Спосіб вимірювання швидкості потоку і пристрій для його реалізації

1. Спосіб вимірювання швидкості потоку шляхом зондування рухомого потоку лазерним пучком І виділення для двох напрямків прийому розсіяних пучків з наступним їх оптичним змішуванням на фотокатоді квадратичного детектора, який відрізняється тим, що потік зондують двома лазерними пучками з взаємоортогональними поляризаціями і різницею частот Ом, в кожному напрямі прийому виділяють два розсіяних пучки, що мають взаємоортогональні поляризації, а перед оптичним змішуванням розсіяних пучків здійснюють спочатку для однієї з пар просторово поєднаних розсіяних пучків перетворення Гх стану поляризації на взаємоортогональне і потім поляризаційну фільтрацію, а на виході детектора вимірюють частоту високочастотного сигналу пропорційну проекції вектора швидкості на геометричну суму векторів, один з яких рівний різниці хвипьових векторів двох зондуючих пучків, а інший - різниці хвипьових векторів двох розсіяних пучків. 2. Пристрій для вимірювання швидкості потоку, що складається з оптично узгоджених лазера, фокусуючого і збираючого об'єктивів, діафрагми з двома отворами, дзеркала, змішувача, що забезпечує просторове поєднання розсіяних пучків на фотокатоді блока фотоприймача, що складається з послідовно встановлених діафрагми, інтерференційного світлофільтра і фотоприймача, а також вимірювача доплерівськоі частоти, вхід якого спопучений з виходом фотоприймача, який відрізняється тим, що в нього додатково введені між лазером і фокусуючим об'єктивом світлоподільник і дзеркало, які формують два парапельних лазерних пучки симетричних і паралельних оптичній осі фокусую Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний для вимірювання швидкості потоків рідини або газу. Відомий спосіб вимірювання швидкості потоків [1], заснований на зондуванні лазерними пучками чого об'єктива, частотозсувний пристрій і півхвильова фазова пластина, розташованих на шляху одного з лазерних пучків, а також півхвильова фазова пластина на шляху однієї з пар розсіяних пучків і поляризаційний фільтр, встановлений на вході блока фотоприймача. 3. Пристрій по п.2, який відрізняється тим, що оптичні осі фокусуючого і збираючого об'єктивів співпадають, а відстань між двома отворами діафрагми, розташованими симетрично відносно оптичної осі схеми Oz в площині зондуючих пучків Oxz, рівна ах = 2 F t a n ( / / 2) , причому оптична вісь резонатора лазера І оптична вісь блока фотоприймача розташовані в площині Oxz з протилежних сторін відносно оптичної осі схеми Oz, де F - фокусна відстань збираючого об'єктива, у - кут між двома лазерними пучками. 4. Пристрій по п 3, який відрізняється тим, що відстань між двома отворами діафрагми рівна ах >2Ftan(//2) або ах 2F tan(y/2) або ах 2F гап(у/2} або ах < 2F tan(y/2) причому оптична вісь резонатора лазера і оптична вісь блок фотоприймача розташовані в ппощині Oxz з однієї сторони відносно оптичної осі схеми Oz. Крім того пристрій відмінний тим, що змішувач виконаний у вигляді складової' призми, наприклад, з світлодільника і призми повного внутрішнього відбиття, яка забезпечує напрям на фотоприймач усього розсіяного випромінювання падаючого на вхід складової призми, а діафрагма перед фотоприймачем виконана з двома отворами. На фіг. 1 представпена блок-схема пристрою, що реалізовує спосіб вимірювання швидкості потоку, на фіг 2 - блок-схема пристрою для вимірювання високошвидкісних потоків, на фіг. З і 4 - геометрія зондуючих і розсіяних пучків, відповідно для пристроїв, поданих на фіг 1 і 2, на фіг 5 - змішувач, що складається з напівпрозорої призми 18і І призми повного внутрішнього відбиття 18 2 . Пристрій (фіг. 1,2) містить оптичне узгоджені: лазер 1, випромінюючий вертикально поляризований пучок 2, розщинник 3, який ділить лазерний пучок 2 на два пучка 4 і 5 рівні по потужності; частотозсувний пристрій 6, підключений до генератора високої частоти 7; дзеркало 8; півхвильову фазову пластину 9; фокусуючий об'єктив 10, який фокусує два лазерних пучка в зону вимірювання 11 (місце перетину двох лазерних пучків під кутом у), 12 І 13 - розсіяне випромінювання, що збирається об'єктивом 14 під кутом а/2 до оптичної осі схеми OZ, діафрагму з двома отворами 15; дзеркало 16; півхвипьову фазову пластину 17; змішувач 18; поляризаційний фільтр 19; діафрагму 20; Інтерференційний світлофільтр 21; фотоприймач 22 і вимірювач доплерівської частоти 23 Пристрій, що реалізовує спосіб вимірювання швидкості потоку (фіг. 1) працює таким чином. Ла 41580 зер 1 випромінює потужний безперервний лазерний пучок 2 вертикальної поляризації, який ділиться розщинником 3 на два пучка 4 і 5 рівної інтенсивності Пучок 5 після проходження частотозсувного пристрою 6, підключеного до генератора високої частоти 7, зміщується по частоті на величину Q M і далі, відбившись від дзеркала 8, проходить півхвильову фазову пластинку 9, на виході якої лазерний пучок 5 має горизонтальну поляризацію і частоту G)0 + Q M І допомогою змішувача 18 і далі прямують на поляризаційний фільтр 19 Нехай поляризаційний фільтр 19 має азимут осі пропускань рівний 0°, тоді через фільтр 19, діафрагму 20 і інтерференційний світлофільтр 21 проходять тільки розсіяні пучки, що мають горизонтальні поляризації К Ks і Внаслідок оптичного змішення цих пучок на виході фотоприймача формується високочастотна складова сигналу на частоті — К? - різниці хвильових век торів розсіяних пучків І Внаслідок симетрії схеми (фіг 3) К4 паралельний осі Ох, тому в даному варіанті схема вимірює горизонтальну проекцію швидкості Vx = Vcosq) Чутливість схеми рівна S (1) (фіг 3), а від - хвильовим вектором К - рівний різниці хвильо вих векторів зондуючих пучків, X- довжина хвилі випромінювання лазера) Розсіяне випромінювання від пучка К04 +К04 S Гц м І сек _2[sin(^/2)+sin(a/2)] Л Якщо, наприклад, у < а то чутливість рівна ^ л , тобто в два і більше раз (якщо у< а) більше, ніж в прототипі при тому ж куті а Якщо у= « т а оптичні осі 10 і 15 співпадають, то в цьому випадку відстань між отворами діафрагми 15 вибирається рівною dx= 2F} ш(у/2), де F-\ - фокусна відстань об'єктиву 14 Зондуючі пучки 4 і 5 на вході поляризаційного фільтра 19 мають горизонтальні поляризації і тому вони не проходять через фільтр 19 на фотоприймач 23 Такий варіант побудови схеми дуже простий для юстировки, оскільки для цього досить забезпечити просторове поєднання хвильових векторів К і К5 на виході змішувача 18 У цьому випадку автоматично забезпечується просторове поєднання хвильових векторів розсіяних пучків на фотокатоді фотоприймача 22 Крім того в схемі забезпечується рівність оптичного ходу двох електромагнітних хвиль, що змішуються і Д І 0 = ALS . де AL0 - різниця оптичного хо ду між зондуючими пучками 4 і 5, ALS - різниця оптичного ходу МІЖ розсіяними пучками що змішуються виконання цієї умови дозволяє використати в схемі потужні лазери з малою довжиною когерентності Якщо в схемі (фіг X) у а, то схема (фіг 1) може також працювати, коли оптична вісь збираючого обективу складає деякий кут з оптичною віссю фокусуючого об'єктиву Нехай, наприклад, в системі координат Oxyz напрям оптичної оа об'єктиву 10 співпадає з віссю Oz, а напрям осі об'єктиву 14 задається кутами (Р, 0;, де ВІДПОВІДНО G - кут, що відлічується від осі Oz, a P - кут, що відлічується від ОСІ Oz в площині Oxz Тоді, ЯКЩО 0 = 0, а р = ±д або навпаки р = 0, а 0 = ±Д6, то область можливої зміни кутів ±Др і ±ДЭ визначається розрахунковим шляхом [4] і виходячи з умови збереження незмінного стану поляризації випромінювання при разсіянні його на мікрочастинах У схемі (фіг 1) область вимірювання 11 визначається зоною, в якій перетинаються зондуючі пучки 4 і 5, тому розміри цієї зони легко експериментально виміряти що неможливо здійснити в прототипі 41580 8 3 малою чутливістю (фіг 4} Такий варіант побудови схеми автоматично забезпечує високу ступінь Розглянемо випадок, коли а > у(а Sii» 5 і 2 1 знак «-» використовується, якщо ог>, знак «+» - якщо а> у У цьому випадку чутливість схеми _2[sin(//2)-sin(a/2)] Ао Я І пае (2) може бути вибрана дуже малою, що особливо важливо при вимірюванні високошвидкісних потоків Наприклад при гіперзвукових швидкостях доплерівський зсув CO j 2 У ВІДОМИХ схемах складає ГҐц, що ускладнює обробку і точне вимірювання цих частот У прототипі пониження доплерівської частоти сокг можливо досягнути за рахунок зменшення кута а, однак при цьому істотно знижується просторове розділення схеми У схемі (фіг 1) перехід від режиму роботи з високою чутливістю (1) до режиму з малою чутливістю (2) досягається шляхом зміни азимута осі пропускань фільтра 19 на 90° При цьому зберігається високе просторове розділення, оскільки воно визначається кутом у, який залишиться const Якщо пристрій призначається тільки для режиму роботи з малою чутливістю, то більш переважним є варіант побудови схеми поданий на фіг 2 У цій схемі як лазер 1 так і фотоприймач 22 знаходяться з однієї сторони від осі Oz, і, крім того, а> у (а 5 ФІГ. 1 21 20 18 17 Фіг. 2 Фіг. З 11 41580 12 Фіг. 5 ДП "Український інститут промислової власності "(Укрпатент) Україна, 04119, Київ-119, вул. сім"і Хохпових, 15 (044) 456-20-90