Измерительная система для исследования течений жидкости или газа

Изобретение относится к оптическим системам для измерения полей скорости плоских течений жидкостей или газов, использующим способ визуализации. Система может быть использована в гидро- и аэродинамике, океанологии, химической промышленности, в научных исследованиях, связанных с необходимостью бесконтактного контроля движения сплошных сред.

Разработанная система обеспечивает более безопасный режим работы, имеет простую конструкцию, сохраняя при этом возможность исследовать двумерные течения жидкостей или газов в достаточном динамическом диапазоне измерения скорости. Указанный технический результат достигается за счет того, что в системе, содержащей источник излучения, формирователь светового «ножа», блок регистрации изображений исследуемого течения и соединенный с ним блок анализа и обработки полученных данных, источник излучения выполнен в виде твердотельного лазера с диодной накачкой непрерывного излучения, а блок регистрации полученных изображений выполнен в виде высокоскоростной цифровой камеры.

1 н.п. ф-лы, 2 зав.п. ф-лы, 2 илл.

Изобретение относится к оптическим цифровым устройствам для исследования течений сплошных сред, а именно для измерения полей скорости плоских течений жидкостей или газов. Может быть использовано в гидро- и аэродинамике, океанологии, химической промышленности, в научных исследованиях, связанных с необходимостью бесконтактного контроля движения сплошных сред.

Под полем скорости понимается совокупность значений скорости движения в каждой точке ограниченного объема сплошной среды в определенные моменты времени. Одним из наиболее распространенных и современных методов, используемых для измерения мгновенного поля скорости потока, является метод Particle Image Velocimetry (PIV), который можно перевести как Измерение Скорости по Изображениям Частиц (см. Adrian R.J.Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics // Annu.Rev.Fluid Mech. 1991. V.23. P.261; Raffel M., Willert C., and Kompenhans J., Particle Image Velocimetry - a practical guide. Springer-Verlag, Berlin. 1998. 348 p.). Основные принципы этого метода заключаются в следующем: в исследуемое течение добавляются частицы-маркеры, источник излучения генерирует световой луч, из которого формируется световой «нож» и подсвечивает исследуемое течение, а полученные последовательные изображения частиц снимаются на одну или две цифровые видеокамеры. Для получения объемного (трехмерного) векторного поля скорости течения необходимо две камеры, для получения поверхностного (двумерного) векторного поля скорости течения достаточно одной камеры. Полученные последовательные во времени изображения течения в плоскости подсветки подвергают кросскорреляционной обработке и находят поле скорости в узлах заданной координатной сетки.

Наиболее распространенный тип устройств (Adrian R.J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics //Annu. Rev. Fluid Mech. 1991. V.23. P.277-278) содержит последовательно расположенные источник излучения для подсветки течений, формирователь светового «ножа» в виде цилиндрической линзы, блок регистрации полученных изображений, данные с которого подаются на блок анализа и обработки данных. Источник излучения выполнен в виде системы из двух импульсных твердотельных Nd-Yag лазеров, работающих на второй гармонике (длина волны 532 нм) и генерирующих два импульса с заданным сдвигом по времени. Частота генерации пар импульсов лежит в диапазоне 10-50 Гц, энергия импульса подсветки составляет 10-400 мДж при длительности импульса 5-20 нс. Минимальный промежуток времени съемки между двумя кадрами в паре достигает 0.3 мкс. Блоком регистрации полученных изображений частиц является специальная CCD PIV-камера, данные с которой передаются на блок обработки сигнала в виде ПК, где проводят кросскорреляционную обработку пары изображений и получают поле скорости потока.

Частота измерения полей скорости (частота съемки пар изображений) в этом устройстве соответствует частоте следования пар импульсов подсветки и ограничена 10-50 Гц, что делает невозможным применение данного устройства для исследования быстропеременных процессов. При значительной мощности излучения импульсного источника (до 10 МВт в импульсе) необходимо наличие системы водяного охлаждения, а для устройства в целом необходимо также наличие системы синхронизации между лазером и PIV-камерой.

Известно устройство по патенту US 4988191 МПК⁵ G01P 3/36, публ. 29.01.1991, предназначенное для измерения скорости текучих сред, основанное на PIV-методе. Устройство содержит источник излучения в виде сдвоенного импульсного лазера, ячейку Поккельса для переключения модуляции излучения лазера, оптические средства для формирования светового «ножа», блок регистрации получаемых изображений в виде камеры с линзой на входе. Между входной линзой камеры и сформированной плоскостью светового «ножа» дополнительно располагают одноосную кристаллическую пластину, позволяющую разделить любой падающий луч на два луча, имеющих ортогональную поляризацию и сдвиг между собой на определенную величину х в плоскости изображения. Такое построение устройства с необходимой последующей математической обработкой полученных данных позволяет получить двумерное распределение скорости текучей среды и устранить неоднозначность в определение направления распространения (вектора скорости) потока.

Данное устройство чувствительно к типам и размерам засеваемых в поток частиц, углу зрения и апертуре PIV- камеры. Наличие в предложенной конструкции системы синхронизации, а также получение и необходимость обработки четырех полученных изображений для каждой частицы вместо двух в обычных системах усложняет и удорожает ее.

Для исследования процессов, временной масштаб которых превышает 10-50 Гц, используют PIV-систему для быстропротекающих процессов (Oliver Pust, Dr.-Ing. TIME RESOLVED PIV SOLUTIONS-PIV AT 4000 FRAMES PER SECOND- // Proc. Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF'03). The 12th International Conference on Fluid Flow Technologies; Budapest, Hungary, September 3-6, 2003), которая выбрана в качестве прототипа. Подобная система включает в себя источник излучения в виде высокочастотного сдвоенного импульсного лазера, оптические средства для формирования светового «ножа», блок регистрации изображений течения, блок анализа и обработки полученных данных. В качестве источника излучения используют Nd: YAG лазеры или Nd: YLF лазеры, работающие в зеленой части спектра видимого излучения на длине волны 532 нм или 527 нм соответственно. Энергия излучения в одном импульсе в упомянутых высокочастотных лазерах падает, особенно при частотах повторения импульсов более 1 кГц. Блок регистрации изображения выполнен в виде специальной скоростной PIV-камеры, имеющей существенно более высокочувствительные элементы CMOS-матрицы и позволяющей проводить измерения на частотах более 1 кГц. Анализ и обработки данных выполняется на компьютере, снабженном необходимым программным обеспечением.

Недостатки известного устройства обусловлены использованием источника излучения в виде мощного импульсного лазера, что требует использования водяной системы охлаждения и предъявляет повышенные требования к соблюдению техники безопасности при работе с устройством. В данном устройстве необходимы также: а) синхронизация между PIV-камерой и источником излучения с точностью до нс; б) управление затвором камеры для ограничения излишней освещенности кадра и осуществления фазовой подстройки к внешним инициирующим событиям. К недостаткам также следует отнести высокую стоимость подобных устройств, что в первую очередь обусловлено применением дорогостоящей специализированной PIV-камеры, используемой только для подобных PIV-приложений.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка недорогой, компактной, простой в конструкции и эксплуатации системы для исследования плоских (двумерных) течений жидкостей или газов с достаточным динамическим диапазоном измерения скорости.

Технический результат в разработанной измерительной системе для исследования течений жидкости и газа достигается за счет того, что она, также как и система-прототип, содержит источник излучения, формирователь светового «ножа», блок регистрации изображений исследуемого течения и соединенный с ним блок анализа и обработки полученных данных.

Новым в разработанной системе является то, что источник излучения выполнен в виде твердотельного лазера с диодной накачкой непрерывного излучения, а блок регистрации полученных изображений выполнен в виде высокоскоростной цифровой камеры.

Такое осуществление устройства позволяет: упростить конструкцию, обеспечить более безопасный режим работы и существенно снизить ее стоимость, что достигается за счет замены водяной системы охлаждения лазерного источника на воздушную, отказа от системы синхронизации, использования непрерывного лазера с мощностью излучения до 1 Вт, применения более универсальной и доступной высокоскоростной цифровой камеры. При этом устройство позволяет проводить измерения с временным масштабом вплоть до частот 200 кГц, т.е. сравнимо по своим характеристикам с PIV-системой для быстропротекающих процессов.

Основные параметры предложенной системы и приведенных известных аналогов представлены в следующей таблице:

PIV-система	Обычная PIV-система (первый аналог)	PIV-система для быстропротекающих процессов (ближайший аналог)	Разработанная система
Тип лазера подсветки	Сдвоенный импульсный лазер	Сдвоенный импульсный лазер	непрерывный
Мощность излучения	1-6 МВт	10-100 кВт	1 Вт
Частота генерации пар импульсов	15-50 Гц	1-10 кГц
Тип камеры	Специальная PIV CCD	Специальная скоростная PIV CCD	Скоростная CCD
частота съемки	15-30 Гц (пар кадров)	1-100 кГц (пар кадров)	0.5-200 кГц
разрешение	1600*1600	1024*1024	1280*1024
Размер чувствительного элемента CCD -матрицы	7*7 мкм	17*17 мкм	12*12 мкм
Минимальное время между кадрами в паре	0.5-1 мкс	2 мкс
Тип алгоритма обработки изображений	Кросскорреляцион-ная обработка	Кросскорреляционная обработка	Кросскорреляционная обработка
Стоимость	От 5 млн.руб.	От 20 млн. руб.	Около 1 млн.руб.

Целесообразно в первом частном случае в качестве источника излучения использовать твердотельный лазер непрерывного излучения типа LCS-DTL-318.

В другом частном случае целесообразно для регистрации получаемых изображений течения использовать камеру скоростной съемки типа "ВидеоСпринт". Сущность изобретения поясняется следующими фигурами:

- на фиг.1 представлена схема реализации предложенной измерительной системы для исследования полей скорости плоских течений жидкостей или газов в соответствии с п.1 ф-лы;

- на фиг.2 представлена схема кросскорреляционной обработки двух изображений, разделенных промежутком времени t для получения поля скорости в узлах заданной координатной сетки.

Измерительная система для исследования течений жидкости или газа, изготовленная в соответствии с п.1 формулы и представленная на фиг.1, содержит расположенные на одной оптической оси источник 1 постоянного лазерного излучения и формирователь 2 для получения светового «ножа» 3, выполненный в виде цилиндрической линзы, помещенные сбоку от исследуемого потока 4. Блок регистрации 5 получаемых изображений 6 выполнен в виде высокоскоростной цифровой камеры, ось объектива которой расположена перпендикулярно плоскости образующегося светового «ножа» 3 и направлению перемещения потока 4. Блок 7 анализа и обработки полученных изображений 6, представляющий собой компьютер с необходимым программным обеспечением, соединен с блоком регистрации 5.

В соответствии с п.2 формулы источник 1 постоянного лазерного излучения может быть выполнен в виде твердотельного лазера типа LCS-DTL-318.

В частном случае реализации устройства по п.3 формулы блок регистрации 5 изображений 6 может быть выполнен, например, в виде высокоскоростной видеокамеры типа «ВидеоСпринт».

В примере конкретной реализации предлагаемого устройства, представленного на фиг.1, в качестве источника 1 постоянного лазерного излучения использован твердотельный лазер с диодной накачкой LCS-DTL-318 производства ООО «Лазер-Компакт» (г.Москва). Это лазер непрерывного излучения мощностью от 0 до 1 Вт видимого диапазона с длиной волны 532 нм, при этом мощность излучения лазера можно плавно регулировать с шагом 5 мВт во всем диапазоне. Формирователь 2 светового «ножа» 3 изготовлен в виде цилиндрической линзы, при этом получаемый световой «нож» 3 имеет угол раскрыва около 30 градусов. Блок регистрации 5 получаемых изображений 6 выполнен в виде скоростной цифровой видеокамеры «ВидеоСпринт» производства ЗАО «НПК Ви-деоскан» (г.Москва), скорость съемки которой варьируется от 50 до 250000 кадров в секунду. Время экспозиции одного полученного изображения 6 регулируется от 20 мс до 4 мкс, обычно оно составляет 1 мс.

Разработанное устройство для исследования плоских течений жидкостей или газов, представленное на фиг.1, работает следующим образом.

Непрерывный лазерный луч, генерируемый источником излучения 1, проходит через формирователь 2 в виде, например, цилиндрической линзы и формирует световой «нож» 3. Световой «нож» 3 непрерывно подсвечивает исследуемый поток 4 с движущимися внутри частицами. Попавшие в освещенную плоскость частицы регистрируются с помощью блока регистрации 5, например скоростной цифровой видеокамеры, в виде изображений 6, которые подаются в блок анализа и обработки 7. Пара полученных цифровых изображений 6, следующих через промежуток времени t, подвергается в блоке 7 кросскорреляционной обработке с помощью быстрого преобразования Фурье (FFT) (см. фиг.2). Оцифрованное изображение 6 потока 4, полученное в момент времени t₁ разбивается на большое количество фрагментов. Обычно используется прямоугольная сетка. Аналогичным образом, с сохранением геометрических размеров сетки, разбивается на фрагменты изображение 6, полученное через промежуток времени t (в момент t₁+t). После этого для каждой пары соответствующих фрагментов (имеющих одинаковое расположение на изображениях) вычисляется кросскорреляционная функция интенсивностей изображений:

где I₁ - функция интенсивности изображения 6 в момент t₁,

I₂ - функция интенсивности изображения 6 в момент t₁ +t,

r - координата точки на изображении 6,

S - смещение.

Координата максимума (пика) кросскорреляционной функции показывает, насколько в среднем сдвинулось изображение 6 за время t. Таким образом, скорость перемещения v(t) изображения 6 (исследуемого потока 4 визуализированной жидкости) в рамках выбранного фрагмента, определяется как:

.

Аналогичным образом находится скорость перемещения изображения 6 (исследуемого потока 4 жидкости или газа) во всех остальных узлах координатной сетки.

Таким образом, использование в предлагаемой системе твердотельного лазера с диодной накачкой непрерывного излучения и высокоскоростной цифровой камеры позволяет получить более простую и компактную конструкцию, обеспечить безопасный режим работы, при этом позволяет исследовать высоко- и низкоскоростные процессы. В соответствии с п.п.2 и 3 формулы использование источника излучения и блока регистрации изображений отечественного производства позволяет также существенно снизить цену предлагаемого устройства по сравнению с существующими аналогами, особенно при массовом производстве.

1. Измерительная система для исследования течений жидкости или газа, содержащая источник излучения с формирователем светового «ножа», блок регистрации изображений течения и соединенный с ним блок анализа и обработки полученных изображений, отличающаяся тем, что источник излучения выполнен в виде твердотельного лазера непрерывного излучения, а в качестве блока регистрации изображений течения использована высокоскоростная цифровая камера.

2. Измерительная система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве источника излучения использован твердотельный лазер типа LCS-DTL-318.

3. Измерительная система по п.1, отличающаяся тем, что блок регистрации изображения выполнен в виде высокоскоростной видеокамеры типа «ВидеоСпринт».