CS249432B1

CS249432B1 - Device for synchronous determination of mean value and dynamic velocity component of flowing medium

Info

Publication number: CS249432B1
Application number: CS510285A
Authority: CS
Inventors: Miroslav Hrabovsky; Ivan Marek
Original assignee: Miroslav Hrabovsky; Ivan Marek
Priority date: 1985-07-08
Filing date: 1985-07-08
Publication date: 1987-03-12

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.The solution falls into the field of measuring technology and concerns a device for synchronous determination of the mean value and dynamic component of the velocity of a flowing medium. The essence of the solution is that in a device consisting of a laser, supplemented by an optical system and a dividing optical element and a measured system, transmitting optical fibers equipped with focusing and collimating elements at the ends are placed between the dividing optical element and the pipeline sight glass, while optical heads are mounted in close proximity to the sight glass. Optical heads are formed by one or two lenses.

Description

Vynález se týká zařízení pro synchronní stanovení střední hodnoty a dynamické složky rychlosti proudícího média a využitím metody laser - dopplerovské anemometrie.The invention relates to a device for the synchronous determination of the mean value and the dynamic component of the velocity of the flowing medium and using the laser-doppler anemometry method.

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.Measurement of the required flow rate or copper flow rate parameters at two points can be performed using two meters, two independent sensors including evaluation devices, or two laser-doppler anemometry systems.

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.The disadvantage of these solutions is the fact that two separate systems are used, whereby the determination of the mean value and the dynamic component of the measured parameters must generally be performed separately, which is expensive and laborious. Finally, two solutions are known, where a single laser-doppler anemometry system is used to measure.

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.In the first case it is a system of laser - doppler anemometry, supplemented by an optical system, which is equipped with a sweeping rotating mirror and two rotating lateral preadels against view in the pipeline.

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.The second solution consists of the basic equipment of laser - doppler anemometry and a set of mirrors, which consist of a fixed frequency or emplitude mirror and a reflecting mirror, which are located in the optical axis of the leser and optical system and are complemented by a pair of fixed side mirrors conduit.

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.Both configurations direct the pairs of converging laser beams through the views in the pipeline to the measuring points in the individual synchronous sections and behind the hydraulic element. The signals from the measuring points are scanned by the collecting optics and processed by known methods.

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.A disadvantage of both systems is the limited distance between the planes of the synchronous sections before and after the hydraulic element. The distance of the synchronous sections is limited by the focal length of the transmitting optics lens that focuses the laser beams through a rotating or frequency or amplitude mirror and other mirrors to the measuring points.

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.The focal length, β in respect of measurement accuracy due to the divergence of the Gaussian laser beam as it travels through the environment and the penetration of the focused beams creating a volume space at the point of intersection, shall not exceed 1 000 mm. Therefore, for hydrodynamic applications from the spatial geometry of the arrangement of the devices of the known solutions, the distance between the synchronous sections is determined to be between 1200 and 1500 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.This value is insufficient for the vast majority of practical applications of synchronous velocity or flow measurement before and after the hydraulic element. Another disadvantage of both known solutions is the geometric arrangement of the synchronous branches and the laser source, including optical equipment.

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.This arrangement is very demanding in aligning the optical elements of the synchronous anemometer, both in terms of beam passage and in the extremely precise alignment of the distance of the synchronous branches relative to the laser source and upstream optics.

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.Due to the focusing of the beams with only one objective into both synchronous branches, the arrangement makes it very difficult to asymmetrically position the synchronous cuts at exactly the required distances before and after the hydraulic element, as is most often required for synchronous measurements before and from the hydraulic element.

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.A further disadvantage of both known solutions is the requirement for free space between the mirrors to the synchronous measuring points and the spatial geometrical arrangement of the synchronous branches relative to the laser source and associated optics, as they are situated in both known solutions. and the piping system makes trouble. The above solutions are not vibration-resistant when the individual synchronous branches and the laser source are independently oscillated against the piping and the hydrodynamic element, which causes a loss of measurement of one or both synchson branches at higher oscillation amplitudes.

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.Another disadvantage of using the back-up configuration is the considerable loss of sensed signal from the measured point caused by the passage of back-scattered radiation through the atmosphere and reflections on totally reflective, frequency or amplitude mirrors.

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.Disadvantages essentially eliminate the invention, which is a device for synchronously determining the mean value and the dynamic component of the velocity of a flowing medium, consisting of a laser supplemented with an optical system and a beam splitting optical element and a measuring system formed by a hydraulic element upstream downstream of the hydraulic element, in which photomultipliers are connected by an evaluation block, and the principle is that between the optical element and the ducts there are transmitting optical fibers provided with focusing optical elements at the input ends and collimating optical elements at the output ends, in close proximity to the viewports, optical heads are mounted for focusing the beams at the measurement points and for collecting and focusing the backscattered signal.

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.It is a further object of the invention that the eptic head is a single objective. It is a further object of the invention that the optical head consists of two objectives. It is a further object of the invention that the photomultiplier is located behind the optical head opposite the line of sight of the duct, and finally it is an object of the invention that a receiving optical fiber is interposed between the optical head and the photomultiplier.

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.A higher effect of the invention is that, instead of the prior art fixed dog mirror and fixed side mirrors, it is used to transmit laser beams to synchronous cuts of optical fibers, which are equipped with microlenses at the sharp ends and focus the laser beams to the measured point it is performed at close proximity to the optical vents in the pipeline, instead of focusing the beams before splitting them into individual synchronous branches.

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.This achieves complete variability and independence of the spatial geometrical arrangement of the individual synchronous branches and the laser source, including the optical equipment with respect to each other and with respect to the spatial arrangement of the hydrodynamic element and the pipeline.

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.A higher effect is also achieved by positioning the collecting optics in the case of configuring the return signal behind the focusing lenses, instead of transmitting the signal information over a set of reflective and frequency or amplified mirrors to the basic optical system.

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.A higher effect of the invention is also achieved by the vibration resistance of the device, since the beams are transmitted using fiber optics having anti-vibration effects, instead of the known solutions where beam transmission is provided by reflective mirrors and any staggering of synchronous branches of the device against the hydrodynamic element vibrations of the hydrodynamic system may result in loss of the received signal.

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.With the known configuration of two, three, four or five rays from the laser, synchronous recording of vector components at two points at any distance before and after the hydraulic element in any spatial arrangement of the individual synchronous branches relative to the laser source including optics and hydrodynamic element and piping, or relative to the inlet and outlet portions of the hydraulic element with the possibility of sensing even the dynamic components of the velocity vectors when configuring the use of back-up radiation.

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.An example of a particular embodiment of the invention is shown schematically in the accompanying drawings, in which Fig. 1 shows a device with arbitrary distance of individual synchronous branches in front of and on the hydraulic element, where optical fibers are used to transmit laser beams. and FIG. 2 is an alternative embodiment of the apparatus of FIG. 1, indicating variability in the spatial geometrical configuration of the laser source and the individual synchronous branches of the apparatus relative to the hydraulic member and the pipeline.

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.According to the invention, the device consists of a laser f1 supplemented by an optical system f1 in which a Bragg cell fil is inserted and which modifies the beam emitted from the laser 1 into two, for example three, four or five parallel beams. In front of the optical system fi is attached a splitting optical element fi, for example a frequency or amplitude mirror or an optical grating, in which the rays emerging from the optical system fi are divided into two branches.

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.Transmitting optical fibers fi are disposed downstream of the dividing optical element fi, for example single-mode polarization-preserving or multi-mode gradient, the input end of which is provided with a focusing optical element fi and an output end of a collimating optical element fi.

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.Transmitting optical fibers filaments beams are transmitted to vistas f1 which are located on the conduit 6 at any point upstream and downstream of the measured hydraulic element f and the mean value and dynamic velocity component, for example, the flow rate of the flowing medium, are measured therein. Optical heads 10 formed by one or two lenses 11 are inserted and fixed between the transmitting optical fibers fi and the viewing lenses fi.

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.Phiomultipliers fifi for sensing the measured signal are placed behind the vista fi, which is then fed to the evaluation block 13 formed by the mixing units 131. by a modulator 132. a pair of processors 133. 134 and an electrical unit 135 where final processing of the measurement signal is performed value of both velocity vector components Vp Vg and at the same time as the corresponding dynamic velocity component VVvpAvg.

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.If the photomultiplier fifi cannot be placed behind the viewing line fi in the fi tube for operational reasons, a fifi receiving optical fiber is placed in front of the optical head Jfi equipped with two lenses Jfi and is used to return the return signal from the measuring point using the reversing beam effect. located at any location as shown in the right-hand strand of Figure 1.

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.In an alternative embodiment according to FIG. 2, the use of a device for measuring the corner hydraulic element fi is shown, using single-objective optical heads ffi.

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.The described embodiments are not the only possible solutions according to the invention, but for example for stationary flow in the pipe fi, it is not necessary to incorporate the Bragg cell fil into the optical system fi and the optical elements fi, fi may consist of gradient lenses or micro-lenses.

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.For more than one-component measurement of velocity vector v, i.e. for splitting a laser beam into more than two beams, it is necessary to use a plurality of emitting optical fibers fi and photomultipliers 12 and related elements of the evaluation block 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.If synchronous measurement is required at several points of the pipe fi upstream and downstream of the hydraulic element fi, it is possible to determine the flow values at the desired number of measuring points using an appropriate amount of measuring technique.

Claims

1. Apparatus for synchronously determining the mean value and the dynamic component of the speed of a flowing handrail, comprising a laser supplemented with an optical system and a beam splitting optical element from a laser and a measured system comprising a hydraulic element in piping provided upstream and downstream of the hydraulic element; photomultipliers connected to the evaluation block are located, characterized in that between the dividing optical element (3) and the viewports (7) of the conduit (8) are emitted optical fibers (4) provided at the input ends with focusing optical elements (5) and at the output The optical heads (10) are interposed between the transmitting optical fibers (4) and the sights (7) for focusing the beams at the measuring points and for collecting and focusing the backscattered signal.

Device according to claim 1, characterized in that the optical head (10) is formed by a single objective (11).

Device according to claim 1, characterized in that the optical head (10) is formed by two lenses (11).

Device according to Claims 1 and 3, characterized in that a photomultiplier (12) is arranged behind the optical head (10) opposite the viewing window (7) of the pipe (8).

Device according to Claims 1, 3 and 4, characterized in that a receiving optical fiber (14) is interposed between the optical head (10) and the photomultiplier (12).