Оптические расходомеры – это расходомеры, основанные на зависимости от расхода вещества того или иного оптического эффекта в потоке.

 

Существуют следующие разновидности этих приборов:

• допплеровские расходомеры (принцип их работы основан на измерении разности частот, появляющейся при отражении светового луча движущимися частицами потока);
• расходомеры, основанные на эффекте Физо-Френеля (в них измеряется сдвиг интерференционных полос или частоты световых колебаний, связанный с зависимостью скорости света в движущемся прозрачном веществе от его скорости);
• особые оптические расходомеры;
• корреляционные оптические расходомеры;
• расходомеры, основанные на измерении времени перемещения на определённом участке пути оптической метки, введённой в поток.

Оптические расходомеры часто называют лазерными, так как развитие их основных разновидностей стало возможным после создания мощных оптических квантовых генераторов (ОКГ), которые чаще называют лазерами.

Допплеровские оптические расходомеры являются основными среди рассматриваемых оптических приборов. В основном они применяются для измерения местных скоростей жидкости и газа. Для измерения расхода они применяются реже, в отличие от приборов, основанных на принципе Физо-Френеля, которые предназначены только для измерения расхода. Оптические расходомеры обычно применяют в трубах небольшого диаметра.

Допплеровские расходомеры

Принцип действия расходомеров данного типа основан на измерении разности частот, возникающих при отражении светового или звукового луча движущимися частицами потока.

Свет отражается (или рассеивается) от большого числа естественных или искусственных неоднородностей измеряемого вещества. Вследствие чего на приёмник будет поступать сигнал, содержащий случайные составляющие спектра, так как характер сложения амплитуд и фаз элементарных отражений случайный. Хотя мощность сигнала не велика, но этого достаточно для измерения допплеровского сдвига.

Схемы оптических устройств у анемометров и расходомеров Допплера могут быть различны. Чаще всего источник излучения и фотоприемное устройство располагаются на противоположных сторонах трубы, несмотря на то, что при этом требуется весьма жесткая опорная конструкция, обеспечивающая неизменность положения оптической системы. При необходимости всю система можно расположить с одной стороны, но в этом случае потребуются более мощный источник излучения и более чувствительная измерительная схема, так как здесь на фотоприемник поступают отраженные лучи, направленные в сторону, противоположную движению потока, интенсивность которых в сотни и тысячи раз меньше лучей, отражаемых по направлению потока.

Измерение допплеровского сдвига частоты при обычных скоростях основано на измерении частоты биений двух когерентных оптических сигналов, из которых один опорный, а другой рассеиваемый неоднородностями движущегося вещества[1].

Устройство допплеровских оптических скоростемеров

Схема Иэха и Каммингса (первая по времени):

Рисунок 1

Принцип действия этой схемы основан на том, что луч, образованный оптическим квантовым генератором ОКГ и сфокусированный в точке О линзой Л1, отражает часть своей энергии, которая собирается линзой Л3 и направляется зеркалом З1 через диафрагму D на фотокатод фотоэлектронного умножителя ФЭУ. Но данная схема обладает существенным недостатком, заключающимся в трудности регулирования положения рабочей точки О.

Рисунок 2

Данная схема лишена недостатка предыдущей, так как разделение луча происходит до входа в поток, благодаря чему можно легко менять положение рабочей точки. Принцип действия: луч после выхода из ОКГ падает на полупрозрачное зеркало ПЗ и частично отражается им, образуя опорный луч, проходящий через линзу Л1, затем через жидкость (перпендикулярно её движению без допплеровского эффекта) и через диафрагму D поступает на фотокатод ФЭУ. Из ОКГ идёт другая часть луча, которая проходит через зеркало ПЗ, фокусируется линзой Л2 в рабочей точке О (частично рассеиваясь) и образует рабочий луч, проходящий через диафрагму D, и поступает на фотокатод ФЭУ. Положение рабочей точки О регулируется передвижением зеркала З.

Измерение расхода с помощью эффекта Допплера.

Рисунок 3. Схема допплеровского расходомера ЛДР-100:

(1 — лазер; 2 — поворотные зеркала; 3 — полуволновая фазовая пластинка; 4 — коллиматор; 5 — призмы; 6 — расширитель пучка; 7 — выходной объектив; 8 — сопло Витошинского; 9, 10 — объективы приемного блока; 11 — фотоприемник)

Для измерения расхода оптическими средствами с помощью эффекта Допплера применяют два метода:

1. Этот метод состоит в измерении с помощью лазерного допплеровского анемометра средней скорости потока и умножении результата измерения на площадь потока;
2. Применение лазерного допплеровского расходомера особой конструкции.

При первом методе измеряется местная скорость (при известном её соотношении со средней скоростью). Скорость измеряют в центре трубы или на расстоянии 0,758r (где r — внутренний радиус трубы) от оси трубы. Во втором случае измеряется непосредственно средняя скорость, но здесь требуется большая длина прямого участка трубы, чем при измерении скорости в центре. Также затрудняющего измерение средней частоты допплеровского сигнала из-за большого градиента скорости в данной точке, который приводит к нежелательному расширению спектра этого сигнала.

Точка в центре трубы не имеет данного недостатка. Но для измерения скорости в данной точке необходимо знать коэффициент гидравлического трения трубы. Требования, которые необходимо соблюдать при измерении скорости в одной точке, а также погрешности площади сечения трубопровода приведены в п. 5.3 ГОСТа 8.361—79.

Для снижения погрешности измерения средней скорости и погрешности измерения площади потока в трубе устанавливают сужающее устройство типа сопла Витошинского, которое формирует равномерное поле скоростей. При этом может быть получена высокая точность измерения расхода, близкая к точности образцовых расходомерных установок.

При втором методе необходимы устройства, позволяющие или одновременно измерять допплеровский сдвиг частот в нескольких точках, расположенных на разных расстояниях от оси трубы, или же делать эту операцию последовательно, например с помощью двигателя, который с постоянной скоростью передвигает фокусирующую линзу и, следовательно, перемещает рабочую точку [1]. На рисунке 3 показана схема прибора, измеряющего допплеровский сдвиг частот в нескольких точках. На полупрозрачное зеркало 2 падает световой луч от лазера 1. Часть луча, отражённая от зеркала, направляется непосредственно в поток 5, а другая часть поступает на зеркало 3 и затем на расщепитель 4, из которого выходит в виде ряда пучков. Эти пучки интерферируют с прямым пучком в отдельных точках потока. Проходя через линзу 6 и диафрагму 7, они поступают на протяженный фотоприемник 8. Для получения измерительной информации применяется многоканальный быстродействующий анализатор спектра либо многолучевой допплеровский измеритель с частотным сдвигом пучков, в котором осуществляется как пространственное, так и частотное разделение световых пучков с помощью вращающейся дифракционной решетки.

Обеспечить измерение массового расхода можно дополнив допплеровский оптический расходомер корректором, который учитывает плотность измеряемого вещества.

Расходомеры, основанные на эффекте Физо-Френеля

Скорость света в веществе сп, движущемся со скоростью v, зависит от величины и направления этой скорости. Скорость сп определяется уравнением, которое теоретически вывел Френель, а экспериментально подтвердил Физо:

где с_n - скорость света в неподвижном прозрачном веществе; v – скорость движения вещества; n — коэффициент преломления вещества.

Принцип действия расходомеров, основанных на эффекте Физо-Френеля, следующий: для измерения скорости v на определенном участке пути длиной l создается замкнутый контур длиной L, по которому свет циркулирует в противоположных направлениях (свет надо пропускать по потоку и против него и измерять разность времен прохождения светом данного участка пути). Измеряемое вещество движется лишь на части этого контура длиной L. Сдвиг интерференционных полос или сдвиг частоты световых колебаний между обоими потоками измеряются с помощью фотоприёмного устройства, на которое поступают оба световых потока после прохода замкнутого контура L. Причем как сдвиг интерференционных полос, так и сдвиг частоты световых колебаний пропорциональны скорости v измеряемого вещества.

Рисунок 4 – Схема интерференционного расходомера Физо-Френеля

На рисунке 3 приведена схема оптического интерференционного расходомера. Свет от источника 11 проходит через светофильтр 12 и полупрозрачным зеркалом 10 делится на два потока, проходящие через прозрачные вставки 6 и 13, установленные в корпусе 1. После отражения от зеркал 3 и 4 (укрепленных в трубе с помощью струевыпрямителей 2 и 5) один световой луч проходит путь l по потоку измеряемого вещества, а другой против него. Затем они вновь отражаются от зеркал 3 и 4 и возвращаются к зеркалу 10, где смешиваются и образуют интерференционную картину. Часть интерференционной полосы проходит через диафрагму 7 и поступает к фотоприемнику 8. Фототок измеряется прибором 9. [1]

Особые оптические расходомеры

К особым оптическим расходомерам можно отнести приборы, основанные на зависимости от расхода оптических свойств волоконного световода, который находится в потоке измеряемого вещества.

Оптический расходомер с волоконным световодом, расположенным по оси трубы.

Рисунок 5 - Оптический расходомер с волоконным световодом, расположенным по оси трубы

В данном расходомере неоново-гелиевый лазер 1 соединен с волоконным световодом 2. Данный световод проложен вдоль оси медной трубки 3 (диаметром 30 мм и длиной 500 мм), по которой движется измеряемая жидкость. Противоположный конец световода 3 соединен с фотопреобразователем 4. Течение жидкости вызывает небольшую вибрацию волоконного световода, благодаря чему возникают фазовые изменения светового луча. Фотопреобразователь 4 вырабатывает сигнал, поступающий к измерительному прибору, но только после непосредственного усиления, фильтрации и интегрирования. Главным достоинством данного расходомера является простота его конструкции. Но точность этого прибора невысока.

Оптический расходомер с волоконным световодом, расположенным по диаметру трубы.

Рисунок 6 - Оптический расходомер с волоконным световодом, расположенным по диаметру трубы

Этот прибор даёт гораздо лучшую точность в сравнении с предыдущим. Преобразователь данного расходомера состоит из тонкого стекловолокнистого световода 6, натянутого грузом 9 и расположенного поперек трубопровода 7. Нить укреплена вверху в клеммодержателе 5, проходя через уплотнения 8. Источником света в данном случае является неоново-гелиевый лазер.

При движении измеряемого вещества с обеих сторон нити будут поочередно срываться вихри с частотой, пропорциональной объемному расходу. Ввиду чего данный преобразователь рассматривают, как один из возможных вариантов преобразователей вихревых расходомеров. Срывы вихрей вызывают вибрацию световода и, как следствие, фазовую модуляцию проходящего через него светового луча, воспринимаемую фотодетектором[1].

Основными достоинствами оптических (лазерных) расходомеров являются:

• высокая точность;
• отсутствие контакта с измеряемым веществом;
• высокая чувствительность; 
• малая инерционность; 
• широкий диапазон измерения скоростей (0,1…100 м/с) и расходов независимо от физических свойств измеряемой среды (как жидкостей, так и газов), за исключением требования прозрачности среды в диапазоне длин волн, излучаемых лазерами.

Наиболее перспективно применение оптических методов в экспериментальной гидродинамике, особенно в области турбулентных явлений, изучение которых традиционными способами не дает желаемых результатов вследствие малой точности приборов и, главное, вносимых ими искажений в изучаемую структуру потока.

Расходомеры данного типа применяются для оптически прозрачных жидкостей, к которым относятся вода, керосин, бензин, спирт, растворы серной, азотной кислот и газов. Также лазерные расходомеры используют при измерении расхода агрессивных, высоко- и низкотемпературных (криогенных) жидкостей и газов.

Контроль расхода учет жидкостей осуществляется с помощью различных счетчиков и расходомеров. Определится с выбором вам поможет наш сайт.

Используемая литература:

1. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. ред. Е. А. Шорникова. — 5-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Политехника, 2004. — 412 с