CS249432B1 - Zařízení pro synchronní stanovení střední hodnoty a dynamické složky rychlosti proudícího média - Google Patents

Abstract

ŘeSení spadá do oblasti měřici techniky a týká se zařízení pro synchronní stanovení střední hodnoty a dynamická složky rychlosti proudícího média. Podstatou řeSení je, že u zařízení sestávajícího z laseru, doplněného o optický systém a dělicí optický prvek a z měřené soustavy je mezi dělícím prvkem optickým a průhledy potrubí umístěna vysílací optická vlákna opatřená na koncích fokueaěními a kolimaSními elementy, přiěemž v těsné blízkosti průhledů jsou upevněny optické hlavy. Optické hlavy jsou tvořeny jedním nebo dvěma objektivy.

Description

Vynález se týká zařízení pro synchronní stanovení střední hodnoty a dynamické složky rychlosti proudícího média a využitím metody laser - dopplerovské anemometrie.

Měření požadovaných parametrů rychlosti proudění nebo průtoku me'dia ve dvou bodech je možno provádět použitím dvou měřidel, dvou na sobě nezávislých čidel včetně vyhodnocovacích zařízení nebo pomocí dvou systémů laser - dopplerovské anemometrie.

Nevýhodou těchto řeěení je skutečnost, že je používáno dvou samostatných systémů, při čemž stanovení střední hodnoty a dynamické složky naměřených parametrů je nutno provést zpravidla samostatně, což je nákladné a pracné. Konečnějsou známa dvě řeěení, kdy je k mě řenl použito jediného systému laser - dopplerovské anemometrie.

V prvém případě jde o systém laser - dopplerovské anemometrie, doplněný o optický systém, jehož příslušenstvím je rozmítací rotační zrcadlo a dvě rotační boční preadla proti průhledům v potrubí.

Druhé řeěení se skládá ze základního vybavení laser - dopplerovské anemometrie a dále soustavy zrcadel, která jsou tvořena pevným frekvenčním nebo emplitudovaným zrcadlem a odrazným zrcadlem, která jsou umístěna v optické ose leseru a optického systému a jaou doplněna dvojicí pevných bočních zrcadel, uložených proti průhledům v potrubí.

Obě uspořádání usměrňují.dvojice sbíhavých laserových paprsků přes průhledy v potrubí do měřících bodů v jednotlivých synchronních řezech a za hydraulickým prvkem. Signály z měřících bodů jsou snímány sběrnou optikou a zpracovávány známými způsoby.

Nevýhodou obou systémů je omezená vzdálenost mezi rovinami synchronních řezů před ' a za hydraulickým prvkem. Vzdálenost synchronních řezů je limitována ohniskovou vzdáleností objektivu vysílácí optiky, který fokusuje laserové paprsky přes rotující popřípadě frekvenční nebo amplitudová zrcadlo a dalěí zrcadla do měřicích bodů.

Ohnisková vzdálenost nemůže, β ohledem na přesnost měření z důvodů divergence gaussovského laserového paprsku při postupu prostředím a průniku fokusovaných paprsků vytvářejících v místě průniku objemový prostor daného bodu měření, přesáhnout hodnotu 1 000 mm. Proto je pro hydrodynamické aplikace z prostorové geometrie uspořádání zařízení známých řešení určena vzdálenost mezi synchronními řezy na hodnotu 1 200 až 1 500 mm.

Tato hodnota je nepostačující pro převážnou většinu praktických aplikací synchronních měření rychlosti nebo průtoku před a za hydraulickým prvkem. Dalěí nevýhodou obou známých řešení je geometrická uspořádání synchronních větví a laserového zdroje včetně optického vybavení.

Tato uepořédénl jaou zna&enš náročná na justáž optických prvků synchronního anemometru, jak z hlediska průchodu paprsků, tak také extrémně přesné justáže vzdálenosti synchronních větví vůči laserovému zdroji a předřazené optice.

Uspořádání umožňují vzhledem k fokueaci paprsků pouze jedním objektivem do obou synchronních větví jen velmi obtížně asymetrická umístění synchronních řezů v přesně požadovaných vzdálenostech před a za hydraulickým prvkem, tak jak je to u synchronního měření před a ze hydraulickým prvkem v převážné většině případů požadováno.

Dalěí nevýhodou obou známých řeěení ja požadavek na průchodnost paprsků volným prosto rem mezi zrcadly k synchronním měřícím bodům a na prostorové geometrické uspořádání synchronních větví vůči laserovému zdroji a související optiky tak, jak jsou situována v obou známých řešeních, což z hlediska zástavby experimentálního uspořádání hydrodynamického prvku a potrubního řádu činí potíže. Výše uvedená řešení nejsou odolná proti vibracím při nezávislém rozkmitání jednotlivých synchronních větví a laserového zdroje vůči potrubí a hydrodynamickému prvku, což zapříčiňuje při vyšších amplitudách kmitání výpadek měření jedné, případně obou synchsonních větví.

Další nevýhodou je při využití konfigurace zpětného příjmu zářeni značná ztráta snímaného signálu z měřeného bodu, zapříčiněná průchodem zpětně rozptýleného záření volnou atmosfěřóú a odrazy ná totálně odrazných, frekvenčních nebo amplitudovehých zrcadlech.

Nevýhody Odstraňuje v podstatě vynález, kterým je zařízení pro synchronní stanovení střední hodnoty a dynamická složky rychlosti proudícího media, sestávající z laseru doplněného o optický systém a dělící optický prvek pro rozdělení paprsku z laseru a z měřené soustavy tvořené hydraulický^ prvkem zařazeným do potrubí opatřeného před a za hydraulickým prvkem průhledy, u nichž jsou umístěny fotonásobiče spojené e vyhodnocovacím blokem a jeho podstata spočívá v tom, že mezi dělícím optickým prvkem a průhledy potrubí jsou umístěna vysílací optická vlákna opatřená na vstupních koncích fokusačními optickými elementy á na výstupních koncích kolimačními optickými elementy, přičemž v těsné blízkosti průhledů jsou upevněny optické hlavy pro fokusaci paprsků do měřících bodů a pro sběr a fokusaci zpětně rozptýleného signálu.

Dalěí podstatou vynálezu je, že eptická hlava je tvořena jedním objektivem. Další podstatou vynálezu je, že optická hlava je tvořena dvěma objektivy. Dalěí podstatou vynálezu je, že fotonásobič je umístěn za optickou hlavou protilehle průhledu potrubí, konečně je podstatou vynálezu, že mezi optickou hlavu a fotonásobič je vloženo přijímací optické vlákno.

Vyěší účinek vynálezu spočívá v tom, že namísto doposud známého provedení pevně uloženého zrcadla odrazného v pse laseru a pevně uložených bočních zrcadel je využito k přenosu laserových paprsků k synchronním řezům optických vláken, která jsou na ohou koncích opatřena mikročočkami a fokusace paprsků laseru do měřeného bodu je prováděna až v těsné vzdálenosti před optickými průhledy v potrubí, namísto fokusace paprsků před rozdělením do jednotlivých synchronních větví.

Tím je dosaženo naprosté variability a nezávislosti prostorového geometrického uspořádání jednotlivých synchronních větví a laserového zdroje včetně optického vybavení vůči sobě a vzhledem k prostorovému uspořádání hydrodynamického prvku a potrubí.

Vyššího účinku je též dosaženo umístěním sběrné optiky v případě konfigurace zpětného příjmu signálu za fokusačnl objektivy, namísto přenosu signálové informace přes soustavu odrazných a frekvenčních nebo amplitudovaných zrcadel do základního optického systému.

Vyššího účinku vynáleeu je dosaženo i odolností zařízení proti vibracím, yzhledem k tomu, že paprsky jsou přenášeny pomocí vláknové optiky, která má antivibračnl účinky, namísto známých řešení, kde přenos paprsků je zajišlován odraznými zrcadly a jakékoliv rozfázování synchronních větví zařízení vůči hydrodynamickému prvku, zapřičeněné vibracemi hydrodynamického systému se může projevit ztrátou přijímaného signálu.

Uvedeným provedením lze, při známé konfiguraci dvou, tří, Btyř nebo pěti paprsků z laseru provádět synchronní záznam složek vektorů rychlostí ve dvou bodech v libovolné vzdálenosti před a za hydraulickým prvkem v libovolném prostorovém uspořádání jednotlivých synchronních větví vzhledem k laserovému zdroji včetně optiky a vzhledem k hydrodynamickému prvku a potrubí anebo vzhledem ke vstupním a výstupním částem hydraulického prvku s možnosti Bnímání i dynamických složek vektorů rychlosti při konfiguraci využití zpětného příjmu záření.

Přiklad konkrétního provedení vynálezu jsou schématioky znázorněny na připojených výkresech, kde obr. 1 představuje zařízení s libovolnou vzdáleností jednotlivých synchron nich větví před a zá hydraulickým prvkem, kde k přenosu laserových paprsků je využito optických vláken a fokusace paprsků je prováděna až těsně před vstupy do optických průhledů v potrubí a obr. 2 je alternativní provedení zařízení z obr. 1, naznačující variabilnost v prostorovém geometrickém uspořádání laserového zdroje a jednotlivých synchronních větví zařízení, vzhledem k hydraulickému prvku a potrubí.

Podle vynálezu sestává zařízení z lasáru fi doplněného optickým systémem fi, ve kterém je vložena Braggova cela fil a který upravuje paprsek vystupující z laseru 1 do dvou, popříkladš tří, čtyř nebo pěti rovnoběžných paprsků. Před optickým systémem fi je upevněn dělící optický prvek fi, například frekvenční nebo amplitodové zrcadlo či optická mřížka, v němž jsou paprsky vystupující z optického systému fi děleny do dvou větví.

Za dělícím optickým prvkem fi jsou umístěna vysílací optická vlákna fi, například jednomodová se zachováním polarizace nebo mnohomodová gradientní, jejichž vstupní konec je opatřen fokusačním optickým elementem fi a výstupní konec kolimačním optickým elementem fi, přičemž oba elementy fi, fi mohou být tvořeny například mikročočkami.

Vysílacími optickými vlákny fi jsou paprsky přenášeny k průhledům fi, které jaou umístěny na potrubí § v libovolném místě před a za měřeným hydraulickým prvkem fi a. jaou v nich měřeny střední hodnota a dynamická složka rychlosti, například průtok protékaného média. Mezi vysílací optická vlákna fi a průhledy fi jsou vloženy a upevněny optická hlavy 10 tvořené jedním nebo dvěma objektivy 11.

Za průhledy fi jsou umístěny fotonásobiče fifi pro snímáni měřeného signálu, který je pak veden do vyhodnocovacího bloku 13 tvořeného mixážnlmi jednotkami 131. modulátorem 132. dvojicí procesorů 133. 134 a elektrickou jednotkou 135. kde je provedeno konečné zpracování měřícího signálu do požadovaných výstupů jako střední hodnotu obou složek vektorů rychlosti Vp Vg a současně jako odpovídající dynamické složky rychlostiÍVvpAvg.

Pokud není možno fotonásobič fifi umístit z provozních důvodů za průhled fi v potrubí fi, je před optickou hlavou Jfi, opatřenou dvěma objektivy Jfi, umístěno přijímací optické vlákno fifi a pomocí něho je zpětný signál z měřícího bodu využívající vratného, efektu paprsků veden k fotonásobiči 12 umístěnému v libovolném místě, jak je znázorněno na obr. 1 v pravé větvi paprsků.

V alternativním provedení podle obr. 2 je znázorněno použití zařízení pro proměřování rohového hydraulického prvku fi, přičemž jsou použity optická hlavy fifi s jedním objektivem Jfi.

Popsaná provedení nejsou jedinými možnými řeěeními podle vynálezu, ale například pro stacionární proudění v potrubí fi není nutno do optického systému fi zařazovat Braggovu celu fil a optickl elementy fi, fi mohou hýt tvořeny gradientními čočkami nebo mikroobjektivy.

Při více jak jednosložkovém měření vektoru rychlosti v, tedy při dělení laserového paprsku na více jak dva paprsky je nutno použít větší počet vysílacích optických vláken fi a fotonásobičů 12 a s tím souvisejících prvků vyhodnocovacího bloku fifi.

Při potřebě synchronného měření ve více místech potrubí fi před a za hydraulickým prvkem fi je možno při použití odpovídajícího množství 'měřící techniky stanovit hodnoty proudění v požadovaném počtu.měřících.bodů.

Claims (5)

1. Zařízeni pro synchronní stanovení střední hodnoty a dynamická složky rychlosti proudícího mádla, sestávající z laseru doplněného o optický systém a dělící optický prvek pro rozděleni paprsku z laseru a z měřené soustavy tvořené hydraulickým prvkem zařazeným do potrubí opatřeného před a za hydraulickým prvkem průhledy, u nichž jsou umístěny fotonásobiče spojené s vyhodnocovacím blokem, vyznačující se tím, že mezi dělícím optickým prvkem (3) a průhledy (7) potrubí (8) jsou umístěna vysílací optická vlákna (4) opatřená na vstupních koncích fokusačními optickými elementy (5) a na výstupních koncích kolimačními elementy (6), přičemž mezi vysílací optická vlákna (4) a průhledy (7) jsou vloženy optické hlavy (10) pro fokusaci paprsků do měřících bodů a pro sběr a fokusaci zpětně rozptýleného signálu.

2. Zařízení podle bodu 1 vyznačující se tím, že optická hlava (10) je tvořena jedním objektivem (11).

3. Zařízení podle bodu I vyznačující se tím, že optická hlava (10) je tvořena dvěma objektivy (11).

4. Zařízení podle bodů 1 a 3 vyznačující se tím, že za optickou hlavou (10) protilehle průhledu (7) potrubí (8) je umístěn fotonásobič (12).

5. Zařízení podle bodu 1, 3 a 4 vyznačující se tím, že mezi optickou hlavu (10) a fotonásobič (12) je vloženo přijímací optické vlákno (14).