Оптический доплеровский измеритель напряжений Рейнольдса в потоке жидкости или газа Советский патент 1984 года по МПК G01P5/26 

Изобретение относится к измерител ной технике и предназначено для измерения коэффициента одноточечной корреляции между ортогональньши проекциями вектора скорости турбулентно го потока, т.е. относительной величины напряжений Рейнольдса. Известен оптический доплеровский измеритель напряжений Рейнольдса, представляющий собой двухкомпонентный лазерный доплеровский анемометр оптическая схема которого содержит лазер, расщепитель пучка, зондирующую линзу, фокусирующую в потоке три пучка, лежащие попарно в ортогональных плоскостях, приемную оптическую систему в виде двух объективов и фотоприемников. Двухканальный радиоизмерительный тракт содержит в, каждом канале полосовые фильтры, систему частотной демодуляции доплеровского сигнала следящего типа и коррелятор 13. Однако данная схема характеризует ся неоднозначностью в определении направления проекций измеряемых скоростей, а следовательно, и знака коэффициента их корреляции. Недостатком ее является и наличие в спект ре сигнала, поступаемого с каадого из двух каналов измерителя, паразитного спектра, расположенного на частотах, соответствующих доплеровс, кому сдвигу, вследствие малых различий углов сведения ортогональных пар пучков, располагающихся в частот ном интервале близком к доплеровским частотам. Такой эффект приводит к неопределенности в работе следящих систем, срывам слежения, что в конеч Ирм счете снижает точность измерения Известна схема оптического доплеровского измерителя турбулентных нап ряжений Рейнольдса, представляющая собой двухцветный лазерный доплеровс кий анемометр, содержащий аргоновый лазер, блок формирования зондирующих лучей с акустооптическим модулятором, фотоприемный блок, систему обр ботки доплеровского сигнала, а также второй акустооптический модулятор. Таким образом, два акустооптические модулятора позволяют разделить сигналы дйух каналов по частоте. Кроме того, имеется фокусирующая в исследуемый поток три луча линза. Рассеянньй свет принимается одним объективом, пространственно де 76 лится с помощью интерференционных фильтров и направляется на фото.чувствительные поверхности двух фотоприемников. Сигнал, снимаемый с нагрузки каждого из двух фотоприемников, поступает в радиоизмерительный тракт, состоящий из полосовых фильтров, усилителя, системы частотной демодуляции и коррелятора 2 . Недостатком известного измерителя является неполное пространственное совпадение двух пробных объемов оптических каналов измерителя. Цель изобретения - повышение локальности измерения рейнольдсовых напряжений.. Поставленная цель достигается тем, что в известный оптический измеритель .напряжений Рейнольдса в . потоке жидкости или газа, содержащий л-азер, блок формирования зондирукядих лучей .с акустооптическим модулятором, фотоприемный блок и систему обработки доплеровского сигнала, введен квадратор, вход которого соединен с выходом фотоприемного блока, а выход - с системой обработки доплеровского сигнала, а в блок формирования зондирующих., лучей введены оптически согласованные с акустооптическим модулятором фокусирующая линза, установленная перед потоком, и зеркальная фокусирующая система, установленная за потоком на пути одного из зондирующих лучей. На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - оптическая схема формирования двух канапов измерения ортогональных проекций вектора скорости, на фнг. 3-5 - спектральные диаграммы, поясняющие преобразование сигналов в радиоизмерительном тракте. Устройство содержит лазер 1, блок зондирующей оптики, включающий акустооптический модулятор 2, линзу 3 и зеркально-фокусирующее устройство 4 (например, линзу и плоское зеркало), фотоприемйый блок, включающий фотоприемник 5, радиоизмерительный тракт, включающий фильтр 6, квадратор 7, вход которого соединен с выходом фотоприемника через фильтр, систему 8 обработки доплеровских сигналов, подключенную к выходу квадратора 9 (исследуемый поток). Устройство работает следующим образом. Луч 1 лазера расщепляется на два зондирующихпучка при помощи модулятора 2, пучки линзой 3 фокусируются на исследуемый поток 9, один из зондирующих пучков отражается в направ лении 180 и фокусируется с помощью зеркально-фокусирующего устройства 4. Как показано на фиг. 2, вектор чувствительности К является рдзностью волновых векторов К и К исходных зондирующих пучков. Волновой вектор отраженного пучка К„ да ет в сочетании с волновым вектором iT ортогональный ректору К вектор чувствительности К . Пучки и q пересекающиеся под углом 180 , дают паразитный сигнал на низких частотах (К Кя), который легко тровывается в радиоизмерительном тракте. Выбором луча, на пути которого устанавливается зеркально-отражающее устройство, достигается частотное разделение спектров двух доплеровских сигналов относительно частоты модуляции (фиг. 3). Таким образом, пробные объек1Ы измерения пространственно совмещены, так как все три зондирукмцих пучка лежат в одной плоскости. Рассеянный из проб ного объема свет собирается фотоприемником 5. Доплеровский сигнал, снижаемый с нагрузки фотоприемника, фильтруется фильтром 6 высоких час76тот и поступает на вход квадратора 7. На выходе квадратора вьщеляются спектральные компоненты, соответствующие частотам первичных сигналов f frt + % V и f f - V, a также компоненты, соответствующие их сумме и разности - f K,jV , f.. 2f«+ + (%V - KgV). Ha фиг. 3-5 изображены спектральные диаграммы сигнала на выходе фотоприемника (фиг. 3), на выходе фильтра (фиг. А) и на выходе квадратора (фиг. 5). Указанные спектральные компоненты могут быть подвергнуты различной радиоэлектронной обработке в блоке 8., Устройство имеет более простую конструкциюПО сравнению с прототипом и не включает в себя дорогостоящих элементов. Расположение зондирующих пучков в одной плоскости, приводящее к повышению локальности и точности измерений, дает возможность использовать измеритель для измерений напряжений Рейнольдса и других характерис тик турбулентности в цилиндрических и конических моделях, в то время как применение в. таких моделях двухкомпонентных лазерных доплеровских анемометров, зондирующие пары пучков которых лежат в ортогональных плоскостях, ратруднего вследствие различной ре1фракции зондирующих пучков на стенках модели.

ОПТИЧЕСКИЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ .ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЙ РЕЙНОЛЬДСА В ПОТОКЕ ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА, содержа1ЦИЙ лазер, блок формирования зондирующих лучей с акустооптическим модулятором, фотоприемный блок и систему обработки доплеровского сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения локальности измерений, в него введен квадратор, вход которого соединен с выходом фотоприемного блока, а выход - с системой обработки доплеровского сигнала, а в блок формирования зондирующих лучей введены оптически согласованные с акустооптическим модулятором фокусирующая линза, установленная перед S потоком, и зеркальная фокусирующая система, установленная за потоком на пути одного из зондирующих лучей. ф 1 Од 8