CS259078B1

CS259078B1 - A method of measuring velocity, e.g., flowing fluid, by means of a laser doppler anemometer with a sum correction

Info

Publication number: CS259078B1
Application number: CS868695A
Authority: CS
Inventors: Milan Ptacnik
Original assignee: Milan Ptacnik
Priority date: 1986-11-27
Filing date: 1986-11-27
Publication date: 1988-10-14
Also published as: CS869586A1

Abstract

Řešení se týká způsobu měření rychlosti tekutiny pomocí laserového dóppleroVského anemometru vyhodnocované pomocí ěítačového procesoru v případech, kdy analyzovaný signál obsahuje šum. Podstatou řešení je doplnění měření o testovací měření, při kterém se pomocí simulovaného šumu získá šumová charakteristika přístrojů, pomocí které se korigují výsledky měření. Navržený způsob lze použít v laserové anemometrii všude tam, kde dochází ke zkreslení výsledků měření vlivem šumu.The solution concerns a method of measuring fluid velocity using a laser Doppler anemometer evaluated using a computer processor in cases where the analyzed signal contains noise. The essence of the solution is to supplement the measurement with a test measurement, in which the noise characteristic of the devices is obtained using simulated noise, which is used to correct the measurement results. The proposed method can be used in laser anemometry wherever the measurement results are distorted by noise.

Description

Vynález se týká způsobu měření rychlosti například proudící tekutiny* pomocí laserového dopplerovského anemometru.The invention relates to a method for measuring the velocity of, for example, a flowing fluid * by means of a laser doppler anemometer.

Pro měření rychlosti proudící tekutiny se používá laserový dopplerovský anemometr. V měřícím bodě se utváří v průniku dvou koherentních laserových paprsků optická sonda, tvořená systémem vzájemné rovnoběžných interferenčních rovin, které mají. od sebe vzájemně konstantní vzdálenost určenou vlnovou délkou světla a úhlem protínání jeho paprsků. Proměřovaným proudem tekutiny jsou unášeny hmotné částice různé velikosti, které procházejí optickou sondou. Každá částice, jejíž vektor rychlosti není rovnoběžný s interferenčními rovinami, při průchodu optickou sondou rozptyluje světlo, které je amplitudově modulováno frekvencí, závislou na vzájemné vzdálenosti Interferenčních rovin a na velikosti průmětu vektoru rychlosti částice rovnoběžného s normálou interferenčních rovin. Toto rozptýlené světlo je snímáno optickou soustavou anemometru a přiváděno na fotodetektor, který je mění na elektrický signál. Změřením frekvence tohoto signálu lze zjistit velikost průměru vektoru rychlosti částice rovnoběžného s normálou interferenčních rovin optické sondy. Protože rychlosti částic, unášených tekutinou, se v podstatě neliší od rychlosti tekutiny, lze takto měřenou rychlost pokládat za rychlost tekutiny.A laser doppler anemometer is used to measure the velocity of the flowing fluid. At the measuring point, an optical probe is formed at the intersection of two coherent laser beams, formed by a system of parallel interference planes they have. a constant distance from each other, determined by the wavelength of light and the angle of intersection of its rays. Mass particles of various sizes are carried by the measured fluid stream and pass through the optical probe. Each particle whose velocity vector is not parallel to the interference planes scatters light, which is amplitude modulated by a frequency dependent on the distance between the interference planes and the projection magnitude of the particle velocity vector parallel to the normal of the interference planes, as it passes through the optical probe. This scattered light is sensed by the optical system of the anemometer and fed to a photodetector, which converts it into an electrical signal. By measuring the frequency of this signal, the magnitude of the particle velocity vector diameter parallel to the normal of the interference planes of the optical probe can be determined. Since the velocities of the particles carried by the fluid do not differ substantially from the velocities of the fluid, the velocity thus measured can be considered to be the fluid velocity.

Za výsledek měření se pak obvykle považuje výsledek vyhodnocení realizací mnoha set až tisíc takto získaných údajů.The measurement result is usually considered to be the result of the evaluation of many hundreds to thousands of data obtained in this way.

Vyhodnocování se dosud provádí pomocí statistických momentů. Vyhodnotí se aritmetický průměr, směrodatná odchylka,případně další centrované, momenty. Veškerá nasbíraná data se zpracovávají jako rovnoceně hodnoty, případně se korigují na některé fyzikálně zdůvodnitelné systematické chyby, např. chybu rychlosti související se změnou měrného průtoku částic optickou sondou při změně rychlosti a jejich konstantní koncentraci v proudící tekutině. Intenzita užitečného signálu slábne s narůstající měřenou rychlostí. Tato vlastnost laserového dopplerovského. anemometru společně s velkým nárůstem šumu vzniklým v důsledku odrazů od stěn, které se často vyskytují při reálném měření, velmi snižuje odstup signálu od sumu při aerodynamických měřeních transsonických proudění* zvláště při používání laserového dopplerovského anemometru se zpětným rozptylem, to je s optikou,·, která je uspořádána tak, aby snímaný signál byl přijímán ze směru, odkud jsou vysílány laserové paprsky. Toto uspořádání je v některých praktických aplikacích jedině možné.The evaluation is still carried out using statistical moments. The arithmetic mean, standard deviation, or other centered moments are evaluated. All collected data are processed as equal values, or corrected for some physically justifiable systematic errors, eg velocity error related to the change of the specific flow rate of particles through the optical probe when the velocity changes and their constant concentration in the flowing fluid. The strength of the useful signal decreases with increasing measured speed. This property of laser doppler. the anemometer, together with the large increase in noise caused by reflections from the walls, which often occur in real measurements, greatly reduces the signal-to-sum ratio in aerodynamic measurements of transonic currents * especially when using a backscatter laser doppler anemometer, ie optics. which is arranged so that the sensed signal is received from the direction from which the laser beams are emitted. This arrangement is only possible in some practical applications.

Dosavadní způsob měření střední hodnoty rychlosti tekutiny má zásadní nedostatek v tom, že do souboru zpracovávaných dat jsou zahrnuty i uvedené šumy, což vede ke značnému zkreslení výsledků měření, v některých případech až o desítky procent, takže metodaje pak v podmínkách nízkého odstupu signálu od šumu nepoužitelná.The current method of measuring the mean value of the fluid velocity has a major drawback in that the above-mentioned noise is included in the set of processed data, which leads to considerable distortion of the measurement results, in some cases by tens of percent. not applicable.

Procesor laserového dopplerovského anemometru má ve své vstupní analogové jednotce filtrovou propust a regulovatelný zesilovač. I při relativně dobrých šumových poměrech jsou výsledky měření ovlivněny nastavením ovládacích prvků procesoru. Optimalizace nastavení těchto prvků je pak časově náročné a může vést i ke zkreslení výsledku o několik procent. Příčinou závislosti výsledku měření na nastavení přístroje je opět přítomnost šumu v signálu.The laser Doppler anemometer processor has a filter filter and adjustable amplifier in its analog input unit. Even at relatively good noise ratios, the measurement results are affected by the settings of the processor controls. Optimizing the setup of these elements is then time-consuming and can lead to distortion of the result by several percent. The cause of the dependence of the measurement result on the instrument setting is again the presence of noise in the signal.

Uvedené nedostatky odstraňuje způsob vyhodnocení měření rychlosti^například proudící tekutiny, pomocí laserového dopplerovského anemometru s korekcí na šum, obsahujícího vyhodnocovací řetězec s fotodetektorem, na který je připojen procesor signálu anemometru a analogové nebo digitální zařízení pro vyhodnocování histogramu měření podle vynálezu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že při měření histogramu se zjistí úroveň šumu a nastavení jednotlivých přístrojů jako filtrů a zesilovačů, načež se při této úrovni šumu a nastavení přístrojů změří závislost četnosti měření na frekvenci udávané procesorem signálu tak, že na vstup procesoru se přivádí šum generovaný fotodetektorem o stejné úrovni, jakou měl šum při měření, čímž se získá šumová charakteristika vyhodnocovacího řetězce. Potom se pořadnice histogramu měření vynásobí převrácenou hodnotou pořadnic šwmové charakteristiky, čímž se získá korigovaný histogram, ze kterého se vyeliminují hodnoty šumu vypuštěním hodnot s četností nižší, než je konstanta daná charakterem šumu a poměrem plochy histogramu měření a plochy pod šumovou charakteristikou. Tento eliminovaný histogram se staticticky vyhodnotí na počítači udávajícím střed- ní hodnotu okamžité rychlosti neovlivněnou šumem.These drawbacks are eliminated by a method of evaluating velocity measurements of a flowing fluid, for example, by means of a noise-corrected laser doppler anemometer comprising an evaluation string with a photodetector to which an anemometer signal processor and an analog or digital measurement histogram evaluation device according to the invention are connected. The object of the present invention is to detect the noise level and settings of individual devices such as filters and amplifiers when measuring the histogram, and then to measure the frequency dependence of the measurement frequency on the frequency indicated by the signal processor such that noise is applied to the input of the processor. generated by a photodetector at the same level as the measurement noise, thus obtaining a noise characteristic of the evaluation chain. Then, the ordinate of the measurement histogram is multiplied by the reciprocal value of the ordinate of the waveform to obtain a corrected histogram from which the noise values are eliminated by omitting values less than the constant given by the noise pattern and the ratio of the measurement histogram area to the area below the noise characteristic. This eliminated histogram is statically evaluated on a computer indicating the mean instantaneous velocity not affected by noise.

Výhodou navrženého způsobu je zvýšení přesnosti měřeníThe advantage of the proposed method is to increase the measurement accuracy

- 3 v zašuměném nu?'Ílu o řád, snížení závislosti výsledků měření na nastavení přístroje a rozšíření použitelnosti laserového dopplerovského anemometru v aplikacích, kde je vysoké procento Šumu v signálu.3 in a noisy order of magnitude, reducing the dependence of the measurement results on the instrument setting, and extending the usability of the laser doppler anemometer in applications where there is a high percentage of noise in the signal.

Pomocí běžně používaných metod se naměří histogram měření. Během sběru dat pro tento histogram se na spektrálním analyzátoru, připojeném k analogovému výstupu procesoru, stanoví pro několik frekvencí špičková úroveň šumu. Současně se zaznamená i poloha ovládaoích prvků. Sestaví se testovací měřící řetězec, který tvoří fotonásobič použitý při měření histogramu osvětlený žárovkou s regulovatelnou intensitou světla, čítácový procesor laserového dopplerovského anemometru připojený na fotonásobič, zařízení pro vyhodnocování histogramu a spektrální analyzátor.Measure the histogram of measurements using commonly used methods. During data collection for this histogram, peak noise levels are determined on a spectrum analyzer connected to the analog output of the processor for several frequencies. The position of the controls is also recorded. A test measurement string consisting of a photomultiplier used to measure the histogram illuminated by an incandescent light bulb, a laser doppler anemometer counter processor connected to the photomultiplier, a histogram evaluation device, and a spectrum analyzer is assembled.

U všech ovládacích prvků měřícího řetězce se nastaví poloha, zaznamenaná při měření histogramu. Pomocí regulace intensity světla žárovky se na monitorovacím spektrálním analyzátoru nastaví úroveň šumu tak, jak byla při měření. Úroveň šumu na kontrolních frekvencích proměřených během měření musí odpovídat nastavené úrovni simulovaného šumu. Z takto nastaveného testovacího měření se naměří histogram - šumová charakteristika. Histogram z měření se vynásobí převrácenou hodnotou šumové charakteristiky, a tím získáme korigovaný histogram. Z korigovaného histogramu se vyeliminují hodnoty šumu vypuštěním hodnot s četností nižší, než je konstanta daná charakterem šumu a poměrem plochy histogramu měření a plochy pod šumovou charakteristikou. Takto eliminovaný histogram se statisticky vyhodnotí na počítači, udávajícím střední hodnotu okamžité rychlosti neovlivněnou šumem.The position recorded when measuring the histogram is set for all controls of the measurement string. By adjusting the light intensity of the bulb, the noise level of the monitoring spectrum analyzer is adjusted as it was measured. The noise level at the control frequencies measured during measurement must match the simulated noise level set. The histogram - noise characteristic is measured from this test measurement. The histogram of the measurement is multiplied by the reciprocal of the noise characteristic to obtain a corrected histogram. Noise values are eliminated from the corrected histogram by omitting values with a frequency lower than the constant given by the noise pattern and the ratio of the measurement histogram area to the area below the noise characteristic. The histogram thus eliminated is statistically evaluated on a computer indicating the mean instantaneous velocity not affected by noise.

• s• p

Navrhovaný způsob je možno použít v laserové anemometrii všude, kde dochází ke zkreslení výsledků měření vlivem šumu.The proposed method can be used in laser anemometry wherever noise results are distorted.

Claims

A method of measuring velocities ₍ e.g., flowing fluid using a laser-corrected Doppler anemometer with noise correction comprising an evaluation string with a photodetector connected to an anemometer signal processor and an analog or digital measurement histogram evaluation device, characterized in that noise and instrument settings such as filters and amplifiers, then at this noise level and instrument settings, the frequency dependence of the measurement is measured by the frequency indicated by the signal processor by inputting the noise generated by the photodetector at the same level as the measurement noise, the noise pattern of the evaluation string is obtained, then the ordinate of the measurement histogram is multiplied by the reciprocal of the ordinate of the noise pattern to obtain a corrected histogram from which a lot of those noise by omitting values with a frequency lower than the constant given by the noise pattern and the ratio of the measurement histogram area to the peck below the noise characteristic, and this eliminated histogram is statistically evaluated on a computer giving the mean instantaneous velocity not affected by noise.