Способ определения скоростей частиц

)5 6 01 Р 3/36 ЕНИ РЕ У ГОСУДАРСТБЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗО АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(71) Ленин градский государствен н ый технический университет(56) Селиванов В,И, и др. Корреляционныйметод измерения скорости. Патентный обзор. Обнинск; ФЭИ, 1979,Иlапц 1,С,РТсйепог О.А, Рапсе зтегпеазцгегпепт цзп 9 ап орса чагаЬе 1 гесцепсугб сес)исце. Арреб Ортсз, -1981, - Ч, 20. - й. 8. - Р, 1367 - 1373,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТЕЙЧАСТИЦ(57) Использование: измерительная техника, определение скоростей движения частиц, представляющих собой оптическуюнеоднородность. Сущность изобретения;измеряемые частицы освещают оптическимизлучением, регистрируот глубину модуля- .ции фототока, возникающей при пересечеСпособ относится к измерительной технике, точнее - к способам определения скоростей и может быть использован для определения скоростей движения частиц, представляощих собой оптическую неоднородность одновременно со способами, позволя)ощими определять размеры частиц.Наиболее распространенными способами определения скоростей явллотся; доплеровская лазерная анемометрия, основанная на измерении спектра излучения, расселнного дви:кущимися объектами, корреляционные методы, основанные на обработке изображения частиц или спеклкартин, полученных в различные моменты времени, а также времяпролетные метОды,Классификация методов, основные принципы их работы, достоинства и недонии частицами многоэлементного фотоприемника, при этом фотоприемник размещаот в зоне дифракции Френеля, на расстоянииот ограничивающей поток диафрагмы,=(0,1 - 0,5)йлив /Л, где ймлл - ми 2нимальный типоразмер частицы, Л - длина волны излучения, ограничивают в пространстве поток измеряемых частиц до ширины потока б=(0,01 - 0,2)1, освещение производят световым потоком с угловой расходимостью 2=(0,2-0.,01)Елив/1, определяют калибровочную зависимость Цг), К(г)=( х - х( т )+ ( у - у ((вг, ухбхбу бхбу, где ЯР - площадь проекции частицы в измерительной плоскости, Ьг - площадьфотоприемника,Ю+б/2; х,у - координаты частицы, х, у - координаты в плоскости фотоприемника, а скорость частицы с учетом ее размера определяют как =Цг)К/ г, где В/ - ширина фотоприемника, т - длительность импульсов фототока, 5 ил. статки рассморены, например, в справочнике Клочкова и др, (В,П.Клочков, Л.Ф,Козлов, И.В.Потыкевич, М,С,Соснин, Лаэернал анемометрия, дистанционная спектроскопия и интерферометрия. Справочник. - Киев: Наукова думка, 1985. - 760 С,), обзоре Илясова Л,В(Илясов Л.В., Соколов В.П. Современные методы и средства анализа гранулометрического состава жидких дисперсных систем. Обзорная информация, Приборы, средства автоматизации и системы управления, ТС, Аналитические приборы и приборы для научных исследований, вып, 1, М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1986) и других источниках,За прототип принят способ, описанный в статье Ванга и др. (В/ап 9 .С.-., Тс)епог О,А. Рагтсе з 1 е т)еазцгегпеп 1 цзп 9 ап10 20 1 0 ОрсСа Е 3 Г 3 аа-Г ЕСЭ/ЕПСу-(1/1; 3)С)ц.";0 /Арре( Орй;3, - 1031,-/, 20.-,/) Ц,- Р. 136713 / .5), за к/1013 Ое/(ийс 53 в ел ЯДО 3 Г/л. ПОтОкчастиц оснащается сфокусиров; и;Ым из;уЧЕНИЕГЛ, С //ОГЛО/ЕЬ/0 ЛИНЗЫ В ГЛОСКОГТИ )НОГОЗЛМРНТ/ОГО г)ОТО(3)ЛРМГЕса ГОЗДЗЕТСЛЕЛИЧЯ НОЕ 34 Зобра гЕНИЕ Частиц (тО ЕСТЬбл/жнеР поле дгфракцил). Далее аналлзлГг)гатся ИГЛПУЛЬС фототоК 3 Г);)И Па;г.саЯНИИИвобГ)3 ЖЕНИЯ ЧЛСТИЦЫ СИСТЕГ 4 Ы фотосвуВСГвитальных аламентов с различной толщиной и -асстая 1 иями меэкду ними, СКОэастьг/астець опрадаля/ог по длительности импульса, размерыпо переходу модуляцииСигнала к ПУл 10,НРдосГатком прас(этеэа лвлл(этс 1, в чаС "ОС 1 И, НИЗКЛЯ ТО 3330 СТ Ь ОГ 108 Р/381/ИЛ СКО"ростай, что обусловлено следук)цейц рисц "ной, В Дан(ом способе анализируетсяЦ а ЦОСРЯДСтеаН НО ф ООМ 3 Е Заб)ажаьг 51, таесть бэлиж//ЯЯ 30/3 Дифэс)кзии, слалОГ)атРль"1/О, /ЯобХОДИГ О ИС 1 ОЛЬЗОВа НИЕ фа(ус(4 р",гаецей лиц;)ы, 3 а;)кае изаэа)ксн/гЯ частиЦыНЛОСКОСТ фОТОЦОИЕ/ЛНИК 3 МОХНО ПО/1)"ИТЬ /ИВ/Ь В ТОГ:3 СЛУЧг)Е, сЯСЛИ 3 СТИЦ 3 /г)ХОдитсл на заданном оассто/1 г,5 от линзы,Длл Осталь/(ы; част(1), изОбэажени 8 буДРтрЗГцтц 1, ДЕ;ТЕЭ/гнЗСТЬ ЕГгцу/Ьса фататоКа сгд(", насоЬКР ( О ЬцЕ (г)о, Р,Е, СЭ.аннр3 Ц 3) 3 1( Е И 3 ",г а Э Я а М 01 С К ) Э О С 1 Н 3 с 1 Н 4)К Е Н О,е 3.бэка Н)и Езг 8)ен скооос и )каза/ц /М 3(ЭТОДОМ Сэс 3831 ТВ 1 НО 3/абал.Вг)яе) .1l, О/на;о в накц)0;)ьх с//учая)( зт(и10(НОС;Т/ЯДОСТЛТЦЧНО.: елью изобосг)8)и 5 5 ц)л 5 атся г"я/ичР"а ГО Ост(1 изгя Г)аий са)осе." 1(1 Е,0(,таГ)ле;нн )я цель дцст(аятсл там чтопо/;риагцик раз 48.вот в зон: Ги:13 к 3 ии (1 ЭР 0310/гЛс 3 )ЛСС ГР 513 ИиОТ ОГР 3/и 1 И33 ЮШай ПатОК ДИафРаГ 4 Ы, ПРИ атОМ/е - вирина фотоприемника, т - длительНОСТЬ ИМП) ЛЬСа )ОТОТОК 3,На фиг, 1 приведа)/а с:ама ус) ройства,реализующего заявляемый сгособ; на фиг,2 - формы импульсов фатотока; на ф 1. 3 -Г 1 рИМЕ р КалЛбЭОРО)НОЙ За Г 1 СЕГгОСТЕ дЛЛ О/1 радяления скорости с учетом размера час ицы, На фиг. 1; 1 - источник езлуча/(ия, 2 -/31333, ",3 - ОГэанииваощал диве)эа 3 а, 4область регистрации частицэ - фотоприемНИК,С)//цность сцо(оба закл/очается г следуюцам. Аналоги /но способу, принятому запрототип при пересечении астицей о/иЧеского луча в многозлемслт/огл фс)тоцриам/ике возцикаег промодулфирое)ан ыйимпульс: фототока. Суе/ест ее/ь/г отл)чиегспособа от прспотипа является расцоуожеНИС )ОТОГРИЯМНИК 3 В ЗО/Е ДИРсякЦ(4ЭРЕ"138/151, В ПРОТОТ ИП 8 ФОТО/1 ЭНЕМг 1 ИКЭгЗСПОЛ 3 Гают ОТ/ОСИТ 8/1 ЬНО Л 1 НЗЫ ТсКИМ Об-,разом, что Гэ плоскости фотоприемника формируетсяя изоб раже н ие частицы. гП Р ЕДЛ 0 К(-., Н. ОЛ С П ОС 0 О 8 - Д И ф Э 3 К Ц И 0 Н Н а ЛКаЭТИНЗ, ПРИЧЕМ Эс)сстая 148 Вцбоано ТакИГЛОбэазам, ч Габы ОбесГ 1 зчить здазачнОР соотвспст/зие между размером дифракционной картины и разг 4 з(;ог Рстицы. ПоибЭЦ.ЕВЕЛХ Рс)ЗМЭГ)ах Ч 3 СТИЦЫ /5 Г 1 ЛОСОСГИ )Отоп р и Ргл 1 и к а (1 3 эд сстал 111) , буда1/3 б/1/Ода/ьс 5 Г 11)актичаски Гзс)г 4 ятричакау тснь ОтЧс)С Иц 4, ПЭИ УМЕНЬ//83/ИИ ЭгззОрое 13 СТИцумя/ьва(тся раз/Ле)р )ане, Начина 51 с некоТарой ЕЗ/ЧИН,/ Е)са Рглае Е боЛЕЯ бсгу)с к 3 3 ы в а т ь с л д и ф 03 к ц и 0 и н ы е) с) г)к т ы, ВКОЦЦР КО/(05 НгСТУГс)агт Тс 3 КОЙ /ОМЕЕ/, КОГДа /Рг МЕНЬШЕНИИ )3 ЗМЕЭОВ Ч 3 СТИЫ Эазмс:.р дифракциоПОЙ картины перестаетуменьшаться и начи 43 етуваличиваться, ЗтоО;51/г)ЧЯОТ, 1 ТО МГ)/ДУ )3 ЗГЛЯРО/г 1(гЕ)РЗКВИО 1 ОЙ а)тинь и заз/1 ером /астиЦЬ: не будетОднсзачного соответствия. Следогательна, рассталниР . надо выбл/)ать таким, чтобы Р,дг)означное се)от/)етств(а сохраЯлосьВО ВГС /4 Т)ЕбуГОГ ДИ 31 с)ЗОНЯ ИЗ/ЕГ)518/4 ЫХчести, А, зто е)(13 можнО е слуг 30, сслл0,5 гу.,Л. где п)1линималл цй разГЛ 8 Р Ч 3 СТИВ Ы, ТЭЯЬУ(5 Е Й ИЗМг)ОИ Гьг( - г(/3(Н"е(лны и,)гученя, 83 б)ерсть значения знсИ ) С/1 Ь г 0 34 Е 1 Ь ВЕ у Ка 3 3 13 Н 0 и Р Е ": И 3 И 1Ы 31 8 Е Енеобходимо обеспечить малуо угловуо расходимость гу чка к Влияние угловой расходимости излучения должно быть п 1 енебрежимп мало по сравнению с дифракциоцными эффектами. Для этого должно 5 вьполняться условие й(рад)0,2 Рчпя/1. Если задать слишком строгое ограничение на а, то будет сложно реализовать это на практике, тем более, что при малых размерах излучающей площадки источника нельзя 10 получить высокую мощность. Разумным пределом является величиа 0,011 хпи/1,В связи с тем, что поток частиц является гротяжеццим и обладает шириной б, вдоль оптической оси на расстоянии 1 также воз икает дифракцисцная картина. Если задать г 11, то можно считать, что дифракционцые эффекты зависят тОлькО От расстояния 1. Однако малая величина с мокет привести к оиибкам, обусловленным 20 конструктивной Оеализацией способа, Позтому ниалий предел можно задать 0,011.Форма импульсов фототока вычисляется с использованием дифракциоцной формулы Френеля; 25Р ( г) 1 )ехр Х(хх (т 1) . +(у - у (т)27х бхгуг 1 хоу ЗО где 7=-1+с 1/2 =-"1; х, у - координаты частицы; х, у - координаты о плоскости фотоприемника, 5 р - площадь проекции о измерительной плоскости; Я, - площадь фотоприемика, Задав размерь частиц, решая З 5 уравнение Р(1)=-0,5, определяют калибровочную зависимость . В способе-прототипе и о других аналогичных случаях скорос 1 ь частицы Определяют исходя из длительности импульса т;.-. - .Л/т, где Уl - ширина дО фотоприемника (по границе крайних элементов). В представленном способе с учетом размера частицы 1=1 И/т, где 1;(г) - попраоочный коэффициент величиной, близкой к единице. Пример калибровочной ф 5 заоисимости 1:(г) для=0,4 м, Л. =0,8 б мкм, Л=5,03 мм, й 1=1 РЗ мм (расстояние между двумя элементами фотоп риемника), О=0,21 =-РО мм приведен на фиг. 3. Выбор половинного уровня определения длительноси импульса обусловлен тем, что о этом случае Цг) = 1.Проверка работоспособности устройства, созданного на основе указанного способа. Производилась как в лабораторных условиях, используя в качестве эталона шарикоподшипники различного диаметра и капли воды, подаощие с заданной высоты, так и в полевых условиях на промьцоленных разбрызгиоающих устройствах, ТочОсть измерений составляла 2-5%,Способ позволяет измерять скорость частиц на фоне движущихся неоднородностей, в мутных средах, при наличии тег 1 лооых потоков и т.п., что невозможно измерить доплерооским и нефелометрическими способами, Одновременно с измерением скоростей частиц возможно Определецие их размероо,Формула изобретения Способ определения скоростей частиц, заклочаОщийся о освещении измеряемых частиц оптическим излучением и регистрации глубины модуляции фототока, возникающей при пересечении частицами многоэлемеьп ного фотоприемника, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью пооышения точности измерений, фотоприелцик размещают о зоне дифракции Френеля на расстоянии 1 от ограничивающей поток диафрагмы, при этом 1=-(0,1-0,5)Я,/ где Явлин минимальный типоразмер частицы, 1, - длина волны излучения, ограничивают о пространстве поток измеряемых частиц до ширины потока с 3=-(0,01-0,2)1, освещение производят соетооым потоком с угловой2расходимостью а=(0,2 0,01)В;хя /1, определяют калибровочную зависимость 1(г)1:(г) =- у 1 у (х х+(у - у ( (г 3х с 1 х с 1 у с 1 хг 1 у,где Я - площадь проекции частицы о измерительной плОскОсти частицы; Яг площадь фотоприемника; "=1+с 3/2; х, у - координаты частиц; х, у - координать частиц о плоскости фотоприемника, а скорость астиць с учетом ее размера ОпределяОт как Р=цг)1 г//где я - ширина фотогриемцика, т- дл ител ь ность импул ьса фототоко.1770911 Й.г. орректор Л, Тка ктор О. Стени каз 3710 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 11 Э 035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, уд.Гагарина,СоставитегнТерец Я Кизеветтентал