УСТРОЙСТВО для ИЗМЕРЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ СКОРОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙИ ГАЗОВ Советский патент 1972 года по МПК G01P5/18 

Изобретение относится к измерительным приборам и предназначено для исследования локальных скоростей движения оптически прозрачных жидкостей и газов.

Известно устройство для измерения скорости движения среды в турбулентной атмосфере, содержащее акустические излучатели, соединенные с генераторами электрических колебаний, приемники акустических колебании, подключенные к фазометру.

Однако это устройство позволяет измерять только средние значения скорости движения среды на участке от акустических излучателей до приемников при наличии возмуш,ений, которые излучатели и приемники вносят в исследуемую среду.

Предлагаемое устройство позволяет проводить измерения локальных скоростей движения оптически прозрачных жидкостей и газов без возмущения исследуемой области и отличается тем, что оно снабжено системой фазовой автоподстройки частоты (ФЛП) генератора электрических колебаний, выполненной, например, в виде фазового детектора, к.одному входу которого подключен одии из приемников акустических колебаний, генератора опорной частоты, подключенного ко второму входу фазового детектора, фильтра, ко входу которого нодключен выход фазового детектора, и управляющего устройства-усилителя, ко входу которого присоединен выход фильтра, выход которого подключен к генератору электрических колебаний. Иа фиг. 1 показано предлагаемое устройство; на фиг. 2 - блок-схема одного из каналов предлагаемого устройства, иллюстрирующая принцип его работы.

Акустические излучатели /, соединенные с генераторами электрических колебаний 2, служат для создания акустических волн в локальной области исследуемой среды 5. Приемники акустических колебаний, в качестве которых использованы щлирные фотоэлектрические приборы, содержащие источник света

4, папример ОКГ-13, оптическую систему, пропускающую световые лучи 5 через исследуемый объем среды 3, приемников акустических колебаний 6, например ФЭУ-68, с оптическими ножами. Выходы нриемников акустических колебаний нодключены к фазометрам 7, например типа Ф2-1 (на фиг. 1 ноказан фазометр одного из каналов). Выходы приемников, кроме того, подключены к идентичным снстемам ФАП генераторов электрических колебаний 2

(на фиг. 1 показапа система ФАП одного из генераторов электрических колебаний), выполненных в внде фазового детектора 8, к одному входу которого подключен прнемннк акустических колебаний 6, а к другому входу - геду которого подключен выход фазового детектора 8 и управляющего устройства-усилителя 11, ко входу последнего присоединен выход фильтра 10, подключенный к генератору электрических колебаний 2. Устройство работает следующим образом. От излучателей / в исследуемой среде распространяются акустические волны различных частот, которые, пересекая световые лучи в исследуемой области 3, модулируют их и в результате этого на выходах акустических приемников 6 появляются периодические сигналы частот этих акустических волн, разность фаз которых Аф для каждой волны, измеряемая селективными фазометрами 7, несет информацию о проекции вектора скорости в исследуемой области среды 3, лежащего в направлении распространения данной акустической волны. Мгновенные значения амплитуд электрических сигналов на выходах оптических приемников определяются: f/, f/«sln I C + (t) J C + (t) и с t/0 sin 0) X аЪbe c + F,(-T) c + Vb,(t)y Ubi Uc - мгновенное значение амилитуд электрических сигналов на выходах оптических приемников, полученных в соответственно из точек Ь и с среды; /7о - максимальная амплитуда сигналов; со - частота акустической волны;С - скорость звука в исследуемой среде; Vab(i},(t)-усредненные на участках аЬ и be скорости движения среды; т - время прохождения акустической волной участка be; t - текущее время. Разность фаз сигналов, полученных приемннками из точек Ь и с (Афьс) определяется по формуле (1). лW iC . . AT,. -г- X X у,с (О - аь (О - аь (t - -) Спри Уаь(0; Vbc(0 С. Величина Уаь(t) - Vab(t - т) -- является погрешностью измерений. Она уменьшает локальность измерений, т. к. измеренная разность фаз Афьс зависит не только от скорости движения исследуемой среды на участке be, но и от флуктуации скорости при распространении акустической волны от излучателя до зоны измерения (участок аЬ). Наличие фазовой автоподстройки частоты в измерительной схеме уменьшает влияние этого члена формулы 2 на результаты измерений Афьс. Мгновенная излученная частота акустической волны при работе устройства определяетсяcoi соо (0. где шо - частота опорного генератора; Р - оператор дифференцирования; ф(/)-подстраиваемая фаза генератора электрических колебаний. Частота, принимаемая оптическим приемником в точке b (шь), равна о), ш„+Рср„(0-Яср(-7), где Фи(0 -мгновенное изменение фазы акустической волны на пути ее распространения;Т - время распространения акустической волны от излучателя до приемника в точке Ь. При использовании в качестве фазового детектора неремножителя можно записать (0 -ЙуС08 ср((-Л + (0. где Qy - полоса удержания системы ФАП. Рассмотрим идеализированную систему ФАП с передаточной характеристикой фильтра L (Р) 1 для низких частот. На отрезках времени t Т имеем: (f) - у cos X (t) (t) + TP(i) При одинаковых сигналах на входах фазового детектора его характеристику можно аппроксимировать прямой линией (см. нанр. В. В. Шахгильдян, Л. А. Ляховкин. «Фазовая автоподстройка частоты. М. Связь, 1966г.). В этом случае Р.р(()а-2,Х х{1-| т.«-ГРт(0-). Преобразуя это выражение и обозначая Р(р К, получим дифференциальное уравнеРешая его, имеем: Рср() 2у, у X 11 - ехр (- ( - 2Т t 1 г V QVУ Из него видно, что при Г 00, т. е. система не стабилизир ( P(f) тс - -IT Рассматривая второй случай, имеем: Рср ( - ( Определяя отсюда P(t - Т) при / жно записать: p(f(t - T) ()J Подставляя эту зависимость в вы для принимаемой частоты (шь) получи (0-ГР9ш( рср(где Ф - текущая разность фаз сигн входах фазового детектора. Преобразуя это выражение получим ренциальпое уравнение: (0-ГР(0 (0.ф Решая его имеем: .„,(o Yl-expf- -Y 9«() ovT Отсюда видно, что существуют различные режимы работы измерительной схемы: - - ° «( 2. /- со, Ф + «з; т. е. система ФАП не устойчива и усиливает фазовую модуляцию сигнала оптического приемника, вызванную наличием флуктуации скорости движения среды на участке аЬ: б. .-i 1. 0, Ф ср(); |- + (), 2. г; - со, Ф т. е. система ФАП отрабатывает флуктуации фазы волны на участке аЬ с точностью до TPff(t}. Выведенные формулы позволяют выбрать правильные соотношения между геометрией нрнбора, которая определяет величину Т и характеристиками системы ФАП, которые определяют величину 2,. Предмет изобретения Устройство для измерения локальных скоростей движения оптически прозрачных жидкостей и газов, содержащее акустический излучатель, соединенный с генератором электричс ских колебаний, приемники акустических колсбаний, нодключенные к фазометру, отличающеесп тем, что, с целью уменьшения влияние пульсации скорости движения жидкости или газа на участке от акустического излучателя до приемника, оно снабжено системой фазовой автоподстройки частоты генератора электрических колебаний, выполненной, нанример, в виде фазового детектора, к одному входу которого подключен один из приемников акустических колебаний, генератора опорной частоты, подключенного ко второму входу фазового детектора, фильтра, ко входу которого нолключеп выход фазового детектора и управляющего устройства-усилителя, ко входу которого присоединен выход фильтра, выход которого подключен к генератору электрических колебаний.

i+i-H-f-H-4-м-м А tfiirmiluoruno nnurt Акустическая болно р i