Рис. 62. Схема многолучево |
Рис. 63. Схема допплеровского измери |
го допплеровского расходо |
теля массового расхода |
мера |
|
Световой луч от лазера 1 падает на полупрозрачное зеркало 2. Часть луча отражается от зеркала и направляется непосредствен но в поток 5, а другая часть поступает на зеркало 3 и затем на расщепитель 4, из которого выходит в виде ряда пучков. Послед ние интерферируют с прямым пучком в отдельных точках пото ка, проходят через линзу 6 и диафрагму 7 и поступают на протя женный фотоприемник 8. Для получения измерительной инфор мации применяется многоканальный быстродействующий анали затор спектра. Применения его можно избежать в случае установки многолучевого допплеровского измерителя с частотным сдвигом пучков, в котором осуществляется не только пространственное, но и частотное разделение световых пучков с помощью вращаю щейся дифракционной решетки [26]. Несколько иная схема мно голучевого допплеровского измерителя приведена в работе [4].
Возможен еще и третий метод измерения расхода путем экспе риментального определения с помощью ЛДС профиля скоростей и нахождения по нему средней скорости. При этом предельная погрешность измерения расхода согласно [14] будет составлять около ± (1-5-2) % .
Если допплеровский оптический расходомер дополнить кор ректором, учитывающим плотность измеряемого вещества, то можно обеспечить измерение массового расхода. Схема такого расходомера [6] показана на рис. 63. Измеряемая жидкость про ходит через диффузор 8, турбулизирующую сетку 9 и сужающее устройство 10, образующее на выходе в измерительную каме ру 11 равномерный профиль скоростей. Луч от лазера 1 падает на расщепитель 2, где разделяется на две части. Затем оба луча (один из них предварительно проходит через фазосдвигающий элемент 4, компенсирующий постоянную составляющую сигнала) через вы ходное окно-мениск 3 входят в измеряемое вещество и фокусиру ются на оси потока. В точке пересечения лучей образуется про странственная интерференционная картина. Движущиеся части
107
цы, рассеивая свет, модулируют его по интенсивности. Рассеян ный свет проходит через окно 5 и поступает на фотодетектор 6, связанный с измерительным прибором 7. Более подробно доппле ровские расходомеры и скоростемеры освещены в работах [1-6, 8, 14-16, 18, 1$, 27, 29].
4.3. РАСХОДОМЕРЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ЭФФЕКТЕ ФИЗО—ФРЕНЕЛЯ
Скорость света в неподвижном прозрачном веществе равна с/п, где с — скорость света в пустоте, а л — коэффициент преломле ния вещества. Скорость же света сп в веществе, движущемся со скоростью и, зависит от величины и направления последней. Ско рость сп больше с/Пу если она совпадает с и и меньше при проти воположном направлении. Скорость сп определяется уравнением
сп = с/п ± v (п2 - 1) /Г 2, |
(41) |
которое теоретически вывел Френель, а Физо экспериментально подтвердил его.
Для измерения скорости и на определенном участке пути дли ной I надо пропускать свет по потоку и против него и измерять разность времен прохождения светом данного участка пути. Для этого создается замкнутый контур длиной L, по которому свет циркулирует в противоположных направлениях. На части этого контура длиной I движется измеряемое вещество. Оба световых потока после прохода замкнутого контура L поступают на фотоприемное устройство, с помощью которого измеряется или сдвиг интерференционных полос Але, или сдвиг частоты Af световых ко лебаний между обоими потоками, причем как Але, так и А/ про порциональны скорости v измеряемого вещества.
Зависимость сдвига Ах интерференционных полос от скорос ти v определяется уравнением
Ах = (Alnv/ck) [(n2 - l ) /n 2] cos 0, |
(42) |
где X — длина волны света; 0 — угол между световым |
лучом |
и осью трубы. Заметим, что изменение силы фототока Ai прямо пропорционально Ах при работе на линейном участке характери стики интерферометра.
Зависимость сдвига частот А/ от скорости и выражается урав
нением [24] |
|
Д/ = (2lv/LX) (п2 - 1) cos 0. |
(43) |
На рис. 64 приведена схема оптического интерференционно го расходомера [011]. Свет от источника 11 проходит через свето фильтр 12 и полупрозрачным зеркалом 10 делится на два потока,
108
Рис. 64. Схема интерференцион |
Рис. 65. Схема частотного расходомера |
ного расходомера Физо—Френеля |
Физо—Френеля |
проходящие через прозрачные вставки 6 и 13, установленные в кор пусе 1. После отражения от зеркал 3 и 4 (укрепленных в трубе с помощью струевыпрямителей 2 и 5) один световой луч прохо дит путь L по потоку измеряемого вещества, а другой против него. Затем они вновь отражаются от зеркал 3 и 4 и возвращают ся к зеркалу 10, где смешиваются и образуют интерференцион ную картину. Часть интерференционной полосы проходит через диафрагму 7 и поступает к фотоприемнику 8. Фототок измеряет ся прибором 9.
Схема оптического расходомера, в котором измеряется не ин терференционный сдвиг Аде, а сдвиг частот А/ световых колеба ний, распространяющихся по замкнутому контуру в противопо ложных направлениях, показана на рис. 65. Источник излуче ния — гелиево-неоновый лазер 4 образует вместе с тремя зерка лами i, 3 и 11 замкнутый световой контур, который благодаря четырем прозрачным окнам 2 дважды пересекает трубопровод 12. При этом один световой луч движется против, а другой по потоку газа. Оба световых луча, пройдя весь контур в противоположных направлениях и затем зеркало 11, направляются зеркалами 10 и 9 к фотоприемнику S, связанному через усилитель 7 и элект ронный фильтр 6 с прибором 5, измеряющим сдвиг частоты Af.
Еще одна схема расходомера газаг с измерением Af показана на рис. 66. Канал 4 квадратного сечения из инвара со стороной 50 мм помещен в резонатор 3 из ситалла СО-115М. Эти материа лы имеют очень малый коэффициент температурного расшире ния. Канал снабжен кварцевыми окнами для ввода лучей. Угол ввода для уменьшения потерь равен углу Брюстера Y- Лазерная трубка 5 длиной 200 мм (диаметр капилляра 2 мм) заполнена смесью гелия и неона. Питание от стабилизатора 6. Для умень-
1 Стабилизированный кольцевой лазер для измерения расхода газа / П. С. Кры лов и др. / / Измерител. техника. — 1980. — № 12. — С. 50-51.
109
шения нестабильности характери стики кольцевого газового лазера служит система стабилизации час тоты 7. Лучи, пройдя по потоку и против него по замкнутому конту ру, поступают на фотоумножитель 8 типа ФЭУ-68, питаемый от источ ника 10, Далее измерительный сиг нал подается на цифровой частото мер 0, интегрирующий частоту би ений встречных волн за определен
Рис. 66. Схема расходомера Фи- ный промежуток времени. Для
зо—Френеля с Фарадеевским чув уменьшения нечувствительности и ствительным элементом возможности измерения малых ско
ростей в схему введен Фарадеевский невзаимный элемент 2, служащий для первоначального рас щепления или сдвига частот [12, 13]. Магнитное поле в элемен те 2, выполненном по дифференциальной схеме, создается посто янным магнитом 1, для термостабилизации которого служит схе ма 11. Несмотря на небольшое отношение 1/L = 0,17, расходомер имеет высокую чувствительность (300 Гц на 1 м/с).
4.4.ОСОБЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ РАСХОДОМЕРЫ
Кособым оптическим расходомерам относятся приборы, осно ванные на зависимости от расхода оптических свойств волокон
Рис. 67. Схема опти ческого расходомера с волоконным свето водом, расположен ным: а — по оси тру бы; б — по диаметру
трубы
ного световода, находящегося в потоке измеря емого вещества. В одном из таких расходоме ров [17] гелиево-неоновый лазер 1 (рис. 67, а) соединен с волоконным световодом 2, проло женным вдоль оси медной трубки 3 (диамет ром 30 мм и длиной 500 мм), по которой дви жется измеряемая жидкость. Противополож ный конец световода соединен с фотопреобра зователем 4 . Течение жидкости вызывает вибрацию волоконного световода, хотя и не большую, но достаточную для возникновения фазовых изменений светового луча. Сигнал, вырабатываемый фотопреобразователем 4 , после усиления, фильтрации и интегрирова ния поступает к измерительному прибору. Рас ходомер прост по устройству, но его точность невысока.
Лучшую точность можно ожидать от пре образователя, состоящего из тонкого стекло волокнистого световода 6 (рис. 67, б), натяну того грузом 9 и расположенного поперек тру бопровода 7. Нить проходит через уплотне
110