ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СКОРОСТНОГО НАПОРА ПОТОКА ЖИДКОСТИ Российский патент 1996 года по МПК G01P5/14 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости и скоростного напора потока морской среды в натурном водоеме.

Известно устройство для измерения скоростного напора потока жидкости, выполненное, например, в виде трубки Пито-Прандтля, содержащее плохообтекаемое тело, обладающее в потоке градиентом давления вдоль своей поверхности, и приемники для отбора давления, установленные друг за другом заподлицо к поверхности [1]
Недостатком известного устройства является его низкое быстродействие и невозможность измерения скоростного напора потока среды с движущегося источника. (В последнем случае известное устройство будет показывать суммарный скоростной напор как от движения среды, так и от движения источника).

Известен волоконно-оптический датчик [2] который можно использовать, в частности, в качестве датчика скоростного напора жидкости. Датчик содержит две волоконные катушки, оптически связанные в интерферометр, источник когерентного света и фотоприемник, подключенный к усилителю, и регистратор.

Данное устройство принято за прототип.

Недостатком прототипа является его низкая помехоустойчивость к воздействию влияющих гидрофизических факторов, в частности, температуры и гидростатического давления, а также к воздействию гидроакустических шумов. Вторым недостатком прототипа является невозможность его использования для измерения скоростного напора потока с движущегося объекта и узкий динамический диапазон измерений.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является уменьшение влияния гидрофизических и гидроакустических мешающих факторов, возможность использования изобретения с движущегося объекта и расширение динамического диапазона измерений.

Данный технический результат достигается тем, что известный волоконно-оптичекий датчик (ВОД) скоростного напора жидкости, содержащий две волоконные катушки, оптически связанные в интерферометр, источник когерентного света и фотоприемник, подключенный к усилителю, и регистратор, дополнительно содержит два фазосдвигающих устройства, установленных по одному в каждой волоконной катушке, и два блока управления, подключенных к фазосдвигающим устройствам, а также управляемый источник опорных напряжений, компаратор и фильтр низких частот, при этом выход усилителя через фильтр низких частот подключен к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с управляемым источником опорных напряжений, а выход с регистратором и управляемым входом блока управления одного из фазосдвигающих устройств, причем волоконные катушки установлены друг за другом заподлицо к поверхности подложки, обладающей в потоке градиентом давления вдоль своей поверхности.

Волоконные катушки могут быть установлены соосно подложке преимущественно цилиндрической формы с обтекаемой носовой частью, причем одна из катушек закреплена на носовой, а другая на цилиндрической частях подложки.

В частном случае, обтекаемая носовая часть подложки может быть выполнена полушаровой формы, причем одна из катушек установлена под углом 60-80^о к оси подложки, а другая на расстоянии (3-8)d от ее носовой части, где d диаметр подложки.

Подложка также выполняется в виде диска, причем одна из катушек устанавливается на торцевой, а другая на боковой или противоположной торцевой поверхностях диска.

Подложка может быть выполнена полностью цилиндрической, а катушки установлены вдоль боковых образующих подложки под пространственным углом 60-80^о.

Подложка выполняется в виде патрубка переменного сечения, а катушки расположены внутри патрубка в различных его сечениях.

Подложка может быть снабжена флюгаркой и установлена на цилиндрическом шарнире на державке.

Носовая часть подложки выполняется также в виде многогранника, причем дополнительно введены (n-1) пар аналогичных волоконных катушек, где n количество граней многогранника, (n-1) источников когерентного света и фотоприемников, (n-1) усилителей фильтров низких частот первых фазосдвигающих устройств и регистраторов, при этом первые катушки каждой пары установлены на гранях многогранника, а вторые на цилиндрической подложке, дополнительные катушки попарно связаны в интерферометры, выходы каждого фотоприемника подключены через свой фильтр низких частот к соответствующему регистратору.

ВОД также дополнительно содержит (n-1) компараторов, источников опорных напряжений и вторых фазосдвигающих устройств с блоками управления, при этом выходы каждого фотоприемника подключены через свой фильтр низких частот к соответствующему регистратору через соответствующий компаратор, второй вход которого соединен с соответствующим источником опорных напряжений, а выход с управляемым входом блока управления фазосдвигающего устройста.

На фиг. 1 представлена оптико-электронная схема устройства; на фиг. 2-6 различные варианты выполнения датчиков; на фиг. 7 диаграмма, поясняющая работу ВОД.

Волоконно-оптический датчик скоростного напора потока жидкости содержит две волоконные катушки 1, 2, оптически связанные в интерферометр, источник 3 когерентного света, например лазерный диод, и фотоприемник 4, например фотодиод, согласованные через вводные 5 и выводные 6 оптические устройства, например микрообъективы, с интерферометром.

Волоконные катушки 1, 2, формирующие плечи интерферометра, имеют фазо- сдвигающие устройства 7, 8, выполненные например, в виде пьезоэлектрических шайб с намотанными на них частями волоконных катушек 1, 2. Фазосдвигающие устройства 7, 8 подключены соответственно к блокам 9, 10 управления, выполненным, например, в виде источников напряжения.

Имеются также последовательно соединенные усилитель 11, фильтр 12 низких частот, компаратор 13 и регистратор 14. К второму входу компаратора подключен источник 15 опорных напряжений, управляемый от измерителя 16 средней скорости, например корабельного лага, не входящего в состав ВОД. Источник 15 опорных напряжений может управляться и вручную по показаниям измерителя 16, т. е. связь блоков 15, 16 необязательна для работы ВОД.

Управляемый вход блока 9 управления соединен с выходом компаратора 13.

Волоконные катушки 1, 2 установлены друг за другом заподлицо к поверхности подложки, обладающей в потоке градиентом давления вдоль своей поверхности. Подложка может быть выполнена самой различной формы (фиг. 2-6) и снабжается державкой.

На фиг. 2 волоконные катушки 1, 2 установлены соосно подложке 17 цилиндрической формы с носовой частью, выполненной в виде полусферы, причем одна из катушек 2 установлена под углом 60-80^о к оси подложки, а другая на расстоянии (3-8)d от ее носовой части. Подложка 17 может быть снабжена флюгаркой 18 и цилиндрическим шарниром 19 и установлена на державке 20. Выбор пространственного угла и расстояния обусловлен характером распределения давления на поверхности подложки для получения максимального перепада давления в местах расположения катушек 1, 2.

На фиг. 3 представлен вариант выполнения подложки ВОП в виде патрубка переменного сечения, при этом катушки 1, 2 расположены в различных сечениях проточного патрубка 21.

На фиг. 4 подложка 22 выполнена в виде диска, а волоконные катушки 1, 2 нанесены на торцовую и боковую поверхности диска (слева) или на противоположные торцовые поверхности диска 22.

На фиг. 5 подложка 23 выполнена в виде цилиндра, располагаемого перпендикулярно к потоку. Катушки 1, 2 расположен под пространственным углом 60-80^о друг к другу исходя из получения максимального перепада давления на поверхности цилиндра при обтекании его потоком жидкости.

Фиг. 6 иллюстрирует случай выполнения подложки 24 ВОД с носовой частью в виде многогранника 25 (в данном случае с тремя гранями). На каждой грани нанесены первые катушки интерферометров (в данном случае катушки 2,26), а на самой подложке 24 нанесены вторые катушки интерферометров (на фиг. 6 катушки 1, 27).

Вариант выполнения ВОД с флюгаркой (фиг. 2) целесообразно использовать в потоках с изменяющимся во времени направлением. Проточный вариант ВОД (фиг. 3) в наименьшей степени искажает поток и наиболее защищен от случайных механических повреждений катушек.

Дисковый вариант (фиг. 4) датчика позволяет сделать наиболее миниатюрный датчик скоростного напора и позволяет работать в реверсивных потоках.

Вариант ВОД, представленный на фиг. 5, обладает наибольшей чувствительностью к скоростному напору, а датчик на фиг. 6 позволяет измерять различные компоненты скоростного напора потока по отношению к заданному направлению.

Волоконно-оптический датчик скоростного напора потока жидкости работает следующим образом.

С помощью фазосдвигающего устройства 8 и его блока 10 управления устанавливают рабочую точку А (фиг. 7) на выходной кривой 28 интерферометра в положение, соответствующее первоначальной разности фаз, равной π/2. Данную операцию проделывают в отсутствии исследуемого потока в рабочей среде.

Затем располагают ВОД в исследуемом потоке жидкости (направление потока на чертеже указано стрелкой). Поскольку волоконные катушки 1, 2 установлены на различных частях подложки, обладающей градиентом давления вдоль своей поверхности, на выходе интерферометра появится дополнительная разность фаз, временной ход которой будет отображать временные изменения сигнала (29) на входе интерферометра. С помощью фотоприемника 4 наводимая потоком разность фаз интерферирующих лучей будет преобразовываться в пульсации фототока 30.

Одновременно на вход интерферометра будут поступать гидроакустические помехи в виде градиента звукового давления акустических волн от различных источников. Однако помехи данного вида носят в основном высокочастотный характер и будут отфильтровываться фильтром 12 низких частот. После фильтра низких частот сигнал поступает на первый вход компаратора 13, выходной сигнал которого управляет таким образом блоком 9 управления фазосдвигающим устройством 7, что рабочая точка А всегда возвращается в свое первоначальное положение. Это позволяет расширить рабочий диапазон интерферометра по сравнению с прототипом. (Источник опорных напряжений 15 в данном случае даст на второй вход компаратора 13 нулевой сигнал).

Если ВОД расположен на движущемся объекте, то последний, перемещаясь в жидкой среде, сам наводит на датчик скоростной напор ρ v²/2, где ρ плотность среды; v скорость объекта в направлении вектора чувствительности ВОД. Для исключения влияния скорости движения v объекта на результаты измерений на второй вход компаратора подают сигнал от источника 15 опорных напряжений, пропорциональный скорости v движения объекта. Поэтому на выходе компаратора 13 снова будет сигнал, отображающий только скоростной напор потока исследуемой среды. Данный сигнал регистрируется регистратором 14.

Для измерений компонент скоростного напора потока с неподвижного объекта подложку 24 (фиг. 6) ориентируют так, чтобы наибольшая компонента измерялась интерферометром со схемой обратной связи, а наибольшие по величине компоненты измерялись обычными интерферометрами. (На практике обычно одна компонента скорости на один-два порядка превышает другие).

При измерении компонент скоростного напора с неподвижного источника сначала компенсируют влияние на показания каждого ВОД скорости движения объекта указанным путем, а затем регистрируют компоненты скоростного напора потока.

Гидрофизические помехи: температура, гидростатическое давление не будут оказывать влияния на результаты измерений, поскольку обе волоконные катушки находятся в одной и той же исследуемой среде.

Таким образом, предлагаемый ВОД, обладая широким динамическим диапазоном измерений скоростного напора, подвержен влиянию гидроакустических и гидрофизических факторов и, кроме того, позволяет вести измерения непосредственно с движущегося объекта.

Использование: в измерительной технике для измерения скорости и скоростного напора потока морской среды в натурном водоеме. Сущность изобретения: волоконные катушки волоконного интерферометра располагают на поверхности подложки, обладающей в потоке градиентом давления вдоль своей поверхности. На выходе интерферометра получают сигнал, пропорциональный скоростному напору потока, независимо от влияния гидрофизических помех: температуры, гидростатического давления и т. п. Помехи гидроакустического характера отфильтровываются фильтром низких частот, установленным на выходе фотоприемника. Для расширения динамического диапазона в схему датчика введена цепь обратной связи, управляющая фазосдвигающим устройством, включенным в одно из плеч волоконного интерферометра, в другое плечо которого включено второе фазосдвигающее устройство для первоначального установления рабочей точки в отсутствии потока. Для проведения измерений скоростного напора потока с движущегося объекта в схему обратной связи введен компаратор с источником опорных напряжений, который устанавливает сигнал, пропорциональный скорости движения объекта, что позволяет исключить влияние скорости объекта на результаты измерений скоростного напора потока среды. 9 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Волоконно-оптический датчик скоростного напора потока жидкости, содержащий две волоконные катушки, оптически связанные в интерферометр, источник когерентного света, фотоприемник, подключенный к усилителю, и регистратор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит два фазосдвигающих устройства, установленных по одному в каждой волоконной катушке и два блока управления подключенных к фазосдвигающим устройствам, а также управляемый источник опорных напряжений, компаратор и фильтр низких частот, при этом выход усилителя через фильтр низких частот подключен к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с управляемым источником опорных напряжений, а выход с регистратором и управляемым входом блока управления одного из фазосдвигающих устройств, причем волоконные катушки установлены одна за другой заподлицо к поверхности подложки, обладающей в потоке градиентом давления вдоль своей поверхности. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что волоконные катушки установлены соосно с подложкой преимущественно цилиндрической формы с обтекаемой носовой частью, причем одна из катушек закреплена на носовой, а другая на цилиндрической частях подложки. 3. Датчик по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что обтекаемая носовая часть подложки выполнена полушаровой формы, причем одна из катушек установлена под углом 60 80^o к оси подложки, а другая на расстоянии (3 8)d от ее носовой части, где d диаметр подложки. 4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена в виде диска, причем одна из катушек установлена на торцевой, а другая на боковой частях диска. 5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена в виде диска, причем катушки установлены на различных торцевых поверхностях диска. 6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена цилиндрической формы, причем катушки установлены вдоль боковых образующих подложки под пространственным углом 60 80^o. 7. Датчик по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена в виде патрубка переменного сечения, а катушки расположены внутри патрубка в различных его сечениях. 8. Датчик по пп. 1 7, отличающийся тем, что подложка снабжена флюгаркой и установлена на цилиндрическом шарнире на державке. 9. Датчик по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что носовая часть подложки выполнена в виде многогранника, причем дополнительно внесены n 1 пар аналогичных волоконных катушек, где n количество граней многогранника, n 1 источников когерентного света, фотоприемников, n 1 усилителей, фильтров низких частот, первых фазосдвигающих устройств с блоками управления и регистраторов, при этом первые катушки каждой пары установлены на гранях многогранника, а вторые на цилиндрической подложке, дополнительные катушки попарно связаны в интерферометры, выходы каждого фотоприемника подключены через свой фильтр низких частот к соответствующему регистратору. 10. Датчик по пп. 1 и 9, отличающийся тем, что дополнительно содержит n
1 компараторов, источников опорных напряжений и вторых фазосдвигающих устройств с блоками управления, при этом выходы каждого фотоприемника подключены через свой фильтр низких частот к соответствующему регистратору через соответствующий компаратор, второй вход которого соединен с соответствующим источником опорных напряжений, а выход с управляемым входом блока управления фазосдвигающего устройства.