Способ определения локальнойСКОРОСТи СРЕды Советский патент 1981 года по МПК G01P5/24 G01F1/66 

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения локальной линейной и массовой скоростей среды в потоке жидкостей и газов.

Известны способы определения локальных скоростей среды посредством облучения исследуемой среды импульсами акустической энергии, создания в движущейся среде тепловых меток, детектирования вторичного (рассеянного) излучения от областей тепловой метки приемником и выделения допплеровского сдвига .частоты, несущего информацию о линейной скорости среды 1 и.2.

Недостатком известных способов является невозможность определения ими массовой скорости среды.

Цель изобретения - определение массовой локальной скорости.

Это достигается тем, что облучение среды проводят сериями импульсов по два в каждой с различными частотами, и по взаимодействию первых импульсов серии определяют линейную локальную скорость среды, по взаимодействию вторых - локальную плотность, а по совокупности вторичных излучений всей серии - локальную массовую скорость среды.

Сущность способа заключается в следующем.

В движущуюся среду контактным или бесконтактным способом вводятся импульсы от двух излучателей, расположенных под углом друг к другу в покоящейся среде, имеющих близкие несущие ультразвуковые частоты и направленных в локальную область, в которой предполагается измерить локальную массовую скорость. Импульсы посылаются сериями, по две в каждой. В области пересечения пучков вследствие нелинейного взаимодействия колебаний несущих частот импульсов (частот заполнения) будет генерироваться вторичное (квадратичное) излучение, которое может быть наблюдаемо вне области взаимодействия пучков. Вторичное излучение, возникающее вследствие взаимодействия первых

импульсов серии, будет иметь допплеровское смещение частоты относительно частоты вторичного излучения в покоящейся среде, по величине которого -находится локальная скорость.

Прохождение первых импульсов серии через исследуемую локальную область „вызывает изменение температурных условий взаимодействия вторых импульсов серии. Это обстоятельство используется для определения локальной плотности. По значениям локальной скорости и плотности Находится локальная массовая скорость.

Интервал времени то между запуском первых и вторых импульсов серии выбирается таким, чтобы к моменту прихода вторых импульсов серии расширение области взаимодействия еще не началась (или было еще очень незначительным). Тогда взаимодействие вторых импульсов серии будет происходить на фоне релаксапионного процесса расширения (а затем сжатия) среды в области взаимодействия, происходящего

с некоторой скоростью Ко . Интервал т, характеризующий этот температурный релаксационный процесс, будет равен промежутку времени между состоянием, соответствующим минимальному () значению объема области взаимодействия и максимальному (Vo также равно нулю) и наоборот. В промежутках времени, когда V

не равна нулю (), локальная область взаимодействия будет сначала расширяться, а затем вследствие диссипации энергии сжиматься, причем плотность среды в этой области будет изменяться со скоростью Vo пропорциональной скорости изменения объема. Во время расширения (сжатия) среды, т. е. когда Vo не равно нулю ( ), условие синхронизма вторичного излучения (т. е. излучения разностной частоты (02 с допплеровским сдвигом Йд, обусловленным только наложением потока) будет нарушено, так как «источники вторичного излучения при расширении (сжатии) среды будут перемещаться в противоположные, относительно некоторой оси симметрии (или точки симметрии), стороны и часть из них (например, левая) будет иметь скорость V-Vo, другая часть (правая) - скорость У+УО. Следовательно, вторичное излучение частоты Q-Уо будет минимальным вплоть до первого равновесного состояния, когда Уо будет равна нулю (). В этом состоянии условие синхронизма для всей области взаимодействия будет выполняться и будет наблюдаться «всплеск вторичного излучения. При последующем сжатии области взаимодействия условие синхронизма вследствие движения среды будет снова- нарушено, вторичное излучение частоты Йд будет минимальным вплоть до прихода среды в этой области в новое равновесное состояние (снова ). По интервалу времени между двумя «всплесками вторичного излучения в моменты, когда Уо 0, определяется время релаксации т.

Запуск второй серии импульсов производится через интервал времени Тп, за который в место пересечения пучков попадает новая порция среды, также имеющая температуру Т(о). Процедура определения локальной скорости и плотности будет такой же, как и для первой серии. Все последующие серии вторых импульсов будут давать информацию об изменении локальной плот5 ности, Определяемой плотностью среды в этой области, т. е. по значению изменения : плотности, получаемому от взаимодействия вторых импульсов второй и последующих серий, начальным значениям ро и соответ 0 ствующему этому значению ро изменению плотности, может быть определена локальная плотность среды в моменты времени, определяемые временем запуска вторых и последующих серий импульсов. 15 В режиме теплового расширения области взаимодействия длины взаимодействующих в ней волн будут изменяться (увеличиваться или уменьщаться, относительно их значений при температуре Г(о), в зависимо0 сти от того, будет ли скорость распространения в данной среде звука увеличиваться или уменьщаться с увеличением температуры), что приведет к изменению направления излучения, а также длительности им5 пульса вторичного излучения относительно направления излучения и длительности импульса от взаимодействия первых. Следовательно, определение локальной плотности можно производить и по углу отклоне0 ния вторичного излучения, а также по изменению длительности импульса от направления вторичного излучения от взаимодействия первых импульсов серии.

На чертеже дана структурная схема уст5 ройства, с помощью которого реализуется предложенный способ.

Устройство содержит два излучателя ультразвуковой части 1 и 2, соединенных с генераторами 3 и 4, приемную пластину 5, 0 фильтр-выпрямитель 6, усилитель 7 и измеритель допплеровского сдвига 8, устройство сравнения 9, устройство обработки сигнала 10.

Устройство работает следующим обра5 зом.

Два первых импульса первой серии частоты И и «2 от излучателей 1 и 2 направляются в исследуемую локальную область. Вторичное излучение из этой области попадает на приемную пластину 5. После приемной пластины сигнал проходит фильтрвыпрямитель 6, усилитель 7 и измеритель допплеровского сдвига 8.

Через интервал времени TO после запуска 5 первых импульсов первой серии запускаются вторые, к моменту прихода которых в исследуемую локальную область расширение этой области еще не началось (пренебрежимо мало). Если известны начальные 0 значения Т (о), У (о), ро, то по измеренному значению Ть равному интервалу времени от момента прихода равновесного состояния среды в ней (когда расщирение максимально), и найденному значению находит5 ся изменение локальной плотности. При

последующем сжатии области взаимодействия ио времени Т2, равному величине интервала времени между состоянием, в котором область взаимодействия имела максимальное расширение, и новым равновесном сосостоянием, может быть нроведена корректировка полученного неред этим значения fTi (а значит и локальной нлотности). Сигнал вторичного излучения от взаимодействия вторых импульсов, пройдя через фильтр-выпрямитель, усилитель и измеритель допплеровского сдвига от вторичного излучения, происходящего при взаимодействии первых импульсов, попадает на устройство 9 сравнения для определения Vo и времени релаксации п:.

Полученная информация вместе со значениями исходных параметров подаются в устройство 10, где происходит их обработка и запись результатов, например в виде мгновенных значений локальной массовой скорости.

При измерениях локальной массовой скорости среды, имеющей температурные неоднородности, приемное устройство должно иметь конструкцию, позволяющую производить измерения (помимо допплеровского сдвига) изменения направления вторичного излучения. Последнее можно осуществить, например, с помощью набора изолированных друг от друга пластин достаточно малого размера, имеющих фиксированные координаты в системе: излучатели, исследуемая локальная область.

Реализация предлагаемого способа может быть также осуществлена при использовании не акустических, а оптических излучателей, если исследования проводить в оптически прозрачной среде.

Формула изобретения

Способ определения локальной скорости среды путем импульсного облучения среды двумя акустическими излучателями, расиоложенпыми иод углом друг к другу, создания в исследуемой области тепловой метки, детектирований вторичного излучения от метки и выделения допплеровской частоты, отличающийся тем, что, с целью определеиия массовой локальной скорости, облучение среды проводят сериями импульсов по два в каждой с различными частотами, и по вторичному излучению, получаемому от взаимодействия импульсов первой и второй серии определяют массовую локальиую скорость среды.

Источиики информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США № 2770795, кл. 340-3, опубл. 1937.

2.Авторское свидетельство СССР № 532819, кл. G 01Р 5/06, 1976 (прототип).

if