Способ измерения поля скорости движущихся сред

О Л И С А Н И Е п1 567141

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ боев Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 24.62.76 (21) 2331950/25 (51) М. Кл. G 01Р 3/36 с присоединением заявки №

Совета Министров СССР

fl0 делам изобретений и открытий (53) УДК 535.31(088.8) Опубликовано 30.07.77. Бюллетень № 28

Дата опубликова ия описания 08.08.77. (72) Авторы изобретения (71) Заявитель

П. Я. Белоусов и Ю. Н. Дубнищев

Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения

АН СССР (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯ СКОРОСТИ

ДВИЖУЩИХСЯ СРЕД

Государственный комитет (23) Приоритет

Изобретение относи.ся к технике оптических измерений, в частности используемых при гидро- и аэродинамических исследованиях, при определенчи пространственного распределения скоростей в потоках различных движущихся сред в химической технологии и т. д.

Известен способ определения поля скорости движущихся сред, состоящий в определении ,покальной скорости движения с применением лазерного допплеровского измерителя скорости. Применением нескольких измерительных каналов можно получить информацию о локальных скоростях в числе точек, равном числу измерительных каналов (1). Недостатком этого способа является сложность системы, связанная с необходимостью использования многих сложных в технологическом отношении измерительных каналов, и в связи с этим ограниченность числа информативных точек в исследуемой области движущегося объекта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ, состоящий в освещении исследуемого движу щегося объекта когерентным световым пучочком и получении голограммы объекта с применением опорного пучка, частота которого смещена на известную величину. В результате на голограмме будут зафиксированы, линии равной скорости, соответствующие тем локальным участкам объекта, которые в рассеянный свет вносят допплеровский сдвиг частоты, равный частотному сдвигу в опорном пучке. Для получения информации о поле скорости необходимо последовательно во времени получать различные голограммы при различных частотных сдвигах опорного пучка. С помощью таких голограмм осуществляется таким образом последовательное выделение из рассеянного света излучения, испытавшего определенный допплеровский сдвиг частоты 2).

Основным недостатком такого метода является невозможность одновременного получения информации о распределении различных значений скорости в исследуемой области движущегося объекта и визуализации поля скорости.

С целью визуализации поля скорости предлагается способ измерения поля скорости, от20 личающийся от прототипа тем, что рассеянный движущимся объектом свет последовательно фильтруют низкочастотным фильтром пространственных частот, дискриминируют оптическим частотным дискриминатором, вы25 полненным, например, в виде поглощающей ячейки, и регистрируют в плоскости изображения исследуемой области движущегося объекта.

На фиг. 1 приведена возможная схема уст30 ройства для реализации способа; на фиг. 2—

567141 (4) "" = h,e ctg e -< r., (5) dn где

15 (6) ctg 8

6 =2РЬО =

2Fn

ctg 8 контур поглощения оптического частотного дискриминатора.

Устройство (фиг. 1) содержит освещающую систему, состоящую из источника котерентного излучения 1 и коллиматора 2, 3, оптическая ось которой направлена на исследуемую область движущегося объекта 4, где она пересекается с оптической осью измерительной системы, и измерительную оптическую систему, содержащую последовательно расположенные объектив 5, низкочастотный фильтр

6, объектив 7, поглощающу.ю ячейку 8 и регистрирующее устройство 9, в качестве которого может служить фотоаппарат либо передающая телевизионная трубка (видикон) с выводом изображения на телевизионный экран.

Принцип работы устройства, показанного на фиг. 1, состоит в следующем.

Движущийся объект 4 освещается коллимированным когерентным световым пучком от источника 1. Свет, рассеянный участком исследуемой области движущегося объекта имеет допплеровский частотный сдвиг, пропорциональный скорости этого участка. Если выбрать направления рассеянных пучков от каждого участка одинаковыми, то

®с(п: и (+ñ К ) (i) ГДЕ COdn — КРУтОВаЯ ДОППЛЕРОВСКаЯ ЧаСтОта в свете, рассеянном и-м участком в направлении К.;

V — вектор скорости движения и-ro участка;

К; — волновой вектор падающего пучка;

К, — волновой вектор выделенного рассеянного пучка.

Как следует из фиг. 1 м„„= Р„(К, — К,-) = V„/Ê, — К,/cos р =

= V„cos ð.2Кз1п Н, (2) где Vn cos q — проекция вектора скорости на направление К.— К;;

К. = К, = К=2л/Х вЂ” для скоростей движения V /С((1;

С вЂ” скорость света;

20 — угол между направлениями падающего и рассеянного световых пучков. Так как падающий и рассеянный световые пучки ограничены конечными телесными углами, то даже постоянной скорости движения рассеивающего объекта будет соответствовать некоторый спектр допплеровских частот, ширина которого определяется неопределенностью направлений волновых векторов падающего (К;,++ЛК;) и рассеянного (К„(-ЬК,) световых пучков. Диф ференцируя равенство (2) по 0 и переходя от дифференциалов к приращениям, можно получить для оценки инструментальной ширины спектра допплеровских частот:

Ьв„„= V 2Ê cos ОЬ6) где V = V„cosy.

Отсюда относительная инструментальная ширина допплеровского спектра равна:

"" =- Ae cigar.

5 dn

Для измерений необходимо, чтобы относительная инструментальная ширина допплеровского спектра была бы меньше допустимой относительной погрешности измерения скорости:

Отсюда получается условие, которому должна удовлетворять угловая ширина выделенного рассеянного пучка;

Поэтому в оптической системе, формирующей изображение рассеивающей области, установлен низкочастотный пространственный фильтр

6, выделяющий только те рассеянные пучки, угловое расхождение которых удовлетворяет условию выполнения заданной точности изме: рений. Как известно, такой фильтр выполняется в виде диафрагмы, помещенной на оптической оси в фокальной плоскости объектива

5. Размер диафрагмы определяется соотношением:

35 где F — фокусное расстояние объектива 5.

4О Изображение исследуемой области объекта формируется в отфильтрованных рассеянных пучках, прошедших через поглощающую ячейку 8 на регистрирующее устройство 9. Ячейка

8 заполнена веществом, контур поглощения

45 которото привязан к частоте когерентного пучка, освещающего объект, так, чтобы допплеровские частоты рассеянных пучков приходились на линейный участок контура, как это показано на фиг. 2. Тогда на выходе поглощающей ячейки интенсивность светового пучка, рассеянного и-м элементом исследуемого объекта, можно описать выражением

E„= f е„1 = Е, „(1 — 5в„„) 55;где Е.„— амплитуда рассеянного пучка на входе ячейки; е — амплитуда рассеянного пучка на выходе ячейки;

S — крутизна рабочего участка контура поGO глощения; вы — допплеровский сдвиг частоты в рассеянном пучке.

Если т — время экспозиции изображения и-го участка, то интенсивность результирую65 щего рассеянното пучка, осредненного за вре567141

A e.7

Рыг 2

Составитель Л. Гойхман

Техред М. Семенов

Редактор Н, Коляда

Корректор Л. Брахнина

Типография, IIp. Сапунова, 2

Заказ 1834/20 Изд. № 607 Тираж 1109 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5