Оптический доплеровский измеритель скорости потока жидкости или газа (его варианты) Советский патент 1986 года по МПК G01P5/26 

рассеянные пучки 9, 10 и 1, 12 смешиваются и поступают на фотоприемники 25 и 2.6 и далее на смеситель 27, в выходном сигнале которого фильтром 28 нижних частот выделяют сигнал с частотой, пропорциональной составляющей скорости V (проекция вектора скорости потока на ось X ), а фильт«

Изобретение относится к средства измерения скорости движения потока жидкости или газа и может быть ис пользовп)ю для измерения двух ортогональных проекций вектора скорости двумерного потока оптическими средствами.

Целью изобретения является измерение двух ортогональных проекций вектора скорости, одгга из которых направлена вдоль оси лазера, (первый вариант) и измерение двух ортогональных проекций вектора скорости большая из которых направ.лена вдоль оси лазера, а также певьниение поме- хоустойчивости (второй вариант).

Иа фиг, приведена функциональн схема оптического доплеровского измерителя скорости потока,жидкости или газа согласно первому варианту устройства; на фиг. 2 - то же, вто- рой вариант; на фиг, 3 - геометрия рассеянных пучков в системе координат OXZ; на фиг, 4 - конструкция составной призмы-смесителя,

Оптический доплеровский измеритель скорости потока, жидкости или газа (фиг. 1) состоит из лазера 1, излучающего пучок 2 на длине волны , фокусирующего объектива 3, зоны 4.измерения, через которую со скоростью V проходит исследуемый поток под углом оси OZ, двух идентичных оптических каналов 5 и 6, которые имеют оптические оси 7 и 8, на- правленные под углами р к оси схемы OZ, собирают рассеянные пучки 9, 10 и 11, 12 и содержат приемные объективы 13 и 14., распололсенные на фокусном расстоянии F от зоны 4 измерения непрозрачные экраны с отверсти

ром 29 верхних частот выделяют сигнал с частотой, пропорциональной составляющей скорости V. (проекция вектора скорости потока на ось OZ). Эти сигналы поступают на измерители 30 и .31 доплеровской частоты соответственно. Представлены варианты устройства, 2 с.п. ф-лы 5 4 ил.

НИИ 15 и 16 для выделе шя рассеянных пучков под углами к оптической

оси канала, зеркала 17 и 18, составные призмы-смесители 19 и 20, на выходе которых образуются смешанные пучки 21, 22 и 23., 24, а также фотоприемники 25 и 26, смесителя 27, фильтра 28 нижних частот, фильтра 29 верхних частот и двух измерителей 30 и 31 доплеровской частоты.

На фиг, 2 (второй вариант устройства) в отличие от первого варианта имеется один приемный объектив 32 общий для обоих оптических каналов.

На фиг, 3 приведена геометрия рассеянных пучков для первого варианта устройства. Первый оптический канал выделяет рассеянные пучки 9 и 10, имеющие волновые векторы К- и К соответственно. Второй оптический канал выделяет рассеянные пучки 1 1 и 12 с волновыми векторами К, н К Разностные волновые векторы К,, и К расположены симметрично под одинаковыми углами у по отношению к оси OZ, Остальные обозначения такие же как на фиг, 1,

Геометрия рассеянных пучков для второго варианта устройства строится аналогично, отличия определяются только направлением вьщеленных рассеянных пучков 9, 10 и 11, 12, т,е, величиной углов о( и В ,

На фиг, 4 представлена конструк- составной призмы-смесителя 19, состоящей из призмы 33 полного внутреннего отражения и призмы-ромба 34, у которых общая грань 35 имеет полупрозрачное покрытие, а грань 36 - .зеркальное. Обе грани 35 и 36 составнон призмы-смесителя выполняются

, г о

под углом чЬ к ее основанию.

Устройство (фиг, 1) работает следующим образом.

Лазер 1 излучает монохроматический луч 2,- направленный вдоль оптической оси OZ. Фокусирующий объектив 3 фокусирует луч 2 в точке 4 (измерительный объем), через которьй со скоростью V движется поток жидкое ти или газа. Первый 5 и второй 6 оптические каналы устроены идентично и предназначены для приема рассеянного излучения, идущего из освещенной точки 4, Оптическая ось 7 первого канала и оптическая ось 8 второго канала расположена в одной плоскости с оптической осью OZ устройства и пересекают ее в точке 4 под одинаковыми углами . При этом первый оптический канал выделяет рассеянные

пучки 9 и 10 под углами относительно своей оптической оси 7 при помощи приемного объектива 13 и непрозрач- ного экрана 15 с двумя отверстиями. Вьщеленные пучки 9 и 10 пространственно совмещаются двухлучевым интерферометром, состоящим из зеркала 17 и составной призмы-смесителя 19. Сме щанные пучки 21 и 22 направляются на фотоприемник 25, на выходе которого в результате оптического гетеродини- рования образуется высокочастотный сигнал на частоте

aJ,2K sin I V cos(f -oi)

де К -.- 2TT

40

модуль волнового вектора лазерного излучения с длиной волны Д , у - угол между осью OZ и направлением разностного вектора К К,-К5, выделенных пучков 9 и . 10 (фиг. 3), Ы.- угол между осью OZ и направлением вектора скорости (фиг. I и З). Второй оптический канал выделяет ассеянные пучки I1 и 12 также под 50

45

углами

относительно своей оптической оси 8 при помощи приемного объектива 14 и непрозрачного экрана 16 с двумя отверстиями. Выделенные пучки 11 и 12 пространственно совмещаются двухлучевым интерферометром, состоящим из зеркала 18 и составной-приз

10

5

20

25

30

35

40

. 50

45

55

мы-смесителя 20. Смешанные пучки 23 и 24 направляются на фотоприемник 26, на выходе которого в результате оптического гетеродинирования образуется высокочастотный сигнал на ча- тоте 0 -2К sin I V cos ( Jf , (2)

где у - угол между осью OZ и направлением разностного вектора К Kgj -Ks22 выделенных пучков 11 и i2 (фиг. 3),

Высокочастотные сигналы с выхода фотоприемника 25 первого оптического канала 5 и с выхода фотоприемника 26 второго оптического канала 6 поступают соответственно на первый и второй входы смесителя 27. Сигнал с выхода смесителя поступает на входы фильтра 28 нижних частот и фильтра 29 верхних частот. На выходе 28 фильтра нижних частот вьщеляется сигнал разностной частоты

Jg, COS , (З)

где V - проекция вектора скорости

потока V на ось ОХ. Этот сигнал поступает на вход первого измерителя доплеровской частоты 30. На выходе фильтра 29 верхних частот вьщеляется сигнал суммарной частоты

,,sin sin,

где V - проекция вектора скорости потока V на ось OZ,

Этот сигнал поступает далее на вход второго измерителя 31 доплеровской частоты.

Таким образом, частота сигнала, поступающего на вход первого измерителя 30 доплеровской частоты, определяется выражением (3) и однозначно связана через параметры устройства (углы ot и р и длину волны лазера ) с величиной проекции вектора скорости V , а частота сигнала, поступающего на вход второго измерителя 31 доплеровской частоты, определяется выражением (4) и однозначно связана через те же параметры устройства (углы 0 и р и длину волны лазера Д ) с величиной проекции вектора скорости V , при этом оси ОХ и OZ ортогональны между собой, причем ось OZ направлена вдоль оптической оси лазера, совпадающей с оптической осью устройства.

(4)

Составная призма-смеситель позволяет достичь повьшения помехоустойчивости за счет того, что, например, в первом оптическом канале 5 луч 10 (фиг. 1 и 4), повернутый зеркалом 17, смешивается с лучом 9 на полупрозрачной грани 35 призмы 19. При этом часть смеша нного пучка 21 далее поступает на фотоприемник 25. Другая часть смешанного пучка 22, отра- зившись от грани 36 призмы 19, также направляется на фотоприемник 25. Такой конструкцией составной призмы- смесителя достигается увеличение в два раза полезного сигнала,по- даваемого на фотоприемник 25.

Аналогично работает составная призма-смеситель 20 во втором оптическом канале 6 - смешанные лучи 23 и 24 направляются на фотоприемник 26

Оптический доплеровский измеритель скорости потока жидкости или газа (по второму варианту) работает аналогично первому. Отличие состоит в том, что приемный объектив 32 (фиг. 2) является общим для обоих оптических каналов 5 и 6, кроме того наличие дополнительных третьих отверстий в непрозрачных экраь ах 15 и 16 позволяет сделать угол d. боль- ге, а угол р меньше по величине. Следовательно, как видно из выралчений (З) и (4), устройство (по второму варианту) имеет чувствительность в на- правлении оси ОХ больше, чем в направлении о си OZ,, что позволяет измерять с высокой точностью две проекции скорости потока в реальном масштабе времени, одна из которых, боль- шая по абсолютной величине, направлена вдоль оптической оси лазера OZ. А значительное увеличение угла о, вызывает увеличение чувствительности устройства как в направлении оси ОХ, так и в направлении оси OZ.

Формула изобретения

1. Оптический доплеровский измеритель скорости потока жидкости или газа, содержащий последовательно установленные и оптически согласованные лазер, фокусирующий объектив, : первый оптический канал, включающий приемный объектив, непрозрачный экран с двумя отверстиями,- двухлуче- вой интерферометр в виде зеркала и призмы-смесителя, фотоприецник и из

меритель доплеровской частоты, о т- л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью измерения двух ортогональных проек дий вектора скорости, одна из которых направлена вдоль оси лазера, в него введен второй оптический канал, идентичный первому, смеситель, фильтр верхних частот, фильтр нижних частот и второй измеритель доплеровской частоты, при этом оптические рси первого и второго оптических каналов расположены в одной плоскости с оптической осью устройства и пересекают ее в измерительном объеме под одинаковыми углами, а выходы фотоприемников соединены соответственно с первым и вторым входами смеср теля, выход смесителя соединен с входом фильтра нижних частот и входом фильтра верхних частот, выход, фильтра нижних частот соединен с входом первого измерителя доплеровской частоты а выход фильтра верхних частот соединен с входом второго измерителя доплеровской частоты.

2. Оптический доплеровский измеритель скорости потока жидкости или газа, содержащий последовательно уст-ановленные и оптически согласованные лазер, фокусируюо);ий объектив, первый оптический канал, включающий приемный объектив, непрозрачный экран с двумя отверстиями, двухлучевой интерферометр в виде зеркала и призмы-смесителя, фотоприемник и измеритель доплеровской частоты, о т л и- ч.ающий с я тем, что, с целью измерения двух ортогональных проекций вектора скорости, большая из которых направлена вдоль оси лазера, а также повышения помехоустойчивости, в него введён второй оптический канал, идентичный ггервому, смеситель, фильтр вврхнргх частот, фильтр нижних частот и второй измеритель доплеровской частоты, при зтом в обоих непрозрачных экранах выполнены третьи отверстия, а первые и вторые отверстия в экранах расположены напротив друг друга, оптические оси первого и второго оптических каналов расположены в одной плоскости с огггической осью ус1ройства и пересекают ее в измерительном объеме под одинаковыми углами, а выходы фотоприемников соединены соответст- в.енно с первым и вторым входами смесителя, выход Смесителя соединен

с входом фильтра нижних частот и с ровской частоты, а выход фильтра . входом фильтра верхних частот, вы- верхних частот соединен с входом вто- ход фильтра нижних частот соединен рого измерителя доплеровской часто- с входом первого измерителя допле- ты.

ZH

30

л

Изобретение относится к средствам измерения скорости движения потока жидкости или газа и позволяет измерить две ортогональные проекции вектора скорости, одна из которых нанравлена вдоль оптической оси устройства. Оптические оси 7 и 8 приемных каналов 5 и 6 расположены под углами Р к оптической оси лазера 1, освещающего измерительный объем 4. Выделенные в каждом приемном канале .5 и 6 под углами г к его оси Ю 00 к

Фиг.З

Составитель Ю. Власов Редактор А. Шандор Техред и.Поповнч

Заказ 6826/40 Тираж 778 . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. А/5

Производственно

-полиграфическое предприятие, г. Ужгорйд, ул. Проектная, 4

ФигМ

Корректор Е. Сирохман