Например, Бобцов

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИГНАЛА ЛАЗЕРНЫХ АНЕМОМЕТРОВ ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ СКОРОСТЕЙ И РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ В ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКАХ

ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 681.78:535.36/.31
Н. В. СЕМИДЕТНОВ
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИГНАЛА ЛАЗЕРНЫХ АНЕМОМЕТРОВ ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ СКОРОСТЕЙ И РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ В ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКАХ
Рассматривается метод расчета сигнала оптических анемометров при образовании его на рассеивающей свет частице, размеры которой сравнимы или превышают сечение освещающего пучка. Метод расчета базируется на концепции виртуального приемника в рамках геометрической оптики сферической частицы. Приводятся выражения для расчета параметров виртуальных приемников различных порядков рассеяния. Эффективность подхода демонстрируется сравнением экспериментального и моделируемого сигналов.
Ключевые слова: двухфазные потоки, измерение скорости, размеры частиц, лазерный доплеровский анемометр, времяпролетный анемометр, геометрическая оптика.
Для измерения параметров одно- и двухфазных потоков в локальных точках течения широкое применение находят лазерный доплеровский [1] и лазерный двухфокусный анемометры [2]. Принцип действия этих приборов основан на рассеянии света частицами, содержащимися в исследуемом потоке среды. При измерении скоростей движения сплошных сред и, в особенности, газовых потоков используют, как правило, искусственно введенные частицы известного размера. В двухфазных потоках отсутствует возможность управления размерами частиц, так как распределение частиц по размерам, их концентрация и другие параметры дисперсной фазы потока являются предметом измерения. Названные выше приборы позволяют одновременно с измерением скорости частицы определить также и сферический эквивалент ее диаметра. Для этого приборы оснащаются несколькими приемниками излучения. Кроме того, во времяпролетном приборе используются не гомоцентрические, а эллиптические („плоские“) пучки [3]. Информацию о размере частицы получают на основе временных соотношений между сигналами фотоприемников. Поэтому структура и параметры сигналов, а также их связь с размерами частицы должны быть известны.
В двухфазных потоках теплоэнергетических устройств размеры частиц потока обычно распределены в широком диапазоне с верхним пределом, достигающим 100—200 мкм. Математическое описание явления рассеяния света и анализ сигналов анемометров традиционно выполняют на основе теории Ми или геометрической оптики [4]. Во многих публикациях обе теории используются применительно к частицам, размер которых существенно меньше сечения освещающих пучков. При измерениях в двухфазных потоках это условие не выполняется, и требуется модификация теории Ми или геометрической оптики. Наиболее просто приближенное решение задачи находится в рамках геометрической оптики сферической частицы.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7

Моделирование сигнала лазерных анемометров при измерениях скоростей и размеров частиц 61

В понятиях лучевой оптики каждый падающий на частицу луч порождает ряд вторичных лучей: после отражения, после преломления и лучи внутренних отражений в частице
(рис. 1). Взаимодействие луча с частицей характеризуется углами падения и преломления (ϕ и
ψ соответственно). Вторичные лучи идентифицируются порядком k (числом взаимодействий луча с поверхностью раздела сред). После вращения внутри частицы лучи выходят из нее под
углом рассеяния β. Бесконечное число лучей разного порядка формирует общее рассеянное поле, регистрируемое фотоприемником.

k=1 k=4

Вторичные лучи

Первичный луч

ϕψ

β k=2

Сферическая k=3 частица

Рис. 1
На практике эту картину взаимодействия света с частицей можно существенно упростить. Во-первых, энергия вторичных лучей быстро уменьшается с увеличением порядка k рассеяния луча, поэтому в большинстве случаев несколько лучей первых порядков вносят заметный вклад в общее рассеянное поле. В ряде случаев преобладает только один эффект рассеяния, обеспечивая 95—98 % общего количества принимаемой энергии [5]. Таким образом, в рамках геометрической оптики возможна оценка параметров сигнала с учетом одного единственного эффекта рассеяния или суммы нескольких существенных эффектов.

Виртуальный приемник (k=1)

Ω Направление на приемник



Освещающий пучок

δ(1) ϕ(1) δ(2) ϕ(2)

β
Направление освещения

Виртуальный приемник (k=2)

Потери энергии

Рис. 2
Рис. 2 иллюстрирует ситуацию, возникающую при освещении частицы пучком парал-

лельных лучей и регистрации преломленного (k=2) и отраженного (k=1) излучения. Видно,

что в обоих случаях приемник принимает свет, падающий на ограниченный по размерам и

строго определенный элемент поверхности частицы. Размеры этого элемента и его положе-

ние определяются законами лучевой оптики. Этот элемент локализует зону в освещающем

пучке, которая проецируется на приемник, а площадь этого элемента определяет количество

получаемой энергии. Из-за отражений и преломлений в частице только часть энергии, па-

дающей на элемент, достигает приемника и преобразуется далее в сигнал. Это можно тракто-

вать как потери энергии. Описанная ситуация характерна для всех порядков рассеяния света.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7

62 Н. В. Семидетнов
Очевидно, что для любого порядка рассеяния можно условно поместить приемник перед частицей, заменив, таким образом, реальный детектор несколькими виртуальными приемниками (ВП). Виртуальные приемники разных порядков рассеяния детектируют излучение в точках поверхности частицы [6, 7] и с учетом потерь преобразуют в электрический сигнал. ВП любого порядка расположен в плоскости рассеяния и характеризуется собственными параметрами: размерами чувствительной поверхности, смещением относительно центра частицы и коэффициентом передачи, учитывающим потери энергии. При перемещении частицы через освещающий пучок виртуальные приемники сканируют световое поле в пучке, при этом их выходной сигнал пропорционален плотности потока света вдоль траектории движения.
Определим сигнал как функцию пространственного положения центра частицы в объеме измерений. Полагая, что плотность потока излучения в объеме измерений есть известная функция координат F(x, y, z), и пренебрегая в силу малости ВП неоднородностью потока по его площади, выходной сигнал реального приемника определяем выражением
I (xc , yc , zc ) = F (xc +δx , yc +δ y , zc +δz ) AGχ ,
где xc, yc, zc — координаты центра частицы; A — площадь поверхности виртуального приемника; δx, δy, δz — смещения центра ВП относительно центра частицы; G2 значения коэффициентов Kx и С в явном виде получить

невозможно. Их можно определить только как функцию угла падения ϕ, который находят из

уравнения связи:

β = (k −2)π+2[ϕ+(k −1)ψ].

(1)

Дифференциальное фокусное расстояние при k >2 равно

{ }f ′(k) = 2 ⎡⎣1−(k −1) cos ϕ / (n cos ψ)⎤⎦ −1 .

(2)

В соответствии с выражениями (1) и (2) рассчитываются параметры ВП любого порядка.

Например, на рис. 4 приведен график зависимости относительного смещения ВП от угла обрат-

Kх 0,75

k=3, т=3

ного рассеяния γ (γ=180–β) для k=3 и n=1,6. Отметим, что при k>2 в любом из порядков могут наблюдаться несколько мод (т) и соот-

0,50 ветственно несколько виртуальных приемни-

0,25 0,00 –0,25

k=3, т=1

ков. Например, при γ=5° в третьем порядке генерируются три моды сигнала. Очевидно, что в большинстве случаев в образовании сигнала участвуют несколько виртуальных приемни-

–0,50
–0,75 –1,00
–20 –15

k=3, т=2
–10 –5 0 5 Рис. 4

10

15 γ, …°

ков, а реальный детектор формирует их общий сигнал. При этом на чувствительной поверхности приемника следует суммировать электромагнитные поля с учетом поляризаций и фаз, так как потоки, рассеянные в различных порядках, когерентны. Однако простое сумми-

рование во многих случаях дает достаточную по точности оценку параметров сигнала. Таким

образом, в первом приближении полный сигнал фотоприемника определяется как

( )I

(

xc

)

=

πχr

2

Ω2




F

xc

+

K

(k x

)

r

C(k)G(k)

.

(3)

k =1

Суммирование порядков рассеяния по формуле (3) приводит при пересечении частицей

луча к появлению нескольких импульсных сигналов различных порядков. Это иллюстрируется

рис. 5, а, б, где представлены графики соответственно экспериментального и расчетного сигна-

лов двухлучевого анемометра [6—8]. При пересечении частицей каждого луча генерируются по

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7

Моделирование сигнала лазерных анемометров при измерениях скоростей и размеров частиц 65

четыре импульсных сигнала, соответствующих порядкам и модам рассеяния. Рассеяние регистрируется в обратном направлении, поэтому преломленное излучение отсутствует. Экспериментальный сигнал записан цифровым осциллоскопом, и с использованием измеренного значения скорости частицы переменная времени пересчитана в пространственную координату хс. В эксперименте и при расчетах приняты следующие параметры: времяпролетная база 110 мкм, сечения пучков в направлении оси чувствительности (x) 10 мкм, диаметр частицы 85,2 мкм, n=1,6,
ξ=0, η=84,3°, γ=5,7°. Анализ графиков показывает их хорошее совпадение.
а)
U, мВ

1-й луч

2-й луч

б) I

хс

8 1-й луч

k=3, т=2 2-й луч

6

4 k=3, т=3

k=3, т=1

k=3, т=3 k=3, т=1

2 0 k=1 k=3, т=2

k=1

–125

–75

–25 0

25

75 хс, мкм

Рис. 5

Таким образом, предложенная методика моделирования сигналов лазерных анемомет-

ров с использованием концепции виртуального приемника позволяет оценить амплитудные и

временные характеристики сигналов лазерных измерительных систем с фокусированными

осветительными пучками при измерениях скоростей и размеров частиц в двухфазных потоках.

Это справедливо как для времяпролетных, так и для лазерных доплеровских приборов [9]. При

этом возможно предварительное исследование измерительных систем и их сигналов при раз-

личных положениях приемников, вариации размеров частиц и показателя преломления. Оп-

тимизация конструкции прибора, предварительная оценка его эксплуатационных и метроло-

гических характеристик, поиск оптимальных путей электронной обработки сигнала и другие

задачи могут быть решены в ходе компьютерного моделирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дубнищев Ю. Н., Ринкевичюс Б. С Методы лазерной доплеровской анемометрии. М.: Наука, 1982. 304 с.
2. Schodl R. A laser-two-focus (L2F) velocimeter for automatic flow vector measurements in the rotating components of turbomachines // Trans. ASME. J. Fluids Eng. 1980. Vol. 102, N 4. P. 412—419.
3. Павловский Б. А., Семидетнов Н. В. Комплексное измерение скоростей, размеров и концентрации движущихся частиц в двухфазном потоке // Измерительная техника. 1991. № 9. С. 40—42.
4. Шифрин К. С. Рассеяние света в мутной среде. М. — Л.: Гостехтеориздат, 1951. 288 с.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7

66 В. Д. Смирнов, И. В. Кнороз, С. Е. Герсанова, А. Е. Бендюговский
5. Семидетнов Н. В. Исследование особенностей рассеяния излучения частицами двухфазной среды в оптических приборах-анализаторах структуры среды // Оптическая запись и обработка информации: Сб. науч. тр. / Куйбышев. авиационный ин-т им. акад. Королева. Куйбышев, 1986. С. 130—137.
6. Исследование оптических методов комплексного исследования параметров двухфазных потоков: Отчет по НИР / Санкт-Петербург. гос. морской техн. ун-т; Руководитель Н. В. Семидетнов. № ГР 01.9.80004518; Инв. № 02.9.80003899. СПб., 1997. 146 с.
7. Semidetnov N. Local laser velocimetry of single particles: Application of equivalent detector concept for mathematical signal modeling // Laser Anemometry Advances and Applications: Proc. 7 th Intern. Conf.; GALA e.V. Karlsruhe, 1997. P. 361—369.
8. Semidetnov N. V. Experimental study and numerical simulation of time-of-flight anemometer signals generated by large particle // Flow Diagnosis Techniques: Proc. Intern. Workshop. St. Petersburg, 1998. P. 131—138.
9. Семидетнов Н. В., Муравьев П. А. Моделирование выходного сигнала ЛДА при регистрации частиц большого размера // Оптические методы исследования потоков: Тез. докл. V междунар. науч.-техн. конф. М.: Изд-во МЭИ, 1999. С. 141—142.
Сведения об авторе Николай Владимирович Семидетнов — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный
морской технический университет, кафедра судовой автоматики и измерений; E-mail: n.semidetnov@ans.spb.ru

Рекомендована кафедрой судовой автоматики и измерений

Поступила в редакцию 05.06.08 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7