Способ измерения поля скорости движущихся сред

О Л И С А Н И Е 01 567141ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Респубпик(23) П итет Совета Министровпо делам иэобрети открытий(71) Заявитель П. Я. Белоусов и Ю. Н. Дубнищев ститут автоматики и электрометрии Сибирского отделен АН СССР54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯ ДВИЖУЩИХСЯ СРЕД РОСТ Изобретение относи. ся к технике оптических измерений, в частности используемых при гидро- и аэродинамических исследованиях, при определенчи пространственного распределения скоростей в потоках различных движущихся сред в химической технологии и т, д.Известен способ определения поля скорости движущихся сред, состоящий в определении ,покальной скорости движения с применением лазерного допплеровского измерителя скорости. Применением нескольких измерительных каналов можно получить информацию о локальных скоростях в числе точек, равном числу измерительных каналов 11. Недостатком этого способа является сложность системы, связанная с необходимостью использования многих сложных в технологическом отношении измерительных каналов, и в связи с этим ограниченность числа информативных точек в исследуемой области движущегося объекта,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ, состоящий в освещении исследуемого движущегося объекта когерентным световым пучочком и получении голограммы объекта с применением опорного пучка, частота которого смещена на известную величину. В результате на голограмме будут зафиксированы, линии равной скорости, соответствующие тем локальным участкам объекта, которые в рассеянный свет вносят допплеровский сдвиг частоты, равный частотному сдвигу в опорном пучке. Для получения информации о поле скорости необходимо последовательно во времени получать различные голограммы при различных частотных сдвигах опорного пучка. С помощью таких голограмм осуществляется таким образом последовательное выделение из рассеян ного света излучения, испытавшего определенный допплеровский сдвиг частоты 21.Основным недостатком такого метода является невозможность одновременного получения информации о распределении различных 15 значений скорости в исследуемой областидвижущегося объекта и визуализации поля скорости.С целью визуализации поля скорости предлагается способ измерения поля скорости, от личающийся от прототипа тем, что рассеянный движущимся объектом свет последовательно фильтруют низкочастотным фильтром пространственных частот, дискриминируют оптическим частотным дискриминатором, вы полненным, например, в виде поглощающейячейки, и регистрируют в плоскости изображения исследуемой области движущегося объекта.На фиг. 1 приведена возможная схема уст ройства для реализации способа; на фиг, 2 -(7) 40 45 50 55 60 65 Ьви = Уи 2 Ксоз ОЬ 6) где У = 1 исоз. контур поглощения оптического частотногодискриминатора,Устройство (фиг. 1) содержит освещающуюсистему, состоящую из источника котерентного излучения 1 и коллиматора 2, 3, оптическая ось которой направлена на исследуемуюобласть движущегося объекта 4, где она пересекается с оптической осью измерительнойсистемы, и измерительную оптическую систему, содержащую последовательно расположенные объектив 5, низкочастотный фильтр6, объектив 7, поглощающую ячейку 8 и регистрирующее устройство 9, в качестве которого может служить фотоаппарат либо передающая телевизионная трубка (видикон) свыводом изображения на телевизионный экран.Принцип работы устройства, показанногона фиг. 1, состоит в следующем,Движущийся объект 4 освещается коллимированным когерентным световым пучком отисточника 1. Свет, рассеянный участком исследуемой области движущегося объектаимеет допплеровский частотный сдвиг, пропорциональный скорости этого участка. Есливыбрать направления рассеянных пучков откаждого участка одинаковыми, тоаи: 1 и (К О (1)где оы - круговая допплеровская частотав свете, рассеянном и-м участком в направлении К,;Уи - вектор скорости движения и-го участка;К; - волновой вектор падающего пучка;К, - волновой вектор выделенного рассеянного пучка.Как следует из .фиг. 1= 1 и сов р 2 К з 1 п й, (2)где Ри сов р - проекция вектора скоростина направление К. - КК,: К, = К=2 лй - для скоростей движения и/С 1;С - скорость света;20 - угол между направлениями падающего и рассеянного световых пучков. Так как падающий и рассеянный световые пучки ограничены конечными телесными углами, то дажепостоянной скорости движения рассеивающего объекта будет соответствовать некоторыйспектр допплеровских частот, ширина которого определяется неопределенностью направлений волновых векторов падающего (Кы- ЬК;) и рассеянного (Кзо-(-ЬК,) световыхпучков. Дифференцируя равенство (2) по Ои переходя от дифференциалов к приращениям, можно получить для оценки инструментальной ширины спектра допплеровских частот: Отсюда относительная инструментальная ширина допплеровского спектра равна:Ьо)ии =-Ьс 1 дЦ,диДля измерений необходимо, чтобы относительная инструментальная ширина допплеровского спектра была бы меньше допустимой относительной погрешности измерения скорости: Отсюда получается условие, которому должна удовлетворять угловая ширина выделенного рассеянного пучка;(6)с 1 д 9 Поэтому в оптической системе, формирующей изображение рассеивающей области, установлен низкочастотный пространственный фильтр 6, выделяющий только те рассеянные пучки, угловое расхождение которых удовлетворяет условию выполнения заданной точности измерений. Как известно, такой фильтр выполняется в виде диафрагмы, помещенной на оптической оси в фокальной плоскости объектива 5, Размер диафрагмы определяется соотношением: где Р - фокусное расстояние объектива 5. Изображение исследуемой области объекта формируется в отфильтрованных рассеянных пучках, прошедших через поглощающую ячейку 8 на регистрирующее устройство 9. Ячейка 8 заполнена веществом, контур поглощения которото привязан к частоте когерентного пучка, освещающего объект, так, чтобы допплеровские частоты рассеянных пучков приходились на линейный участок контура, как это показано на фиг. 2. Тогда на выходе поглощающей ячейки интенсивность светового пучка, рассеянного и-м элементом исследуемого объекта, можно описать выражениемси =е = Е,. (1 -.и)(8),где Е.и - амплитуда рассеянного пучка на входе ячейки;еи - амплитуда рассеянного пучка на выходе ячейки;5 - крутизна рабочего участка контура поглощения;сны - допплеровский сдвиг частоты в рассеянном пучке.Если т - время экспозиции изображения и-го участка, то интенсивность результирующего рассеянното пучка, осредненного за вре. = -Ез, (1 - Яа) Й. (9)5 416Это равенство справедливо, если частотапульсаций допплеровской частоты1йВ общем случае исследуемый объект содержит элементы с разной рассеивающей способностью и меняющейся во времени скоростью движения, Поэтому интенсивность рассеянно го пучка Е и допплеровская частота оы яв 2ляются функциями времени:Ез, =Ез (1)Можно оценить величину минимального эле 15 мента рассеивающего объекта, который разрешается оптической системой, формирующей изображение в отфильтрованных рассеянных пучках, Этот размер, как известно, определяется из условия, что угол дифракции на нем падающего светового пучка составляет величину, не большую, чем ЛО:д 0 фО)25 где Л - длина волны излучения,Отсюда время пересечения области И рассеивающей частицей, имеющей скорость ,составляет величину 30 1 с 1 д 6и1 пх Время экспозиции т следует выбирать больше, чем т в таких пределах, чтобы усредненная за промежуток т интенсивность рассеянного светового потока, формирующего изображение элемента разрешения В, была одинаковой для любого элемента рассеивающей области (Е, )т=Е,. Отсюда интенсивность рассеянного пучка в изображении и-го элемента рассеивающей среды оказывается, как это следует из (9), равной:= (Ег, )- 5 щЕз, )-. = = ( Ез )-.- 5 оа). (12) 35 40 45 50 Следовательно, интенсивность рассеянного пучка в изображении каждого элемента рассеивающей области является линейной функцией (12) от допплеровской частоты и, следовательно, скорости данного элемента, осредненной за время экспозиции т. Сформированное изображение представляет собой визуализированное поле скорости с пространственным разрешением, определяемым выражением (10). При больших размерах исследуемой области можно применить растровую оптическую систему с низкочастотным пространственным фильтром. Максимальная регистрируемая частота пульсаций скорости составляет величину, обратную выбранному времени экспозиции.Для численной тарировки визуализирован- ,ного поля скорости достаточно произвести из,мерение локальной скорости в малом участке рассеивающей области, равном элементу разрешения. Такое измерение можно осуществить с помощью известных лазерных допплеровских измерителей скорости,Формула изобретенияСпособ измерения поля скорости движущихся, сред путем выделения допплеровского сдвига частоты в свете, рассеянном движущимися средами, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью визуализации поля скорости, рассеянный свет последовательно фильтруют низкочастотным фильтром пространственных частот, дискриминируют оптическим частотным дискриминатором, выполненным, например, в виде поглощающей ячейки, и регистрируют в плоскости изображения исследуемой области движущейся среды.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1. Патент Швейцарии М 517306, кл. б 01 Р 3/36, 1972.2. Мауо %, Т. 1 п., А 11 еп 1. В. Иеч дорр 1 ег Ьо 1 одгарЫс 1 есйп 1 чце аког ЛцЫ че 1 ос 11 у чЬца 11 ка 11 оп апд шеазцгегпеп 1. Арр 1. Ор 11 сз, 1971, 10, И 9, 2119 - 2126.567141 Уыг Е Составитель Л. ГойхманРедактор Н, Коляда Техред М. Семенов Коррект ахни Заказ 834/20ЦНИ одпис Типография, пр. Сапунова, 2 Изд.607И Государственного но делам изоб 113035, Москва, Ж Тираж 1109 омитета Совета Министро реторсий и открытий35, Раушская наб., д. 4/5