Способ измерения скорости потока и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к оптическим измерителям скорости потоков жидкости либо газа (воздуха), и может применяться, например, для измерения скорости и направления ветра, а также скорости потоков в трубопроводах как обычных веществ, так и сверхчистых, поскольку для измерения скорости не требуется наличие рассеивающих частиц в потоке. Отличительной чертой способа и устройства является то, что регистрируется пространственное отклонение прошедшего измеряемую среду пучка лазерного излучения на флуктуациях показателя преломления среды. Для этого детектируются противоположные краевые части пучка, причем только частью светочувствительных площадок двух или более фотодетекторов. Выходные сигналы детекторов усиливаются в противофазе и вычисляется кросскорреляционная функция этих сигналов, по которой находят измеряемую скорость. Для увеличения точности измерений флуктуации увеличиваются путем нагрева (в том числе периодического) измеряемой среды вблизи измеряемого объема. При периодическом нагреве сигналы детекторов усиливаются селективно на частоте нагрева. Обеспечивается упрощение устройства и расширение области его применения. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к оптическим измерителям скорости потоков жидкости либо газа (воздуха), и может применяться, например, для измерения скорости и направления ветра, а также скорости потоков в трубопроводах как обычных веществ, так и сверхчистых, поскольку для измерения скорости не требуется наличие рассеивающих частиц в потоке.

Известно несколько типов оптических измерителей скорости потоков, основанных на облучении измеряемого объема излучением, как правило, видимого диапазона длин волн и регистрации рассеянного на неоднородностях среды (как правило, частицах, движущихся вместе с потоком) излучения. При этом регистрируется либо частотный сдвиг рассеянного излучения (Доплеровские измерители), либо время пролета рассеивателя между двумя наблюдаемыми точками вдоль потока (временные корреляционные измерители) либо анализируется положение рассеивателей в наблюдаемом объеме среды через известный промежуток времени (пространственные корреляционные измерители) [1].

Известны способы и устройства для измерения скорости потока, по которым в среде формируются два параллельных пучка излучения, расположенных вдоль потока, и два фотодиода (ФД), регистрирующих интенсивность соответствующего пучка после прохождения среды. Выходное напряжение второго ФД, регистрирующее флуктуации интенсивности пучка ниже по потоку, повторяет напряжение первого ФД с задержкой по времени распространения рассеивателя между пучками излучения и вычисляется по кросскорреляционной функции напряжений обоих ФД [2]. Для увеличения амплитуды рассеяния на частицах пучки фокусируются в измеряемом объеме. Вместо измерения ослабления прямого пучка можно также измерять интенсивность обратного рассеяния на частицах [3].

Известны также способы и устройства, по которым применяются оптические устройства, формирующие изображение рассеивающей области, и два фотодиода, регистрирующих интенсивность рассеяния в двух различных его областях вдоль потока. Выходное напряжение второго ФД, расположенного ниже по потоку, повторяет выходное напряжение первого ФД через время распространения изображения рассеивателя между фотодиодами. Это время вычисляется по кросскорреляционной функции обоих напряжений, и определяется скорость потока в соответствии с масштабом изображения рассеивающей области [4, 5]. Для увеличения точности измерения может применяться линейка фотодиодов [6]. При этом регистрируется положение выделенных изображений частиц в различные моменты времени.

Наиболее близкими к заявляемому являются способ и устройство для измерения скорости потоков [4] (прототип), включающее, в частности, пропускание пучка излучения через измеряемую среду и оптическую систему для создания действительного изображения некоторой области среды и два фотодетектора, регистрирующие флуктуации интенсивности в двух различных точках изображения вдоль потока. Вычисляется кросскорреляционная функция выходных сигналов фотодетекторов, и скорость среды определяется по времени задержки этих сигналов Общим недостатком перечисленных оптических схем, в том числе и прототипа, является то, что детектируется изменение амплитуды прошедшего либо рассеянного излучения, что требует наличия рассеивателей, например, частиц в измеряемом потоке. Недостатком устройства является сложность оптической схемы, поскольку необходимы формирователь изображения рассеивающей области в плоскости регистрации, а также в случае использования двух пучков расщепитель пучка излучения.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что регистрируются не амплитудные, а пространственные флуктуации прошедшего среду пучка излучения. Это возможно, поскольку пучок в среде не только рассеивается, но и преломляется на флуктуациях Δn коэффициента преломления n, возникающих за счет локальных градиентов скорости (турбулентность потока), давления либо температуры. Для регистрации этих пространственных флуктуаций предлагается регистрировать противоположные краевые части пучка излучения, причем только частью светочувствительной области фотодетекторов. Тогда пространственное отклонение пучка приведет к изменению количества регистрируемого излучения, т.е. к изменению выходного напряжения фотодетекторов. Формировать изображение измеряемой области среды при этом не требуется. Флуктуации n, распространяющиеся вместе с потоком, отклоняют противоположные края пучка с задержкой по времени (определяемой диаметром пучка и скоростью потока), которая находится из кросскорреляционной функции сигналов фотодетекторов.

Для увеличения точности измерений (т.е. для повышения отношения сигнал/шум), например, при измерении медленных ламинарных потоков флуктуации n создаются искусственно путем локального нагрева среды выше по потоку.

Для дальнейшего увеличения точности измерений среду нагревают периодически и регистрируют сигналы фотодетекторов на частоте нагрева.

Сущность устройства по предлагаемому способу состоит в том, что два фотодетектора расположены симметрично относительно оси пучка излучения, прошедшего измеряемую среду, так, что ближние края их светочувствительных площадок расположены на расстоянии, меньшем диаметра пучка, а дальние - на расстоянии, большем диаметра пучка. Тогда при отклонении пучка в плоскости расположения фотодетекторов количество излучения, попадающее на один из фотодетекторов, увеличится, а попадающее на другой - уменьшится (через некоторое время Δt распространения флуктуации показателя преломления Δn от одного края пучка до другого). Для получения синфазных сигналов фотодетекторов выходное напряжение одного из них подается на неинвертирующий, а другого - на инвертирующий усилитель. Тогда выходные сигналы усилителей подобны друг другу с задержкой Δt, которая находится коррелометром и по которой блок обработки и индикации определяет скорость потока.

Для двумерного измерения скорости используется вторая пара фотодетекторов, установленная аналогично первой в перпендикулярной к ним плоскости. При этом на блок обработки и индикации приходят два измеренных времени задержки Δt, по которым определяется вектор скорости.

При одномерном измерении скорости, когда направление потока известно (например, измерения в трубе), для повышения точности измерений имеется нагреватель, установленный выше по потоку. При двумерном измерении (скорость ветра) нагреватель выполнен в виде спирали с одним или более витками, охватывающими ось пучка излучения.

Изобретение поясняется тремя фигурами. На фиг. 1 схематически представлено расположение элементов устройства относительно измеряемого потока (одномерный случай), где 1 - источник излучения (лазер), 2 - фотодетекторы, 3 - средство для постоянного либо периодического нагревания среды (нагреватель), 4 - пучок излучения. Стрелками показано направление измеряемого потока. На фиг. 2 приведены взаимное расположение пучка излучения 4 (показано его пятно) и фотодетекторов 2, а также блок-схема электронной части устройства для одно- и двумерного измерителя, где 5 - усилители сигнала фотодетекторов, 6 - измерители кросскорреляционной функции сигнала фотодетекторов (коррелометры), 7 - блок вычисления и индикации скорости. На фиг. 3 приведен пример расположения нагревателя относительно пучка излучения при двумерном измерении скорости.

Реализация способа поясняется на примере работы устройства, схематически изображенного на фиг. 1, которое состоит из источника излучения (например, полупроводникового лазера) 1, фотодетекторов 2 и нагревателя 3. На фиг. 2 приведены пример размещения фотодетекторов 2 относительно пучка излучения 4 в случае одно- и двумерного измерения скорости потока, а также блок-схема электронной части устройства, т. е. пары инвертирующих и неинвертирующих усилителей 5, входы которых связаны с противоположно расположенными фотодетекторами 2, а выходы - с двумя входами соответствующих коррелометров 6, выходы которых связаны с двумя входами блока вычисления и индикации скорости 7.

Устройство работает следующим образом. Излучение лазера 1, прошедшее среду, частично регистрируется двумя фотодетекторами 2 (одномерное измерение, например, в трубах), расположенными вдоль потока, при этом размер их фоточувствительных площадок и диаметр пучка, в соответствии со способом, таковы, что при отклонении пучка, например, в горизонтальной плоскости фиг. 2 изменяется площадь светочувствительной области соответствующих фотодетекторов, на которую попадает пучок 4, причем, если на одном из этих фотодетекторов площадь увеличилась, на другом она уменьшается (через время Δt). Выходные сигналы фотодетекторов усиливаются двумя соответствующими усилителями 5, причем один из них инвертируется, и вычисляется кросскорреляционная функция этих сигналов коррелометром 6, для нахождения времени задержки Δt, по которой затем в блоке 7 вычисляется искомая скорость потока V = d/Δt, где d - диаметр пучка излучения. При двумерном измерении скорости используется еще одна пара фотодетекторов 2, расположенная в перпендикулярной плоскости относительно первой пары. Выходы соответствующих усилителей 5 второй пары подаются на второй коррелометр 6. Найденные времена задержки Δt₁ и Δt₂ поступают на два входа блока 7, где вычисляются составляющие скорости потока V₁(Δt₁) и V₂(Δt₂). Для увеличения точности измерений в одномерном случае среды вблизи измеряемого объема нагреватель расположен, по крайней мере, со стороны набегающего потока, а в двумерном случае среду вблизи измеряемого объема нагревают со всех сторон, например, спиральным нагревателем 3, охватывающим измеряемый объем (пучок 4), как это изображено на фиг. 3. При периодическом нагреве усилители 5 выполнены узкополосными, с максимумом усиления на частоте нагрева, что еще более повышает отношение сигнал/шум на выходе усилителей.

Пример реализации способа и устройства: в качестве источника излучения использовался полупроводниковый лазер как наиболее подходящий, поскольку пространственное распределение его пучка близко к прямоугольному, с резким краем. Диаметр пучка составлял 2 мм. В качестве фотодетекторов использовался квадрантный фотодиод с четырьмя светочувствительными площадками 1х1 мм и расстояниями между ними 0,25 мм. В качестве нагревателя использовалась спираль из вольфрамовой проволоки (0,4 мм толщиной, 2-4 оборота). Диаметр спирали и ее шаг составляли около 1 см. Таким образом, нагреватель практически не вносил искажений в измеряемую скорость. Измерялись скорости воздушного потока в диапазоне 0,05-20 м/с. Нагреватель использовался при скоростях менее 2 м/с, при этом для существенного повышения уровня выходных сигналов фотодетекторов достаточно мощности нагревателя около 1 Вт. При скоростях потока менее 0,4 м/с использовались периодический нагрев с частотой 20-50 Гц и узкополосная регистрация сигнала фотодетекторов на соответствующей частоте. Кросскорреляционные функции и скорость потока вычислялись стандартным образом с помощью компьютера. Показано, что точность измерений, особенно малых скоростей потоков, повышается по сравнению с прототипом за счет увеличения отношения сигнал/шум. При этом устройство упрощается и расширяется область его применения за счет возможности измерять скорости потоков чистых сред.

Литература 1. Патент США N 5249238, 1993 г.

2. Патент США N 4201467, 1980 г.

3. Патент США N 4989969, 1991 г.

4. Патент США N 3558898, 1977 г.

5. Патент США N 4543834, 1985 г.

6. Патент США N 5517298, 1996 г.

Формула изобретения

1. Способ измерения скорости потока, включающий пропускание через измеряемый объем среды пучка лазерного излучения, детектирование прошедшего излучения двумя или более фотодетекторами и измерение кросскорреляционной функции выходного напряжения фотодетекторов, отличающийся тем, что детектируются противоположные краевые части пучка излучения, причем только частью светочувствительной площадки фотодетекторов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что среду вблизи измеряемого объема по крайней мере со стороны набегающего потока нагревают.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что среду нагревают периодически и излучение детектируют на частоте нагрева.

4. Устройство для измерения скорости потока, включающее источник излучения (лазер), расположенный по одну сторону измеряемого объема среды, два фотодетектора, расположенные по другую сторону измеряемого объема, отличающееся тем, что фотодетекторы расположены симметрично относительно оси пучка лазерного излучения так, что ближние края их светочувствительных площадок находятся на расстоянии, меньшем диаметра пучка, а дальние - на расстоянии, большем диаметра пучка излучения, выход одного из фотодетекторов связан с входом неинвертирующего усилителя, а другого - с входом инвертирующего усилителя, выходы усилителей связаны с двумя входами блока вычисления кросскорреляционной функции (коррелометра), выход которого связан со входом блока вычисления и индикации скорости.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что имеется вторая пара фотодетекторов, установленная относительно пучка аналогично первой паре в плоскости, перпендикулярной к плоскости, в которой расположена первая пара, и вторая пара усилителей, связанных с этими фотодетекторами аналогично первой паре, а также второй коррелометр, два входа которого связаны с выходами второй пары усилителей, а блок вычисления и индикации скорости имеет два входа, с которыми связаны выходы обоих коррелометров.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что имеется средство для постоянного либо периодического нагрева среды (нагреватель), расположенное вблизи пучка излучения со стороны набегающего потока.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что имеется нагреватель, охватывающий пучок излучения, выполненный в виде одного или более витка спирали.

8. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что усилители фотодетекторов выполнены узкополосными, с максимумом усиления на частоте нагрева среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3