Оптические расходомеры – это расходомеры, основанные на зависимости от расхода вещества того или иного оптического эффекта в потоке.
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.
Схема Иэха и Каммингса (первая по времени):
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.
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.
Для измерения расхода оптическими средствами с помощью эффекта Допплера применяют два метода:
При первом методе измеряется местная скорость (при известном её соотношении со средней скоростью). Скорость измеряют в центре трубы или на расстоянии $0.758·r$ (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. На рисунке выше 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:
$$c_n = c/n + v·(n^2-1)·n^{-2},$$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.
На рисунке выше 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.
