187135. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés sebesség vagy sebességeloszlás mérésére közegekben
1 187 135 2 A találmány tárgya eljárás és berendezés sebesség vagy sebességeloszlás mérésére közegekben, például folyadékokban, gázokban, vagy szilárd felületeken szórócentrumok által szórt fényből származó impulzusok időintervallum eloszlása alapján. Mint ismeretes, a lézerek méréstechnikai térhódítása során lehetőség nyílt folyadékok és gázok, valamint szilárd felületek sebességének mechanikai kontaktusmentes mérésére. E mérések alapját az képezi, hogy a folyadékokban vagy gázokban, illetve szilárd felületeken természetes vagy mesterséges úton felvitt parányi részecskék fény hatására mint szóró centrumok szerepelnek, melyek mozgásuk következtében megváltoztatják a rájuk eső fény tulajdonságait (Doppler-effektus), melyet alkalmasan detektálni lehet. Az ilyen lézer-Doppler sebességmérők optikai jelfeldolgozása szempontjából számos eljárás vált ismeretessé. A három leginkább elterjedt módszert, pl. a D1SA (Dánia) és a MALVERN (Egyesült Királyság) cégek gyártmányismertetőiből, illetve pl. Drain: The Laser Doppler Technique (John Willey and Sons 1978.) c. könyvéből lehet megismerni. E három módszer a következő: a) sebesség mérése frekvencia követés segítségével, b) burst (v. ciklus) korrelátor, c) foton korrelációs módszer. A frekvencia követés lényege abban áll, hogy a Doppler frekvencián modulált jelet analóg módon detektálják és a modulációs frekvenciából ismert módon visszaszámítják a sebességet. A módszer nagyon fényigényes, és a folytonos jel elérése érdekében szigorú megkötések vannak a részecskék koncentráció- és méreteloszlására vonatkozóan. További hátrány, hogy a módszer önmagában csak a pillanatnyi sebességet méri, így alkalmazásánál külön kell gondoskodni a sebességeloszlás kiértékelésének lehetőségéről. A burst (v. ciklus) korrelátorok az egy részecske által a mérőtérfogatból szórt fény feldolgozásán alapszanak. A módszer az optikai jelnek egy előre beállított szinten való N-szeri áthaladásához tartozó időt méri és ebből ismert módon számítja a sebességet. Nagy jel/zaj viszonya ellenére jelentős hátránya a módszernek a frekvencia követési módszert is meghaladó fényigénye, valamint az a gyakorlati nehézség, hogy a mérés alatt csak egy szórócentrum tartózkodhat a mérőtérfogatban. A rendszer itt is csak pillanatnyi sebességet mér. A foton korrelációs módszer a detektorra eső fotonokat számlálja és az időegység alatt (sampling time) beeső fotonok korrelációs függvényét képezi. E korrelációs függvény periódusideje egyenletes áramlás esetén megegyezik a Doppler frekvenciával, amiből a sebesség ismert módon meghatározható. A módszer fényérzékenysége az elvileg lehetséges határig meg van növelve az egyfotonos detektálás következtében. A begyűjtött korrelációs függvény a sebességeloszlás információit tartalmazza, és a korrelációs függvény Fourier transzformálásával az meghatározható, ugyanakkor gyakorlati megvalósításában a korrelátor bonyolult. A találmánnyal célunk a fentiekben vázolt valamennyi nehézség kiküszöbölése és olyan eljárás és i berendezés kidolgozása, mely lehetővé teszi viszonylag kisméretű lézerrel (kisteljesítményű), a szórócentrum részecskék méretére és koncentrációjára tett jóval enyhébb kikötések mellett a sebesség illetve sebességeloszlás explicit meghatározását. A találmány alapja az a felismerés, hogy a sebességeloszlás információt megkapjuk, ha fotonszámlálás üzemmódban detektáljuk az ismert periodikus struktúrát mutató megvilágító térfogaton áthaladó szórócentrumok által kibocsátott fényt, majd az így kialakult foto-elektron impulzusokból a szomszédos párok közti időintervallumok gyakorisági eloszlását mérjük, és a kielégítő statisztikus pontosság elérése után az eloszlásmaximumokhoz tartozó időkből és amplitúdókból meghatározzuk a sebességet, ill. a sebességeloszlást. A találmány szerinti eljárás tehát az ismertetett eljárásoktól abban tér el, hogy a sebesség kiértékelését közvetlenül megkapjuk megfelelően kiválasztott fotoelektron impulzusok közti időintervallumok gyakorisági eloszlásának kiértékeléséből. A találmány szerinti eljárás során a közeget egy ismert fényintenzitás-eloszlást mutató struktúrán vezetjük keresztül. A közegben levő szórócentrumokon szórt fényt fotonszámlálással érzékeljük. Az érzékelés során létrejövő fotoelektron impulzusok számát változtatható időállandóval integráljuk, majd egy amplitúdó küszöbérték elérésekor impulzust képezünk. Mérjük a szomszédos impulzusok közötti időintervallumokat, megállapítjuk ezek gyakorisági eloszlását, továbbá az eloszlásmaximumokhoz tartozó időkből és amplitúdókból a fényintenzitás-eloszlás ismeretében meghatározzuk a sebességet, illetve a sebességeloszlást. A javasolt berendezés optikai nyalábformáló egységgel ellátott fényforrást és fotondetektort tartalmaz. A fotondetektor kimenete változtatható időállandójú integrátoron és amplitúdó diszkriminátoron át időmérő egység bemenetére van kapcsolva. Az időmérő egység kimenete analizátor bemenetére csatlakozik. A találmány értelmében célszerű, ha az integrátor után kialakult formált jeleket K darab (legalább 1) időzítő kapun keresztül vezetjük. Az időzités különböző üzemmódok beállítását teszi lehetővé. A találmány értelmében célszerű továbbá, ha az időmérést 1, 2, 3.. .K darab párhuzamosan kapcsolt időmérővel végezzük, melyek külső vezérlés hatására meghatározott sorrendben lépnek működésbe. Célszerű elrendezés továbbá az, hogy az i— 1-dik időmérő egység leállító bemenete össze van kapcsolva az i-dik időmérő egység indító bemenetével. Célszerű továbbá, ha a kapuvezérlés biztosítani tudja a következő üzemmódokat: a) minden egyes szomszédos impulzus közti időintervallum begyűjtésre (mérésre) kerül, b) minden egyes értelmezett impulzus után beállítható mértékű késleltetés (aktuálisan tiltás) következik és az ezt követő első impulzus az új értelmezett impulzus, c) minden különálló párhuzamosan kapcsolt időmérőre külön szabályozható mértékű késleltetés állítható be. A találmány értelmében célszerű továbbá, ha az időmérők adatait előfordulási gyakoriságuk szerint 5 10 15 >0 25 30 35 40 45 50 55 60 65
