187135. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés sebesség vagy sebességeloszlás mérésére közegekben
1 187 135 2 gyűjtjük és a gyakorisági maximumok helye és amplitúdója alapján meghatározzuk a sebességet és/vagy sebességeloszlást. A találmányt a továbbiakban példák és rajzok alapján ismertetjük részletesebben. A rajzokon az 1. ábra az ismert Laser Doppler sebességmérés elvi elrendezése, a 2. ábra egy ismert digitális korrelátor vázlata, a 3. ábra a találmány szerinti berendezés egy célszerű kiviteli alakja, a 4. ábra a találmány szerinti berendezés egy másik kiviteli alakja, és az 5. ábra forgó üvegtárcsán mért példakénti időintervallum gyakorisági eloszlás. Az 1. ábrán a Laser Doppler sebességmérés egy mintakénti általános elvi elrendezését és működését szemléltetjük. Az 1 fényforrással előállított megvilágító lézernyaláb a 2 optikai nyalábformáló egységbe kerül, ahonnan egymással szöget bezáró és konstruktív interferenciát alkotó nyalábok lépnek ki. A nyalábok kereszteződése a sebességmérés térbeli pontjában jön létre. A 3 optikán keresztül ezt a pontot látja a 4 fotondetektor, előnyösen egy digitális fotoelektron sokszorozó, mely a mérőrendszer detektoraként szerepel. A 4 fotondetektor jelét a digitális 5 korrelátor dolgozza fel (jelen esetben). Az ábra A betétje a nyaláb keresztezési pont nagyított képét mutatja, ahol látható az optikai csíkrendszer. Az áramlásban résztvevő részecskék a csíkokon való áthaladásuk során felvillanásokat okoznak. E felvillanások következménye a 4 fotondetektornak a B betéten látható kimeneti impulzussora, a t idő függvényében ábrázolva. A 4 fotondetektor kimenő impulzussorának feldolgozására szolgáló ismert digitális 5 korrelátort szemlélteti a 2. ábra. Az ábra baloldalán nyíllal megjelölt helyen lépnek be az impulzusok. Ezek egyrészt közvetlenül az 51 ÉS-kapukra kerülnek, másrészt ismert módon clippelt jelet képeznek belőlük. A clippelés módja lehet például az, hogy az 52 clippgenerátor kimenetén logikai „l”-et képeznek, ha a mintavételi idő alatt (sampling time) beérkezett impulzusszám az átlag rate-nél magasabb volt és logikai „0”-át képeznek, ha alacsonyabb volt. Ezen 1-ek és 0-ák sorozata kerül az 53 shift regiszterbe, és az órajelek hatására mintavételi időnként shiftelődik és kapuzódik az 51 ÉS-kapukon az aktuálisan beérkező impulzusokkal. Az 51 ÉS-kapuk kimenetét az 54 tárolókba vezetik. Az 54 tárolók tartalma N ciklusnyi gyűjtés után a nem normált korrelációs függvény N minta alapján vett becslését (estimator) tartalmazza. A korrelációs függvény megjelenítésével egyszerűbb esetben (lamináris áramlás) ismert módon közvetlenül meghatározható a sebesség. Turbulens áramlásnál a korrelációs függvény Fourier transzformációjára van szükség. A 3. ábra a találmány szerinti sebességmérést szemlélteti. A sebességmérő rendszer fényforrása és optikai rendszere hasonló a korábbról ismert Lézer Doppler sebességmérőkével. A sebesség információt itt is a szórócentrumokról a mérőtérfogatból szórt fény tartalmazza. Ezt a fényt a 4 fotondetektor, célszerűen fotoelektron-sokszorozó (multiplier) detektálja oly módon, hogy a beérkező fotonokból ismert módon elektromos impulzusokat állít elő (1. ábra B betét). Tekintettel az impulzus képzés statisztikus jellegére (kvantum hatásfok), elektromos impulzus azokban a pillanatokban fog nagyobb valószínűséggel megjelenni, amikor a 4 fotondetektort több fény éri, azaz amikor szórócentrum tartózkodik az interferencia csíkrendszer világos pontján. A találmány lényege tehát az, hogy ha megfelelő megvilágítási és szórási feltételeket ismert módon (szűrők, blendék) biztosítunk, akkor elégséges a 4 fotondetektor szomszédos impulzusai közti időket figyelni, melyek nagy valószínűséggel egy adott szórócentrumnak a csíkrendszer szomszédos maximum intenzitású pontjaihoz tartoznak. Ha tehát a 4 fotondetektor szomszédos impulzusai közti intervallumnak statisztikus gyakorisági eloszlását mérjük, akkor az eloszlásfüggvényen maximumot észlelünk azoknál az időknél, amelyek a szórócentrum maximumokon való áthaladásához tartozó időket jellemzik. Tekintve, hogy a csíkok (1. ábra A betét) közti maximumhelyek térbeli távolsága ismert, a hozzá tartozó időből a sebesség meghatározható. A berendezés 3. ábrán látható kiviteli alakjánál a 4 fotondetektor kimenete a változtatható időállandójú 6 integrátoron, a 7 amplitúdó diszkriminátoron, a 9 kapuvezérlő áramkörrel ellátott 8 kapurendszeren és a 10 időmérő egységen át a 11 analizátorral van összekötve. A 10 időmérő egység „Start” indító és „Stop” leállító bemenettel rendelkező, több párhuzamosan kapcsolt 101, 102... 10 K időmérőt tartalmaz, amelyek mindegyikének „Stop” leállító bemenete és a következő 10, 102... 10 K időmérő „Start” indító bemenete a 8 kapurendszer egy-egy kapuján át csatlakozik a 7 amplitúdó diszkriminátor kimenetére. Az utolsó 10 K időmérő „Stop” leállító bemenete össze van kötve az első 101 időmérő „Start” indító bemenetével. A 101, 102..TOK időmérők kimenete a 11 analizátorra csatlakozik, amely az ábrázolt esetben a 112 memóriával és a 113 I/O egységgel ellátott 111 processzort tartalmazza. A 3. ábrán látható berendezés működése a következő: A 4 fotondetektor jele egy változtatható időállandójú 6 integrátorra kerül. Az időállandót úgy állítjuk be, hogy az a várható (becsült) Doppler ciklusidőhöz képest kicsi legyen, de ugyanakkor jelentős jel/zaj növekedést eredményezzen. Az integrálási idő bevezetése azt jelenti, hogy csak olyan részecskék szólaltatják meg (indítják meg és állítják le) az időmérő rendszert, melyekről az interferencia csíkrendszerből kellő mennyiségű fény (foton) szóródott a 4 fotondetektor irányába. Ha tehát a 4 fotondetektorból kilépő impulzussűrűség elér egy küszöbértéket, a 7 amplitúdó diszkriminátor működésbe lép és ismert módon kiad egy impulzust. Ez az impulzus a 8 kapurendszerre kerül, ahol az érvényes üzemmódnak megfelelően vagy áthalad valamelyik kapun (kapukon) vagy nem. Vegyük a legegyszerűbb üzemmódot, amikor minden egyes diszkriminátor-ímpulzus értelmezve van, azaz egy mérést leállít, illetve elindít. Ilyenkor a 9 kapuvezérlő áramkör minden egyes diszkriminátor-impulzus hatására a következő kaput zárja, az aktuálisan zártat pedig nyitja, és a folyamat a K-dik kapu után ciklikusan ismétlődik. A 10 időmérő egység 101, 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
