СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА Российский патент 2003 года по МПК G01P5/26 G01J3/00 G01B9/02 

Изобретения относятся к области измерений физических величин.

Известен способ измерения скорости потока воды, осуществленный Физо в 1851 г. , включающий регистрацию изменения интерференционной картины двух световых волн, распространяющихся в противоположных направлениях и проходящих через упомянутый поток воды [Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976, с.444 и 445].

Данный способ обладает низкой точностью измерения, что является его недостатком.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является способ измерения скорости потока жидкости или газа, основанный на регистрации разностной частоты двух когерентных световых волн, распространяющихся в противоположных направлениях и проходящих через упомянутый поток жидкости или газа [Ринкевичюс Б.С. Лазерная анемометрия. М. : Энергия, 1978, с.116-118 (прототип)]. Данный способ также основан на эффекте увлечения средой (эффекте Физо).

К недостаткам данного способа следует отнести невозможность измерения малых скоростей потоков жидкости или газа, так как нижний предел измеряемых скоростей определяется взаимной синхронизацией частот кольцевого лазера, используемого в качестве источника светового излучения.

Задачей изобретения является измерение малых скоростей потоков жидкости или газа.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе измерения скорости потока жидкости или газа, основанном на регистрации разностной частоты двух когерентных световых волн, распространяющихся в противоположных направлениях и проходящих через упомянутый поток жидкости или газа, на упомянутый поток воздействуют стоячей световой волной, а регистрацию разностной частоты двух когерентных световых волн осуществляют путем измерения частоты пространственной и временной модуляции системы интерференционных полос упомянутой стоячей световой волны посредством тонкого частично пропускающего слоя, рассеивающего или поглощающего энергию электрического поля стоячей световой волны, толщиной не более λ/2, который располагают между источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом θ, определяемым из соотношения sinθ=λ/2d, где θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, при этом упомянутый поток жидкости или газа располагают между упомянутыми тонким частично пропускающим слоем и отражающим зеркалом, а регистрацию упомянутой системы интерференционных полос стоячей световой волны с периодом d осуществляют в виде сигнала пространственной и временной частоты путем проецирования изображения упомянутой системы на периодическую систему, содержащую фотоэлементы, полученные с упомянутых фотоэлементов электрические сигналы регистрируют в виде их зависимости от местоположения этих фотоэлементов в упомянутой периодической системе и анализируют,
Известно устройство для измерения скорости потока воды, содержащее оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, проточную кювету для воды [Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976, с.444 и 445].

Даннное устройство обладает низкой точностью измерения, что является его недостатком.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является устройство для измерения скорости потока жидкости или газа, содержащее оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, проточную кювету для жидкости или газа и фотоприемник [Ринкевичюс Б. С. Лазерная анемометрия. М.: Энергия, 1978, с. 116-118 (прототип)].

К недостаткам данного устройства следует отнести невозможность измерения малых скоростей потоков жидкости или газа, так как нижний предел измеряемых скоростей определяется взаимной синхронизацией частот кольцевого лазера, используемого в качестве источника светового излучения.

Задачей изобретения является измерение малых скоростей потоков жидкости или газа.

Поставленная задача решается за счет того, что устройство для измерения скорости потока жидкости или газа, содержащее оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, проточную кювету для жидкости или газа и фотоприемник, дополнительно содержит спектроанализатор и тонкий частично пропускающий слой, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, толщиной не более λ/2, который расположен между источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом θ, определяемым из соотношения sinθ=λ/2d, где θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, упомянутое отражающее зеркало выполнено частично пропускающим световое излучение, фотоприемник выполнен в виде периодической системы, содержащей фотоэлементы, и расположен позади упомянутого отражающего зеркала, при этом проточная кювета для жидкости или газа расположена между упомянутыми тонким частично пропускающим слоем и отражающим зеркалом.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема устройства для измерения скорости потока жидкости или газа.

Устройство для измерения скорости потока жидкости или газа содержит оптически сопряженные источник 1 светового излучения, отражающее зеркало 2, проточную кювету 3 для жидкости или газа и фотоприемник 4, спектроанализатор 5 и тонкий частично пропускающий слой 6, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, толщиной не более λ/2, который расположен между источником 1 светового излучения и отражающим зеркалом 2 под углом θ, определяемым из соотношения sinθ=λ/2d, где θ - угол между тонким частично пропускающим слоем 6 и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос 7, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое 6 при воздействии стоячей световой волны, отражающее зеркало 2 выполнено частично пропускающим световое излучение, фотоприемник 4 выполнен в виде периодической системы 8, содержащей фотоэлементы 9, и расположен позади отражающего зеркала 2, при этом проточная кювета 3 для жидкости или газа расположена между тонким частично пропускающим слоем 6 и отражающим зеркалом 2.

Тонкий частично пропускающий слой 6 нанесен на одну из граней проточной кюветы 3. Отражающее зеркало 2 выполнено на противоположной грани проточной кюветы 3 в виде отражающего покрытия с коэффициентом отражения 0,50-0,99 и коэффициентом пропускания 0,01-0,50. На периодическую систему 8, содержащую фотоэлементы 9, спроецировано изображение системы интерференционных полос 7. Периодическая система 8, содержащая фотоэлементы 9, выполнена в виде линейки или матрицы приборов с зарядовой связью. Источник 1 светового излучения выполнен в виде лазера (не кольцевого).

Заявленный способ измерения скорости потока жидкости или газа осуществляется следующим образом.

Световой поток от источника 1 светового излучения поступает на отражающее зеркало 2, отражается от него и в виде стоячей световой волны поступает на тонкий частично пропускающий слой 6. За счет того, что тонкий частично пропускающий слой 6 рассеивает или поглощает энергию электрического поля стоячей световой волны и расположен наклонно, в нем образуется система интерференционных полос 7 с периодом следования d. При этом период следования d задан из соотношения sinϕ=λ/2dn, где ϕ - угол между плоскостью тонкого частично пропускающего слоя 6 и плоскостью отражающего зеркала 2, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос 7, n - показатель преломления жидкости или газа, заполняющего проточную кювету 3.

Так как на поток жидкости или газа в проточной кювете 3 воздействуют стоячей световой волной, то, за счет эффекта увлечения средой, на тонком частично пропускающем слое 6 наблюдается бегущая интерференционная картина и регистрацию разностной частоты двух когерентных световых волн осуществляют с помощью периодической системы 8, содержащей фотоэлементы 9, на которых проецируют изображение системы интерференционных полос 7 через частично пропускающее световое излучение отражающее зеркало 2 и измеряют частоту временной модуляции системы интерференционных полос 7. При этом достигается измерение малых скоростей потока жидкости или газа.

Предлагаемый способ измерения скорости потока жидкости или газа позволяет измерять скорость потока жидкости или газа при регистрации разностной частоты менее 0,1 Гц и может найти применение для измерения скоростей потоков чистых жидкостей или газов.

Изобретения относятся к области измерений физических величин. Отличительной особенностью предлагаемого способа измерения скорости потока жидкости или газа, основанного на регистрации разностной частоты двух когерентных световых волн, распространяющихся в противоположных направлениях и проходящих через упомянутый поток жидкости или газа, является то, что этот поток жидкости или газа заполняет проточную кювету, на противоположные грани которой нанесены тонкий частично пропускающий слой толщиной не более λ/2 и отражающее зеркало, и угол ϕ между плоскостью тонкого частично пропускающего слоя и плоскостью отражающего зеркала определяют из соотношения sinϕ=λ/2dn, где λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, n - показатель преломления жидкости или газа, заполняющего проточную кювету, а регистрацию разностной частоты двух когерентных световых волн осуществляют с помощью периодической системы, содержащей фотоэлементы. Технический результат - возможность измерять скорость потока жидкости или газа при регистрации разностной частоты менее 0,1 Гц, что может найти применение для измерения малых скоростей потоков чистых жидкостей или газов. 1 ил.

Способ измерения скорости потока жидкости или газа, основанный на регистрации разностной частоты двух когерентных световых волн, распространяющихся в противоположных направлениях и проходящих через упомянутый поток жидкости или газа, отличающийся тем, что этот поток жидкости или газа заполняет проточную кювету, на противоположные грани которой нанесены тонкий частично пропускающий слой, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, толщиной не более λ/2 и отражающее покрытие зеркало, и угол ϕ между плоскостью тонкого частично пропускающего слоя и плоскостью отражающего зеркала определяется из соотношения sinϕ= λ/2dn, где λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, n - показатель преломления жидкости или газа, заполняющего проточную кювету, а регистрацию разностной частоты двух когерентных световых волн осуществляют с помощью Периодической системы, содержащей фотоэлементы, на которые проецируют изображение интерференционных полос, и измеряют частоту временной модуляции системы интерференционных полос.