Доплеровский анемометр Советский патент 1991 года по МПК G01P5/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в лазерной доплеровской анемометрии для автоматического измерения скоростей различных потоков.

Целью изобретения является расширение диапазона измеренных скоростей без расширения полосы входного фильтра и повышение точности измерения мгновенной скорости потока при анализе потоков с различной концентрацией рассеивающих центров.

На фиг. 1 приведена структурная схема доплеровского анемометра временного типа; на фиг. 2 - временной аналог доплеровского процесса.

Доплеровский анемометр содержит непрерывный лазер 1, ультразвуковой модуля- тор 2, диафрагму 3, линзу 4, два дополнительных ультразвуковых модулятора 5 и 6, перестраиваемую диафрагму 7, передающую 8 и приемную 9 оптику, фотоприемник 10, фимльтр 11, преобразователь частота:напряжение 12, пороговый формирователь 13 временного аналога доплеровского сигнала, измеритель временных интервалов 14, синтезатор частот 15, буферное запоминающее устройство (БЗУ) 16 и микроЭВМ 17.

Выход фотоприемника 10 соединен с входом фильтра 11, выход которого соединен с входами порогового формирователя 13 и преобразователя частота-напряжение

О

VI ГО

со со

о

12. Выход порогового формирователя 13 соединен с последовательно включенными измерителем временного интервала 14, БЗУ 16 и микроЭВМ 17. Выход преобразователя 12 соединен с первым входом синтезатора частот 15, первый выход которого соединен с входом ультразвукового модулятора 2, а два других выхода - с соответствующими входами двух дополнительных ультразвуковых модуляторов 5 и б. Выход микроЭВМ 17 соединен с вторым входом синтезатора частот 15.

Анемометр работает следующим образом.

Световой пучок от непрерывного лазера 1 поступает на ультразвуковой модулятор 2, в котором возбуждена акустическая волна с помощью синтезатора частоты 15. Вследствие взаимодействия лазерного излучения с акустической волной в модуляторе на его выходе световое излучение претерпевает частотный сдвиг и расщепляется на ряд пучков. Частота выходного оптического излучения при этом равна

QI - Oi ± n От, 1,

где QO - частота оптического излучения лазера;

От - частота накачки ультразвукового модулятора 2;

n - порядок дифракции

Угол между рзгщепгонными пучками зависит от частоты не качки модулятора и равен

slnO, и -- n Ощ

гдо - скорость ультразвука в модуляторе; АО - длин волны лазера

0-С

Расщепленные пучки проходят диафрагму 3, линзу 4, фокус которой совмещен с точкой расщепления светового луча в ульт развуковом модуляторе 2. Соетовой поток, прошедший линзу 4, представляет собой два параллельных пучка, которые поступают на оптические входы ультразвуковых модуляторов 5 и 6, на которых осуществляются дополнительный частотный сдниг и расщепление каждого входного светового пучка. Частота выходного оптического излучения ультразвуковых модуляторов В и 6

Of - Qo + n РП11 Ч- n Qn2;

Оз О - n От + n От и углы между расщепленными пучками при этом равны

sirifc п у-Опг sinfc n .

0

5

0

5

0

Далее расщепленные пучки проходят передающую оптику 8 и перестраиваемую диафрагму 7, где осуществляется выбор со- ответст вующих расщепленных пучков после ультразвуковых модуляторов 5 и 6 и выбранные пучки пересекаются в требуемой точке исследуемого потока, формируя интерференционную картину в плоскости пересечения. Рассеянное излучение от движущихся частиц потока собирается приемной оптикой 9 и детектируется фотоприемником 10. Частота выходного сигнала фотоприемника после фотогетеродинирования равна Oj 2п Ощ +п ± л Опз +ftXJ, где wd - доплеровский частотный сдвиг, определяемый скоростью движения частиц потока, ш d 2(v/A)sintt. где v - скорость потока;

А - длина волны оптического излуче- нич;

sina - масштабный коэффициент преобразования, который численно равен частотному сдвигу доплеровского сигнала при изменении скорости потока на единицу.

Для предлагаемой оптической схемы at и с/2 определяют следующими соотношениями1

fitg0i j- f2tgft

ь

tqai

tg(72 fj llMSA;

где fi.fa.fa- фокусные расстояния соответСТГ.УЮЩИХ ЛИНЗ.

Такое построение оптической схемы доплеровского анемометра позволяет осуществить перенос выходного сигнала фото- приемника в требуемую временную

(спектральную) область соответствующим выбором On i,Oi2 n3MTeMCaMb M осуществить расширение динамического диапазона устройства за счет сжатия выходного частотно- io диапазона фотоприемника при

одновременном удержании частоты доплеровского сигнала в полосе входного фильтра синхронным изменением масштабного коэффициента sinctt, который является функцией частот управления Оп2,Олз. Это расширяет диапазон исследуемых скоростей без изменения полосы пропускания входного фильтра. Использование перестраиваемой диафрагмы 7 также позволяет осуществлять дискретное расширение диапаэона регистрируемых скоростей за счет выбора соответствующих расщепленных пучков после ультразвуковых модуляторов 5 и 6 (грубая перестройка диапазона), а внутри эюго диапазона осуществлять плавное слехение за допперовской частотой.

Выходной сигнал фотоприемиика 10 фильтруется и поступает на вход преобразователя частота-напряжение 12. При этом синхронно с изменением выходной частоты фотоприемника 10 происходит изменение выходного напряжения преобразователя частота-напряжение 12, которое управляет частотой синтезатора частоты 15. При достижении выходным напряжением преобразователя частота-напряжение 12 заданных определенных пороговых уровней происходит изменение выходной частоты синтезатора частот, что изменяет углы схождения оптических пучков и значение масштабного коэффициента slna, Таким образом, осуществляя удержание доглеров- ской частоты в полосе входного фильтра и сжатие выходного частотного диапазона фотоприемника предлагаемый анемометр позволяет расширить динамический диапа- зон исследуемых скоростей потоков без изменения полосы пропускания фильтра 11.

Отфильтрованный доплеровский сигнал поступает одновременно и на вход порогового формирователя 13, где осуществляется формирование временной последовательности импульсов, передний фронт которых совпадает во времени с моментом пересечения пороювого уровня КпортЧ) входным сигналом, а задний фронт - с моментами пересечения нулевого уровня выходным сигналом. Пороговый формирователь представляет собой триггер Шмидта с управляемым порогом переключения Unop-0 и порогоом опускания, равным ну- лю. Критерием установки DROP является максимально допустимый уровень помех. Формирование временного аналога допле- ровского сигнала на основе пороговой дискретизации доплеровского процесса с нулевым порогом срабатывания позволяет повысить точность преобразования доплеровского сигнала в его временной анэлогза счет исключения погрешности преобразования, обусловленной случайным характе- ром амплитудной модуляции с Unop т 0. Сформированный временной аналог доплеровского процесса содержит в себе всю информацию о доплеровских флуктуациях. как кратновременных. в виде приращений кап- ждого периода временного аналога, так и долговременных, в случае осреднения по ансамблю реализаций (см. фиг. 2).

Сформированная временная последовательность доплеровских периодов посту- пает на цифровой измеритель временных интервалов 14. где измеряются последовательные временные интервалы между задними фронтами сформированных импульсов нулевого уровня и соответствующий цифровой код Tj запоминается в БЗУ 16. Измеренные значения каждого периода Tj доплероаского сигнала (массив в ЭВМ) представляют собой мгновенную скорость потока, Измерение каждого доплеровского периода позволило исследовать потоки как с высокой (непрерывный доплеровский сигнал), так и с низкой (доплеровский сигнал представляет собой радиоимпульсы) концентрацией рассеивающих центров без ухудшения точности анализа. Далее в ЭВМ по измеренным мгновенным значениям скорости TJ строится гистограмма функции распределения мгновенных значений Tj в соответствии с правилом

uW-ti1 ™

t Unpu

i дТ$ ,j (м1 )д Т Tj дт,т d 1)дТ ,

где Tj - j-й отсчет периода;

AT- ширина дифференциального канала гистограммы;

i - 0, 1,2,- номер дифференциального канала гистограммы.

Далее из гистограммы вычисляются среднее значение скорости и ее дисперсия.

Формула изобретения

Доплеровский анемометр, содержащий лазер, ультразвуковой модулятор, диафрагму, передающую и приемную оптику, фотоприемник, фильтр и вычислитель, о т л и ч э- ю щ и и с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых скоростей и повышения точности измерения мгновенной скорости потока, в него введены два дополнительных ультразвуковых модулятора, линза, перестраиваемая диафрагма, пороговый формирователь временного аналога доплеровского сигнала, преобразователь частота-напряжение, сигнализатор частот, буферное запоминающее устройство, при этом оптический выход лазера соединен с оптическим входом ультразвукового модулятора, а выход последнего оптически связан через диафрагму и линзу с оптическими входами второго и третьего дополнительного ультразвуковых модуляторов, выходы которых через перестраиваемую диафрагму и передающую оптику связаны с фотоприемником через приемную оптику, выход фотоприемника через фильтр связан с входом преобразователя частота - напряжение и одновременно входом порогового формирователя Ефеменного аналога доплеровского сигнала, а выход последнего подключен к входу измерителя временных интервалов, выход которого связан с входом буферного запоминающего устройства, соединенного с вычислителем, при этом выход последнего

связан с вторым входом синтезатора, первый вход которого связан с выходом преобразователя частота-напряжение, а выходы

синтезатора частот - с соответствующими электрическими входами ультразвуковых модуляторов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в лазерной доплеровской анемометрии для автоматического измерения скоростей различных потоков. Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых скоростей без расширения полосы входного фильтра и повышение точности измерения мгновенной скорости потока при анализе потоков с различной концентрацией рассеивающих центров. Сущность предлагаемого анемометра временного типа заключается в формировании измерительного объема устройства на основе ряда ультразвуковых модуляторов с фильтрацией выходного сигнала фотоприемника и формированием временного аналога исследуемого доплеровского сигнала с последующим многоканальным временным анализом каждого периода сформированного временного аналога. Далее измеренным мгновенным значением периодов вычисляются мгновенная скорость потока, средняя скорость и ее дисперсия. 2 ил.

Фие.1

UnoptO

Uот-О

Щ)

ич

I 1 I I I I I I I I I I I 1 I I I I I Г 1 I I 1 111 I I I I I I 1П I I I I

Фиг 2