СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОЙ ОПТИКО-ЛАЗЕРНОЙ ДИАГНОСТИКИ НЕСТАЦИОНАРНОГО ГИДРОПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
CONTACTLESS OPTICAL-LASER DIAGNOSTICS OF TRANSIENT HYDRAULIC FLOW AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать кинематические характеристики гидропотоков. Изобретение может использоваться в фундаментальных и прикладных исследованиях в экспериментальной гидродинамике. Возможно применение в технологических процессах (химические и каталитические реакции), океанологии, изучении атмосферных явлений, а также ряде других областей науки и промышленных технологиях, связанных с необходимостью прецизионных невозмущающих измерений кинематических характеристик гидросреды.
Широко распространенными оптическими способами бесконтактного измерения скорости течений жидкости и газа являются лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА), позволяющая измерять скорости сопутствующих потоку частиц в фиксированной точке течения [Albrecht Н.-Е., Borys M., Damascke N., Тгореа С. Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques. Berlin: Springer. 2003. 738 p.], и цифровая трассерная визуализация - PIV (particle image velocimetry), 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. Такими неоднородностями являются сопутствующие потоку инородные (засеивающие поток) частицы-трассеры, показатель преломления которых отличается от показателя преломления окружающей среды. При этом взаимодействие света и вещества носит случайный характер. При регистрации рассеянного света неизбежны флуктуации сигналов, обусловленные как ограниченной когерентностью световых полей, так и корпускулярным характером носителей информации - фотонов [Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами: Пер. с англ. - М.: Издательство иностранной литературы. Ил. - 1961. - 536 с.].
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.
Гидродинамическую среду необходимо рассматривать как совокупность частиц, перерассеивающих лазерное излучение, и учитывать поглощающие свойства гидросреды. Необходимо знать как отражающие свойства взвешенных в исследуемой гидросреде частиц, так и их диаграмму рассеивания и зависимость интенсивности рассеянного излучения от их размера. Пространственная структура рассеянного излучения при этом зависит от размера и формы частицы, коэффициента преломления по отношению к внешней среде, длины волны падающего светового излучения. Поэтому при работе с гидродинамическими потоками и выборе необходимых методов важно знать характеристики рассеяния лазерного излучения в рабочей среде. Кроме этого, 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 ЛДА и PIV) и, соответственно, к уменьшению диапазона частотных характеристик регистрируемого нестационарного потока. Таким образом, динамический пробоотбор взвеси засеивающих частиц позволит скорректировать параметры исследуемого явления, 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 ЛДА и PIV. Изобретение позволяет одновременно проводить измерения потока и частиц (как сферических, так и не сферических до нано/микроразмеров) и обеспечивает высокую скорость обработки полученных изображений за счет использования высокоскоростного приемника изображений.
Изобретение не предназначено для исследования нестационарных гидропотоков и не анализирует динамическую диаграмму рассеивания взвеси частиц в гидропотоке.
Известны способ и устройство, описанные в работах [Наумов И.В., Окулов В.Л., Майер К.Е., Соренсен Ж.Н., Шен В. LDA-PIV диагностика и 3-х мерный расчет пульсирующего закрученного потока в цилиндрическом контейнере //Теплофизика и аэромеханика, 2003. Т.10(2). С.151-156] и [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], основанные на одновременном применении ЛДА и PIV и используемые 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, ЛДА оптический зонд, BSA57N2 процессор. Вихревое течение создавали с помощью вращающейся крышки в цилиндрическом контейнере. С помощью ЛДА измеряли осевую компоненту скорости. На основе анализа временной реализации осевой компоненты скорости определяли временной интервал осреднения мгновенных полей скорости, полученных методом PIV. Поле скорости вычисляли путем статистического осреднения четырех PIV-образов течения, полученных с временной задержкой t=0,T,2T и 3Т, где Т - полный период колебаний вихревой структуры, генерируемой в цилиндрическом контейнере. Такое кратно-периодическое осреднение мгновенных полей скорости позволило уменьшить случайную ошибку измерений. Однако способ не позволяет анализировать динамическую диаграмму рассеивания взвеси частиц в гидропотоке.
Наиболее близким к заявленному устройству является устройство бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений, основанное на совместном использовании ЛДА 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 гидроагрегата, с оптическими узкополосными фильтрами, процессор обработки изображений, лазерный анемометр с оптическим зондом, выполненный на аргоновом лазере и процессоре обработки доплеровских сигналов, и персональный компьютер.
1
2
Наиболее близким к заявленному способу является способ, реализуемый устройством [Патент РФ №121082, 10.05.2012 г., МПК G01P 5/00, G01P 5/26, G06T 7/20], включающий измерение ЛДА осевой компоненты скорости, определение временного интервала осреднения мгновенных полей скорости, полученных методом PIV, и вычисление поля скорости путем статистического осреднения мгновенных полей скорости, причем изображения засеянных частиц в потоке записывают двумя CCD камерами, установленными под углом α друг к другу и углом α к оси канала за ротором, что обеспечивает фокусировку всей области светового сечения на плоскости ПЗС матрицы.
Указанное устройство для реализации способа позволяет записывать изображения через временной интервал для большего, чем у аналога [Наумов И.В., Окулов B.Л., Майер К.Е., Соренсен Ж.Н., Шен В. LDA-PIV диагностика и 3-х мерный расчет пульсирующего закрученного потока в цилиндрическом контейнере // Теплофизика и аэромеханика, 2003. Т.10(2). С.151-156] и [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], числа моментов времени внутри полного периода пульсаций вихревой структуры и, соответственно, проводить статистическое осреднение для большего числа точек, что существенно повышает точность измерения кинематических характеристик нестационарного гидропотока.
При работе с гидродинамическими потоками в аналогах и прототипах не анализируют диаграмму рассеивания и интенсивность рассеянного частицами излучения в ходе эксперимента, которая может 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 изобретения - повышение эффективности диагностики нестационарного гидропотока путем 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 (ЛДА и PIV), вводят дополнительный модуль - корректирующий модуль пробоотбора взвеси калибровочных частиц, что позволяет эффективно разместить относительно лазерного ножа регистрирующие изображение камеры в зависимости от диаграммы рассеивания взвеси калибровочных частиц, а также подстраивать в ходе эксперимента алгоритмы обработки сигналов под изменение интенсивности и диаграммы рассеивания частиц, 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.
1
2
1
2
Согласно изобретению в способе бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарного гидропотока, основанном на совместном использовании ЛДА и PIV, включающем определение полного периода пульсаций вихревой структуры гидропотока и временного интервала между сериями изображений, фиксирование CCD камерами в выбранном сечении «лазерного ножа», запись через заданный временной интервал изображений засеянных частиц и статистическое осреднение мгновенных полей скорости, перед началом диагностики гидропотока вычисляют угол А оптимального расположения CCD камер относительно друг друга с учетом рассеивающих свойств гидропотока путем помещения образца рабочей жидкости из области измерения в цилиндрическую кювету корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц, выполненную из оптически прозрачного материала, например, стекла, освещения образца рабочей жидкости лазерным излучением с длиной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или лазерного доплеровского анемометра, регистрации в течение 30-60 секунд распределения интенсивности рассеянного лазерного излучения взвеси засеивающих частиц шестью или более фотоприемниками, установленными в одной плоскости, проходящей через ось лазерного излучателя и перпендикулярно оси кюветы, под углом А относительно друг друга так, что обеспечивается измерение интенсивности излучения в диапазоне от 0 до 180°, и расчета среднего значения интенсивности для каждого углового приемного канала, и устанавливают CCD камеры под углом А друг к другу и симметрично относительно «лазерного ножа», измерения с определением полного периода пульсаций вихревой структуры Т проводят в 2-х или более фиксированных точках нестационарного гидропотока, изображения засеянных частиц в потоке в выбранном сечении «лазерного ножа» фиксируют двумя CCD камерами, принимающими отраженный частицами и прошедший через заполненные водой оптические призмы свет, и записывают через заданный временной интервал Т/n для n=2÷16 моментов времени внутри полного периода пульсаций вихревой структуры T, статистическое условное осреднение мгновенных полей скорости выполняют для n=2÷16 моментов времени выборкой полей скорости, полученных с временной задержкой t=0,T,2T,… и (m-1)T, где m - число необходимых для повышения точности измерений мгновенных полей скорости, при уменьшении регистрируемых событий на 10% или более, либо через 3 часа с начала диагностики корректирующим модулем пробоотбора взвеси калибровочных частиц проводят анализ пространственных характеристик рассеянного излучения и изменения светорассеивающих характеристик взвеси засеивающих гидропоток частиц путем помещения образца рабочей жидкости из области измерения в цилиндрическую кювету корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц, выполненную из оптически прозрачного материала, например, стекла, освещения образца рабочей жидкости лазерным излучателем с длиной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или лазерного доплеровского анемометра, регистрации в течение 30-60 секунд распределения интенсивности рассеянного лазерного излучения взвеси засеивающих гидропоток частиц шестью или более фотоприемниками, установленными в плоскости, проходящей через ось лазерного излучателя и перпендикулярно оси кюветы, под углом A относительно друг друга так, что обеспечивается измерение интенсивности излучения в диапазоне от 0° до 180°, и расчета среднего значения интенсивности для каждого углового приемного канала, вносят корректировки по уровню пороговой чувствительности регистрирующих изображение CCD камер, причем анализ пространственных характеристик рассеянного излучения и изменения светорассеивающих характеристик взвеси засеивающих гидропоток частиц с помощью корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц с внесением корректировок по уровню чувствительности регистрирующих изображение CCD камер повторяют в продолжение исследований при уменьшении регистрируемых событий на 10% или более, либо через каждые 3 часа.
2
Согласно изобретению в устройство для реализации способа бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарного гидропотока, основанное на совместном использовании ЛДА и PIV, включающее лазерный доплеровский анемометр с оптическим зондом, процессор обработки доплеровских сигналов, две CCD камеры, две оптические призмы, заполненные водой, процессор обработки изображений, персональный компьютер, дополнительно включен корректирующий модуль пробоотбора взвеси частиц, содержащий цилиндрическую кювету из оптически прозрачного материала, например, стекла, для размещения образца рабочей жидкости, лазерный излучатель с длиной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или лазерного доплеровского анемометра, шесть или более фотоприемников, установленных вокруг цилиндрической кюветы в плоскости, проходящей через ось лазерного излучателя и перпендикулярно оси кюветы, под углом А относительно друг друга так, что обеспечивается измерение интенсивности излучения в диапазоне от 0° до 180°.
Дополнительный модуль пробоотбора взвеси частиц позволяет определять изменение интенсивности и диаграммы рассеивания частиц, что позволяет корректировать параметры регистрирующих детекторов, адаптировать пороговый детектор обнаружения сигнала, и, таким образом, улучшать частотные характеристики регистрирующей аппаратуры, так как обеспечивается большее количество детектируемых 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.
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 - модуль пробоотбора взвеси калибровочных частиц.; 8 - оптические призмы, заполненные водой; 9 световое сечение - «лазерный нож»; A - угол между CCD камерами; 10 - стеклянная цилиндрическая кювета; 11 - лазерный излучатель; 12 - фотоприемники, регистрирующие рассеянное излучение; А - угол расположения фотоприемников относительно друг друга.
1
В устройстве объединены два измерительных комплекса ЛДА и PIV. Устройство оптико-лазерной диагностики нестационарного гидропотока 1 включает две CCD камеры 2, установленные под углом Адруг к другу, две оптические призмы 8, процессор обработки изображений 3 для синхронизации осветительной системы, формирующей лазерный нож 9, и 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
Модуль пробоотбора 7 включает цилиндрическую кювету 10 из оптически прозрачного материала, например, стекла, для размещения образца рабочей жидкости, лазерный излучатель 11 с длиной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или ЛДА, шесть или более фотоприемников 12, расположенных вокруг цилиндрической кюветы 10 под углом А относительно друг друга, причем крайняя фотокамера установлена под углом A относительно оси лазерного излучателя. Угол А выбирают таким образом, чтобы обеспечить измерение интенсивности излучения в диапазоне от 0 до 180°. Информацию накапливают и обрабатывают с помощью специального программного обеспечения в персональном компьютере 4.
Нестационарный гидропоток засеивают светоотражающими частицами, либо используют естественные светорассеиватели, присутствующие в потоке.
1
Перед началом исследования вычисляют угол A оптимального расположения CCD камер относительно друг друга с учетом рассеивающих свойств гидропотока с помощью корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц.
2
Образец рабочей жидкости из области измерения течения 1 помещают в кювету 10 корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц, изготовленную из оптически прозрачного материала, например, стекла, и освещают лазерным излучателем 11 с длиной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или лазерного доплеровского анемометра. Распределения интенсивности рассеянного лазерного излучения взвеси засеивающих частиц регистрируют шестью или более фотоприемниками 12, расположенными вокруг кюветы 10 в плоскости, проходящей через ось лазерного излучателя и перпендикулярной оси кюветы, под углом А относительно друг друга так, что обеспечивается измерение интенсивности излучения в диапазоне от 0 до 180°. Данные записывают в течение 30-60 секунд, а затем определяют среднее значение интенсивности для каждого углового приемного канала.
1
1
Вычисляют угол размещения CCD камер A и устанавливают CCD камеры 2 под углом A друг к другу. 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 8, 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.
Затем лазерным доплеровским анемометром с оптическим зондом 5 измеряют локальное распределение среднего значения и флуктуации компонент скорости во времени. Измерения с определением полного периода пульсаций вихревой структуры Т проводят в 2-х и более фиксированных точках гидропотока. 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.
Далее исследуемое нестационарное течение 1 освещают когерентным лазерным светом - "лазерным ножом" 9. Изображения засеянных частиц в потоке фиксируют двумя CCD камерами 2, принимающими отраженный частицами и прошедший через заполненные водой оптические призмы 8 свет, и записывают через заданный временной интервал Т/n для n=2÷16 моментов времени внутри полного периода пульсаций вихревой структуры Т. Статистическое условное осреднение мгновенных полей скорости выполняют для n=2÷16 моментов времени выборкой полей скорости, полученных с временной задержкой t=0, Т, 2Т,… и (m-1)Т, где m - число необходимых для повышения точности измерений мгновенных полей скорости.
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, уменьшает число регистрируемых событий (методами ЛДА и PIV) и ухудшает частотное разрешение характеристик регистрируемого нестационарного потока.
При уменьшении регистрируемых событий на 10% или более, либо через 3 часа с начала диагностики 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 пороговой чувствительности регистрирующих изображение CCD камер.
Затем в продолжение исследования при уменьшении регистрируемых событий на 10% или более, либо через каждые 3 часа повторяют процедуру анализа пространственных характеристик рассеянного излучения и изменения светорассеивающих характеристик взвеси засеивающих гидропоток частиц, включающую помещение образца рабочей жидкости из области измерения течения в кювету 10 корректирующего модуля пробоотбора 7, освещение образца рабочей жидкости лазерным излучателем 11, регистрацию распределения интенсивности рассеянного лазерного излучения взвеси засеивающих гидропоток частиц фотоприемниками 12, расположенными вокруг кюветы 10, запись данных в течение 30-60 секунд, анализ пространственных характеристик рассеянного излучения и изменения светорассеивающих характеристик взвеси засеивающих гидропоток частиц и внесение корректировок по уровню пороговой чувствительности регистрирующих CCD камер.
За счет внесения корректировок по уровню чувствительности регистрирующих изображение CCD камер меняют пороговый уровень обнаружения сигнала и, таким образом, обеспечивают стабильно большое количество регистрируемых частиц, 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: ЛДА и PIV, совместно с корректирующим модулем пробоотбора взвеси калибровочных частиц позволяет эффективно проводить диагностику нестационарных гидропотоков 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 светового 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 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. Адаптивная регулировка порогового детектора полезного сигнала по измеренной интенсивности фотоприемников модулем пробоотбора позволила увеличить количество регистрируемых частиц до первоначального значения, 300 частиц, и регистрировать пульсационные характеристики гидропотока.
Результаты проведенных исследований показали, что использование корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц позволяет эффективно проводить диагностику нестационарных гидропотоков.