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

нозначности должны быть меньше половины области дисперсии прибора или равны ей

где а — скорость света.

Нижняя граница диапазона измеряемых скоростей зависит от разрешающей способности интерферометра Ad(Ava ), которая определяется критерием Релея

где R — коэффициент отражения пластин интерферометра. Чувствительность интерферометров с плоскими зеркалами не

превышает 108 Гц.

При измерении средней скорости и турбулентности в сверх­ звуковых потоках с помощью ЛДИС частотные сдвиги достигают величины 5-108 Гц. При таких сдвигах требуются одномодовые лазеры и интерферометры с разрешающей способностью до 109Гц. Последнему требованию удовлетворяют конфокальные интерфе­ рометры. Использование таких интерферометров в оптических схемах позволяет снизить минимальные измеряемые скорости до 1 м/с. Имеется возможность снизить нижний предел измеряемых скоростей до 0,25 м/с, уменьшая спектральный интервал интер­ ферометра [25].

При измерении средних линейных скоростей потока приме­ няются неподвижные интерферометры. С их помощью получают распределение скоростей в поле интерферометра. Для исследо­ вания турбулентности в сверхзвуковых потоках применяются ска­ нирующие интерферометры. Постоянная времени интерферомет­ ра определяется его геометрическими размерами и числом отра­ жений внутри прибора. Для современных интерферометров она составляет ~ 1 мкс. Сканирование интерферометра осуществля­ лось при помощи пьезоэлектрического устройства, питаемого пи­ лообразным напряжением осциллографа, на котором записыва­ ется допплеровский сигнал.

На рис. 4.12 приведена дифференциальная схема ЛДИС с оп­ тической регистрацией [8]. Луч лазера 1, отразившись от зер­ кала 2, попадает в фокусирующий объектив 3 и делится светоде­ лительной пластинкой 4 на 2 луча. Оба луча при помощи пово­ ротных зеркал 2' и 2" сводятся в точку М потока. Механизм 5 поворота зеркал позволяет изменять угол сведения лучей и ис­ следовать любую точку потока по диаметру струи, перпендику­ лярному оси трубы и лежащему в плоскости чертежа.

Свет, рассеянный на движущихся частицах, собирается с по­ мощью объектива 7 и фокусируется на диафрагму 8, ограничи­ вающую световой поток и увеличивающую пространственное раз-

253

решение прибора. Объективом 9 рассеянный свет направляется в интерферометр Фабри — Перо 10. Регистрирующая аппарату­ ра 11 выдает информацию о допплеровском сдвиге частот.

Рис. 4.12. Схема дифференциального двустороннего ЛДИС с оптической систе­ мой регистрации допплеровского сдвига частот:

/—лазер; 2—зеркала; <?—фокусирующий объектив-, ^светоделительная пластинка; 5— механизм поворота зеркал 2' и 2"; 6—защитные стекла; 7—собирательный объектив; <$—

диафрагма; «объектив; /0—интерферометр Фабри—Перо; / / —регистрирующая аппара­ тура

На рис. 4.13 изображена схема ЛДИС с двумя лучами рас­ сеянного света и оптической регистрации допплеровского сдвига длины волн излучения лазера [3]. В основу метода положена зависимость от скорости потока допплеровского изменения дли-

Л

ны волны ДЯ д излучения лазера при отборе рассеянного излуче­ ния по двум направлениям, характеризующимся углами 0i и 02:

где Яо — длина волны излучения лазера;

w—■скорость потока;

а— скорость света;

01 и 02 — углы отбора рассеянного излучения.

254

Объективы 3 и зеркала 4 собирают рассеянное излучение по двум направлениям наблюдения и направляют его на грани трехгранной зеркальной призмы 5. Объектив 6 фокусирует лучи рассеянного излучения на входную диафрагму 7 спектрографа. Сканирующий интерферометр Фабри — Перо 9 с пьезокерами­ кой, расположенный между коллиматорным объективом 8 и дис­ пергирующей системой призм И, заполняется светом двух лучей с отличающимися длинами волн на величину ДХд . Камерный объектив 12 фокусирует интерференционную картину в плоскость

Рис. 4.14. Интерференционная картина со смещенными порядками (а) и сиг­ нал, регистрируемый двухканалыюй схемой (б):

С—сканирующая щель

а)

выходной диафрагмы 13, за которой установлена призма 14, по­ сылающая излучение на два фотоумножителя 15.

Измерение смещения спектральных линий ДХд производится по сдвигу соседних интерференциальных порядков (рис. 4.14) сканирующего интерферометра Фабри — Перо при условии, что величина смещения ДХд не превышает область дисперсии ин­ терферометра

та, выполняющего роль частотного детектора, используется ин­ терферометр Фабри — Перо. Функционирование системы проис­ ходит следующим образом: рассеянное в потоке излучение лазе­ ра 1 фокусируется объективами 3 на зеркальную трехгранную призму 5. Перед началом измерений зеркало 4' повернуто таким образом, что отраженное им излучение не попадает на призму 5. В прибор поступает излучение под углом наблюдения 0 ь Отра­ ботка сигнала разбаланса происходит до тех пор, пока точка максимума интерференциального порядка не выйдет на центр вы­ ходной диафрагмы. Для измерения допплеровского смещения длины волны поворачивается зеркало 4'. Приняв положение, сим­ метричное зеркалу 4, оно посылает излучение в прибор под уг­ лом 02. Следящая система осуществляет подстройку интерферо-

255

метра на длину волны X—АХ. Количественная оценка величины смещения осуществляется по изменению напряжения на пьезо­ керамике интерферометра. Система содержит устройство поиска, состоящее из фазового детектора 11, модулятора 19 и пе­ реключателя 18. Она используется для вывода системы на ис­ следуемую линию в случаях, когда величина начального смеще­ ния превышает область схватывания.

Рис. 4. 15. Допплеровская следящая система [3]:

/ —лазер; 2—защитные стекла; 3—собирательные объективы; 4—неподвижное зеркало; 4'—поворотное зеркало; 5—^зеркальная призма; б—интерферометр Фабри—Перо; 7— фильтр; б—фотоумножитель; 9—усилитель промежуточной частоты; 10—ограничитель; II—фазовые детекторы; 12—фазовращатель; 13—фильтр нижних частот; 14—смеситель; 15—усилитель постоянного тока; 16—управляющий элемент; 17—генератор; 18—‘пере­

ключатель; 19—модулятор

Сохраняя основные достоинства спектроскопического метода измерения, допплеровская следящая система обеспечивает вы­ сокую точность измерения смещения длины волны в пределах полосы удержания, равной двойной ширине области дисперсии интерферометра. Скорость потока, определяемая при помощи ЛДИС с оптической регистрацией допплеровского смещения дли* ны волны излучения лазера, вычисляется по выражению

Величина Aw не превышает 3%.

256

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛ. IV

1. Аменицкий А. Н. и др. Измерение распределения скоростей в пленках жидкости с помощью ОКГ,— «Теплофизика высоких температур», 1969, № 5,

№6, 1971, с. 1248—1252.

4.Доморацкий А. Н. и др. Сравнение показаний лазерного допплеровско­

го измерителя скорости и термоанемометра в следе за цилиндром.— ПМТФ, 1972, № 1, с. 126— 128.

5.Дубнищев Ю. Н. и др. Измерение параметров турбулентных потоков с помощью лазерного допплеровского измерителя скорости.— «Автометрия», 1971,

№1, с. 36—42.

6.Дубнищев Ю. Н. и др. Об инструментальной ширине допплеровского

спектра лазерного измерителя скорости потока.— «Автометрия», 1971, № 1, с. 43—51.

7.Дудко Г. К., Резников Г. Б. Допплеровские измерители скорости и угла сноса самолета, М., «Советское радио», 1964, 344 с.

8.Кулыбин В. М. и др. Измерение скорости сверхзвуковых потоков по эффекту Допплера,— «Труды МЭИ», сер. «Физика», вып. 144, М., Изд-во МЭИ, 1972, с. 65—74.

9.Лебедев И. В. и др. Измерение локальных скоростей мелкомасштабных

потоков с помощью ОКГ.— ПМТФ, 1969, № 5, с. 125— 128.

10. Ринкевичус Б. С. Измерение локальных скоростей в потоках жидкости и газа по эффекту Допплера. — «Теплофизика высоких температур», т. 8,

№5, 1970, с. 1073—1082.

11.Ринкевичус Б. С. Применение оптического квантового генератора для измерения скоростей в потоках жидкости и газа. Диссертация. 1969, с. 178.

12.Таланский С. Спектроскопия высокой разрешающей силы. М., ИЛ,

15.Davis D. T., Analysis of a Laser-Doppler velocimeter. ISA Transactions, vol. 7, No. 1, 1968.

16.Deighton M. O., Sayle E. A. An Electronic tracker for the Continuous Measurement of Doppler frequency from a Laser Anemometer, DISA Informa­ tion, No. 12, Nov., 1971.

17. Denison E. B., Stevenson W. H., Fox R. W. Pulsating Laminar Flow Measurements with a directionally sensitive Laser velocimeter. AJChE Journal. Vol. 17, No. 4, 1971.

18. Duggan I. B., Shih С. C. Development of a Laser-Doppler instrumen­ tation system for velocity measurements in subsonic and supersonig jets, AIAA

257

22.Goldstein R. J., Kreid D. K. Measurement of Laminal Flow Develop­ ment in a Square Duct Using a Laser-Doppler Flowmeter, «Journ. Appl. Mech. Transactions of the ASME», Series E, XII, vol. 34, No. 4, 1967.

23.Greated C. Statistical ambiguity in Laser anemometry. DISA Informa­ tion, No. 12, Nov., 1971.

24.Hercher M., The spherical Mirror Fabri-Perot Interferometer. «Applied Optics», vol. 7, No. 5, 1968.

25.Jackson D. A., Paul D. M. Measurement of supersonic velocity and tur­ bulence by laser anemometry. «Journal of Physics», Serie E, «Scientific Instru­ ments», vol. 4, No. 3, 1971.

tions in a pipe flow using Laser anemometers, «Journal of Physics», Serie E, «Scientific Instruments», vol. 4, No. 3, 1971.

\

2.2.6.Измерительная информационная система СИТ-ЦВС . . . . 129

2.2.7.Автоматическая регистрирующая система с серийным цифро­

259

Зак. 3823/3850