RU128336U1

RU128336U1 - DEVICE FOR OPTICAL-LASER DIAGNOSTICS OF NON-STATIONARY HYDROFLOWS

Info

Publication number: RU128336U1
Application number: RU2012155358/28U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владимирович Наумов
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2013-05-20

Abstract

Устройство бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений, основанное на совместном использовании лазерной допплеровской анемометрии (ЛДА) и цифровой трассерной визуализации (PIV), включающее лазерный допплеровский анемометр с оптическим зондом, процессор обработки допплеровских сигналов, две CCD камеры, две оптические призмы, заполненные водой, процессор обработки изображений, персональный компьютер, отличающееся тем, что в устройство дополнительно включен корректирующий модуль пробоотбора взвеси частиц, содержащий цилиндрическую кювету из оптически прозрачного материала, например стекла, для размещения образца рабочей жидкости, лазерный излучатель с длиной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или лазерного допплеровского анемометра, шесть и более фотоприемников, установленных вокруг цилиндрической кюветы в плоскости, проходящей через ось лазерного излучателя и перпендикулярной оси кюветы, под углом Аотносительно друг друга, при этом крайний фотоприемник установлен под углом Аотносительно оси лазерного излучателя, причем угол Авыбирают из условия обеспечения измерений интенсивности излучения в диапазоне от 0° до 180°.A device for non-contact optical-laser diagnostics of non-stationary modes of vortex flows based on the combined use of laser Doppler anemometry (LDA) and digital tracer imaging (PIV), including a laser Doppler anemometer with an optical probe, a processor for processing Doppler signals, two CCD cameras, two optical prisms, filled with water, an image processing processor, a personal computer, characterized in that the device further includes a correction module for suspension sampling astits containing a cylindrical cell made of an optically transparent material, such as glass, for placing a sample of the working fluid, a laser emitter with a wavelength corresponding to the wavelength of the “laser knife” or laser Doppler anemometer, six or more photodetectors installed around the cylindrical cell in the plane passing through the axis of the laser emitter and perpendicular to the axis of the cell, at an angle A relative to each other, while the extreme photodetector is installed at an angle A relative to the axis of the laser radiation of the body, moreover, the angle A is chosen from the condition of providing measurements of the radiation intensity in the range from 0 ° to 180 °.

Description

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать кинематические характеристики гидропотока. Полезная модель может использоваться в фундаментальных и прикладных исследованиях в экспериментальной гидродинамике. Возможно применение в технологических процессах (химических и каталитических реакций), океанологии, изучении атмосферных явлений, а также ряде других областей науки и промышленных технологий, связанных с необходимостью прецизионных невозмущающих измерений кинематических характеристик гидросреды.The utility model relates to the control and measuring technique and allows you to explore the kinematic characteristics of the hydraulic flow. The utility model can be used in basic and applied research in experimental hydrodynamics. It is possible to use in technological processes (chemical and catalytic reactions), oceanology, the study of atmospheric phenomena, as well as a number of other areas of science and industrial technologies related to the need for precision, non-disturbing measurements of the kinematic characteristics of the hydraulic medium.

Широко распространенными оптическими способами бесконтактного измерения скорости различных течений жидкости и газа являются лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА) (Laser Doppler Anemometry - LDA), позволяющая измерять скорости сопутствующих потоку частиц в фиксированной точке течения [Albrecht H.-E., Borys M., Damascke N., Тrореа С.Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques. Berlin: Springer. 2003. 738 p.], и цифровая трасерная визуализация - PIV (Particle image velocimetry), используемая для анализа поля скорости потока в фиксированном сечении по трекам частиц [M.Raffel, C.E.Willert, J. Kompenhans. Particle Imaging Velocimetry. Berlin: Springer-Verlag. 2001. 269 p.].Laser Doppler Anemometry (LDA), which allows measuring the velocity of particles accompanying the flow at a fixed point in the flow [Albrecht H.-E., Borys M., Damascke, is a widely used optical non-contact method for measuring the velocity of various fluid and gas flows). N., Torea C. Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques. Berlin: Springer. 2003. 738 p.], And digital tracer imaging - PIV (Particle image velocimetry), used to analyze the field of flow velocity in a fixed section along particle tracks [M.Raffel, C.E. Willert, J. Kompenhans. Particle Imaging Velocimetry. Berlin: Springer-Verlag. 2001.269 p.].

Методы лазерной диагностики параметров движения жидкостей основаны на явлении рассеяния лазерного излучения оптическими неоднородностями. Рассеяние наряду с поглощением является основной особенностью, определяющей распространение света в воде [К.Барен, Д.Хафмен. Поглощение и рассеяние света малыми частицами (пер. с англ.) - М.: Мир, 1986, 660 с.]. Теоретическое и экспериментальное исследование проблемы рассеяния в жидкой среде сталкивается со значительными трудностями. Они вызваны, в частности, тем фактом, что рассеяние в жидкости является суммарным эффектом двух разных процессов: поглощения лазерного излучения самой водой и рассеяния света частицами, находящимися в воде.Laser diagnostic methods for fluid motion parameters are based on the phenomenon of laser radiation scattering by optical inhomogeneities. Scattering along with absorption is the main feature that determines the distribution of light in water [K. Baren, D. Hafmen. Absorption and scattering of light by small particles (translated from English) - M .: Mir, 1986, 660 p.]. A theoretical and experimental study of the problem of scattering in a liquid medium faces significant difficulties. They are caused, in particular, by the fact that scattering in a liquid is the combined effect of two different processes: the absorption of laser radiation by water itself and the scattering of light by particles in water.

При работе с гидродинамическими потоками и выборе необходимых методов важно знать характеристики рассеяния лазерного излучения в рабочей среде.When working with hydrodynamic flows and choosing the necessary methods, it is important to know the characteristics of the scattering of laser radiation in a working medium.

Кроме того, свойства рассеянного излучения могут существенно изменяться в ходе гидродинамического эксперимента, например, при покрытии засеивающих частиц микроорганизмами, что приведет к изменению как диаграммы рассеивания, так и интенсивности рассеянного частицами излучения, что в свою очередь приведет у уменьшению количества регистрируемых событий (методами LDA и PIV) и, соответственно, к уменьшению частотных характеристик регистрируемого нестационарного потока. Таким образом, пробоотбор взвеси засеивающих частиц для контроля рассеянного излучения, позволит скорректировать параметры регистраторов событий, а также даст информацию о точности и области применения оптических методов диагностики потоков.In addition, the properties of the scattered radiation can significantly change during a hydrodynamic experiment, for example, when the sowing particles are coated with microorganisms, which will lead to a change in both the scattering pattern and the intensity of the radiation scattered by the particles, which in turn will lead to a decrease in the number of recorded events (by the LDA methods and PIV) and, accordingly, to a decrease in the frequency characteristics of the recorded unsteady flow. Thus, sampling the suspension of sowing particles to control the scattered radiation, will allow you to adjust the parameters of the event recorders, as well as provide information on the accuracy and scope of optical methods for diagnosing flows.

Известны способ и устройство измерения скорости, размеров и концентрации частиц в потоке [Патент GB 2480440, 30.06.2010, G06T 7/20], основанные на совместном использовании преимуществ LDA и PIV. Изобретение позволяет одновременно проводить измерения потока и частиц (как сферических, так и не сферических до нано/микро размеров) и обеспечивает высокую скорость обработки полученных изображений за счет использования высокоскоростного приемника изображений.A known method and device for measuring the speed, size and concentration of particles in a stream [Patent GB 2480440, 06/30/2010, G06T 7/20], based on sharing the advantages of LDA and PIV. The invention allows simultaneous measurements of flow and particles (both spherical and non-spherical to nano / micro sizes) and provides a high processing speed of the obtained images through the use of a high-speed image receiver.

Изобретение не предназначено для исследования нестационарных закрученных потоков и не анализирует динамическую диаграмму рассеивания взвеси частиц в гидропотоке.The invention is not intended for the study of unsteady swirling flows and does not analyze the dynamic diagram of dispersion of suspended particles in a hydroflow.

Известно устройство, описанное в работе [Окулов В.Л., Наумов И.В., Соренсен Ж.Н. Особенности оптической диагностики пульсирующих течений» // Журнал технической физики, 2007, том 77, вып.5, стр.47-57], основанное на одновременном применении LDA и PIV и используемое для диагностирования закрученного течения в цилиндре с осциллирующим пузырем. Устройство включает цилиндрический контейнер с вращающейся крышкой, Nd:YAG лазер, цилиндрические линзы, CCD камеру, Dantec 1500 FlowMap процессор обработки изображений, персональный компьютер, аргоновый лазер, LDA оптический зонд, BSA57N2 процессор. Устройство использовалось для исследования модельного течения, создаваемого с помощью вращающейся крышки в цилиндрическом контейнере. Технические характеристики устройства не позволяют получать детальное поле скорости при высокочастотных пульсациях потока в течение длительного времени.A device is described in [Okulov V.L., Naumov I.V., Sorensen Zh.N. Features of the optical diagnostics of pulsating flows ”// Journal of Technical Physics, 2007, Volume 77, Issue 5, pp. 47-57], based on the simultaneous use of LDA and PIV and used to diagnose a swirling flow in a cylinder with an oscillating bubble. The device includes a cylindrical container with a rotating lid, Nd: YAG laser, cylindrical lenses, CCD camera, Dantec 1500 FlowMap image processor, personal computer, argon laser, LDA optical probe, BSA57N2 processor. The device was used to study the model flow created by means of a rotating cover in a cylindrical container. The technical characteristics of the device do not allow to obtain a detailed velocity field with high-frequency flow pulsations for a long time.

Наиболее близким к заявленному является устройство бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений, основанное на совместном использовании LDA и PIV, [Патент РФ №121082, 10.05.2012 г., МПК G01P 5/00, G01P 5/26, G06T 7/20], включающее источник лазерного излучения - импульсный лазер, технические характеристики которого составляют: энергия импульса - не менее 120 мДж, частота срабатывания - не менее 16 Гц, приемник изображений засеянных частиц - две CCD камеры с частотным разрешением от 8 до 16 Гц, расположенные под углом 30÷120° друг к другу и под углом 15÷60° к оси канала за ротором ветро- или гидро-агрегата, с оптическими узкополосными фильтрами, процессор обработки изображений), лазерный анемометр с оптическим зондом, выполненный на аргоновом лазере и процессоре обработки доплеровских сигналов, и персональный компьютер.Closest to the claimed device is a non-contact optical laser diagnostics of non-stationary modes of eddy flows, based on the combined use of LDA and PIV, [RF Patent No. 121082, 05/10/2012, IPC G01P 5/00, G01P 5/26, G06T 7 / 20], including a laser radiation source - a pulsed laser, the technical characteristics of which are: pulse energy - not less than 120 mJ, response frequency - not less than 16 Hz, particle image detector - two CCD cameras with a frequency resolution of 8 to 16 Hz, located at an angle of 30 ÷ 120 ° to each other at an angle of 15 ÷ 60 ° to the bore axis of the rotor of wind or hydro-unit with narrowband optical filters, image processing), laser anemometer with an optical probe configured to argon laser and processing the Doppler signal processor and personal computer.

При работе с гидродинамическими потоками в аналогах и прототипе не учитывают изменения свойств рассеянного излучения, которые могут существенно изменяться в ходе гидродинамического эксперимента, что приводит к ошибке измерения характеристик гидропотока вследствие уменьшения количества регистрируемых событий и, соответственно, уменьшения частотных характеристик регистрируемого нестационарного потока.When working with hydrodynamic flows, analogues and prototypes do not take into account changes in the properties of scattered radiation, which can significantly change during a hydrodynamic experiment, which leads to an error in measuring the flow characteristics due to a decrease in the number of recorded events and, accordingly, a decrease in the frequency characteristics of the recorded unsteady flow.

Цель полезной модели - повышение эффективности проведения измерений динамических характеристик нестационарного потока за счет учета изменения оптических свойств исследуемой среды, и тем самым повышение эффективности использования измерительного оборудования.The purpose of the utility model is to increase the efficiency of measuring the dynamic characteristics of an unsteady flow by taking into account changes in the optical properties of the medium under study, and thereby increase the efficiency of using measuring equipment.

Указанная цель достигается тем, что в известное устройство, основанное на использовании двух оптических систем (LDA и PIV), вводят дополнительный модуль, что позволяет эффективно разместить относительно лазерного ножа, изменяя угол между CCD камерами, регистрирующие изображение камеры в зависимости от диаграммы рассеивания взвеси калибровочных частиц, а также подстраивать алгоритмы обработки сигналов под изменение интенсивности и диаграммы рассеивания частиц в ходе эксперимента, что в свою очередь позволяет адаптивно корректировать чувствительность регистрирующих изображение камер, и пороговый уровень обнаружения сигнала, и, таким образом, улучшать частотные характеристики регистрирующей аппаратуры, поскольку при этом обеспечивается стабильно большое количество регистрируемых частиц.This goal is achieved by the fact that in the known device based on the use of two optical systems (LDA and PIV), an additional module is introduced, which allows you to effectively place relative to the laser knife, changing the angle between CCD cameras, recording the camera image depending on the dispersion diagram of the calibration suspension particles, as well as adjusting signal processing algorithms to change the intensity and particle scattering patterns during the experiment, which in turn allows adaptively adjusting pheno- image recording chambers and the signal detection threshold level, and thereby improve the frequency characteristics of the recording apparatus, because it ensures the stability a large amount of detected particles.

Таким образом, повышается эффективность измерений характеристик нестационарного гидропотока за счет учета изменения свойств регистрируемого рассеянного излучения, которые существенно меняются в ходе продолжительного гидродинамического эксперимента, приводя к ошибке измерения, вследствие уменьшения количества регистрируемых событий. Повышение эффективности измерений позволяет говорить об эффективности использования измерительного оборудования.Thus, the efficiency of measuring the characteristics of unsteady flow is increased by taking into account changes in the properties of the recorded scattered radiation, which change significantly during a long hydrodynamic experiment, leading to a measurement error due to a decrease in the number of recorded events. Increasing the measurement efficiency allows us to talk about the effectiveness of the use of measuring equipment.

Согласно полезной модели устройство бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных гидропотоков, основанное на совместном использовании ЛДА и PIV и включающее лазерный допплеровский анемометр с оптическим зондом, процессор обработки доплеровских сигналов, две CCD камеры, установленные под углом друг к другу и симметрично относительно «лазерного ножа», две оптические призмы, заполненные водой, процессор обработки изображений, персональный компьютер, дополнительно включает корректирующий модуль пробоотбора взвеси частиц, содержащий цилиндрическую кювету из оптически прозрачного материала, например, стекла, для размещения образца рабочей жидкости, лазерный излучатель с длинной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или лазерного допплеровского анемометра, шесть и более фотоприемников, установленных вокруг цилиндрической кюветы в плоскости, проходящей через ось лазерного излучателя и перпендикулярной оси кюветы, под углом А₂ относительно друг друга, при этом крайняя фотокамера установлена под углом А₂ относительно оси лазерного излучателя, причем угол А₂ выбирают таким образом, чтобы обеспечить измерение интенсивности излучения в диапазоне от 0° до 180°.According to a utility model, a device for non-contact optical and laser diagnostics of unsteady hydraulic flows, based on the joint use of LDA and PIV and including a laser Doppler anemometer with an optical probe, a processor for processing Doppler signals, two CCD cameras mounted at an angle to each other and symmetrically relative to the "laser knife" , two optical prisms filled with water, an image processing processor, a personal computer, additionally includes a correction module for sampling particle suspensions, soda holding a cylindrical cuvette made of an optically transparent material, such as glass, for placing a sample of the working fluid, a laser emitter with a long wavelength corresponding to the wavelength of the "laser knife" or laser Doppler anemometer, six or more photodetectors installed around the cylindrical cuvette in a plane passing through the axis of the laser emitter and perpendicular to the axis of the cell, at an angle A ₂ relative to each other, while the extreme camera is installed at an angle A ₂ relative to the axis of the laser emitter, p Therefore, the angle A _{2 is} chosen so as to provide a measurement of the radiation intensity in the range from 0 ° to 180 °.

На фиг.1 схематически показано изображение устройства бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарного гидропотока.Figure 1 schematically shows a device for non-contact optical-laser diagnostics of unsteady flow.

На фиг.2 схематически показан корректирующий модуль пробоотбора взвеси калибровочных частиц.Figure 2 schematically shows a correction module for sampling the suspension of calibration particles.

Где: 1 - исследуемое течение; 2 - CCD камеры; 3 - процессор обработки изображений; 4 - персональный компьютер; 5 - лазерный доплеровский анемометр (ЛДА) с оптическим зондом; 6 - процессор обработки доплеровских сигналов; 7 - корректирующий модуль пробоотбора взвеси калибровочных частиц.; 8 - оптические призмы, заполненные водой; 9 световое сечение - «лазерный нож»; 10 - стеклянная цилиндрическая кювета; 11 - лазерный излучатель; 12 - фотоприемники, регистрирующие рассеянное излучение; A₁ - угол между CCD камерами; А₂ - угол расположения фотоприемников относительно друг друга.Where: 1 - investigated course; 2 - CCD cameras; 3 - image processing processor; 4 - personal computer; 5 - laser Doppler anemometer (LDA) with an optical probe; 6 - processor for processing Doppler signals; 7 - correction module for sampling suspension of calibration particles .; 8 - optical prisms filled with water; 9 light section - “laser knife”; 10 - a glass cylindrical cell; 11 - a laser emitter; 12 - photodetectors detecting scattered radiation; A ₁ - the angle between the CCD cameras; And ₂ - the angle of the photodetectors relative to each other.

В устройстве объединены два измерительных комплекса LDA и PIV. Устройство оптико-лазерной диагностики нестационарных гидропотоков 1 включает две CCD камеры 2, установленные под углом A₁ друг к другу, две оптические призмы 8, процессор обработки изображений 3 для синхронизации осветительной системы, формирующей «лазерный нож» 9, и CCD камер, лазерный доплеровский анемометр с оптическим зондом 5, процессор обработки доплеровских сигналов 6, преобразующий электрический сигнал от зонда в информацию о пульсациях скорости, и модуль пробоотбора 7 для контроля интенсивности излучения.The device combines two measuring complexes LDA and PIV. The device for optical-laser diagnostics of unsteady hydraulic flows 1 includes two CCD cameras 2 installed at an angle A _{1 to} each other, two optical prisms 8, an image processor 3 for synchronizing the lighting system forming the “laser knife” 9, and CCD cameras, laser Doppler an anemometer with an optical probe 5, a processor for processing Doppler signals 6, converting the electrical signal from the probe into information about the velocity pulsations, and a sampling module 7 for monitoring the radiation intensity.

Корректирующий модуль пробоотбора 7 включает цилиндрическую кювету 10 из оптически прозрачного материала, например, стекла, предназначенную для размещения образца (пробы) рабочей жидкости, лазерный излучатель 11 с длинной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или ЛДА, шесть и более фотоприемников 12, расположенных вокруг цилиндрической кюветы 10 под углом А₂ относительно друг друга, причем крайняя фотокамера установлена под углом А₂ относительно оси лазерного излучателя. Угол А₂ выбирают таким образом, чтобы обеспечить измерение интенсивности излучения в диапазоне от 0° до 180°. Полученную в результате измерений информацию накапливают и обрабатывают с помощью специального программного обеспечения в персональном компьютере 4.The sampling correction module 7 includes a cylindrical cell 10 made of an optically transparent material, for example glass, designed to hold a working fluid sample (s), a laser emitter 11 with a long wavelength corresponding to the wavelength of the “laser knife” or LDA, six or more photodetectors 12, located around the cylindrical cell 10 at an angle A ₂ relative to each other, and the extreme camera is installed at an angle A ₂ relative to the axis of the laser emitter. The angle A _{2 is} chosen so as to provide a measurement of the radiation intensity in the range from 0 ° to 180 °. The information obtained as a result of measurements is accumulated and processed using special software in a personal computer 4.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Настационарный вихревой поток засеивают светоотражающими частицами, либо используют естественные светорассеиватели, присутствующие в потоке.The stationary vortex flow is seeded with reflective particles, or use natural diffusers present in the stream.

Перед началом исследования образец рабочей жидкости из области измерения течения 1 помещают в кювету 10 корректирующего модуля пробоотбора и освещают лазерным излучателем 11. Распределения интенсивности рассеянного лазерного излучения взвеси засеивающих частиц регистрируют фотоприемниками 12, расположенными вокруг кюветы 10 под углом Аз относительно друг друга. Данные записывают в течение непродолжительного времени, составляющего 30-60 секунд, а затем определяют среднее значение интенсивности для каждого углового приемного канала. Таким образом, угол размещения камер A₁ определяют с учетом рассеивающих свойств гидропотока для обеспечения максимального по интенсивности регистрируемого сигнала.Before starting the study, a sample of the working fluid from the flow measurement area 1 is placed in the cell 10 of the correction module for sampling and illuminated with a laser emitter 11. The distribution of the intensity of the scattered laser radiation of the suspension of sowing particles is recorded by photodetectors 12 located around the cell 10 at an angle Az relative to each other. Data is recorded for a short time of 30-60 seconds, and then determine the average value of the intensity for each angular receiving channel. Thus, the angle of the cameras A ₁ is determined taking into account the scattering properties of the hydroflow to ensure the maximum intensity of the recorded signal.

CCD камеры 2 устанавливают под углом A₁ друг к другу и симметрично относительно «лазерного ножа» 9. Расположение камер под углом к световому сечению, позволяет использовать узел независимой регулировки приемного объектива и регистрирующей изображение ПЗС матрицы камеры для того, чтобы обеспечить фокусировку всей области светового сечения на плоскости ПЗС матрицы. Оптические призмы, заполненные водой и установленные между камерой и стенкой канала, позволяют уменьшить искажения, что обеспечивает параллельность плоскости матрицы камеры и границы раздела сред воздух-стекло-вода или воздух-стекло-воздух. Геометрия оптических призм рассчитывается в зависимости от углов установки камер. Для измерения локального распределения среднего значения и флуктуации компонент скорости во времени используют лазерный доплеровский анемометр с оптическим зондом 5. ЛДА с оптическим зондом 5 преобразует флуктуации интенсивности регистрируемого светового потока в электрический сигнал, который поступает в процессор обработки доплеровских сигналов 6, где преобразуется в информацию о пульсациях скорости.CCD cameras 2 are installed at an angle A _{1 to} each other and symmetrically with respect to the "laser knife" 9. The location of the cameras at an angle to the light section allows the use of an independent adjustment unit for the receiving lens and the image-recording CCD of the camera matrix in order to focus the entire area of the light sections on the plane of the CCD matrix. Optical prisms filled with water and installed between the camera and the channel wall can reduce distortion, which ensures parallelism of the plane of the camera matrix and the interface between air-glass-water or air-glass-air. The geometry of the optical prisms is calculated depending on the angles of the cameras. To measure the local distribution of the average value and fluctuations of the velocity components in time, a laser Doppler anemometer with an optical probe 5 is used. An LDA with an optical probe 5 converts the fluctuations in the intensity of the recorded light flux into an electrical signal, which is transmitted to the Doppler signal processing processor 6, where it is converted into information about ripples of speed.

Исследуемое нестационарное течение 1 освещают когерентным лазерным светом - "лазерным ножом" 9. Изображения засеянных частиц в потоке записывают двумя CCD камерами 2.The investigated unsteady flow 1 is illuminated with coherent laser light - a “laser knife" 9. Images of the seeded particles in the stream are recorded with two CCD cameras 2.

В ходе длительного эксперимента, более 3-х часов, в результате покрытия засеивающих частиц пленками и колониями биологических микроорганизмов, что ведет к изменению диаграммы интенсивности рассеянного частицами излучения, уменьшается число регистрируемых событий (методами LDA и PIV) и ухудшается частотное разрешение характеристик регистрируемого нестационарного потока.During a long experiment, more than 3 hours, as a result of coating the sieving particles with films and colonies of biological microorganisms, which leads to a change in the intensity diagram of the radiation scattered by the particles, the number of recorded events decreases (by the LDA and PIV methods) and the frequency resolution of the characteristics of the recorded unsteady flow decreases .

При уменьшении регистрируемых событий, либо через каждые 3 часа берут пробу из области измерения и помещают в кювету 10 корректирующего модуля пробоотбора. С помощью корректирующего модуля пробоотбора 7 осуществляют анализ пространственных характеристик рассеянного излучения и изменения светорассеивающих характеристик взвеси засеивающих гидропоток частиц и вносят корректировки по уровню чувствительности регистрирующих изображение CCD камер.With a decrease in recorded events, or every 3 hours, a sample is taken from the measurement area and placed in the cell 10 of the correction module of the sampling. Using the sampling correction module 7, an analysis is made of the spatial characteristics of the scattered radiation and changes in the light-scattering characteristics of the suspension of the particles sifting the hydroflow and adjustments are made according to the sensitivity level of the image-recording CCD cameras.

За счет внесения корректировок меняют пороговый уровень обнаружения сигнала и, таким образом, обеспечивают стабильно большое количество регистрируемых частиц в течение длительного времени, что позволяет эффективно использовать измерительное оборудование и проводить измерения с учетом изменения оптических свойств исследуемой среды.By making adjustments, the threshold level of signal detection is changed and, thus, a stably large number of detected particles is provided over a long period of time, which makes it possible to efficiently use measuring equipment and take measurements taking into account changes in the optical properties of the medium under study.

Полученную информацию накапливают и обрабатывают в персональном компьютере 4 с помощью специального программного обеспечения.The obtained information is accumulated and processed in a personal computer 4 using special software.

Использование двух оптических измерительных систем: LDA и PIV совместно с корректирующим модулем пробоотбора позволяет эффективно проводить диагностику нестационарных режимов вихревых течений и тем самым эффективно использовать измерительное оборудование.The use of two optical measuring systems: LDA and PIV, together with a correction module for sampling, allows one to efficiently diagnose unsteady vortex flow regimes and thereby use measuring equipment effectively.

Обоснование промышленной применимости.Justification of industrial applicability.

Были проведены исследования на модельном течении. Течение создавалось с помощью вращающейся крышки в замкнутом цилиндрическом контейнере. Поток засеивался частицами PSP (50 мкм) фирмы DANTEC (Дания). Для диагностики течения использовалось измерительное оборудование фирмы Dantec. В качестве осветителя для формирования «лазерного ножа» применялся Nd: YAG импульсный лазер с характеристикам: 120 мДж энергии в импульсе, длина волны 532 нм, частота срабатывания 16 Гц. Регистрация изображения производилась на две CCD камеры Dantec HiSense II с разрешением 1344×1024 пикселов, которые устанавливались под разными углами друг к другу. Использовалось программное обеспечение PIV - Dantec Dynamic Studio Version 2.21.Studies were conducted on a model course. The flow was created using a rotating cover in a closed cylindrical container. The flow was seeded with PSP particles (50 μm) from DANTEC (Denmark). To diagnose the flow, Dantec measuring equipment was used. An Nd: YAG pulsed laser with characteristics: 120 mJ of energy per pulse, wavelength 532 nm, and a response frequency of 16 Hz was used as a illuminator for the formation of a “laser knife”. Image registration was carried out on two Dantec HiSense II CCD cameras with a resolution of 1344 × 1024 pixels, which were installed at different angles to each other. Used software PIV - Dantec Dynamic Studio Version 2.21.

После 12 часов эксперимента интенсивность рассеянного излучения уменьшилась на 20%, что привело к уменьшению регистрируемых событий с 300 частиц в секунду до 100, что в свою очередь привело к уменьшению частотных характеристик регистрируемого нестационарного потока. Регулировка порогового детектора полезного сигнала по измеренной интенсивности фотоприемников корректирующим модулем пробоотбора позволила увеличить количество регистрируемых частиц до первоначального значения, 300 частиц в секунду.After 12 hours of the experiment, the intensity of the scattered radiation decreased by 20%, which led to a decrease in the recorded events from 300 particles per second to 100, which in turn led to a decrease in the frequency characteristics of the recorded unsteady flow. Adjusting the threshold detector of the useful signal according to the measured intensity of the photodetectors by the correction module of the sampling allowed increasing the number of registered particles to the initial value, 300 particles per second.

Проведенные исследования показали, что использование двух оптических измерительных систем: LDA и PIV, совместно с корректирующим модулем пробоотбора, позволяет не только эффективно диагностировать мгновенную структуру трехмерного поля скорости, но и проводить измерения нестационарных характеристик потока с учетом изменения диаграммы рассеивания и чувствительности приемного оборудования.The studies showed that the use of two optical measuring systems: LDA and PIV, together with a correction module for sampling, allows not only to effectively diagnose the instantaneous structure of the three-dimensional velocity field, but also to measure the unsteady flow characteristics taking into account changes in the scattering pattern and sensitivity of the receiving equipment.

Claims

A device for non-contact optical-laser diagnostics of non-stationary modes of vortex flows based on the combined use of laser Doppler anemometry (LDA) and digital tracer imaging (PIV), including a laser Doppler anemometer with an optical probe, a processor for processing Doppler signals, two CCD cameras, two optical prisms, filled with water, an image processing processor, a personal computer, characterized in that the device further includes a correction module for suspension sampling astits containing a cylindrical cell made of an optically transparent material, such as glass, for placing a sample of the working fluid, a laser emitter with a wavelength corresponding to the wavelength of the “laser knife” or laser Doppler anemometer, six or more photodetectors installed around the cylindrical cell in the plane passing through the axis of the laser emitter and perpendicular to the axis of the cell, at an angle A ₂ relative to each other, while the extreme photodetector is installed at an angle A ₂ relative to the axis of the laser the teacher, and the angle A _{2 is} selected from the conditions for providing measurements of radiation intensity in the range from 0 ° to 180 °.