Доплеровский анемометр

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК А 01 Р 5/ Г САНИЕ ИЗС)БРЕТЕ скоростей беэ расширения полосы вх фильтра и повышение точности изм мгновенной скорости потока при а потоков с различной концентрацией ивэющих центров. Сущность предлаг анемометра временного типа заключ формировании измерительного объе ройства на основе ряда ультразвуко дуляторов с фильтрацией вых сигнала фотоприемника и формиро временного аналога исследуемого ровского сигнала с последующим м нальным временным анализом к периода сформированного временн лога. Далее измеренным мгновенн чением периодов вычисляются мгно скорость потока, средняя скорость и персия. 2 ил,нныи универ в оды исследо- инск; Наука и(54) ДОПЛЕ РОВС (57) Изобретениеной технике и мо лазерной доплер автоматического и личных потоков. Ц ся расширение КИИ АНЕМ относится жет быть и овской ане змерения с елью иэобр диапазона ОМГТР к иэмерительпользовано в мометрии для коростей разетения являет- измеряемых Доплеровскии анемометр содержит непрерывный лазер 1, ультразвуковой модулятор 2, диафрагму 3, линзу 4, два дополнительных ультразвуковых модулятора 5 и 6, перестраиваемую диафрагму 7, передающую 8 и приемную 9 оптику, фото- приемник 10, фимльтр 11, преобразователь частота-напряжение 12, пороговый формирователь 13 временного аналога доплеровского сигнала, измеритель временных интервалов 14, синтезатор частот 15, буферное запоминающее устройство (БЗУ) 16 и микроЭВМ 17.Выход фотоприемника 10 соединен с входом фильтра 11, выход которого соединен с входами порогового формирователя 13 и преобразователя частота-напряжение О Целью ние диэп расширен вышение скорости личной ко иэобретЗонд иэм я полос Очности потока пр нцентрац Н опле в;на кого ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Тиль В.В. Оптические мевания процессов горения. - Мтехника, 1984, с. 80-81. Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в лазерной доплеровской анемометрии для автоматического измерения скоростей различных потоков. ния является расширеренных скоростей без входного фильтра и поэмерения мгновенной анализе потоков с рээей рассеивающих центиг. 1 приведена структурная схема ского анемометра временного тиг. 2 - временной аналогдоплеровцесса,одного ерения налиэе рассеаемого ается в ма уствых моодного ванием доплено гокааждого ого анаым энаванная еедис 167238012, Выход порогового формирователя 13 соединен с последовательно включенными измерителем временного интервала 14, БЗУ16 и микроЭВМ 17, Выход преобразователя12 соединен с первь;м входом синтезатора 5частот 15, первый выход которого соединен с входом ультразвукового модулятора 2,а два других выхода - с соответствующимивходами двух дополнительных ультразвуковых модуляторов 5 и б, Выход микроЭВМ 17 10соединен с вторым входом синтезатора частот 15.Анемометр работает следующим образом.Световой пучок от непрерывного лазера 151 поступает на ультразвуковОй модулятор 2,в котором возбуждена акустическая волна спомощью синтезатора частоты 15, Вследствие взаимодействия лазерного излучения сакустической волной в модуляторе на его 20выходе световое излучение претерпеваетчастотный сдвиг и расщепляется на ряд пучков. Частота выходного Оптического излучения при этом равнаЙ 1 =Й ЬпЙп 1 25где Й - частота Оптического излучения лазера;Й - частота накачки ультразвуковогомодулятора 2;и - ПОрядок дифракции.Угол между расщепгенными пучкамизависит от частоты н качки модулятора иравенЯо (.1эп 01 = п - = и - ,-Йп 1,Л ч 35где - скорость ультразвука в модуляторе;Ь - длина волны лазераСо=Расщепленные пучки проходят диаф рагму 3, линзу 4, фокус которой совмещен с точкой расщепления светового луча в ульт развуковом модуляторе 2, Световой поток, прошсдший линзу 4, предо;авляет собой два параллельных пу 1 ка, которые поступа ют на оптические входы у.гьтразвуковых модуляторов 5 и б, на которых Осуществляются дополнительный частотный сдвиг и расщепление каждого входного светового пучка, Частота выходного оптического излучения ультразвуковых модуляторов 5 и бЯ= Й + П Р 1 + и Йп ;й 1 == Й - и Йп 1 + П Йи углы между расщепленными пучками при этом равныэп 6 = и - ЙЬ31 пз = и; Йпз Далее расщепленные пучки проходят передающую оптику В и перестраиваемую диафрагму 7, где осуществляется выбор соответствующих расщепленных пучков после ультразвуковых модуляторов 5 и б и выбранные пучки пересекаются в требуемой точке исследуемого потока, формируя интерференционную картину в плоскости пересечения. Рассеянное излучение от движущихся частиц потока собирается приемной оптикой 9 и детектируется фотоприемником 10, Частота выходного сигнала фотоприемника после фотогетеродинирования равна Й) = 2 и Йп 1 + и Йп 2 + и Йпз + Охи, где п 1 О - доплеровский частотный сдвиг, определяемый скоростью движения частиц потока, со с 3 = 2(У 4)э 1 па,где ч - скорость потока;г. - длина волны оптического излучения;эпа - масштабный коэффициент преОбразования, который численно равен частотному сдвигу доплеровского сигнала при изменениискорпсти потока на единицу,Для предлагаемой оптической схемы а 1 и а 2 определяют следующими соотношениями111901 + 219 ОЗтда 119% + 219%тдар = -1 згде 11 Л 2 ЛЗ - фокусные расстояния соответствующих линз.Такое построение оптической схемы доплеровского анемометра позволяет осуществить перенос выходного сигнала фотоприемника в требуемую временную (спектральную) область соответствующим вы- борОМ Яп 1,Яп 2,Чпзи тЕМ СаМЫМ ОСущЕСтВИтЬ расширение динамического диапазона устройства эа счет сжатия выходного частотно 1 о диапазона фотоприемника при одновременном удержании частоты доплеровского сигнала в полосе входного фильтра синхронным изменением масштабного коэффициента э 1 па 1, который является функцией частот управления Йп 2,Йпэ, Это расширяет диапазон исследуемых скоростей без изменения полосы пропускания входного фильтра, Использование перестраиваемой диафрагмы 7 также позволяет Осуществлять дискретное расширение диапазона регистрируемых скоростей за счет выбора соотеетствующих расщепленных пучков после ультразвуковых модуляторов 5 и б 1 грубая перестройка диапазона), а внутри э 1 ого диапазона осуществлять плавное слежение эа доплеровской частотой, 167238051015 20 25 30 35 40 45 50 55 Выходной сигнал фотоприемника 10 фильтруется и поступает на вход преобразователя частота-напряжение 12, При этом синхронно с изменением выходной частоты фотоприемника 10 происходит изменение выходного напряжения преобразователя частота-напряжение 12, которое управляет частотой синтезатора частоты 15. При достижении выходным напряжением преобразователя частота-напряжение 12 заданных определенных пороговых уровней происходит изменение выходной частоты синтезатора частот, что изменяет углы схождения оптических пучков и значение масштабного коэффициента з псе Таким образом, осуществляя удержание дог леровской частоты в полосе входного фильтра и сжатие выходного частотного диапазона фотоприемника предлагаемыи анемометр позволяет расширить динамический диапазон исследуемых скоростей потоков беэ изменения полосы пропускания фильтра 11,Отфильтрованный доплеровский сигнал поступает одновременно и на вход порогового формирователя 13, где осуществляется формирование временной последовательности импульсов, передний фронт которых совпадает во времени с моментом пересечения порошкового уровня Оп 0 рО входным сигналом, а задний фронт - с моментами пересечения нулевого уровня выходным сигналом. Пороговыйормирователь представляет собой триггер Шмидта с управляемым порогом переключения Опор 0 и порогоом опускания, равным нулю, Критерием установки Олпг является максимально допустимый уровень помех, Формирование временного аналога доплеровского сигнала на основе пороговой дискретизации доплеровского процесса с нулевым порогом срабатывания позволяет повысить точность преобразования доплеровского сигнала в его временной аналог за счет исключения погрешности преобразования, обусловленной случайным характером амплитудной модуляции с Опор т О. Сформированный временной аналог доплеровского процесса содержит в себе всю информацию о доплеровских флуктуациях, как кратновременных, в виде приращений капждого периода временного аналога, так и долговременных, в случае осреднения по ансамблю реализаций (см, фиг, 2),Сформированная временная последовательность доплеровских периодов поступает на цифровой измеритель временных интервалов 14. где измеряются последовательные временные интервалы между задними фронтами сформированных импульсов нулевого уровня и соответствующий цифровой код Т 1 запоминается в БЗУ 16. Измеренные значенля каждого периода Т доплеровского сигнала (массив в ЭВМ) представляют собой мгновенную скорость потока, Измерение каждого доплеровского периода позволило исследовать потоки как с высокой (непрерывныи доплеровский сигнал), так и с низкой (доплеровский сигнал представляет собой радиоимпульсы) концентрацией рассеивающих центров без ухудшения точности анализа. Далее в ЭВМ по измеренным мгновенным значениям скорости Т 1 строится гистограмма функции распределения мгновенных значений Т 1 в соответствии с правилом н; )=1 ПРи 1 Д ,(1) Д 7 0 пру Т 1 ( ьт Т ) (1 + 1)дТ где Т 1 - )-й отсчет периода;ЛТ - ширина дифференциального канала гистограммы;1 = О, 1, 2, - номер дифференциального канала гистограммы. Далее из гистограммы вычисляются среднее значение скорости и ее дисперсия.Формула изобретения Доплеровский анемометр, содержащий лазер, ультразвуковой модулятор, диафрагму, передающую и приемную оптику, фото- приемник, фильтр и вычислитель, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых скоростей и повышения точности измерения мгновенной скорости потока, в него введены два дополнительных ультразвуковых модулятора, линза, перестраиваемая диафрагма, пороговый формирователь временного аналога дсплеровского сигнала, преобразователь частота-напряжение, сигнализатор частот, буферное запоминающее устройство, при этом оптический выход лазера соединен с оптическим входом ультразвукового модулятора, а выход последнего оптически связан через диафрагму и линзу с оптическими входами второго и третьего дополнительного ультразвуковых модуляторов, выходы которых через перестраиваемую диафрагму и передающую оптику связаны с фотоприемником через приемную оптику, выход фотоприемника через фильтр связан с входом преобразователя частота - напряжение и одновременно входом порогового формирователя временного аналога доплеровского сигнала, а выход последнего подключен к входу измерителя временных интервалов, выход которого связан с входом буферного запоминающего устройства, соединенного с вычислителем, при этом выход последнегосвязан с вторым входом синтезатора, первый вход которого связан с выходом преобразователя частота-напряжение, а выходы синтезатора частот - с соответствующимиэлектрическими входами ультразвуковыхмодуляторов.1672380 ХИСоставитель А.Детков Редактор Т.Иванова Техред М.Моргенталрректор М.Кучеря Заказ 2837 Тираж 328 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10