ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО РАСТРОВОГО МЕТОДА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ В ОТКРЫТЫХ КАНАЛАХ
Э.Г. Звенигородский, Ю.Д. Каминский, В.И. Мартынова, С.Ю. Проскурнев, П.В. Рогов
Рассматриваются возможности измерения скорости сточных вод с использованием оптического растрового измерителя скорости.
Одна из актуальных задач экологического контроля — измерение скорости и расхода сточных и очистных вод в открытых каналах и безнапорных водосливах. Широко используемые сегодня гидрометрические вертушки крайне неэффективны, так как в условиях химически активных, абразивных и вязких контролируемых сред они имеют очень малую надежность и низкие метрологические характеристики.
В связи с этим для решения поставленной задачи целесообразно рассмотреть перспективы применения бесконтактных, и, в первую очередь, лазерных и оптических методов.
В настоящее время накоплен большой опыт применения лазерных доплеровских измерителей скорости (1_ПЛ) для решения различных задач по исследованию движения жидкостей в гидроканалах различной конфигурации.
Однако, 1_ПЛ, выполненные по стандартной схеме с источниками излучения на газовых лазерах, имеют большие габариты, достаточно дороги и, в основном, не предназначены для использования в промышленных измерениях.
Применение 1_ПЛ на полупроводниковых лазерах (ППЛ) в большой степени решает эти проблемы, но необходимость использования систем стабилизации температуры лазера и достаточно дорогой оптики в определенной степени ограничивает возможность использования таких приборов.
Для упрощения оптических схем 1_ПЛ в последние годы вновь стали использовать дифракционные решетки для создания расщепителей лазерного пучка, позволяющих одновременно корректировать уход длины волны ППЛ, тем более, что современные технологии позволяют получить высокое качество и снизить стоимость, особенно при массовом производстве дифракционных решеток благодаря применению стандартных микролитографических методов.
Принципиально возможно создание светоде-лительного элемента на базе отражательной дифракционной решетки, обладающей фокусирующими свойствами. В этом случае весь передающий оптический модуль 1_ ПЛ можно свести к одному интегральному элементу, обеспечивающему автоматическое сведение лазерных пучков.
В работе [1] предложен дифракционный ахроматический элемент, состоящий из расщепителя на дифракционной решетке и дифракционной компенсирующей линзы. Этот элемент выполнен в виде интегрального узла диаметром 10 мм и фокусным расстоянием в диапазоне 50...500 мм, что позволило значительно упростить конструкцию и уменьшить размеры датчика.
В работе [2] предложен 1_ПЛ, чувствительный к направлению движения объекта, с источником излучения на двух стабилизированных ППЛ, что исключило необходимость применения устройства для расщепления лазерного пучка и позволило значительно упростить оптическую схему датчика.
Учитывая интенсивное развитие схемотехники и элементной базы датчиков ЫМ, а также успешное применение РРвА-технологии в системах обработки доплеровских сигналов, можно считать, что в ближайшей перспективе 1_ПЛ на ППЛ могут широко применяться в промышленных измерениях, в том числе и для измерений скорости сточных вод.
Кроме лазерных доплеровских систем успешно применяются для измерения скорости твердых поверхностей традиционные растровые системы на основе пространственных периодических структур с когерентными и некогерентными источниками излучения. Вновь возникший интерес к таким системам, в первую очередь, связан с разработкой эффективных методов обработки частотных сигналов с низким отношением сигнал/шум, а также с использованием достаточно мощных полупроводниковых источников излучения.
В работе [3] рассматривается растровая система, в которой лазерный пучок проходит через оптическую решетку и афокальную оптическую систему, состоящую из двух линз и диафрагмы, образуя на поверхности контролируемого объекта штриховой растр с равномерным распределением полос. При перемещении объекта формируется частотно модулированный отраженный световой сигнал с частотой/= (1Д/)К, где К^ скорость объекта, с/ — расстояние между полосами.
НИИТеплоприбор
Датчики и Системы »№ 11.2001.
15
Несмотря на наличие паразитных интерференционных и дифракционных эффектов непосредственно за оптической решеткой, что обусловливает необходимость применения дополнительных оптических элементов для уменьшения оптических помех, описанный датчик отличается достаточной простатой конструкции, технологичностью и механической прочностью.
В работе [4] описана двухканальная оптическая растровая система с некогерентными источниками излучения (галогенные лампы и излучающие диоды), предназначенная для измерения двух составляющих вектора скорости при полигонных испытаниях автомобилей.
Применение растровых систем с объемными призменными решетками позволяет получить два сигнала, сдвинутых по фазе на 180°, что дает возможность значительно уменьшить низкочастотную составляющую сигнала датчика и, соответственно, значительно упростить систему обработки.
В работе [5] описан растровый измеритель скорости, выполненный по традиционной схеме с афокальной приемной оптической системой и светодиодным источником излучения. Прибор успешно использовался в качестве технологического измерителя скорости и длины длинномерных материалов, а также бортового измерителя скорости различных транспортных средств.
Сравнительный анализ рассмотренных лазерных и оптических измерителей скорости показывает, что принципиально оба типа приборов могут быть успешно использованы для измерения скорости сточных вод, поскольку загрязненный водный поток можно по аналогии с твердыми поверхностями рассматривать как оптическую структуру со стохастически распределенными оптическими неоднородностями по размеру и положению.
Однако, создание дешевого и надежного в условиях значительных перепадов температур, высокой влажности и наличия агрессивных паров измерителя скорости более перспективно на базе растрового метода.
Учитывая сказанное авторами, были проведены исследования возможности создания оптического измерителя скорости сточных вод на растровом принципе. Оптическая схема разработанного прибора приведена на рисунке [5]. Для его надежной работы в загрязненных (двухфазных) потоках было необходимо решить две основные задачи:
• повысить энергетическую эффективность и чувствительность оптического датчика;
• обеспечить высокую точность системы обработки частотного сигнала с учетом специфики двухфазных потоков.
Для решения первой задачи в качестве излучателя был использован мощный многокристаллический инфракрасный диод, световой поток
которого фокусировался на оптической оси приемного канала, а в фотоприемном устройстве был применен высокочастотный рт-фотодиод с малошумящим операционным усилителем.
Для решения второй задачи был использован многоканальный сигналпроцессор счетного типа модели РЕ-4, разработанный авторами для обработки допплеровских сигналов лазерных расходомеров [5].
Для повышения эффективности работы сиг-налпроцессора РЕ-4 необходимо было учесть специфику сигнала в двухфазных потоках, которая связана с двумя факторами: а) многочастичный режим работы, что вызывает изменение фазы сигнала и значительно увеличивает дисперсию отсчетов; б) низкое отношение сигнал/шум.
Для уменьшения влияния изменения фазы входного сигнала и повышения числа отсчетов в единицу времени, что соответствует увеличению представительства выборки при низких отношениях сигнал/шум, было разработано устройство когерентной фильтрации сигнала, выполняющее преобразование:
/(/)= J и(/-т)и(/+ т)с1т,
16
Sensors & Systems»№11.2001
где (/(/) — сигнал фотоприемника; т — задержка сигнала;/(/) — выходной сигнал фильтра.
Однако аналоговый вариант устройства, выполняющего это преобразование, достаточно сложен для реализации, поэтому более целесообразно использование знакового варианта алгоритма.
Для этого аналоговый сигнал подвергается фильтрации в октавной полосе частот, клиппи-руется, а затем выполняется знаковый эквивалент алгоритма. Эффективность алгоритма эквивалентна эффективности преобразования Фурье, но преимущество его в том, что при реализации не происходит преобразования пространства, т.е. выходная и входная функции/(/) и и(1) являются функциями времени. Это свойство позволяет далее применять апробированные алгоритмы обработки частотного сигнала, как принято при обработке допплеровского сигнала. Принципиально дополнительный выигрыш при применении когерентного фильтра эквивалентен частотной фильтрации с полосой 1/(ттах — Тт;а).
Оценка эффективности сигналпроцессора с когерентным фильтром на реальном сигнале показала, что он позволяет обеспечить измерение пороговых сигналов, у которых отношение сигнал/шум на 10 дБ меньше по сравнению со стандартной системой, что определяет его надежную работу в большом динамическом диапазоне сигналов и в широком спектре отражающих поверхностей.
Метрологические испытания разработанного измерителя скорости проводились на оптомеха-ническом имитаторе скорости, обеспечивающем погрешность воспроизведения линейности скорости +0,035% при времени осреднения >10 с.
Основные результаты испытаний
Диапазон измеряемых скоростей, м/с..................0,04...4
Основная погрешность измерения, %...................0,3
Расстояние до объекта, мм .... 10 ± 0,1 Контролируемые поверхности . Металл, бумага,
резина, пластики
Время измерения, с.........0,1...50
Потребляемая мощность, В • А . 4
Натурные испытания прибора проводились на различных объектах Мосводоканала. Прибор показал надежную работу как в летнее, так и в зимнее время, и успешно использовался для определения полей скоростей в открытых каналах.
Применение растровых измерителей скорости в комплекте с бесконтактными акустическими уровнемерами позволит повысить метрологические и эксплуатационные характеристики систем измерения расхода и объема сточных вод и обеспечит эффективное решение задачи их автоматизированного учета в системах водоснабжения и канализации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Stork IV., Wagner F., Dresher J., ct. al. Miniaturized Laser-
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.