изобретения

Волоконно-оптическое устройство для измерения характеристик потока, содержащее последовательно расположенные лазер, оптический расщепитель, два формирующих и один приемный световоды с расположенными вплотную выходными концами, фотоприемник, фильтры низких и высоких частот, входы которых соединены с фото5 приемником, блок обработки высокочастотной составляющей сигнала и блок обработки информации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем одновременного изме10 рения с. высоким пространственным разрешением распределения скорости и концентрации частиц в измерительном объеме, в устройство дополнительно введен блок обработки низкочастотной составляю15 щей сигнала, блок измерения отношения длительности временных интервалов, блок счета пачек высокочастотных импульсов и блок счета количества высокочастотных импульсов, при этом выход фильтра низких

20 частот связан с входом блока обработки низкочастотной составляющей сигнала, выход фильтра высоких частот связан с входом блока обработки высокочастотной составляющей сигнала и с входом блока счета коли25 чества высокочастотных импульсов, выход которого связан с управляющими входами блоков обработки высокочастотной и низкочастотной составляющих сигнала, выходы которых подключены к входам блока изме30 рения отношений длительности временных интервалов, кроме того, выход блока обра.ботки высокочастотной составляющей сигнала соединен с входом блока счета пачек высокочастотных импульсов, выход кото35 рого объединен с выходами блока обработки низкочастотной составляющей сигнала, блока измерения отношения длительности временных интервалов и соединен с блоком обработки информации, при этом концевые

40 элементы световодов расположены параллельно друг другу, а апертурные углы приемного и формирующих световодов удовлетворяют соотношению а ба1 2, 45 где а1 — апертурный угол формирующих световодов, а2 — апертурный угол приемного световода.

1659862 г

Фиг. Р

Составитель Е, Гуменник

Техред M,Ìoðãåíòàë Корректор И. Муска

Редактор М, Товтин

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1840 Тираж 356 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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