Устройство для измерения поля скоростей двухфазных потоков

(36 51) 5 6 ТЕНИЯ Е.ТЕЛ ЪСТВУ АВТОРСКО ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗ(71) Ленинградский государственный университет(56) Белоусов П,Я., Дубнишев Ю.И., ПавловВ.Д. Визуализация поля скорости потока. -Оптика и спектроскопия, 1982, т,52, 1 ч. 5,с.876-879,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯСКОРОСТЕЙ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ(57) Изобретение относится к лазернойанемометрии, а именно к усторойствам дляизменения поля скоростей потоков по доплеровскому сдвигу частоты света, рассея нного частицами движущейся среды. Цельизобретения - повышение быстродействияизменения поля скоростей двухфазных потоков. Частотный дискриминатор 13 выполняется в виде двух идентичных цилиндров,заполненных линейно поглощающей средой, которые связаны между собой, а также с термостатом 30. Вводятся дополнительные светоделительные пластины 2, 12, 17, поворотное зеркало 18, а также опорные фотоприемники 21, 22, что позволяет сформировать опорный оптический канал, вязанный с частотным дискриминатором .3, а также связать рассеянный объектом свет с дополнительным фоторегистратором 19, который, так же, как и фоторегистратор 20, выполняется в виде матричного фотоприемника. В результате мощность прошедшего через дискриминатор 13 света связывается с доплеровским сдвигом частот в каждой точке объекта, в которой содержатся рассеивающие центры. При этом сигналы с фоторегистраторов и с опорных фотопри- Б емников через коммутаторы и аналогоцифровые преобразователи поступают в блок обработки, который выполнен в виде блока цифровой обработки и через цифроаналоговый преобразователь и усилитель соединен с лазером для управления частотой его генерации. 4 ил.Изобретение относится к лазерной анемометрии,1 а именно к устройствам для измерения поля скоростей потоков по доплеровскому сдвигу частоты света, рассеянного частицами движущейся среды.Цель изобретения - повышение быстродействия измерения поля скоростей двухфазных потоков.На фиг.1 изображена блок-схема устройства для измерения поля скоростей .двухфазных потоков; на фиг,2 - форма выполнения частотного дискриминатора; на фиг,З- контур усиления линии генерации 5154 А лазера на ионах аргона и линия поглош 7 ения В(15), Р(13) молекулярного йода 32; на фиг.4 - экспериментально частотг,нэя характеристика дискриминатора на йодной ячейке, имеющей длину 5 см и температуру насыщенных паров молекулярногойода 32 720 С,Устройство для измерения поля скоростей двухфазных потоков содержит перестраиваемый лазер 1, установленную по ходу луча лазера светоделительную пластину 2, двухканальный оптический тракт, один канал которого (измерительный) содержит установленную за светоделителем короткофокусную линзу 3, световод 4 и цилиндрическую линзу 5 и сопряжен с рабочей камерой 6, имеющей оптически прозрачные окна 7 - 10, линзу 11, светоделительную пластину 12, частотный дискриминатор 13, Второй (опорный) канал содержит последовательно устэновленныелинзу 14, расположенную на пути светового пучка, отклоненного светоделительной пластиной, световод 15 и линзу 16. После линзы 16 установлены светоделительная пластина 17 и поворот 5 10 15 20 ЗО 35 40 45 50 55 ное зеркало 18, Светоделительная пластина 12 сопряжена с фоторегистраторами 19 и 20, которые выполнены в виде матричных фотоприемников, Опорные фотоприемники 21 и 22 оптически связаны соответственно с пластиной 17 и зеркалом 18, Фоторегистраторы и опорные фотоприемники соединены через коммутаторы 23 и 24 с аналого-цифровыми преобразователями 25 и 26, которые связаны с цифровым блоком 27 обработки, Блок обработки через цифроаналоговый преобразователь 28 подключен к усилителю 29, связанному с лазером 1.Частотный дискриминатор 13 связан с термостатом 30 и выполнен в виде двух идентичных цилиндров 31 и 32, которые заполнены линейно поглощающей средой и связаны между собой соединительной трубкой 33 и отростком 34, который соединяется с термостатом 30. Торцы цилиндров 31 и 32 имеют оптически прозрачные окна 35 - 38,Устройство работает следующим образом.Излучение узкополосного перестраиваемого лазера 1 с частотой, находящейся в рабочем режиме на квазилинейном участке склона линии поглощения среды, заполняющей ячейки частотного дискриминатора 13, по оптическому тракту 2-3-4-5 попадает в рабочую камеру 6 газодинамической трубы. Изображения исследуемой области потока в рассеянном излучении движущимися частицами света с помощью линзы 11 и светоделительной пластины 12 передается на матричные фотоприемники 19 и 20. Частота рассеянного излучения лазера имеет допплеровский сдвиг, пропорциональный проекции скорости потока. Свет, попадающий на фотоприемник 20, проходит через частотный дискриминатор на поглощающей ячейке и ослабляется в зависимости от его частоты и крутизны рабочей характеристики дискриминатора. Часть излучения лазера с помощью светоделительной пластины 2, короткофокусной линзы 14, световода 15, линзы 16, светоделительной пластины 17, поворотного зеркала 18 подводится к частотномудискриминатору 13 и передается на опорные фотоприемники 21 и 22, Свет, попадающий на фотоприемник 22, проходит через ячейку с поглощающей средой 13,Сигналы с элементов матричных фотоприемников 19 и 20 и фотоприемников 21 и 22 через быстродействующие коммутаторы 23 и 24 и аналого-цифровые преобразователи 25 и 26 попадают в электронно-вычислительную машину 27 на программную обработку. А - сигнал 1-го элемента матричного фотоприемника 20. В - сигнал 1-го элемента матричного фотоприемника 19, причем на 1-е элементы фотоприемников 19 и 20 передается иэображение одной и той же точки измерительной области. Ао, Во - соответственно сигналы фотоприемников 22 и 21 С = А/В, Со = Ао/Во зависят соответственно от частоты рассеянного и зондирующего лазерных излучений, а также от крутизны частотной характеристики дискриминатора, Разность (С 1-Со) определяет величину допплеровского сдвига, а следовательно, и проекции скорости в 1-й точке измерительной области. Градуировка устройства заключается в получении частотной характеристики дискриминатора 1 (У) = Ь /Вь Она может быть выполнена следующим образом. В качестве имитатора потока используется неподвижный рэссеиватель, так что между рассеянным и зондирующим излучениями лазера частотного сдвига нет, лазер сканируется с помощьюблока перестройки по частоте с определенным шагом, на каждом шаге получаем значение частотной характеристикидискриминатора т (и) = А/В 1= С(м), откуда имеем У= Я (С), тогда величина допплеровского сдвига частоты в 1-й точкеисследуемой области определяется какЛ Рд = ю(С) - ю(С,). Линия поглощения среды, заполняющей ячейку (кювету), должналежать в контуре усиления линии генерации 10применяемого в устройстве лазера. В устройстве можно использовать одночастотный, перестраиваемый по контуру усилениялазер на ионах аргона, работающий на линии 5145 А, и ячейку, заполненную парами 15молекулярного йода 32 с рабочей линиейпоглощения К(15), Р(13). В качестве рабочейхарактеристики дискриминатора на йоднойячейке (фиг.3) йспользуется квазилинейныйучасток склона линии поглощения, блиэлежащей к центру контура усиления линии5145 А с рабочим диапазоном в 850 МГц,Лазерное устройство с таким частотным дискриминатором может быть использованодля исследования поля скоростей двухфаэных гиперзвуковых потоков,В качестве частотного дискриминаторас рабочей характеристикой в 750 МГц можетбыть выбран конфокальный интерферометрс резкостью Р = 2 и интервалом свободной 30дисперсии ЛЪ = 1,5 ГГц, Но геометрический фактор такого интерферометра на двапорядка меньше аналогичного параметрадля йодной ячейки длиной 5 см и диаметром цилиндра б 1 см. Частотная характеристика дискриминатора на йодной кюветедля различных точек изображения исследуемой области потока, сформированного наматричном фотоприемнике, имеет разброс,связанный с тем, что лучи, пересекающие 40ячейку под разными углами к оси, проходятразличные оптическИе пути. Этот разбросможет быть учтен при градуировке устройства для каждого элемента матричного фотоприемникаа. 45В качестве примера конкретного использования рассмотрим работу предлагаемого устройства при измерении скоростивращающегося диска. При этом в качествеоптического квантового генератора используется одночастотный, перестраиваемый поконтуру усиления лазер на ионах аргона,выполненный на базе модели ЛГМ, Частотным дискриминатором является йоднаяячейка, заполненная насыщенными парами 55молекулярного йода 32 при температуре1 20 С, длине ячейки 15 см, диаметра б 1 см.Скорость вращающегося диска измеряетсяв одной точке, находящейся на расстоянии,100 мм от его центра, частота оборотов диска составляет 6000 об/мин и контролируется тахометром. На фиг.4 представлена экспериментально. полученная частотная характеристика дискриминатора 1 (у). При этом лазер сканировался по контур 1 усиления линии 5145 Х с шагом, равным интервалу свободной дисперсии лазерного резонатора и составляющим 120 МГц, а рассеивателем служил неподвижный диск. В рабочем режиме при измерении скорости вращающегося диска частота оптического квантового генератора устанавливалась на моде, соответствующей уровню 0,85 частотной характеристики дискриминатора,Скорости вращения диска в 1 м/с соответствует частотный допплеровский сдвиг в 1 МГц. Линейная скорость вращения диска в исследуемой точке по показаниям тахометра 63 м/с, Сигналы, соответствующие зондирующему и рассеянному лазерным излучениям, по частотной характеристике дискриминатора имеют соответственно уровни 0,85 и 0,80, что дает допплеровг;ий сдвиг частоты в 63 МГц, тогда с учетом выбранной геометрии скорость диска в исследуемой точке 63 м/с, Погрешность, связанная с конечным углом сбора рассеянного излучения, 5 о . Формула изобретения Устройство для измерения поля скоростей двухфазных потоков, содержащее последовательно расположенные лазер, блок осветительной оптики, приемный объектив, частотный дискриминатор, сопряженный с ним фоторегистратор и блок обработки, о тл и ча ю щеес я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него дополнительно введены три светоделительные пластины, второй фоторегистратор, два опорных фотоприемника, поворотное зеркало, два коммутатора, два аналого-цифровых преобразователя, цифроаналоговый преобразователь, усилитель и термостат, при этом частотный дискриминатор выполнен в виде двух цилиндров с линейно поглощающей средой, которые соединены с термостатом, фоторегистраторы выполнены в виде матричных фотоприемников, а блок обработки выполнен в виде цифрового блока, причем первая светоделительная пластина сопряжена с лазером и поворотным зеркалом, вторая светоделительная пластина сопряжена с поворотным зеркалом и с первым опорным фотоприемником, который связан с входом первого коммутатора, третья светоделительная пластина сопряжена с приемным объективом и вторым Фоторегистратором, который связан с входомпервого коммутатора, поворотное зеркало сопряжено с вторым цилиндром частотного дискриминатора и с вторым фотоприемником, который связан с входом второго коммутатора, фоторегистратор сопряжен с третьей светоделительной пластиной, с первым цилиндром частотного дискриминатора и связан с входом второго коммутатора,выход первого и второго коммутаторов подключены к входам. соответственно первого и второго аналого-цифровых преобразователей, выходы которых соединены с входа ми блока обработки, выход блока обработкичерез цифроаналоговый преобразователь подключен к входу усилителя, выход которого связан с лазером,Л1700480 Составитель Е, Гуменнактор Л. Гратилло Техред М.Моргентал орректор О, Кравцов оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 1 аказ 44 б 4 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5