DK144716B - Apparat til maaling af et fluidums stroemningshastighed - Google Patents

Description

144716

Opfindelsen angår et apparat til måling af et fluidums strømningshastighed under anvendelse af den frekvensændring, der beroende på Doppler-effekten opstår ved spredning af lys fra diskontinuiteter i fluidet, 5 hvilket apparat omfatter midler til frembringelse af to bundter af kohærent lys, hvoraf det ene udgør et målebundt og det andet et referencebundt, midler til at føre målebundtet gennem det fluidum, hvis strømningshastighed skal måles, midler til at føre referencebundtet ad 10 en bane uden om fluidet, og midler til at modtage det i fluidet fra målebundtet spredte lys kombineret med referencebundtet og analyse af det heraf resulterende Dopp-ler-stødfrekvensspektrum.

Der kendes målemetoder, hvor der anvendes ét enkelt 15 lysbundt, og hvor en del af bundtet føres gennem fluidet og spredes af diskontinuiteter i dette fluidum, medens den resterende del af bundtet anvendes som reference til måling af den på Doppler-effekten i fluidet beroende frekvensændring .

20 Disse målemetoder har den ulempe, at der fås et dårligt signal/støj-forhold som følge af, at det lys, der spredes fra bundtet, spredes diskontinuerligt af en-keltpartikler, der bevæger sig uafhængigt af hinanden, hvorved der indføres støj såvel i referencebundtdelen 25 som det spredte lys.

Opfindelsen tager sigte på at afhjælpe denne ulempe og giver anvisning på et apparat, som sikrer et bedre signal/støj-forhold end opnåeligt ved de kendte metoder.

30 Med henblik herpå er apparatet ifølge opfindelsen ejendommeligt ved midler til at bibringe referencebundtet en styrke af i det væsentlige samme størrelse som målebundtets styrke.

Ved at anvende to separate bundter og ved at sørge 35 for, at de indbyrdes har sådanne intensiteter, at intensiteten af det af en detektor modtagne, fra referencebundtet hidrørende lys styrkemæssigt er af samme størrelse som intensiteten af det spredte lys, opnås den til- 144716 2 sigtede forbedring af signal/støj-forholdet.

Når lys udsendt fra en stationær kilde absorberes og genudsendes af en bevægende partikel f.eks. spredes af partiklen, vil en stillestående iagttager konstatere, 5 at frekvensen af det spredte lys afviger fra frekvensen af det lys, der iagttages direkte fra kilden, hvilken frekvensændring kendes som Doppler-frekvensforskydning.

Ved måling af en væskestrømning er det nødvendigt, at de partikler, der forårsager en spredning af lyset, ligger 10 tæt op til hinanden i forhold til lysets bølgelængde, men dette er den normale tilstand, når der anvendes synligt lys. Under disse betingelser afhænger frekvensforskydningen mere af den generelle væskehastighed end af hastigheden af de enkelte spredende partikler.

15 Ved en indfaldende lysstråle med en bølgevektor k = hvor n er brydningsindekset, der af en gen stand, som bevæger sig med en hastighed v og med en vinkel α til en given retning K, hvor K = k - k', idet strålen spredes i en retning k' med en vinkel Θ 20 til K, angives Doppler-frekvensforskydningen Δω = 2πΔμ ved Δω = v · K (1)

Denne formel kan skrives 0 0 Δμ = —— sin ^ cos a = Av sin ^ oos α (2) 25 hvor A er en konstant, forudsat at J k I ~ I k' I og v << c I det særlige tilfælde, hvor laserlyset er parallelt med den i bevægelse værende genstand, og hvor det spredte lys iagttages fra en retning vinkelret herpå 30 har man _ 1 9 “ 2 α = 0 og ligningen (2) reduceres til Δμ = ψ-^2 (3) 35 I det tilfælde, hvor fluidet er vand, og hvor der anvendes en helium/neonlaser har man n = 1,3 λ = 6328 Å 3 144716 og hvis v = 3cm/sek opnår man Δμ = 100 kHz = 105 Hz.

Da den til λ = 6328 Å svarende laserfrekvens er ca. 1014 Hz, kan det være vanskeligt at måle en frekvens-5 ændring af denne størrelsesorden.

Frekvensændringen kan dog måles ved heterodynvirk-ning, men det er dog mere hensigtsmæssigt at vælge værdierne Θ = 30° 10 α = 0 og at blande det spredte lys med en del af det oprindelige lys under anvendelse af et fotorør, der har en kvadrerende virkning.

Det skal forstås, at frekvensen ved de sædvanlige 15 lasere ikke er konstant, men varierer over et frekvensbånd, der tilnærmelsesvis er centreret på laserlysets nominelle frekvens- I praksis har det vist sig, at dette ikke har nogen betydning, eftersom frekvensvariationerne er betydeligt højere end enhver frekvensændring, der 20 skyldes partikelbevægelsens hastighed.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til tegningen, der viser en udførelsesform for apparatet ifølge opfindelsen til måling af væskestrømning.

25 Apparatet omfatter et rør 10, f.eks. glasrør af en diameter på 1,3 cm, hvori vand strømmer i den ved en pil 11 angivne retning med en hastighed på ca. 50 cm pr. sek. For at sikre en passende lysspredning er der til vandet tilsat nogle få dråber mælk.

30 Som lyskilde anvendes en helium-neon-laser 12 med en udgangseffekt på 50 mW ved en frekvens på 1014 Hz.

Lyset fra laserkilden opdeles i to stråler ved hjælp af en stråleopdeler 13, der udgøres af en tynd plade af glas, der med strålen danner en vinkel på 30°, således 35 at der tilvejebringes en reflekteret referencestråle a, der derefter føres gennem et neutralt tæthedsfilter 14.

De to divergerende stråler reflekteres derefter ved hjælp af to parallelt med stråleopdeleren beliggende 144716 4 plane spejl 15 og 16, hvorefter hver stråle fokuseres til dannelse af to lyspletter af en diameter på 2 mm ved hjælp af to linser 17 og 18 med en fokallængde på 30 cm. Hovedstrålen b føres gennem glasrøret 10 un-5 der en vinkel på 60° i forhold til glasrørets akse, medens referencestrålen a føres bag røret 10 under en modsat lige stor vinkel i forhold til aksen, hvorefter strålen rammer et fotorør 19. Lyset fra hovedstrålen b spredes af vandet i en retning parallel med 10 referencestrålen og føres også til fotorøret 19. For at begrænse et uønsket spredt lys i at nå fotorøret, er der i rørets akse i en afstand på 10 cm foran røret anbragt et diafragm 20 med en åbning på 0,2 mm. Hovedstrålen b absorberes i en strålefælde 21.

15 Det neutrale tæthedsfilter 14 nedsætter styrken af referencestrålen a i forhold til hovedstrålen b, således at det lys i referencestrålen a, der rammer fotorøret 19 tilnærmelsesvis har samme styrke som det lys, der spredes fra hovedstrålen b og rammer fotorø-20 ret 19. Uden filteret 14 ville styrken i reference-strålen a være flere størrelsesordner større end styrken af det lys, der spredes fra hovedstrålen, og ville således føre til et meget dårligt signal/støj-forhold.

Med filteret 14 kan man opnå et signal/støj-forhold 25 på 1 og dermed en god detektering af Doppler-stødfre-kvensspektret.

Signalet fra fotorøret føres til en spekteranalysa-tor, der viser frekvensen som funktion af amplituden.

Såfremt der ikke er nogen Doppler-forskydning, afgiver 30 den iagttagne frekvens på ca. 10 Hz ingen signaler, men i praksis kan der iagttages et antal frekvenser, der angiver omfanget af de iagttagen hvirvelstrømmehastigheder. I tilfældet af en ensartet strømning iagttages der en enkelt spids i spektret.

35 Man har i praksis konstateret, at alle væsker inde holder et tilstrækkeligt stort antal spredende partikler til, at den foreliggende opfindelse kan anvendes uden tilsætning af yderligere spredende partikler. Dog