Устройство для измерения локальных скоростей движения оптически прозрачных жидкостейи газов

 

ЗНАЯ

". :н = г.,И г: и@А

354348

ОПИСАНИЕ

ИЗОЬРЕт ЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства Ме

Заявлено 20.Х.1969 (№ 1,369016/18-10) с присоединением заявки Ке

Приоритет

Опубликовано 09.Х.1972. Бюллетень чо 30

Дата опубликования описания 21.Х1.1972

М. Кл. G 01р 5/18

Комитет по делам изобретений н открытий при Совете Министров

СССР

УДК 532.574:534.613 (088.8) Авторы изобретения

А. М. Трохан, С. P. Стефанов и Д. Л. Зеликсон

Заявитель

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ СКОРОСТЕЙ

ДВИЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

И ГАЗОВ

Изобретение относится к измерительным приборам и предназначено для исследования локальных скоростей движения оптически прозрачных жидкостей и газов.

Известно устройство для измерения скорости движения среды в турбулентной атмосфере, содержащее акустические излучатели, соединенные с генераторами электрических колебаний, приемники акустических колебаний, подключенные к фазометру.

Однако это устройство позволяет измерять только средние значения скорости движения среды на участке от акустических излучателей до приемников при наличии возмущений, которые излучатели и приемники вносят в исследуемую среду.

Предлагаемое устройство позволяет проводить измерения локальных скоростей движения оптически прозрачных жидкостей и газов без возмущения исследуемой области и отличается тем, что оно снабжено системой фазовой автоподстройки частоты (ФЛП) генератора электрических колебаний, выполненной, например, в виде фазового детектора, к одному входу которого подключен один из приемников акустических колебаний, генератора опорной частоты, подключенного ко второму входу фазового детектора, фильтра, ко входу которого подключен выход фазового детектора, и управляющего устройства-усилителя, ко входу которого присоединен выход фильтра, выход которого подключен к генератору электрических колебаний.

На фиг. 1 показано предлагаемое устройство; на фиг. 2 — блок-схема одного из каналов предлагаемого устройства, иллюстрирующая принцип его работы.

Лкустические излучатели 1, соединенные с генераторами электрических колебаний 2, слу10 жат для создания акустических волн в локальной области исследуемой среды 8. Приемники акустических колебаний, в качестве которых использованы шлирные фотоэлектрические приборы, содержащие исто liIIII< света

1 4, например ОКГ-13, оптическую систему, пропускающую световые лучи 5 через исследуемый объем среды 8, приемников акустических колебаний б, например ФЭУ-68, с оптическими ножами. Выходы приемников акустических ко20 лебаний подключены к фазомстрам 7, например типа Ф2-1 (на фиг. 1 показан фазомстр одного из каналов). Выходы приемников, кроме того, подключены к идентичным системам

ФЛП генераторов электрических колебаний 2

25 (на фиг. 1 показана система ФЛП одного из генераторов электрических колебаний), выполненшIx в виде фазового детектора 8, к одному входу которого подключен приемник акустических колебаний б, а к другому входу — - I c30 нератор опорной частоты 9, фильтр 10, ко вхо354348 ду которого подключен выход фазового детектора 8 и управляющего устройства-усилителя

11, ко входу последнего присоединен выход фильтра 10, подключенный к генератору электрических колебаний 2.

Устройство работает следующим образом.

От излучателей 1 в исследуемой среде распространяются акустические волны различных частот, которые, пересекая световые лучи в исследуемой области 8, модулируют их и в результате этого на выходах акустических приемников б появляются периодические сигналы частот этих акустических волн, разность фаз которых Л(для каждой волны, измеряемая селективными фазометрами 7, несет информацию о проекции вектора скорости в исследуемой области среды 8, лежащего в направлении распространения данной акустической волны.

Мгновенные значения амплитуд электрических сигналов на выходах оптических приемников определяются:

Оь — ов1пш >

c+Vab«) j с — Uî в1п + Х

t С + V., (t —.) С + К„«) j где bc ()) ьс— со Ьс ь с (2) ðH 1 ае (г), 1 ес(г) ((с.

Последний член формулы 2 является постоянным для данного прибора и не зависит от скорости движения среды, Up, U, — мгновенное значение амплитуд электрических сигналов на выходах оптических приемников, полученных в соответственно из точек b и с среды;

U, — максимальная амплитуда сигналов; а — частота акустической волны;

С вЂ” скорость звука в исследуемой среде;

17,е((); P„(t) — усредненные на участках

ab u bc скорости движения среды; т — время прохождения акустической волной участка bc;

t — текущее время.

Разность фаз сигналов, полученных приемниками из точек b и с (t)(rgb,) определяется по формуле (1).

Величина (Va(, (t) — Кае (t — — т) ) — являетab бс ся погрешностью измерений. Она уменьшает локальность измерений, т. к. измеренная раз5 ность фаз Мрq, зависит не только от скорости движения исследуемой среды на участке bc, но и от флуктуаций скорости при распространении акустической волны от излучателя до зоны измерения (участок ab).

Наличие фазовой автоподстройки частоты в измерительной схеме уменьшает влияние этого члена формулы 2 на результаты измерений

49ес

Мгновенная излученная частота акустической волны при работе устройства определяется

rpi = (pp — Prg(ь) 25 где (?„— полоса удержания системы ФАП.

Рассмотрим идеализированную систему ФАП

40 с передаточной характеристикой фильтра

L (P) =1 для низких частот.

На отрезках времени t » Т имеем: рс(/) — Q cos >; х(р (p+тр () Р* " ").

При одинаковых сигналах на входах фазо50 вого детектора его характеристику можно аппроксимировать прямой линией (см. напр.

В. В. Шахгильдян, Л. А. Ляховкин. «Фазовая автоподстройка частоты». М, Связь, 1966г.).

В этом случае

55 р, () r?, y, X)1 — — (q (с) — TPq (P — I) ..

Преобразуя это выражение и обозначая

Prg =- К получим дифференциальное уравнение

Т РК+ К (— — 2T) = 2y (P —, Я где (оо — частота опорного генератора;

20 Р— оператор дифференцирования;

rg (t) — подстраиваемая фаза генератора электрических колебаний.

Частота, принимаемая оптическим приемником в точке б (ае), равна ,,1 <Ä (t) — 1> (t — т), где cg (t) — мгновенное изменение фазы акустической волны на пути ее распространения

Т вЂ” время распространения акустической волны от излучателя до приемника в точке b.

При использовании в качестве фазового детектора перемножителя можно записать

35 р (t) = — Qó сов ((p (t) — q (t — 7) + y ()), 354348

Решая его, имеем:

Р. (t) Х вЂ” 2Т

9у

Х 1 — ехр — — — — 2Т

Из него видно, что при Т )

2 йу

Py(t)oo, т. е. система не стабилизируется, а при

Т " 1 . р (t) 2РшЯ

2 0 . .-с — — 2Т

Яу

Рассматривая второй случай, имеем:

® 2 „, (1) — -. — 2Т

<Э

-У

Определяя отсюда Py(t — T) при t )) Т можно записать: р р Т) 2 (с ц, — ТР Ощ (/)) — 1с — 2Т

Q, Подставляя эту зависимость в выражение для принимаемой частоты (b) получим рф р бл 2 (9ш () — ТРЯ,и ())

9m (1 — 2Т

2у где Ф вЂ” текущая разность фаз сигналов на входах фазового детектора.

Преобразуя это выражение получим дифференциальное уравнение: р (t) ф 2 (7ш (t) — ТР щ (/)) — — 2Т йу

Решая его имеем:

Ф= т, 1 у„, (t) — — +ТРу„,(1) ) 1 — ехр т. — — — Т

0 2

Отсюда видно, что существуют различные режимы работы измерительной схемы: а. T) — .; 1. t= 0, Ф =; (t);

Pl

2. t со, Ф вЂ” + co, т. е. система ФАП не устойчива и усиливает фазовую модуляцию сигнала оптического при10 емника, вызванную наличием флуктуаций скорости движения среды на участке ab: б. T(— —; 1. t=0, ф=в (t);

2 а

2. /-, Ф вЂ” +ТР (), т. е. система ФАП отрабатывает флуктуации фазы волны на участке ab с точностью до

20 TP (t) .

Выведенные формулы позволяют выбрать правильные соотношения между геометрией прибора, которая определяет величину Т и характеристиками системы ФАП, которые опре25 деляют величину 0„.

Предмет изобретения

Устройство для измерения локальных скоро30 стей движения оптически прозрачных жидкостей и газов, содержащее акустический излучатель, соединенный с генератором электриче. ских колебаний, приемники акустических колсбаний, подключенные к фазометру, отлила>с35 и еесл тем, что. с целью уменьшения влияния пульсаций скорости движения жидкости или газа на участке от акустического излучателя до приемника, оно снабжено системой фазовой автоподстройки частоты генератора электри40 ческих колебаний, выполненной, например, в виде фазового детектора, к одному входу которого подключен один из приемников акустических колебаний, генератора опорной частоты, подключенного ко второму входу фазового

45 детектора, фильтра, ко входу которого подключен выход фазового детектора и управляющего устройства — усилителя, ко входу которого присоединен выход фильтра, выход которого подключен к генератору электрических

50 колебаний.

354348

Фиг 1

Фиг. 3

Составитель С. Ющенко

Редактор Е. Гончар Техред А. Камышникова Корректоры; Н. Прокуратова и Е. Михеева

Заказ 3772/9 Изд. ¹ 1568 Тираж 406 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изооретений и огкрытий при Совете Министров СССР

Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2