CS256312B1

CS256312B1 - Device for measuring fluid velocity at two spatially close points

Info

Publication number: CS256312B1
Application number: CS862780A
Authority: CS
Inventors: Ladislav Klaboch; Antonin Baudys
Original assignee: Ladislav Klaboch; Antonin Baudys
Priority date: 1986-04-16
Filing date: 1986-04-16
Publication date: 1988-04-15
Also published as: CS278086A1

Abstract

Řešení se týká zařízení pro měření. rychlosti tekutin ve dvou prostorově blízkých bodech, sestávajícího ze světelného zdroje a laserového dopplerovského anemometru. Podstata řešení spočívá v tom, že před děličem paprsku je uložen zdroj světla dvou barev, zatímco za děličem paprsku je uložen vysílací objektiv tvořený objektivem s barevnou vadou, jehož ohniska pro obě barvy zdroje světla jsou vzdálena o požadovanou vzdálenost dvouprostorově blízkých bodů, ve kterých se měří rychlost. Navržené zařízení lze použít pro měření gradientů rychlostí a smykových napětí zejména v hydraulických strojích, v lopatkových strojích a v uzlech leteckých motorů, případně v lékařském výzkumu pri měření proudění v krevních cestách.The solution concerns a device for measuring the velocity of fluids at two spatially close points, consisting of a light source and a laser Doppler anemometer. The essence of the solution lies in the fact that a light source of two colors is placed in front of the beam splitter, while a transmitting lens formed by a lens with a color defect is placed behind the beam splitter, the foci of which for both colors of the light source are separated by the required distance of the two spatially close points at which the velocity is measured. The designed device can be used for measuring velocity gradients and shear stresses, especially in hydraulic machines, in blade machines and in aircraft engine assemblies, or in medical research when measuring flow in blood vessels.

Description

Vynález se týká zařízení pro měření rychlosti tekutin ve dvou prostorově blízkých bodech, sestávajícího ze světelného zdroje a laserového dopplerovského anemometru·The present invention relates to a device for measuring the velocity of fluids at two spatially close points, comprising a light source and a laser doppler anemometer.

Laserový dopplerovský anemometr se běžně používá při měření složek rychlosti proudící tekutiny. Jeho obecná výhoda spočívá v tom, že se do měřeného místa nezavádí žádná měřicí sonda, která by proudění narušovala, nýbrž nehmotná optická sonda s měřicím bodem pro měření rychlosti proudění tekutiny v průniku dvou vzájemně koherentních světelných paprsků.A laser doppler anemometer is commonly used to measure flow velocity components. Its general advantage is that no measuring disturbing probe is introduced into the measuring point, but an intangible optical probe with a measuring point for measuring the fluid flow rate at the intersection of two mutually coherent light beams.

V měřicím bodě se vytváří systém vzájemně rovnoběžných interferenčních rovin, které mají od sebe konstantní vzdálenost určenou vlnovou délkou světla a úhlem protínání jeho paprsků. Proudem tekutiny jsou unášeny hmotné částice různé velikosti, které procházejí optickou sondou. Každá částice, jejíž vektor rychlosti není kolmý na normálu interferenčních rovin, při průchodu optickou sondou rozptyluje světlo, které je amplitudově modulováno frekvencí závislou na vzájemné vzdálenosti interferenčních rovin a na velikosti složky vektoru rychlosti částice rovnoběžné s normálou interferenčních rovin. Amplitudově modulované světlo, rozptýlené částic^ je snímáno optickou soustavou a přiváděno na fotodetektor, který je mění na elektric ký signál. Změřením frekvence tohoto elektrického signálu lze usoudit na velikost složky vektoru rychlosti částice rovnoběžné s normálem. Protože rychlost částice, unášené proudící tekutinou, se v podstatě neliší od rychlosti tekutiny, lze rychlost částice pokládat i za rychlost proudění tekutiny. Směr proudění tekutiny se zjišťuje natáčením optické sondy do takové polohy, v níž je frekvence modulace rozptýleného světla, to je dopplerovské frekvence, nejvyšší. V tom případě je směr normály interferenčních rovin shodný se směrem proudění tekutiny.At the measuring point, a system of mutually parallel interference planes is formed which have a constant distance from each other by a given wavelength of light and the angle of intersection of its rays. Mass particles of various sizes are carried by the fluid stream and pass through the optical probe. Each particle whose velocity vector is not perpendicular to the normal of the interference planes scatters light as it passes through the optical probe, which is amplitude modulated by a frequency dependent on the distance between the interference planes and the particle velocity component parallel to the normal of the interference planes. The amplitude-modulated light, the scattered particle, is sensed by the optical system and fed to a photodetector which converts it into an electrical signal. By measuring the frequency of this electrical signal, one can judge the magnitude of the particle velocity vector component parallel to the normal. Since the velocity of the particle carried by the flowing fluid is not substantially different from the velocity of the fluid, the velocity of the particle can also be regarded as the velocity of the fluid flow. The direction of fluid flow is determined by rotating the optical probe to a position in which the frequency of modulation of the scattered light, i.e. the doppler frequency, is highest. In this case, the normal direction of the interference planes is the same as the fluid flow direction.

Dosud známá zařízení jsou uspořádány tak, že ze zdroje koherentního světla jedné frekvence (barvy) přichází paprsek do děliče, kde je rozdělen na dva paralelní paprsky. Ty procházejí vysílacím objektivem a v jeho ohnisku vytvářejí optickou sondu. Rozptýlené světlo z prostoru optické sondy je sbíráno přijímacím objektivem, fokusováno fokusačním objektivem do otvoru polní clony a detekováno fotodetektorem. PřijímacíThe devices known hitherto are arranged so that from a coherent light source of one frequency (color) the beam comes into a splitter where it is divided into two parallel beams. They pass through the transmitting lens and form an optical probe in its focus. The scattered light from the optical probe space is collected by the receiving lens, focused by the focusing lens into the field iris aperture and detected by the photodetector. Reception

256 312 část optiky přitom může být umístěna mimoosově, případně na optické ose směrem zpět od optické sondy (tzv.zpětný rozptyl”). Měření rychlostí ve dvou prostorově blízkých bodech na optické ose vysílací části laserovského dopplerovského anemometru se potom provádí tak, že se nejprve změří jedinou soustavou rychlost tekutiny v prvém bodě a po přesunu optiky se změní rychlost tekutiny ve druhém bodě nebo se použijí dvě popsané optické soustavy a umístí se tak, aby jimi vytvořené optické sondy byly blízko sebe.256 312 part of the optics can be placed off-axis or on the optical axis backwards from the optical probe (so-called backscattering). Measurements of velocities at two spatially proximal points on the optical axis of the emitting portion of the laser doppler anemometer are then performed by first measuring the fluid velocity at the first point with a single system and changing the fluid velocity at the second point after the optics is moved or they are positioned so that the optical probes they create are close to each other.

Nevýhodou těchto uspořádání je, že při použití dvou podobných soustav je nutné použít poměrně velké množství optických prvků a navíc je velmi obtížné optiku uspořádat tak, aby si obě soustavy mechanicky nevadily. Při použití postupného měření obou rychlostí je nutné měřit dvakrát, měření je zdlouhavé a nepřesné. Navíc měření děje musí být zásadně stacionárního charakteru po celou dobu obou měření.The disadvantage of these arrangements is that when using two similar systems it is necessary to use a relatively large number of optical elements and moreover it is very difficult to arrange the optics so that both systems do not interfere mechanically. When using sequential measurements of both speeds, it is necessary to measure twice, the measurement is lengthy and inaccurate. Moreover, the measurement of the process must be of a stationary nature for the whole duration of both measurements.

Uvedené nevýhody odstraňuje zařízení pro měření rychlosti tekutin ve dvou prostorově blízkých bodech, sestávající ze světelného zdroje a laserového dopplerovského anemometru, jehož vysílací část je tvořena děličem paprsku a vysílacím objektivem a přijímací část je tvořena přijímacím objektivem, děličem barev, dvěma fokusačními objektivy, dvěma polními clonami a dvěma fotodetektory podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že před děličem paprsku je uložen zdroj světla dvou barev, zatímco za děličem paprsku je uložen vysílací objektiv tvořený objektivem s barevnou vadou, jehož ohniska pro obě barvy zdroje světla jsou vzdálena o požadovanou vzdálenost dvou prostorově blízkých bodů, ve kterých se měří rychlost. Při uspořádání laserového dopplerovského anemometru se zpětným rozptylem může být přijímací i vysílací objektiv tvořen jedním objektivem s barevnou vadou umístěným mezi body, ve kterých se měří rychlost a děličem barev.The above mentioned disadvantages are eliminated by a device for measuring the velocity of liquids at two spatially close points, consisting of a light source and a laser doppler anemometer, the transmitting part of which is formed by a beam splitter and a transmitting lens and the receiving part consists of a receiving lens, color divider, apertures and two photodetectors according to the invention, characterized in that a beam of two colors is placed in front of the beam splitter, while a beam-defective transmission lens is placed behind the beam splitter, the focal points for both colors of the light source being at a desired distance two spatially close points at which speed is measured. In a back-scattering laser doppler anemometer, both the receiving and the transmitting lens may be a single lens with a color defect located between the speed measuring points and the color divider.

Výhodou zařízení podle vynálezu je, že dvě vytvořené optické sondy, mají stálou a známou vzdálenost, vysílací a přijímací část laserového dopplerovského anemometru je velmi jednqduchá a obě rychlosti lze měřit současně. To zkvalitňuje a zpřesňuje měření gradientů rychlosti a smykových napětí v tekutinách.An advantage of the device according to the invention is that the two optical probes formed have a fixed and known distance, the transmitting and receiving part of the laser doppler anemometer is very simple and both speeds can be measured simultaneously. This improves and improves the measurement of velocity and shear stress gradients in fluids.

256 312256 312

- 3 Příklad provedení podle vynálezu je schematicky znázorněn na připojených výkresech, kde představuje obr. 1 zařízení s la sérovým dopplerovským anemometrem při uspořádání se vstřícným rozptylem, obr. 2 se zpětným rozptylem.An exemplary embodiment of the invention is shown schematically in the accompanying drawings, in which Fig. 1 shows a device with a la serum doppler anemometer in a dispersive dispersion arrangement;

Zařízení sestává ze zdroje 1 světla dvou barev a z vysílací a z přijímací části laserového dopplerovského anemometru. Vysílací část sestává z děliče 2 paprsku a za ním uloženého vysílacího objektivu £ s barevnou vadou, jehož ohniska pro obě barvy zdroje 1 světla, umístěného před děličem 2, jsou vzdálena o požadovanou vzdálenost dvou prostorově blízkých bodů, ve kterých se měří rychlost. Vzdálenost obou bodů je stanovena zadavatelem měření. Mezi dělič 2 a vysílací objektiv £ je ve dráze jednoho paprsku zařazen modulátor 2· Přijímací část sestává při uspořádání se vstřícným rozptylem (obr. 1) z přijímacího objektivu 2 ^a děliče 3 bat-e.'·', za jehož každým výstupem je zařazen fokusační objektiv 2» polní clona 10 a fotodetektor 11. Při uspořádání se zpětným rozptylem (obr. 2) je vysílací i přijímací objektiv _4, 2 tvořen jedním objektivem 4 s barevnou vadou umístěným mezi body, ve kterých se měří rychlost a děličem 8 barev.The device consists of a light source 2 of two colors and a transmitting and receiving part of a laser doppler anemometer. The transmitting part consists of a beam splitter 2 and a color defective transmitting lens 6 arranged behind it, whose focal points for both colors of the light source 1, located in front of the splitter 2, are spaced a desired distance of two spatially proximal points at which speed is measured. The distance between the two points is determined by the sponsor. A modulator 2 is provided between the divider 2 and the transmitting lens 6 in a single beam path. The receiving part consists of a receiving lens 2 ^{and a} bat-e divider 3 in a dispersive disposition arrangement (FIG. 1). The focusing lens 2, the field iris 10 and the photodetector 11. In the backscatter arrangement (FIG. 2), the transmitting and receiving lens 4, 2 is a single lens 4 with a color defect located between the speed measuring points and the color divider 8.

Zdroj světla 1 vysílá paprsek dvou barev do děliče 2 paprsku, který jej dělí na dva paprsky, z nichž každý obsahuje obě barvy. Po průchodu modulátorem 2 oba paprsky přicházeýc na vysílací objektiv £. Ten složku světla jedné barvy z obou paprsků fokusuje do ohniska 2» kde se vytváří optická sonda jedné barvy a složku světla druhé barvy z obou paprsků fokusuje do ohniska 6, kde se vytváří optická sonda druhé barvy. Světlo z obou optických sond, rozptýlené částicemi ve směru vysílacích paprsků je zachycováno přijímacím objektivem 2 ^av áělíČt 8 barev rozdělováno na vlastní fokusační objektiv 2, polní clonu 10 a fotodetektor 11 pro každou barvu. Elektrický signál z každého z fotodetektorů 11 je zpracován vlastní elektronikou a je určována rychlost proudění tekutiny v obou prostorech optických sond 2> 6»The light source 1 sends a beam of two colors to a beam splitter 2, which divides it into two beams, each of which contains both colors. After passing through the modulator 2, both beams arrive at the transmission lens 6. The light component of one color from both rays focuses to the focus 2 where the optical probe of one color is formed and the light component of the other color from both rays focuses to the focus 6 where the second color optical probe is formed. Light from both optical probes, scattered by the particles in the direction of the emitting beams, is captured by the receiving lens 2 ^and divided into 8 colors by its own focusing lens 2, field iris 10 and photodetector 11 for each color. The electrical signal from each of the photodetectors 11 is processed by its own electronics and the velocity of fluid flow in both optical probe compartments is determined »

Zvlášť vhodným zdrojem světla dvou barev pro uspořádání podle vynálezu je argonový iontový laser, který vyžaduje dvě velmi silné barvy světla o vlnové délce 4S8 nm a 514,5 nm.A particularly suitable light source of two colors for the arrangement according to the invention is an argon ion laser, which requires two very strong colors of light having a wavelength of 4S8 nm and 514.5 nm.

- 4 256 312- 4,256,312

Zařízení podle vynálezu lze využít pro měření gradientů rychlostí a smykových napětí v hydraulických strojích, míchadlech, emulgátorech, fermentaěních nádržích, polymeračních reaktorech, v lopatkových strojích a v uzlech leteckých motorů, případně v lékařském výzkumu při měření proudění v krevních cestách.The device according to the invention can be used for measuring velocity and shear stress gradients in hydraulic machines, agitators, emulsifiers, fermentation tanks, polymerization reactors, turbomachines and aircraft engine nodes, or in medical research for measuring blood flow.

Claims

An apparatus for measuring fluid velocities at two spatially proximal points, comprising a light source and a laser doppler anemometer, the transmitting portion of which is comprised of a beam splitter and a transmitting lens, and the receiving portion is comprised of a receiving lens, color divider, two focusing lenses, two field iris and two photodetectors, characterized in that in front of the beam splitter (2) a light source (1) of two colors is placed, while behind the beam splitter (2) is a transmitting lens (4) consisting of a defective color lens. (1) the lights are at the required distance of two spatially close points at which speed is measured.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that, in the arrangement of the backscattering laser doppler anemometer, the receiving and transmitting objectives consist of a single objective (4) with a color defect located between the speed measuring points and the color divider (8).

2 drawings