CS240752B1

CS240752B1 - Device for measuring flow parameters of flowing medium using laser-dopgler anemometry

Info

Publication number: CS240752B1
Application number: CS42483A
Authority: CS
Inventors: Miroslav Hrabovsky
Original assignee: Miroslav Hrabovsky
Priority date: 1983-01-21
Filing date: 1983-01-21
Publication date: 1986-02-13

Abstract

Řešení spadá do oboru měřicí techniky a týká se zařízení pro měření průtokových arametrů proudícího média s využitím aser-dopplerovské anemometrie, sestávajícího z laseru doplněného o optický systém pro rozděleni paprsku z laseru do dvou sbíhavých paprsků a z měřené soustavy tvořené hydraulickým prvkem zařazeným do potrubí, které je opatřeno za a před hydraulickým prvkem průhledy, za nimiž jsou umístěny fotonásobiče spojené s vyhodnocovacím zařízením, přičemž v optické ose laseru je umístěno rotující zrcadlo, po jehož stranách jsou v ose průhledů umístěna rotující boční zrcadla.The solution falls within the field of measuring technology and relates to a device for measuring flow-through flowmeters using aser-doppler anemometry, consisting of a laser supplemented with an optical system for dividing the beam from a laser into two convergent beams and a measured system consisting of a hydraulic element inserted into the pipeline is provided behind and in front of the hydraulic element with vistas, behind which are placed photomultipliers connected to the evaluation device, wherein a rotating mirror is located in the optical axis of the laser, on which sides rotating side mirrors are located in the axis of the vents.

Description

Vynálež se týká zařízení pro měření průtokových parametrů proudícího media s využitím laser-dopplerovské anemometrie.The invention relates to a device for measuring flow parameters of a flowing medium using laser-doppler anemometry.

Pro účely výzkumu a vývoje hydřaulických zařízení se často vyžaduje stanovení střední hodnoty a dynamické složky rychlosti nebo průtoku kapaliny nebo plynu před a za hydraulickým prvkem zařazeným v 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 dynamická složka. V současné době se to provádí buď použitím dvou měřidel například průtokoměrů vhodného typu, zařazených konstrukčně do systému, ve kterém proudí zkoumané medium. Výstup měření bývá buď 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 jsou 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 nákladné a pracné.For the purpose of research and development of hydraulic systems, it is often necessary to determine the mean value and the dynamic component of the velocity or flow of a liquid or gas upstream and downstream of a hydraulic member included in the 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 component determined from the measured values. At present, this is done either by using two meters, for example flow meters of a suitable type, which are 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 that allow measurement at two points, such as the 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.

Uvedené nevýhody a nedostatky odstraňuje v podstatě vynález, Xterým je zařízení pro měření průtokových parametrů proudícího media s využitím laser-dopplerovské anemometrie, sestávající z laseru doplněného o optický systém pro rozdělení paprsku z laseru do dvou sbíhavých paprsků a z měřené soustavy tvořené hydraulickým prvkem zařazeným do potrubí opatřeného před a za hydraulickým prvkem průhledy, za nimiž jsou umístěny fotonásobiče spojené s vyhodnocovacím zařízením, vyznačující se tím, že v optické ose laseru je umístěno rotující rozmítací zrcadlo, po jehož stranách jsou v ose průhledů umístěna boční zrcadla.These disadvantages and drawbacks are essentially eliminated by the invention, which is a device for measuring flow parameters of a flowing medium using laser-doppler anemometry, consisting of a laser supplemented with an optical system for splitting the beam from the laser into two convergent beams and a measured system consisting of provided in front of and behind the hydraulic element with sight windows, behind which are located photomultipliers connected to the evaluation device, characterized in that in the optical axis of the laser there is a rotating scanning mirror, on whose sides there are side mirrors in the sight axis.

Další podstatou vynálezu je, že rychlost rotace rozmítacího zrcadla a obou bočních zrcadel je stejná, přičemž smysl otáčení bočních zrcadel je opačný smyslu otáčení rozmítacího zrcadla.It is a further object of the invention that the rotation speed of the sweep mirror and of the two side mirrors is the same, the direction of rotation of the side mirrors being the opposite of the rotation of the sweep mirror.

Další podstatou vynálezu je, že boční zrcadla jsou uložena otočně, vratně prostřednictvím vačky a pružiny.It is a further object of the invention that the side mirrors are mounted rotatably, reversibly by means of a cam and spring.

Další podstatou vynálezu je, že obě boční zrcadla jsou ulo žerna pevně, přičemž mezi rozmítacím zrcadlem a oběma bočními zr- 2 240 752 cadly jsou unusteny planparalelní desky.It is a further object of the invention that the two side mirrors are rigidly mounted, wherein planar parallel plates are dropped between the sweep mirror and the two side grains.

Další podstatou vynálezu je, že planparalelní desky jsou uloženy rotačně, vratně prostřednictvím vačky a pružiny.It is a further object of the invention that the planar parallel plates are rotatably supported by a cam and a spring.

Vyšší účinek vynálezu se projevuje podstatným snížením nákladů na zařízení, dovolující téměř současně automaticky stanovit, při předem známém tvaru rychlostního profilu media stanoveného postupně v obou místech, střední hodnotu a dynamickou slož ku rychlosti v daných měřených bodech, případně v přepočtu střední hodnotu a dynamickou složku průtoku. Nové zařízení umožňuje bezdotykově měřit ve zvoleném bodě časový průběh jedné složky vektoru rychlosti proudícího media.The higher effect of the invention results in a substantial reduction in the cost of the device, allowing the mean value and the dynamic component of the velocity at the measured points, or the mean value and the dynamic component, flow. The new device enables contactless measurement of the time course of one component of the flow velocity vector at a selected point.

Konkrétní příklad provedení vynálezu je schematicky znázorněn na připojeném výkrese, kde obr. 1 představuje celkové schéma zařízení podle vynálezu, obr. 2 je detail vačkového pohonu zrcadla,obr. 3 představuje alternativní provedení s pevnými zrcadly a vloženými planparalelními deskami, a obr. 4 je detail pohonu planparalelní desky vačkou.A particular embodiment of the invention is shown schematically in the accompanying drawing, in which Fig. 1 is an overall diagram of the device according to the invention; Fig. 2 is a detail of the cam drive of the mirror; 3 is an alternative embodiment with fixed mirrors and planar parallel plates inserted, and FIG. 4 is a detail of the cam drive of the planar parallel plate.

Podle vynálezu sestává zařízení z laseru i doplněného optickým systémem 2, který upraví paprsek vystupující z laseru 1 tak, že jej rozdělí do dvou sbíhavých paprsků 2» 3a protínajících se v ohnisku 4 optického systému 2. Tento bod je pak měřeným bodem, úedná se o známý princip měření složky vektoru rychlosti ve zvoleném bodě metodou laser-dopplerovské anemometrie. Tento laser 1 s optickým systémem 2 je umístěn proti hydraulickémtprvku % ^za~ řazenému v potrubí 6, kterým protéká medium jehož rychlost, t.j. střední hodnotu a dynamickou složku rychlosti, případně odpovídající průtok je třeba stanovit a to před a za hydraulickým prvkem Potrubí 6 je v určených místech před a za hydraulickým prvkem 2 opatřeno průhledy 2» 7a. které umóžnují vstup paprsků 2» 3a do potrubí 6. Optický světelný svazek dvou sbíhavých paprsků 2» 3a vystupující z optického systému 2 je směrován rotujícím rozmítacím zrcadlem 8 střídavě k rotačním bočním zrcadlůmAccording 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 by dividing it into two converging beams 2, 3a intersecting at the focus 4 of the optical system 2. This point is then a measured point. well-known principle of measurement of velocity vector component at selected point by laser-doppler anemometry. The laser 1 of the optical system 2 is positioned opposite hydraulickémtprvku% ^a ~ an embossed in the pipe 6 through which a medium whose speed, i.e. the mean value and the dynamic speed component or an equivalent flow rate should be determined before and after the hydraulic pipe element 6 is 2 and 7a. The optical light beam of two converging beams 2 »3a emerging from the optical system 2 is directed by the rotating sweeping mirror 8 alternately to the rotating side mirrors.

2.» 9a. které nasměrují sbíhavý světelný svazek přes průhledy 2»2. 9a. that direct the converging light beam through the vista 2 »

7a do dvou sledovaných měřených bodů £ ^v potrubí 6. Boční zrcadla 2· 9a rotují stejnou úhlovou rychlostí jako rozmítací zrcadlo 8 ale v opačném smyslu přičemž jejich vzájemný pohyb optidky stabilizuje polohu měřicích bodů £ pro určitý úhlový interval bočních zrcadel 2» 9a. Měřený dopplerovský signál je snímán dvojicí fotonásobičů 10. 10a umístěných proti průhledům 2» 7a za potru- 3 240 752 bíra 6. Tyto naměřené signály jsou dále zpracovávány dvou kanálovou aparaturou, sestávající z procesorů 11, 12 běžně používaných u systémů laser-dopplerovské anemometrie. Tyto procesory 11, 12 lze doplnit modulátorem 13, který frekvenčně moduluje optický světelný svazek pomocí Braggovy cely 14 umístěné v optic kém systému 2, Na procesory 11, 12 a modulátor 13 navazuje elektrická jednotka 15. která zpracovává měřicí signál do výstupů jako střední hodnotu rychlostí v^, v₂ a dynamickou složku rychlostiZkVp ÚVg, případně střední hodnotu průtoku Q^, Qg a dynamickou složku průtoku AQj,7a two monitored measuring points £ ^pipeline 6. The side mirrors 2 · 9 rotates at the same angular velocity as the wobble mirror 8 but in opposite directions and their relative movement optidky stabilizes the position of the measuring points £ for an angular interval of the side mirror 2 »9a. The measured Doppler signal is sensed by a pair of photomultipliers 10, 10a located opposite the viewing windows 2 ' These processors 11, 12 may be supplemented by a modulator 13 which frequency modulates the optical light beam by means of a Bragg cell 14 located in the optical system 2. The processors 11, 12 and the modulator 13 are connected by an electrical unit 15 which processes the measurement signal v ^, v ₂ and the dynamic component of the velocityZkVp ÚVg, or the mean value of the flow rate Q ^, Qg and the dynamic component of the flow rate AQj,

Alternativně mohou vykazovat boční zrcadla j), 9a výkyvný pohyb zajištovaný prostřednictvím vačky 16 a pružiny 17. jak je zřejmo z obř* 2.Alternatively, the side mirrors 17, 9a may have a pivoting movement provided by the cam 16 and the spring 17, as is evident from FIG.

Na obr. 3 je znázorněna další varianta provedení bočních zrcadel 9a. která jsou v tomto případě pevná a optického vyrovnání světelného svazku je dosahováno rotací planparalelních desek 18, 18a vložených do optického systému mezi rozmítací zrcadlo 8 a obě boční pevná zrcadla 9a. Planparalelní desky 18, 18a mohou mít rovněž kyvný pohyb zajištovaný obdobně vačkou 16 _ía pružinou 17 jak je zřejmo z obr, 4.FIG. 3 shows another embodiment of side mirrors 9a. which in this case are fixed and the optical alignment of the light beam is achieved by rotating the planar parallel plates 18, 18a inserted into the optical system between the scanning mirror 8 and the two side fixed mirrors 9a. Plane-parallel plates 18, 18a can also have a rocking movement cam 16 similarly assurance _s and a spring 17 as is shown in Fig '4.

Ve všech případech optického vyrovnání světelného svazku do měřených bodů J, jsou pohyby vyrovnávacích optických prvků synchronizovány s cílem prostorové stabilizace měřicího bodu alespoň po část úhlové dráhy rozmítacího zrcadla 8.In all cases of optical alignment of the light beam to the measured points J, the movements of the alignment optical elements are synchronized with the aim of spatially stabilizing the measuring point over at least part of the angular path of the sweep mirror 8.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

240 752

1. A device for measuring the flow parameters of a flowing medium using laser-doppler anemometry, consisting of a laser supplemented with an optical system for splitting the laser beam into two convergent beams and a measured system consisting of a hydraulic element inserted into the piping provided upstream and downstream of the photomultipliers connected to the evaluation device, characterized in that in the optical axis of the laser (1) there is a rotating sweeping mirror (8), on the sides of which the side mirrors (9, 9a) are located in the viewing axis (7, 7a). .

Device according to claim 1, characterized in that the rotation speed of the sweep mirror (8) and the two side mirrors (9 »9a) is the same, the direction of rotation of the side mirrors (9, 9a) being the opposite of the sweep mirror (8). ,

Device according to Claims 1 and 2, characterized in that the side mirrors (9, 9a) are mounted rotatably, reversibly by means of a cam (16) and a spring (17).

Apparatus according to claim 1, characterized in that the two side mirrors (9, 9a) are fixedly fixed, wherein rotary-planar plates (18, 18a) are arranged between the scanning mirror (8) and the two side mirrors (9, 9a). .

Device according to claim 4, characterized in that the planar parallel plates (18, 18a) are mounted rotatably, reversibly by means of a cam (16) and a spring (17).