Технические науки/2. Механика

Д.т.н., Яхно¹ О.М., к.т.н., Гнатив² Р.М.

1- НТУУ “Киевский политехнический институт”, г. Киев, Украина

2- НУ “Львовская политехника”, г. Львов, Украина

Измерение быстропеременных скоростей в трубопроводах оптическим допплеровским локатором

Лазерные допплеровские измерители скорости (ЛДИС) являются перспективными оптическими устройствами [1]. Преимущества последних в достаточной точности получаемых результатов и отсутствие возмущений потока при измерениях. Однако, применение известных ЛДИС ограничивается потоками в трубах прямоугольного сечения [2-3].

Целью работы было создание допплеровского локатора для измерений скоростей жидкостей в местных сопротивлениях круглых трубопроводов, а также в круглых трубах с криволинейной продольной осью.

Действие ЛДИС [1, 4] основано на рассеивании световых лучей частицами, переносимых потоком жидкости. Оптический квантовый генератор (ОКГ) 1 (рис. 1) излучает когерентный световой пучок оптического диапазона. Его расщепляют на два уровня по световой силе пучки 4 и 5. Их направляют параллельно на объектив 7, которым фокусируют в измерительный объем 8, находящейся в потоке жидкости, ограниченном прозрачными стенками 9.

В результате пересечения двух когерентных пучков в измерительном объеме образуется интерференционная решетка. При движении транспортируемой потоком светорассеивающей частицы через измерительный объем и пересечении ею освещенных и затемненных полос интерференционной решетки периодически изменяется интенсивность рассеиваемого частицей света, в результате чего возникает световой сигнал допплеровской частоты.

Рис. 1. Принципиальная схема ЛДИС: 1 – оптический квантовый генератор (лазер); 2, 11, 14 – диафрагмы; 3 – расщепитель лазерного пучка; 4 - основной пучок; 5 – отклоненный пучок; 6 – зеркало; 7 - фокусирующий объектив; 8 - измерительный объем; 9 - канал с прозрачными стенками; 10 - оптическая ось ЛДИС; 12 - рассеянные лазерные лучи; 13 - собирающий объектив; 15 - фотоэлектронный умножитель; 16, 17 – футляры; 18 – фильтр; 19 – усилитель; 20 - анализатор спектра.

От лучей, рассеянных частицами в измерительном объеме 8, диафрагмой 11 отсекаются основной 4 и отклоненный 5 лазерные пучки, прошедшие через поток жидкости без изменения траекторий (рис. 1). Рассеянные частицами лучи 12 фокусируются собирающим объективом 13 в центр отверстия диафрагмы 14. В фотоэлектронном умножителе (ФЭУ) 15 оптический допплеровский сигнал преобразуется в электрический сигнал. После прохождения через фильтр 18 и усилитель 19 допплеровский электрический сигнал поступает на анализатор спектра 20, где определяется его доплеровская частота . В виде цифровой информации она высвечивается на табло прибора 20.

Оптический блок предложенного нами ЛДИС [5-7] (рис. 2) включает лазер 1, систему расщепления и фокусировки пучков 2-7, фотоприемник 8, установленные на панели 9. Панель 9 закреплена на платформе 10 с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оптической оси 11. Пучки пересекаются в рабочем объеме 12, положение которого строго фиксировано относительно панели 9.

Панель 9 и платформа 10 кинематически соединены червячной передачей 13. Перемещение панели контролируется положением стрелки 14, закрепленной на панели 9, относительно неподвижной шкалы 15, установленной на платформе 10. На участке пересечения лазерных лучей между объективами 4 и 7 панель 9 и платформа 10 имеют отверстия, соответственно, 16 и 17. По периметру отверстия 17 платформа 10 крепится

Рис. 2. Схема оптического блока разработанного ЛДИС: 1 – лазер; 2 - расщепитель пучка; 3- отражающее зеркало; 4 - фокусирующая линза; 5 и 6 – диафрагмы; 7 - собирающий объектив; 8 – фотоприемник (ФЭУ); 9 -перемещаемая панель; 10 – платформа; 11 - оптическая ось; 12 - измерительный объем; 13 - червячная передача; 14 – стрелка; 15 – шкала; 16 и 17 – отверстия; 18 и 19 - обоймы подшипника; 20 - несущая пластина; 21 - перемещаемая плита; 22 - стопорный винт; 23 - прозрачная труба.

к вращающейся обоймы 18 подшипника, неподвижная обойма 19 которого соединена с несущей пластиной 20 установленной на плите 21 координатного устройства для перемещения оптического блока в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Труба 23 с прозрачными стенками пропущена через отверстие подшипника, отверстие 17 в платформе 10 и отверстие 16 в панели 9 так, что ее продольная ось перпендикулярна плоскости панели 9.

Изготовлено экспериментальный стенд для исследования нестационарных течений жидкости. Для измерений скоростей потоков жидкостей использован лазерный доплеровский измеритель скорости, позволяющий измерять скорости потоков жидкостей и газов в местных сопротивлениях круглых трубопроводов, а также в круглых трубах с криволинейной продольной осью. Проведены экспериментальные исследования для разгонного ламинарного движения жидкости.

Литература:

1. Клочков В. П. Лазерная анемометрия, дистанционная спектроскопия и интерферометрия: Справочник / В. П. Клочков, Л. Ф. Козлов, И. В. Потыкевич, М. С. Соскин.- Под ред. М. С. Соскина.– К.: Наукова думка.- 1985.– 759 с.

2. Панов С. В. Малогабаритный ЛДИС для диагностики течений жидкостей / С. В. Панов, А. А. Пикаревский, О. И. Стояновский // Турбулентные сдвиговые течения неньютоновских жидкостей.– Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР.- 1981.– С. 96-99.

3. Kawahara G. Detectoin of coherent structures in LDV data using combined visualization in square duct flow/ G. Kawahara, K. Ayukawa, J. Ochi, T. Watanabe // 6. Proc. 6th Int. Symp., “Flow Visualizat. 6”,1992, Yokohama.– Berlin etc.– 1992.– P. 238-242.

4. Дубнищев Ю. Н. Методы лазерной доплеровской анемометрии/ Ю. Н. Дубнищев, Б. С. Ринкевичюс.– М.: Наука .-1982.– 304 с.

5. А. с. 1679384 СССР, МКИ G 01Р 3/36. Лазерный доплеровский измеритель скорости потока жидкости / А. С. Никифоров, А. В. Бонч-Бруевич, В. В. Чернюк и др. (СССР).– № 4748853 / 10; Заявлено 16.10.89; Опубл. 23.09.91, Бюл. № 35.– 4 с.

6. Гнатів Р.М. Фізичні дослідження неусталених потоків лазерним допплерівським вимірювачем швидкості / Р.М. Гнатів, В.Ю. Петринець, В.В. Чернюк // Вісник НУВГП.-Вип.3 (47).-Част.5.-2009.-С.264-268.

7. Гнатів Р.М. Використання допплерівського локатора для вимірювання швидкостей при неусталеному русі рідин / Гнатів Р.М.// Примислова гідравліка і пневматика.-2011.- №1 (31).-С.60-63.