книги из ГПНТБ / Петунин А.Н. Измерение параметров газового потока. (Приборы для измерения давления, температуры и скорости)

= 1,9 мм вод. ст. и Го = 900 К имеет коэффициент восстановления

£т = 0,97.

Сравнительные характеристики приемников для чисел М = 0,5; 1,0; 1,5, построенные по осциллографическим записям их пока­ заний, приведены на рис. 3.46, 3.47 и 3.48.

ников т (вс), полученные в результате трехкратных испытаний.

Т а б л и ц а 3.2

1.Гордое А. Н. Измерение температур газовых потоков. М., Машгиз, 1962, 136 с.

2.Гордое А. Н. Основы пирометрии. М., «Металлургия», 1964, 471 с.

3.Гухман А. А., Илюхин Н. В. Основы учения о теплообмене при тече­

нии газа с большой скоростью М., Машгиз, 1951, 226 с.

4.Гухман А. А. и др. Эксприментальное исследование продольно обтекае­ мой термопары при течении газа с большой скоростью.—-Труды ЦК.ТИ, кн. 21,

вып. 5 «Теплопередача и аэрогидродинамика», Л., изд-во ЦК.ТИ им. Н. И. Ползунова, 1951, с. 83—102.

5. Даревский С. Г. Датчики температуры газового потока большой ско­ рости.— Доклады АН СССР, т. 107, № 3, М., АН СССР, 1956, с. 373—376.

6. Жуковский В. С. Измерение температуры газового потока при весьма

больших скоростях.— ЖТФ, т. VIII, вып. 21, 1938, с. 1940—1953.

7.Зысина-Моложен Л. М. Измерение температур в быстродвижугцемся газовом потоке.— «Труды ЦКДИ», кн. № 18, вып. 4, «Теплопередача и аэро­ гидродинамика», Л., изд-во ЦК.ТИ им. Н. И. Ползунова, 1951, с. 37—155.

8.Илюхин Н. В. Измерение температуры в потоке газа высокой скоро­

сти.— «Теплоэнергетика», 1956, № 2, с. 20—24.

9.Калихман Л. Е. Сопротивление и теплопередача плоской пластины в

408с.

11.Кондратьев Г. М. Тепловые измерения. М., Машгиз, 1957, 244 с.

12.Кружилин Г. Н. Определение температуры поверхности нетеплопровод­ ного тела, помещенного в поток весьма быстродвижущейся несжимаемой жид­ кости,— ЖТФ, т. VI, вып. 29, 1936, с. 1574— 1577.

13.Кутателадзе С. С., Боришанский В. М. Справочник по теплопередаче. Л.-М., Госэнергоиздат, 1959, 414 с.

14.Левинсон Я. И. Аэродинамика больших скоростей. М., Оборонгиз, 1948, 336 с.

15.Мак-Адамс В. X. Теплопередача. М., Металлургиздат, 1961, 686 с.

233

Глава IV

ЛАЗЕРНЫЕ ДОППЛЕРОВСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛИ

СКОРОСТИ (ЛДИС)

4.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Эффект Допплера заключается в том, что при относительном перемещении источника и приемника электромагнитных колеба­ ний частота колебаний, воспринятых приемником vi, отличается от частоты источника vo.

В этом случае

где w — скорость относительного движения; а —- скорость света;

|3—'угол между направлением движения источника и ли­ нией, соединяющей приемник и источник.

Знак «плюс» соответствует приближению источника, а «ми­ нус» — удалению. Эффект Допплера имеет место также при рас­ сеянии направленного излучения источника на частицах движу­ щейся среды.

Эффект Допплера при относительном перемещении источни­ ка и приемника нашел широкое применение при создании радио­ навигационного оборудования для определения путевой скорости, вектора полной скорости и угла сноса летательного аппара­ та [7].

Эффект Допплера при рассеянии излучения приемника дви­ жущейся средой положен в основу создания допплеровских из­ мерителей скорости потоков жидкости и газа. Возможности для разработки таких измерителей и их применение при эксперимен­ тальных исследованиях потоков жидкости и газа чрезвычайно возросли с появлением лазеров, являющихся идеальными источ­ никами мощного монохроматического когерентного излучения. В середине шестидесятых годов созданы первые лазерные доп­ плеровские измерители скорости (ЛДИС). Схема одного из ва­ риантов ЛДИС приведена на рис. 4. 1 [19].

235

Луч лазера 1 непрерывного действия (его называют прямым, или опорным) фокусируется при помощи объектива 3 в исследуе­ мую точку потока М. По пути луча установлена диафрагма 2, служащая для ограничения собственного излучения лазера. Излучение лазера, рассеянное под углом а к направлению прямо­ го луча, собирается объективом 4 и при помощи зеркала 5 че­ рез полупрозрачное зеркало 6 направляется на фотоэлектриче­ ский умножитель 8. Объектив 4 фокусирует рассеянное излуче­ ние на фотокатод ФЭУ. Сюда же при помощи объектива 10

Рис. 4.1. Схема лазерного допплеров­ ского измерителя скорости с опорным лучом:

/ —лазер; 2—диафрагма; 3—фокусирующий объектив; 4—собирательный объектив для рассеянного излучения; 5—зеркало; 6—све­

спектроанализатор; 13—блок питания; 14— генератор рассеивающих частиц (----------

опорный л у ч ,--------- луч рассеянного из­ лучения)

фокусируется прямой луч лазера, прошедший через исследуемый поток без рассеяния. По пути луч ослабляется нейтральным фильтром 9, проходит через полупрозрачное зеркало 6, отражает­ ся от зеркала 7 и задней поверхности полупрозрачного зеркала.

Зеркало 7 предназначено для устранения разницы оптических путей прямого и рассеянного лучей. Равенство длин оптических путей лучей прямого рассеянного света необходимо для повы­ шения качества гетеродинирования * на входе ФЭУ, которое, как будет видно из последующего изложения, применяется в боль­ шинстве схем ЛДИС для выделения допплеровской частоты вза­ имодействия основного и рассеянного света. Полученный в ре­ зультате гетеродирования сигнал имеет допплеровскую частоту, пропорциональную скорости потока. С выхода ФЭУ сигнал по­ ступает на усилитель 11 и затем подается на устройство, реги­ стрирующее допплеровскую частоту. Таким устройством чаще всего является анализатор спектра 12.

Для рассеяния излучения лазера поток должен содержать частицы, движущиеся со скоростью потока и выполняющие роль центров рассеяния. В качестве таких частиц могут использовать­ ся находящиеся в потоке пыль, продукты сгорания и другие примеси или твердые, жидкие и газообразные вещества, искусст­ венно вводимые в поток. Для этого в комплект измерителя ско­ рости входит генератор рассеивающих частиц 14. Концентрация

* Гетеродинированием назван процесс выделения разностной частоты при смешении двух процессов с разными частотами.

236

частиц может быть очень малой и составлять 1:30 000 или 1 : 50 000 часть объема газа.

Математическое описание эффекта Допплера для случая рас­ сеяния света на частицах, движущихся вместе с потоком жидко­ сти или газа, можно иллюстрировать рис. 4.2. Рассматривается

Рис. 4.2. К расчету зависимости скорости потока ш от допплеровского сдвига между частотами основно­ го и рассеянного излучений лазера Дгя (здесь с= а)

света а в направлении единичного вектора Ко и падает на ча­ стицу М, движущуюся со скоростью w, причем \w\<^a. Число волн (или кажущаяся частота) воздействия на движущуюся частицу определяется выражением

Это выражение определяет также число волн, рассеиваемых дви­ жущейся частицей в единицу времени.

Если в направлении излучения, рассеиваемого движущейся частицей, установлен неподвижный приемник, то поскольку ка­ жущаяся частота воздействия на частицу составляет vKp, то ка­

жущаяся длина волны рассеивания определяется выражением

_а, __ акр

(4. 3)

РVp а — wKo

После рассеяния фронта одной волны частица движется в направлении фронта этой волны (по направлению единичного

вектора Kv) со скоростью wKv- В момент рассеяния фронта сле­

237

Для неподвижного наблюдателя кажущаяся длина волны рас­ сеянного света составляет

а частота рассеянного света определяется выражением

а — wKp

Рис. 4.3. Расположение волновых векторов в однолучевой (а) и в дифференциальной (б) схемах ЛДИС:

где K = KV—Ко — разностный единичный вектор. Замена единичных векторов волновыми

(4.8)

2я

дает выражение для количественного определения Дуд:

Выражение (4.9) можно получить [10] из основного уравне­ ния (4.1), если выразить его в векторной форме, введя волновой

238

вектор K q, совпадающий с направлением основного излучения и

Рассматривается случай, когда

Частота vi соответствует частоте электромагнитных колебаний, воспринимаемых частицей^Приемник, расположенный в направ­ лении вектора рассеяния K v, принимает колебания с частотой

Для допплеровского сдвига частот рассеянного излучения vp—v0 получается выражение (4.9)

шр — проекция вектора скорости частицы на разностной вол­ новой вектор К.

Если в выражение (4.12) для Avfl ввести показатель прелом­ ления п среды, окружающей частицу, оно принимает вид

a

2п sin

Поскольку направления падающего и рассеянного излучений фиксированы, то по измеренной величине допплеровской разно­ сти частоты и по известному масштабному коэффициенту

239

£д, зависящему от длины волны основного излучения, показа­ теля преломления среды и угла между основным и рассеянным излучением, скорость определяется элементарным арифметиче­ ским подсчетом

Однако величина Атд зависит от направления наблюдения, которое характеризуется волновым_вектором K v. Изменением расположения волновых векторов Ко и K v можно изменять аб­ солютное значение вектора К и его направление. Это приводит к изменению масштабного коэффициента ka .

Известны схемы ЛДИС [1, 9, 10, 11, 22, 26], в которых доп­ плеровская частота не зависит от направления наблюдения. В этих схемах, рассматриваемых ниже, на движущуюся частицу под некоторым углом а друг к другу одновременно падают два луча рассеянного излучения. Частоты этих излучений в направ­

и vP зависят от него.

Лазерные допплеровские измерители скорости имеют следую­ щие преимущества по сравнению с пневмометрическими и термоанемометрическими измерителями скорости.

1. Они непосредственно определяют значения локальных ско­ ростей потока.

2.Не вносят возмущений в поток.

3.Имеют высокое пространственное разрешение.

4.Не нуждаются в градуировке.

5.Имеют малую погрешность (от долей до единиц %).

6.Практически безынерционны.

Быстродействие ЛДИС позволяет применять их для иссле­ дования турбулентности и нестационарных течений [17]. Однако относительная сложность аппаратуры ЛДИС и необходимость введения в поток в качестве центров рассеяния примесей, норми­ рованных по размеру и количеству, являются их недостатками.

240

4.2. ОПТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ЛДИС

Оптические схемы ЛДИС имеют следующие основные раз­ новидности.

1. С одним опорным лучом лазера (см. рис. 4.1) или с двумя пересекающимися лучами (рис. 4.4), один из которых использу­ ется в качестве опорного.

Рис. 4.4. Схема ЛДИС с двумя пе­ ресекающимися лучами, один из которых используется в качестве опорного:

/ —лазер; 2—'расщепитель луча; 3—фо­

кусирующий объектив; 4—фотоэлектри­ ческий умножитель; 5—блок питания ФЭУ; 6—усилитель; 7—’анализатор спектра

2.Дифференциальная, с двумя пересекающимися лучами

Рис. 4.5. Дифференциальные схемы ЛДИС с прямым (а, б) и обратным (в, г) рассеянием:

а—двусторонняя схема с одним фокусирующим объективом; б—двусторонняя схема с двумя фокусирующими объективами; в—односторонняя схема с разделением луча лазера светоделительной пластинкой; г—односторонняя схема с разделением луча трехгранной призмой:

/—лазер; 2—зеркало; 3—‘светоделительная пластинка; 4—фокусирующий объектив; 5—ра­ бочая часть со смотровыми окнами; 6—коллекторный объектив; 7—фотоэлектрический умножитель; 8—'трехгранная светоделительная призма

241

отражением расщепленных лучей лазера от плоского зеркала [13]. В с х е м а х с о д н и м о п о р н ы м л у ч о м (см. рис.

4.1) [19] допплеровский сдвиг частот рассеянного и падающего света определяется выражением (4.13), в котором через а обоз­ начен угол между основным и рассеянным излучением.

5

Рис. 4.6. Комбинированная дифференциальная схема ЛДИС:

1 -лазер; 2—плоско-параллельные пластинки; 3—полупроз­

рачное зеркало; фокусирующий объектив; 5—рабочая часть трубы; 5—собирательный объектив; 7—зеркало; 8— ФЭУ в схеме прямого рассеяния; 9—ФЭУ в схеме обратного рассеяния

Схемы с опорным лучом нашли применение для определения полного вектора скорости трехмерных потоков. На рис. 4.9 при­ ведена схема [20] для измерения трех составляющих вектора скорости, состоящая из трех независимых измерительных кана­ лов. Опорный монохроматический луч лазера через смотровое окно 3 в стенке трубы фокусируется входным объективом 2' в исследуемую точку М потока. После выхода из потока при по-

Рис. 4.7. Схема ЛДИС с двумя лучами рассеянного света:

мощи призмы расщепителя 7 луч делится на три составляющих. Отбор рассеянного света осуществляется под разными углами к опорному лучу лазера при помощи собирательных объективов 4', 4", 4'". Рассеянные лучи и составляющие опорного луча по­ парно поступают на входы трех ФЭУ, гетеродинируют и преоб­ разуются в электрические сигналы, частоты которых пропорцио­

242