СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ В ПОТОКЕ Российский патент 1995 года по МПК G01P3/36 G01B11/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в экспериментальной гидро- и аэродинамике, океанологии, экологии, промышленных технологиях, связанных с необходимостью бесконтактного контроля скорости и размеров частиц в потоках газовых и конденсированных сред.

Известен способ измерения скорости, заключающийся в формировании в потоке зондирующего оптического поля с известной пространственной структурой, формировании изображения зондирующего поля в рассеянном свете, фотоэлектрическом преобразовании оптического сигнала, измерении частоты электрического сигнала и умножении измеряемой частоты на постоянную периодической структуры зондирующего оптического поля. Этот способ реализован в многочисленных вариантах лазерных доплеровских анемометров [1].

Недостатком способа и устройства, реализованных на его основе, является отсутствие функции измерения размеров рассеивающих частиц.

Известен способ измерения линейных размеров, основанный на анализе пространственной структуры оптического сигнала, полученного при дифракции светового пучка на исследуемом объекте. Способ реализован в различных вариантах дифракционных измерителей линейных размеров, содержащих осветитель, оптический фурье-анализатор с механическим, электронным или пространственным селектором выходного сигнала [2].

Недостатком этих устройств является отсутствие функции измерения скорости рассеивающих частиц.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ измерения линейных размеров, описанный в [3].

Способ заключается в формировании в исследуемой области потока зондирующего поля с известной пространственно-временной структурой, формировании оптического сигнала, содержащего изображение рассеивающей частицы, выполнении фотоэлектрического преобразования оптического сигнала и определении скорости и размера частиц по амплитудно-временной структуре электрического сигнала.

Основным недостатком этого способа является ограниченность динамического диапазона измерения размеров из-за снижения точности определения размера частиц, параметрически связанного с размером зондирующего поля. Как известно, при измерениях в случайных средах размер зондирующего поля является статистической величиной.

Целью изобретения является повышение точности и расширение динамического диапазона измерений размеров частиц.

Цель достигается тем, что в известном способе измерения скорости и размеров частиц, заключающемся в формировании в исследуемой области потока зондирующего поля с известной пространственно-временной структурой, формировании оптического сигнала, содержащего изображение рассеивающей частицы, выполнении фотоэлектрического преобразования оптического сигнала и определении скорости и размера частиц по амплитудно-временной структуре электрического сигнала, оптический сигнал пространственно разделяют на два, в одном из которых выполняют обращение изображения частицы, рекомбинируют прямой и обращенный оптические сигналы, пространственно разделяют рекомбинированный оптический сигнал на два, в одном из которых обращенный и прямой оптические сигналы находятся в фазе, а в другом - в противофазе, после фотоэлектрического преобразования синфазных и противофазных оптических сигналов вычитают фотоэлектрические сигналы, соответствующие синфазному и противофазному оптическим сигналам, измеряют длительность радиоимпульсов и скорость частицы, а размер частицы определяют путем умножения длительности радиоимпульсов на половину измеренного значения скорости.

На фиг.1 представлено устройство, реализующее способ; фиг.2-4 поясняют сущность изобретения.

Устройство содержит лазер 1 и последовательно расположенные по ходу лучей формирователь 2 зондирующего оптического поля с известной периодической пространственно-временной структурой, приемное оптическое устройство 3, двухканальный преобразователь 4 оптического сигнала, содержащий расщепитель 5 рассеянного пучка (например, призма Рошона), размещенную в одном из каналов оптическую систему, оборачивающую изображение 6 (например, призму Аббе), зеркало 7, рекомбинационный оптический элемент 8, выполненный, например, в виде призмы Рошона, балансный фотоприемник 9, содержащий поляризационный лучевой расщепитель 10 (например, призма Волластона) и фотоприемники 11 и 12, подключенные к дифференциальному усилителю 13. К выходу дифференциального усилителя подсоединен электронный блок 14 обработки сигнала, содержащий измеритель 15 скорости, измеритель 16 длительности интервалов радиоимпульсов и перемножитель 17 значений скорости движения частицы и длительности радиоимпульсов.

Устройство работает следующим образом.

Луч лазера 1 после прохождения формирователя 2 трансформируется в зондирующем поле с известной периодической пространственно-временной структурой, локализованное в исследуемой области потока. Зондирующее поле пересекается движущимися рассеивающими частицами. Приемной оптической системой выделяется свет, рассеянный частицами, и направляется в двухканальный преобразователь 4 оптического сигнала. Расщепителем 5 рассеянный свет пространственно разделяется на два ортогонально поляризованных пучка. Один из расщепленных пучков после прохождения оптической системы 6, оборачивающей изображение (например, призма Аббе), направляется на рекомбинационный элемент 8, на который зеркалом 7 направляется второй расщепленный пучок. Рекомбинационный элемент (призма Рошона) пространственно совмещает ортогонально поляризованные прямой и обращенный световые пучки и направляет их на балансный фотоприемник 9, в котором призма Волластона развернута относительно плоскостей поляризации прямого и обращенного световых пучков на 45^о.

Прямой пучок является суперпозицией компонент, рассеянных частицей, соответственно от первого и второго падающих пучков, формирующих зондирующее оптическое поле в потоке.

Изображения частицы, формируемые прямым и обращенным пучками, движутся по направлению Х противоположно друг другу. Частоты ω₁иω₂ компонент обращенного и прямого пучков являются линейными функциями от соответствующих доплеровских сдвигов в рассеянном свете, пропорциональных измеряемой скорости.

Оси ζ, η призмы 10 Волластона развернуты относительно плоскостей поляризации прямого и обращенного входных пучков на угол 45^о, как это показано на фиг.2. Выходящие из призмы ортогонально поляризованные и пространственно разделенные пучки определяются проекциями входных полей соответственно на оси ζи η.

Расщепленные световые пучки направляются на соответствующие фотоприемники 12 и 13, выполняющие квадратичное по полю преобразование оптического сигнала.

Доплеровская компонента образуется вследствие модуляции изображения частицы в рассеянном свете при движении ее через зондирующее периодическое оптическое поле. Эта компонента не зависит от взаимного положения прямого и обращенного изображений частицы на светочувствительной поверхности фотоприемника.

Перекрестная доплеровская компонента является результатом интерференции прямого и обращенного изображений частицы на светочувствительной поверхности фотоприемника. Она существует только во временном интервале, соответствующем перекрытию этих изображений.

Перекрестный пьедестал τ_n образуется в результате интерференции компонент, рассеянных частицей от одноименных падающих пучков при перекрытии прямого и обращенного изображений частицы на светочувствительной поверхности, и существует только во время такого перекрытия.

На фиг.2 видно, что на выходе второго фотоприемника сигнал образуется в результате фотоэлектрического преобразования второго пучка, компоненты которого определяются проекциями векторов поля на ось η.

Пьедесталы и доплеровские компоненты фотоэлектрических сигналов на выходах первого и второго фотоприемников синфазны, тогда как перекрестные пьедесталы и перекрестные доплеровские компоненты, несущие информацию о размере частицы, - противофазны.

Выбором параметров оптической схемы и фотоприемников фотоэлектрические сигналы на входе дифференциального усилителя балансного фотоприемника можно привести к одинаковым уровням.

Фиг. 3 иллюстрирует процесс формирования фотоэлектрических сигналов в балансном фотоприемнике и появления выходного разностного сигнала, где а) иллюстрирует встречное движение прямого и обращенного изображений частицы на фоточувствительной поверхности фотоприемника; б) фотоэлектрический сигнал в одном из каналов балансного фотоприемника, соответствующий преобразованию проекций векторов поля на ось ζ призмы Волластона; в) фотоэлектрический сигнал в другом канале балансного фотоприемника, соответствующий преобразованию составляющих векторов поля на оси η. Синфазные компоненты фотоэлектрических сигналов взаимно подавляются в процессе вычитания.

Как видно из фиг.3г, результирующий разностный сигнал отличен от нуля на интервале, соответствующем времени перекрытия движущихся в противоположных направлениях прямого и обращенного изображений частицы на светочувствительной поверхности фотоприемника. Следовательно, длительность радиоимпульса, соответствующая времени перекрытия, пропорциональна удвоенному размеру рассеивающей частицы. Частота заполнения ω₁₂радиоимпульса является, как известно, заданной линейной функцией разностного доплеровского частотного сдвига
ω₁₂= Ω+ω_D, где Ω - заданная несущая частота; ω_D=2V/Λ - разностный доплеровский частотный сдвиг; Λ - известный пространственный период зондирующего поля; V - скорость движения частицы.

Разностный сигнал поступает на электронный блок 14 обработки, где измерителем 15 определяется длительность радиоимпульсов, а измерителем 16 по разностному доплеровскому сдвигу частоты находится значение скорости движения рассеивающей частицы. Перемножитель 17 выполняет перемножение длительности радиоимпульса на половину измеренного значения скорости. Это произведение равно размеру рассеивающей частицы по оси Х.

Фиг.4а-г иллюстрирует ситуацию, когда размер частицы b превышает размер зондирующего поля δ, b> δ. В этом случае выделяются импульсы, соответствующие перекрытию передних и задних границ прямого и обращенного изображений, и измеряется временной интервал между этими импульсами.

По сравнению с известным способом предлагаемое техническое решение позволяет с высокой точностью, наряду с измерением скорости, контролировать линейные размеры частиц в жидкостных, газовых и многофазных потоках в реальном времени, а также расширяет динамический диапазон измерений. Эти достоинства предлагаемого технического решения являются крайне важными для создания эффективных систем экологического контроля, а также для применения в научных исследованиях и в промышленных технологиях, связанных с необходимостью диагностики распределения частиц по размерам (например, в технологии микроэлектроники или для экологического контроля дымовых выбросов на электростанциях и т.п.).

Использование: в экспериментальной гидро- и аэродинамике, экологии, океанологии, промышленных технологиях, связанных с необходимостью бесконтактного контроля газовых и конденсированных сред. Сущность изобретения: способ предусматривает формирование в исследуемой области потока зондирующего поля с известной пространственно-временной структурой и формирование оптического сигнала, содержащего изображение рассеивающей частицы. Оптический сигнал пространственно разделяют на два, в одном из которых выполняют обращение изображения частицы и рекомбинируют прямой и обращенный оптические сигналы. Рекомбинированный оптический сигнал пространственно разделяют на два, в одном из которых обращенный и прямой оптические сигналы находятся в фазе, а в другом - в противофазе. Затем выполняют фотоэлектрическое преобразование синфазных и противофазных оптических сигналов, вычитают фотоэлектрические сигналы, соответствующие синфазному и противофазному оптическим сигналам, измеряют длительность радиоимпульсов в результрующем дифференциальном электрическом сигнале и скорость частицы. Размер последней определяют путем умножения длительности радиоимпульсов на половину измеренного значения скорости, что позволяет с высокой точностью, наряду с измерением скорости, контролировать линейные размеры частиц в потоке с расширением динамического диапазона измерений. 4 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ В ПОТОКЕ, заключающийся в формировании в исследуемой области потока зондирующего поля с известной пространственно-временной структурой, формировании оптического сигнала, содержащего изображение рассеивающей частицы, фотоэлектрическом преобразовании оптического сигнала и определении скорости и размера частиц по амплитудно-временной структуре электрического сигнала, отличающийся тем, что оптический сигнал пространственно разделяют на два, в одном из которых выполняют обращение изображения частицы, рекомбинируют прямой и обращенный оптические сигналы, пространственно разделяют рекомбинированный оптический сигнал на два, в одном из которых обращенный и прямой оптические сигналы находятся в фазе, а в другом - в противофазе, после фотоэлектрического преобразования оптических сигналов вычитают электрические сигналы, соответствующие синфазному и противофазному оптическим сигналам, измеряют длительность радиоимпульсов и скорость частицы, а размер частицы определяют путем умножения длительности радиоимпульсов на половину значения скорости.