Волоконно-оптический измеритель скорости

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике и может быть использовано в различных задачах измерения скорости движения однофазных и многофазных сред в открытых каналах и магистральных трубопроводах, а также в качестве бортового измерителя скорости судов. Устройство состоит из погружного оптического зонда, приемопередающего оптического блока и электронного блока. При этом в состав зонда входит корпус, защитное окно и волоконно-оптический преобразователь, а в состав приемо-передающего блока входит лазерный излучатель, фотоприемное устройство и светоделительная призма, оптически связанная с источником излучения и фотоприемным устройством, выход которого связан со входом электронного блока.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости различных многофазных сред в открытых каналах, трубах большого диаметра, исследования течений в реках и морях, а также в качестве бортового измерителя скорости судов и подводных аппаратов.

Известен волоконно-оптический точечный измеритель скорости и расхода [1]. Однако он не может быть использован для оптически непрозрачных жидкостей. Кроме того, волоконно-оптический зонд измерителя имеет сложную конструкцию и прибор требует проливной градуировки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический измеритель скорости и расхода оптически непрозрачных жидкостей [2]. Измеритель состоит из измерительного волоконно-оптического зонда и электронного блока. Измерительный зонд содержит корпус, защитное окно, излучатель, фотоприемник и волоконно-оптический преобразователь изображения. Входные торцы световодов преобразователя образуют измерительный растр, а выходные - оптически связаны с фотоприемником и излучателем, причем излучатель связан с четными световодами, а фотоприемник - с нечетными.

Недостатком рассмотренного устройства является возможность ложных отсчетов с удвоенной частотой и низкое отношение сигнал/шум, особенно при малых размерах рассеивающих микрочастиц. Это связано с тем, что световоды, являющиеся источником зондирующего излучения и приемником рассеянного излучения, пространственно разнесены. Поэтому, когда частица проходит мимо торца приемного световода, она может рассеивать излучение

последовательно от соседних передающих световодов и, соответственно, удваивать выходную частоту. Кроме того, частица всегда находится не по оси, а под углом - либо к передающему, либо к приемному световодам. Это, естественно, приводит к снижению отношения сигнал/шум.

Прелагаемое устройство содержит погружной измерительный зонд, в состав которого входит корпус, защитное окно, волоконно-оптический преобразователь, входные торцы световодов которого образуют измерительный растр, а выходные - оптически связаны с оптическим приемо-передающим блоком, состоящим из источника излучения -полупроводникового лазера, и фотоприемного устройства, выход которого связан со входом электронного блока, отличающееся тем, что в оптический приемо-передающий блок дополнительно вводится светоделительная призма, грани которой оптически связаны с источником излучения, фокусирующей линзой, фотоприемным устройством и выходным торцом волоконно-оптического преобразователя.

Сущность устройства поясняется фиг.1. Устройство состоит из измерительного зонда 1, погружаемого в контролируемую среду 2, оптического приемо-передающего блока 3 и электронного блока 4. Измерительный зонд 1 состоит из волоконно-оптического преобразователя 5, корпуса 6 и защитного окна 7. Оптический приемо-передающий блок 3 состоит из светоделительной призмы 8, излучателя - полупроводникового лазера 9, фокусирующей линзы 13 и фотоприемного устройства 10, выход которого связан со входом электронного блока 4. Входные торцы 11 световодов волоконно-оптического преобразователя 5 склеены между собой и образуют измерительный растр, а выходные торцы 12 оптически связаны со светоделительной призмой 8, с которой также оптически связаны через фокусирующую линзу 13 фотоприемное устройство 10 и излучатель 9.

Устройство работает следующим образом. Световой поток излучателя 9 через светоделительную призму 8 поступает на выходные торцы 12 волоконно-оптического преобразователя 5 и через входные торцы 11 попадает в контролируемую среду 2, где рассеивается на микронеоднородностях потока. Рассеянное излучение через входные торцы 11, выходные торцы 12, светоделительную призму 8 и фокусирующую линзу 13 попадает на фотоприемник 10. При движении контролируемой жидкости частота сигнала на выходе фотоприемника 10 пропорциональна скорости потока и шагу измерительного растра

где V - скорость потока,

f - выходная частота фотоприемника,

К - градуировочный коэффициент,

d - диаметр выходных световодов.

Выходной сигнал фотоприемника 10 обрабатывается в электронном блоке 4 с целью получения информации о скорости потока.

Предлагаемое устройство отличается достаточно простой конструкцией, возможностью имитационной градуировки и поверки без применения проливных установок и возможностью использования как в загрязненных средах, так и в оптически прозрачных жидкостях и газах, в которых имеется малое число микронеднородностей с малыми размерами (< 10 мкм), например, при исследовании морских и океанских течений на большой глубине или измерении скорости газа в магистральных трубопроводах, а также может быть эффективно использовано при измерении скорости и угла

дрейфа судов и подводных аппаратов, особенно при малых скоростях движения.

Источники информации:

1. Kalubrirung des faseroptisches Ortsfilter-Empunkt-Durchflussgebers. Petrad D., Mahr. P., "tm", 2000, 67, №11, 474-478 (нем).

2. Патент на изобретение №2254579. Волоконно-оптический измеритель скорости и расхода оптически непрозрачных жидкостей.

Устройство для измерения скорости оптически прозрачных и непрозрачных жидкостей, содержащее погружной оптический зонд, в состав которого входит корпус, защитное окно, волоконно-оптический преобразователь, входные торцы которого образуют измерительный растр, а выходные оптически связаны с оптическим приемопередающим блоком, состоящим из источника излучения - полупроводникового лазера и фотоприемного устройства, выход которого связан со входом электронного блока, отличающееся тем, что в оптический приемопередающий блок дополнительно вводится светоделительная призма, грани которой оптически связаны с источником излучения, с фотоприемным устройством через фокусирующую линзу и с выходными торцами волоконно-оптического преобразователя.