ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована, например, в океанологии и гидрофизике для измерения скорости течения воды.
Известно устройство для измерения скорости течения воды - гидрометрическая вертушка, которое широко используются в океанологии. Вертушка состоит из корпуса с пропеллером и электронного блока, сигнал, на выходе которого пропорционален частоте вращения пропеллера, и, следовательно, скорости потока среды. Вертушки весьма громоздки, имеют подвижные части, обладают низкой разрешающей способностью измерений.
Известны устройства для измерения скорости течения, не имеющие механически подвижных частей, основанные на принципе магнитной индукции (www.automatization.ru). Данные устройства состоят из датчика, представляющего собой два электрода, находящихся внутри катушки, соединенной с источником напряжения, усилителя и измерительного устройства. Принцип работы устройства заключается в том, что при движении проводящей жидкости в наведенном катушкой датчика магнитном поле на электродах датчика наводится электродвижущая сила, пропорциональная скорости движения. Недостатком таких устройств является низкая разрешающая способность и относительно большие размеры датчика.
Известны акустические устройства для измерения скорости течения, основанные на измерении времени прохождения акустического импульса в измеряемой среде. Такие устройства, как правило, состоят из вычислительного блока, двух идентичных измерительных каналов, каждый из которых включает генератор импульсов, излучатель и приемник ультразвука, и двух усилителей (Трохан А.М. Гидроаэрофизические измерения / 1981. М.: Издательство стандартов. 336 с.). В каждом канале импульс от генератора поступает на излучатель, излучается в измеряемую среду, принимается приемником, сигнал с выхода которого вновь запускает генератор. Сигналы в двух каналах распространяются в измеряемой среде в противоположных направлениях. Период повторения импульсов в одном канале определяется суммой скорости звука и скорости течения, а в другом - разностью. Вычислительное устройство определяет скорость течения.
Недостатком таких устройств является невысокая разрешающая способность, относительно большие размеры датчика.
Известны измерители скорости течения - волоконные анемометры, основанные на регистрации отклонения оптического волокна, помещенного в измеряемую среду. Волоконный анемометр состоит из источника света, оптически соединенного с жестко закрепленным торцом измерительного волокна, объектива, оптического клина, фотоприемника и регистрирующего устройства. Измерительное волокно и его свободный торец находятся в измеряемой среде. Анемометр работает следующим образом. Свет от источника поступает на измерительное волокно. Свет, выходящий из свободного торца измерительного волокна проецируется объективом на оптический клин и далее поступает на фотоприемник. Наличие течения в измеряемой среде приводит к изгибу измерительного волокна и отклонению его свободного торца, что приводит к перемещению проекции торца на оптическом клине и, соответственно, к изменению сигнала на выходе фотоприемника. (Трохан А.М. Гидроаэрофизические измерения /1981. М.: Издательство стандартов. 336 с.).
Недостатком подобного волоконного анемометра являются относительно большие размеры датчика, связанные с необходимостью размещения в нем объектива, оптического клина и фотоприемника, что приводит к сильному влиянию датчика на измеряемую среду.
Такого недостатка лишены волоконные измерители течения, в которых оптическое волокно помещено в измеряемую среду, а скорость течения измеряется по измерению различных характеристик оптического излучения в оптическом волокне при его изгибе под действием течения.
Известен интерференционный волоконный измеритель течения. Он состоит из источника излучения, оптического разветвителя Y-типа, измерительного волокна с жестко закрепленным торцом, отражателя, приемника оптического излучения и измерительного устройства. Измерительное волокно находится в измеряемой среде, а его свободный торец расположен на близком расстоянии от отражателя. Измеритель работает следующим образом. Излучение от источника поступает на первый выход разветвителя и с его входа поступает на измерительное оптическое волокно. Сигналы, отраженные от свободного торца измерительного волокна и отражателя поступают на вход разветвителя и с его второго выхода на приемник оптического излучения. Величина сигнала на выходе приемника зависит от параметров интерференции отраженных сигналов, и, следовательно, от расстояния между свободным торцом оптического волокна и отражателем. Наличие течения в измеряемой среде приводит к изгибу волокна и отклонению его свободного торца, что ведет к изменению параметров
интерференции и, как следствие, изменению сигнала на выходе приемника (Szustakowski K.M., Gorka M., Palka A., Zyczkowski N., Niznik M. Modal interference fiber optic sensor // Proceedings- SPIE the International Society For Optical Engineering. 2004. V. 5611. P. 225-232).
Недостатком подобных волоконных измерителей течения являются их высокая чувствительность к загрязнению свободного торца оптического волокна и отражателя, а также относительно большие размеры датчика, связанные с необходимостью размещения отражателя в измеряемой среде, что приводит к относительно сильному влиянию датчика на измеряемую среду.
Известен оптико-волоконный термоанемометр (п.РФ №2060504, опубл. 1996.05.20), который может быть использован для измерений скоростей в океанах и морях. Он состоит из волоконного интерферометра, составлено из опорного волокна и рабочего с термочувствительным элементом, который нагревается радиационным нагревателем и, одновременно, охлаждается набегающим потоком, при этом на выходе измерителя появляется сигнал, несущий информацию о скорости потока. Для устранения помех пульсационного характера рабочее и опорное волокна свертываются в одну катушку. Недостатком оптико-волоконного термоанемометра является большой размер датчика, что приводит к низкой разрешающей способности измерений.
Перечисленных недостатков лишен выбранный в качестве прототипа волоконно-оптический измеритель скорости течения (http://otrc.tamu.edu/Pages/Fiber%200ptics%20Strain%20Gages.pdf). Данный измеритель скорости течения состоит из источника оптического излучения, оптически соединенного с разветвителем Y-типа, измерительного оптического волокна, снабженного нанесенной на него брэгговской решеткой, и системы регистрации и обработки отраженного сигнала, в качестве которой применены последовательно соединенные оптический анализатор спектра и вычислительный блок, при этом один торец измерительного оптического волокна жестко закреплен, а другой - свободен. Крепление измерительного волокна осуществляют на корпусе измерителя с помощью специальных водонепроницаемых муфт.
Измеритель работает следующим образом. Оптическое излучение из источника попадает на первый выход разветвителя и с его входа поступает на жестко закрепленный торец измерительного оптического волокна. При распространении в измерительном волокне излучение отражается от участков с нанесенными брэгговскими решетками. Отраженное излучение поступает на вход разветвителя Y-типа
и с его второго выхода на оптический анализатор спектра и далее на вычислительный блок. Спектр рассеянного в обратном направлении излучения определяется параметрами брэгговской решетки - расстоянием между отдельными штрихами. При наличии течения измерительное волокно изгибается, расстояние между отдельными штрихами в брэгговской решетке изменяется, что приводит к изменению спектра отраженного сигнала. Это изменение фиксирует оптический анализатор спектра, который представляет собой сложный электронно-оптический прибор, включающий высокоточную оптическую призму для разложения излучения на спектральные компоненты, линейку фоточувствительных датчиков, устройство считывания и обработки сигналов. По полученному спектру вычислительный блок определяет скорость течения. Диаметр измерительного оптического волокна и его длина определяются конкретными характеристиками измеряемой среды и заданными диапазоном измерения скоростей и чувствительностью измерителя.
Данный измеритель вносит небольшие искажения в измеряемую среду и позволяет измерить скорость течения с высокой разрешающей способностью. Основным недостатком известного измерителя являются трудоемкость изготовления измерительного волокна и сложность системы регистрации и обработки.
Задачей предлагаемой полезной модели является расширение ассортимента волоконно-оптических измерителей скорости течений путем значительного упрощения конструкции данных измерителей.
Поставленная задача решается волоконно-оптическим измерителем скорости течения, состоящим из источника излучения, оптически соединенного с одним из выходов оптического разветвителя Y-типа, вход которого оптически соединен с жестко закрепленным торцом измерительного волокна, а другой выход разветвителя оптически соединен с фотоприемником, выход которого присоединен к вычислительному блоку, при этом поверхность свободного торца измерительного волокна выполнена отражающей.
Технический результат заявляемого устройства, а именно, упрощение конструкции волоконно-оптического измерителя скорости течений, достигается за счет использования в качестве измеряемой величины не спектра отраженного сигнала, а его интенсивности, что позволило отказаться от использования измерительного волокна с нанесенной брэгговской решеткой и значительно упростить систему регистрации и обработки отраженного сигнала.
Технически это реализуется тем, что поверхность свободного торца измерительной части оптического волокна датчика выполнена отражающей, а сложная система регистрации и обработки отраженного сигнала прототипа заменена на систему, состоящую из фотоприемника и вычислительного блока.
На фиг.1 представлена блок схема заявляемого устройства, где (1) - источник оптического излучения, (2) - оптический разветвитель Y-типа, (3) - измерительное волокно, (4) - отражающее покрытие; (5) - фотоприемник; (6) - вычислительный блок.
Заявляемый измеритель скорости течения работает следующим образом. Излучение от источника (1) попадает на один из выходов разветвителя Y-типа (2) и через измерительное волокно (3) на его свободный торец с нанесенным отражающим покрытием (4). Отраженный от свободного торца измерительного волокна (3) сигнал возвращается на вход разветвителя (2) и через другой выход разветвителя (2) попадает на фотоприемник (5), сигнал с выхода которого попадает на вычислительный блок (6). Величина отраженного от покрытия (4) сигнала на входе разветвителя (2) чувствительна к величине изгиба измерительного волокна (3), то есть к скорости течения, что и фиксирует вычислительный блок (6).
В отличие от прототипа, в данном случае, излучение отражается не от брэгговской решетки измерительного волокна, а от отражающего покрытия его свободного торца.
О величине скорости течения судят по величине сигнала на выходе вычислительного блока (6): при увеличении скорости течения амплитуда зарегистрированного сигнала уменьшается. Уменьшение амплитуды сигнала на выходе вычислительного блока (6) при наличии течения происходит из-за того, что под действием течения измерительное волокно изгибается. При его изгибе увеличиваются потери при распространении излучения по волокну, которые зависят от радиусов кривизны г и сердцевины а, от материала и конкретной конструкции волокна. Например, потери при распространении света при изгибе одномодового волокна составляют
1
2
где К и К - коэффициенты пропорциональности (Marcuse D. Curvature loss formula for optical fibers // J. Opt. Soc. Amer. 1976. V. 66, N. 3. Р. 216-220; Tomita S., Tachino H., Kasahara N. Water sensor with optical fiber // J. Lightwave Technol. 1990. V. 8, N. 12. Р. 1829-1832).
Конкретное аппаратурное оформление заявляемого устройства, а именно, источник излучения, разветвитель Y-типа, фотоприемник, а также вычислительный блок и используемые оптические волокна, в том числе и измерительное волокно, являются стандартными и выбор их характеристик зависит от поставленной задачи измерения, требуемой точности, разрешающей способности, быстродействия, физических характеристик измеряемой среды.
Оптическое соединение элементов устройства может быть осуществлено как с использованием оптических волокон, в качестве которых используют стандартные кварцевые или пластиковые волокна, так и без них.
Под действием течения измерительное волокно, которое можно рассматривать как консольную балку, изгибается. Радиус кривизны зависит от длины и диаметра измерительного волокна, его модуля упругости, кинематической вязкости и плотности измеряемой среды и скорости течения. То есть, изменяя эти параметры, можно варьировать чувствительностью заявляемого измерителя.
Крепление торца измерительного волокна осуществляют в той точке, относительно которой необходимо измерить скорость течения: для океанографических измерений крепление выполняют на корпусе измерителя с помощью специальных водонепроницаемых муфт; для проведения лабораторных испытаний крепление может быть выполнено на измерительной платформе или штанге.
Для увеличения чувствительности измерителя необходимо увеличить потери излучения при распространении в измерительном волокне при его изгибе под действием течения.
Это можно достичь, увеличив силу сопротивления течению измерительного волокна, например, с помощью увеличения его «парусности», поместив на измерительное волокно «парус» с поперечным сечением на единицу длины много большим поперечного сечения на единицу длины используемого волокна. Для изменения чувствительности парус можно установить с возможностью его перемещения вдоль измерительного волокна. В качестве такого паруса можно использовать шарик или любой другой подходящий предмет.
Чувствительность измерителя повысится и в случае, если использовать измерительное волокно без покрытия.
Чувствительность устройства можно повысить, применив в качестве измерительного волокна оптическое волокно с меньшим модулем упругости, что приведет к увеличению потерь из-за уменьшения радиуса изгиба под действием течения. Например, путем использования в устройстве измерительного волокна не из
кварца, а из полимеров (полистирол, поликарбонат, полиметилметакрилат и др.), модуль упругости которых значительно меньше, чем у кварца. Так, модуль упругости при изгибе для кварца составляет 90000 МПа, а для полиамида всего 7000-9000 МПа (http://planetadisser.com/see/dis_256225.html; http://www.css-rzd.ru/zdm/07-2003/03085-l.htm).
Для проведения океанологических исследований в качестве источника излучения может быть применен любой светодиод, например, IDL5S-1300 с длиной волны излучения 1,3 мкм, в качестве фотоприемника - любой стандартный фотоприемник, работающий в используемом диапазоне длин волн, например выполненный на основе InGaAs, а вычислительный блок может быть выполнен на базе персонального компьютера или микропроцессора.
Авторами был создан и испытан в лабораторных условиях вариант заявляемого волоконно-оптического измерителя скорости течения, схема которого приведена на фиг.1. В качестве источника излучения использовался светодиод (IDL5S-1300) с длиной волны 1,3 мкм. Оптические соединения осуществляли с использованием кварцевых волокон с диаметром внутренней жилы 9 мкм. На свободный торец измерительного волокна отражающее покрытие наносилось вакуумным напылением алюминия. Вычислительный блок выполнен на базе персонального компьютера. В качестве измеряемой жидкости использовалась вода. Течение моделировалось перемещением измерительной платформы с закрепленным на ней измерительным световодом в направлении параллельном поверхности воды.
Излучение от свето диода (1) заводилось в соединительное волокно и поступало на первый выход оптического разветвителя Y-типа (2). Излучение с выхода разветвителя (2) поступало на жестко закрепленный торец измерительного волокна (3), отражалось от поверхности (4) свободного торца и далее через разветвитель (2) поступало на фотоприемник (5) и затем на вычислительный блок (6).
На фиг.2, где Y-амплитуда сигнала, милливольты, Х-скорость течения, см/с, представлен полученный график зависимости амплитуды сигнала на входе в вычислительный блок от скорости течения. Видно, что при увеличении скорости течения величина сигнала монотонно уменьшается.