Способ измерения радиальной компоненты вектора скорости вращающегося потока в цилиндрическом канале Советский патент 1989 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследований гидро- и аэродинамики, потоков в трубах, циклонах, сушилках в химической и других отраслях промышленности, где необ31516

ходимо осуществить измерения вектора скорости вращающегося потока в цилиндрическом канале, при которых значительную трудность представляют измерения его радиальной компоненты.

Целью изобретения является повы- тение точности измерения радиальной компоненты вектора скорости D условг - ях рефракции зондирующих пучков ЛДА на цилиндрической стенке канала за счет обеспечения контроля радиального положения - точки измерения и, обеспечения радиальной ориентации вектора чувствительности.ЛДА,

На фиг, 1 показано смеще}И1е точки пересечения зондирующих пучков лазерного доплеровского анемометра (ЛДА) при радиальном сканировании исследуемого цилиндрического канала (ОЛ - траектория точки пересечения пучков в отсутствие рефракции на стенках модели, ОА - при наличии рефракции, К - вектор чувствительности ЛДА, направ- пение которого соответствует изме- ряемой проекции скорости); на фиг,2- пример устройства, реализующего предлагаемый способ, вид сбоку} на фиг.З - то же, вид сверху.

Устройство содержит лазер 1, оп- тический блок ЛДА 2 с встроенным фотоприемником (ЬП) 3 для работы в режиме обратного рассеяния, жестко закрнпленные на оптической скамье 4, закрепленной координатным устрой- ством, включающим направляющую 5 с возможностью перемещения относительно ответной направляющей 6. Поворотное устройство, прикрепленное к на- правляющей 6, включает четыре преци- зионных ролика 7, два из которых прижаты к поверхности, образованной . внутренним радиусом R. части кольцевой скамьи 8, а два других - к поверхности, образованной внешним радиусом R скамьи 8, Последняя установлена на оптическом столе 9, снабженном двухкоординатным устройстпом, степени свободы которого отмечены на фиг.З. Два зондирующих пучка 10 пе- ресекаются в исследуемом цилиндрическом канале 11. Делитель 12 и зеркало 13 служат дпя формирования третьего лазерного пучка. Для работы ЛДА в режиме прямого рассеяния служит ФП 14, Блок 15 электронной обработки (процессор) доплеровского сигнала соединен входом с выходом ФП, а выходом - с анализатором 16 спектра.

Способ осуществляют следующим образом,

15 исследуемое сечение цилиндрического канала направляют два зондирующих пучка 1 ЛДА 2, располагая их в плоскости сечения (фиг,2). Для исследования радиального профиля радиальной компоненты вектора скорости Vj, (г) начальную точку измерения устанавливают в центре цилиндрического канала (точка П), переметая ЛДА относительно канала (или наоборот) в радиальном направлении ОА, устанавливают новые положения точки измерения. Однако вследствие рефракции нучков на цилиндрических стенках точка измерения смещается по..кривой ОА , причем в каждой новой точке в результате разворота вектора чувствительности ЛДА К (ортогонального биссектриссе угла сведения пучков и лежащего в их плоскости) на уг ол у к направлению радиуса в данной точке измеряется не истинная радиальная компонента v, а сме- щанная компонента вектора скорости

V

VM3 v. cos -I- v sin , (1)

где - тангенциальная компонента вектора скорости,

В закрученных потоках v. v , что вносит значительную погрешность в измерение радиальной скорости.

Согласно способу измерения для обеспечения контроля радиального положения точки измерения и радиальной ориентации вектора чувствительности К формируют третий лазерный пучок, когерентный зондирующим, и направляют его в плоскости сечения вдоль исследуемого радиуса ОА, пер-, пендикулярного главной оптической .оси, С помощью ФП, работающего в режиме прямого HJIH обратного рассеяния, и аппаратуры 15 обработки сигналов регистрируют на спектроанализаторе 16 спектр доплеровского сигнала. Устанавливают точку пересечения осей зондирующих пучков в точку измерения, перемещая оптическую часть ЛДА по двум направлениям: вдоль прямой, 1:араллельной исследуемому радиусу, н по нормали к ней в плоскости сечения канала. При .наличии вращающегося потока наблюдают за изменениями регистрируемого спектра. Появление в нем допол515

нительных спектральных компонент (например, симметричных относительно частоты доплеровского сигнала первичных пучков 10 или идентифицируемых поочередным закрытием каждого зондирующего пучка, вызванных тем, - что каждый из зондирующих пучков интерферирует с третьим пучком , свидетельствует о том, что точка измерения находится на исследуемом радиусе Для установки правильной ориентации К поворачивают оптическую часть ЛДА относительно точки измерения в плосг кости пучков до достижения минимума доплеровского сдвига частоты - резултата интерференции зондирующих пуч- ков. Третий пучок при этом предварительно перек-рывают. Согласно (1) измеряемая скорость v,, минимальна

и 3 лл

при значении угла рассогласования У 0, поскольку vo- 7 v . Соответственно доплеровский сдвиг частоты, пропорциональный значению Vj, также принимает минимальное значение. Фиксируя это положение ЛДА и перекры вспомогательный третий пучок, производят измерение радиальной компоненты скорости любым из известных методов преобразования доплеровского сигнала, например спектральным.

При формировании третьего пучка необходимо соблюдение условия временной когерентности излучения пучков ЛДА и третьего вспомогательного пучка, что достигается выбором допустимой оптической разности хода. Для формирования третьего вспомогательного пучка можно также использовать

9856

второй лазер, излучение которого когерентно излучению первого лазера.

Формула изобретения

Способ измерения радиальной компоненты вектора скорости вращающегося потока в цилиндрическом канале,

д заключающийся в том, что в исследуемый поток направляют два пересекающихся зондирующих пучка оптической системы лазерного доплеровского ане мометра, совмещают точку пересечения

5 осей зондирующих пучков с точкой

измерения радиальной компоненты вектора скорости, определяют доплеровс- кий сдвиг частоты сигнала лазерного доплеровского анемометра, по которо20 му судят о значении радиальной компоненты вектора скорости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, формируют третий .лазерный пучок, когерентный

25 двум зондирующим пучкам, направляют его в цилиндрический канал по радиусу исследуемого сечения, совмещают точку пересечения осей зондирующих пучков с осью третьего пучка, при

30 этом положение совмещения фиксируют по наличию дополнительных спектральных компонент доплеровского сигнала, поворачивают оптическую систему в плоскости зондирующих пучков вокруг оси, проходящей через точку измерения радиальной компоненты скорости, до положения, соответствующего минимальному значению доплеровского сдвига частоты сигнала, пос-

.Q ле чего производят измерение.

35

I

t,1t

ft

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследований методом лазерной доплеровской анемометрии динамики вращающегося потока в трубах, циклонах, сушилках и других технологических аппаратах с цилиндрической формой стенок. Цель изобретения - повышение точности измерения радиальной компоненты вектора скорости в условиях рефракции зондирующих пучков на цилиндрической стенке канала за счет обеспечения контроля радиального положения точки измерений и обеспечения радиальной ориентации вектора чувствительности лазерного доплеровского анемометра /ЛДА/. Два зондирующих пучка ЛДА, лежащие в плоскости сечения цилиндрического канала, направляют для измерения скорости в заданную область внутри канала и осуществляют в процессе настройки при наличии вращающегося потока следующие вспомогательные операции. Формируют третий вспомогательный пучок, когерентный двум зондирующим пучкам, направляют его в цилиндрический канал по радиусу исследуемого сечения. Путем относительного перемещения оптической системы ЛДА и канала совмещают область пересечения зондирующих пучков с осью третьего пучка, фиксируя положение совмещения по появлению дополнительных спектральных компонент в спектре сигнала ЛДА, перекрыв третий пучок, поворачивая оптическую систему ЛДА относительно зафиксированного положения точки измерения, добиваются положения, при котором доплеровский сдвиг частоты - минимален. Зафиксировав таким образом радиальную ориентацию вектора чувствительности, производят измерение радиальной компоненты вектора скорости с помощью ЛДА. Ил. 3.

A« r

it

Фиг. 2

Степень свободы . уста ново ч ной еяаньи

Степени свобоУы onmuvecKOto стола