Способ измерения скорости и размеров частиц в потоке

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в экспериментальной гидро- и аэродинамике, океанологии, экологии, промышленных технологиях, связанных с необходимостью бесконтактного контроля газовых и конденсированных сред. Техническим результатом является повышение точности и расширение динамического диапазона измерений. Формируют в исследуемой области потока зондирующее поле с известной пространственно-временной структурой, формируют оптический сигнал, содержащий изображение рассеивающей частицы, пространственно разделяют сигнал на два, в одном из которых выполняют обращение изображения частицы, рекомбинируют прямой и обращенный оптические сигналы, пространственно разделяют рекомбинированный оптический сигнал на два, в одном из которых обращенный и прямой оптические сигналы находятся в фазе, а в другом в протифофазе. Выполняют фотоэлектрическое преобразование синфазных и противофазных оптических сигналов, вычитают фотоэлектрические сигналы, соответствующие синфазному и противофазному оптическим сигналам, измеряют длительность радиоимпульсов в результирующем дифференциальном электрическом сигнале и умножают длительности радиоимпульсов на половину измеренного значения скорости. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в экспериментальной гидро- и аэродинамике, океанологии, экологии, промышленных технологиях, связанных с необходимостью бесконтактного контроля скорости и размеров частиц в потоках газовых и конденсированных сред.

Известен способ измерения скорости, заключающийся в формировании в потоке зондирующего оптического поля с известной пространственной структурой, формировании изображения зондирующего поля в рассеянном свете, фотоэлектрическом преобразовании оптического сигнала, измерении частоты электрического сигнала и умножении измеряемой частоты на постоянную периодической структуры зондирующего оптического поля. Этот способ реализован в многочисленных вариантах лазерных доплеровских анемометpов [1] Недостатком способа и устройства, реализованных на его основе, является отсутствие функции измерения размеров рассеивающих частиц.

Известен способ измерения линейных размеров, основанный на анализе пространственной структуры оптического сигнала, полученного при дифракции светового пучка на исследуемом объекте. Способ реализован в различных вариантах дифракционных измерителей линейных размеров, содержащих осветитель, оптический Фурье-преобразователь с механическим электронным или пространственным селектором выходного сигнала [2] Недостатком этих устройств является отсутствие функции измерения скорости рассеивающих частиц.

В доплеровской анемометрии известен фазовый способ измерения скорости частиц. Этот способ основан на измерении разности фаз между доплеровскими сигналами, сформированными из оптических пучков, дифрагированных на движущихся в потоке частицах под различными углами по отношению к падающему. При определенном соотношении углов эта разность фаз связана линейной зависимостью с размером рассеивающей частицы.

Недостатком этого способа и реализуемых на его основе устройств являются ограниченность динамического диапазона измеряемых размеров (порядка 10) и необходимость фактического удвоения каналов приема и обработки сигнала, что ведет к усложнению и удорожанию измерительного устройства. Для расширения диапазона измеряемых размеров частиц необходима последовательная перестройка пространственного положения либо увеличение числа измерительных каналов.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения скорости, заключающийся в формировании в исследуемой области потока зондирующего поля с известной пространственно-временной структурой, формировании оптического сигнала, содержащего изображение рассеивающей частицы, выполнения фотоэлектрического преобразования оптического сигнала и определении скорости и размера частиц по амплитудно-временной структуре электрического сигнала.

Основным недостатком этого способа является ограниченность динамического диапазона измерения размеров из-за снижения точности определения размера частиц, параметрически связанного с размером зондирующего поля. Как известно, при измерениях в случайных средах размер зондирующего поля является статистической величиной.

Целью изобретения является повышение точности и расширение динамического диапазона измерений размеров частиц.

Это достигается тем, что в известном способе измерения скорости и размеров частиц, заключающемся в формировании в исследуемой области потока зондирующего поля с известной пространственно-временной структурой, формировании оптического сигнала, содержащего изображение рассеивающей частицы, выполнении фотоэлектрического преобразования оптического сигнала и определении скорости и размера частиц по амплитудно-временной структуре электрического сигнала, оптический сигнал пространственно разделяют на два, в одном из которых выполняют обращение изображения частицы, рекомбинируют прямой и обращенный оптические сигналы, пространственно разделяют рекомбинированный оптический сигнал на два, в одном из которых обращенный и прямой оптические сигналы находятся в фазе, а в другом в противофазе, выполняют фотоэлектрическое преобразование синфазных и противофазных оптических сигналов, вычитают фотоэлектрические сигналы, соответствующие синфазному и противофазному оптическим сигналам, измеряют длительность радиоимпульсов и в результирующем дифференциальном электрическом сигнале и умножают длительность радиоимпульсов на половину измеренного значения скорости.

На фиг.1 представлена схема устройства, реализующая предложенный способ.

Устройство содержит лазер 1 и последовательно расположенные по ходу лучей формирователь 2 зондирующего оптического поля с известной периодической пространственно-временной структурой, приемное оптическое устройство 3, двухканальный преобразователь 4 оптического сигнала, содержащий расщепитель 5 рассеянного пучка (например, призма Рошона), размещенную в одном из каналов оптическую систему, оборачивающую изображение 6 (например, призму Аббе), зеркало 7, рекомбинационный оптический элемент 8, выполненный, например, в виде призмы Рошона, балансный фотоприемник 9, содержащий поляризационный лучевой расщепитель 10 (например, призма Волластона) и фотоприемники 11 и 12, подключенные к дифференциальному усилителю 13. К выходу дифференциального усилителя подсоединен электронный блок 14 обработки сигнала, содержащий измеритель 15 скорости, измеритель 16 длительности интервалов радиоимпульсов и перемножитель 17 значений скорости движения частицы и длительности радиоимпульсов 17.

Устройство действует следующим образом.

Луч лазера 1 после прохождения формирователя 2 трансформируется в зондирующее поле с известной периодической пространственно-временной структурой, локализованное в исследуемой области потока. Зондирующее поле пересекается движущимися рассеивающими частицами. Приемной оптической системой выделяется свет, рассеянный частицами, и направляется в двухканальный преобразователь 4 оптического сигнала. Расщепителем 5 рассеянный свет пространственно делится на два ортогонально поляризованных пучка. Один из расщепленных пучков после прохождения оптической системы 6, оборачивающей изображение (например, призма Аббе), направляется на рекомбинационный элемент 8, на который зеркалом 7 направляется второй расщепленный пучок. Рекомбинационный элемент (призма Рошона) пространственно совмещает ортогонально поляризованные прямой и обращенный световые пучки и направляет их на балансный фотоприемник 9, в котором призма Волластона развернута относительно плоскостей поляризации прямого и обращенного световых пучков на 45^о.

Прямой пучок является суперпозицией компонент, рассеянных частицей, соответственно от первого и второго падающих пучков, формирующих зондирующее оптическое поле в потоке: E_s1=(x-vt)e+(x-vt)e (1) Здесь х координата и v скорость движения изображения частицы в плоскости анализа. Размер изображения d линейно связан с размером частицы b через коэффициент увеличения: d qb. Моделируя изображение частицы прямоугольной функцией вида rect для прямого пучка можно записать E_1,2= (2) где v скорость движения изображения частицы.

Соответственно для другого ортогонально поляризованного пучка, в котором выполнено обращение изображения, получаем E_s2=(x+vt)e+(x+vt)e (3) где =rect (4) Изображения частицы, формируемые прямым и обращенным пучком, движутся по направлению х противоположно друг другу, что отражено в (1) и (3) знаками перед скоростью v. Частоты ω₁ и ω₂ компонент обращенного и прямого пучков являются, как известно [1] линейными функциями от соответствующих доплеровских сдвигов в рассеянном свете, пропорциональных измеряемой скорости.

Оси ζ η призмы Волластона 10 развернуты относительно плоскостей поляризации прямого и обращенного входных пучков на угол 45^о (фиг.2). Выходящие из призмы ортогонально поляризованные и пространственно разделенные пучки определяются проекциями входных полей соответственно на оси ζ и η E_ζ E_{1 ζ} (x vt) e^j ω1 ^t + E_{2 ζ} (x vt) e^j ω2 ^t++E_{1 ζ} (x + vt) e^j ω1 ^t + E_{2 ζ} (x + vt) e^j ω2 ^t; (5) E_η E_{1 η} (x vt) e^j ω1 ^t + E_{2 η} (x vt) e^j ω2 ^t -- E_{1 η} (x + vt) e^j ω1 ^t E_{2 η} (x + vt) e^j ω2 ^t; (6)
Расщепленные световые пучки направляются на соответствующие фотоприемники 12 и 13, выполняющие квадратичное по полю преобразование оптического сигнала. Для выходного сигнала одного из фотоприемников получаем
i₁= QE= i_п+i_д++ (7) где Q коэффициент, учитывающий чувствительность и усиление фотоприемника. Структура фотоэлектрического сигнала (7) состоит из низкочастотного пьедестала i_п,
i_п=QE_1ζ(x-vt)+E_2ζ(x-vt)+E_1ζ(x+vt)+E_2ζ(x+vt)
доплеровской компоненты i_Д,
i_д=Q2E_1ζ(x-vt)E_2ζ(x-vt)cosω₁₂t+ 2E_1ζ(x+vt)E_2ζ(x+vt)cosω₁₂t
перекрестной доплеровской компоненты i_Д,
=Q2E_1ζ(x-vt)E_2ζ(x+vt)cosω₁₂t+2E_1ζ(x+vt)E_2ζ(x-vt)cosω₁₂t
и перекрестного пьедестала i_п,
=Q2E_1ζ(x-vt)E_iζ(x+vt)+2E_2ζ(x-vt)E_2ζ(x+vt)
Доплеровская компонента образуется вследствие модуляции изображения частиц в рассеянном свете при движении ее через зондирующее периодическое оптическое поле. Эта компонента не зависит от взаимного положения прямого и обращенного изображений частицы на светочувствительной поверхности фотоприемника.

Перекрестная доплеровская компонента является результатом интерференции прямого и обращенного изображений частицы на светочувствительной поверхности фотоприемника. Она существует только во временном интервале, соответствующем перекрытию этих изображений.

Перекрестный пьедестал образуется в результате интерференции компонент, рассеянных частицей от одноименных падающих пучков при перекрытии прямого и обращенного изображений частицы на светочувствительной поверхности, и существует только во время такого перекрытия.

Из фиг.2 видно, что на выходе второго фотоприемника сигнал i₂образуется в результате фотоэлектрического преобразования второго пучка, компоненты которого определяются проекциями векторов поля на ось η Учитывая, что проекции векторов поля E_s1 и E_s2 на ось противофазны, получаем для сигнала с выхода второго фотоприемника
i₂=QE=i_п+i_д- (8)
Здесь
i_п=QE_1η(x-vt)+E_2η(x-vt)+E_1η(x+vt)+E_2η(x+vt)
i_д=Q2E_1η(x-vt)E_2η(x-vt)cosω₁₂t+2E_1η(x+vt)E_2η(x+vt)cosω₁₂t
= -Q2E_1η(x-vt)E_2η(x+vt)cosω₁₂t+2E_1η(x+vt)E_2η(x-vt)cosω₁₂t
= -Q2E_1η(x-vt)E_iη(x+vt)+2E_2η(x-vt) (x+vt)
Из сравнения (7) и (8) видно, что пьедесталы и доплеровские компоненты фотоэлектрических сигналов на выходах первого и второго фотоприемников синфазны, тогда как перекрестные пьедесталы и перекрестные доплеровские компоненты, несущие информацию о размере частицы, противофазны.

Выбором параметров оптической схемы и фотоприемников фотоэлектрические сигналы на входе дифференциального усилителя балансного фотоприемника можно привести к одинаковым уровням. Тогда на выходе дифференциального усилителя получаем разностный сигнал
i₁₂=i₁-i₂=2+2 (9)
или
i₁₂=4QE₁(x-vt)E₂(x+vt)cosω₁₂t+E₁(x+vt)E₂((x-vt)cosω₁₂t+
+ E₁(x-vt)E₁(x+vt)+ E₂(x-vt)E₂(x+vt)
На фиг. 3 подано встречное движение прямого и обращенного изображений частицы на фоточувствительной поверхности фотоприемника; на фиг.4 a) фотоэлектрический сигнал в одном из каналов балансного фотоприемника, соответствующий преобразованию проекций векторов поля на ось ζ призмы Волластона; б) фотоэлектрический сигнал в другом канале балансного фотоприемника, соответствующий преобразованию составляющих векторов поля на оси η Синфазные компоненты фотоэлектрических сигналов взаимно подавляются в процессе вычитания. Как видно из фиг.3 в, результирующий разностный сигнал отличен от нуля на интервале, соответствующем времени перекрытия движущихся в противоположных направлениях прямого и обращенного изображений частицы на светочувствительной поверхности фотоприемника.

Следовательно, длительность радиоимпульса, соответствующая времени перекрытия, пропорциональна удвоенному размеру рассеивающей частицы. Частота заполнения ω₁₂ радиоимпульса является, как известно, заданной линейной функцией разностного доплеровского частотного сдвига:
ω₁₂ Ω + ω_Д, (11) где Ω заданная несущая частота; ω_Д2v/ Λ- разностный доплеровский частотный сдвиг; Λ известный пространственный период зондирующего поля; v скорость движения частицы. Разностный сигнал поступает на электронный блок 14 обработки. Измерителем 15 определяется длительность радиоимпульсов, а измерителем 16 по разностному доплеровскому сдвигу частоты находится значение скорости движения рассеивающей частицы. Перемножитель 17 выполняет перемножение длительности радиоимпульсов на половину измеренного значения скорости. Это произведение равно размеру рассеивающей частицы по оси Х.

Фиг. 4 иллюстрирует ситуацию, когда размер частицы b превышает размер d зондирующего поля. В этом случае выдаются импульсы, соответствующие перекрытию передних и задних границ прямого и обращенного изображений и измеряется временной интервал между этими импульсами.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ В ПОТОКЕ, заключающийся в формировании в исследуемой области потока зондирующего поля с заданной пространственно-временной структурой, формировании оптического сигнала, содержащего изображение рассеивающей частицы, выполнении преобразования оптического сигнала в электрический и определении скорости и размера частиц по амплитудно-временной структуре электрического сигнала, отличающийся тем, что оптический поток излучения пространственно разделяют на два, в одном из которых выполняют обращение изображения частицы, рекомбинируют прямой и обращенный оптические потоки излучения, пространственно разделяют полученный рекомбинированный оптический поток излучения на два, в первом рекомбинированном потоке обращенный и прямой оптические потоки излучения находятся в фазе, а во втором в противофазе, преобразуют в электрические сигналы от синфазных и противофазных оптических потоков излучения, находят разность полученных электрических сигналов, измеряют длительность импульсов в результирующем дифференциальном электрическом сигнале, а для определения размера частиц умножают длительности импульсов на половину измеренного значения скорости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4