Способ измерения скорости потока жидкости или газа
Изобретение относится к области измерения скорости, в частности к измерению скорости потока жидкости или газа путем измерения времени, затраченного на прохождение заданного расстояния. Сущность: посредством сфокусированного лазерного луча в потоке создают метки, регистрируют их и определяют время прохождения этими метками заданного расстояния. При этом метки создают возбуждением частиц среды двухчастотным импульсным лазерным излучением на комбинационной частоте. Регистрацию прохождения метками заданного расстояния осуществляют путем периодического зондирования среды импульсным сфокусированным лазерным излучением. При этом зондирование производят с переменной задержкой по отношению к моментам создания меток. Фиксируют время задержки, при которой метка попадает в зондирующий луч. Технический результат: повышение точности измерения и расширения диапазона в сторону увеличения измеряемых скоростей. 1 ил. 
Изобретение относится к области измерения скорости, в частности к измерению скорости потока жидкости или газа путем измерения времени, затраченного на прохождение заданного расстояния.
Изобретение может быть использовано в аэро- и гидродинамических системах, сверхзвуковых соплах, мощных газодинамических лазерах.
Известны способы измерения скорости потока путем внесения в поток мелких объектов (пластмассовых шариков, пузырьков газа), увлекаемых потоком, и фотографической регистрацией их перемещения (см. Дубовик А.С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов - М.: Наука, 1975 г., с.23-26).
Недостатки указанных способов: необходимость внесения в поток инородных объектов; неполное увеличение их потоком, особенно сильно проявляющееся в сверхзвуковых и разреженных газовых потоках; всплывание "меток".
Известны способы измерения скорости потока путем создания "меток" воздействием на саму среду с помощью нагревания (см. авторское свидетельство СССР №610024, кл. G01P 5/18, 1976 г.) или ионизации (см. авторское свидетельство СССР №248358, кл. G01P 5/00, 1968 г.).
Недостатки этих методов: изменение состояния вещества в области «метки», которое может приводить к возмущению потока; недостаточная пространственная локализация «меток».
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому при использовании положительному эффекту к заявленному техническому решению является принятый за прототип способ измерения скорости потока путем создания «меток» лазерным возбуждением областей свечения во флуоресцентной среде (см. C.Y.She, W.M.Fairband, Jr., and K.W.Billman, Optics Letters, v.2, 1978, p.30) и последующей регистрации их перемещения фотографическими методами.
Однако недостатками прототипа являются:
- способ применим только для флуоресцентных сред,
- недостаточная локализация светящихся областей, связанная с тем, что свечение возбуждается на всем пути лазерного луча через среду, что ограничивает точность измерений,
- ограниченный диапазон измеряемых скоростей потока, связанный с особенностями фотографического способа регистрации.
Целью настоящего изобретения является расширение перечня изучаемых сред, повышение точности и расширение диапазона измеряемых скоростей потоков жидкостей и газов.
Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения потока жидкости и газа, включающем возбуждение частиц лазерным излучением и регистрацию времени прохождения ими заданного расстояния, возбуждение производят импульсным двухчастотным лазерным излучением на комбинационной частоте. Сущностью способа является то, что для создания «меток» используется линейно-оптический эффект двухчастотного комбинационного возбуждения частиц среды (атомов, молекул). Возбуждение осуществляется двумя импульсными лазерными пучками, совпадающими по времени и совмещенными в пространстве, сфокусированными в среду. Лазерные пучки имеют частоты, комбинация которых (сумма, разность) совпадает с частотой одного из комбинационно-активных переходов частиц среды.
Заявляемым способом можно возбуждать многие чистые жидкости и газы внесения в поток каких-либо добавок, представляющих собой механические частицы или атомы флуоресцирующего вещества. В частности, можно возбудить любой из компонентов смеси мощного газодинамического лазера. Ввиду высоких температур смеси, достигающих 2500K, высоких скоростей потоков, выходящих в сверхзвуковой диапазон, а также жестко заданного состава смеси другие способы измерения скорости потока неприменимы. Частицы среды возбуждаются в пределах области фокальной перетяжки пучков, где интенсивность излучения максимальна, что является прямым следствием нелинейности используемого физического эффекта. Область возбуждения при этом имеет размеры 20 мкм×20 мкм×3 мм, что недостижимо другими методами. Уменьшение размеров «метки» по сравнению с размерами «меток» в известных методах в 10÷100 раз позволяет во столько же увеличить точность измерения скорости.
Заявляемый способ возбуждения является неконтактным и допускает создание «метки» в любой точке зондируемого потока, что также делает метод единственно применимым в мощных газодинамических лазерах, в которых геометрия поверхностей сверхзвуковых сопел и каналов жестко задана и не может быть нарушена какими-либо средствами измерения. Введение возбуждающего луча в газодинамический поток лазера может осуществляться через «газодинамические окна», методика создания которых хорошо отработана. Возбужденная область невидима и может быть зарегистрирована только с помощью спектрометра Рамана, использующего те же нелинейно-оптические эффекты, что и система возбуждения, и являющегося дистанционным локальным средством диагностики среды. В заявляемом способе используются характеристики спектрометра, не связанные собственно со спектроскопией, а именно: локальность области зондирования, сравнимая с размерами "метки", и короткое время зондирования. Время зондирования определяется длительностью лазерного импульса спектрометра (10÷20 нс) и на четыре порядка короче реально достижимого времени регистрации фотографическим методом. Малые размеры "метки" и области зондирования в сочетании с коротким временем зондирования позволяют регистрировать скорости потока как в дозвуковой, так и в сверхзвуковой области, что выделяет заявляемый способ среды аналогичных, рассчитанных на применение в узких диапазонах допустимых скоростей. Способность регистрации сверхзвуковых скоростей имеет большое значение для диагностики потоков мощных газодинамических лазеров.
Авторам не известны технические решения, содержащие совокупность признаков, изложенных в отличительной части формулы изобретения.
Пример конкретного выполнения способа
Способ может быть проиллюстрирован на примере устройства, его реализующего. На чертеже представлена оптическая схема устройства. На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - источник двухчастотного возбуждающего лазерного пучка,
2 - возбуждающий лазерный пучок,
3 - фокусирующая линза,
4 - поток жидкости или газа,
5 - источник регистрирующего лазерного пучка,
6 - регистрирующий лазерный пучок,
7 - фокусирующая линза,
8 - дихроичное зеркало,
9 - сигнальный луч,
10 - коллимирующая линза,
11 - регистрирующий прибор,
12 - фокальная перетяжка возбуждающего пучка,
13 - фокальная перетяжка регистрирующего пучка.
Устройство состоит из узла возбуждения среды и узла регистрации области возбуждения. Узел возбуждения состоит из источника 1 импульсного двухчастотного лазерного пучка 2, линзы 3, фокусирующей пучок в среду 4. Узел регистрации области возбуждения представляет собой спектрометр Рамана, включающий в себя источник 5 импульсного лазерного пучка 6, линзу 7, фокусирующую пучок в среду, дихроичного зеркала 8, отражающего сигнальный луч 9 через коллимирующую линзу 10 на регистрирующий прибор 11.
Изобретение осуществляется следующим образом. Узел возбуждения периодически формирует в среде в области фокальной перетяжки 12 пучка 2 «метку», которая перемещается вместе с потоком. Узел регистрации, расположенный на заданном расстоянии вниз по потоку от узла возбуждения, периодически зондирует среду, постепенно увеличивая временную задержку относительно импульса возбуждения. Областью зондирования является область фокальной перетяжки 13 регистрирующего пучка 6. При прохождении метки через область зондирования появляется сигнальный луч 9, который регистрируется прибором 11. При этом временная задержка между импульсами возбуждения и регистрации соответствует времени перемещения частиц среды на расстояние от точки возбуждения до точки зондирования.
Проводились расчеты характеристик заявляемого способа измерения скорости потока.
Область возбуждения имеет размеры: диаметр 20 мкм, длину 3 мм. Длительность возбуждающего и зондирующего лазерных импульсов 10÷20 нс.
Время жизни возбужденной области в газах изменяется от 1 мкс (для давления 1 атм) до 100 мкс (для давления 10 Торр). В жидкостях время жизни значительно больше и достигает десятков секунд. Для точного измерения скорости возбужденная область за время своей жизни должна сместиться на расстояние, значительно большее, чем ее диаметр. Чем больше скорость потока, тем выше точность измерения. Относительная точность в 1% реализуется для разреженного газа при скорости, превышающей 40 м/с. В жидкости при времени жизни возбуждения 1 с такая же точность реализуется при скорости, превышающей 4 мм/с.
Помимо релаксации возбуждения имеет место расплывание возбужденной области, вызванное диффузией возбужденных частиц.
Диффузия приводит к увеличению размеров возбужденной области и снижению точности измерений. В частности, в газе при давлении 1 атм за время 20 мкс размеры возбужденной области увеличиваются в 2 раза. Дальнейший рост, однако, резко замедляется, поэтому диффузия не вносит заметного вклада в общую ошибку измерения скорости.
Смещение потока за время действия возбуждающего импульса также приводит к увеличению размеров возбужденной области и снижению точности измерения. Увеличение относительной ошибки в 2 раза имеет место при скоростях свыше 5·103 м/с, т.о. в обычных сверхзвуковых соплах, в частности в газодинамических лазерах этим источником ошибки можно пренебречь.
Использование изобретения позволит:
- измерять скорость потока жидкости и газа без внесения в поток люминесцирующих добавок; возбуждаются непосредственно частицы среды; большинство известных жидкостей и газов, в частности все газы, входящие в состав среды мощного газодинамического лазера, допускают такое возбуждение;
- измерять скорость с точностью, превышающей точность измерения в прототипе в 10÷100 раз; это связано со значительно меньшими размерами «меток» по сравнению с прототипом;
- измерять скорость потока как в дозвуковом, так и в сверхзвуковом диапазоне скоростей без изменения конфигурации измерительного устройства, что связано как с малыми размерами «меток», так и с малым временем регистрации «меток»; время регистрации в заявляемом методе меньше времени фотографической регистрации, принятой в прототипе, в 104 раз; возможность сверхзвуковой скорости имеет большое значение для диагностики потоков мощных газодинамических лазеров; измерения могут проводиться в штатном режиме работы лазера.
Формула изобретения
Способ измерения скорости потока жидкости или газа, использующий создание посредством сфокусированного лазерного луча меток в потоке, регистрацию этих меток и определение времени прохождения метками заданного расстояния, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения и расширения диапазона в сторону увеличения измеряемых скоростей, метки создают возбуждением частиц среды двухчастотным импульсным лазерным излучением на комбинационной частоте, а регистрацию прохождения метками заданного расстояния осуществляют путем периодического зондирования среды импульсным сфокусированным лазерным излучением, причем зондирование производят с переменной задержкой по отношению к моментам создания меток и фиксируют время задержки, при которой метка попадает в зондирующий луч.
РИСУНКИ
