Устройство для измерения характеристикпОТОКОВ Советский патент 1981 года по МПК G01P5/18 

(,54) УСТРай СТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ХАРАКТЕРИСТИК пЬтокА

I

Изобретение огносигся к измеритель ной технике и может быть использовано для исследования параметров потоков 5кийких и газообразных сред.

Известны устройства для измерения характеристик потока, содержащие два, генератора, соединенные с ультразвуковыми излучателями, и приемник ультразвуковых колебаний, соединенный с фазоразностной измерительной схемой fl.

Эти устройства могут измерять catoрость ультразвука в среде и среднюю скорость движущейся среды в закрытом объеме от одного излучателя к Другому. Однако они не позволяют измерять одйо временное распределение локальной скорости потока и скфости ультразвуки,

Наиболее близким к изобретеншо, по технической сущности и достигаемому рвтзультату является устройство дпй измерения характеристик потсяса, содержащее генератор частот, два упьтразвуковызс из- луч1атёля, трубопро18одисследуемого вогоМ WTip iaraffim (зтешсами, приемннк

.ультразвуковых колебаний, состоящий из источника когерентного излучения - ОКГ н фотоприемника, расположенных по разные стсЧ5оны от трубопровода с прозрачньши стенками, и фазоразностную измерительную систему 2.

Недостатком устройства является невозможность определения двух компсжент вектора скорости локального объема, а также невысокая точность измерения характеристик потока.

Целью, изофетення является однЬвремеяное определение двух компонент вектора ckcpocTH потока и повъпиение точности измерения.

Это достигается тем, что в известное устройство введен дополннгельньй ультразвуковой излучатель, расположеннъгй перпендикулярно даум другим излучателям, ориентированнШ вдоль вектора средней скорости потока, а приемник ультразвуковъйс колебаний дополнительно снабжен фотоприекдашсом с крестообразной апертурной диафрагмой и блоками фильтров.

при sTojvf моделирующие электроды фотоэлектроииых умножигепей подключены к

вькодам генератора, а выходы фотоэлектршных умножигелей через с(х твегсгвующие фильтры - к входам фазометров, выхр-

rtoYcpbix йодключены к верёсчетному устройству. Приемник иёлученйяТ ультразвука снабжён дополнительно двумя фото 1рШШ рШйГ с ШоЖёЖнШ Г .....,.

адов, отраженных от кpecтoc)фaiЗftьix диа- ю фратм, расположенных под углом 45® к пучкам лазера и снабженных зеркально отражающими крестоофазными полосками,

Ширйна которых относительно основного креста диа(рагмы равен половине 15 ДЛИНЫ волны улгьтразвука, а в фазоразностной Измерительной схеме комплекты фильтров соедннень с фазометрами через дополнительно в;веденные схемы вШйгания, входы которых подкгаочены к фильтрам оди-20 наковых частот, а вькоды фильтфЪвсоединены с блоком аётоподстройки лазера и ФЭУ. ; . - ;

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; фиг. 2 - дано се- -is чениё А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - изображен вид Б на фиг. 1.

Устройство содержит генератор 1, соединенный с у;льтразвуковым излучателями 2, 3 к 4 (фиг. 2). -..... -JO

. Направление излучения излучателя 2

Шр1ёй;Шйулярно излученюо двух других, а ,

излучатели 3 и 4 развернуты, чтобы излучение ortioro из них не отражалось от другого. По разные стороны от трубопро- 35 вода с прозрачными стенками 5 расположены источник 6 когерентного света, делитель 7 с отражающими зеркалами 7, крестообразные диафрагмы 8 с крестообразнь1ми полосками 8; фотоприемники 9, 4D

J 10,11 и 12. i ;

К каждому фотопрйемнику подклйчено по комплекту фильтров 13,14,15,16, каждый на которых состоит из трех одйнаковых фильтров 17, 18, 19, настроенных не частоты ультразвуковых излучателей f fa.1 {-:} Выходы одннаковьк фильтров , на которые приходит электрический сигнал с ФЭУ, пропорциональный светово- 50 MyrtoToky одного оптического луча, под7. ключены к разностным схемам 20,21,22, а выходы фильтров, на когфь1е 1рйх6дит электрический сигнал с ФЭУ, про орцио- , нальньй световому потоку другого опти ческого луча, пойключены к разнсгстным , схемам 23,24,25. Разностные схемы , одинаковьгх частот подключены к фёЭо- ,

6729D3

метрам 26,27,28, выход которых подключен к пересчетному устройству 29.

Кроме тсйго, выходы двух одинаковых фильтров комгатектов 13,14 подключены к схеме ЗО суммирования, а выходы двух одинаковых фильтров комплектов 15, 16 подключены к схеме 31 суммирования. В свою очередь выходы схем ЗО и 31 подКлточёнь КОвходам третьей схемы 32 суммирования и разностной Схемы 33. Вых од. схемы 32 подключен к ОКГ 6, а выход схемы 33 - к одной из пар ФЭУ, работающих по одному оптическому лучу, например, к ФЭУ 9, Ю. Модулирующие электроды, ФЭУ 9,1О и 11,12 соединены раздельно с выходами генератора 1.

Устройство работает следующим образом.

-При работе генератора 1 на частотах , , ;, в исследуемом объеме среды с помощью излучателей 2,3,4 создается режим бегущих акустических волн, на которых дифрагирует когерентное излучение приемника ультразвуковых колебаний. Если до вхЪда в зсиу пересечения; ультразвуковых волн излучение ОКГ имело частоту i.f, , то на выходе оно будет иметь fj.. tuff где - частота ультразвуковых колебаний VI 0,1,2... При модуляции светового .излучения одновременно Другим полем ультразвука с частотой 2 на вьосоде зоны пересечения ультразвука будут содержаться и световы пучки с частотами -Е + i 2 сложении отдельных пучков с разными частотами в плоскости-дифр акции, например ij.. + ( ), образуется бегущая интерферендирннйя картийа ультразвукового поля. . . . ; : I ;;

Настраивая фйльтры на частоту ульт-развуковых колебаний, можно следить за изменением разности фаз этих колебаний в двух точках исследуемой среды, которая рйвна;

%.cW

(1)

5 - расстояние между двумя точкагдеми исследуемой средьц С - скорость ультразвука; V - скорость потока. С другой стороны распространение ультразвукового поля в обратном направлении можнЬ записать уравнением

,. у2.(2)

Задаваясь определенным направлением компоненты скорости V потока, совпаДа1бщим с нафавлением излучения ульт 6развука частоты J, и решая полученную систему урапиеций огносигельно С и У находим , C--1CS , Для нахождения вгфой компоненты вектора скфости,. например в направлении дополнительного ультразвукового тфиемни ка, изменяется разность фаз между двумя точками; (4) Решая это уравнение относительно ком поненты скорости Vy и подставляя скорос ультразвука С, находим V , ,) Все величины в уравнениях (3), (5) известны и измеряются с помощью схемы (фиг. 1), Ввиду того, что глубина модуляции излучения при сложении двух пучков мила и составляет несколько процентов, для увеличения сигнала, котфый попадает на вхо фазометров, крестообразные диа4рагмы 8 снабжены отражающими крестообразными полосками 8 . Свег, отраженный от ниx попадает на дополнительные фотоприемни|ки 10,11, Электрические сигналы фотоприемников 9,10 по одному оптическому каналу равны и сигналы других фогоприем ников 11, 12 по другому оптическому ка налу равны. Таким образом, электричес- кие сигналы одинаковых частот, пройдя фильтры комплектов, складьшаюгся и на выходе схем вычитания увеличивай ся в два раза, тем самым пЬвышаегсЯ отношение сигнал/шум в два раза. л. С выхода фазометра получают сигналы пропорциональные разности фаз ультразвуковых колебаний, пересекающих лазера. Эти сигналы поступают в пересче тное устройство , которое согласно прйведенным формулам непрерьшно выдает значения С, V и Vy ./ Вторым существенным факгсром повыщения точности измерения укаааиньйс параметров является стабилизация уровня излучения приемника ультразвуковых колебаний и поддержание посгояниого снгнала на выходе ФЭУ при постоянном уровне излучения лазера.

3 Для этого электрические сигналы с фильтров одного оптического кайала пода,ют на схему 30 суммирования, второгона другую схему 31. При сложении выходных сигналов в схеме 32 мьг получаем электрический сигнал, пропорциональный излучению лазера, который поддерживает автоматически постоянньй уровень вьрсодной мощности источника 6 излучения, а сигнал, пропорциональный изменению разности сигналов с сумматоров, поступает на модулирующие электроды фотоэлектрических преобразователей, например 11,12, и тем самым сигналы с фотопреобразователей двух каналов поддерживаются равными. Формула изобретения Устройство для измерения характеристик Потока, содержащее генератор частот, два ультразвуковых излучателя, трубопровод исследуемого потока с прозрачными, стенками, приемник ультразвуковых колебаний, состоящий из Лазера и фотоэлектрического умножителя с блоком автоподстройки, расположенных по разные стороны от исследуемого потока, фазфазностную систегиу с фазометрами и пересчетное устройство, отличающееся тем, что, с целью одаовремерного определения двух компонент вектора локальной скорости потока, в устройство введен дополнительньгй ультразвуковой излучатель, расположенный перпендикулярно. . двум другим излучателям и ориентированный вдоль векгфа средней скорости потока, . а приемник ультразвуковых колебаний дополнительно снабжен фотоприемником с крестообразной апертурной диа4рагмой и блоками фильтров, при этом модулирующие электроды фотоэлектронных умножителей подключены к выходам генератора, а выходы фотоэлектронных умножителей через соответствующие фильтры - к входам фазометров, вьЕхоДы которых подключены к пересчетному устройству. 2, Устройство по п. 1, о т л и ч а ющ ее с я тем, что, с целью повышения точности приемник излучения ультразвука снабжен дополнительно двумя фотоэлектронными умножителями, -а анертурные диафрагмы снабжены зеркально отражающими ортогональными полосками, ширина которых и сдвиг относительно основного кресга диафрагмы раве1н половине длины волны ультразвука,в фазоразностную измеритель7 6729938

kyio схему введены комплекты фвльтрсюИсточники информации,

одинаковых частот, соединенные с фазо- ,принятые во внимание при экспертизе

кЯетрайн через дополнительно введенные .

схемы вычитания, входы которых поп-1. Ноубл. Двухчастотный ультразвукоключены к фильтрам оДииаксюых частот,5 вой расходомер. - Приборы для научных

а выходы фильтров соединены с блетсомисследований, 1968, № 9, с. 83.

;автоподстройки лазера и фотоэлектронного2, Авторское свидетельство СССР

умножителя,№ 498552, кл. G-O1 Р 5/ОО, 1976.

t-.-.f- -f - -----/ t/4u ОНГ

8