CS256640B1

CS256640B1 - Device for measuring fluid velocity in two spatially close off-axis points

Info

Publication number: CS256640B1
Application number: CS863413A
Authority: CS
Inventors: Ladislav Klaboch; Antonin Baudys
Original assignee: Ladislav Klaboch; Antonin Baudys
Priority date: 1986-05-12
Filing date: 1986-05-12
Publication date: 1988-04-15
Also published as: CS341386A1

Abstract

Řešení se týká zařízení pro měření, rychlosti tekutin ve dvou prostorově blízkých mimoosových bodeoh, sestávajícího ze světelného zdroje dvou barev a laserového, dopplerovského anemometru.' Podstata řešení spočívá v tom, že mezi dělič paprsku a vysílací objektiv je uložen disperzní hranol, který rozděluje dvě barvy zdroje světla a vysílacím objektivem jsou potom vytvořeny dvě optické sondy v bodetfh, ve kterých má být určena rychlost. Navržené zařízení lze použít pro měření gradientů rychlostí, smykových napětí a korelací, 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 off-axis points, consisting of a two-color light source and a laser Doppler anemometer. The essence of the solution lies in the fact that a dispersion prism is placed between the beam splitter and the transmitting lens, which divides the two colors of the light source, and the transmitting lens then creates two optical probes at the points at which the velocity is to be determined. The proposed device can be used for measuring velocity gradients, shear stresses and correlations, especially in hydraulic machines, in blade machines and in aircraft engine assemblies, or in medical research when measuring flow in blood vessels.

Description

256 640 - 1 -256,640 - 1 -

Vynález se týká zařízení pro měření rychlosti tekutin vedvou prostorově blízkých mimoosových bodech, sestávajícího zesvětelného zdroje a laserového dopplerovského anemometru·BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a device for measuring the velocity of fluids in a space-close proximity axis, comprising a light source and a laser Doppler anemometer.

Laserový dopplerovský anemometr se běžně používá při mě-ření složek rychlosti proudící tekutiny. Jeho obecná výhodaspočívá v tom, že se do měřeného místa nezavádí žádná měřícísonda, která by proudění narušovala, nýbrž nehmotná optickásonda s měřícím bodem pro měření rychlosti proudění tekutinyv průniku dvou vzájemně koherentních světelných paprsků. V měřícím bodě se vytváří systém vzájemně rovnoběžných inter-ferenčních rovin, které mají od sebe konstantní vzdálenosturčenou vlnovou délkou světla a úhlem protínání jeho paprsků.Proudem tekutiny jsou unášeny hmotné částice různé velikosti,které procházejí optickou sondou. Každá částice, jejíž vektorrychlosti není kolmý na normálu interferenčních rovin, připrůchodu optickou sondou rozptyluje světlo, které je amplitu-dově modulováno frekvencí závislou na vzájemné vzdálenostiinterferenčíních rovin a na velikosti složky vektoru rychlostičástice rovnoběžné s normálou interferenčních rovin. Amplitudo-vě modulované světlo, rozptýlené částicí je snímáno optickousoustavou a přiváděno na fotodetektor, který je mění na elektrický signál. Změřením frekvence tohoto elektrického signálu lzeusoudit na velikost složky vektoru rychlosti částice rovnoběž-né s normálem. Protože rychlost částice, unášené proudící te-kutinou, se v podstatě neliší od rychlosti tekutiny, lze rych-lost částice pokládat i za rychlost proudění tekutiny. Směrproudění tekutiny se zjišťuje natáčením optické sondy do tako-vé polohy, v níž je frekvence modulace rozptýleného světla, tojest dopplerovské frekvence, nejvyšší. V ton případě je směrnormály interferenčních rovin shodný se směrem proudění tekuti-ny.A laser Doppler anemometer is commonly used to measure the velocity components of a fluid flow. Its general advantage lies in the fact that no measuring probe is introduced into the measured point, which would disturb the flow, but an intangible optical probe with a measuring point for measuring the fluid flow velocity in the intersection of two coherent light beams. At the measuring point, a system of mutually parallel interference planes is formed, which have a constant distance defined by the wavelength of light and the angle of intersection of its beams. Each particle whose velocity vector is not perpendicular to the normal of the interference planes is scattered by the optical probe, which is amplified by the frequency dependent on the distances of the interference planes and the vector component of the velocity particle parallel to the normal of the interference planes. The amplitude-modulated light scattered by the particle is sensed by an optical array and fed to a photodetector that converts it into an electrical signal. By measuring the frequency of this electrical signal, one can judge the size of the velocity vector component of the particle parallel to the normal. Since the velocity of the particle entrained by the flowing fluid is substantially different from the velocity of the fluid, the velocity of the particle can also be regarded as the velocity of the fluid. The flow direction of the fluid is determined by rotating the optical probe to a position where the frequency of the scattered light modulation, the other Doppler frequency, is highest. In this case, the direction of the norms of the interference planes is the same as the flow direction of the fluid.

Dosud známá zařízení jsou uspořádána tak, že ze zdrojekoherentního světla jedné frekvence (barvy) přichází paprsekdo děliče, kde je rozdělen na dva paralelní paprsky. Ty prochá-zejí vysílacím objektivem a v jeho ohnisku vytváří optickousondu. Rozptýlené světlo z prostoru optické sondy je sbíránopřijímacím objektivem, fokusováno fokusačním objektivem dootvoru polní clony a detekováno fotodetektorem. Přijímací 2 256 640 část optiky přitom může být umístěna mimoosově, případně naoptické ose směrem zpět od optické sondy (tzv. "zpětný rozptyl").Měření rychlostí ve dvou prostorově blízkých bodech na optickéose vysílací části laserovského dopplerovského anemometru sepotom provádí tak, že se nejprve změří jedinou soustavou rych-lost tekutiny v prvém bodě a po přesunu optiky se změní rych-lost tekutiny ve druhém bodě nebo se použijí dvě popsané optic-ké soustavy a umístí se tak, aby jimi vytvořené optické sondybyly blízko sebe.The devices known hitherto are arranged such that, from the source of the coherent light of one frequency (color), the beam reaches the divider, where it is divided into two parallel beams. They pass through the transmitting lens and form an optical probe in its focus. Scattered light from the optical probe space is picked up by the receiving lens, focussed by the focusing lens to the field iris diaphragm, and detected by the photodetector. The optic receiving portion 256, 640, can be positioned out of axis or backward from the optical probe (so-called "backscatter"). The measurement of velocity at two spatially close points on the optical transmission portion of the laser doppler anemometer is then performed so that first it measures the single fluid velocity at the first point, and after the optics move, the fluid velocity at the second point is changed, or the two described optical systems are used and positioned so that the optical probes formed by them are close together.

Nevýhodou těchto uspořádání je,že při použití dvou podob-ných soustav je nutné použít poměrně velké množství optickýchprvků a navíc je velmi obtížné optiku uspořádat tak, aby siobě soustavy mechanicky nevadily. Při použití postupného mě-ření obou rychlostí je nutné měřit dvakrát, měření je zdlouha-vé a nepřesné. Navíc měření děje musí být zásadně stacionární-ho charakteru po celou dobu obou měření.A 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 they do not interfere mechanically with each other. When using gradual measurement of both speeds, it is necessary to measure twice, the measurement is lengthy and inaccurate. In addition, the measurement of the process must be essentially stationary throughout the two measurements.

Uvedené nevýhody odstraňuje zařízení pro měření rychlostitekutin ve dvou prostorově blízkých mimoosových bodech, sestá-vající ze světelného zdroje dvou barev a laserového dopplerovské-ho anemometru, jehož vysílací část je tvořena děličem paprskua vysílacím objektivem a přijímací část je tvořena přijímacímobjektivem, děličem barev, dvěma fokusačními objektivy, dvěmapolními clonami a dvěma fotodetektory podle vynálezu, jehožpodstata spočívá v tom, že mezi dělič paprsku a vysílací objektivje uložen disperzní hranol. Výhodou zařízení podle vynálezu je, že dvě vytvořené optic-ké sondy mají stálou a známou vzdálenost, vysílací a přijímacíčást laserovského dopplerovského anemometru je velmi jednoducháa obě rychlosti lze měřit současně. To zkvalitňuje a zpřesňujeměření gradientů rychlosti a smykových napětí v tekutinách.· Příklad provedení podle vynálezu je schematicky znázorněnna připojených výkresech, kde představuje obr. 1 zařízení s la-serovým dopplerovským anemometrem při uspořádání se vstřícnýmrozptylem, obr. 2 se zpětným rozptylem.The above drawbacks are eliminated by a device for measuring fluid velocities in two spatially close off-axis points consisting of a light source of two colors and a laser doppler anemometer, the transmitting part of which is a beam splitter and a transmitting lens, and the receiving part is a receiving lens, a color divider, two focusing lenses. The objective of this invention is to provide a dispersion prism between the beam splitter and the transmitting objective. 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 refines the measurement of velocity and shear stress gradients in fluids. An embodiment of the present invention is schematically illustrated in the accompanying drawings, wherein Figure 1 shows a device with a lapler doppler anemometer in a accommodating scatter arrangement, Figure 2 with backscatter.

Zařízení sestává ze zdroje 1 světla dvou barev a z vysíla- cí a přijímací části laserového dopplerovského anemometru. Vy- sílací část sestává z děliče 2 paprsku, disperzního hranolu 12 - 3 - 256 640 a vysílacího objektivu £· Mezi dělič 2 a disperzní hranol 12je ve dráze jednoho paprsku zařazen modulátor Přijímacíčást sestává při uspořádání se vstřícným rozptylem (obr· 1)z přijímacího objektivu 2 a děliče 8 barev, za jehož každýmvýstupem je zařazen fokusační objektiv 2» polní clona 10 afotodetektor 11« Při uspořádání se zpětným rozptylem (obr· 2)je vysílací i přijímací objektiv 4» 2 tvořen jedním objekti-vem 4·The device consists of a light source 1 of two colors and a transmitting and receiving part of a laser Doppler anemometer. The transmitting part consists of a beam splitter 2, a dispersion prism 12-3-356 640 and a transmitting objective 8. A modulator is inserted between the divider 2 and the dispersion prism 12 in the path of the single beam. the lens 2 and the color divider 8, behind which each focusing lens is included 2 »field iris diaphragm 10 and the photodetector 11« In backscatter arrangement (fig. 2), the 4 '

Zdroj světla 1 vysílá paprsek dvou barev do děliče 2paprsku, který jej dělí na dva paprsky, z nichž každý obsahu-je obě barvy. Po průchodu modulátorem 2 oba paprsky procházídisperzním hranolem 12, který složku světla každé barvy odchý-lí o jiný úhel. Potom přichází světelné paprsky na vysílacíobjektiv který paprsky jedné barvy fokusuje do ohniskovéroviny, kde se vytváří optická sonda 2 jedné barvy a paprskydruhé barvy fokusuje do ohniskové roviny, kde se vytváří optická sonda 6 druhé barvy·The light source 1 emits a two-color beam to the 2-beam divider, which divides it into two beams, each of which contains both colors. After passing through the modulator 2, the two beams pass through a dispersion prism 12, which deflects the light component of each color by a different angle. Then comes the light beams on a transmitting lens that focuses one color beams into the focal plane, where an optical probe 2 of one color is created and the second color focusses into the focal plane where the second color optical probe 6 is formed.

Světlo z obou optických sond, rozptýlené částicemi ve směru vysílacích paprsků je zachycováno přijímacím objektivem 2a v děliči 8 barev rozdělováno na vlastní fokusační objektiv 2polní clonu 10 a fotodetektor 11 pro každou barvu. Elektrickýsignál z každého z fotodetektorů 11 je zpracován vlastníelektronikou a je určována rychlost proudění tekutiny v obouprostorech optických sond j>, 6.The light from both the particle-diffused optical probes in the direction of the transmitting beams is captured by the receiving lens 2a in the color divider 8 divided into its own focusing lens 2-field aperture 10 and the photodetector 11 for each color. The electrical signal from each of the photodetectors 11 is processed by its own electronics and the fluid flow rate in the two spaces of the optical probes is determined.

Zvláště vhodným zdrojem světla dvou barev pro uspořádánípodle vynálezu je argonový iontový laser, který vyzařuje dvěvelmi silné barvy světla o vhodné délce 488 nan a 514,5 mm.A particularly suitable light source of two colors for the arrangement according to the invention is an argon ion laser emitting two very strong light colors of suitable lengths of 488 nanometers and 514.5 millimeters.

Zařízení podle vynálezu lze využít pro měření gradientůrychlostí, smykových napětí a korelací v hydraulických stro-jích, míchadlech, emulgátorech, fermentačních nádržích, poly-meračních reaktorech, v lopatkových strojích a v uzlech letec-kých motorů, případně v lékařském výzkumu při měření prouděnív krevních cestách.The device according to the invention can be used for measuring gradient velocities, shear stresses and correlations in hydraulic machines, agitators, emulsifiers, fermentation tanks, polymerization reactors, vane machines and air motor nodes, or in medical research for blood flow measurement. roads.

Claims

I DURING

B 25 B40 Apparatus for measuring fluid velocity in two spatially close off-axis throws, consisting of a light source of colors and a laser doppler anemometer, the transmitting portion of which is a beam splitter and a transmitting lens, and the receiving portion is a receiving lens, a color focusing lens, two field diaphragms and two mafotodetectors, characterized in that a dispersion prism (12) is disposed between the beam splitter (2) and the radiating lens (4) · 2 drawings