ОПТИЧЕСКИЙ ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ ВЕЛОСИМЕТР
OPTICAL TIME-OF-FLIGHT VELOCIMETRE

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение, в общем, относится к измерителям скорости - велосиметрам, для измерения скорости текущих жидкостей. В частности, изобретение относится к оптическим велосиметрам, которые определяют скорость частиц, переносимых жидкостью, измеряя времена пролета частиц через область проверки между двумя сфокусированными световыми лучами.
Уровень техники
Один оптический способ измерения скорости жидкости известен в данной области техники как "laser-two-focus" (L2F) велосиметрия. L2F велосиметрия основана на обнаружении световых импульсов, вызванных пересечением частиц двух сфокусированных лазерных лучей, и определении средней величины времени пролета, за которое частицы жидкости переместятся от одного сфокусированного луча до другого. Скорость потока вычисляется делением расстояния между двумя лазерными лучами на время пролета. Скорость потока может быть измерена, используя L2F велосиметрию, с точностью до 0,01%, основываясь на точном фокусировании луча и быстрой обработке цифрового сигнала. Поэтому L2F велосиметрия является особенно подходящей для исследования сложного потока газов и прозрачных жидкостей. Другие применения включают измерение в трубах от очень низких (медленнее чем 0,1 м/с) до очень высоких (быстрее чем 100 м/с) скоростей газов. Такой высокий диапазон необходим для измерения колеблющихся газов, таких как сжигаемых в факеле газов в больших трубах.
Существуют L2F велосиметры для измерения многосоставного потока жидкости в маленьких трубах и каналах, какие используются в турбомашиностроении (например, патенты US 3941477 (изобретатель Шодль) и US 4707130 (изобретатель Хофманн и др.). Такие системы включают в себя корпус с оптической осветительной системой, сконфигурированной так, чтобы направить два листообразных лазерных излучения через поток, и оптическую систему сбора, чтобы собрать свет, обратнорассеянный частицами в потоке, и чтобы сфокусировать его на два фотодетектора. Оптическая ось системы сбора параллельна листообразному излучению света. Осветительная система посылает свет через центральную область системы сбора, которая собирает свет, обратнорассеянный от частиц, полученный в периферийной области.
Что касается изобретения Хофманна и др., который описывает пример оптической установки этого первого типа уровня техники, то оптическая установка включает в себя лазер и делитель, которые создают два параллельных луча, и линзу и два зеркала, скомпонованных так, чтобы направить лучи через оптическую кювету, имеющую выпуклую линзу и вогнутую линзу, которые фокусируют лучи на двух контрольных точках. Свет от двух лучей обратно рассеивается от контрольных точек в оптической кювете и другой линзе и направляется на фотоумножители через прерыватель.
Один недостаток таких систем заключается в том, что интенсивность обратнорассеянного света намного ниже, чем рассеянного вперед света. Это уменьшает отношение сигнал - шум до такой степени, что такие системы обычно требуют для работы «засева» частиц (добавление частиц к потоку). «Засев» частиц, однако, недопустим во многих нефтехимических применениях, таких как трубопроводы природного газа, факельные стойки и вытяжные трубы.
Такие системы также не позволяют использовать экономически эффективные промышленные образцы компактных велосиметров для использования в больших трубах, потому что если контролируемая зона расположена далеко от корпуса, то размер апертуры оптической системы сбора должен быть пропорционально увеличен. Большие оптические системы увеличивают стоимость велосиметра.
Другой тип оптического измерителя газового потока, относящийся к уровню техники, который основан на L2F велосиметре, содержит корпус, жестко закрепленный к пластине, обеспечивая прямой доступ к потоку жидкости в трубе (например, патент US 6128072 (изобретатель Киель и др.). Оптическая система сбора обнаруживает рассеянный вперед свет, но он является смещенным под определенным углом от оптической оси осветительной системы, чтобы избежать захвата нерассеянного света.
Что касается изобретения Киеля и др., который описывает пример оптического устройства, относящийся ко второму типу уровня техники, то оптическое устройство установлено на пластине с центральным отверстием, которое предпочтительно соответствует внутреннему диаметру трубы, через которую течет жидкость. Оптическое волокно, установленное на пластине, подключено к коллиматору, чтобы направить свет из волокна на призму, которая разделяет свет на два луча. Лучи отражаются зеркалом и фокусируются цилиндрической линзой, чтобы создать два параллельных луча через объем измерения. Свет от лучей рассеивается частицами, проходящими через объем измерения, и часть рассеянного света собирается двойным преломлением и фокусируется в точке изображения. Свет предпочтительно собирается под углом в диапазоне 5-25 градусов от направления параллельных лучей.
Один недостаток этого велосиметра, относящегося ко второму типу уровня техники, заключается в том, что он не является подходящим для труб различного диаметра, так как пластины и оптическая система должны быть разработаны индивидуально для каждого размера трубы. Кроме того, внеосевое местоположение оптической системы сбора уменьшает эффективность сбора системы сбора, потому что она принимает рассеянный свет в пределах ограниченного телесного угла. Кроме того, вставлять этот велосиметр, относящийся ко второму типу уровня техники, в очень большие трубопроводы непрактично.
Другой недостаток систем, относящихся ко второму типу уровня техники, заключается в том, что на оптические измерители, установленные в трубопроводах, может повлиять засорение окна. Соответственно, необходим корпус, который позволит снять оптику для ее очистки, не сбрасывая давление в трубе. Удаление пластины согласно вышеупомянутому уровню техники требует сложного механического приспособления, которое при использовании сложной волоконной оптики, рассчитанной на высокое давление, проведенной внутрь труб, делает измеритель дорогим.
L2F велосиметры, относящиеся к уровню техники, могут быть точными. Однако они имеют тенденцию определять скорость жидкости в ограниченной области проверки, где сфокусированы лазерные лучи. Это делает их уязвимыми к различиям в скорости в профиле потока. Kиель и др. описывает многоточечный L2F велосиметр, в котором одна область проверки расположена в центре трубы и определенное количество областей проверок расположены на расстоянии четверти радиуса от стены. Местоположение четверти радиуса менее восприимчиво к профилю потока согласно гидродинамическим расчетам. Многоточечные L2F велосиметры, однако, требуют сложных оптических систем, чтобы создать множественные области проверок по профилю потока.
Следовательно, требуются оптические велосиметры, которые не требуют «засева» частиц и которые являются подходящими для измерения скорости жидкости в трубах различного диаметра. Также требуются велосиметры, имеющие корпуса, легкосъемные с труб, переносящих жидкость, для чистки и ухода за оборудованием.
Раскрытие изобретения
Один вариант осуществления изобретения предусматривает L2F велосиметр, состоящий из зонда, который может быть погружен в текущую жидкость. Зонд имеет оптическую осветительную систему и оптическую систему сбора, которые коаксиальны. Осветительная система направляет свет через жидкость, и система сбора собирает рассеянный вперед свет, который проходит через жидкость.
Дальнейшие аспекты изобретения и особенности определенных вариантов осуществления описаны ниже.
Краткое описание чертежей
В чертежах, которые иллюстрируют неограничивающие варианты осуществления данного изобретения:
фиг.1 схематично иллюстрирует L2F велосиметр согласно одному варианту осуществления изобретения;
фиг.2 - подробный вид оптической системы по фиг.1;
фиг.3 - графическое изображение расчетной интенсивности монохроматического света (650 мкм), рассеянного на маленьких частицах (0,5-1,5 мкм);
фиг.4 - графическое изображение расчетной интенсивности монохроматического света (650 мкм), рассеянного на больших частицах (2-10 мкм);
фиг.5 схематично иллюстрирует местоположение световых пятен, созданных оптической системой по фиг.2 в области измерений;
фиг.6 иллюстрирует местоположение световых пятен, созданных оптической системой по фиг.2 в плоскости потемнения;
фиг.7 иллюстрирует L2F велосиметр, имеющий эталонное волокно в вогнутом зеркале согласно другому варианту осуществления изобретения;
фиг.8 иллюстрирует L2F велосиметр для многоточечного измерения скорости согласно другому варианту осуществления изобретения;
фиг.9 иллюстрирует L2F велосиметр с устройством ввода для ввода зонда в различные местоположения по потоку согласно другому варианту осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
На протяжении всего описания конкретные детали изложены по порядку, чтобы обеспечить более полное понимание изобретения. Однако изобретение может быть на практике использовано без этих подробных сведений. В других случаях хорошо известные элементы не были изображены или описаны подробно, чтобы избежать излишнего затруднения понимания изобретения. Соответственно, описание и чертежи должны быть расценены в иллюстративном, а не ограничительном, смысле.
Один вариант осуществления изобретения предусматривает L2F велосиметр, состоящий из зонда, который может быть погружен в текущую жидкость. Зонд содержит оптическую осветительную систему и оптическую систему сбора, которые коаксиальны. Осветительная система направляет пару листообразных световых излучений через открытую область зонда, через которую течет жидкость. Листообразные световые излучения перпендикулярны направлению потока и отделены друг от друга на заданном расстоянии по направлению, параллельному направлению потока. Частицы в потоке, которые проходят через два листообразных излучения, рассеивают свет, вызывая колебания в рассеянном свете. Система сбора собирает рассеянный вперед свет, который проходит через жидкость. Электрооптический блок принимает собранный свет и определяет время между колебаниями, вызванными частицами путем мониторинга за колебаниями. Система сбора может включать в себя зеркало, такое, что длина зонда может быть уменьшена, благодаря чему уменьшается возмущение потока и появляется возможность измерять скорости потока в трубах, имеющих меньший диаметр.
Фиг.1 иллюстрирует L2F велосиметр, соответствующий одному варианту осуществления настоящего изобретения. Велосиметр состоит из зонда 60 с дистальным концом 62, погруженным в жидкость, и коаксиальным концом 64 для обеспечения механической опоры зонду и для установки кабеля 66. Кабель 66 соединяет зонд 60 с электрооптическим блоком 68. Дистальный конец зонда 60 имеет открытую область 70, через которую может пройти жидкость. Оптическая осветительная система (не показанная на фиг.1) принимает свет от электрооптического блока 68 и создает два листообразных излучения 72 и 74 в середине открытой области 70, через которую жидкость проносит частицы. Свет, рассеянный частицами, собирается оптической системой сбора, которая коаксиальна с оптической осветительной системой, и возвращается к электрооптическому блоку 68.
Фиг.2 иллюстрирует оптическую осветительную систему и систему сбора велосиметра по фиг.1. Оптическая осветительная система содержит осветительный ободок 80, линзу 81 связи и цилиндрическую линзу 82. Осветительная система расположена в центральной апертуре 84 системы 86 фокусировки. Система 86 фокусировки включает в себя первую и вторую линзы 109 и 110. Оптическая система сбора включает в себя зеркало 88 с матированием 90 в центре и систему 86 фокусировки. Зеркало 88 расположено коаксиально оптической оси 92 линзы 81 связи, цилиндрической линзы 82 и линз 109 и 110 системы 86 фокусировки. Ободок 94 сбора помещен вдоль оптической оси 92 и позади осветительного ободка 80 в плоскости изображения, созданной системой 86 фокусировки. Два осветительных волокна 96 и 98 соединены с осветительным ободком 80, и два волокна 100 и 102 сбора соединены с ободком 94 сбора. Волокна 96, 98, 100 и 102 объединены в оптическом кабеле 66, показанном на фиг.1. Окно 104 предпочтительно расположено между линзой 81 связи и открытой областью 70, чтобы защитить систему линз и волоконную оптику от окружающей среды. Цилиндрическая линза 82 может быть расположена в апертуре в середине окна 104. Зеркало может быть защищено другим окном (не показано).
Цилиндрическая линза 82 распространяет свет от волокон 96 и 98 в яркие листообразные излучения 106 и 108 в открытой области 70, которая соответствует листообразным излучениям 72 и 74 из фиг.1. Размер матирования 90 выбран так, чтобы поглотить весь прямой свет, исходящий из волокон 96 и 98. Свет, рассеянный от частиц, пересекающих листообразные излучения с потоком жидкости, собирается зеркалом 88. Зеркало 88 отражает и коллимирует свет на систему 86 фокусировки. Периферийная зона первой линзы 109 принимает свет, отраженный от зеркала 88, и фокусирует его на периферийную зону второй линзы 110, которая, в свою очередь, сосредотачивает коллимированный свет в приемные апертуры волокон 100, 102 сбора.
f
b
Фиг.3 показывает теоретическое распределение света, вычисленное на основе Мie приближения для частиц в пределах 0,5-1,5 мкм в диаметре. Такие частицы типичны в трубопроводах природного газа и в большинстве факельных стоек. Вычисление было сделано для монохроматического света с длиной волны 0,650 мкм, которая типична для миниатюрных лазеров, подходящих для L2F велосиметрии. Относительные значения силы света, рассеянного около 0 градусов (рассеянный вперед свет) и около 180 градусов (обратнорассеянный свет), являются F=512,9 и F=3,0 соответственно. Поэтому оптические системы сбора, которые собирают рассеянный вперед свет в соответствии с изобретением, могут быть до 170 раз более эффективными, чем оптические системы сбора, которые собирают обратнорассеянный свет.
f
b
Различие в эффективности между сбором рассеянного вперед и обратнорассеянного света увеличивается с размером частиц из-за большей направленности рассеивания света. Фиг.4 иллюстрирует угловое распределение по типу, показанному на фиг.3, для света, рассеянного частицами 2-10 мкм в диаметре. Отношение между рассеянными вперед и обратнорассеянными интенсивностями составляет F/F=126251,0/152,5=827 для этих больших частиц.
b
Это объясняет вышеупомянутый главный недостаток первого типа уровня техники, который обеспечивает уменьшенную чувствительность к обнаружению с той же пропорцией. Оптические системы сбора, которые собирают обратнорассеянный свет, могут эффективно обнаружить частицы, только если они добавлены к потоку (обратнорассеянный световой поток F увеличивается с диаметром частицы). Однако «засев» частиц обычно не разрешен в индустриальных измерениях параметров потока.
Аналогично, эффективность второго типа уровня техники затронута некоаксиальной композицией оптических систем. Угол захвата оптической системы сбора согласно второму типу уровня техники является ниже, чем тот, который есть в варианте осуществления изобретения по фиг.2, из-за угловых расположений системы сбора и направления лучей.
Фиг.5 иллюстрирует форму световых лучей из осветительных волокон 96 и 98 в плоскости листообразных излучений 106 и 108 по фиг.2. Эллиптические участки 112 и 114 представляют собой поперечные сечения листообразных излучений 106 и 108 в плоскости, перпендикулярной по отношению к оптической оси. Круглые участки 113 и 115 представляют собой проекции сердцевины осветительных волокон 96 и 98 в той же самой плоскости. Участки 112 и 114 размещены на расстоянии d, которое зависит от расстояния между волокнами 96 и 98 в осветительном ободке 80 и увеличения линз 81 и 82. Расстояние d является одним из двух параметров, которые используются для вычисления скорости: V=d/t, где t - среднее время, которое частицы затрачивают на прохождение между участками 112 и 114.
Фиг.6 иллюстрирует форму световых лучей от осветительных волокон 96 и 98 в плоскости матирования 90 на зеркале 88 по фиг.2. Участки 120 и 122 типично расширяются в перпендикулярном направлении по отношению к ориентации участков 112 и 114 по фиг.5 из-за эффекта цилиндрической линзы 82.
Предпочтительно, чтобы осветительные волокна 96 и 98 являлись одномодовыми оптическими волоконными, имеющими диаметры сердцевины в пределах 4-9 мкм в зависимости от длины волны используемого света. Такие волокна позволяют генерировать листообразные излучения меньше чем 15 мкм шириной, таким образом достигая высокой световой концентрации в области измерения. Сердцевина волокна может быть выбрана, принимая во внимание, что эффективность рассеивания увеличивается с более короткой длиной волны и общая сумма света, соединенного в волокно, оказывается меньше в более тонких волокнах.
Предпочтительно, чтобы волокна 100 и 102 сбора являлись многомодовыми оптическими волокнами, имеющими диаметры сердцевины в пределах 50-500 мкм и высокие числовые апертуры. Хотя вообще более толстые волокна сбора предпочтительны, оптимальный диаметр волокон 100 и 102 сбора зависит от увеличения оптической системы сбора (зеркало 88 и система 86 фокусировки) и расстояния d.
Предпочтительное значение для расстояния d зависит от ряда факторов, из которых требуемая точность, диапазон измеряемых скоростей и степень турбулентности являются доминирующими. Большие значения d приводят к более высокой точности в измерении времени между двумя импульсами, вызванными частицей, пересекающей участки 112 и 114. Однако вероятность того, что единичная частица пересечет оба участка 112 и 114 уменьшается с увеличением d, из-за эффектов турбулентности. Расстояние d между листообразным излучением приблизительно 1,0 мм хорошо удовлетворяет большинству индустриальных приложений с потоками со скоростями в пределах от 0,1 до 100 м/с и степенью турбулентности меньше чем 5%.
3-12
168-177
3-12
168-177
6
6
Оптическая система, показанная на фиг.2, имеет высокую производительность, так как она собирает рассеянный вперед свет. Часть рассеянного света, которую поглощает матирование 90, зависит от размера матирования 90 и расстояния между местоположением листообразных излучений 106 и 108 и зеркалом 88. В примере варианта осуществления эти измерения определяют типичный угол матирования в 3 градуса и угол сбора в 12 градусов для диаметра зонда в 3/4" (19,1 мм). Системы, относящиеся к типу уровня техники, описанного Хофманном, имеют примерно ту же самую геометрию, уловят рассеянный свет при приблизительно 168-177 градусах. Относительная эффективность сбора (Eff) этого варианта осуществления по отношению к системам, относящимся к типу уровня техники Хофманна и др., может быть вычислена путем интегрирования распределения света, показанного на фиг.3 и 4, в пределах телесного угла 3-12 градусов и 168-177 градусов, чтобы принять интенсивности собранного света (F и F соответственно) и принимая во внимание отношение интенсивностей света Eff=F/F. Увеличение эффективности сбора по сравнению с уровнем техники может быть вычислена как 5,4×l0 и 13×l0 для маленьких и больших частиц соответственно для этого варианта осуществления.
Согласно другому варианту изобретения эталонное оптическое волокно 130 помещено в матирование 90, как показано на фиг.7. Эталонное оптическое волокно 130 собирает часть света, который достигает матирования 90. Это позволяет контролировать общую интенсивность света, которая может измениться в течение времени из-за загрязнения окна, деградации и тепловой неустойчивости источников света и т.д.
Согласно другому варианту осуществления изобретения у ближнего к месту прикрепления конца зонда может быть много открытых областей для измерений скорости жидкости в различных точках в потоке. Фиг.8 иллюстрирует три открытые области 140, 142 и 144. Каждая из открытых областей 140, 142 и 144 связана с коаксиальным оптическим освещением и системами сбора, как показано на фиг.2 или в фиг.7. Такое расположение в определенном порядке обеспечивает измерение скорости во многих точках, что является желательным во многих применениях, таких как измерение расхода газа в больших стеках и трубах.
Измерение скоростного профиля может быть достигнуто перемещением зоны измерений в потоке жидкости, как проиллюстрировано на фиг.9. Зонд 60 погружения погружают в большую трубу 152 устройством 154 ввода. Устройство 154 ввода помещает зонд 60 на определенную глубину в трубе 152, таким образом открытая область 70 с зоной измерения может измерить скорость в различных местоположениях. Устройство ввода соединено с электрооптическим блоком 68 для заключительного вычисления скорости как функции местоположения зонда.
Как будет очевидно для квалифицированных специалистов в данной области техники в свете вышеизложенного раскрытия, возможно множество изменений и модификаций в практическом использовании данного изобретения, не отступая от его сущности или области. Соответственно, область изобретения должна быть истолкована в соответствии с сущностью, определенной в соответствии со следующей формулой изобретения.