Оптический доплеровский измеритель напряжений рейнольдса в потоке жидкости или газа

 

ОПТИЧЕСКИЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ .ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЙ РЕЙНОЛЬДСА В ПОТОКЕ ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА, содержа1ЦИЙ лазер, блок формирования зондирующих лучей с акустооптическим модулятором , фотоприемный блок и систему обработки доплеровского сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения локальности измерений , в него введен квадратор, вход которого соединен с выходом фотоприемного блока, а выход - с системой обработки доплеровского сигнала, а в блок формирования зондирующих лучей введены оптически согласованные с акустооптическим модулятором фокусирующая линза, установленная перед S потоком, и зеркальная фокусирующая система, установленная за потоком на пути одного из зондирующих лучей. ф 1 Од 8

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(5)) С 01 P 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ Ф.

Н ABTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3566566/18-10 (22) 07.01.83 (46) 07.05.84. Бюл. Р 17 (72) Б.С. Ринкевичюс, В.И. Смирнов и А.С. Тимофеев (71) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетический институт (53) 532.574(088.8) (56) 1. Bourke P. J. Q.O. Measurement of Reynolds Shear Stress in

Water by Laser Anemometry. - "DISA

Information", 197 t, Ф 12.

2. Проспект фирмы "DISA Eleectronik", Ф 5505 (прототип). (54) (57) ОПТИЧЕСКИЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ

ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЙ РЕЙНОЛЬДСА

ÄÄSUÄÄ 1091076 A

В ПОТОКЕ ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА, содеркащий лазер, блок формирования зондирующих лучей с акустооптическнм модулятором, фотоприемный блок и систему обработки доплеровского сигнала, отличающийся тем, что, с целью повьппения локальности измерений, в него введен квадратор, вход которого соединен с выходом фотоприемного блока, а выход — с системой обработки доплеровского сигнала, а в блок формирования зондирующих лучей введены оптически согласованные с акустооптическим модулятором фокусирующая линза, установленная перед потоком, и зеркальная фокусирующая система, установленная за потоком на пути одного из зондирующих лучей.

1091076

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения коэффициента одноточечной корреляции между ортогональными проекциями вектора скорости турбулентно- 5 го потока, т.е. относительной величины напряжений Рейнольдса.

Известен оптический доплеровский измеритель напряжений Рейнольдса„ представляющий собой двухкомпонентный лазерный доплеровский анемометр, оптическая схема которого содержит лазер, расщепитель пучка, зондирующую линзу, фокусирующую в потоке три пучка, лежащие попарно в ортогональных плоскостях, приемную оптическую систему в виде двух объективов и фотоприемников. Двухканальный радиоизмерительный тракт содер" жнт в. каждом канале полосовые фильтры, систему частотной демодуляции доплеровского сигнала следящего типа и коррелятор (11.

Однако данная схема характеризует.ся неоднозначностью в определении направления проекций измеряемых скоростей, а следовательно, и знака коэффициента их корреляции. Недостатком ее является и наличие в спектре сигнала, поступаемого с каждого ЗО из двух каналов измерителя, паразитного спектра, расположенного на частотах, соответствующих доплеровскому сдвигу, вследствие малых различий углов сведения ортогональных пар пучков, располагающихся в частотном интервале близком к доплеровским частотам. Такой эффект приводит к нЕопределенности в работе следящих систем, срывам слежения, что в конеч-<О ном счете снижает точность измерения.

Известна схема оптического доплеровского измерителя турбулентных напряжений Рейнольдса, представляющая собой двухцветный лазерный доплеровс45 кий анемометр, содержащий аргоновый . лазер, блок формирования зондирующих лучей с акустооптическим модулятором, фотоприемный блок, систему обработки доплеровского сигнала, а также второй акустооптический модулятор. Таким образом, два акустооптические модулятора позволяют разделить сигналы двух каналов по частоте. Кроме того, имеется фокусирующая в исследуемый поток три луча линза. Рассеянный свет принимается одним объективом, пространственно делится с помощью интерференционных фильтров и направляется на фото.чувствительные поверхности двух фотоприемников. Сигнал, снимаемый с нагрузки каждого иэ двух фотоприемников, поступает в радиоиэмерительный тракт, состоящий из полосовых фильтров, усилителя, системы частотной демодуляции и коррелятора (2).

Недостатком известного измерителя является неполное пространственное совпадение двух пробных объемов оптических каналов измерителя.

Цель изобретения — повышение локальности измерения рейнольдсовых напряжений..

Поставленная цель достигается тем, что в известный оптический измеритель напряжений Рейнольдса в.потоке жидкости или газа, содержащий лазер, блок формирования зондирующих лучей .с акустооптнческим модулятором, фотоприемный блок и систему обработки доплеровского сигнала, введен квадратор, вход которого соеди- нен с выходом фотоприемного блока, а выход — с системой обработки доплеровского сигнала, а в блок формирования зондирующих,лучей введены оптически согласованные с акустооптическим модулятором фокусирующая линза, установленная перед потоком, и зеркальная фокусирующая система, установленная эа потоком на пути одного из зондирующих лучей.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — оптическая схема формирования двух каналов измерения ортогональных проекций вектора скорости, на фиг. 3-5 — спектральные ди" аграммы, поясняющие преобразование сигналов в радиоиэмерительном тракте.

Устройство содержит лазер 1, блок зондирующей оптики, включающий акустооптический модулятор 2, линзу 3. и зеркально-фокусирующее устройство

4 (например, линзу и плоское зерка- . ло), фотоприемный блок, включающий фотоприемник 5, радиоизмерительный тракт, включающий фильтр 6, квадратор 7, вход которого соединен с выходом фотоприемника через фильтр, систему 8 обработки доплеровских сигналов, подключенную к выходу квадратора 9 (исследуемый поток).

Устройство работает следующим образом.

1091076 фиг. 8

fg ft

Per, Х

Луч 1 лазера расщепляется на два зондирующих пучка при помощи модулятора 2, пучки линзой 3 фокусируются на исследуемый поток 9, один из зондирующих пучков отражается в направ— ленни 180 и фокусируется с помощью зеркально-фокусирующего устройства 4 °

Как показано на фиг. 2, вектор чувствительности К является разностью волновых векторов К и К исходных зондирующих пучков. Волновой вектор отраженного пучка К да-. 3 ет в сочетании с волновым вектором

У„ ортогональный вектору К вектор 15 чувствительности К1 . Пучки К и М о пересекающиеся под углом 180, дают паразитный сигнал на низких частотах (К К ), который легко отфильтровывается в радиоизмерительном - 20 тракте. Выбором луча, на пути которого устанавливается зеркально-отражающее устройство, достигается частотное разделение спектров двух доплеровских сигналов относительно частоты модуляции (фиг. 3). Таким образом, пробные объемы измерения пространственно совмещены, так как все три зондирующих пучка лежат в одной плоскости. Рассеянный из проб" Зо ного объема свет собирается фотоприемником 5. Доплеровский сигнал, снижаемый с нагрузки фотоприемника, фильтруется фильтром 6 высоких часщщцдц Заказ 30?4(41

Тираж 823 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгоррд, ул. Проектная, 0 тот и поступает на вход квадратора

7. На выходе квадратора выделяются спектральные компоненты, соответствующие частотам первичных сигналов

f> = Ем+ К Ч и f< = f> — К13V, а также компоненты, соответствующие их сумме и разности f = fy — fq

К„,Ч +К„Ч, Ю+.= Ю,+Ю = П,„+

+ (К Ч вЂ” К Ч). На фиг. 3-5: изображены спектральные диаграммы сигнала на выходе фотоприемника (фиг. 3), на выходе фильтра (фиг. 4) и на выходе квадратора (фиг. 5). Указанные спектральные компоненты могут быть подвергнуты различной радиоэлектронной обработке в блоке 8.

Устройство имеет более простую конструкцию по сравнению с прототипом и не включает в себя дорогостоящих элементов. Расположение зондирующих пучков в одной плоскости, приводящее к повышению локальности и точности измерений, дает возможность использо" вать измеритель для измерений напряжений Рейнольдса и других характеристик турбулентности в цилиндрических и конических моделях, в. то время как применение в таких моделях двухкомпонентных лазерных доплеровских анемо" метров, зондирующие пары пучков которых лежат в ортогональных плоскостях, затруднего вследствие различной реакции зондирующих пучков на стен ках модели.