DE1953630B2

DE1953630B2 - Device for measuring the velocity of particles in a fluid

Info

Publication number: DE1953630B2
Application number: DE19691953630
Authority: DE
Inventors: Leslie Ernest London Drain
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1968-10-25
Filing date: 1969-10-24
Publication date: 1974-03-28
Also published as: DE1953630C3; DK124778B; DE1953630A1; FR2021617A1; GB1222177A

Description

25 das durch die Partikel gestreute Licht empfängt und25 receives the light scattered by the particles and

daß die Auswerteeinrichtung die Frequenz der Änderung in der Amplitude des rückgestreuten Lichtesthat the evaluation device determines the frequency of the change in the amplitude of the backscattered light

Die Erfindung b'.rieht sich auf eine Vorrichtung mißt. Zur Erzeugung der beiden kohärenten Lichtzum Messen der Geschwindigkeit von Partikeln in strahlen dient vorzugsweise eine J^aserquelle.
einem Strömungsmittel. 30 Einem weiter bildenden Merkmal der ErfindungThe invention is based on a device that measures. A source of jasper is preferably used to generate the two coherent light for measuring the speed of particles in rays.
a fluid. 30 A further developing feature of the invention

Es ist bekannt, die Geschwindigkeit eines Strö- zufolge dient als Frequenz-Auswerteeinrichtung ein mungsmittels durch Messung der Frequenzänderung Kathodenstrahl-Oszillograph.It is known that the speed of a stream is used as a frequency evaluation device by measuring the frequency change cathode ray oscilloscope.

von monochromatischem Licht zu ermitteln, das Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines into determine the monochromatic light, the The invention is based on an in

durch im Strömungsmittel enthaltene Partikeln als der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles Folge des Dopplereffektes rückgestreut wird. Ein 35 näher erläutert. Die beschriebene Meßvorrichtung nach diesem Prinzip arbeitendes Gerät ist in der dient zur Messung eines Luftstromer- in einem Rohr Zeitschrift »Applied physics letters«, 4. Jahrgang, unter labormäßigen Bedingungen, um die Änderung Nr. 10, S. 176 bis 178 beschrieben. Als Lichtquelle der Geschwindigkeit über den Rohrquerschnitt beim dieser Meßvorrichtung dient ein Helium-Neongas- Studium von Grenzschichteffekten zu ermitteln.
Laser, dessen Laserstrahl durch einen Strahlenteiler 40 Das Rohr ist skizzenmäßig bei 10 gezeigt, und der geteilt wird. Der einen Zweig des Interferometers Luftstrom wird durch einen Pfeil 11 angedeutet. Das durchlaufende Laserstrahl wird Einseitenband-mo- Rohr ist aus Glas hergestellt, aber die Abmessungen, duliert und wirkt als ein optischer örtlicher Oszilla- die Befestigung usw. haben bezüglich der Erfindung tor, während der andere Strahl auf die reflektierende keine Bedeutung.is backscattered by particles contained in the fluid as the embodiment shown in the drawing, a consequence of the Doppler effect. A 35 explained in more detail. The described measuring device, which works according to this principle, is described in the "Applied Physics Letters" magazine, 4th year, under laboratory conditions, around amendment no. 10, pp. 176 to 178, for measuring an air flow in a tube. A helium-neon gas study of boundary layer effects serves as a light source for the speed across the pipe cross-section in this measuring device.
Laser, the laser beam of which is passed through a beam splitter 40. The tube is shown sketchily at 10, and which is split. One branch of the interferometer air flow is indicated by an arrow 11. The laser beam passing through is single sideband-mo- tube is made of glass, but the dimensions, modulates and acts as an optical local oscillator- the fastening etc. are irrelevant to the invention, while the other beam to the reflective one is irrelevant.

Zelle auffällt. Der reflektierte Strahl wird fokussiert 45 Die Lichtquelle ist ein Helium-Neonlaser 12, der und mit dem örtlichen Oszillatorstrahl auf der Ka- eine Ausgangsleistung von 5OmW bei ungefähr thode eines Fotoverstärkers wiedervereinigt, und das 10¹⁴Hz hat. Das Licht dieses Lasers gelangt zu Interferenzsignal wird elektronisch mit einer Auflö- einem Strahlenteiler 13, der als zu dem Strahlwinkel sung von ungefähr 10 Hz verarbeitet. unter 30° geneigte Glasplatte ausgebildet ist undCell stands out. The reflected beam is focused 45 The light source is a helium-neon laser 12, which and with the local oscillator beam on the channel again an output power of 50 mW at approximately the method of a photo amplifier, and which has 10 ¹⁴ Hz. The light from this laser arrives at the interference signal which is processed electronically with a resolution of a beam splitter 13, which is processed as a solution to the beam angle of approximately 10 Hz. glass plate inclined at 30 ° is formed and

Ein weiterer, den Dopplereffekt benutzender Strö- 50 von dem ein durchgehendes Strahlenbündel 14 und mungsmesser wird in der Zeitschrift »Applied phy- ein reflektiertes Strahlenbündel 15 ausgehen. Das resics letters«, Jg. 7, Nr. 4, S. 77, 78 erläutert. Die dort flektierte Strahlenbündel 15 gelangt durch ein neubeschriebene Meßvorrichtung weist als Lichtquelle trales Dichtefilter 16, so daß die Intensität der beieinen Helium-Neongaslaser auf, dessen Strahl im den Strahlenbündel vergleichbar ist. Die Strahlen-Zentrum eines Glasrohres fokussiert wird, durch das 55 bündel werden dann von den ebenen Spiegeln 17 und Luft mittels eines Sauggebläses gesaugt wird. Dieser 18 reflektiert, so daß sie sich an einer Stelle 19 innerLuft wird Rauch als Licht rückstreuende Verunreini- halb des Rohres 10 schneiden. Zwischen den Spiegung zugegeben. Der das Glasrohr verlassende geln 17 und 18 und der Stelle 19 sind Linsen 20 und Laserstrahl wird durch eine Linse aufgefangen, an- 21 angeordnet, um die Strahlenbündel zu fokussieschließend durch ein neutrales Dichtefilter gedämpft 60 ren. Nach dem Durchgang an der Stelle 19 werden und auf die Fotokathode einer Fotoverstärkerröhre die Strahlenbündel mittels Auffangeinrichtungen 22 fokussiert. Das unter einem bestimmten Winkel und 23 absorbiert.Another stream using the Doppler effect 50 of which a continuous beam 14 and In the magazine »Applied phy- a reflected bundle of rays 15 emanates. The resics letters ”, Vol. 7, No. 4, pp. 77, 78 explained. The beam 15, which is flexed there, passes through a newly written one Measuring device has as a light source trales density filter 16, so that the intensity of the two Helium neon gas laser, the beam of which is comparable in the bundle of rays. The rays center a glass tube is focused through which 55 bundles are then of the plane mirrors 17 and Air is sucked in by means of a suction fan. This 18 reflects so that it is at a point 19 within the air will cut smoke as light backscattering contaminants of the pipe 10. Between the mirroring admitted. The gels 17 and 18 leaving the glass tube and the position 19 are lenses 20 and The laser beam is captured by a lens, arranged to close the focus of the beam attenuated by a neutral density filter 60 ren. After the passage at point 19 and the bundles of rays onto the photocathode of a photo intensifier tube by means of intercepting devices 22 focused. That absorbed at a certain angle and 23.

durch die sich bewegenden Rauchpartikel rückge- Im vorliegenden Fall werden die Linsen 20, 21 zurback through the moving smoke particles. In the present case, the lenses 20, 21 to

streute Licht wird durch eine Linse gesammelt und Fokussierung des Strahlenbündels im Hinblick auf ebenfalls auf die Fotokathode fokussiert. Das opti- ⁵ kreisförmigen Querschnitt benutzt; der Strahlenbünsche System ist derart aufgebaut, daß die beiden deldurchmesser ist dabei in der Größenordnung von Strahlen am gleichen Punkt auf der Fotokathode fo- 10 μπι. Durch sorgfältige Ausrichtung wird dafür gekusiiert werden. Das Interferenzsignal im Ausgang sorgt, daß sich die Strahlenbündel tatsächlich an derScattered light is collected by a lens and focusing the beam in view of being also focused on the photocathode. The opti- ^{5 used} circular cross-section; The radiation request system is constructed in such a way that the two diameter diameters are of the order of magnitude of rays at the same point on the photocathode fo- 10 μπι. Careful alignment will be used for this. The interference signal in the output ensures that the beam is actually at the

<f<f

Stelle 19 treffen, Die sich schneidenden Strahlenbündel interferieren und ergeben ein Inierferenzrauster von ebenen Streifen. Das Muster erstreckt sich im großen und ganzen in der Richtung des Pfeiles 11. Der Abstand zwischen den Streifen ist durch s = ;./ (2 sinö/2) gegeben, wobei 2ö der Winkel zwischen den StrahJenbündeln 14 und 15 ist; diese Streifen können mittels eines Meßmikroskops beobachtet und ist.Hit point 19, the intersecting beams of rays interfere and result in an inference pattern of flat strips. The pattern extends broadly in the direction of arrow 11. The distance between the strips is given by s =; ./ (2 sinö / 2), where 2ö is the angle between the bundles of rays 14 and 15; these strips can be observed by means of a measuring microscope and is.

ausgemessen werden. Ein Partikel, deren Größe mit Um die Geschwindigkeit des fließfähigen Mittelsbe measured. A particle whose size corresponds to the speed of the flowable medium

dem Streifenabstand vergleichbar ist und welches das io an einer anderen Stelle innerhalb des Rohres zu mes-Muster in Richtur,- des Pfeiles durchwandert, verur- sen, ist es lediglich notwendig, das Rohr relativ zu sacht eine Reflexion, deren Amplitude sich sinusför- den Strahlenbündehi zu versetzen, deren Schnittmig ändert, wobei die Maxima jeweils den hellen punkt die Stelle 19 ergibt, an welcher die Geschwin-Streifen entsprechen. digkeit gemessen wird.is comparable to the strip spacing and which causes the io to migrate to a mes pattern in the direction of the arrow at another point within the pipe, it is only necessary to give the pipe a relatively gentle reflection, the amplitude of which is sinusoidal To move beam bundles whose sectional shape changes, the maxima in each case giving the bright point the point 19 at which the velocity strips correspond. is measured.

Diese Reflexion wird von einem Foto-Detektor 24 aufgenommen, der im vorliegenden Fall als Fotodiode ausgebildet ist und dessen Ausgangssignal mitteis einer Kathodenstrahlröhre 25 sichtbar gemacht wird, die eine geeignete Ablenkung aufweist. Die Frequenz der Spur ist ein Maß der Geschwindigkeit des Partikels, wenn der Abstand der Streifen bekanntThis reflection is recorded by a photo detector 24, which in the present case is a photo diode is formed and the output signal is made visible by means of a cathode ray tube 25 that has a suitable deflection. The frequency of the track is a measure of the speed of the particle if the spacing of the stripes is known

ist.is.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

of the photo amplifier is transmitted to a broadband amplifier whose bandpass filter is cut off at approximately 1 KHz by an external high-pass filter

1. Device for measuring the speed. The Doppler frequency is determined by an analog of particles in a fluid measured with a 5 gene frequency meter.

a device that produces two coherent light beams The flow meters described above

len at one point within the fluid and other measuring devices of this type, in which the means can interfere and is exploited with a Fotodetek Doppler effect, require komphtor and the frequency-evaluated and costly frequency analyzers connected to it te device, characterized by the Doppler component from which is used by the, that the photodetector (24) is so arranged that the light received by the photo amplifier is removed, that he only separate what is scattered by the particles.

Receives light and that the evaluation device. The object of the invention is to provide a

(25) to create the frequency of changes in the ampli- flow meter, at which the Dopplertude of the backscattered light. 15 effect is not used and therefore none

2. Device according to claim 1, thereby requiring complicated frequency analyzers,
indicates that a laser (12) is used as the light source for the two, starting from a device for measuring the light rays (14, 15). Speed of particles in a flow

3. Apparatus according to claim 1 and 2, there- by having a device that has two coherent characterized in that as a frequency evaluator 20 light beams at one point within the noise device can interfere with a cathode ray oscilloscope, as well as with a Fo- (25; is used. death detector and frequency evaluation device connected to it This object is achieved in that the photodetector is arranged so that it only