CS233377B1

CS233377B1 - Device for synchronous determination of mean value and dynamic velocity component of flowing medium

Info

Publication number: CS233377B1
Application number: CS832632A
Authority: CS
Inventors: Miroslav Hrabovsky
Original assignee: Miroslav Hrabovsky
Priority date: 1983-04-12
Filing date: 1983-04-12
Publication date: 1985-03-14
Also published as: CS263283A1

Abstract

Vynález spadá do oboru měřicí techniky a týká se zařízení pro synchronní stanovení střední hodnoty a dynamické složky rychlosti proudícího média s využitím laser-dopplerovské anemometrie. Podstatou vynálezu je zařízení, sestávající z laseru, kterému je předřazen optický systém, doplněný alternativně Braggovou celou, dále ze soustavy zrcadel a z hydraulického prvku, zařazeného do potrubí, které je před a za hydraulickým prvkem opatřeno průhledy a fotoná- " sobiči. Soustava zrcadel je tvořena polopropustným zrcadlem a odrazovým zrcadlem, t, které jsou umístěny v optické ose laseru a optického systému, a jsou doplněny dvojicí pevných bočních zrcadel, uložených proti průhledům v potrubí.The invention falls within the field of measurement technology and relates to a device for synchronous determination of the mean value and dynamic component of the velocity of a flowing medium using laser-Doppler anemometry. The essence of the invention is a device consisting of a laser, which is preceded by an optical system, optionally supplemented by a Bragg cell, further from a system of mirrors and a hydraulic element, included in a pipeline, which is provided with sight glasses and photomultipliers in front of and behind the hydraulic element. The system of mirrors consists of a semi-transparent mirror and a reflecting mirror, t, which are located in the optical axis of the laser and the optical system, and are supplemented by a pair of fixed side mirrors, placed opposite the sight glasses in the pipeline.

Description

Vynález se týká zařízení pro synchronní, stanovení střední hodnoty a dynamické složky rychlosti proudícího media s využitém metody laser-dopplerovské anemometrie.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a device for synchronous determination of the mean value and the dynamic component of the velocity of a flowing medium using the laser-doppler anemometry method.

Pro účely výzkumu a vývoje hydraulických zařízení se často vyžaduje stanovení střední hodnoty a dynamické složky rychlosti nebo průtoku proudícího média a to před a za hydraulickým prvkem daného hydraulického systému. K tomu je nutno měřit požadované parametry rychlosti proudění nebo průtoku ve dvou bodech a z naměřených hodnot se pak stanoví průměrná střední hodnota a odpovídající dynamické složky. V současné době se to provádí bud použitím dvou.měřidel, kupříkladu průtokoměru vhodného typu, zařazených konstrukčně do systému, ve kterém proudí zkoumané medium. Výstup měření bývá bud mechanický nebo elektrický. U tohoto řešení je možno vyhodnocovat zpravidla průtok, v méně případech pak rychlost proudění. Dalším známým řešením je použití dvou na sobě nezávislých čidel včetně vyhodnocovacích zařízení, která umožňují měření ve dvou bodech, jako je kupříkladu metoda žárové anemometrie, nebo použití dvou systémů laser-dopplerovské anemometrie, a podobně. Nevýhodou výše uvedených známých řešení je skutečnost, že je nutno použít dvou samostatných systémů, přičemž stanovení střední hodnoty a dynamické složky naměřených parametrů je nutno provést zpravidla samostatně. Takové řešení je ale nákladné a pracné. Konečně je známo řešení autora této přihlášky vynálezu, kdy je k měření použito jediného systému laser-dopplerovské anemometrie, doplněného o optický systém, jehož příslušenstvím je rozmítací rotační zrcadlo a dvě rotační, boční zrcadla. Tímto uspořádáním optického systému lze usměrnit dvojici sbíhavých paprsků laseru střídavě do průhledů v potrubí do měřících bodů. Takto získaný dopplerovský signál je snímán fotonásobiči, je zpracován ve známých procesorech a v modulátoru. Nevýhodou tohoto systému je, že dovoluje měřit jen jednu složku vektoru rychlosti a to střídavě v každém z měřených bodů, neumožňuje synchronní záznam a stanovení daných veličin, které stanoví pouze statisticky. Systém vyžaduje dodatečných mechanických prostředků k zajištění rotačního pohybu rozmítacího zrcadla a rotačně vratného pohybu obou bočních zrcadel, případně planparalelních desek, což celý systém komplikuje a značně prodražuje.For the purpose of research and development of hydraulic equipment, it is often required to determine the mean value and the dynamic component of the velocity or flow rate of the flowing medium, upstream and downstream of the hydraulic element of the hydraulic system. To do this, the required flow rate or flow rate parameters must be measured at two points and the mean values and the corresponding dynamic components are then determined from the measured values. Currently, this is done either by using two meters, for example a flowmeter of the appropriate type, structurally integrated into the system in which the test medium flows. The measurement output can be either mechanical or electrical. With this solution it is possible to evaluate the flow rate, in less cases the flow rate. Another known solution is the use of two independent sensors, including evaluation devices, which allow measurement at two points, such as a hot anemometry method, or the use of two laser-doppler anemometry systems, and the like. A disadvantage of the above-mentioned known solutions is that two separate systems have to be used, and the determination of the mean value and the dynamic component of the measured parameters must generally be performed separately. Such a solution is expensive and laborious. Finally, it is known to use a single laser-doppler anemometry system supplemented with an optical system comprising a sweeping mirror and two rotating, side mirrors. With this arrangement of the optical system, a pair of converging laser beams can be alternately directed to the viewing points in the duct to the measuring points. The doppler signal thus obtained is sensed by photomultipliers, processed in known processors and in a modulator. The disadvantage of this system is that it allows to measure only one component of the velocity vector, alternately at each of the measured points, it does not allow synchronous recording and determination of given quantities, which it determines only statistically. The system requires additional mechanical means to ensure rotational movement of the sweeping mirror and rotationally reversing motion of both side mirrors or planar parallel plates, which complicates the system and makes it significantly more expensive.

233 377233 377

Nevýhody a nedostatky odstraňuje v podstatě vynález, kterým je zařízení pro synchronní stanovení střední hodnoty a dynamické složky rychlosti proudícího rae'dia, sestávající z laseru, kterému je předřazen optický systém doplněný alternativně Braggovou celou, dále zé soustavy zrcadel a z hydraulického prvku, zařazěného do potrubí, které je před a za hydraulickým prvkem opatřeno průhledy a fotonásobiči a jeho podstata spočívá v tom, že soustava zrcadel je tvořena polopropustným zrcadlem a odrazovým zrcadlem, které jsou umístěny v optické ose laseru a optického systému a jsou doplněny dvojicí pevných bočních zrcadel uložených proti průhledům.Disadvantages and drawbacks are essentially eliminated by the invention, which is a device for synchronously determining the mean value and the dynamic component of the speed of the flowing radio, consisting of a laser preceded by an optical system supplemented alternatively by a Bragg cell, a mirror system and a hydraulic element , which is provided in front of and behind the hydraulic element with viewports and photomultipliers, and its essence consists in that the mirror system consists of a semipermeable mirror and a reflection mirror, which are located in the optical axis of the laser and optical system and supplemented by a pair of fixed side mirrors .

Vyšší účinek vynálezu spočívá v tom, že namísto rozmítacího zrcadla, použitého v dřívější přihlášce vynálezu téhož autora, je použito frekvenčně polopropústného pevně uloženého zrcadla a pevně uložených bočních odrazných zreadel, takže nové řešení nevyžaduje žádných mechanických prostředků k pohonu těchto zrcadel, jfnímání obou měřených bodů probíhá synchronně, což má za následek získání přesnějších hodnot měření. Tímto provedením lze, při použití tří nebo čtyř sbíhavých paprsků z laseru provádět synchronní záznam složek vektoru rychlosti ve dvou bodech. Alternativním provedením, kdy frekvenčně polopropustné zrcadlo je nahrazeno amplitudově polopropustným zrcadlem nebo hranolem s předaní amplitudově polopropustnou stěnou je možno dosáhnout stejného efektu při použití pouze dvou sbíhavých paprsků z laseru.A higher effect of the invention is that instead of a sweep mirror used in the earlier application of the same author, a semi-transparent fixed mirror and fixed side reflective zreadels are used, so that the new solution does not require any mechanical means to drive these mirrors, taking both measured points. is synchronous, resulting in more accurate measurement values. With this embodiment, synchronous recording of the velocity vector components at two points can be performed using three or four converging laser beams. As an alternative embodiment, where the frequency-semi-transparent mirror is replaced by an amplitude-semi-transparent mirror or prism with an amplitude-semi-transparent wall transmitted, the same effect can be achieved using only two converging laser beams.

Příklad konkrétního provedení vynálezu je schematicky znázorněn na připojených výkresech, kde obr. 1 představuje zařízení s frekvénčně polopropustným zrcadlem, obr. 2 je alternativní provedení zařízení z obr. 1 s amplitudově polopropustným zrcadlem a obr. 3 je detail hranolu s jednou amplitudově polopropustnou stěnou, použitého jako alternativa provedení z obr. 2.An example of a particular embodiment of the invention is schematically shown in the accompanying drawings, wherein Fig. 1 is a frequency-semi-transparent mirror device, Fig. 2 is an alternative embodiment of Fig. 1 with an amplitude semi-transparent mirror, and Fig. 3 is a detail of a prism with one amplitude semi-transparent wall. used as an alternative to the embodiment of FIG. 2.

Podle vynálezu sestává zařízení z laseru 1 doplněného optickým systémem 2, který upraví paprsek vystupující z laseru 1 do dvou sbíhavých paprsků případně tří nebo čtyř sbíhavých paprsků £, 3a. kdy v případě čtyř paprsků jsou vždy dva paprsky stejné frekvence, a v případě tří paprsků jde o dva paprsky rozdílné frekvence a třetí je kombinovaný z obou předcházejících frekvencí. Tyto sbíhavé paprsky 3, 3a se protínají v ohnisku optického systému 2. Toto ohnisko 4 je pak měřeným bodem. Jedná se o známý princip měření složky vektoru rychlosti ve zvoleném bodě metodou laser-dopplerovské anemometrie. -^aser 1 s optickýmAccording to the invention, the device consists of a laser 1 supplemented by an optical system 2, which adjusts the beam emitted from the laser 1 to two converging beams or three or four converging beams 6, 3a. where, in the case of four beams, there are always two beams of the same frequency, and in the case of three beams, there are two beams of different frequencies and the third is combined from the two preceding frequencies. These converging beams 3, 3a intersect at the focus of the optical system 2. This focus 4 is then the measured point. It is a well-known principle of measuring the velocity vector component at a selected point by laser-doppler anemometry. Asher 1 with optical

233 377233 377

- 3 systémem 2 je umístěn proti hydraulickému prvku 2 zařazenému v potrubí £, kterým protéká médium, jehož střední hodnotu a dynamickou složku rychlosti, případně průtok, je třeba stanovit a to před a za hydraulickým prvkem 2· ^otrubí 6 je v určených místech před a za hydraulickým prvkem 2 opatřeno průhledy 2,The system 2 is located opposite the hydraulic element 2 inserted in the pipe 6 through which the medium flows, whose mean value and the dynamic velocity component or the flow rate need to be determined before and after the hydraulic element 2. and provided with sight glasses 2 behind the hydraulic element 2,

7a, které umožňují vstup sbíhavých paprsků 2> 3a do potrubí 6.7a, which allow the converging beams 2> 3a to enter the duct 6.

Ze zadní strany potrubí 2» proti průhledům 2, 7a jsou umístěny fotonásobiče 8, 8a snímající měřený signály, které jsou pak vedeny dále do procesorů 2» 10» ^roti optickému systému 2 je do dráhy svazků paprsků 2» 3a v případě použití paprsků 2» 3a o dvou různých frekvencích vloženo frekvenčně poloprópustné zrcadlo 11, které určité frekvence odráží a jiné frekvence propouští, za kterým je umístěno odrazné zrcadlo 12. Svazek sbíhavých paprsků 2 jedné frekvence odražený polopropustným zrcadlem 11, stejně jako druhý svazek paprsků 3a druhé frekvence, odražený odrazným zrcadlem 12, jsou nasměrovány bočními zrcadly 12» 13a do průhledů 2» 7a v potrubí 6. Tímto zařízením se měří dvě složky vektoru rychlosti pomocí dvou svazků paprsků 2» 3a s rozdílnými frekvencemi. Všechna zrcadla této optické soustavy jsou pevná. Svazek paprsků 2 jedné frekvence, odražený frekvenčně polopropustným zrcadlem 11 je usměrněn pevným bočním zrcadlem 13 a vstupuje horizontálně do průhledu 2» zatímco svazek paprsků 3a druhé frekvence zobrazený jeho osou, který projde frekvenčně polopropustným zrcadlem 11 a je odražen odrazným zrcadlem 12, je usměrněn druhým pevným bočním zrcadlem 13a a vstupuje do průhledu 7a vertikálně. Do optického systému 2 laseru 1 může být alternativně vložena Braggova cela 14 zapojená k modulátoru 15 navazujícího na oba procesory 2» 10« ^yto procesory 2» IQ spolu s modulátorem ií jsou propojeny s elektrickou jednotkou ló, která provede konečné zpracování měřicího signálu do požadovaných výstupů jako střední hodnotu obou složek vektoru rychlosti v-^,Photomultipliers 8, 8a receiving the measured signals are located from the rear of the conduit 2 ', 7a, and are then fed to the processors 2, 10 ' and the optical system 2 is in the beam path 2 ' 3a at two different frequencies inserted a semi-transparent frequency mirror 11, which reflects certain frequencies and transmits other frequencies, behind which is a reflective mirror 12. A beam of convergent beams 2 of one frequency reflected by a semi-transparent mirror 11, as well as a second beam of second frequency beams 3a Reflecting mirror 12, they are directed by side mirrors 12 ' and 13a to the vents 2 ' All mirrors of this optical system are fixed. The beam of one frequency beam 2, reflected by the frequency-semi-transparent mirror 11, is rectified by the fixed side mirror 13 and enters horizontally into the viewing window 2, while the beam of second frequency beams 3a shown by its axis fixed side mirror 13a and enters the viewing window 7a vertically. Alternatively, a Bragg cell 14 connected to the modulator 15 connected to the two processors 2, 10, 10, and the modulator 16, may be connected to the optical system 2 of the laser 1, together with the modulator 15, to be coupled to an electrical unit 6 outputs as mean value of both components of velocity vector v- ^,

Vg a současně jako odpovídající dynamické složky rychlosti Δ v^, Δν₂·Vg and at the same time as corresponding dynamic velocity components Δ v ^, Δν ₂ ·

V případě využití vratného efektu sbíhavých paprsků 2» 3a, lze umístit oba fotonásobiče 8, 8a přímo do optického systému 2 laseru 1, přičemž získaný signál je zpracován stejně jako v předchozím případě což je známo ze systémů využívajících laser-dopplerovské anemometrie.In the case of converging beam effect 2, 3a, both photomultipliers 8, 8a can be placed directly in the optical system 2 of the laser 1, the signal obtained being processed as in the previous case, as is known from systems using laser-doppler anemometry.

Na obr. 2 je znázorněno alternativní provedení, kdy k synchronnímu měření postačuje použít jediného svazku sbíhavých paprsků 2 stejné frekvence a amplitudově polopropustného zrca233 377 dla které nezávisle na použité frekvenci polovinu amplitudy světla propouští a druhou polovinu amplitudy odráží. Amplitudově polopropustné zrcadlo 17 odráží sbíhavý paprsek 2 částečně k bočnímu zrcadlu 12 a částečně jej propouští k odrazné mu zrcadlu 12. Oba svazky se pak odrážejí k bočním zrcadlům 13 13a umístěným proti průhledům 7. 7a v potrubí 6, situovaným v jedné rovině. Měřený signál je snímán fotonásobiči 8, 8a umístěnými v téže rovině za průhledy 2» 2&· Další postup měření je pak obdobou předcházejícího příkladu.FIG. 2 shows an alternative embodiment in which a single beam of converging beams 2 of the same frequency and amplitude semi-transparent mirror is sufficient to synchronously measure half the amplitude of light irrespective of the frequency used and reflect the other half of the amplitude. The amplitude semi-transparent mirror 17 reflects the converging beam 2 partly to the side mirror 12 and partially transmits it to the reflective mirror 12. The two bundles then reflect to the side mirrors 13 13a located opposite the sights 7, 7a in the duct 6 situated in a plane. The measured signal is sensed by the photomultipliers 8, 8a located in the same plane behind the views 2 " 2 ". The next measurement procedure is similar to the previous example.

Na obr. 3 je znázorněn detail optického hranolu 18. který je prakticky alternativním provedením spojení amplitudově polo propustného zrcadla 17 a odrazného zrcadla 12 tím, že přední stěna hranolu 18 je vytvořena jako amplitudově polopropustná plocha a zadní stěna hranolu 18 nahrazuje odrazné zrcadlo 12. tedy poskytuje tak zvaný totální odraz. Obě boční zrcadla 13. 13a jsou pak opět umístěna proti průhledům 7. 7a v potrubí 6 v jedné řovině. Vlastní průběh měření je obdobou předchozích případů.FIG. 3 shows a detail of the optical prism 18, which is a practically alternative embodiment of the coupling of the amplitude semi-transparent mirror 17 and the reflective mirror 12, in that the front wall of the prism 18 is formed as an amplitude semi-permeable surface. provides so-called total reflection. The two side mirrors 13, 13a are then again placed against the sights 7, 7a in the pipe 6 in one plane. The actual course of measurement is similar to the previous cases.

Claims

Apparatus for the synchronous determination of the mean value and the dynamic component of the velocity of the flowing median, consisting of a laser preceded by an optical system supplemented alternatively by a Bragg cell, a mirror array and a hydraulic element downstream of the hydraulic element apertures and photomultipliers, characterized in that the set of mirrors consists of a semi-transparent mirror (11, 17) and a reflecting mirror (12), which are located in the optical axis of the laser (1) and the optical system (2) and supplemented by a pair of fixed side mirrors (13, 13a) mounted against vistors (7, 7a).