УСТРОЙСТВО ОПТИКО-ЛАЗЕРНОЙ ДИАГНОСТИКИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ГИДРОПОТОКОВ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать кинематические характеристики гидропотока. Полезная модель может использоваться в фундаментальных и прикладных исследованиях в экспериментальной гидродинамике. Возможно применение в технологических процессах (химических и каталитических реакций), океанологии, изучении атмосферных явлений, а также ряде других областей науки и промышленных технологий, связанных с необходимостью прецизионных невозмущающих измерений кинематических характеристик гидросреды.
Широко распространенными оптическими способами бесконтактного измерения скорости различных течений жидкости и газа являются лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА) (Laser Doppler Anemometry - LDA), позволяющая измерять скорости сопутствующих потоку частиц в фиксированной точке течения [Albrecht H.-E., Borys M., Damascke N., Тrореа С.Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques. Berlin: Springer. 2003. 738 p.], и цифровая трасерная визуализация - PIV (Particle image velocimetry), используемая для анализа поля скорости потока в фиксированном сечении по трекам частиц [M.Raffel, C.E.Willert, J. Kompenhans. Particle Imaging Velocimetry. Berlin: Springer-Verlag. 2001. 269 p.].
Методы лазерной диагностики параметров движения жидкостей основаны на явлении рассеяния лазерного излучения оптическими неоднородностями. Рассеяние наряду с поглощением является основной особенностью, определяющей распространение света в воде [К.Барен, Д.Хафмен. Поглощение и рассеяние света малыми частицами (пер. с англ.) - М.: Мир, 1986, 660 с.]. Теоретическое и экспериментальное исследование проблемы рассеяния в жидкой среде сталкивается со значительными трудностями. Они вызваны, в частности, тем фактом, что рассеяние в жидкости является суммарным эффектом двух разных процессов: поглощения лазерного излучения самой водой и рассеяния света частицами, находящимися в воде.
При работе с гидродинамическими потоками и выборе необходимых методов важно знать характеристики рассеяния лазерного излучения в рабочей среде.
Кроме того, свойства рассеянного излучения могут существенно изменяться в ходе гидродинамического эксперимента, например, при покрытии засеивающих частиц микроорганизмами, что приведет к изменению как диаграммы рассеивания, так и интенсивности рассеянного частицами излучения, что в свою очередь приведет у уменьшению количества регистрируемых событий (методами LDA и PIV) и, соответственно, к уменьшению частотных характеристик регистрируемого нестационарного потока. Таким образом, пробоотбор взвеси засеивающих частиц для контроля рассеянного излучения, позволит скорректировать параметры регистраторов событий, а также даст информацию о точности и области применения оптических методов диагностики потоков.
Известны способ и устройство измерения скорости, размеров и концентрации частиц в потоке [Патент GB 2480440, 30.06.2010, G06T 7/20], основанные на совместном использовании преимуществ LDA и PIV. Изобретение позволяет одновременно проводить измерения потока и частиц (как сферических, так и не сферических до нано/микро размеров) и обеспечивает высокую скорость обработки полученных изображений за счет использования высокоскоростного приемника изображений.
Изобретение не предназначено для исследования нестационарных закрученных потоков и не анализирует динамическую диаграмму рассеивания взвеси частиц в гидропотоке.
Известно устройство, описанное в работе [Окулов В.Л., Наумов И.В., Соренсен Ж.Н. Особенности оптической диагностики пульсирующих течений» // Журнал технической физики, 2007, том 77, вып.5, стр.47-57], основанное на одновременном применении LDA и PIV и используемое для диагностирования закрученного течения в цилиндре с осциллирующим пузырем. Устройство включает цилиндрический контейнер с вращающейся крышкой, Nd:YAG лазер, цилиндрические линзы, CCD камеру, Dantec 1500 FlowMap процессор обработки изображений, персональный компьютер, аргоновый лазер, LDA оптический зонд, BSA57N2 процессор. Устройство использовалось для исследования модельного течения, создаваемого с помощью вращающейся крышки в цилиндрическом контейнере. Технические характеристики устройства не позволяют получать детальное поле скорости при высокочастотных пульсациях потока в течение длительного времени.
Наиболее близким к заявленному является устройство бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений, основанное на совместном использовании LDA и PIV, [Патент РФ №121082, 10.05.2012 г., МПК G01P 5/00, G01P 5/26, G06T 7/20], включающее источник лазерного излучения - импульсный лазер, технические характеристики которого составляют: энергия импульса - не менее 120 мДж, частота срабатывания - не менее 16 Гц, приемник изображений засеянных частиц - две CCD камеры с частотным разрешением от 8 до 16 Гц, расположенные под углом 30÷120° друг к другу и под углом 15÷60° к оси канала за ротором ветро- или гидро-агрегата, с оптическими узкополосными фильтрами, процессор обработки изображений), лазерный анемометр с оптическим зондом, выполненный на аргоновом лазере и процессоре обработки доплеровских сигналов, и персональный компьютер.
При работе с гидродинамическими потоками в аналогах и прототипе не учитывают изменения свойств рассеянного излучения, которые могут существенно изменяться в ходе гидродинамического эксперимента, что приводит к ошибке измерения характеристик гидропотока вследствие уменьшения количества регистрируемых событий и, соответственно, уменьшения частотных характеристик регистрируемого нестационарного потока.
Цель полезной модели - повышение эффективности проведения измерений динамических характеристик нестационарного потока за счет учета изменения оптических свойств исследуемой среды, и тем самым повышение эффективности использования измерительного оборудования.
Указанная цель достигается тем, что в известное устройство, основанное на использовании двух оптических систем (LDA и PIV), вводят дополнительный модуль, что позволяет эффективно разместить относительно лазерного ножа, изменяя угол между CCD камерами, регистрирующие изображение камеры в зависимости от диаграммы рассеивания взвеси калибровочных частиц, а также подстраивать алгоритмы обработки сигналов под изменение интенсивности и диаграммы рассеивания частиц в ходе эксперимента, что в свою очередь позволяет адаптивно корректировать чувствительность регистрирующих изображение камер, и пороговый уровень обнаружения сигнала, и, таким образом, улучшать частотные характеристики регистрирующей аппаратуры, поскольку при этом обеспечивается стабильно большое количество регистрируемых частиц.
Таким образом, повышается эффективность измерений характеристик нестационарного гидропотока за счет учета изменения свойств регистрируемого рассеянного излучения, которые существенно меняются в ходе продолжительного гидродинамического эксперимента, приводя к ошибке измерения, вследствие уменьшения количества регистрируемых событий. Повышение эффективности измерений позволяет говорить об эффективности использования измерительного оборудования.
2
2
2
Согласно полезной модели устройство бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных гидропотоков, основанное на совместном использовании ЛДА и PIV и включающее лазерный допплеровский анемометр с оптическим зондом, процессор обработки доплеровских сигналов, две CCD камеры, установленные под углом друг к другу и симметрично относительно «лазерного ножа», две оптические призмы, заполненные водой, процессор обработки изображений, персональный компьютер, дополнительно включает корректирующий модуль пробоотбора взвеси частиц, содержащий цилиндрическую кювету из оптически прозрачного материала, например, стекла, для размещения образца рабочей жидкости, лазерный излучатель с длинной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или лазерного допплеровского анемометра, шесть и более фотоприемников, установленных вокруг цилиндрической кюветы в плоскости, проходящей через ось лазерного излучателя и перпендикулярной оси кюветы, под углом А относительно друг друга, при этом крайняя фотокамера установлена под углом А относительно оси лазерного излучателя, причем угол А выбирают таким образом, чтобы обеспечить измерение интенсивности излучения в диапазоне от 0° до 180°.
На фиг.1 схематически показано изображение устройства бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарного гидропотока.
На фиг.2 схематически показан корректирующий модуль пробоотбора взвеси калибровочных частиц.
1
2
Где: 1 - исследуемое течение; 2 - CCD камеры; 3 - процессор обработки изображений; 4 - персональный компьютер; 5 - лазерный доплеровский анемометр (ЛДА) с оптическим зондом; 6 - процессор обработки доплеровских сигналов; 7 - корректирующий модуль пробоотбора взвеси калибровочных частиц.; 8 - оптические призмы, заполненные водой; 9 световое сечение - «лазерный нож»; 10 - стеклянная цилиндрическая кювета; 11 - лазерный излучатель; 12 - фотоприемники, регистрирующие рассеянное излучение; A - угол между CCD камерами; А - угол расположения фотоприемников относительно друг друга.
1
В устройстве объединены два измерительных комплекса LDA и PIV. Устройство оптико-лазерной диагностики нестационарных гидропотоков 1 включает две CCD камеры 2, установленные под углом A друг к другу, две оптические призмы 8, процессор обработки изображений 3 для синхронизации осветительной системы, формирующей «лазерный нож» 9, и CCD камер, лазерный доплеровский анемометр с оптическим зондом 5, процессор обработки доплеровских сигналов 6, преобразующий электрический сигнал от зонда в информацию о пульсациях скорости, и модуль пробоотбора 7 для контроля интенсивности излучения.
2
2
2
Корректирующий модуль пробоотбора 7 включает цилиндрическую кювету 10 из оптически прозрачного материала, например, стекла, предназначенную для размещения образца (пробы) рабочей жидкости, лазерный излучатель 11 с длинной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или ЛДА, шесть и более фотоприемников 12, расположенных вокруг цилиндрической кюветы 10 под углом А относительно друг друга, причем крайняя фотокамера установлена под углом А относительно оси лазерного излучателя. Угол А выбирают таким образом, чтобы обеспечить измерение интенсивности излучения в диапазоне от 0° до 180°. Полученную в результате измерений информацию накапливают и обрабатывают с помощью специального программного обеспечения в персональном компьютере 4.
Устройство работает следующим образом.
Настационарный вихревой поток засеивают светоотражающими частицами, либо используют естественные светорассеиватели, присутствующие в потоке.
1
Перед началом исследования образец рабочей жидкости из области измерения течения 1 помещают в кювету 10 корректирующего модуля пробоотбора и освещают лазерным излучателем 11. Распределения интенсивности рассеянного лазерного излучения взвеси засеивающих частиц регистрируют фотоприемниками 12, расположенными вокруг кюветы 10 под углом Аз относительно друг друга. Данные записывают в течение непродолжительного времени, составляющего 30-60 секунд, а затем определяют среднее значение интенсивности для каждого углового приемного канала. Таким образом, угол размещения камер A определяют с учетом рассеивающих свойств гидропотока для обеспечения максимального по интенсивности регистрируемого сигнала.
1
CCD камеры 2 устанавливают под углом A друг к другу и симметрично относительно «лазерного ножа» 9. Расположение камер под углом к световому сечению, позволяет использовать узел независимой регулировки приемного объектива и регистрирующей изображение ПЗС матрицы камеры для того, чтобы обеспечить фокусировку всей области светового сечения на плоскости ПЗС матрицы. Оптические призмы, заполненные водой и установленные между камерой и стенкой канала, позволяют уменьшить искажения, что обеспечивает параллельность плоскости матрицы камеры и границы раздела сред воздух-стекло-вода или воздух-стекло-воздух. Геометрия оптических призм рассчитывается в зависимости от углов установки камер. Для измерения локального распределения среднего значения и флуктуации компонент скорости во времени используют лазерный доплеровский анемометр с оптическим зондом 5. ЛДА с оптическим зондом 5 преобразует флуктуации интенсивности регистрируемого светового потока в электрический сигнал, который поступает в процессор обработки доплеровских сигналов 6, где преобразуется в информацию о пульсациях скорости.
Исследуемое нестационарное течение 1 освещают когерентным лазерным светом - "лазерным ножом" 9. Изображения засеянных частиц в потоке записывают двумя CCD камерами 2.
В ходе длительного эксперимента, более 3-х часов, в результате покрытия засеивающих частиц пленками и колониями биологических микроорганизмов, что ведет к изменению диаграммы интенсивности рассеянного частицами излучения, уменьшается число регистрируемых событий (методами LDA и PIV) и ухудшается частотное разрешение характеристик регистрируемого нестационарного потока.
При уменьшении регистрируемых событий, либо через каждые 3 часа берут пробу из области измерения и помещают в кювету 10 корректирующего модуля пробоотбора. С помощью корректирующего модуля пробоотбора 7 осуществляют анализ пространственных характеристик рассеянного излучения и изменения светорассеивающих характеристик взвеси засеивающих гидропоток частиц и вносят корректировки по уровню чувствительности регистрирующих изображение CCD камер.
За счет внесения корректировок меняют пороговый уровень обнаружения сигнала и, таким образом, обеспечивают стабильно большое количество регистрируемых частиц в течение длительного времени, что позволяет эффективно использовать измерительное оборудование и проводить измерения с учетом изменения оптических свойств исследуемой среды.
Полученную информацию накапливают и обрабатывают в персональном компьютере 4 с помощью специального программного обеспечения.
Использование двух оптических измерительных систем: LDA и PIV совместно с корректирующим модулем пробоотбора позволяет эффективно проводить диагностику нестационарных режимов вихревых течений и тем самым эффективно использовать измерительное оборудование.
Обоснование промышленной применимости.
Были проведены исследования на модельном течении. Течение создавалось с помощью вращающейся крышки в замкнутом цилиндрическом контейнере. Поток засеивался частицами PSP (50 мкм) фирмы DANTEC (Дания). Для диагностики течения использовалось измерительное оборудование фирмы Dantec. В качестве осветителя для формирования «лазерного ножа» применялся Nd: YAG импульсный лазер с характеристикам: 120 мДж энергии в импульсе, длина волны 532 нм, частота срабатывания 16 Гц. Регистрация изображения производилась на две CCD камеры Dantec HiSense II с разрешением 1344×1024 пикселов, которые устанавливались под разными углами друг к другу. Использовалось программное обеспечение PIV - Dantec Dynamic Studio Version 2.21.
После 12 часов эксперимента интенсивность рассеянного излучения уменьшилась на 20%, что привело к уменьшению регистрируемых событий с 300 частиц в секунду до 100, что в свою очередь привело к уменьшению частотных характеристик регистрируемого нестационарного потока. Регулировка порогового детектора полезного сигнала по измеренной интенсивности фотоприемников корректирующим модулем пробоотбора позволила увеличить количество регистрируемых частиц до первоначального значения, 300 частиц в секунду.
Проведенные исследования показали, что использование двух оптических измерительных систем: LDA и PIV, совместно с корректирующим модулем пробоотбора, позволяет не только эффективно диагностировать мгновенную структуру трехмерного поля скорости, но и проводить измерения нестационарных характеристик потока с учетом изменения диаграммы рассеивания и чувствительности приемного оборудования.