ОПТИКО-ВОЛОКОННЫЙ ТЕРМОАНЕМОМЕТР Российский патент 1996 года по МПК G01P5/10 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений переменных скоростей в потоках жидкостей в условиях гидроакустических и гидрофизических помех, в частности в океанах и морях.

Известен оптико-волокнистый термоанемометр (ОВТ), содержащий термочувствительный элемент (ТЧЭ) с виде фосфоросцентной таблетки, установленной на конце волоконного световода, радиационный нагреватель и источник возбуждающего света, оптически согласованные через волоконный световод с термочувствительным элементом и фотоприемником [1]
Недостатком известного аналога являются погрешности измерений скорости, вызванные влиянием температуры жидкой среды на яркость свечения термочувствительного элемента термоанемометра и влияние на результаты измерений различных амплитудных факторов: изменений интенсивности возбуждающего фосфоресценцию света, прозрачности волокна, чувствительности фотоприемника и т. п.

Наиболее близким по технической сущности является ОВТ, содержащий рабочее волокно в ТЧЭ, опорное волокно и оптически согласованные с ними радиационный нагреватель ТЧЭ, источник света и фотоприемник, а также усилитель, блок опорных напряжений, компаратор и регистратор, при этом выход фотоприемника через усилитель подключен к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с блоком опорных напряжений, а выход с управляемым входом радиационного нагревателя и регистратором [2]
Недостатком прототипа является его низкая чувствительность к пульсации скорости потока и влияние на результаты измерений гидроакустических факторов в виде гидроакустического шума и гидрофизических факторов в виде пульсаций скоростного напора, а также амплитудных факторов.

Причиной первого недостатка прототипа является то, что в известном ОВТ радиационный нагреватель в отличие от [1] совмещен с источником света, т. е. один и тот же источник нагревает ТЧЭ и освещает его для снятия информации о его прозрачности, связанной с температурой световода.

При этом ТЧЭ с одной стороны должен в достаточной степени поглощать свет, чтобы повысить свою температуру над окружающим фоном, а с другой стороны, напротив должен обладать достаточной прозрачностью, чтобы на фотоприемник проходил достаточно интенсивный световой сигнал для регистрации информации. Данное противоречие не позволяет повысить чувствительность известного ОВТ до требуемой величины.

Причиной второго недостатка прототипа является амплитудный характер регистрации информации об измеряемом параметре. По существу в прототипе регистрируется количество проходящего через рабочее волокно с ТЧЭ света, а оно зависит от интенсивности источника света, чувствительности фотоприемника и т. п. Кроме того, поскольку рабочее и опорное волокна разнесены в пространстве, на ОВТ будут влиять градиенты звукового давления и градиенты пульсаций скоростного напора, воздействующие неодинаково на различные волокна и их части.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, выражается в повышении чувствительности ОВТ и устранении влияния на результаты измерений гидроакустических и гидрофизических факторов.

Указанный технический результат получается за счет того, что в известном ОВТ, содержащем рабочее волокно с ТЧЭ, опорное волокно и оптически согласованные с ними радиационный нагреватель ТСЭ, источник света и фотоприемник, а также усилитель, блок опорных напряжений, компаратор и регистратор, при этом выход фотоприемника через усилитель подключен к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с блоком опорных напряжений, а выход с управляемым входом радиационного нагревателя и регистратором, рабочее и опорное волокна оптически соединены в интерферометр, а источник света выполнен автономным, когерентным и на другую длину волны по отношению к радиационному нагревателю, при этом перед фотоприемником установлен поглощающий фильтр на длину волны радиационного нагревателя.

В частном случае, рабочее и опорное волокна могут быть изготовлены из кварцевого световода, а ТЧЭ рабочего волокна из полимерного световода, при этом когерентный источник света выполнен на длину волны, лежащую в диапазоне 0,6-0,8 мм и 1-1,6 мкм, а радиационный излучатель на длину волны 0,9-0,95 мкм.

При этом в рабочем или опорном волокне может быть установлено фазосдвигающее устройство.

Рабочее и опорные волокна свертываются соответственно в виде рабочей и опорной катушек, расположенных друг за другом на цилиндрической диэлектрической подложке-державке, причем опорная катушка располагается ближе к носовой части подложки-державки, а рабочая полностью пространственно совмещена с ТЧЭ.

В другом варианте ОВТ рабочее и опорное волокна свернуты случайным образом в виде опорной катушки, причем ТЧЭ рабочего волокна установлен на наружном витке катушки и теплоизолирован от нее.

На фиг. 1 представлена принципиальная оптико-электронная схема ОВТ; на фиг. 2 монтажная схема датчика ОВТ; на фиг. 3 диаграмма, поясняющая принцип работы ОВТ.

Оптико-волоконный термоанемометр содержит рабочее волокно 1 с термочувствительным элементом 2, опорное волокно 3 и оптически согласованный с ними радиационный излучатель 4, выполненный, например в виде инфракрасного лазера или любого другого некогерентного источника излучения.

Имеется также когерентный источник света 5 и фотоприемник 6, выполненный, например, соответственно в виде лазерного диода и фотодиода, и оптически связанные через вводное 7 и выводное 8 оптические устройства и полупрозрачное зеркало 9 с рабочим и опорным волокнами. Оптико-электронные элементы 1-3, 5-8 образуют оптико-волоконный интерферометр, в одном из плеч которого, например в рабочем волокне 1, может быть установлено фазосдвигающее устройство 10, а перед фотоприемником 6 установлен поглощающий фильтр 11 на длину волны радиационного нагревателя 4.

Блоки электронной аппаратуры ОВТ содержат усилитель 12, блок 13 опорных напряжений, компаратор 14, регистратор 15 и блок 16 управления нагревателем 4 ТЧЭ 2.

Для обеспечения выполнения функций нагревателя ТЧЭ радиационный излучатель 4 должен быть выполнен на длину волны, при которй излучение радиационного нагревателя значительным образом поглощается с ТЧЭ, но при этом проходит практически без поглощения через рабочее (а значит и опорное) волокно.

С другой стороны, когерентное излучение источника света 5 должно практически без поглощения проходить как волокна 1, 3, так и ТЧЭ 2. Для этого рабочее и опорное волокна изготовляют из кварцевого световода, которые в диапазоне 0,6-1,6 мкм имеют потери всего 0,2 дБ/км, а ТЧЭ изготавливают из полимерного световода, имеющего в диапазоне 0,9-0,95 мкм потери до 1000 дБ/км. Поскольку источник света и радиационный нагреватель выполнены на различные длины волн, то диапазон 0,9-0,95 мкм исключается из частотного диапазона работы источника света.

Конструктивно ОВТ может быть выполнен по двум вариантам. Выполнение первого варианта представлено на фиг. 2.

Рабочее и опорное волокна согласно данного варианта выполнения свертываются в виде двух катушек, расположенных друг за другом на диэлектрической цилиндрической подложке-державке 17. При этом опорная катушка 3 расположена ближе к носовой части 18 подложки-державки 17, а рабочая катушка 1 полностью пространственно совмещена с ТЧЭ, т. е. например, полностью выполнена из полимерного световода. Фазосдвигающее устройство 10 можно выполнить в виде пьезошайбы, на которую намотана часть волокна и которая расположена внутри доложки-державки 17.

Данный вариант выполнения позволяет обеспечить наиболее высокую чувствительность ОВТ, при этом тепловой след ТЧЭ в потоке не будет влиять на опорное волокно.

Другой вариант ОВТ (на чертеже не показан) выполняется в виде одной катушки, в которую случайным образом свернуты и рабочее и опорное волокна, причем ТЧЭ рабочего волокна установлен на одном из наружных витков катушки и термоизолирован от нее.

Второй вариант выполнения позволяет исключить влияние на результаты измерений градиентов звукового давления и градиентов скоростного напора.

ОВТ работает следующим образом.

Подложку-державку 17 устанавливают носовой частью 18 к набегающему потоку со скоростью V (фиг. 2). Устанавливают на блоке 13 опорных напряжений сигнал, обеспечивающий заданную чувствительность термоанемометра, при которой блок 16 управления формирует соответствующее напряжение, достаточное для нагрева ТЧЭ 2 радиационным нагревателем 4. При этом рабочая точка на выходной кривой 19 интерференционного ОВТ должна занимать положение А, Б, В и т. д. (фиг. 3), т. е. точку наибольшей крутизны и линейности выходной кривой 19. Если по какой-то причине достичь затруднительно, то на фазосдвигающее устройство 10 подают сигнал (блок питания устройства 10 не показан), позволяющий сдвинуть рабочую точку на выходной кривой 19 в нужное положение.

Перегретый относительно окружающего потока ТЧЭ 2 будет охлаждаться набегающей жидкой средой, при этом температура последнего будет изменяться в соответствии со скоростью потока. Это приведет к фазовой модуляции несущей частоты когерентного источника 5 света, которая с помощью интерферометра преобразуется в амплитудную модуляцию.

Например, если входной сигнал имеет форму 20 (фиг. 3), но он преобразуется с помощью интерферометра в сигнал 21 фототока. Излучение от радиационного нагревателя 4 при этом задерживается оптическим фильтром 11, установленным перед фотоприемником 6.

Выходной сигнал 21 фотоприемника 6 после усиления усилителем 12 поступает на один из входов компаратора 14, в котором сравнивается с опорным напряжением, задаваемым блоком 13 опорных напряжений. Выходной сигнал компаратора является одновременно информативным сигналом ОВТ и управляющим сигналом для блока 16 управления нагревателем 4. Поэтому этот сигнал регистрируется регистратором 15 и подается на управляющий вход блока 16, который так изменяет интенсивность излучения нагревателя 4, чтобы температура ТЧЭ 2 установилась прежней и смещенная выходной кривой 19 рабочая точка (например, точка А) сместилась на прежнее место.

Таким образом, в заявленном устройстве реализуется термоанемометр постоянной температуры. Все дестабилизирующие гидрофизические факторы (средняя температура, гидростатическое давление, давление скоростного напора, соленость и т. п. ) не оказывают влияния на показания ОВТ, поскольку рабочее и опорное волокна интерферометра расположены в среде и испытывают одинаковое воздействие этих помех.

Помехи пульсационного харатера могут воздействовать на рабочее и опорное волокна в различное время. В связи с чем рабочую и опорную волоконные катушки следует располагать как можно ближе друг к другу (первый вариант ОВТ) или их свертывать случайным образом в одну катушку (второй вариант ОВТ).

В любом из вариантов достигается технический результат, выражаемый в повышении чувствительности термоанемометра.

Использование: в измерительной технике для измерений переменных скоростей в потоках жидкостей в условиях гидроакустических и гидрофизических помех, в частности, в океанах и морях. Сущность изобретения: из двух волокон (рабочего и опорного) формируют волоконный интерферометр с термочувствительным элементом (ТЧЭ) в рабочем плече интерферометра. ТЧЭ нагревают радиационным нагревателем на длину волны, отличную от длины волны когерентного источника света интерферометра. Излучение радиационного нагревателя поглощается ТЧЭ, повышая его температуру, и отфильтровывается специальным оптическим фильтром, установленным перед фотоприемником интерферометра. Поскольку рабочее и опорное волокна находятся в потоке, то оптико-волоконный термоанемометр не только обладает повышенной чувствительностью к пульсации скорости потока, но и не подвержен влияниям гидрофизических помех. Помехи пульсационного характера (включая гидроакустические) устраняются путем случайного свертывания рабочего и опорного волокон в одну катушку, ТКЭ в этом случае устанавливается на наружном витке катушки и теплоизолирован от нее. 4 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Оптико-волоконный термоанемометр, содержащий рабочее волокно с термочувствительным элементом, опорное волокно и оптически согласованные с ними радиационный нагреватель термочувствительного элемента, источник света и фотоприемник, а также усилитель, блок опорных напряжений, компаратор и регистратор, при этом выход фотоприемника через усилитель подключен к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с блоком опорных напряжений, а выход с управляемым входом радиационного нагревателя и регистратором, отличающийся тем, что рабочее и опорное волокна оптически соединены в интерферометр, а источник света выполнен автономным, когерентным и на другую длину волны по отношению к радиационному нагревателю, при этом перед фотоприемником установлен поглощающий фильтр на длину волны радиационного нагревателя. 2. Термоанемометр по п.1, отличающийся тем, что рабочее и опорное волокна изготовлены из кварцевого световода, а термочувствительный элемент рабочего волокна из полимерного световода, при этом когерентный источник света выполнен на длину волны в диапазонах 0,6 0,8; 1,0 1,6 мкм, а радиационный излучатель на длину волны в диапазоне 0,9 0,95 мкм. 3. Термоанемометр по п. 1, отличающийся тем, что в рабочем или опорном волокнах установлено фазосдвигающее устройство. 4. Термоанемометр по п.1, отличающийся тем, что рабочее и опорное волокна свернуты соответственно в виде рабочей и опорной катушек, расположенных одна за другой на цилиндрической диэлектрической подложке-державке, причем опорная катушка расположена ближе к носовой части подложки-державки, а рабочая полностью пространственно совмещена с термочувствительным элементом. 5. Термоанемометр по п.1, отличающийся тем, что рабочее и опорное волокна свернуты случайным образом в виде одной катушки, причем термочувствительный элемент рабочего волокна установлен на наружном витке катушки и теплоизолирован от нее.