Волоконно-оптический термоанемометр
Патент 2287829
Авторы
Правообладатели
Классы МПК
Волоконно-оптический термоанемометр
Иллюстрации
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения средних скоростей и градиентов скоростей морских течений. Изобретение заключается в том, что на две биметаллические спирали, одна или две из которых могут быть выполнены нагреваемыми, наносятся с натягом предметное и опорное волокна волоконно-оптического интерферометра (ВОИ). При перегреве одной биметаллической спирали измеряется средняя скорость потока, при перегреве двух - градиент скорости. Выходной сигнал ВОИ получается в результате того, что одна или две перегретые относительно потока биметаллические спирали раскручиваются или скручиваются при охлаждении их потоком жидкости. Что приводит к появлению дополнительной разности фаз на выходе ВОИ, пропорциональной измеряемым величинам. Технический результат - упрощение оптической и электронной схем устройства. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Реферат
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения средних скоростей и градиентов скоростей морских течений.
Известны термоанемометры, использующие нагреваемые биметаллические термочувствительные элементы, для решения аналогичных задач [авторские свидетельства СССР №№608101; 618682; 634211; 636537; 645087; 645088; 679880; 775701; 898329; 909641, кл. С 01 Р 5/12, 1978÷1981].
Недостатком известных аналогов является отсутствие на их выходах оптического сигнала.
Известен волоконно-оптический термоанемометр (ВОТ), содержащий предметную и опорную волоконные катушки, оптически согласованные в интерферометр с источником когерентного света и фотоприемником, фазосдвигающее устройство, установленное в одной из волоконных катушек, нагреватель оптического волокна в предметной волоконной катушке, усилитель фототока и амплитудный регистратор, при этом выход фотоприемника через усилитель фототока подключен к амплитудному регистратору [патент РФ №2060504, кл. G 01 Р 5/10, 1996].
Известный ВОТ принят за прототип. В прототипе нагреватель оптического волокна в предметной волоконной катушке выполнен в виде лазера на длину волны излучения, поглощаемого термочувствительным элементом (ТЧЭ) предметного волокна. А сам ВОТ выполнен по схеме термоанемометра постоянной температуры.
Недостатком прототипа является его сложность, связанная с необходимостью формирования в предметной катушке специального ТЧЭ, поглощающего излучение лазера-нагревателя. В то же время сформированный ТЧЭ должен хорошо пропускать излучение источника когерентного света волоконно-оптического интерферометра (ВОИ). Кроме того, сама схема термоанемометра постоянной температуры включает в себя наличие сложной обратной связи выхода ВОИ с управляемым входом лазера-нагревателя для поддержания постоянства перегрева ТЧЭ для различных скоростей течений жидкости.
Техническим результатом, появляющимся от внедрения изобретения, является упрощение оптической и электронной схем ВОТ.
Данный технический результат достигают за счет того, что известный ВОТ, содержащий предметную и опорную волоконные катушки, оптически согласованные в интерферометр с источником когерентного света и фотоприемником, фазосдвигающее устройство, установленное в одной из волоконных катушек, нагреватель оптического волокна в предметной волоконной катушке, усилитель фототока и амплитудный регистратор, при этом выход фотоприемника через усилитель фототока подключен к амплитудному регистратору, дополнительно содержит биметаллическую спираль, на которой с натягом закреплена предметная волоконная катушка ВОИ, при этом нагреватель оптического волокна в предметной волоконной катушке выполнен в виде источника электрического тока, подключенного к биметаллической спирали, а к выходу усилителя фототока параллельно амплитудному регистратору подсоединен частотомер-периодимер.
ВОТ дополнительно содержит вторую биметаллическую спираль, аналогичную первой, на которой с натягом закреплена опорная волоконная катушка ВОИ, а также нагреватель оптического волокна в опорной волоконной катушке, выполненный в виде второго источника электрического тока, аналогичного первому, подключенного ко второй биметаллической спирали.
Причем оптические волокна предметной и опорной волоконных катушек ВОИ закреплены с натягом на биметаллических спиралях с помощью клея.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена оптико-электронная схема ВОТ; на фиг.2 - конструктивная схема ВОТ (слева) с профилем скоростей исследуемого потока (справа).
ВОТ содержит предметную и опорную волоконные катушки 1, 2, оптически согласованные с источником 3 когерентного света и фотоприемником 4 в ВОИ.
Имеется также фазосдвигающее устройство, установленное в одной из волоконных катушек ВОИ (на фиг.1 в волоконной катушке 2).
Волоконные катушки 1, 2 ВОИ располагают в исследуемой среде, например в морской воде. Остальные элементы ВОТ располагаются вне исследуемой среды и на фиг.1 условно отделены от волоконных катушек 1, 2 стенкой 6.
Электронные блоки ВОТ включают в себя усилитель фототока, выход которого параллельно подключен к амплитудному регистратору 8 и частотомеру-периодимеру 9, а вход - к выходу фотоприемника 4 ВОИ.
Согласно изобретению предметная и опорная волоконные катушки 1, 2 ВОИ закреплены с натягом, например, с помощью клея на биметаллических спиралях (на чертеже не оцифрованы).
При этом биметаллические спирали, являясь нагревателями волоконных катушек 1, 2, подключены к источникам электрического тока, которые могут быть выполнены и в виде одного источника 10 электрического тока (фиг.2).
Конструктивно ВОТ может быть выполнен в виде полей подложки 11, к которой прикреплены державки 12, 13 биметаллических спиралей и волоконных катушек 1, 2 ВОИ.
Биметаллические спирали с помощью проводников 14, 15 подключены к источнику электрического тока 10, снабженного необходимым коммутатором для его работы.
Волоконные катушки 1, 2 с помощью волокон 16, 17 оптически согласованы в ВОИ с источником 3 когерентного света и фотоприемником 4, располагаемые вместе с усилителем 7 фототока в блоке 18.
Амплитудный регистратор 8 и частотомер-периодимер 9 могут располагаться вне полой подложки 11.
Фазосдвигающее устройство 5 и блок управления фазосдвигающим устройством 5 на фиг.2 не показаны.
Как можно заметить в данной схеме ВОТ реализуется термоанемометр косвенного подогрева, собранный по схеме термоанемометра постоянного тока.
В практической реализации подобный термоанемометр значительно проще по сравнению с прототипом.
ВОТ работает следующим образом.
Перед началом работы ВОТ проходит градуировку для различных значений тока по скорости потока и по градиенту скоростей. В первом случае перегревается относительно потока один ТЧЭ, а во втором - два ТЧЭ.
Начальную разность фаз интерферирующих лучей задают равной 90°.
ВОТ работает в двух режимах. В первом режиме работы измерения скорости потока перегрев биметаллической спирали и предметной волоконной катушки 1 ВОИ задают такими, чтобы сдвиг интерференционных полос в последнем не превышал одной четверти полосы. При этом показания амплитудного регистратора 8 будут носить аналоговый характер. (В этом случае опорная волоконная катушка 2 не подогревается).
Во втором режиме - перегрев биметаллической пластины и предметной волоконной катушки 1 задаются такими, чтобы выходной сигнал ВОИ представлял множество интерференционных полос, считаемых частотомером-периодимером 9. При этом количество полос несет информацию о скорости потока, а частота следования полос - об его ускорении.
Появление выходного сигнала ВОИ обусловлено тем, что поток охлаждает ТЧЭ тем больше, чем больше скорость потока. При этом перегретая относительно потока биметаллическая спираль начинает скручиваться или раскручиваться, натягивая или ослабляя натяг предметной волоконной катушки 1.
Если требуется измерить градиент скорости в потоке, то проводится подогрев обеих биметаллических спиралей. При этом на предметную волоконную катушку 1 ВОИ будет воздействовать поток со скоростью V1, а на опорную волоконную катушку 2 - поток со скоростью V2.
На выходе ВОИ будет представлен сигнал, пропорциональный разности скоростей V2-V1. Поделив значение сигнала на расстояние между катушками 1, 2, получим значение градиента скоростей в данной области потока.
Таким образом, с помощью данного ВОТ на более простой аппаратуре можно измерять значения скорости и ускорения потока, а также градиент скоростей в потоке.
1. Волоконно-оптический термоанемометр, содержащий предметную и опорную волоконные катушки, оптически согласованные в интерферометр с источником когерентного света и фотоприемником, фазосдвигающее устройство, установленное в одной из волоконных катушек, нагреватель оптического волокна в предметной волоконной катушке, усилитель фототока и амплитудный регистратор, при этом выход фотоприемника через усилитель фототока подключен к амплитудному регистратору, отличающийся тем, что дополнительно содержит биметаллическую спираль, на которой с натягом закреплена предметная волоконная катушка интерферометра, при этом нагреватель оптического волокна в предметной волоконной катушке выполнен в виде источника электрического тока, подключенного к биметаллической спирали, а к выходу усилителя фототока параллельно амплитудному регистратору подсоединен частотомер-периодимер.
2. Волоконно-оптический термоанемометр по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит вторую биметаллическую спираль, аналогичную первой, на которой с натягом закреплена опорная волоконная катушка интерферометра, а также нагреватель оптического волокна в опорной волоконной катушке, выполненный в виде второго источника электрического тока, аналогичного первому, подключенного ко второй биметаллической спирали.
3. Волоконно-оптический термоанемометр по п.1, отличающийся тем, что оптические волокна предметной и опорной волоконных катушек закреплены с натягом на биметаллических спиралях с помощью клея.