Способ измерения скорости потоков

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ои 952102(51) М, Кл. Я 01 Р,З/36 3 Ьеударстыней комитет СССР ао шам изабретеиий и вткрцтий,Дата опубликования описания 07,09,82(72) Лв торы изобретения Ю. Н. 1 убнишев и В. А. Павповрского"отдепе Институт автоматики эпектрометрии СиН СССР ия) Заявитель 54) СПО ЕРЕНИЯ СКОРОСТ 1 ПОТО(ОВ пинейной пространственно-частотной струкгоэнектрическом преобразовании го света в эпектрическнй допппе,гнал. Пространственно-разде- асти оптического попапоквнзочтобы онн пересекаписьекорными потоками рассеиваюшпх ри том фазовый шм. вызван сением сигнапов о 1 нескопьких турои, форассеянровский пенные ч ваны так реп 1 рова частиц, Г ный нано стцц, при коррепировании выхо ных эпеических сигнапов подавяетсяГР Недостатется пониже эа бопьшого няется резу ухудшается Вместо иск ции процесс пространств способа тре ком известного сгособа явпянная точность иэмерегий изобъема, по которому усредпьтат измереций. При этом пространственное разрешение, омой автокоррепяциоцной функ- а опредепяетси коэффициент енной коррепяции, Реапизация бует опредепенной взаимной Наи ности к кпючаю емой о риентвции змой средеа практике. с присоединением заявки РЙ. Изобретение относится к измеритепь-,ной технике и может найти применение вэкспериментапьной гидродинамике.Известен способ измерения скорости,заключавшийся в формировании в исспе 5дуемой области потока когерентного эондируюшего оптического попя с известнойпространственно-частотной структурой,поспедуюшем фотоэпектрическом преобразовании в рассеянном свете и измерениичастоты попученцого эпектрического сигнапа 1,Основным недостатком этого способаявляется пониженная точность измеренийиэ-за фазового шума, возникаюшего принапожении сигнапов от нескопьких частицодновременно находящихся в зондируемомобъеме. опее бпизким по технической сушизобретению явпяется способ, зашийся в формировании в исспедупасти потока когерентного оптнзондируошего попя с известной дируюших попей в исспедуо не всегда осугцествимо9571цепь изобретения - повышение точности измерений.Постввпенная цепь достигается тем,что в способе измерения скорости потоков, звкшочающемся в формировании зон- Здирующего когерентного оптического поля с известной пинейной пространственночастотной структурой, фотоэпектрическомпреобразовании рассеянного света в эпектричеакий доппнеровский сигнвп, по кото-. 1 Орому судят о скорости потока, выделяют когерентную и некогерентную составпяюшие допплеровского сигнапа и опредепяют взаимно коррепяционную функциюдпя этих составпяющих доппперовскогодсигнала.На чертеже предстввцена схема устройства дпя осушествпения способа,Устройство содержит поспедоввтепьнораспопоженные пвзер 1, коплиматор 2,лучевой расшепитепь З,формирующий обтектив 4, приемный объектив 5, апертурную диафрагму 6, пояупрозрачное зеркало 7, объектив 8 и фотоприемник 9. Задняя фурье-плоскость объектива 5 и перед-няя фурье-ппоскость объектива 8 пространственно совмещены, фотоприемник 9 помещен в задней фурье-ппоскости объектива 8, которая оптически сопряжена с ппоскостью, в которой покалиэовано зондирующее оптическое попе. На пути отраженного от попупрозрачного эеркапа 7 пучкапоследоватепьно размещены каллиматор10 и фотоприемник 11, Выходы фотоприемников через фильтры .12 и 13 подкпючены к входам дифференциального усипи 33тепя 14, к выходу которого подсоединендемодулятор 15, другой частотный демодулятор 16 подключен к выходу фотоприемника 12. Коррепятор 17 подсоединенк выходам частотных демодупяторов 1540и 16,Способ осушествпяется спедуюшимобразом,Лазер 1, колпиматор 2, пучевой расшепитепь 3 и объектив 4 формируют в ффисспедуемой обпасти потока когерентное,покапизоввнное в маном объеме, зондирующее оптическое попе, образованное суперпозицией двух пересекающихся интерферирующих световых пучков. Простран- Оственно-частотная структура зондирующего светового поля Йойвгается известной.Она определяется размером интерференционной поносы в зондирующем попе иравна55 3 2 йп 29 07 агде 2 9 - угон между интерферируюшимисветовыми пучками.Пусть К 1 и У - вопновые векторы этих пучков. Ири пересечении светового пучка движущейся со скоростью Ч рассеивающей частицей в рассеянном пучке появпяется доппперовский сдвиг частоты,е -э Мравный ц д =Ч(- М,где К - воиновой вектор рассеянного пучка, К - вопновой вектор Ч -го падающего пучка.Еспи в области пересечения двух падающих пучков одновременно находятся Ц частиц, результирующий световой пучок, рассеянный в направпении , явпяется суперпозицией вопи, рассеянных каждой частицейЕГ ,д- Д ЕЗСофбз ),Д(С-)пЕ(2) гдето н - амплитуда попя, рассеянного от-го пучка О -й частицей, Чп -скорость П -й частоты, д,) - момент вхождения П -й частицы в обпасть покапиэвции зондирующего светового попя.Рассеянный свет ограничивается апертурной диафрагмой 6 и объективом 5, выпопняюшим прямое фурье-преобразование оптического сигнапа, направпяется на попупрозрачное эеркапо 7. Отраженный по. - лупрозрачным зеркапом 7 свет через уменьшающий колпиматор 10 нвправпяется на фотоприемник 11, где формируется изображение фурье-образа зондирующего оптического попя, Нв выходе фотоприемника 11 с мвпой апертурой попучается электрический сигнвп, пропорциональный квадрату модупя светового поля.фипьтр 11 отфипьтровыввет низкочастотный пьедестап. На выходе фильтра поПучается сигнапЙ-гг м э ггрф г г)ггггггоМ)Кг Кг)Ф гггго) гМ Я"гд) Х дЕ,доооЯК,.К,)д гЕ,З,)1) дри 1 в,Сигнал поспе фипьтра 12 содержит две компоненты, частота которых равна разностной доппперовской частотеЯ 3 =Ч ("2 )1).- - у (4) где В - размер интерференционной попосы, опредепяемой формупой (1). Однакомпонента образована оптическим смешением световых вопи, рассеянных на од-.ной (Н -й) частице. Другая, твк называемая перекрестная ипи когерентнвя,5 95710 компонента, поручается иэ-оа оптического смещения световых вопи, рассеянных на разпичных ( 6-й и щ -й) частицах.,Рассеянный свет, прошедший через попупрозрачное зеркапо, объективом 8, вы- -полняющим обратное фурье-преобразова-.ние, направпяется на фотоприемник 9, В плоскости фотоприемника формируется в рассеянном свете иэображение зондирующего оптического поля. В этом спучае 30 световые вопны, формирующие иэображения рассеивающих частиц на светочувствительной поверхности фотоприемника 9, пространственно не перекрываются и оптически не смешиваются, т,е. в эпектри ческом сигнапе на выходе фотоприемника 9 перекрестная компонента отсутствует.На выходе фипьтра 12 попучается сигнап с отфильтрованным пьедесталом(9) Спедоватепьно, результирующая взаимно коррепяционйая функция совпадаетс автокоррепяционной функцией измеряемой величины - скорости и не зависит.от фазовых шумов, При этом измеренияосуществпяются с высоким пространствен-ным разрешением, так как отпадает необходимость формировать зондирующее оптическое поле в виде двух пространственно разнесенных интерференционных попей.Более высокая точность достигается тем,,что измеряется непосредственно автокорреляционная функция исспедуемого процесса,усредненная по мапому объему,тогда как в известном способе измеряется взаимно коррепяционная функция исспедуемого процесса в двух пространстввенно-раэдепенных объемах. Эта функцияприбпиженно совпадает с автокорреляционной топько дня процессов, пространственный масштаб турбупентности в которых,значительно превышает расстояние между1зондирующими объемами,Сигналы с выходов фурье-канала и канала изображения поступают на дифференциапьный усипитепь. ИПоспе частотной демодупяции (на выходе частотного демодулятора 15) поцучается сигнал вида 7 6тирующая коррекпяционная функция имеет вид) Поспе частотной демодупяции (на выходе частотного демодулятора 16) получаем сигнап О ОАЧК Ы,)фр 1 (71с 1где Ч) = р (.40Сигнапы с выходов частотных демодуляторов поступают на коррепятор. Результирующая взаимная коррепяционная функция сигналов имеет видЩ. ОО,Ц:" ",ч:чцй -1 чфЧ(баЯцоечьь ыуЯь, а( опредепяется попарной разностью 50 фаэ сигнапов от разпичных частиц, а (- фазой сигнала от единичной частицы. По,этомуи Ч являются статически независимыми спучайными вепичинами, Отсюда в выражении (8) дпя взаимной коррепяцнонной функции второй, третий и четвертый чпены обращаются в нуль. Реэупьформула изобретенияСпособ измерения скорости потоков, заключающийся в формировании эондирук щего когерентного оптического попя с известной пинейной пространственно-частотной структурой, фотоэпектрическом преобразовании рассеянного света в эпектрический допплеровский сигнал, по которому судят о скорости потока, о т я и - ч а ю щ и й с я тем, что, с цепью повышения точности измерений, выделяют когерентную и некогерентную составпяющие донпперовского сигнапа и опредепяют взаимно корреляционную функцию дпя этих составляющих доппперовского сигнапа.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Патент США % 3548,665, кл. 73-194, 1970.2, Дубнищев Ю. Н, и др, Шум напожения в ЛДИС и пути его снижения, Автометрия, 1976, М 3, с. 53-60 (прототип).