Лазерный анемометр Советский патент 1993 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости потоков жидкостей и газов в научных экспериментах, а также в промышленных технологиях, связанных с необходимостью бесконтактного контроля параметров механического движения.

. Известен лазерный анемометр, содержащий лазер, оптическую систему формирования оптического поля, фотопрйёмное устройство, коммутатор, два измерительных канала и формирователь управляющих сигналов, причем выход фотоприемного канала подключен к измерительным каналам через коммутатор, а формирователь управляющих сигналов подключён своим выходом к управляющему входу коммутатора. Недостаток этого устройства состоит в том, что плотность мощности лазерного излучения, приходящаяся в зондирующем поле на один пространственный период не превышает отношения полной мощности к числу

периодов в пространственной структуре измерительного объема.

Известен также лазерный анемометр, содержащий лазер, дефлектор, фокусирующую оптическую систему, приемную оптическую систему, фотоприемный тракт, к которому последовательно подсоединены формирователь импульсов, периодометр, блок памяти и блок сравнения, выход которого подключен к управляющему входу дефлектора. Действие прибора основано на формировании зондирующего оптического поля путем развертки сфокусированного луча в последовательный ряд позиций с заданным известным расстоянием между ними, Измеряется временный интервал, за который частица пересекает известное расстояние между последовательными позициями. Отличительной особенностью этого измерителя является высокая энергетическая эффективность, поскольку на формирование каждой пространственной позиции зондирующего светового пучка используется вся

ел

с

VJ

со ч о со ю

мощность излучения лазера. Недостаток данного устройства состоит в невозможности измерения второй компоненты вектора скорости.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что лазерный анемометр, содержащий последовательно расположенные лазер, дефлектор, фокусирующую оптическую систему, приемную-оптическую ewef ему, фотоприемный тракт, блок обработки сигнала, подключенные к дефлектору, дополнительно содержит коммутатор и формирователь управляющих сигналов, при этом блок обработки сигнала выполнен двухканальным и дефлектор - двухкоординзтным, причем выход фотоприемного тракта через коммутатор подключён ко входам блока обработки сигнала, выходы которого через формирователь управляющих сигналов соединены с управляющим входом коммутатора. Кроме того, каждый канал блока обработки сигнала содержит последовательно соединенные периодомер, блок памяти и блок сравнения, а формирователь управляющих сигналов выполнен в виде двух формирователей строб-импульсов, вшбды которых через элемент ИЛИ подключен к интегратору.

На чертеже представлена схема лазерного анемометра;

Анемометр содержит последовательно расположенные лазер 1, дефлектор 2, фокусирующую оптическую систему, состоящую из объективов 3 и 4, приемную оптическую систему, содержащую объектив 5, фотоприемник 6с полевой диафрагмой 7. К выходу Фотоприемника последовательно подключены формирователь импульсов 8. и коммутатор 9. К. выходам коммутатора подключены два идентичных блока обработки сигналов. Первый блок обработки содержит последовательно расположенные .периодомер 10, бл6к памятй 11, блок сравнения 12. Соответственно второй блок обработки содержит периодомер 13, блок памяти 14 и блок сравнения 15. Выходу схем сравнения 12 и 15 подключены к ортогональным входам дефлектора 2. Индикаторы отображения измеряемой скорости 16 и 17 подсоедины к выходам периодомёров 10 и 13. Стробирующйе входы индикаторов 16 и 17 п од лючёНгй соответственно к выходам схем сравнения 12 и 15. Выходы схем сравнения через формирователи строб-импульсов 18 и 19 подсоединены ко входам логической схемы ИЛИ 20, выход которой через интегратор 21 подключен к управляющему входу коммутатора 9.

Лазерный анемометр работает следующим образом.

Излучение лазера 1, прошедшее через дефлектор 2, объективами 3 и 4 направляется в исследуемую область потока, где формируется зондирующее поле, размер которого определяется апертурой объектива 4 и длиной световой волны. Фотоприемник находится в плоскости, оптически

сопряженной зондирующему полю. Как только частица, движущаяся в потоке, попадает в пробный объем, ее изображение в рассеянном свете проектируется объективом 5 на фотоприемник 6 с полевой

диафрагмой 7. Подключенный к выходу фотоприемника усилитель-формирователь 8 производит электрический сигнал в стандартных логических уровнях. Сигнал через коммутатор 9 (в состоянии, показанном на

чертеже) поступает на периодомер 13, Периодомер измеряет временный интервал Тп+1. п, между одноименными фронтами п-го и n+1-ro импульсов. Результат записывается в блок памяти 14, в котором хранятся также

ране занесенные значения интервала Тп, п-1 между п-1-м и n-м импульсами. Если модуль разности временных.интерваловТп+1.п иTn, n-i

не превышает наперёд заданной величины, блок сравнения 15 подает команду на дефлектор 2, который приводит зондирующее поле в следующую равноотстоящую позицию, после чего описанный цикл работы повторяется. Повышение заданной разности означает, что один из этих временных инте рва лов сформирован ложным сигналом (например, от другой частицы). В этом случае система возвращается в исходное состояние. Индикатор 16 служит для .отображения измеряемой Х-компрненты

скорости. Индикатор отображает измеренное значение только после поступления разрешающего сигнала с выхода схемы сравнения. Величина скорости определяется как отношение известного расстояния

между позициями по оси X к измеренному усредненному временному интервалу, за который частица перемещается между соседними позициями, , Импульсы с выхода схемы сравнения 15

преобразуются формирователем 18 в строб- импульсы заданной формы и длительности. После прохождения логического элемента ИЛИ 20 строб-импульсы поступают в интегратор 21, задающий верхний предел частот

коммутации, определяемый к наибольшей частотой измеряемых пульсаций скорости потока. Например, если интегратор формирует управляющий сигнал после поступления каждого N-ro строб-импульса, то из определения частоты Найквиста для регулярной выборки можно записать очевидное условие

Q

N

2FB

где Q - число частиц, пересекающих измерительный объем за секунду;

FB - верхняя граница полосы частот пульсаций скорости.

На практике частицы распределены в потоке случайным образом. Поскольку дискретизация процесса производится случайным потоком частиц, выборка информации не регулярная, а случайная. Поэтому оценка N следует из условия

;;..:

Отсюда для N имеем

N Q/6FfT

При поступлении сигнала с выхода интегратора коммутатор 9 переводит состояние измерительной схемы на определение

Y-компоненты скорости. При этом сигнал с выхода схемы сравнения 12 поступает на ортогональный вход дефлектора, запуская ждущую пространственную развертку лазерного пучка по оси Y; После завершения

цикла измерения Y-o компоненты вектора скорости коммутатор снова переключает измерительные каналы. Начинается измерение Х-компоненты скорости, и процесс повторяется. Частота коммутации адаптивно связана с пространственным распределением рассеивающих частиц в потоке и динамикой исследуемого процесса.

Использование: измерение скорости потоков жидкостей и газов. Сущность изобретения: устройство содержит последовательно расположенные лазер, двух- координатный дефлектор, фокусирующую оптическую систему, приемную оптическую систему, фотоприемный тракт, коммутатор, двухканальный блок обработки сигналов. Выходы блока обработки подключены к управляющим входам дефлектора и входам формирования управляющих сигналов, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора. 2 з.п. ф-лы. 1 ил.

Форму л а изоб ре тен и я 1. Лазерный анемометр, содержащий последовательно расположенные лазер, де- флектор, фокусирующую оптическую систему, приемную оптическую систему, фотрприемный тракт, блок обработки сигнала, подключенный к дефлектору, от л и ч а- ю щ и и с я тем, что. с целью расширения функциональных возможностей, дополнительно содержит коммутатор и формирователь управляющих сигналов, при этом блок обработки сигнала выполнен двухканаль- ным, а дефлектор - двухкоординатным, при- чем выход фотоприёмного тракта через коммутатор подключен к; входам блока обработки сигнала, выходы которого через

формирователь управляющих сигналов соединены с управляющим входом коммутатора.

3. Анемометр по пп. 1 и 2, отличающий с я тем, что формирователь управляющих сигналов выполнен в виде двух формирователей строб-импульсов, выходы которых через элемент ИЛИ подключены к интегратору.