RU2060504C1

RU2060504C1 - Fiber-optic heat-loss anemometer

Info

Publication number: RU2060504C1
Application number: RU93038237A
Authority: RU
Inventors: Ю.Н. Власов; В.К. Маслов; С.В. Сильвестров
Priority date: 1993-07-26
Filing date: 1993-07-26
Publication date: 1996-05-20

Abstract

FIELD: measurement technology; measurement of velocities in liquid currents in presence of hydroacoustic and hydrophysic interferences encountered, in particular, in oceans and seas. SUBSTANCE: fiber interferometer with heat-sensing element in its working side is built up of two fibers (working and reference ones). Heat-sensing element is heated by radiation heater through wavelength other than that of coherent light source of interferometer. Radiation heater rays are absorbed by heat-sensing element which raises its temperature, and radiation is filtered off by means of special optical filter mounted upstream of interferometer photodetector. Since working and reference fibers are placed in liquid current, fiber-optic flowmeter is very sensitive to current speed pulsations and also is immune to hydrophysical interference. Pulsatory interferences (including hydroacoustic ones) are eliminated by random folding of working and reference fibers into single coil. In this case, heat-sensing element is mounted on outer turn of coil and is heat-insulated from it. EFFECT: improved sensitivity to current flow speed, improved immunity to hydrophysical and hydroacoustic interferences. 5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений переменных скоростей в потоках жидкостей в условиях гидроакустических и гидрофизических помех, в частности в океанах и морях. The invention relates to measuring technique and can be used to measure variable speeds in fluid flows under conditions of hydroacoustic and hydrophysical interference, in particular in the oceans and seas.

Известен оптико-волокнистый термоанемометр (ОВТ), содержащий термочувствительный элемент (ТЧЭ) с виде фосфоросцентной таблетки, установленной на конце волоконного световода, радиационный нагреватель и источник возбуждающего света, оптически согласованные через волоконный световод с термочувствительным элементом и фотоприемником [1]
Недостатком известного аналога являются погрешности измерений скорости, вызванные влиянием температуры жидкой среды на яркость свечения термочувствительного элемента термоанемометра и влияние на результаты измерений различных амплитудных факторов: изменений интенсивности возбуждающего фосфоресценцию света, прозрачности волокна, чувствительности фотоприемника и т. п.Known fiber-optic hot-wire anemometer (OVT) containing a thermosensitive element (TFE) with the form of a phosphorus-phosphate tablet mounted on the end of a fiber, a radiation heater and a source of exciting light, optically matched through a fiber with a heat-sensitive element and a photodetector [1]
A disadvantage of the known analogue is the velocity measurement errors caused by the influence of the temperature of the liquid medium on the brightness of the heat-sensitive element of the hot-wire anemometer and the influence on the measurement results of various amplitude factors: changes in the intensity of phosphorescence exciting light, fiber transparency, photodetector sensitivity, etc.

Наиболее близким по технической сущности является ОВТ, содержащий рабочее волокно в ТЧЭ, опорное волокно и оптически согласованные с ними радиационный нагреватель ТЧЭ, источник света и фотоприемник, а также усилитель, блок опорных напряжений, компаратор и регистратор, при этом выход фотоприемника через усилитель подключен к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с блоком опорных напряжений, а выход с управляемым входом радиационного нагревателя и регистратором [2]
Недостатком прототипа является его низкая чувствительность к пульсации скорости потока и влияние на результаты измерений гидроакустических факторов в виде гидроакустического шума и гидрофизических факторов в виде пульсаций скоростного напора, а также амплитудных факторов.The closest in technical essence is an OVT containing a working fiber in a TEC, a reference fiber and a TEC radiation heater optically matched with them, a light source and a photodetector, as well as an amplifier, a reference voltage unit, a comparator and a registrar, while the output of the photodetector through the amplifier is connected to the first input of the comparator, the second input of which is connected to the reference voltage unit, and the output with the controlled input of the radiation heater and the recorder [2]
The disadvantage of the prototype is its low sensitivity to pulsation of the flow rate and the influence on the measurement results of hydroacoustic factors in the form of hydroacoustic noise and hydrophysical factors in the form of pulsations of the pressure head, as well as amplitude factors.

Причиной первого недостатка прототипа является то, что в известном ОВТ радиационный нагреватель в отличие от [1] совмещен с источником света, т. е. один и тот же источник нагревает ТЧЭ и освещает его для снятия информации о его прозрачности, связанной с температурой световода. The reason for the first disadvantage of the prototype is that in the well-known OVT, a radiation heater, in contrast to [1], is combined with a light source, that is, the same source heats a TEC and illuminates it to remove information about its transparency related to the temperature of the fiber.

При этом ТЧЭ с одной стороны должен в достаточной степени поглощать свет, чтобы повысить свою температуру над окружающим фоном, а с другой стороны, напротив должен обладать достаточной прозрачностью, чтобы на фотоприемник проходил достаточно интенсивный световой сигнал для регистрации информации. Данное противоречие не позволяет повысить чувствительность известного ОВТ до требуемой величины. At the same time, the TFE, on the one hand, should sufficiently absorb light in order to increase its temperature above the surrounding background, and, on the other hand, should have sufficient transparency so that a sufficiently intense light signal passes to the photodetector to record information. This contradiction does not allow to increase the sensitivity of the known OVT to the required value.

Причиной второго недостатка прототипа является амплитудный характер регистрации информации об измеряемом параметре. По существу в прототипе регистрируется количество проходящего через рабочее волокно с ТЧЭ света, а оно зависит от интенсивности источника света, чувствительности фотоприемника и т. п. Кроме того, поскольку рабочее и опорное волокна разнесены в пространстве, на ОВТ будут влиять градиенты звукового давления и градиенты пульсаций скоростного напора, воздействующие неодинаково на различные волокна и их части. The reason for the second disadvantage of the prototype is the amplitude nature of the registration of information about the measured parameter. Essentially, in the prototype, the amount of light passing through the working fiber with TEC is recorded, and it depends on the intensity of the light source, the sensitivity of the photodetector, etc. In addition, since the working and reference fibers are separated in space, the sound pressure gradients and gradients will affect the OBT pulsations of pressure head, acting differently on different fibers and their parts.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, выражается в повышении чувствительности ОВТ и устранении влияния на результаты измерений гидроакустических и гидрофизических факторов. The technical result that can be obtained by carrying out the invention is expressed in increasing the sensitivity of OBE and eliminating the influence on the measurement results of hydroacoustic and hydrophysical factors.

Указанный технический результат получается за счет того, что в известном ОВТ, содержащем рабочее волокно с ТЧЭ, опорное волокно и оптически согласованные с ними радиационный нагреватель ТСЭ, источник света и фотоприемник, а также усилитель, блок опорных напряжений, компаратор и регистратор, при этом выход фотоприемника через усилитель подключен к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с блоком опорных напряжений, а выход с управляемым входом радиационного нагревателя и регистратором, рабочее и опорное волокна оптически соединены в интерферометр, а источник света выполнен автономным, когерентным и на другую длину волны по отношению к радиационному нагревателю, при этом перед фотоприемником установлен поглощающий фильтр на длину волны радиационного нагревателя. The specified technical result is obtained due to the fact that in the well-known OVT containing a working fiber with TEC, a reference fiber and a TEC radiation heater optically matched with them, a light source and a photodetector, as well as an amplifier, a reference voltage unit, a comparator and a recorder, while the output the photodetector is connected through an amplifier to the first input of the comparator, the second input of which is connected to the reference voltage unit, and the output with the controlled input of the radiation heater and the recorder, the working and reference fibers of the optical and connected to an interferometer, and the light source is autonomous, coherent and at a different wavelength with respect to the radiation heater, while an absorption filter is installed in front of the photodetector at the wavelength of the radiation heater.

В частном случае, рабочее и опорное волокна могут быть изготовлены из кварцевого световода, а ТЧЭ рабочего волокна из полимерного световода, при этом когерентный источник света выполнен на длину волны, лежащую в диапазоне 0,6-0,8 мм и 1-1,6 мкм, а радиационный излучатель на длину волны 0,9-0,95 мкм. In the particular case, the working and reference fibers can be made of a quartz fiber, and the TCE of the working fiber is made of a polymer fiber, while the coherent light source is made at a wavelength lying in the range of 0.6-0.8 mm and 1-1.6 microns, and a radiation emitter at a wavelength of 0.9-0.95 microns.

При этом в рабочем или опорном волокне может быть установлено фазосдвигающее устройство. In this case, a phase-shifting device can be installed in the working or support fiber.

Рабочее и опорные волокна свертываются соответственно в виде рабочей и опорной катушек, расположенных друг за другом на цилиндрической диэлектрической подложке-державке, причем опорная катушка располагается ближе к носовой части подложки-державки, а рабочая полностью пространственно совмещена с ТЧЭ. The working and supporting fibers are coiled, respectively, in the form of working and supporting coils located one after the other on a cylindrical dielectric holder substrate, the supporting coil being located closer to the nose of the holder substrate, and the working one is fully spatially aligned with TEC.

В другом варианте ОВТ рабочее и опорное волокна свернуты случайным образом в виде опорной катушки, причем ТЧЭ рабочего волокна установлен на наружном витке катушки и теплоизолирован от нее. In another embodiment, the OVT of the working and support fibers are randomly folded in the form of a support coil, and the TFE of the working fiber is installed on the outer coil of the coil and insulated from it.

На фиг. 1 представлена принципиальная оптико-электронная схема ОВТ; на фиг. 2 монтажная схема датчика ОВТ; на фиг. 3 диаграмма, поясняющая принцип работы ОВТ. In FIG. 1 shows a schematic optical-electronic circuit of an OVT; in FIG. 2 mounting diagram of the OVT sensor; in FIG. 3 diagram explaining the operating principle of OVT.

Оптико-волоконный термоанемометр содержит рабочее волокно 1 с термочувствительным элементом 2, опорное волокно 3 и оптически согласованный с ними радиационный излучатель 4, выполненный, например в виде инфракрасного лазера или любого другого некогерентного источника излучения. An optical fiber hot-wire anemometer contains a working fiber 1 with a heat-sensitive element 2, a reference fiber 3 and a radiation emitter 4 optically matched with them, made, for example, in the form of an infrared laser or any other incoherent radiation source.

Имеется также когерентный источник света 5 и фотоприемник 6, выполненный, например, соответственно в виде лазерного диода и фотодиода, и оптически связанные через вводное 7 и выводное 8 оптические устройства и полупрозрачное зеркало 9 с рабочим и опорным волокнами. Оптико-электронные элементы 1-3, 5-8 образуют оптико-волоконный интерферометр, в одном из плеч которого, например в рабочем волокне 1, может быть установлено фазосдвигающее устройство 10, а перед фотоприемником 6 установлен поглощающий фильтр 11 на длину волны радиационного нагревателя 4. There is also a coherent light source 5 and a photodetector 6, made, for example, in the form of a laser diode and a photodiode, respectively, and optically connected through input 7 and output 8 optical devices and a translucent mirror 9 with working and reference fibers. The optoelectronic elements 1-3, 5-8 form an optical fiber interferometer, in one of the arms of which, for example, in the working fiber 1, a phase-shifting device 10 can be installed, and an absorption filter 11 is installed in front of the photodetector 6 at the wavelength of the radiation heater 4 .

Блоки электронной аппаратуры ОВТ содержат усилитель 12, блок 13 опорных напряжений, компаратор 14, регистратор 15 и блок 16 управления нагревателем 4 ТЧЭ 2. Blocks of electronic equipment OVT contain an amplifier 12, a block 13 of the reference voltage, a comparator 14, a recorder 15 and a block 16 for controlling the heater 4 TCHE 2.

Для обеспечения выполнения функций нагревателя ТЧЭ радиационный излучатель 4 должен быть выполнен на длину волны, при которй излучение радиационного нагревателя значительным образом поглощается с ТЧЭ, но при этом проходит практически без поглощения через рабочее (а значит и опорное) волокно. To ensure that the TEC heater functions, the radiation emitter 4 must be performed at a wavelength at which the radiation of the radiation heater is significantly absorbed from the TEC, but at the same time passes almost without absorption through the working (and hence the reference) fiber.

С другой стороны, когерентное излучение источника света 5 должно практически без поглощения проходить как волокна 1, 3, так и ТЧЭ 2. Для этого рабочее и опорное волокна изготовляют из кварцевого световода, которые в диапазоне 0,6-1,6 мкм имеют потери всего 0,2 дБ/км, а ТЧЭ изготавливают из полимерного световода, имеющего в диапазоне 0,9-0,95 мкм потери до 1000 дБ/км. Поскольку источник света и радиационный нагреватель выполнены на различные длины волн, то диапазон 0,9-0,95 мкм исключается из частотного диапазона работы источника света. On the other hand, the coherent radiation of the light source 5 must pass through fibers 1, 3 and TCE 2 practically without absorption. For this, the working and reference fibers are made of a quartz fiber, which in the range 0.6–1.6 μm has a total loss of 0.2 dB / km, and the TEC is made of a polymer fiber having a loss in the range of 0.9-0.95 μm up to 1000 dB / km. Since the light source and the radiation heater are made at different wavelengths, the range of 0.9-0.95 μm is excluded from the frequency range of the light source.

Конструктивно ОВТ может быть выполнен по двум вариантам. Выполнение первого варианта представлено на фиг. 2. Structurally, OVT can be performed in two ways. The first embodiment is shown in FIG. 2.

Рабочее и опорное волокна согласно данного варианта выполнения свертываются в виде двух катушек, расположенных друг за другом на диэлектрической цилиндрической подложке-державке 17. При этом опорная катушка 3 расположена ближе к носовой части 18 подложки-державки 17, а рабочая катушка 1 полностью пространственно совмещена с ТЧЭ, т. е. например, полностью выполнена из полимерного световода. Фазосдвигающее устройство 10 можно выполнить в виде пьезошайбы, на которую намотана часть волокна и которая расположена внутри доложки-державки 17. The working and support fibers according to this embodiment are folded in the form of two coils located one after another on a dielectric cylindrical support substrate 17. In this case, the support coil 3 is located closer to the nose portion 18 of the support holder 17, and the working coil 1 is fully spatially aligned with TCE, i.e., for example, is completely made of a polymer fiber. The phase shifting device 10 can be made in the form of a piezo washer, on which part of the fiber is wound and which is located inside the holder-holder 17.

Данный вариант выполнения позволяет обеспечить наиболее высокую чувствительность ОВТ, при этом тепловой след ТЧЭ в потоке не будет влиять на опорное волокно. This embodiment allows to provide the highest sensitivity of the OVT, while the thermal trace of the TFE in the stream will not affect the reference fiber.

Другой вариант ОВТ (на чертеже не показан) выполняется в виде одной катушки, в которую случайным образом свернуты и рабочее и опорное волокна, причем ТЧЭ рабочего волокна установлен на одном из наружных витков катушки и термоизолирован от нее. Another OVT option (not shown in the drawing) is made in the form of a single coil into which both the working and supporting fibers are randomly folded, and the HFE of the working fiber is installed on one of the outer turns of the coil and thermally insulated from it.

Второй вариант выполнения позволяет исключить влияние на результаты измерений градиентов звукового давления и градиентов скоростного напора. The second embodiment allows to exclude the influence on the measurement results of the gradients of sound pressure and gradients of pressure head.

ОВТ работает следующим образом. OBT works as follows.

Подложку-державку 17 устанавливают носовой частью 18 к набегающему потоку со скоростью V (фиг. 2). Устанавливают на блоке 13 опорных напряжений сигнал, обеспечивающий заданную чувствительность термоанемометра, при которой блок 16 управления формирует соответствующее напряжение, достаточное для нагрева ТЧЭ 2 радиационным нагревателем 4. При этом рабочая точка на выходной кривой 19 интерференционного ОВТ должна занимать положение А, Б, В и т. д. (фиг. 3), т. е. точку наибольшей крутизны и линейности выходной кривой 19. Если по какой-то причине достичь затруднительно, то на фазосдвигающее устройство 10 подают сигнал (блок питания устройства 10 не показан), позволяющий сдвинуть рабочую точку на выходной кривой 19 в нужное положение. The support holder 17 is installed by the nose 18 to the incoming flow at a speed V (Fig. 2). A signal is set on the block 13 of the reference voltages, which ensures the specified sensitivity of the hot-wire anemometer, at which the control unit 16 generates the corresponding voltage sufficient to heat the TEC 2 by the radiation heater 4. In this case, the operating point on the output curve 19 of the interference OVT should occupy position A, B, C etc. (Fig. 3), that is, the point of greatest steepness and linearity of the output curve 19. If for some reason it is difficult to achieve, a signal is sent to the phase shifting device 10 (the power supply unit of the device 10 is not kettle), which allows to move the operating point of the output curve 19 in the desired position.

Перегретый относительно окружающего потока ТЧЭ 2 будет охлаждаться набегающей жидкой средой, при этом температура последнего будет изменяться в соответствии со скоростью потока. Это приведет к фазовой модуляции несущей частоты когерентного источника 5 света, которая с помощью интерферометра преобразуется в амплитудную модуляцию. Overheated relative to the surrounding stream, the TCE 2 will be cooled by the oncoming liquid medium, while the temperature of the latter will change in accordance with the flow rate. This will lead to phase modulation of the carrier frequency of the coherent light source 5, which with the help of an interferometer is converted into amplitude modulation.

Например, если входной сигнал имеет форму 20 (фиг. 3), но он преобразуется с помощью интерферометра в сигнал 21 фототока. Излучение от радиационного нагревателя 4 при этом задерживается оптическим фильтром 11, установленным перед фотоприемником 6. For example, if the input signal has the form 20 (Fig. 3), but it is converted using an interferometer into the signal 21 of the photocurrent. The radiation from the radiation heater 4 is then delayed by an optical filter 11 installed in front of the photodetector 6.

Выходной сигнал 21 фотоприемника 6 после усиления усилителем 12 поступает на один из входов компаратора 14, в котором сравнивается с опорным напряжением, задаваемым блоком 13 опорных напряжений. Выходной сигнал компаратора является одновременно информативным сигналом ОВТ и управляющим сигналом для блока 16 управления нагревателем 4. Поэтому этот сигнал регистрируется регистратором 15 и подается на управляющий вход блока 16, который так изменяет интенсивность излучения нагревателя 4, чтобы температура ТЧЭ 2 установилась прежней и смещенная выходной кривой 19 рабочая точка (например, точка А) сместилась на прежнее место. The output signal 21 of the photodetector 6 after amplification by the amplifier 12 is supplied to one of the inputs of the comparator 14, in which it is compared with the reference voltage specified by the block 13 of the reference voltage. The output signal of the comparator is simultaneously an informative OBT signal and a control signal for the heater control unit 16. Therefore, this signal is recorded by the recorder 15 and fed to the control input of the unit 16, which changes the radiation intensity of the heater 4 so that the temperature of the solid-state element 2 remains the same and shifted by the output curve 19, the operating point (for example, point A) has shifted to its former place.

Таким образом, в заявленном устройстве реализуется термоанемометр постоянной температуры. Все дестабилизирующие гидрофизические факторы (средняя температура, гидростатическое давление, давление скоростного напора, соленость и т. п. ) не оказывают влияния на показания ОВТ, поскольку рабочее и опорное волокна интерферометра расположены в среде и испытывают одинаковое воздействие этих помех. Thus, the claimed device implements a hot-wire anemometer of constant temperature. All destabilizing hydrophysical factors (average temperature, hydrostatic pressure, pressure of the pressure head, salinity, etc.) do not affect the readings of the OVT, since the working and reference fibers of the interferometer are located in the medium and experience the same effect of these interferences.

Помехи пульсационного харатера могут воздействовать на рабочее и опорное волокна в различное время. В связи с чем рабочую и опорную волоконные катушки следует располагать как можно ближе друг к другу (первый вариант ОВТ) или их свертывать случайным образом в одну катушку (второй вариант ОВТ). The interference of a pulsating harater can affect the working and supporting fibers at different times. In this connection, the working and supporting fiber coils should be located as close to each other as possible (the first version of the OVT) or they should be randomly rolled into one coil (the second version of the OVT).

В любом из вариантов достигается технический результат, выражаемый в повышении чувствительности термоанемометра. In any of the options, a technical result is achieved, expressed in increasing the sensitivity of the hot-wire anemometer.

Claims

1. An optical fiber hot-wire anemometer containing a working fiber with a thermosensitive element, a reference fiber and a radiation heater of the thermosensitive element optically matched with them, a light source and a photodetector, as well as an amplifier, a reference voltage unit, a comparator and a recorder, while the output of the photodetector through an amplifier is connected to the first input of the comparator, the second input of which is connected to the reference voltage unit, and the output with a controlled input of the radiation heater and a recorder, characterized in that working and reference fibers optically connected to the interferometer, and the light source is made autonomous, coherent and different wavelength with respect to the radiation heater, the front photodetector is installed on an absorbent filter length radiative heater wave.

2. The hot-wire anemometer according to claim 1, characterized in that the working and reference fibers are made of a quartz fiber, and the heat-sensitive element of the working fiber is made of a polymer fiber, while the coherent light source is made at a wavelength in the ranges of 0.6 to 0.8; 1.0 1.6 microns, and a radiation emitter at a wavelength in the range of 0.9 0.95 microns.

3. The hot-wire anemometer according to claim 1, characterized in that a phase-shifting device is installed in the working or supporting fibers.

4. The hot-wire anemometer according to claim 1, characterized in that the working and supporting fibers are folded respectively in the form of working and supporting coils located one after the other on a cylindrical dielectric holder substrate, the supporting coil being located closer to the nose of the holder substrate, and the working one fully spatially combined with a heat-sensitive element.

5. The hot-wire anemometer according to claim 1, characterized in that the working and supporting fibers are randomly folded in the form of a single coil, and the heat-sensitive element of the working fiber is installed on the outer coil of the coil and is insulated from it.