автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Оптико-электронный комплекс одновременного измерения параметров движущихся пузырьков газа или капель жидкости

На правах рукописи

00340403-

Михалев Александр Сергеевич

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ОДНОВРЕМЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖУЩИХСЯ ПУЗЫРЬКОВ ГАЗА ИЛИ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТИ

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 НОЯ 2009

Москва-2009

003484894

Работа выполнена в ГОУВПО Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре физики им. В.А.Фабриканта

минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан « 3 »_ноября_2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Научный руководитель

Ведущая организация:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Ринкевичюс Бронюс Симович

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой Каленков Сергей Геннадиевич

доктор физико-математических наук, руководитель отделения Вараксин Алексей Юрьевич

Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики

Защита состоится «_11» декабря декабря 2009 г. в 16_часов _СЮ

Д 212.157.12, к.т.н., доцент

И.Г. Буре

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Представленная диссертация посвящена разработке оптико-электронного комплекса лазерного интерференционного метода (ЛИМ) одновременного измерения скорости и размера движущихся прозрачных пузырьков газа и капель жидкости. Данный метод позволяет определять размер пузырьков газа и капель жидкости по получаемым интерференционным картинам, а также их скорость при помощи кросскорреляционной обработки их изображений.

Применение методов компьютерно-лазерной диагностики двухфазных потоков позволяет получить качественно новые результаты. В силу своего быстродействия лазерные методы могут использоваться для диагностики как стационарных, так и нестационарных быстропротекающих процессов в оптически прозрачных средах. Использование лазерного излучения позволяет избежать внесения искажений в исследуемую среду и обеспечивает бесконтактность и дистанционность измерений.

Принцип работы лазерного интерференционного метода основан на регистрации интерференционных картин, образованных отраженными и преломленными лучами, прошедшими через исследуемые пузырьки газа или капли жидкости. По полученной интерференционной картине определяется размер этих пузырьков или капель. В работе рассматривается применение лазерной плоскости в качестве зондирующего излучения. Лазерная плоскость получается из узкого лазерного пучка с помощью оптической системы из цилиндрических и сферических линз.

Данный метод, в отличие от аналогичных, способных одновременно измерять размер и скорость частиц в потоке, является пространственным. Он позволяет получить не только необходимые значения искомых величин, но и визуализировать сам поток.

Цель работы.

Основной целью настоящей работы является создание оптико-электронного комплекса для одновременного измерения размеров и скорости пузырьков газа или капель жидкости.

Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать теорию получения интерференционных картин и определения по ним диаметра пузырьков газа или капель жидкости;

-разработать методику измерения скорости пузырьков газа или капель жидкости;

-разработать методику обработки получаемых интерференционных картин;

- создать оптико-электронный комплекс одновременного измерения размеров и скорости пузырьков газа или капель жидкости лазерным интерференционным методом и определить его оптимальные параметры настройки;

- определить диапазон применимости разработанного оптико-электронного метода.

Научная новизна работы.

Разработана методика моделирования многократных отражений и преломлений гауссова пучка до 6-го порядка на пузырьках газа и каплях жидкости.

Разработан алгоритм каскадной цифровой обработки интерференционных картин, полученных с помощью оптико-электронного комплекса ЛИМ со специализированными методиками фильтрации.

Разработан оптико-электронный комплекс ЛИМ для одновременного определения размеров и скоростей исследуемых стационарных и подвижных объектов по полученным интерференционным картинам.

Определены параметры для проведения экспериментов оптико-электронного комплекса с различными пузырьками газа и капелями жидкости.

Основные положения, выносимые на защиту:

■ Разработанная теория многократных отражений и преломлений гауссова пучка показывает возможность получения интерференционных картин от оптически прозрачных пузырьков газа или капель жидкости и определения по ним их диаметра.

■ Алгоритм каскадной цифровой обработки интерференционных картин ЛИМ позволяет значительно повысить точность определения диаметра и скоростей оптически прозрачных частиц.

■ Разработанный оптико-электронный комплекс лазерного интерференционного метода позволяет одновременно определять диаметр и скорость пузырьков газа или капель жидкости, движущихся в потоке.

Практическая ценность работы.

Предложенный оптико-электронный комплекс одновременного измерения скорости и размера движущихся прозрачных пузырьков газа или капель жидкости лазерным интерференционным методом может быть использован для выявления неоднородностей в жидкости и газе, определения распределения по скоростям и размерам пузырьков газа в аэрозолях. ЛИМ может быть применен для выявления дефектов при изготовлении изделий стекольной промышленности. Методика обработки полученных изображений может быть использована и для других методов исследования, также использующих цифровую видеоаппаратуру для регистрации.

Полученные результаты использовались при выполнении научных работ по проектам Минобрнауки (темы № 1019061 и 1029091). Достоверность полученных результатов.

• Первоначальные экспериментальные исследования проводились на тестовых объектах с известными размерами.

• После сравнения размеров пузырьков газа, полученных экспериментально и измеренными на компараторе, был разработан алгоритм проведения экспериментов для получения результатов с наименьшей погрешностью.

• Перед каждым последующим проведением эксперимента производились измерения на тестовом объекте.

Апробация работы.

Основные материалы работы докладывались на следующих конференциях в период с 2003 по 2009 г.г.:

• 9, 10 Международные научно-технические конференции «Оптические методы исследования потоков», Москва, 2007, 2009.

• Третья международная конференция молодых ученых и специалистов «0птика-2003».

• 15 Международная конференция «Высокие технологии в биологии, медицине и геоэкологии»; Новороссийск, 2007 г.

• 16 Международная конференция «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии»; Новороссийск, 2008 г.

• 10, II, 12, 13 - Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", МЭИ (ТУ), 2004 - 2007 г.г.

• 3rd International conference on Laser Optics for Young Scientists; St. Petersburg, 2006.

Публикации.

Основные материалы диссертации опубликованы в 12 печатных работах, в том числе без соавторов - 2 работы. Из них 1 статья в реферируемом журнале, 5 статей в сборниках трудов конференций и 6 тезисов докладов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 138 машинописных страниц, включая 81 рисунок, 2 таблицы, 38 наименований списка литературы и 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается выбор научного направления и актуальность работы. Приведены цель и основные задачи диссертации. Кратко рассмотрены бесконтактные оптические методы исследования потоков. Сформулированы научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен краткий обзор современной научно-технической литературы по лазерным методам диагностики двухфазных потоков жидкости и газа. Приведены оптические схемы и описания точечных и пространственных

методов диагностики потоков. Показаны возможности их применения для диагностики двухфазных потоков.

Рассмотрены принципы работы лазерного интерференционного метода, описаны суть метода и принцип определения параметров потока по интерференционной картине. Показаны его преимущества перед другими методами диагностики потоков.

Рассеяние на большой частице описывается двумя механизмами. Первый определяется отражением и преломлением лучей частицей в соответствии с законами геометрической оптики, а второй - дифракцией волны на частице (что в дальней зоне эквивалентно дифракции Фраунгофера на непрозрачном диске). Это следует непосредственно из строгой теории рассеяния Ми и разложения Дебая.

В данной работе все вычисления производятся в рамках геометрической оптики. Более точные вычисления возможно получить в рамках физической оптики (рассеяние Ми).

Интерференционная картина образуется за счет наложения прошедших через пузырьки газа или капли жидкости лучей с преломленными на них лучами. На рис. 1 показан ход лучей в пузырьке воздуха при отражении (2) и преломлении (1) лазерного пучка. Разность фаз между прошедшим и отраженным лучом для пузырька воздуха определяется как:

5о

_ §, = 2 я с/ • (п • cos(a') - cos(a') - п ■ cos(ar ))=

X

2-я-d

^п2-2п- cos(0/2) +1 - п ■ sin(G/2)l , п =

J «2

где с1 - диаметр пузырька, X - длина волны излучения, п - относительный показатель преломления, 0 - угол рассеяния, а' - угол падения луча на пузырек, а' - угол преломления падающего луча, аг - угол отражения падающего луча, щ - показатель преломления среды, в которой находится пузырек, «2 - показатель преломления пузырька (щ > п!).

Изображение регистрируется с помощью цифровой ПЗС камеры. Для получения необходимых данных видеозапись производится при расфокусированном изображении, которое представляет собой интерференционную картину (окружность с набором интерференционных полос внутри). Затем по периоду интерференционной картины определяется диаметр пузырька:

</ =

2Ш

1

па

сое

•К!

п2 '

V

©-

-2лсоз — +1

где число интерференционных полос, к - длина волны излучения, п - относительный показатель преломления, 9 - угол рассеяния, а - угол обзора камеры, Я| - показатель преломления среды, в которой находится пузырек, и2 - показатель преломления пузырька («1 > лг).

Скорость исследуемых объектов определяется с помощью кросскорреляционного метода по двум кадрам с изображением одного пузырька или капли в разные моменты времени.

Во второй главе рассмотрены теоретические основы лазерного интерференционного метода. Разработана теория многократных отражений и преломлений гауссова пучка в пузырьке газа или капле жидкости. Показано отличие рас-

П]>п2

1 - преломленный луч, 2 - отраженный луч а' - угол падения луча на пузырек, а' - угол преломления падающего луча, аг - угол отражения падающего луча Рис. 1. Ход лучей в пузырьке воздуха при отражении и преломлении

пределения интенсивности для гауссова пучка и плоской волны. Проведен расчет распределения интенсивности гауссова пучка при прохождении через сферический объект до 6 порядка отражения. Представлены распределения интенсивности гауссова пучка при различной высоте падения лучей на исследуемые пузырьки газа или капли жидкости. Данные зависимости рассчитаны для следующих условий: различной интенсивности падающего излучения, влияние точности расчетов на интенсивность пучков, влияние поляризации падающего излучения, изменения величины интенсивности при падении, отражении и преломлении для разных порядков отражения, влияние показателя преломления. Кратко рассмотрим основные из полученных зависимостей. На рис. 2 представлены зависимости интенсивности для падающего, отраженного и преломленного лучей при различной высоте падения на пузырек газа или каплю жидкости. Данные зависимости представлены для третьего порядка отражения.

й, ММ

Рис. 2. Зависимости интенсивности для падающего, отраженного и преломленного лучей в зависимости от высоты падения

Представлен расчет оптической схемы ЛИМ. Выведена зависимость количества интерференционных полос от угла обзора камеры и углового периода ИК М=а/ Д<р, где Д<р - угловой период ИК.

На рис. 3 показаны особенности получения ИК и отличия ИК от сфокусированного изображения пузырька воздуха. Выявлены различия в форме ИК при различном положении регистрирующей ПЗС камеры. На рис. За показано расположение камеры относительно исследуемого объекта. На расстоянии Ь2 (область, близкая к фокусному расстоянию объектива)

б) в) г)

а) расположение камеры относительно исследуемого пузырька воздуха;

б) РЖ на расстоянии Ь\\в) ИК на расстоянии ¿з;

г) сфокусированное изображение пузырька воздуха

Рис. 3. ИК при различных расстояниях между камерой и

исследуемым пузырьком воздуха

интерференционные полосы параллельны. Изменение этого расстояния приводит к изгибанию интерференционных полос. При уменьшении расстояния от Ьг до ¿1 интерференционные полосы загибаются к центру верхней и нижней час-

тей ИК (рис. 36), а при увеличении ¿2 До Ц полосы загибаются к центру в средней части ИК (рис. Зв). На рисунке Зг представлено сфокусированное изображение пузырька воздуха.

В третьей главе рассмотрена структура оптико-злектронного комплекса ЛИМ. Показаны способы создания лазерной плоскости, т.е. изменения формы пучка оптической системой сферических и цилиндрических линз. В результате таких преобразований лазерный пучок становится сильно расходящимся в одной из плоскостей, а в другой плоскости наоборот. На рис. 4 представлены результаты расчета изменения размера лазерного пятна при прохождении через цилиндрическую и сферическую линзы вдоль осей XOZ и YOZ. Данная зависимость построена для падающего лазерного пучка с длиной волны к = 0,6328 мкм и радиусом пучка в перетяжке w0 = 1 мм. Фокусное расстояние первой линзы f\ - 5 мм, второй линзы fi = 30мм. Система линз телескопическая.

Для реализации ЛИМ был создан оптико-электронный комплекс одновременного определения размера и скорости сферических прозрачных частиц, движущихся в потоке. На рис. 5 приведена его схема. Излучение He-Ne лазера 1 с длиной волны "к = 0,6328 мкм и мощностью 10 мВт попадает на систему формирования лазерной плоскости 2. Далее преобразованный пучок лазера падает на исследуемый сферический оптически прозрачный объект 3. Цифровая ПЗС камера 4 регистрирует полученное изображение ИК и передает его на компьютер 5 в online режиме при помощи системы синхронизации и специализированного программного обеспечения. В установке предусмотрена возможность поворота камеры относительно оптической оси на угол 0 с ценой деления 1°. Данная камера позволяет производить запись изображения со скоростью до 34 кадров в секунду при разрешении 1600x1200 пикселей.

б)

а) прохождение гауссова пучка вдоль осей Х02ъ \'02 через цилиндрическую и сферическую линзы; б) увеличенная область вблизи нуля вдоль осей У02 Рис. 4. Расчет прохождения лазерного пучка через цилиндрическую и сферическую линзы вдоль осей Х02 и У02 соответственно

1 - лазер, 2 - система формирования лазерной плоскости, 3 - исследуемый пузырек или капля, 4 - регистрирующая камера, 5 - компьютер а) схема, б) внешний вид Рис. 5. Оптико-электронный комплекс ЛИМ

Важным элементом оптико-электронного комплекса ЛИМ является программа обработки получаемых изображений. В работе рассмотрена фильтрация интерференционных картин на примере реальных изображений для устранения шумов, возникающих при записи изображения и передаче его в компьютер, и улучшение качества изображения. Были рассмотрены пиксельные

(фильтр повышения контраста, пороговый фильтр) и сканирующие матрицей (фильтр «скользящее среднее», медианная фильтрация (маски квадрат и крест)) алгоритмы обработки изображений, а также каскадная фильтрация. В результате проведенных исследований было выяснено, что спектральная фильтрация наиболее подходит для последующей обработки ИК. На рис. 6 приведен пример спектральной фильтрации ИК. На рис. 6а представлено исходное изображение, на рис. 66 представлено изображение, полученное после спектральной фильтрации. Как видно из полученного изображения, после фильтрации стали резкими границы темных и светлых полос в ИК, а также стали более четкими сами полосы.

а) б)

а) исходное изображение, б) результат спектральной фильтрации этого изображения Рис. 6. Вид интерференционной картины

Для автоматизации обработки ИК разработана программа автоматического подсчета интерференционных полос. Для этого производится удаление высокочастотных шумов, затем удаление низкочастотных шумов. После предварительной фильтрации производится автоматический подсчет переходов через

ноль, которые соотносятся с количеством интерференционных полос. На рис. 7 представлены сечения для исходного (1), конечного (2) и отфильтрованного для автоматической обработки (3) изображения ИК. Данные сечения взяты по центру ИК. Из графиков видно, что во всех трех случаях информация, соответствующая линиям интерференционной картины, не теряется и, следовательно, матрица, получающаяся после спектральной фильтрации (зависимость 3), соответствует требованиям дальнейшей обработки.

х, o.e.

1 - исходное изображение, 2 - конечное изображение, 3 - изображение, отфильтрованное для автоматической обработки

Рис. 7. Распределение освещенности по сечению интерференционной картины по центру изображения

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований. Они состояли из исследования размера неподвижных пузырьков воздуха в стекле, определениях размера и скорости капель воды в воздухе и пузырьков воздуха в воде. Были определены оптимальные условия проведения экспери-

ментов. Для этого производились измерения на тестовой стеклянной пластине с пузырьками воздуха внутри. Сначала их размер определялся при помощи компаратора, а затем при помощи ЛИМ при разных углах поворота камеры относительно оптической оси 0. Определен оптимальный диапазон углов 20° < 0 < 50°, когда погрешность определения размера пузырька не превышает 2%. На рис. 8 представлена зависимость количества интерференционных полос от угла поворота камеры для теоретических и экспериментально полученных значений, которые позволяют протестировать работу оптико-электронного комплекса ЛИМ.

N & 50 40 30 20 50

° 10 20 30 40 50 «0 70 30 50

0 .град.

Рис. 8. График зависимости количества интерференционных полос от угла поворота камеры для теоретических и экспериментальных значений

Было определено влияние поляризации на получаемую ИК. Для этого на пути лазерного излучения ставилась четвертьволновая пластинка. При ее вращении менялось состояние поляризации падающего излучения. Было получено, что состояние поляризации фактически не влияет на видность ИК. Изменение видности не превышает 0,02.

Скорость движения исследуемых объектов за время Д/ = /2 - /1 (время между двумя соседними кадрами) определяется по двум кадрам с изображением одного и того же пузырька, взятых в моменты времени /2 и /1, соответствен-

но, и расстоянию 5, пройденному пузырьком за это время. На рис. 9 представлены ИК пузырьков воздуха в воде в моменты времени /1 (рис. 9а) и й (рис. 96). За время съемки положение камеры не изменялось.

В результате исследований были определены границы применимости оптико-электронного комплекса ЛИМ. Диапазон определения размеров прозрачных сферических частиц лежит в диапазоне от 30 мкм до 2 мм. Граница определения скорости исследуемых объектов ограничена возможностью видеокамеры. В данном случае максимально определенная скорость равна 21 см/с.

г

а) ' б)

а) момент времени Л, б) момент времени <2 Рис. 9. ИК пузырька воздуха в воде в разные моменты времени 11 и 12

В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Основные результаты работы

■ Разработана теория многократных отражений и преломлений гауссова пучка на сферических объектах. Показана возможность определения размера сферических объектов по параметрам образованных на них изображений интерференционных полос. Показаны особенности получения ИК.

■ Найден оптимальный алгоритм каскадной цифровой обработки интерференционных картин ЛИМ со специализированными методиками фильтрации, что позволяет значительно повысить точность определения диаметра и скоростей оптически прозрачных частиц.

■ Разработан оптико-электронный комплекс ЛИМ для одновременного определения размеров и скоростей исследуемых пузырьков газа или капель жидкости, движущихся в потоке, по полученным ИК.

• "Определены границы применения ЛИМ. Путем проведения экспериментов с исследуемыми неподвижными объектами в виде одиночных пузырьков газа, а также одиночных падающих капель жидкости и движущихся в потоке пузырьков воздуха были определены границы применимости метода для созданного оптико-электронного комплекса: размеры исследуемых пузырьков газа или капель жидкости от 30 мкм до 2 мм. Максимальная определенная скорость при скорости съемки камеры 26 кадров в секунду составила 21 см/с.

Определен диапазон оптимальных углов наблюдения камеры относительно оптической оси: 20° < 9 < 50°: до 20° съемка ИК невозможна из-за сильной засветки от лазера, при 0 > 50° погрешности измерения превышает 2%.

• Выполнено тестирование разработанного оптико-электронного комплекса ЛИМ для потоков пузырьков воздуха в воде и для потоков капель жидкости в воздухе.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Михалев A.C., Ринкевичюс Б.С., Скорнякова Н.М. Лазерный интерференционный метод определения параметров пузырьков газа // Метрология. - 2009, №9. С. 3 -14.

2. Михалев A.C., Удалов A.B., Скорнякова Н.М.; Экспериментальное исследование дифракции лазерного пучка на многих отверстиях. // III Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика 2003». 2003. Санкт-Петербург. С. 312-313.

3. Михалев A.C. Одновременное определение размеров и скоростей одиночных капель воды лазерным интерференционным методом. Девятая международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков». М.: МЭИ, 2007. С. 502-505.

4. Михалев A.C. Одновременное определение размеров и скоростей движущихся в потоке пузырьков газа интерференционным методом. Труды 10-й Международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков». - М.: МЭИ, 2009. С. 162-165.

5. Михалев A.C., Ринкевичюс Б.С., Скорнякова Н.М. Определение размеров и скоростей капель жидкости и пузырьков газа лазерным интерференционным методом. Пятнадцатая международная научная конференция "высокие технологии в биологии, медицине и геоэкологии" 10 - 14 сентября 2007 года. Новороссийск. С. 55-57.

6. Михалев A.C., Скорнякова Н.М., Ринкевичюс Б.С. Лазерная диагностика размеров и скоростей капель жидкости и пузырьков газа // Труды 16-й Международной научной конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии». - Новороссийск, 2008. С. 21-23.

7. Михалев A.C. Моделирование анимационных картин дифракции гауссова пучка на многих отверстиях. // Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2004. М.: С.164.

8. Михалев A.C., Пешков Д.И., Степанов Е.Ю., Удалов A.B. Экспериментальное исследование изменения показателя преломления среды при

естественной конвекции. // Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2004. М.: С.167.

9. Михалев А.С. Моделирование пролета сферической частицы через гауссов пучок. // Одиннадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2005. М.: С. 176-177.

Ю.Михалев А.С. Экспериментальное исследование рассеяния лазерного излучения на пузырьке воздуха в стекле. // Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2006. М.: С. 200.

1 l.Udalov A., Mikhalev A. Laser measurement of the movement of the air bubble under the acoustic field influence in a liquid. //Technical digest of the third International conference on Laser Optics for Young Scientists. - SPb.: St. Petersburg State University, 2006, p. 33. (Удалов А., Михалев А. Лазерные измерения движения пузырьков воздуха под влиянием акустического поля в жидкости. // Технический дайджест третьей международной конференции «Лазерная оптика для молодых ученых». - СПб.: Санкт-Петербургский государственный университет. 2006. С.ЗЗ.).

12.Михалев А.С. Определение размеров тестовых пузырьков с помощью лазерного интерференционного метода. Тринадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2007 г. М.: С. 162 -163.

Напечатано с готового оригинал-макета

Типография «СФ-Принт» ИП Фоминов С.С. Подписано к печати 05.11.2009 г. Формат 60x90 1/16. Усл.печ.л 1,25 Тираж 120 экз. Заказ 15 Тел. 649-55-04 140004, Московская обл., г. Люберцы, пос. Вуги, д. 18.

Содержание.

Введение.

1 Лазерные методы диагностики двухфазных потоков.

1.1 Возможности и преимущества дистанционной диагностики потоков

1.2 Локальные методы диагностики двухфазных потоков.

1.2.1 Лазерная доплеровская анемометрия.

1.2.2 Фазово-доплеровская анемометрия.

1.3 Полевые методы диагностики двухфазных потоков.

1.3.1 Анемометрия изображения частиц.

1.3.2 Спекл-интерферометрия.

1.3.3 Лазерный интерференционный метод.

1.4 Выводы по разделу 1.

2 Теоретические основы лазерного интерференционного метода.

2.1 Моделирование интерференционных картин для газового пузырька в жидкости.

2.2 Многократные отражения и преломления узкого гауссова пучка.

2.3 Особенности получения изображений пузырьков газа в лазерном интерференционном методе.

2.4 Выводы по разделу 2.

3 Оптико-электронный комплекс ЛИМ.

3.1 Расчет оптической системы для формирования лазерной плоскости.

3.2 Система регистрации интерференционных изображений пузырьков газа и капель жидкости.

3.3 Фильтрация изображений пузырька с интерференционными полосами

3.4 Обработка изображений в лазерном интерференционном методе.

3.5 Сравнение методик обработки.

3.6 Выводы по разделу 3.

4 Применение оптико-электронного комплекса ЛИМ.

4.1 Определение диаметров пузырьков воздуха в стекле.

4.2 Влияние состояния поляризации на интерференционную картину в

4.3 Измерение скорости и диаметра капель воды, движущихся в воздухе

4.4 Определение параметров пузырьков воздуха, движущихся в воде.

4.4.1 Определение параметров пузырьков воздуха, движущихся в воде, образованых с помощью пьезогенератора.

4.4.2 Определение параметров пузырьков воздуха, движущихся в воде, образованых с помощью электролиза.

4.5 Выводы по разделу 4.

В настоящее время все большую значимость приобретают бесконтактные методы диагностики потоков жидкости и газа [1]. Эти методы позволяют исследовать потоки без их возмущения, тем самым не внося дополнительные искажения в исследования. Существует много методов диагностики потоков, работающих на различных физических явлениях [1 -8]. Они применяются во многих областях, таких как аэродинамика, гидродинамика, медицина и др.

В настоящее время наибольшая часть экспериментальных исследований проводится на двухфазных потоках в газо-жидкостных средах. Целью данных исследований является разработка комплекса для определения формы, размера и поведения пузырьков газа в жидкой среде, либо капель жидкости в газовой среде.

Наиболее точными методами являются лазерные методы диагностики потоков. Они позволяют максимально уменьшить влияние на исследуемую среду во время проведения экспериментов. Среди методов лазерной диагностики потоков самыми распространенными являются лазерная доплеровская анемометрия, фазовая доплеровская анемометрия, анемометрия изображения частиц и спекл-интерферометрия. Также разрабатываются новые лазерные методы диагностики потоков. Часть новых методов основана на обработке получаемых интерференционных картин.

Представленная диссертация посвящена разработке оптико-электронного комплекса одновременного измерения параметров движущихся оптически прозрачных объектов сферической формы лазерным интерференционным методом. Данный метод позволяет определить размер сферических объектов по получаемым интерференционным картинам.

Применение методов компьютерно-лазерной диагностики потоков позволяет получить качественно новые результаты при исследовании параметров потоков жидкостей и газов. В силу своего быстродействия лазерные методы могут использоваться для диагностики нестационарных быстропротекающих процессов в оптически прозрачных средах. Использование лазерного излучения позволяет избежать внесения искажений в исследуемую среду и обеспечивает бесконтактность и дистанционность измерений.

Принцип действия лазерного интерференционного метода (ЛИМ) основан на теории рассеяния Ми для объектов с малыми диаметрами, на интерференции отраженных и преломленных лучей, прошедших через исследуемый сферический объект для больших диаметров и на определении по полученной интерференционной картине размера объекта. В работах [9— 10] теория ЛИМ была рассмотрена для приближения плоской волны и малых диаметров пузырьков. Эта теория основывалась на теории рассеяния Ми. Однако при реальных измерениях применяются газовые или полупроводниковые лазеры. Распределение плотности мощности в сечении таких пучков описывается гауссовым или бесселевым распределением, что значительно отличается от приближения плоской волны. Также очень часто необходимо исследовать объекты, диаметр которых значительно превышает длину волны излучения. В этом случае возникает необходимость применять приближение геометрической оптики вместо теории рассеяния Ми. В данной работе рассматривается применение в качестве падающего на исследуемый объект излучения в виде лазерной плоскости, получаемой из лазерного пучка с помощью оптической системы из цилиндрических и сферических линз. В качестве теоретической модели для моделирования принята модель геометрической оптики с многократными отражениями и преломлениями (до 6-го порядка).

Данный метод, в отличие от аналогичных, способных одновременно измерять размер и скорость частиц в потоке, является пространственным. Он позволяет получить не только необходимые значения искомых величин, но и визуализировать сам поток.

В работе будут рассмотрены лазерные методы диагностики двухфазных потоков, проведен обзор современной научно-технической литературы, приведены оптические схемы и описания основных лазерных методов. Будут

N. показаны преимущества ЛИМ над другими основными лазерными методами диагностики потоков.

Будет рассмотрена теория лазерного интерференционного метода, объяснено получение интерференционных картин (ИК) ЛИМ. Показаны возможности его работы и особенности получения исследуемых интерференционных картин. Представлены способы определения параметров потока с помощью ЛИМ.

Будут рассмотрены методы обработки интерференционных картин, полученных с помощью оптико-электронного комплекса ЛИМ одновременного измерения скорости и размера движущихся пузырьков газа или капель жидкости.

Будет описано создание оптико-электронного комплекса ЛИМ и описана его работа. Будут описаны экспериментальные исследования ЛИМ на различных объектах и определены границы его применения. Экспериментальные исследования будут проведены на одиночных пузырьках газа и капель жидкости, а также на пузырьках газа, движущихся в воде.

Рассмотрены различные возможности применения лазерного интерференционного метода.

Цель работы. Основной целью настоящей работы является создание оптико-электронного комплекса для одновременного измерения размеров и скорости пузырьков газа и капель жидкости.

Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать теорию получения интерференционных картин и определения по ним диаметра частиц;

- разработать методику измерения скорости;

- разработать методику обработки получаемых интерференционных картин;

- создать оптико-электронный комплекс одновременного измерения размеров и скорости пузырьков газа и капель жидкости ЛИМ и определить его оптимальные параметры настройки; определить диапазон применимости разработанного оптико-электронного метода.

Научная новизна работы.

Впервые разработана методика моделирования многократных отражений и преломлений гауссова пучка до 6-го порядка на пузырьках газа и каплях жидкости.

Впервые разработан алгоритм каскадной цифровой обработки интерференционных картин, полученных с помощью оптико-электронного комплекса ЛИМ со специализированными методиками фильтрации.

Разработан оптико-электронный комплекс ЛИМ для одновременного определения размеров и скоростей исследуемых стационарных и подвижных объектов по полученным интерференционным картинам.

Определены параметры настройки оптико-электронного комплекса для различных типов объектов для получения измерений с погрешностью менее 2%.

Основные положения, выносимые на защиту:

Разработанная теория многократных отражений и преломлений гауссова пучка показывает возможность получения интерференционных картин от оптически прозрачных частиц или пузырьков и определения по ним диаметра исследуемых объектов.

Алгоритм каскадной цифровой обработки интерференционных картин ЛИМ позволяет значительно повысить точность определения диаметра и скоростей оптически прозрачных частиц.

Разработанный оптико-электронный комплекс лазерного интерференционного метода позволяет одновременно определять диаметр и скорость пузырьков газа и капель жидкости, движущихся в потоке.

Практическая ценность работы. Предложенный оптико-электронный комплекс по ЛИМ может быть использован для выявления неоднородностей в жидкости и газе, определения распределения по скоростям и размерам пузырьков газа в аэрозолях, выявления дефектов при изготовлении изделий стекольной промышленности. Методика обработки полученных изображений может быть использована для других методов исследования, так же использующих видеоаппаратуру для регистрации.

Достоверность полученных результатов.

Первоначальные экспериментальные исследования проводились на тестовых объектах с известными размерами.

После сравнения экспериментально полученных данных с известными, был разработан оптимальный алгоритм проведения экспериментов для получения результатов с наименьшей погрешностью.

Перед каждым последующим проведением эксперимента производились измерения на тестовом объекте.

Апробация работы. Основные материалы работы докладывались на следующих конференциях:

• 9, 10 Международные научно-технические конференции «Оптические методы исследования потоков», Москва, 2007, 2009.

• Третья международная конференция молодых ученых и специалистов «0птика-2003».

• 15 Международная конференция «Высокие технологии в биологии, медицине и геоэкологии»; Новороссийск, 2007 г.

• 16 Международная конференция «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии»; Новороссийск, 2008 г.

• 10, 11, 12, 13 — Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", МЭИ (ТУ), 2004 - 2007 г.г.

• 3rd International conference on Laser Optics for Young Scientists; St. Petersburg, 2006.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 12 печатных работах, в том числе без соавторов — 2 работы. Из них 1 статья в реферируемом журнале.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 138 машинописных страниц, включая 81 рисунок, 2 таблицы, 38 наименований списка литературы и 2 приложения.

4.5 Выводы по разделу 4

В ходе тестирования разработанного оптико-электронного комплекса одновременного определения размера и скорости пузырьков газа и капель жидкости лазерным интерференционным методом была доказана его работоспособ ность.

При исследовании тестового объекта показано, что при углах регистрации интерференционной картины до 50° погрешности определения диаметра не превышает 2%

Экспериментально показано, что в данном эксперименте состояние поляризации лазерного излучения не влияет на работу комплекса.

Приведены результаты одновременного измерения размера и скорости движения капель жидкости в воздухе и пузырьков газа в жидкости.

Заключение

Проведен обзор современной научно-технической литературы по лазерной диагностике потоков, приведены оптические схемы и дано описание основных лазерных методов диагностики двухфазных потоков: лазерной доплеровской анемометрии, фазовой доплеровской анемометрии, анемометрии изображения частиц и спекл-интерферометрии. Показано, что эти методы не позволяют получить одновременно информацию о размере и скорости движения больших частиц в заданной плоскости.

Лазерный интерференционный метод (ЛИМ) позволяет одновременно определить как размер, так и скорость прозрачных сферических частиц двухфазного потока.

Разработана теория лазерного интерференционного метода диагностики двухфазных потоков. В теории используется аппроксимация, следующая из строгой теории рассеяния Ми и разложения Дебая, при которой рассеяние на большой частице лазерного пучка, описывается двумя механизмами: отражением и преломлением пучка по законам геометрической оптики и дифракцией Фраунгофера в дальней зоне.

Разработана методика компьютерного моделирования многократных отражений и преломлений гауссова пучка. Приведена методика моделирования интерференционных картин от оптически прозрачных частиц и пузырьков и определения их диаметра. Показаны особенности получения интерференционных картин в зависимости от когерентности падающего излучения и расстояния от фокальной плоскости объектива до исследуемого объекта.

Разработана теория многократных отражений и преломлений гауссова пучка на прозрачных сферических частицах. Проведен расчет прохождения гауссова пучка через прозрачные сферические объекты до 6 порядка отражения. Показаны зависимости интенсивности гауссова пучка от высоты падения на сферический объект от различных параметров при отражениях до 6 порядка.

Рассмотрена система формирования лазерной плоскости с помощью сферических и цилиндрических линз, позволяющая расширять лазерный пучок только в одной плоскости. Показаны различные способы создания лазерной плоскости.

Проведен анализ цифровой системы регистрации интерференционных картин в лазерном интерференционном методе измерения размеров и скорости сферических прозрачных частиц.

Рассмотрены методы обработки интерференционных картин, полученных с помощью оптико-электронного комплекса одновременного измерения скорости и размера движущихся пузырьков газа или капель жидкости. Найден оптимальный алгоритм каскадной цифровой обработки интерференционных картин со специализированными методиками фильтрации, что позволяет значительно повысить точность определения диаметра и скорости оптически прозрачных частиц. Определен диапазон оптимальных углов наблюдения фотокамеры относительно оптической оси 20° < 0 < 50°. До 20° съемка ИК невозможна из-за сильной засветки от лазера. При 0 > 50° погрешности измерения превышает 2%.

Разработан оптико-электронный комплекс ЛИМ для одновременного определения размеров и скоростей исследуемых пузырьков газа и капель жидкости, движущихся в потоке.

Определены границы применения комплекса путем проведения экспериментов с исследуемыми неподвижными объектами в виде одиночных пузырьков газа в стекле, а также одиночных падающих капель жидкости и движущихся в потоке пузырьков воздуха. Он позволяет определять размеры исследуемых частиц от 30 мкм до 2 мм. Максимальная измеренная скорость газовых пузырьков в воде при скорости съемки камеры 26 кадров в секунду составила 21 см/с.

Благодарности

Автор работы выражает глубокую благодарность научному руководителю профессор Ринкевичюсу Б.С. за постоянный интерес к проведению работы и внимательное руководство.

Автор также благодарен доценту Скорняковой Н.М. за консультации по теме работы, а также справедливую и своевременную критику недостатков работы. Автор благодарен ведущему научному сотруднику Толкачеву А.В. за помощь в проведении экспериментальных исследований и неоценимую помощь в обсуждении полученных результатов. Автор благодарен ст. преподавателю Поповой Е.М. и ведущему инженеру Есину М.В. за помощь в обработке полученных экспериментальных данных. Старшему научному сотруднику Расковской И.Л. за консультирование при проведении расчетов.

Автор выражает признательность сотрудникам кафедры физики им. В.А.Фабриканта, которые активно способствовали проведению исследований и получению практических результатов.

1. Ринкевичюс Б.С. Лазерная диагностика потоков. М.: Изд-во МЭИ, 1990.

2. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С. Методы лазерной доплеровской анемометрии. М.: «Наука», 1982. - 303 с.

3. Лазерная доплеровская анемометрия и ее применения / Дубнищев Ю.Н., Соболев B.C., Файстауэр Н. и др. — Новосибирск: Ин-т автомат, и электрометр. СО АН СССР, 1980.

4. Raffel, М., Willert, С.Е., Wereley, S.T., Kompenhans, J. Particle Image Velocimetry / A Practical Guide / 2nd ed. 2007. Hardcover. 448 p.

5. Фомин H. А. Спекл-интерферометрия газовых потоков / АН БССР, Ин-т тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова. Минск. Наука и техника. 1989. 166 с.

6. Durst, F., Zare, М. Laser Doppler measurements in two-phase flows. // Report SFB80/TM/63. Karlsruhe University, 1975.

7. Вараксин А.Ю. Турбулентные течения газа с твёрдыми частицами. -М.:ФИЗМАТЛИТ, 2003. 186 с.

8. Roth.N., Andres.K. and Frohn.A. "Size and Evaporation Rate Measurements of Optically Levitated Droplets", The Third Intl. Congress on Optical Particle Sizing, 1993. pp. 371-377.

9. Niwa Y. e. a. Bubble sizing by interferometric laser imaging //Proc. intern, conference by flow visualization. Lissabon, 2004. — N 38. - P. 1.

10. П.Горбулин Ю.М., Злотников Д.М., Знаменская И.А. и др. Теневой метод исследования плазмы в ИК диапазоне с использованием ап-инверсии. // Письма в ЖТФ, №3, 1984.

11. Белозеров А.Ф. Оптические методы визуализации газовых потоков. -Казань, 2007 г. 748 с.

12. Karasik, A.Ja., Rinkevichius, B.S., Zubov, V.A. Laser interferometiy principles. Ed. Rinkevichius, B.S. London: Boca Raton, Mir publishes and CRC press, 1995. - 448p.

13. Борн M., Вольф Э. Основы оптики / 2 издание, Наука, 1973 г. 720 с.

14. ЛДА, ФДА Электронный ресурс. -TSI Режим доступа: www.dantecdynamics.com

15. ЛДА, ФДА Электронный ресурс. -TSI Режим доступа: www.tsi.com

16. ЛДА, ФДА Электронный ресурс. -TSI Режим доступа: www.itp.nsc.ru

17. F. Durst and М. Zare, Laser Doppler measurements in two-phase flows, The Accuracy of Flow Measurements by Laser Doppler Methods, Skovulunde, Denmark: Dantec Measurement Technology, 1976, 480-489.

18. Скорнякова H.M., Толкачев A.B. Исследование интерференционного лазерного метода одновременного измерения размеров и скоростей пузырьков // Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену. М.: МЭИ, 2002. Т.1. С. 219-222.

19. Niwa Y., Kamiya Y., Kawaguchi Т., Maeda M. Bubble sizing by interferometric laser imaging // CD-proc. of 10-th international symposium "Applications of laser techniques to fluid mechanics", 2000. P.38.1.

20. Семидетнов H.B. Граничные эффекты рассеяния излучения на большой частице и их физическая интерпретация // Оптические методы исследования потоков: Тр. 8-й Междунар. науч.-техн. конф. -М.: МЭИ, 2005. С. 238-241.

21. Settles, G.S. Schlieren and shadowgraph techniques: visualizing phenomena in a transparent media. Berlin: Springer, 2001.

22. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. -М.: МИР, 1986.

23. Михалев А.С., Удалов А.В., Скорнякова Н.М.; Экспериментальное исследование дифракции лазерного пучка на многих отверстиях. // III Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика 2003». 2003. Санкт-Петербург. С. 312-313.

24. Михалев А.С., Скорнякова Н.М. Моделирование пролета сферической частицы через гауссов пучок. // Одиннадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2005. М.: С. 176-177.

25. Евтихиев Н.Н., Евтихиева О.А. и др. Информационная оптика: Учеб. пособие; Под ред. Евтихиева Н.Н. М.: Издательство МЭИ. 2000.612 с.28.«Методы компьютерной обработки изображений» под ред. В. А. Сойфера Изд-во ФИЗМАТЛИТ, 2001.

26. Михалев А.С., Скорнякова Н.М. Экспериментальное исследование рассеяния лазерного излучения на пузырьке воздуха в стекле. //

27. Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2006. М.: С. 200.

28. Ринкевичюс Б.С. Поляризованный свет/ Под ред. В.А. Фабриканта. -М.: МЭИ, 1985.-76 с.

29. Михалев А.С. Одновременное определение размеров и скоростей одиночных капель воды лазерным интерференционным методом. Девятая международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков». М.: МЭИ, 2007. С. 502— 505.

30. Михалев A.C., Ринкевичюс Б.С., Скорнякова Н.М. Лазерный интерференционный метод определения параметров пузырьков газа