Лазерний трикомпонентний допплерівський вимірювач швидкості
Номер патенту: 70873
Опубліковано: 25.06.2012
Автори: Дивнич Василь Миколайович, Дивнич Микола Полікарпович
Формула / Реферат
Лазерний трикомпонентний допплерівський вимірювач швидкості, який складається з оптично узгодженого лазера, розщеплювача лазерного променя на три промені, фокусуючого та збираючого об'єктивів, апертурної та фонової діафрагми, трьох оптичних затворів, до яких підключений генератор імпульсів, фотоприймача та вимірювача допплерівської частоти, який відрізняється тим, що в ньому додатково встановлені апертурна діафрагма та фонова діафрагми, об'єктив, три дзеркала, одне з яких напівпрозоре, два електричних ключі та фотоприймач.
Текст
Реферат: UA 70873 U UA 70873 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до вимірювальної техніки і може бути використана для вимірювання трьох складових вектора швидкості потоку рідини або газу. Відомий лазерний допплерівський вимірювач швидкості (ЛДВШ) [1, рис 122 а, с. 148] (аналог), який складається з лазера, розщеплювача лазерного променя, об'єктива, що фокусує, та двох об'єктивів, що збирають випромінювання, 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 промені. За рахунок інтерференції опорних лазерних променів та розсіяних променів на виходах фотоприймачів утворюються не тільки сигнали, що пропорційні складовим вектора швидкості потоку, але також 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 маленькій кутовій апертурі, що приводить до низького відношення сигнал/завада допплерівського сигналу. Такий ЛДВШ не може вимірювати три складові вектора швидкості потоку. Відомий ЛДВШ [2] (прототип), в якому в зону вимірювання одночасно направляються три лазерних променя, на шляху яких встановлені три оптичних затвора. Такий ЛДВШ складається з ЛДВШ диференціального типу та ЛДВШ на зустрічних променях. Недоліком такого ЛДВШ є те, що за його допомогою не можливо вимірювати три складові вектора швидкості потоку. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення ЛДВШ за рахунок поєднання схем побудови ЛДВШ трьох типів - ЛДВШ диференціального типу, ЛДВШ з опорним променем та ЛДВШ на зустрічних променях. Задача вирішується за рахунок того, що в ЛДВШ, який містить оптично узгоджений лазер, розщеплювач лазерного променя на три промені, об'єктив, що фокусує лазерні промені, та об'єктив, що збирає розсіяне випромінювання, апертурної та фонової діафрагми, три оптичні затвори, до яких підключений генератор імпульсів, фотоприймач та вимірювач допплерівської частоти, згідно з корисною моделлю, додатково встановлені апертурна діафрагма та фонова діафрагми, об'єктив, три дзеркала, одне з яких напівпрозоре, два електричних ключі та фотоприймач. Схема з опорним променем, що додатково використовується у ЛДВШ, який заявляється, дозволяє проводити вимірювання третьої Vy складової вектора швидкості, що не можливо у прототипі. В такому ЛДВШ, так само як і у прототипі, застосовується розділення каналів вимірювання у часі. Для цього на шляху трьох лазерних променів, що направляються в зону вимірювання, встановлені оптичні затвори, які підключені до імпульсного генератора кодових послідовностей. Трикомпонентний ЛДВШ, який вимірює Vx , Vy та Vz ортогональні складові вектора швидкості потоку, схема якого зображена на фіг. 1, складається з схеми ЛДВШ з опорним променем, ЛДВШ диференціального типу та ЛДВШ на зустрічних променях. Схема ЛДВШ з опорним променем призначена для вимірювання Vy складової вектора швидкості. За допомогою диференційного ЛДВШ вимірюється Vx складова вектора швидкості потоку. Схема ЛДВШ на зустрічних променях дозволяє визначити Vz складову вектора швидкості потоку. Лазерний допплерівський вимірювач швидкості, що пропонується, працює наступним чином (див. фіг. 1). Випромінювання лазера 1 за допомогою напівпрозорих дзеркал 2, 3 та непрозорого дзеркала 4 поділяється на три променя 5, 6 та 7. Розділення каналів вимірювання у часі проводиться за рахунок застосування оптичних затворів, що встановлюються на шляху лазерних променів, які направляються у зону вимірювання. До оптичних затворів підключений імпульсний генератор кодових послідовностей 8. На фіг. 2 зображена часова діаграма вихідних сигналів, що генеруються та подаються на оптичні затвори 9, 10 та 11. Генератор 8 має три виходи А, В та С, що підключені відповідно до оптичних затворів 9, 10 та 11. Цикл роботи генератора поділяється на три підцикли. В першому на виходах А та В з'являються імпульси, що мають тривалість , та закривають оптичні затвори 9 та 10. У другому, який починається через час - , імпульс формується тільки на виході В. В третьому 1 UA 70873 U 5 10 15 20 25 підциклі імпульси формуються на виходах А та С. Через інтервал часу Т цикл вимірювання повторюється. У першому підциклі роботи ЛДВШ продовж тривалості імпульсу відкритий тільки оптичний затвор 11 і в зону вимірювання направляється тільки промінь 7. Таким чином в цей період часу працює тільки схема з опорним променем та вимірюється Vy складова вектора швидкості потоку. Лазерний промінь 7 за допомогою об'єктива 12 фокусується в зону вимірювання 13, через яку зі швидкістю V рухається потік рідини або газу. Випромінювання 20, яке розсіяне мікрочастинками, що рухаються разом з потоком зі швидкістю V , збирається під кутом в межах апертурної діафрагми 21 об'єктивом 22 та направляється на фотоприймач 27. Опорний промінь 7 відбивається від дзеркала 23, проходить напівпрозоре дзеркало 24, відбивається від дзеркала 25 та знову відбивається від напівпрозорого дзеркала 24 і направляється на фотоприймач 27. Перед фотоприймачем 27 для зменшення фонового освітлення встановлена діафрагма 26. Для того, щоб така схема ЛДВШ з опорним променем вимірювала Vy складову вектора швидкості потоку V , необхідно дотримуватися наступної умови. Опорний промінь 7 після проходження зони вимірювання 13 та розсіяний промінь 20 повинні знаходитись у площині, що перпендикулярна площині Oxz. В результаті оптичного гетеродинування опорного та розсіяного променів на виході фотоприймача утворюється електричний сигнал, що має постійну та змінну складові. На фіг. 3 зображена геометрія опорного та розсіяного променів у ЛДВШ з опорним променем. На фіг. 3 зображено: K - хвильовий вектор опорного променя; K s - хвильовий вектор розсіяного променя; K s K - різницевий хвильовий вектор між розсіяним та опорним променями. Змінна допплерівська складова вихідного сигналу фотоприймача 27 пропорційна Vy складовій вектора швидкості та дорівнює: f дy 30 35 40 45 50 2n c V cos sin 0 де: n c - показник заломлення середовища, потоку що досліджується; 0 - довжина хвилі лазерного променя у вакуумі; - кут між вектором швидкості та віссю Оy; - кут між розсіяним променем 20 та опорним променем 7. Імпульсний генератор кодових послідовностей 8 має четвертий вихід, з якого подається цифровий сигнал на електронні ключі 28 та 30. Ключ 28 відкритий, коли на нього поданий код 1 1 0, а ключ 30 відкривається за умови наявності на його вході кодів 1 0 1 та 0 1 0. Тому в першому підциклі вимірювання ключ 28 відкритий, а ключ 30 закритий. На вимірювач допплерівської частоти надходить тільки сигнал з фотоприймача 27, що містить допплерівський сигнал, пропорційний Vy складовій вектора швидкості. В другому підциклі роботи ЛДВШ оптичний затвор 10 закритий, тому в зону вимірювання 13 направляються промені 5 та 7. В цьому підциклі роботи реалізована диференціальна схема ЛДВШ, яка дозволяє визначити Vx складову вектора швидкості потоку. Розсіяне мікрочастинками, що рухаються з потоком, випромінювання 14 збирається в межах апертурної діафрагми 15 за допомогою об'єктива 16 та далі направляється на фотоприймач 19. Для зменшення фонового освітлення перед фотоприймачем 19 встановлена фонова діафрагма 18. Розсіяне випромінювання попадає на фотоприймач 19, на виході якого утворюється електричний сигнал, який має постійну та змінну складові. Змінна допплерівська складова вихідного сигналу фотоприймача 19 пропорційна Vx компоненті вектора швидкості потоку. На фіг. 4. представлена геометрія лазерних та розсіяних променів у схемі ЛДВШ диференціального типу. На фіг. 4 зображені: K 1 , K 2 - хвильові вектори лазерних променів, що направляються в зону вимірювання K s K1 K 2 ; K s K1 K 2 13; Ks 2 . 0 2 хвильовий вектор різниці векторів UA 70873 U Частота допплерівського сигналу на виході фотоприймача буде дорівнювати: 2n c V cos sin , 2 0 де: n c - показник заломлення середовища, потоку що досліджується; 0 - довжина хвилі лазерного променя у вакуумі; - кут між вектором швидкості та різницевим вектором f дx 5 10 15 20 K s K1 K 2 ; - кут між лазерними променями, що об'єктивом 12 направляються в зону вимірювання 13. Відповідно до цифрових сигналів, що подаються на ключі 28 та 30, ключ 28 закритий, а ключ 30 відкритий. Тому вихідний сигнал фотоприймача 19 надходить на вимірювач частоти допплерівського сигналу 29, за допомогою якого визначається значення Vx складової вектора швидкості V . У наступному підциклі роботи ЛДВШ на виході генератора оптичні затвори 9 і 11 закриті, а затвор 10 відкритий. Тому промінь 6 проходить область вимірювання 13, об'єктив 16 та відбивається від дзеркала 17. Відбитий від дзеркала 17 промінь також направляється в зону вимірювання 13. Таким чином в область вимірювання направляються два зустрічних лазерних промені. В цьому під циклі вимірювання реалізована схема ЛДВШ на зустрічних променях. Мікрочастинки, які рухаються разом з потоком рідини або газу, розсіюють лазерне випромінювання. Це розсіяне випромінювання 14 збирається об'єктивом 16 в межах апертурної діафрагми 15 та направляється на фотоприймач 19. Для зменшення завад, що виникають під дією стороннього фонового випромінювання перед фотоприймачем 21 встановлена діафрагма 20. Змінна, допплерівська складова вихідного сигналу фотоприймача 21, пропорційна Vz компоненті вектора швидкості та дорівнює: f дz 25 30 35 40 2nc V cos , 0 де: n c - показник заломлення середовища, потоку, що досліджується; 0 - довжина хвилі лазерного променя у вакуумі; - кут між вектором швидкості та лазерним променем 6. Відповідно до цифрових сигналів, що подаються на ключі 28 та 30, ключ 28 закритий, а ключ 30 відкритий. Тому вихідний сигнал фотоприймача 19 надходить на вимірювач частоти допплерівського сигналу 29, за допомогою якого визначається значення Vz складової вектора швидкості потоку V . На цьому цикл роботи ЛДВШ закінчується. Через інтервал часу Т (фіг. 2) починається новий цикл роботи ЛДВШ. Трикомпонентний 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. 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. Патент на корисну модель № 59113 Лазерний двокомпонентний допплерівський анемометр. Від 10.05.2011. Дивнич М.П., Дивнич В.М. МПК G01P 3/36 (2006/1) (прототип) ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 Лазерний трикомпонентний допплерівський вимірювач швидкості, який складається з оптично узгодженого лазера, розщеплювача лазерного променя на три промені, фокусуючого та збираючого об'єктивів, апертурної та фонової діафрагми, трьох оптичних затворів, до яких підключений генератор імпульсів, фотоприймача та вимірювача допплерівської частоти, який відрізняється тим, що в ньому додатково встановлені апертурна діафрагма та фонова діафрагми, об'єктив, три дзеркала, одне з яких напівпрозоре, два електричних ключі та фотоприймач. 3 UA 70873 U 4 UA 70873 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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 5
ДивитисяДодаткова інформація
Назва патенту англійськоюLaser three-component doppler velocity measuring device
Автори англійськоюDyvnych Mykola Polikarpovych, Dyvnych Vasyl Mykolaiovych
Назва патенту російськоюЛазерный трехкомпонентный допплеровский измеритель скорости
Автори російськоюДивнич Николай Поликарпович, Дивнич Василий Николаевич
МПК / Мітки
МПК: G01P 3/36
Мітки: допплерівський, вимірювач, трикомпонентний, швидкості, лазерний
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/7-70873-lazernijj-trikomponentnijj-dopplerivskijj-vimiryuvach-shvidkosti.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Лазерний трикомпонентний допплерівський вимірювач швидкості</a>
Попередній патент: Переносний пристрій для металообробки
Наступний патент: Спосіб очистки стічних вод від сполук нікелю
Випадковий патент: Спосіб нанесення покриттів з металевих порошків на внутрішні поверхні циліндричних деталей