Технические науки/2. Механика

 

К.т.н., Гнатив Р.М.

НУ “Львовская политехника”, г. Львов, Украина

Измерение параметров течения жидкости в трубе лазерным измерителем скорости

 

В настоящее время происходит интенсивное применение последних достижений науки и технологии в различных об­ластях прикладной техники, Такая же тенденция наблюдает­ся и в экспериментальной гидромеханике, где используются схемы и методы, разработанные для лазерной анемометрии [1-3].

Лазерный доплеровский измеритель скорости (ЛДИС) используется в современных исследованиях как самый удобный и уни­версальный метод для измерения скорости в лабораторных условиях. ЛДИС практически не возмущает изучаемый поток. При его использовании достигается большое пространственное и временное разрешение, обеспечивается широкий диапазон измеряемых скоростей, имеется возможность измерять сразу три компоненты вектора скорости. В то же время скорость является линейной функцией от измеряемого сигнала - частоты доплеровского сигнала.

К недостаткам ЛДИС можно отнести относительную слож­ность аппаратуры и возможность работы только с оптически прозрачными жидкостями.

В основе метода лазерного доплеровского измерителя скорости лежит эффект Доплера, заключающийся в том, что при рассеянии монохроматической световой волны на движущих­ся оптических неоднородностях появляется сдвиг частоты света, пропорциональный скорости движения неоднородностей.

Для получения оптимального измерительного объема точка пересечения лучей должна находиться на оптической оси фокуси­рующей линзы. Чтобы лучи пересекались в одной точке с лю­бым углом поворота направляющей оптики вокруг оси поворота, последнее должно совпадать с оптической осью системы. Лучи должны быть параксиальными и на равных расстояниях от оп­тической оси. Правильный угол плоскости поляризации исход­ного лазерного луча относительно светоразделяющей призмы для получения наилучшего разделения лучей с разными длинами волн получается при помощи четвертьволновых пластин на вы­ходе из лазера и при входе в оптическую систему.

 

 

Рис. 1. Дифференциальная схема детектирования доплеровского сигнала.

 

На рис. 1 изображены векторы падающей и рассеянной волны для измерения скорости при дифференциальной схеме детектирования доплеровского сигнала.

Плоскопараллельные волновые фронты описаны волновыми векторами , и  падающего света,  рассеянного света, частотами излучения лазера  и доплеровского сдвига . Доплеровский сдвиг определяется как

,                                           (1)

где:  - измеряемая компонента скорости,

Обычно свет, рассеянный от движущейся частицы и со­держащий доплеровский сигнал, смешивают на фотоприемнике с исходным излучением от лазера. Фотодетектор измеряет тогда разницу в частоте между двумя рассеянными лучами (рис. 1)

,                                          (2)

,                                         (3)

                                   (4)

или в координатной системе

,                                                       (5)

где:  - доплеровская частота; - компонента скорости, перпендикулярна биссектрисе угла схождения падающих лучей;  - длина волны лазерного излучения;   - угол схождения падающих лучей.

,                                          (6)

где: d - расстояние между лучами на фокусирующей линзе; - фокусное расстояние линзы.

Детектированная частота зависит линейно от компоненты скорости частицы. ЛДИС не чувствителен к другим компонентам скорости и для данного утла схождения лучей  зависимость от температуры и давления содержится в длине волны  ла­зерного луча.

Статистическая передаточная функция для ЛДИС определя­ется как сумма двух частот

,                                                  (7)

где:  - частота, за которой следит процессор сиг­нала;

 - суммарное частотное смещение для доплеровской частоты.

Характеристики доплеровского сигнала зависят от размера рассеивающих частиц и их количества в исследуемой среде. Зависимость от размера рассеивающих частиц, определяемая их оптическими свойствами, углом пересечения падающих лучей, а также направлением наблюдения и апертурой приемной оптики, имеет довольно сложный характер [3]. При дифференциальной схеме отношение сигнала к шуму она не зависит от концентрации частиц, если находится в определенных пределах. При слишком малой концентрации начинают сказываться шумы фотоприемника и измерительной аппаратуры, а при большой концентрации появляется эффект ослабления излучения в среде, влияющий на отношение сигнала к шуму.

При проведении исследований ста­ционарных и нестационарных течений в цилиндрической трубе нами использован ЛДИС предложенный в роботах [4,5]. Преимуществом последнего есть возможность построения эпюр скоростей в местных сопротивлениях круглых трубопроводов, а также в трубопроводах с криволинейной продольной осью.    

 

Литература:

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

3.   Дубинцев Ю.Н., Ринкевичус Б.С. Методы лазерной допплеровской анемометрии.- М.: Наука, 1982.- С. 304.

4.   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.

5.   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.