Устройство для измерения скорости частиц полидисперсного двухфазного потока Советский патент 1986 года по МПК G01P5/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано дл. измерения распределения частиц по скоростям в полудисперсном двухфазном потоке.

Пелью изобретения является повы- точности определения скоростей частиц определенного размера.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - экспе- риментально снятое результирующее дифрагированное поле для частиц с различным отношением диаметра частицы к периоду интерференционного поля.

Лазерный измеритель скорости час- тиц двухфазного потока состоит из лазера 1, излучающего пучок 2р оптического расщепителя 3, делящего пучок 2 на два пучка 4 и 5 равной интенсивности, фокусирующего объектива 6, направляющего два пучка 4 и 5 в зону 7 измерения, через которую со скоростью V движется двухфазный поток, рассеянное излучение 8 собирается объективом 9, расположенным на фокусном расстоянии от зоны 7 измерения, оптическая ось которого совпадает с осью схемы OZ, оптического, светоделителя 10, с помощью которого рассеянное излучение делится на п пучков 11 .,-11 равных по интенсивности.

На фиг.1 позицией 12 обозначен пучок, отраженный (либо проходящий) через сввтоделительную грань оптического светоделителя 10.;

Устройство содержит также п пространственных фильтров 13 -13р|, каждьй из которых оптически согласован

С определенным размером частиц, присутствующих в двухфазном потоке, п собирающих объективов ,, п фотоприемников (,, п сравнивающих устройств ,, каждый из которых состоит из фильтра 17 нижних частот, фильтра 18 верхних частот, компаратора 19 и амплитудного детектора 20, электронных ключей 21 и п измерителей 22 доплеровских частот, каждый из которых предназначен для измерения скорости частиц определенного размера. Взаимосвязь электронных блоков устройства показана на фиг.1.

Устройство работает следующим об- разом.

. Предположим, что в потоке присутствует щесть видов сферических час

5 0

5

5

0

5

тиц следующих размеров: d,...,d, причем диаметры этих частиц лежат в диапазоне 20 мкм d 100 мкм и соблюдается следующее условие: d d ,..., d . Учитывая, что частицы определенного размера движутся с одинаковой скоростью, отличной от скорости движения частиц другого размера, необходимо определить скорость движения частиц двухфазнох О потока на выходе генератора аэрозолей для каждого вида частиц, характеризуемого строго определенным диаметром сферических частиц. Для этого необходимо определить результирующее дифрагированное поле при размещении каждой частицы определенного диаметра в зоне изме1Уения.

Результирующее дифрагированное поле, образуемое при размещении частицы в центре зоны измерения, необходимо определить в плоскости, расположенной перпендикулярно оси oz на расстоянии Р от центра зоны измерения. Это можно осуществить на основе экспериментального определения либо используя теоретический расчет, применяя хорошо развитые методы расчета, основанные на дифракционной теории Фраунгофера.

При экспериментальном определении результирующего дифрагированного поля необходимо в центре зоны 7 измерения расположить частицу заданного размера d,. (i 1-6) , используя для этого, например, магнитный или электростатический подвес частицы (электростатический подвес частиц может быть также использован для подвеса предварительно заряженных жидких частиц) либо помещая твердую частицу на тонкую прозрачную пластинку. В плоскости приемного объектива на расстоянии I от центра зоны измерения устанавливается фотопластинка, на которую экспонируется результирующее дифраги-. рованное поле, представляющее суперпозицию двух дифрагированных полей, получаемых при облучении частицы диаметром d одновременно первым и вторым зондирующими пучками 4 и 5.

На фиг.2 представлены экспериментально снятые фотографии результирующего дифрагированного поля для частиц с различным отношением диаметра частицы d. к периоду интерференционного поля S , когда зондирующие пучки с длиной золны 0,632 мкм.

пересекаясь под углом сА 1,9°, образуют в зоне измерения интерференционное поле с пространственным периодом 5 19,4 мкм.

В центре зоны 7 измерения поме ща ются сферические стальные частицы. Дифрагированное поле от двух зондирующих пучков наблюдается в плоскости, расположенной на расстоянии Р 260 мм от зоны измерения (прямые зондирующие пучки дифрагируются и не попадают на фотопластинку.

После этого, имея фотографию экспериментально заснятого для частицы определенного диаметра результи- рующего дифрагированного поля, из- готавли ается для этой частицы пространственный фильтр, представляющи диафрагму с отверстиями, совпадающими с максимумами либо минимумами интенсивности результирующего дифрагированного поля. Изготовленный таким образом пространственный . фильтр, оптически согласованный с определенным размером частицы d, устанавливается на расстоянии Е от центра зоны измерения, т.е. в том ж месте ранее располагалась фотопластина.

После изготовления по описанной методике пространственного фильтра включают лазер 1, который излучает луч 2. Последний делится расщепителем 3 на два пучка 4 и 5 равной интенсивности. Эти пучки фокусируются объективом 6 в область 7 измерения, через которую со скоростью движется двухфазный поток, состоящий из п видов частиц, отличающихся друг от друга по диаметру. При работе схемы в одночастичном режиме и прохождении крупных частиц определенного диаметра через зону 7 измерения рассеянное вперед излучение собирается под малым углом (дифракционная состав- ляющая) объективом 9 и далее направ- ляется на вход оптического светоделителя 10. Одна часть рассеянного потока 11 (1/п-часть) проходит через светоделительную грань, а вторая часть потока 12 (9/п частей) отражается от этой грани.

Таким образом, на выходе светоделителя 10 формируется п световых потоков (11--1К), равных по интен-

п

сивности. Каждый из этих рассеянных потоков 11 после прохождения через .пространственный фильтр 13 собирает|ся собирающим объективом 1А. на соо ветствующий фотоприемник 5,

Таким образом, в схеме применяется п параллельных приемных каналов, отличающихся друг от друга конфигурацией пространственных фильтров

13.-13.

При прохождении истицы определенного размера через зону 7 измерения на выходе всех п фстоприе;тиков в результате оптического гетероди- нирования формируется сигнал, состоящий из низкочастотной и высокочастотной составляющих сигналов. При прохождении частицы рассеянное излучение собирается в пределах области ограниченной отверстиями пространственного фильтра, установленного в каждом канале, и далее направляется собирающими объективами на фотоприемники .

Извес7 но, что при прохождении через зону измерения частицы, диаметр которой больше периода интерференционного поля в зоне 7 измерения, и приеме рассеянного излучения 8 в пределах диафрагмы с круглым отверстием, на входе фотоприемника образуется сигнал, имеющий низкую глубину модуляции фототона, вследствие относительно невысокого значения коэффициента фазового согласования элементарных доплеровских сигналов (так как высокочастотные сигналы, формируемые при приеме излучения от различных пространственных областей находятся в противофазе). Это приводит к тому, что амплитуда низкочастотной составляющей сигнала в этом случае намного больше амплитуды высокочастотной составляющей сигнала.

Если же через ону измерения проходит частица, диаметр которой di, также больше периода интерференционного поля в зоне измерения, но при этом рассеянное излучение собирается в пространственной области приема, ограниченной пространственным фильтром, оптически согласованным с заданным размером частицы, то в этом случае на рыходе фотоприемника формируется сигнал с высоким значением коэффициента глубины модуляции. Это связано с тем, что для заданного ; размера частицы элементарные допле- ровские сигналы, образуемые от смешения рассеянных или принимаемых для различных направлений приема в пределах пространственного фильтра, всегда, находятс я в фазе и, следовательно, koэффициeнт фазового согласования близок к единице. Поскольку в схеме рассеянное на крупной частице вперед излучение собирается под малыми углами (т.е. основной вклад вносит дифракционная составляющая поля) в пространственной области при ема, ограниченной пространственным фильтромл в пределах которого интенсивности двух смешиваемых волн также близки или равны по величине, то в этом случае амплитуда высокочастот- ной составляющей сигнала близка или равна по значению амплитуде низкочастотной составляющей сигнала. Сравнивая эти два сигнала, можно судить

в какие моменты времени этот сигнал

с выхода фотоприемника 15. поступает на вход соответствующего сравнивающего устройства 16,. В сравнивающем устройстве с помощью фильтра и верхних частот выделяется со- ответственно низкочастотная и высокочастотная составляющая сигналов. Видеоимпульс с выхода фильтра нижних частот поступает на первый вход компаратора , на второй вход которого поступает сигнал с выхода фильтра верхних частот после его усиления и детектирования в амплитудном детекторе 20. Компаратор 19, срабатьгвает, если амплитуды низко- частотной и высокочастотной составляющих сигналов будут равны, что имеет место только для одного из п фо- топриемников, установленных в приемном канале, перед которым установлен пространственный фильтр оптически согласованный с размером частицы, проходящей через зону измерения. Компаратор 19т, сработав, открывает соответствующий ключ 21,- 5 через кото- рый высокочастотный доплеровский сигнал с выхода фильтра верхних частот поступает на вход соответствующего измерителя доплеровской частоты 22, который выдает информацию о скорое- ти движения частиц определенного размера, находящихся в двухфазном потоке. Все-остальные п-1 сравнивающих устройств не сработают, так как на входы компараторов этих сравни- вающих устройств в этом случае поступают сигналы, сушественно отличающиеся по величине.

0 5

0

0 5 0 5 0 5

Аналогичным образом при прохождении через зону измерения частицы дру ГЮГО диаметра срабатьгоает только то сравнивающее устройство, которое подключено к фотоприемнику, перед которым установлен пространственный фильтр, оптически согласованный с этим размером частиц. Сравнивающее устройство этого приемного канала, сработав, открывает соответствующий ключ, через который доплеровский сигнал поступает на вход измерителя доплеровской частоты, выдающего информацию о скорости частиц другого размера.

Формул а изобретения

1.Устройство для измерения скорости частиц полидисперсного двухфазного потока, содержащее оптически согласованные лазер, двухлучевой расщепитель, фокусирующий объектив, первый и второй собирающие объективы, фотоприемник и измеритель доплеровской частоты, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения скоростей частиц опреде ленного размера, в него дополнительно введены п пространственных фильтров п сравнивающих устройств п электронных ключей, (п-1) фотоприемников, (п-1) собирающих объективов,(п-1) измерителей доплеровской частоты и двухлучевой расщепитель, расположенный между первым и вторым собираю-- щими объективами и оптически согласованный через i-й пространственный фильтр, второй и (п-1) дополнительные собирающие объективы с i-м фотоприемником, подключенным выходом через последовательно соединенные i-e сравнивающее устройство и i-й электронный ключ к 1-му измерительному устройству доплеровской частоты, где L - порядковый номер.

2.Устройство по П.1, о т л и ч а- ю щ е е с я тем, что каждое сравнивающее устройство содержит фильтры верхних и нижних частот, амплитудный детектор и компаратор, при этом входы 1-го фильтра верхних частот - и i-ro фильтра нижних частот соединены с выходом i-ro фотоприемника, выход фильтра нижних частот подключен к первому входу компаратора, а

выход фильтра верхних частот через амплитудный детектор - к второму входу компаратора, выход i-ro компаратора через i-й ключ подключен к i-му измерителю доплеровской частоты.

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить точность определения скоростей частиц определенного размера. Лазер 1 излу- чае Т луч 2, который делится расщепителем 3 на пучки 4 и 5 равной интенсивности, фокусирующиеся объективом 6 в область 7 измерения. При прохож-. дении частиц определенного размера через область 7 измерения на выходе фотоприемников 15 формируется сигнал, состоящий из низкочастотной и высокочастотной составляющих сигналов. При прохождении частиц рассеянное излучение собирается в пределах области, ограниченной отверстиями пространственного фильтра 13, установленного в каждом канале, и далее направляется собирающимися объективами 14 на фотоприемники 15 , затем на сравнива- ющее устройство 16-, приемный канал которого сработав, открьтает соответствующий ключ 21I, через который доплеровский сигнал поступает на вход измерителя 22- доплеровской частоты, выдающего информацию о скорости частиц определенного размера. 1 3.п. ф-лы. 2 ил, § (Л Фцг.1 13. us// с- - iJ-W rt 4ib QD 4 Од CO

|Ш г-к

luWФиг. 2

6ао| г

(От) г