Способ измерения скорости потоков

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Реслуолия (i ii957107 (6I ) Дополнительное к авт, свид-ву г (22) Заявлено 01.08.80 (21) 2970754/18-10 (51)M. Кл. с присоединением заявки J4.

6 01 Р,3/36

3Ьаудвретекнаый кемитет

СССР ао делам изабретеиий и открытий. (23) Приоритет

Опубликовано 07.09.82. Бюллетень № 33 (53 ) УД К 53 2.57 4 (088. 8, Дата опубликования описания07.09,82 (72) Лвторы изобретения

Ю. H. Дубнишев и В. А. Павпов л.

Институт автоматики и эпектрометрии Сибирского: отдепения

AH СССР

) (7I ) Заявитель (54) CI1OCOEi ИЗМЕРГНИЯ CKOPOCTI.I HOTOI

Изобретение относится к измеритепь-, ной технике и может найти применение в экспериментапьной гидродинамике.

Известен способ измерения скорости, закпючаюшийся в формировании в исспе5 дуемой области потока когерентного эондируюшего оптического поля с известной пространственно-частотной структурой, поспедуюшем фотоэпектрическом преобразовании в рассеянном свете и измерении частоты понученцого эпектрического сигнапа (1) .

Основным недостатком этого способа является пониженная точность измерений иэ-эа фазового шума, возникаюшего при напожении сигнапов от нескопьких частиц> одновременно находяшихся в зондируемом объеме.

Наибопее бпизким по технической суш-2р ности к изобретению явпяется способ, закпючаюшийся в формировании в исспедуемой области потока когерентного оптического эондируюшего попя с известной пинейной пространственно-частотной структурой, фотозиектрическом преобразовании рассеянного cBBYQ B э пектрический допп перовский с .гнал. Пространственно-раздепенные части оптического попа локацизованы так, чтобы они пересекапись некорреп1рованными потоками рассеиваюшпх частиц. При . том фазовый шум. вызванный на ножен нем сигна нов о1 неl, ко пьких частиц, при коррепировании выхо," ных эпектрических сигнапов подавпяется г,)1

Недостатком изв стногo способа является пониженная точность измерений изэа бопьшого объема, по которому усредняется резупьтат измерений. При этом ухудшается пространственное разрешение.

Вместо искомой автокоррепяиионной функции процесса опредепяетси коэффициент пространственной коррепяции. Реапизация способа требует опредепенной взаимной ориентации зондируюших попей в исспедуемой среде, что не всегда осуществимо на практике.

9571

Hera изобретения - повышение точности измерений.

Поставпенная цепь достигается тем, что в способе измерения скорости потоков, закшочающемся в формировании зондирующего когерентного оптического поля с известной пинейной пространственночастотной структурой, фотоэпектрическом преобразовании рассеянного света в эпектричеакий доппнеровский сигнап, по кото-. 10 рому судят о скорости потока, выделяют когерентную и некогерентную составпяющие допплеровского сигнапа и опредепяют взаимно коррепяционную функцию дпя этих составпяющих доппперовского сигнала.

На чертеже представцена схема устройства дпя осуществпения способа.

Устройство содержит поспедоватепьно распопоженные пазер 1, коплиматор 2, лучевой расшепитепь З,формирующий об| ектив 4, приемный объектив 5, апертурную диафрагму 6, поцупрозрачное зеркало 7, объектив 8 и фотоприемник 9. Задняя фурье-плоскость объектива 5 и перед- няя фурье-ппоскость объектива 8 пространственно совмещены, Фотоприемник 9 помещен в задней фурье-ппоскости объектива 8, которая оптически сопряжена с ппос костью, в которой поканиэовано зондирующее оптическое попе. На пути отраженного от попупрозрачного эеркапа 7 пучка последоватепьно размещены каллиматор

10 и фотоприемник 11. Выходы фотоприемников через фильтры 12 и 13 подкпючены к входам дифференциального усипи35 тепя 14, к выходу которого подсоединен демодулятор 15, другой частотный демодулятор 16 подключен к выходу фотоприемника 12. Коррепятор 17 подсоединен к выходам частотных демодуляторов 15

40 и 16.

Способ осуществпяется спедующим образом.

Лазер 1, колпиматор 2, пучевой расщепитепь 3 и объектив 4 формируют в исспедуемой обпасти потока когерентное, покапизованное в маном объеме, зондирующее оптическое попе, образованное су перпозицией двух пересекающихся интерферирующих световых пучков. Пространственно-частотная структура зондирующего светового поля Йойагается известной.

Она определяется размером интерференционной полосы s зондирующем попе и равна

SS

2з1п29

07 а где 2 9 — угон между интерферирующими световыми пучками.

Пусть К, и М« - вопновые векторы этих пучков. При пересечении светового пучка движущейся со скоростью Ч рассеивающей частицей в рассеянном пучке появпяется допппеповский сдвиг частоты, Ф ° равный 4) d =V(tt s- k t)), где k + — воиновой вектор рассеянного пучка, )r. — вопновой вектор ф -го падающего пучка.

Еспи в области пересечения двух падающих пучков одновременно находятся Ц частиц, результирующий световой пучок, рассеянный в направпении 2>, явпяется суперпозицией вопи, рассеянных каждой частицей

Е =3 . «» Д Е "з " ) 1(С-С„)

ПаЕ (2) гдето ttq — амплитуда попя, рассеянного от

g -го пучка rt -й частицей, 7п -скорость

П -й частоты, t II — момент вхождения

tr и частицы в обпасть покапиэации зондирующего светового попя.

Рассеянный свет ограничивается апертурной диафрагмой 6 и объективом 5, выпопняющим прямое фурье-преобразование оптического сигнапа, направпяется на попупрозрачное эеркапо 7. Отраженный гйз.— лупроэрачным зеркапом 7 свет через уменьшающий колпиматор 10 направпяется на фотоприемник ll, где формируется изображение фурье-образа зондирующего оптического попя. На выходе фотоприемника 11 с мапой апертурой попучается электрический сигнап, пропорциональный квадрату модупя светового поля.

Фипьтр 11 отфипьтровывает низкочастотный пьедестап. На выходе фильтра поПучается сигнап

Й

-ф М Ф

1 «= z 1„ An

М Я" е х. И,А,ы (у(к .k,)ts pr)3 («) дри1 а, Сигнал поспе фипьтра 12 содержит две компоненты, частота которых равна разностной доппперовской частоте

Яс) =Ч (К -K„) = ) (4) где W - размер интерференционной попосы, опредепяемой формупой (1). Одна компонента образована оптическим смеllreYIreM световых вопи, рассеянных на од-. ной (t) -й) частице. Другая, так называемая перекрестная ипи когерентная, 5 957 10 компонента, поручается иэ-ва оптического смешения .световых вопи, рассеянных на разпичных (3 -й и rr) -й) частицах., Рассеянный свет, прошедший через попупрозрачное зеркапо, объективом 8, вы- - полняюшим обратное фурье-преобразова- . ние, направпяется на фотоприемник 9.

В плоскости фотоприемника формируется в рассеянном свете иэображение зондирующего оптического поля. В этом спучае 30 световые вопны, формирующие иэображения рассеивающих частиц на светочувствительной поверхности фотоприемника 9, пространственно не перекрываются и оптически не смешиваются, т.е. в эпектри- 1$ ческом сигнапе на выходе фотоприемника

9 перекрестная компонента отсутствует.

На выходе фипьтра 12 попучается сигнап с отфильтрованным пьедесталом (9) Спедоватепьно, результирующая взаимно коррепяционйая функция совпадает с автокоррепяционной функцией измеряемой величины - скорости и не зависит .от фазовых шумов. При этом измерения осушествпяются с высоким пространствен- ным разрешением, так как отпадает необходимость формировать зондирующее оггтическое поле в виде двух пространственно разнесенных интерференционных попей.

Более высокая точность достигается тем,,что измеряется непосредственно автокорреляционная функция исспедуемого процесса, усредненная по мапому объему, тогда как в известном способе измеряется взаимно коррепяционная функция исспедуемого процесса в двух пространств венно-раэдепенных объемах. Эта функция прибпиженно совпадает с автокорреляционной топько дня процессов, пространствен ный масштаб турбупентности в которых

;значительно превышает расстояние между

1 зондирующими объемами.

igtp= L< 4n<4nzcos(v(,-к,)t tyÄ5 )s) Сигналы с выходов фурье-канала и канала изображения поступают на дифференциапьный усипитепь. И

Поспе частотной демодупяции (на выходе частотного демодулятора 15) поцучается сигнал вида

7 6 тируюшая коррекпяционная функция имеет вид к(") = †. ц(с. )ч((.) ),, (6) З0

0 -и(Й(й-k,)+ц 5 > где g = — (с6 — константа.

1 .о

Д ) Поспе частотной демодупяции (на выходе частотного демодулятора 16) получаем сигнап

U z -- о (Й(k - Ы, ) i (р 1 (7)

d где g = — Ц).

Сигнапы с выходов частотных демодуляторов поступают на коррепятор. Результирующая взаимная коррепяционная функция сигналов имеет вид

Ц"„) )Ut(t ai)U,(t)dt;- is м"(",5s(t )ч(ЦИ+Й м(tt,ф(йdt йЧ(titlu(tldt Jg (Ы)Ч(tldtj И) ()) опредепяется попарной разностью g0 фаэ сигнапов от разпичных частиц, а (фазой сигнала от единичной частицы. По.этому g u g являются статически независимыми спучайными вепичинами. Отсюда в выражении (8) дпя взаимной коррепяцнонной функции второй, третий и четвертый чпены обращаются в нуль. РеэупьФормула изобретения

Способ измерения скорости потоков, заключающийся в формировании эондирук щего когерентного оптического попя с известной пинейной пространственно-частотной структурой, фотоэпектрическом преобразовании рассеянного света в эпектрический доппперовский сигнал, по которому судят о скорости потока, о т и ич а ю шийся тем, что, с цепью повышения точности измерений, выделяют когерентную и некогерентную составпяюшие донпперовского сигнапа и опредепяют взаимно корреляционную функцию дпя этих составляющих доппперовского сигнапа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент ClllA N. 3548,665, кл. 73-194, 1970.

2. Дубнищев Ю. Н. и др. Шум напожения в ЛДИС и пути его снижения. Автометрия, 1976, М 3, с. 53-60 (прототип).