RU2435166C1 - Laser device for measuring water flow rate - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: laser device for measuring water flow rate has transmitting channel with diffraction-optical splitting of the laser beam and a receiving channel. The receiving channel has a focusing lens, a diaphragm, a photodiode and a preamplifier connected to a Doppler signal converter. The laser measuring device has a computer, and the receiving channel additionally includes a second diaphragm and a second photodiode with a preamplifier connected to a second Doppler signal converter. Outputs of the Doppler signal converter are connected to the computer.

EFFECT: minimising velocity measurement error caused by the boundary layer.

1 dwg

Description

Устройство относится к области морского приборостроения и предназначено для использования в качестве относительного лага и измерителя скорости течений для приповерхностных и глубоководных исследований.The device relates to the field of marine instrumentation and is intended to be used as a relative lag and current velocity meter for near-surface and deep-sea studies.

Известны лазерные доплеровские измерители скорости с использованием призменных делителей лазерного пучка (Б.С.Ринкявичюс «Лазерная диагностика потоков», МЭИ, 1990). Их недостатком является чувствительность к разъюстировке призменного делителя или лазера, значительное влияние загрязнения защитного оптического окна, возможность использования только одномодовых лазеров с системой температурной стабилизации.Known laser Doppler speed meters using prismatic laser beam dividers (B. S. Rinkevičius "Laser flow diagnostics", MEI, 1990). Their disadvantage is the sensitivity to misalignment of the prism splitter or laser, the significant influence of contamination of the protective optical window, the possibility of using only single-mode lasers with a temperature stabilization system.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является лазерный доплеровский измеритель скорости («Применение дифракционных решеток в лазерной доплеровской анемометрии. Technisches Messen, 61.1994 7/8, стр.311-316), содержащий передающий канал с дифракционно-оптическим делением лазерного пучка и приемный канал, включающий фокусирующий объектив, диафрагму, фотодиод и предварительный усилитель.Closest to the proposed invention is a laser Doppler speed meter ("The use of diffraction gratings in laser Doppler anemometry. Technisches Messen, 61.1994 7/8, p. 311-316) containing a transmitting channel with diffraction-optical division of the laser beam and a receiving channel, including focusing lens, aperture, photodiode and preamplifier.

Недостатком рассмотренного лазерного доплеровского измерителя скорости является большая погрешность измерения скорости, обусловленная наличием пограничного слоя (слоя воды, непосредственно прилегающего к поверхности обтекаемого тела), что ограничивает возможность использования лазерного измерителя в качестве относительного лага и измерителя скорости течения. Реально толщина пограничного слоя может достигать 500-1000 мм в зависимости от размера судна, с которого осуществляется измерение, а стандартное рабочее расстояние дифракционных лазерных доплеровских измерителей скорости 100-200 мм.The disadvantage of the considered laser Doppler velocity meter is the large error in the velocity measurement due to the presence of a boundary layer (a layer of water directly adjacent to the surface of the streamlined body), which limits the possibility of using the laser meter as a relative lag and a flow velocity meter. In reality, the thickness of the boundary layer can reach 500-1000 mm, depending on the size of the vessel from which the measurement is carried out, and the standard working distance of diffraction laser Doppler speed meters is 100-200 mm.

Увеличение рабочего расстояния приводит к увеличению габаритов лазерного датчика и усложнению конструкции, а также к значительному увеличению потерь мощности лазерного излучения в воде, что практически ограничивает реализацию дифракционного лазерного доплеровского измерителя скорости с рабочим расстоянием более 200-300 мм.An increase in the working distance leads to an increase in the dimensions of the laser sensor and complicates the design, as well as to a significant increase in the power loss of laser radiation in water, which practically limits the implementation of the diffraction laser Doppler speed meter with a working distance of more than 200-300 mm.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое устройство, является создание лазерного доплеровского измерителя скорости, обеспечивающего минимизацию погрешности измерения скорости, обусловленную пограничным слоем.The task to which the proposed device is directed is to create a laser Doppler speed meter, which minimizes the error in the measurement of speed due to the boundary layer.

Указанная задача решается за счет того, что лазерный измеритель скорости водных потоков, содержащий передающий канал с дифракционно-оптическим делением лазерного пучка и приемный канал, включающий фокусирующий объектив, диафрагму, фотодиод и предварительный усилитель, подключенный к преобразователю доплеровского сигнала, содержит вычислительное устройство, а в приемный канал дополнительно введены вторая диафрагма и второй фотодиод с предварительным усилителем, подключенным к второму преобразователю доплеровского сигнала, при этом выходы преобразователей доплеровского сигнала подключены к вычислительному устройству.This problem is solved due to the fact that the laser water velocity meter containing the transmitting channel with diffraction-optical division of the laser beam and the receiving channel, including a focusing lens, aperture, photodiode and pre-amplifier connected to the Doppler signal converter, contains a computing device, and a second diaphragm and a second photodiode with a pre-amplifier connected to the second Doppler signal converter are additionally introduced into the receiving channel, while the outputs of the Doppler signal converters are connected to a computing device.

Сущность устройства поясняется чертежом. Устройство состоит из полупроводникового лазерного модуля 1, дифракционной решетки 2, объектива 3, пространственного фильтра 4, объектива 5, образующих передающий канал с дифракционно-оптическим делением лазерного пучка. Приемный канал содержит фокусирующий объектив 6, диафрагмы 7 и 8, фотодиоды 9, 10, предварительные усилители 11 и 12, преобразователи доплеровского сигнала 13 и 14. Выходы преобразователей 13 и 14 подключены к вычислительному устройству 15. Конструктивно элементы 1-15 размещены в герметичном корпусе 17 с защитным окном 16, как показано на чертеже. Возможно также выполнение элементов 13, 14, 15 в виде отдельного узла вне корпуса 17.The essence of the device is illustrated in the drawing. The device consists of a semiconductor laser module 1, a diffraction grating 2, a lens 3, a spatial filter 4, a lens 5, forming a transmission channel with diffraction-optical division of the laser beam. The receiving channel contains a focusing lens 6, apertures 7 and 8, photodiodes 9, 10, preamplifiers 11 and 12, Doppler signal converters 13 and 14. The outputs of the converters 13 and 14 are connected to the computing device 15. Structurally, elements 1-15 are placed in a sealed enclosure 17 with a protective window 16, as shown in the drawing. It is also possible the execution of the elements 13, 14, 15 in the form of a separate node outside the housing 17.

Устройство работает следующим образом: световой пучок лазерного модуля 1 падает на дифракционную решетку 3, на выходе которой в результате дифракции и интерференции в дальней зоне получается семейство порядков дифракции. После прохождения телецентрической системы (объективы 3 и 5, пространственный фильтр 4) остаются только ± первые порядки дифракции, которые, пересекаясь в воде, образуют протяженную пространственную интерференционную картину (решетку). Рассеянное оптическими неоднородностями при пересечении решетки лазерное излучение фокусируется объективом 6 через диафрагмы 7 и 8 на фотодиодах 9 и 10, преобразующих это излучение в доплеровские сигналы, которые усиливаются в предварительных усилителях 11 и 12 и в преобразователях доплеровского сигнала 13 и 14 преобразуются в значения скорости на расстоянии «l₁» и «l₂» - «u_l1» и u_l2». В вычислителе 15 определяется значение скорости “u₀” на основном участке потока вне пограничного слоя путем решения двух уравнений с двумя неизвестными «u₀» и «δ»:The device operates as follows: the light beam of the laser module 1 is incident on the diffraction grating 3, at the output of which, as a result of diffraction and interference in the far zone, a family of diffraction orders is obtained. After passing through the telecentric system (lenses 3 and 5, spatial filter 4), only ± the first orders of diffraction remain, which, intersecting in water, form an extended spatial interference pattern (lattice). Scattered by optical inhomogeneities when crossing the grating, the laser radiation is focused by the lens 6 through the diaphragms 7 and 8 on the photodiodes 9 and 10, which convert this radiation into Doppler signals, which are amplified in the preamplifiers 11 and 12 and in the Doppler signal converters 13 and 14 are converted into speed values by the distance "l ₁ " and "l ₂ " - "u _l1 " and u _l2 ". In calculator 15, the velocity value “u ₀ ” is determined on the main part of the flow outside the boundary layer by solving two equations with two unknowns “u ₀ ” and “δ”:

где u(l₁) и u(l₂) - измеренные значения скорости на расстоянии l₁ и l₂ от выходного окна измерителя,where u (l ₁ ) and u (l ₂ ) are the measured values of speed at a distance l ₁ and l ₂ from the output window of the meter,

δ - толщина пограничного слоя,δ is the thickness of the boundary layer,

u₀ - вычисленное значение скорости с учетом толщины пограничного слоя (на расстоянии «δ» от днища судна в основном участке потока).u ₀ - calculated speed value taking into account the thickness of the boundary layer (at a distance of "δ" from the bottom of the vessel in the main section of the stream).

Применение предлагаемого устройства позволит минимизировать погрешность измерения скорости, определяемую толщиной пограничного слоя, и в процессе эксплуатации в значительной степени сократить достаточно трудоемкие периодические испытания.The use of the proposed device will minimize the error in the measurement of speed, determined by the thickness of the boundary layer, and in the process of operation, significantly reduce the rather laborious periodic tests.

Claims (1)

Лазерный измеритель скорости водных потоков, содержащий передающий канал с дифракционно-оптическим делением лазерного пучка и приемный канал, включающий фокусирующий объектив, диафрагму, фотодиод и предварительный усилитель, подключенный к преобразователю доплеровского сигнала, отличающийся тем, что лазерный измеритель содержит вычислительное устройство, а в приемный канал дополнительно введены вторая диафрагма и второй фотодиод с предварительным усилителем, подключенным к второму преобразователю доплеровского сигнала, при этом выходы преобразователей доплеровского сигнала подключены к вычислительному устройству. A laser water velocity meter comprising a transmitting channel with diffraction-optical division of the laser beam and a receiving channel including a focusing lens, an aperture, a photodiode and a preamplifier connected to a Doppler signal converter, characterized in that the laser meter contains a computing device and a receiving device the channel additionally introduced a second diaphragm and a second photodiode with a pre-amplifier connected to the second Doppler signal converter, while in The outputs of the Doppler signal converters are connected to a computing device.