Лазерний двокомпонентний допплерівський вимірювач швидкості

Реферат: UA 94183 U UA 94183 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до вимірювальної техніки і може бути використана для вимірювання двох складових вектора швидкості потоку рідини або газу. Відомий двокомпонентний лазерний допплерівський вимірювач швидкості ЛДВШ [1, рис. 122 а, с. 148] (аналог), який складається з лазера, розщеплювача лазерного променя, фокусуючого та двох збираючих об'єктивів, апертурної діафрагми з двома круглими отворами двох фотоприймачів та двох вимірювачів допплерівської частоти. Але цьому ЛДВШ властиві наступні недоліки. По-перше, в зону вимірювання одночасно направляються три променя. За рахунок інтерференції опорних лазерних променів та розсіяних променів на виходах фотоприймачів утворюються на тільки сигнали, що пропорційні двом складовим вектора швидкості потоку, але сигнали перехресних високочастотних завад, спектри яких можуть накладатися на спектри корисних сигналів. В такому випадку складно виділити корисні сигнали, що пропорційні складовим вектора швидкості потоку. По-друге, прийом розсіяного випромінювання у такому ЛДВШ здійснюється у відносно маленький кутовій апертурі, що приводить до низького відношення сигнал/завада допплерівського сигналу. Відомий також ЛДВШ [2] (прототип), який складається з лазера, розщеплювача лазерного променя, фокусуючого та збираючого об'єктивів, непрозорого дзеркала, апертурної та фонової діафрагм, трьох оптичних затворів, лінії затримки, генератора, фотоприймача та вимірювача допплерівської частоти. Але такому ЛДВШ притаманний недолік, який полягає в тому що дві ортогональні проекції вектора швидкості потоку Vx та Vz вимірюються не одночасно. У такому ЛДВШ реалізовано розподілення вимірювання складових вектора швидкості у часі. Такий недолік приводить до того, що під час вимірювання швидкості турбулентних потоків за час вимірювання однієї складової вектора швидкості потоку друга складова зміниться за величиною. Тому буде виникати неоднозначність результатів вимірювань. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення ЛДВШ, що полягає в проведенні одночасного вимірювання двох складових вектора швидкості потоків рідини або газу. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в ЛДВШ, який містить оптично узгоджений лазер, розщеплювач лазерного променя на три променя, фокусуючий та збираючий об'єктиви, апертурну та фонову діафрагми, непрозоре дзеркало, фотоприймач та вимірювач допплерівської частоти додатково введені дисперсійний оптичний елемент, який встановлений після двохвильового лазера, дихроматичний розщеплювач, збираючий об'єктив, фонова діафрагма та фотоприймач. В ЛДВШ, який заявляється, в зону вимірювання направляються три лазерних променя, але на відміну від прототипу, лазерні промені в цьому ЛДВШ мають різну довжину хвилі. За допомогою дихроматичного розщеплювача розсіяне випромінювання мікрочастинками, що рухаються з потоком, поділяється на два розсіяних лазерних пучки, які мають різну довжину хвилі та зсунути за частотою, пропорційною складовим вектора швидкості потоку. Сигнали, що утворюються на фотоприймачах містять допплерівський зсув частоти, пропорційний Vx та Vz складовим вектора швидкості. Двокомпонентний ЛДВШ, який одночасно вимірює Vx та Vz ортогональні складові вектора швидкості потоку, схема якого зображена на фіг. 1 складається з схеми ЛДВШ на зустрічних променях та диференціального ЛДВШ. За допомогою диференціального ЛДВШ вимірюється Vx складова вектора швидкості потоку. Схема ЛДВШ на зустрічних променях призначена для вимірювання Vz компоненти вектора швидкості. Лазерний допплерівський вимірювач швидкості, що заявляється, працює наступним чином. Випромінювання двохвильового лазера 1 (наприклад аргонового лазера) направляється на оптичний дисперсійний елемент 2 (наприклад дисперсійну призму), за допомогою якого воно поділяється на два промені 3 та 4, які мають довжини хвиль 1 та 2. Промінь 3 відбивається від дзеркала 7, проходить світлорозщеплювач 6 та направляється на дзеркало 5. За допомогою розщеплювача 6 та дзеркала 5 промінь 3 поділяється на два промені 10 та 12, які фокусуючим об'єктивом 13 направляються у зону вимірювання 16. Лазерні промені 14 та 15 після проходження зони вимірювання 16 потрапляють на діафрагму 18 і далі не проходять в оптичний тракт ЛДВШ. Розсіяне випромінювання 17 мікрочастинками, що рухаються з потоком, збирається об'єктивом 19 та відбивається від дихроматичного розщеплювача 21. Розсіяне випромінювання 1 UA 94183 U 5 22 має довжину хвилі 1. Воно об'єктивом 23 направляється на фотоприймач 25, перед яким встановлена фонова діафрагма 24. Вихідний сигнал фотоприймача 25 далі надходить на вимірювач частоти допплерівського сигналу 30. Таким чином у ЛДВШ реалізована диференціальна схема вимірювання Vx складової вектора швидкості потоку. Змінна складова сигналу, що утворюється на виході фотоприймача 25, пропорційна Vx компоненті вектора швидкості потоку. f дх  10 2n c V  10  cos   sin  2 , де: nc - показник заломлення середовища, потоку що досліджується; 10 - довжина хвилі лазерного променя у вакуумі; β - кут між вектором швидкості та різницевим вектором  1   2 ;  - кут між променями 13 та 14. На фіг. 2. представлена геометрія лазерних та розсіяних променів у диференціальній схемі ЛДВШ. 15 На фіг. 2 зображені:  1 ,  2 - хвильові вектори першого та другого розсіяних променів відповідно;  S - хвильовий вектор розсіяного променя;  S  1   2  20 25 30 35 Лазерний промінь 4, що має довжину хвилі 2, відбивається від дзеркал 9 та 8 і за допомогою об'єктива 13 також направляється в зону вимірювання 16. Далі промінь 11 проходить об'єктив 19 та відбивається від непрозорого дзеркала 20, що встановлено за збираючим об'єктивом 19. Після відбиття від дзеркала 20 лазерний промінь об'єктивом 19 фокусується в зоні вимірювання швидкості потоку 16. Таким чином в двокомпонентному ЛДВШ, що заявляється, реалізована схема на зустрічних променях. За допомогою цієї схеми вимірюється Vz компонента вектора швидкості. Мікрочастинки, які рухаються разом з потоком рідини або газу, розсіюють лазерне випромінювання. Це розсіяне випромінювання 17 збирається об'єктивом 19 в межах апертурної діафрагми 18, проходить дихроматичний розщеплювач 21, що виділяє розсіяне випромінювання 26, яке має довжину хвилі λ2. Розсіяне випромінювання 26 за допомогою об'єктива 27 направляється на фотоприймач 29. Для зменшення завад, що виникають під дією стороннього фонового випромінювання перед фотоприймачем 29 встановлена фонова діафрагма 28. В результаті оптичного гетеродинування на виході фотоприймача 29 утворюється сигнал, що має постійну та змінну складові. Змінна, допплерівська складова вихідного сигналу фотоприймача 29, пропорційна Vz компоненті вектора швидкості та дорівнює: f дх  40 45 2 . 1 2n c V  20  cos  де: nс - показник заломлення середовища, потоку що досліджується; 20 - довжина хвилі лазерного променя у вакуумі;  - кут між вектором швидкості та лазерним променем 11. Вихідний сигнал фотоприймача 29 надходить на вимірювач частоти допплерівського сигналу 30. Таким чином, за рахунок того, що розсіяне випромінювання, яке містить допплерівських зсув частоти, пропорційний Vx та Vz ортогональним складовим вектора швидкості потоку має різну довжину хвилі, у ЛДВШ, що заявляється відбувається одночасне вимірювання цих складових вектора швидкості. Двокомпонентний ЛДВШ, що пропонується, може знайти застосування під час дослідження характеру течії у різного типу гідравлічних систем, а також під час дослідження моделей літальних апаратів та їх елементів у аеродинамічних трубах. 50 Джерела інформації 1. Клочков В.П., Козлов Л.Ф., Потыкевич И.В. Лазерная анемометрия, дистанционная спектроскопия и интерферометрия. - К.: Наукова думка, 1985. - 759 с. (аналог). 2 UA 94183 U 2. Дивнич М.П., Дивнич В.М. Патент на корисну модель №59113 від 10.05.2011 МПК G01P 3/36 (2006/1) «Лазерний двокомпонентний допплерівський анемометр» опубл. 10.05.2011, Бюл. №9 (прототип). 5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 Лазерний двокомпонентний допплерівський вимірювач швидкості, що складається з оптично узгодженого лазера, розщеплювача лазерного променя на три променя, фокусуючого та збираючого об'єктивів, непрозорого дзеркала, що встановлено за збираючим об'єктивом, апертурної і фонової діафрагми, фотоприймача та вимірювача допплерівської частоти, який відрізняється тим, що в ньому застосований двохвильовий лазер, а також додатково встановлені дисперсійний оптичний елемент, дихроматичний розщеплювач, збираючий об'єктив, фонова діафрагма та фотоприймач. 3 UA 94183 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4