Конспект лекций 2010 г. Содержание 1 Средства измерений технологических параметров 4 1Средства измерения давления 12

Вид материала

Конспект

Содержание 1.3.3.11 Оптические расходомеры.

Подобный материал:

• 1. Средства измерений. Классификация средств измерений, требования к ним. Измерительные, 1405.11kb.
• Конспект лекций 2010 г. Батычко Вл. Т. Муниципальное право. Конспект лекций. 2010, 2365.6kb.
• Рабочей программы дисциплины методы и средства измерений в телекоммуникационных системах, 29.58kb.
• Конспект лекций 2010 г. Батычко В. Т. Уголовное право. Общая часть. Конспект лекций., 3144.81kb.
• Общие вопросы измерений, 218.32kb.
• Программа по оказанию информационно-консультационных услуг: «Эталонные и рабочие средства, 110.06kb.
• Инструкция Приборы для измерений климатических параметров «Метео-10» Методика поверки, 92.72kb.
• Цена дипломной работы с чертежом 500 рублей содержание, 48.91kb.
• Зволяет производить измерения давления в топливной системе почти на всех автомобилях, 517.38kb.
• Эталонная установка для комплексного измерения акустических параметров в конденсированных, 80.86kb.

1.3.3.11 Оптические расходомеры.

Оптическими называются расходомеры, основанные на зави­симости от расхода вещества того или другого оптического эф­фекта в потоке. Имеется несколько разновидностей этих при­боров:

1) допплеровские расходомеры, основанные на измерении раз­ности частот, возникающей при отражении светового луча дви­жущимися частицами потока;

2) расходомеры, основанные на эффекте Физо—Френеля, в ко­торых измеряется какой-либо параметр (сдвиг интерференцион­ных полос или сдвиг частоты световых колебаний), связанный с зависимостью скорости света в движущемся прозрачном веще­стве от скорости последнего;

3) расходомеры, основанные на особых оптических эффектах, например, зависимости оптических свойств фибрового световода от скорости обтекающего его потока;

4) расходомеры, основанные на измерении времени перемеще­ния на определенном участке пути оптической метки, введенной в поток;

5) корреляционные оптические расходомеры.

Иногда оптическими расходомерами называют приборы, опре­деляющие расход жидкости, вытекающей из емкости путем из­мерения оптическими методами высоты уровня в нем или же путем измерения интенсивности выхода из емкости флуоресцирующих частиц, предварительно введенных в жидкость и распределенных в ней равномерно.

Развитие основных разновидностей оптических расходомеров стало возможно после создания мощных и надежных оптических квантовых генераторов ОКГ, часто называемых лазерами, в свя­зи с чем оптические расходомеры нередко называют лазерными.

Оптические расходомеры имеют много достоинств: высокие точность и быстродействие, отсутствие контакта с измеряемым веществом и ряд других. Они применяются для оптически про­зрачных жидкостей, к которым относятся вода, керосин, бензин, спирт, четыреххлористый углерод, растворы серной и азотной кислот, а также для газов.

Основные среди рассматриваемых оптических приборов — доп­плеровские. Они применяются главным образом для измерения местных скоростей жидкости и газа в различных исследовательских работах по изучению турбулентности, снятию поля скорос­тей. Для измерения расхода они применяются реже. При­боры же, основанные на эффекте Физо—Френеля, предназначе­ны именно для измерения расхода. Оптические расходомеры и ско­ростемеры обычно применяются в трубах небольшого диаметра.

Доплеровские расходомеры и скоростемеры.

Принцип действия. Принцип действия допплеровских опти­ческих и акустических (ультразвуковых) расходомеров и скорос­темеров один и тот же. Эти приборы основаны на измерении раз­ности частот.

Устройство допплеровских оптических скоростемеров. Ряд принципиальных схем допплеровских оптических анемометров изображен на рисунке1.68 (а—г).



Рисунок 1.68 - Схемы допплеровских скоростемеров

Первая по времени схема Иэха и Каммингса показана на рисунке1.68 (а). Луч, образованный ла­зером ОКГ и сфокусированный линзой Л1 в точке О, отражает часть своей энергии, которая собирается линзой ЛЗ и направля­ется зеркалом З1 через диафрагму D на фотокатод фотоэлектрон­ного умножителя ФЭУ, куда также поступает луч от линзы Л2 через полупрозрачное зеркало П3, 32 — второе зеркало. Недостаток схемы — трудность регулирования положения рабочей точки О. Другие схемы, изображенные на рисунке 1.68, лишены этого недостатка. У них разделение луча происходит до входа в поток, что поз­воляет легко менять положение рабочей точки. На рисунке 1.68 (б) луч после выхода из ОКГ падает на полупрозрачное зеркало П3 и частично отражается последним, образуя опорный луч, прохо­дящий через линзу Л1, затем через жидкость перпендикулярно движению последней без допплеровского сдвига, и через диа­фрагму D поступает на фотокатод ФЭУ. Другая же часть луча, идущего из ОКГ, проходит через зеркало П3, фокусируется линзой Л2 в рабочей точке О, где частично рассеивается, образуя рабочий луч, проходящий через диафрагму D и поступающий на фотокатод ФЭУ. Передвижением зеркала 3 можно регулировать положение рабочей точки О.

В схеме Крейда и Гольдштейна (1967 г.) , показанной на рисунке 1.68(в), луч после выхода из ОКГ разделяется полупрозрач­ным зеркалом П3 на две части, отражающиеся затем от зеркал 31 и 32 и фокусируемые линзами Л1 и Л2 в рабочей точке О, проходят через поток симметрично относительно его оси. Луч (опорный), прошедший через линзу Л2, не меняя своего направ­ления, собирается линзой ЛЗ, проходит через диафрагму D и по­ступает к ФЭУ. Луч же, прошедший через линзу Л1, частично рассеивается в рабочей точке О и с допплеровским сдвигом также поступает через линзу ЛЗ и диафрагму D к ФЭУ.

На рисунке 1.68(г) показана схема Рудда (1969 г.), в ней луч из ОКГ разделяется полупрозрачным зеркалом п3 на две части, про­ходящие через диафрагму D1 и большую линзу Л1, которая фо­кусирует их в одной рабочей точке О. Затем оба луча собираются линзой Л2 и через диафрагму D2 поступают к ФЭУ. В этой схеме каждый из поступающих к ФЭУ лучей содержит и опорный и рабочий сигналы. Луч 1^/ как продолжение луча 1 будет опор­ным, но вместе с ним на ФЭУ приходит рассеянная часть луча 2 с допплеровским сдвигом. То же относится и к лучу 2^/.

Как видно из приведенных схем, оптические анемометры со­стоят из источника излучения, затем оптического устройства, образующего наряду с опорным и рабочий луч с допплеровским сдвигом частот и приемно-измеряющего этот сдвиг устройства.

Схемы оптических устройств у анемометров и расходомеров Допплера, как это видно из рисунка 1.68, могут быть весьма различны­ми. В большинстве случаев источник излучения и фотоприемное устройство располагаются на противоположных сторонах трубы, несмотря на то, что при этом требуется весьма жесткая опорная конструкция, обеспечивающая неизменность положения оптичес­кой системы. Но при необходимости вся система может нахо­диться с одной стороны. Однако в этом случае требуются более мощный источник излучения и более чувствительная измеритель­ная схема, потому что здесь на фотоприемник поступают отра­женные лучи, направленные в сторону, противоположную дви­жению потока. Их интенсивность в сотни и тысячи раз меньше лучей, отражаемых по направлению потока.

На рисунке 1.69 показана схема прибора, измеряюще­го допплеровский сдвиг частот в нескольких точках.



Рисунок 1.69 - Схема многолучево­го допплеровского расходо­мера

Световой луч от лазера 1 падает на полупрозрачное зеркало 2. Часть луча отражается от зеркала и направляется непосредствен­но в поток 5, а другая часть поступает на зеркало 3 и затем на расщепитель 4, из которого выходит в виде ряда пучков. Послед­ние интерферируют с прямым пучком в отдельных точках пото­ка, проходят через линзу 6 и диафрагму 7 и поступают на протя­женный фотоприемник 8. Для получения измерительной инфор­мации применяется многоканальный быстродействующий анализатор 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 вращаю­щейся дифракционной решетки. Несколько иная схема мно­голучевого допплеровского измерителя приведена в работе.

Возможен еще и другой метод измерения расхода путем экспе­риментального определения с помощью ЛДС профиля скоростей и нахождения по нему средней скорости.

Если допплеровский оптический расходомер дополнить кор­ректором, учитывающим плотность измеряемого вещества, то можно обеспечить измерение массового расхода. Схема такого расходомера показана на рисунке1.70.



Рисунок 1.70 - Схема доплеровского измерителя массового расхода

Измеряемая жидкость про­ходит через диффузор 8, турбулизирующую сетку 9 и сужающее устройство 10, образующее на выходе в измерительную каме­ру 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 вы­ходное окно-мениск 3 входят в измеряемое вещество и фокусиру­ются на оси потока. В точке пересечения лучей образуется про­странственная интерференционная картина. Движущиеся частицы, рассеивая свет, модулируют его по интенсивности. Рассеян­ный свет проходит через окно 5 и поступает на фотодетектор 6, связанный с измерительным прибором 7.

Особые оптические расходомеры.

К особым оптическим расходомерам относятся приборы, осно­ванные на зависимости от расхода оптических свойств волокон­ного световода, находящегося в потоке измеря­емого вещества. В одном из таких расходоме­ров гелиево-неоновый лазер 1 рисунок 1.71, а соединен с волоконным световодом 2, проло­женным вдоль оси медной трубки 3 (диамет­ром 30 мм и длиной 500 мм), по которой дви­жется измеряемая жидкость.



Рисунок 1.71 - Схема опти­ческого расходомера с волоконным свето­водом, расположен­ным

Противополож­ный конец световода соединен с фотопреобра­зователем 4. Течение жидкости вызывает вибрацию волоконного световода, хотя и не­большую, но достаточную для возникновения фазовых изменений светового луча. Сигнал, вырабатываемый фотопреобразователем 4, после усиления, фильтрации и интегрирова­ния поступает к измерительному прибору. Рас­ходомер прост по устройству, но его точность невысока.

Лучшую точность можно ожидать от пре­образователя, состоящего из тонкого стекловолокнистого световода 6 рисунок 1.71 (б), натяну­того грузом 9 и расположенного поперек тру­бопровода 7. Нить проходит через уплотнения 8 и укреплена вверху в клеммодержателе 5. Источник света — гелиево-неоновый лазер. При движении измеряемого вещества с обеих сторон нити будут поочередно срываться вихри с часто­той, пропорциональной объемному расходу. Поэтому данный пре­образователь можно рассматривать как один из возможных ва­риантов преобразователей вихревых расходомеров. Срывы вих­рей вызывают вибрацию световода и, как следствие, фазовую мо­дуляцию проходящего через него светового луча, воспринимаемую фотодетектором. Опыты проводили на трубе диаметром 25 мм. Применялись световоды из стекловолокна, а также волокна из другого светопроводящего материала, имевшие диаметры внут­ренний 0,3 и 0,2 мм и наружный с оболочкой 0,56 и 0,25 мм соответственно. При изменении скорости воды от 0,3 до 3,0 м/с наблюдалось пропорциональное измерение частоты выходного сиг­нала от 200 до 2200 Гц.