Оптические, лазерные расходомеры

Оптические расходомеры – это расходомеры, основанные на зависимости от расхода вещества того или иного оптического эффекта в потоке. Существуют следующие разновидности этих приборов: допплеровские расходомеры (принцип их работы основан на измерении разности частот, появляющейся при отражении светового луча движущимися частицами потока); расходомеры, основанные на эффекте Физо-Френеля (в них измеряется сдвиг интерференционных полос или частоты световых колебаний, связанный с зависимостью скорости света в движущемся прозрачном веществе от его скорости); особые оптические расходомеры; корреляционные оптические расходомеры; расходомеры, основанные на измерении времени перемещения на определённом участке пути оптической метки, введённой в поток. Оптические расходомеры часто называют лазерными, так как развитие их основных разновидностей стало возможным после создания мощных оптических квантовых генераторов (ОКГ), которые чаще называют лазерами. Допплеровские оптические расходомеры являются основными среди рассматриваемых оптических приборов. В основном они применяются для измерения местных скоростей жидкости и газа. Для измерения расхода они применяются реже, в отличие от приборов, основанных на принципе Физо-Френеля, которые предназначены только для измерения расхода. Оптические расходомеры обычно применяют в трубах небольшого диаметра. Допплеровские расходомеры. Принцип действия расходомеров данного типа основан на измерении разности частот, возникающих при отражении светового или звукового луча движущимися частицами потока.

Свет отражается (или рассеивается) от большого числа естественных или искусственных неоднородностей измеряемого вещества. Вследствие чего на приёмник будет поступать сигнал, содержащий случайные составляющие спектра, так как характер сложения амплитуд и фаз элементарных отражений случайный. Хотя мощность сигнала не велика, но этого достаточно для измерения допплеровского сдвига. Схемы оптических устройств у анемометров и расходомеров Допплера могут быть различны. Чаще всего 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. При необходимости всю система можно расположить с одной стороны, но в этом случае потребуются более мощный источник излучения и более чувствительная измерительная схема, так как здесь на фотоприемник поступают отраженные лучи, направленные в сторону, противоположную движению потока, интенсивность которых в сотни и тысячи раз меньше лучей, отражаемых по направлению потока. Измерение допплеровского сдвига частоты при обычных скоростях основано на измерении частоты биений двух когерентных оптических сигналов, из которых один опорный, а другой рассеиваемый неоднородностями движущегося вещества. Устройство допплеровских оптических скоростемеров. Схема Иэха и Каммингса (первая по времени):

Принцип действия этой схемы основан на том, что луч, образованный оптическим квантовым генератором ОКГ и сфокусированный в точке О линзой Л1, отражает часть своей энергии, которая собирается линзой Л3 и направляется зеркалом З1 через диафрагму D на фотокатод фотоэлектронного умножителя ФЭУ. Но данная схема обладает существенным недостатком, заключающимся в трудности регулирования положения рабочей точки О.

Данная схема лишена недостатка предыдущей, так как разделение луча происходит до входа в поток, благодаря чему можно легко менять положение рабочей точки. Принцип действия: луч после выхода из ОКГ падает на полупрозрачное зеркало ПЗ и частично отражается им, образуя опорный луч, проходящий через линзу Л1, затем через жидкость (перпендикулярно её движению без допплеровского эффекта) и через диафрагму D поступает на фотокатод ФЭУ. Из ОКГ идёт другая часть луча, которая проходит через зеркало ПЗ, фокусируется линзой Л2 в рабочей точке О (частично рассеиваясь) и образует рабочий луч, проходящий через диафрагму D, и поступает на фотокатод ФЭУ. Положение рабочей точки О регулируется передвижением зеркала З. Измерение расхода с помощью эффекта Допплера.

Рисунок 3. Схема допплеровского расходомера ЛДР-100:

(1 — лазер; 2 — поворотные зеркала; 3 — полуволновая фазовая пластинка; 4 — коллиматор; 5 — призмы; 6 — расширитель пучка; 7 — выходной объектив; 8 — сопло Витошинского; 9, 10 — объективы приемного блока; 11 — фотоприемник). Для измерения расхода оптическими средствами с помощью эффекта Допплера применяют два метода: Этот метод состоит в измерении с помощью лазерного допплеровского анемометра средней скорости потока и умножении результата измерения на площадь потока; Применение лазерного допплеровского расходомера особой конструкции. При первом методе измеряется местная скорость (при известном её соотношении со средней скоростью). Скорость измеряют в центре трубы или на расстоянии 0,758r (где r — внутренний радиус трубы) от оси трубы. Во втором случае измеряется непосредственно средняя скорость, но здесь требуется большая длина прямого участка трубы, чем при измерении скорости в центре. Также затрудняющего измерение средней частоты допплеровского сигнала из-за большого градиента скорости в данной точке, который приводит к нежелательному расширению спектра этого сигнала. Точка в центре трубы не имеет данного недостатка. Но для измерения скорости в данной точке необходимо знать коэффициент гидравлического трения трубы. Требования, которые необходимо соблюдать при измерении скорости в одной точке, а также погрешности площади сечения трубопровода приведены в п. 5.3 ГОСТа 8.361—79. Для снижения погрешности измерения средней скорости и погрешности измерения площади потока в трубе устанавливают сужающее устройство типа сопла Витошинского, которое формирует равномерное поле скоростей. При этом может быть получена высокая точность измерения расхода, близкая к точности образцовых расходомерных установок. При втором методе необходимы устройства, позволяющие или одновременно измерять допплеровский сдвиг частот в нескольких точках, расположенных на разных расстояниях от оси трубы, или же делать эту операцию последовательно, например с помощью двигателя, который с постоянной скоростью передвигает фокусирующую линзу и, следовательно, перемещает рабочую точку [1]. На рисунке 3 показана схема прибора, измеряющего допплеровский сдвиг частот в нескольких точках. На полупрозрачное зеркало 2 падает световой луч от лазера 1. Часть луча, отражённая от зеркала, направляется непосредственно в поток 5, а другая часть поступает на зеркало 3 и затем на расщепитель 4, из которого выходит в виде ряда пучков. Эти пучки интерферируют с прямым пучком в отдельных точках потока. Проходя через линзу 6 и диафрагму 7, они поступают на протяженный фотоприемник 8. Для получения измерительной информации применяется многоканальный быстродействующий анализатор спектра либо многолучевой допплеровский измеритель с частотным сдвигом пучков, в котором осуществляется как пространственное, так и частотное разделение световых пучков с помощью вращающейся дифракционной решетки. Обеспечить измерение массового расхода можно дополнив допплеровский оптический расходомер корректором, который учитывает плотность измеряемого вещества.