Доплеровский анемометр

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в лазерной доплеровской анемометрии для автоматического измерения скоростей различных потоков. Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых скоростей без расширения полосы входного фильтра и повышение точности измерения мгновенной скорости потока при анализе потоков с различной концентрацией рассеивающих центров. Сущность предлагаемого анемометра временного типа заключается в формировании измерительного объема устройства на основе ряда ультразвуковых модуляторов с фильтрацией выходного сигнала фотоприемника и формированием временного аналога исследуемого доплеровского сигнала с последующим многоканальным временным анализом каждого периода сформированного временного аналога. Далее измеренным мгновенным значением периодов вычисляются мгновенная скорость потока, средняя скорость и ее дисперсия. 2 ил.

СОЮЗ COBEE ÑÊÈÕ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 6 01 P 5/00

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Г с

ill II Ф

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

О (21) 4704297/10 (22) 14.06.89 (46) 23.08.91. Бюл. N 31 (71) Белорусский государственный университет им. В.И.Ленина (72) И,А.Малевич и С.И. Чубаров (53) 681.89 (088.8) (56) Тиль В.В. Оптические методы исследования процессов горения. — Минск; Наука и техника, 1984, с. 80-81. (54) ДОПЛЕРОВСКИЙ АНЕМОМЕТР (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в лазерной доплеровской анемометрии для автоматического измерения скоростей различных потоков. Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в лазерной доплеровской анемометрии для автоматического измерения скоростей различных потоков.

Целью изобретения является расширение диапазона измеренных скоростей без расширения полосы входного фильтра и повышение точности измерения мгновенной скорости потока при анализе потоков с различной концентрацией рассеивающих центров.

На фиг. 1 приведена структурная схема доплеровского анемометра временного типа; на фиг. 2 — временной аналогдоплеровского процесса, „„Я2 „„1672380 А1 скоростей беэ расширения полосы входного фильтра и повышение точности измерения мгновенной скорости потока при анализе потоков с различной концентрацией рассеивающих центров. Сущность предлагаемого анемометра временного типа заключается в формировании измерительного объема устройства на основе ряда ультразвуковых модуляторов с фильтрацией выходного сигнала фотоприемника и формированием временного аналога исследуемого доплеровского сигнала с последующим многоканальным временным анализом каждого периода сформированного временного аналога. Далее измеренным мгновенным значением периодов вычисляются мгнованная скорость потока, средняя скорость и ее дисперсия. 2 ил.

Доплеровский анемометр содержит непрерывный лазер 1, ультразвуковой модулятор 2, диафрагму 3, линзу 4, два дополнительных ультразвуковых модулятора 5 и 6, перестраиваемую диафрагму 7, передающую 8 и приемную 9 оптику, фотоприемник 10, фимльтр 11, преобразователь частота-напряжение 12, пороговый формирователь 13 временного аналога доплеровского сигнала, измеритель временных интервалов 14, синтезатор частот 15, буферное запоминающее устройство (БЗУ) 16 и микроЭВМ 17.

Выход фотоприемника 10 соединен с входом фильтра 11, выход которого соединен с входами порогового формирователя

13 и преобразователя частота-напряжение

1672380

12. Выход порогового формирователя 13 соединен с последовательно включенными измерителем временного интервала 14, БЗУ

16 и микроЭВМ 17, Выход преобразователя

12 соединен с первь.м входом синтезатора 5 частот 15, первый выход которого соединен с входом ультразвукового модулятора 2, а два других выхода — с соответствующими входами двух дополнительных ультразвуковых модуляторов 5 и 6. Выход микроЭВМ 17 10 соединен с вторым входом синтезатора частот 15.

Анемометр работает следующим образом.

Световой пучок от непрерывного лазера 15

1 поступает на ультразвуковой модулятор 2, в котором возбуждена акустическая волна с помощью синтезатора частоты 15. Вследствие взаимодействия лазерного излучения с акустической волной в модуляторе на его 20 выходе световое излучение претерпевает частотный сдвиг и расщепляется на ряд пучков. Частота выходного оптического излучения при этом равна

Q1 =Q, пЯ„1, где Й, — частота оптического излучения лазера;

Я1 — частота накачки ультразвукового модулятора 7.; и — порядок дифракции.

Угол между расщеп енными пучками зависит от частоты н :ачки модуля;ора и раьен

Яо f1 1

slnOi = n — = и —,-С41, V 35 где — скорость ультразвука в модуляторе;

)<, — длин"", волны ла"-.åðà:

С

o=

Расщепленные пучки проходят диаф- 40 рагму 3, линзу 4, фокус которой совмещен с точкой расщепления светового луча B ультразвуковом модуляторе 2, Световой поток, прошсдший линзу 4, предо;авляет собой два параллельных пу1ка, которые поступа- 45 ют на оптические входы ультразвуковых модуляторов 5 и 6, на которых осуществляются дополнительный частотный сдвиг и расщепление каждого входного светового пучка.

Частота выходного оптического излучения ультразвуковых модуляторов 5 и 6 а =-а+и Р.л+и а„;

Gb ==n — nn1+ п й.з и углы между расщепленными пучками при этом равны

sing = n — ߄2

Ь э1п = и —,, 3

Далее расщепленные пучки проходят передающую оптику В и перестраиваемую диафрагму 7, где осуществляется выбор соответствующих расщепленных пучков после ультразвуковых модуляторов 5 и 6 и выбранные пучки пересекаются в требуемой точке исследуемого потока, формируя интерференционную картину в плоскости пересечения. Рассеянное излучение от движущихся частиц потока собирается приемной оптикой 9 и детектируется фотоприемником 10.

Частота выходного сигнала фотоприемника после фотогетеродинирования равна

Я ) = 2n Яп1 + n Qny + n Omg + Nd, где n) d — доплеровский частотный сдвиг, определяемый скоростью движения частиц потока, в d = 2(Ю)э1па, где v скорость потока; г. — длина волны оптического излучения;

sine — масштабный коэффициент преобразования, который численно равен частотному сдвигу яоплеровского сигнала при изменении скорости потока на единицу, Для предлагаемой оптической схемы а1 и а, определяют следующими соотношеНИЯК1И:

f1tg01 + 219ОЗ

Ща1 з т1 9 1 + f2tg Z

tg< <2 з где f1 f2,f3 — фокусные расстояния соответствующих линз.

Такое построение оптической схемы доплеровского анемометра позволяет осуществить перенос выходного сигнала фотоприемника в требуемую временную (спектральную) область соответствующим выборОМ Ani,Я;,2,Ч,ЗИ тЕМ СаМЫМ ОСущЕСтВИтЬ расширение динамического диапазона устройства эа счет сжатия выходного частотноI о диапазона фотоприемника при одновременном удержании час оты доплеровского сигнала в полосе входного фильтра синхронным изменением масштабного коэффициента sinai, который является функцией частот управления Any,G4s, Это расширяет диапазон исследуемых скоростей без изменения полосы пропускания входногп фильтра. Использование перестраиваемой диафрагмы 7 также позволяет осу цествлять дискретное расширение диапазона регистрируемых скоростей за счет выбора соответствующих расщепленных пучков после ультразвуковых модуляторов

5 и 6 (грубая перестройка диапазона), а внутри э1ого диапазона осуществлять плавное с ежение эа доплеровской частотой, 1677380

55

Выходной сигнал фотоприемника 10 фильтруется и поступает на вход преобразователя частота-напряжение 12. При этом синхронно с изменением выходной частоты фотоприемника 10 происходит изменение выходного напряжения преобразователя частота-напряжение 12, которое управляет частотой синтезатора частоты 15. При достижении выходным напряжением преобразователя частота-напряжение 12 заданных определенных пороговых уровней происходит изменение выходной частоты синтезатора частот, что изменяет углы схождения оптических пучков и значение масштабного коэффициента з)псе Таким образом, осуществляя удержание дог леровской частоты в полосе входного фильтра и сжатие выходного частотного диапазона фотоприемника предлагаемыи анемометр позволяет расшири ь динамический диапазон исследуемых скоростей потоков беэ изменения по locbi пропускания фильтра 11.

Отфильтрованный доплеровский сигнал поступает одновременно и на вход порогового формирователя 13, где осуществляется формирование временной последовательности импульсов, передний фронт которых совпадает во времени с моментом пересечения порошкового уровня

Ungpk0 входным сигналом, а задний фронт— с моментами пересечения нулевого уровня выходным сигналом. Пороговый формирователь представляет собой триггер Шмидта с управляемым порогом переключения

Unop 0 и порогоом опускания, равным нулю. Критерием установки U<> является максимально допустимый уровень помех.

Формирование временного аналога доплеровского сигнала на осНоее пороговой дискретизации доплеровского процесса с нулевым порогом срабатывания позволяет повысить точность преобразования gonneровского сигнала в его временной аналог за счет исключения погрешности преобразования, обусловленной случайным характером амплитудной модуляции с Опор О.

Сформированный временной аналог доплеровского процесса содержит в себе всю информацию о доплеровских флуктуациях, как кратновременных. в виде приращений кэпждого периода временного аналога, так и долговременных, в случае осреднения по ансамблю реализаций (см. фиг. 2).

Сформированная временная последовательность доплеровских периодов поступает на цифровой измеритель временных интервалов 14. где измеряются последовательные временные интервалы между задними фронтами сформированных импульсов нулевого уровня и соответствующий цифровой код Т1 запоминается в БЗУ

16. Измеренные значения каждого периода

TJ доплеровского сигнала (массив в ЭВМ) представляют собой мгновенную скорость потока. Измерение каждого доплеровского периода позволило исследовать потоки как с высокой (непрерывныи доплеровский сигнал), так и с низкой (доплеровский сигнал представляет собой рэдиоимпульсы) концентрацией рассеивающих центров без ухудшения точности анализа. Далее в ЭВМ по измеренным мгновенным значениям скорости TJ строится гистограмма функции распределения мгновенных значений Т1 в соответствии с правилом н;(т)= (1при1йТ <,j (1) h Т 0пру Г < т, Т ) (g +-1) Т где TJ — J-й отсчет периода;

ЛТ вЂ” ширина дифференциального канала гистограммы;

1 = О, 1, 2, — номер дифференциального канала гистограммы.

Далее из гистограммы вычисляются среднее значение скорости и ее дисперсия.

Формула изобретения

Доплеровский анемометр, содержащий лазер, ультразвуковой модулятор, диафрагму, передающую и приемную оптику, фотоприемник, фильтр и вычислитель, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых скоростей и повышения точности измерения мгновенной скорости потока, в него введены два дополнительных ультразвуковых модулятора, линза, перестраиваемая диафрагма, пороговый формирователь временного аналога дсплеровского сигнала, преобразователь частота-напряжение, сигнализа ор частот, буферное запоминающее устройство, при этом оптический выход лазера соединен с оптическим входом ультразвукового модулятора, а выход последнего оптически связан через диафрагму и линзу с оптическими входами второго и третьего дополнительного ультразвуковых модуляторов, выходы которых через перестраиваемую диафрагму и передающую оптику связаны с фотоприемником через приемную оптику, выход фотоприемника через фильтр связан с входом преобразователя частота — напряжение и одновременно входом порогового формировэтеля временного аналога доплеровского сигнала, а выход последнего подключен к входу измерителя временных интервалов, выход которого связан с входом буферного запоминающего устройства, соединенного с вычислителем, при этом выход последнего

1672380 связан с вторым входом синтезатора, первый вход которого связан с выходом преобразователя частота-напряжение, а выходы синтезатора частот — с соответствующими электрическими входами ультразвуковых модуляторов.

1672380

ХИ

>i% r j

Редактор Т.Иванова

Заказ 2837 Тираж 328 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 4орФО от =0

Составитель А.Детков

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М.Кучерявая