Волоконно-оптический измеритель скорости и расхода оптически непрозрачных жидкостей

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости и расхода различных жидкостей, в том числе оптически непрозрачных, например, нефти, сточных и технических вод, водопроводной воды в трубах большого диаметра, в открытых каналах и морях в экстремальных условиях эксплуатации. Устройство содержит погружной измерительный зонд, в состав которого входит корпус, защитное окно, излучатель и фотоприемник, расположенные вне контролируемой жидкости, и волоконно-оптический преобразователь изображения, входные торцы световодов которого образуют измерительный растр, плоскость которого расположена под углом к оси потока, а выходные торцы оптически связаны с фотоприемником, выход которого связан со входом электронного блока, при этом излучатель оптически связан с выходными четными торцами световодов преобразователя, а фотоприемник оптически связан с нечетными выходными торцами световодов. Техническим результатом является возможность использования для любых типов жидкостей и упрощение конструкции. 2 ил.

 

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости и расхода различных жидкостей, в том числе оптически непрозрачных, например, нефти, сточных и технических вод, водопроводной воды в трубах большого диаметра, в открытых каналах и морях в экстремальных условиях эксплуатации.

Известен малогабаритный лазерный измеритель скорости жидкостей [1]. Однако он не обеспечивает измерение скорости непрозрачных и загрязненных жидкостей.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический точечный расходомер с пространственной частотной фильтрацией [2]. Он состоит из измерительного зонда, помещаемого в контролируемый гидроканал, и электронного блока. Зонд представляет собой цилиндрическую трубку диаметром 8 мм и длиной 280 мм, на конце которой имеется проточное отверстие диаметром 8 мм, в котором установлены два фильтра пространственных частот в виде волоконно-оптической решетки, состоящей из двух сдвинутых на половину шага решеток, каждая из которых образована из входных торцов семи градиентных волокон. Источником света служит мощный светодиод с градиентной оптикой, установленный на наружном конце зонда. При движении жидкости рассеянное излучение попадает на решетку и далее через выходные торцы волокна - на два фотодиода, соединенных с дифференциальным усилителем. Частота сигнала на выходе усилителя пропорциональна скорости потока.

В электронном блоке, представляющем собой контроллер с быстрым Фурье-преобразованием, осуществляется обработка этого сигнала и вычисление расхода с учетом диаметра гидроканала и градуировочной кривой.

Недостатками рассмотренного устройства являются невозможность измерения расхода оптически непрозрачных и загрязненных жидкостей, так как измерение происходит на «просвет», определенная сложность конструкции, необходимость индивидуальной градуировки, невозможность работы в жидкостях с температурой более 100°С.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание измерителя скорости и расхода, отличающегося возможностью надежной работы практически на любых жидкостях (или газах) при экстремальных условиях эксплуатации, простотой конструкции, а также не требующего индивидуальной градуировки.

Предлагаемое устройство содержит погружной измерительный зонд, в состав которого входит корпус, защитное окно, излучатель, фотоприемник и волоконно-оптический преобразователь изображения, входные торцы световодов которого образуют измерительный растр, а выходные - оптически связаны с фотоприемником, выход которого связан со входом электронного блока и отличается тем, что излучатель оптически связан с выходными четными торцами световодов преобразователя, а фотоприемник оптически связан с нечетными выходными торцами световодов, при этом излучатель и фотоприемник расположены вне контролируемой жидкости, а плоскость измерительного растра расположена под углом к оси потока.

Сущность устройства поясняется фиг.1 и фиг.2.

Устройство (фиг.1) состоит из измерительного зонда 1, устройства крепления 2 и электронного блока 3. Измерительный зонд (фиг.2) состоит из корпуса 4, защитного окна 5, волоконно-оптического преобразователя 6, входные торцы световодов которого склеены между собой и образуют измерительный растр 7, выходные нечетные торцы световодов 8 оптически через фокон 9 связаны с фотоприемником 10, а выходные четные торцы 8 оптически связаны с излучателем 11.

Устройство работает следующим образом. Световой поток излучателя 11 через четные световоды волоконно-оптического преобразователя 6 попадают в контролируемую среду и рассеиваются на микронеоднородностях потока. Рассеянное излучение через нечетные торцы световодов 8 и фокон 9 попадает на фотоприемник 10. При движении контролируемой жидкости частота сигнала на выходе фотоприемника 10 пропорциональна скорости потока и шагу измерительного растра 7.

Тогда

где V - скорость потока,

F - выходная частота фотоприемника,

d - диаметр световодов,

К - градуировочный коэффициент.

Выходной сигнал фотоприемника 10 обрабатывается в электронном блоке 3 с целью получения информации о скорости и расходе. Для уменьшения гидравлического сопротивления зонда и обеспечения максимальной стабильности градуировочного коэффициента в требуемом диапазоне скоростей плоскости измерительного растра и, соответственно, защитного окна расположены под углом к оси потока.

Предлагаемое устройство отличается возможностью применения для различных оптически прозрачных и непрозрачных, взрывоопасных и агрессивных жидкостях в тяжелых условиях эксплуатации, как в открытых каналах, так и в трубах большого диаметра.

Устройство прошло успешные испытания на различных объектах Мосводоканала.

Источники информации

1. Полезная модель №2001122487/20. Малогабаритный лазерный измеритель скорости.

2. Kalibrirung des faseroptisches Ortsfilter-Einpunkt-Durchflussgebers. Petrak D., Mahr P. "tm", 2000, 67, №11, 474-478 (нем.).

Устройство для измерения скорости и расхода оптически прозрачных и непрозрачных жидкостей, содержащее погружной измерительный зонд, в состав которого входит корпус, защитное окно, излучатель, фотоприемник и волоконно-оптический преобразователь изображения, входные торцы световодов которого образуют измерительный растр, а выходные - оптически связаны с фотоприемником, выход которого связан со входом электронного блока, отличающееся тем, что излучатель оптически связан с выходными четными торцами световодов преобразователя, а фотоприемник оптически связан с нечетными выходными торцами световодов; излучатель и фотоприемник расположены вне контролируемой жидкости; плоскость измерительного растра расположена под углом к оси потока.