Волоконно-оптическое устройство для измерения характеристик потока Советский патент 1991 года по МПК G01P3/36 

связан с фильтрами 7,8 низких и высоких частот, соответственно. Выход фильтра 7 подключен к входу блока 9 обработки низкочастотной составляющей сигнала, а выход фильтра 8 к входу блока счета 10 высокочастотных импульсов и входу блока

11обработки высокочастотной составляющей сигнала. Выход блока 10 связан с управляющими входами блоков 9 и 11, выходы которых соединены с двумя входами блока

12измерения отношения длительности временных интервалов. Блок 11 также связан с блоком 13 счета пачек высокочастотных импульсов. Выходы блоков 9,12,13 соединены с блоком обработки информации 14.

Устройство работает следующим образом,

Излучение лазера 1 разделяется с помощью расщепителя 2 и направляется по двум формирующим световодам 3, 4 в зону измерения (фиг.2а). В области пересечения полей зондирующего излучения на выходе световодов 3, 4 формируется измерительная область с угловой расходимостью интерференционных полос, причем пространственный период интерференционного поля Я в каждом сечении, находящемся на расстоянии Z от плоскости торцов световода, определяется выражением

Я

Az Та

(i)

где Л- длина волны лазерного излучения;

2а - расстояние между оптическими осями формирующих световодов.

Для выделения в потоке измерительного объема, образуемого пересечением двух пучков на выходе формирующих световодов (фиг.2а), апертурный угол приемного световода должен быть, как минимум, вдвое боль- ше апертурного угла формирующих световодов.

Для осуществления операций измерения распределения скорости и концентрации частиц концевые элементы формирующих и приемного световодов устанавливают таким образом, чтобы направление движения потока было перпендикулярно изображениям интерференционных полос. В данной измерительной ситуации одновременно регистрируется величина составляющей вектора скорости частицы, перпендикулярная по отношению к направлению зондирования Vi, средняя локальная концентрация частиц nz, пролетающих через систему интерференционных полос на расстоянии г от плоскости торцов световодов.

Осциллограмма сигнала на выходе фотоприемника 6, полученная при проле

те частицы через измерительный объем, содержит две резко отличающиеся составляющие: низкочастотную, так называемую пьедестал и доплеровскую, включающую N высокочастотных осцилляции (фиг.2б). Величина равна количеству интерференционных полос, пересекаемых частицей при своем движении в потоке, и рассчитывается с помощью зависимости

za-2a (z g - 2 а) 2 а

Tz

5

0

2а« 4 а2

IF (2

Длительности пьедестала Тн и высокочастотной составляющей сигнала Тв определяются зависимостями za + 2a

Тн

Тв

Vi га-2 а

V1

(3) (4)

Период осцилляции высокочастотной составляющей сигнала определяется учетом (1) следующим образом

Из фиг.2 видно, что длительность временных интервалов Тп остается неизменной величиной при пролете частицами измерительной области в разных ее плоскостях с одинаковой скоростью Ут

т Тп2

5

0

5

0

5

--и

za + 2 a za -2 а

1

2а

(6)

z

(8)

ViVi J Vi

Из зависимости(6) получают выражение Vi 2а/Тп .(7)

Измерение скорости частиц в устройстве выполняет блок обработки низкочастотной составляющей сигнала.

Определяя величину координаты z, подставляют значение Vi из (7) и (5): т - z /т Тд 2а-2а /Тп

2а д

тп

Численное значение координаты Z определяется с помощью блока 12 измерения отношения длительности временных интервалов.

Величина редней локальной концентрации частиц nz, пролетающих через определенное сечение измерительного объема на расстоянии z от плоскости торцов световодов, является параметром, получаемым в результате статистической обработки информации о количестве пачек высокочастотных импульсов, регистрируемых в единицу времени, и в конечном итоге, измеряется с помощью блока 13.

Известно,что среднее расстояние меж- ду частицами C(z) связано с величинами ф) и V(z следующей зависимостью:

C(z) T(z)-V(z)

где ф) - временная пауза между доплеров- скими лугами;

V(z) - средняя скорость частиц в плоскостях z.

Средняя концентрация частиц n(z) в сечении z измерительной области оп- редЈляется следующим образом:

n(z)1/C(z)(z)V(z)f.(10)

Блок счета количества высокочастотных импульсов обеспечивает регистрацию величины осцилляции N и управляет работой блоков 9 и 11. В случае, когда величина N не соответствует расчетному значению (2) количества импульсов в пуге, блок 10 через управляющие входы передает сигнал, прерывающий цикл функционирования обоих блоков обработки.

Физическая интерпретация данной измерительной ситуации состоит в следующем. Из процесса регистрации параметров потока исключаются те измерительные фрагменты, которые заведомо приведут к ложному срабатыванию блоков обработки сигнала. В нашем случае ошибка при регистрации возникает в тот момент, когда к фотоприемнику поступает излучение, рассеянное на частицах, пролетающих в стороне от плоскости, проходящей через оптические оси формирующих световодов.

Под непрерывностью регистрируемых распределений скорости и концентрации частью подразумевается в конечном итоге способность устройства обеспечивать измерения характеристик потока при случайном по времени и произвольном в пространстве прохождении частиц через измерительный объем.

Формула изобретения

Волоконно-оптическое устройство для измерения характеристик потока, содержащее последовательно расположенные лазер, оптический расщепитель, два формирующих

и один приемный световоды с расположенными вплотную выходными концами, фотоприемник, фильтры низких и высоких частот, входы которых соединены с фото- 5 приемником, блок обработки высокочастотной составляющей сигнала и блок обработки информации, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем одновременного изме- 0 рения с высоким пространственным разрешением распределения скорости и концентрации частиц в измерительном объеме, в устройство дополнительно введен блок обработки низкочастотной составляю5 щей сигнала, блок измерения отношения длительности временных интервалов, блок счета пачек высокочастотных импульсов и блок счета количества высокочастотных импульсов, при этом выход фильтра низких

0 частот связан с входом блока обработки низкочастотной составляющей сигнала, выход фильтра высоких частот связан с входом блока обработки высокочастотной составляющей сигнала и с входом блока счета коли5 чества высокочастотных импульсов, выход которого связан с управляющими входами блоков обработки высокочастотной и низкочастотной составляющих сигнала, выходы которых подключены к входам блока изме0 рения отношений длительности временных интервалов, кроме того, выход блока обработки высокочастотной составляющей сигнала соединен с входом блока счета пачек высокочастотных импульсов, выход кото5 рого объединен с выходами блока обработки низкочастотной составляющей сигнала, блока измерения отношения длительности временных интервалов и соединен с блоком обработки информации, при этом концевые

0 элементы световодов расположены параллельно друг другу, а алертурные углы приемного и формирующих световодов удовлетворяют соотношению ai/a 2 ,

5 где а - апертурный угол формирующих световодов,

«2 - апертурный угол приемного световода.

Ф Ф

1У

Фаг.;

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для регистрации пространственных распределений скорости и концентрации частиц в потоках прозрачных сред. Одновременная регистрация непрерывного распределения скорости и концентрации частиц с высоким пространственным разрешением обеспечивается тем, что концевые элементы световодов располагаются параллельно друг другу, апер- турный угол приемного световода выбирают как минимум вдвое больше апертурного угИзобретение относится к измерительной технике и предназначен для регистра- цъш пространственных распределений скорости и концентрации частиц в потоках прозрачных сред. Цель изобретения расширение функциональных возможностей путем одновременного измерения с высоким пространственным разрешением распределения скорости и концентрации частиц в измерительном объеме устройства. ла формирующих световодов, вводятся блок обработки низкочастотной составляющей сигнала, блок измерения отношения длительности временных интервалов, блок счета количества высокочастотных импульсов, блок счета пачек высокочастотных импульсов и блок обработки информации, при этом к выходу фильтра низкой частоты подключен блок обработки низкочастотной составляющей сигнала, а к выходу фильтра высоких частот - блок обработки высокочастотной составляющей сигнала и блок счета количества высокочастотных импульсов, связанных с управляющими входами обоих блоков обработки, которые, в свою очередь, подсоединены к двум входам блока измерения отношения длительности временных интервалов. Кроме того, блок обработки высокочастотной составляющей сигнала подключен к входу блока счета пачек высокочастотных импульсов, выход которого, а также выходы блоков обработки низкочастотной составляющей сигнала и измерения отношения длительности временных интервалов соединены с блоком обработки информации. 2 ил. На фиг. 1 представлена принципиальная схема волоконно-оптического анемометра; на фиг.2 - распределение интенсивности зондирующего излучения на выходе формирующих световодов. Устройство содержит последовательно расположенные и оптически связанные лазер 1, расщепитель 2, два формирующих 3,4 и один приемный 5 световоды, концевые элементы которых размещены в непосредственной близости и параллельно друг другу, фотоприемник 6, который электрически сл с о сл Ч) 00 о ю

J 5