DE1808162B2 - Method for detecting turbulence in a fluid - Google Patents

Method for detecting turbulence in a fluid

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Ermitteln von Turbulenz in einem Strömungsmittel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to the determination of turbulence in a fluid according to the preamble of claim 1.

Es ist bekannt, die Geschwindigkeit eines fließenden Mediums dadurch zu messen, daß zwei Strahlen eines Laser-Lichtes in das Strömungsmittel gerichtet und Änderungen, infolge des Dopplereffektes, in der Frequenz des durch Teilchen in der Flüssigkeit gestreuten Lichtes ermittelt werden. Diese Frequenzänderungen werden dadurch ermittelt, daß aus dem einen Strahl gestreutes Licht eine Schwebung bildet mit ungestreutem Licht aus dem anderen Strahl. Das resultierende Schwebungs-Frequenz-Spektrum wird dann analysiert, damit sich ein Maß für die Geschwindigkeit der Strömung des Strömungsmittels ergibt Eine Turbulenz, wenn vorhanden, führt zu einer Komponente, die dem Signal entsprechend der Geschwindigkeit des Strömungsmittels als ganzem überlagert ist. Das Dopplersignal hat bereits selbst ein gewisses Spektrum, und zwar aufgrund von Differenzen in der Größe und Konzentration der streuenden Diskontinuitäten. Eine komplizierte und daher kostspielige Frequenz-Analysiereinrichtung ist notwendig, um das die Turbulenz anzeigende Signal aus demjenigen zu extrahieren, welches durch die allgemeine Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels hervorgerufen wird.It is known the speed of a flowing Medium to be measured by directing two beams of laser light into the fluid and Changes, due to the Doppler effect, in the frequency of the particles in the liquid scattered light can be determined. These frequency changes are determined by the fact that from the one Beam scattered light forms a beat with unscattered light from the other beam. That The resulting beat frequency spectrum is then analyzed to provide a measure of the speed the flow of the fluid results in a turbulence, if present, leads to a component which is superimposed on the signal according to the speed of the fluid as a whole. That Doppler signal already has a certain spectrum of its own due to differences in size and Concentration of the scattering discontinuities. A complicated and therefore expensive frequency analyzer is necessary to extract the signal indicating the turbulence from the one which is caused by the general flow rate of the fluid.

Auch ist bekannt, daß man die Geschwindigkeit einer sich bewegenden Flüssigkeit durch Hindurchschicken eines Strahles von kohärenter Strahlung durch die Flüssigkeit hindurch messen kann, indem die Strahlung, die direkt durch die Flüssigkeit hindurchgelangt ist, mit der Strahlung kombiniert wird, die durch in der Flüssigkeit enthaltene Partikeln rückgestreut worden ist, und die Änderungen in der Frequenz der rückgestreuten Strahlung aufgrund des Dopplereffektes bestimmt werden. Diese Frequenzänderungen stehen in Relation zu der Geschwindigkeit der sich bewegenden Partikeln und somit zu der Geschwindigkeit der Flüssigkeit. Die gemessene Geschwindigkeit hat zwei Komponenten, von denen die eine sich aus der wahren Geschwindigkeit der Flüssigkeit und die andere sich aus <>o Zufallsbewegungen der Partikeln infolge ggf. in der Flüssigkeit vorhandener Turbulenz ergibtIt is also known that the speed of a moving liquid can be measured by transmitting a beam of coherent radiation through the liquid by combining the radiation which has passed directly through the liquid with the radiation which is contained in the liquid Particles has been backscattered, and the changes in the frequency of the backscattered radiation due to the Doppler effect can be determined. These frequency changes are related to the speed of the moving particles and thus to the speed of the liquid. The measured velocity has two components, one of which the liquid and the other results from the true velocity of <> o random movements of the particles due possibly present in the liquid turbulence

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln von Turbulenz in einem fließenden Strömungsmittel zu schaffen, das gegen die t>5 allgemeine Geschwindigkeit des Strömungsmittels unempfindlich istThe invention is based on the object of a method for determining turbulence in one to create flowing fluid that goes against the t> 5 general velocity of the fluid is insensitive

Partikeln oder Regionen innerhalb eines Strömungsmittels mit unterschiedlichen optischen Eigenschafter gegenüber umgebenden Regionen streuen oder reflek tieren das auf sie gerichtete Licht Wenn sich dit Partikeln oder Regionen relativ zueinander bewegen, se unterliegt das von jeder Partikel gestreute odei reflektierte Licht unterschiedlichen Änderungen in dei Frequenz infolge des Dopplereffektes. Wenn somit nui das gestreute oder reflektierte Licht gesammelt unc gemischt wird, dann wird das Licht, welches vor irgendeiner gegebenen Partikel oder Region gestreu oder reflektiert wird, mit demjenigen interferieren welches von den anderen Partikeln oder Region« gestreut oder reflektiert wird, und es tritt ein Spektrun von Schwebungsfrequenzen in Erscheinung, welche eine Anzeige für die Relativbewegung der Partikelr oder Regionen ist Diese Art der Eigenschwebung ohne die Verwendung eines separaten Bezugsstrahls wird in nachfolgenden als »homodyner Effekt« bezeichnetParticles or regions within a fluid with different optical properties towards the surrounding regions scatter or reflect the light directed at them Moving particles or regions relative to one another is subject to the odei scattered by each particle reflected light different changes in frequency due to the Doppler effect. So if nui the scattered or reflected light is collected and mixed, then the light which is in front scattered or reflected from any given particle or region will interfere with that which is scattered or reflected by the other particles or region, and a spectrum occurs of beat frequencies in appearance, which is an indication of the relative movement of the particles or regions is This type of selfbeating without the use of a separate reference beam is in hereinafter referred to as the "homodyne effect"

Auf dieser Erkenntnis aufbauend wird bei einen Verfahren der eingangs genannten Gattung di( Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Änderungen in der Frequenz durch Eigenschwebunj; innerhalb des gestreuten Lichtes unter Verwendung de! homodynen Effektes ermittelt werden.Building on this knowledge, in a method of the type mentioned at the beginning di ( According to the invention, the object is achieved in that the changes in frequency are caused by Eigenschwebunj; within the scattered light using de! homodyne effect can be determined.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei herkömmlicher Lasern die Frequenz nicht konstant ist, sondern siel· über ein Band von Frequenzen ändert, die annähernc bei der nominellen Frequenz des Laserlichtes zentrier sind. Es wurde festgestellt, daß dies in der Praxis nich; von Bedeutung ist, da die Frequenzänderunger beträchtlich höher sind als jegliche Frequenzänderung infolge der Geschwindigkeit des in Frage stehender Teilchens.It should be noted that with conventional lasers the frequency is not constant, but rather falls changes over a band of frequencies centering approximately on the nominal frequency of the laser light are. It has been found that this is not the case in practice; is important because the frequency changes are considerably higher than any frequency change due to the speed of the particle in question.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß alle technischer Flüssigkeiten (als Verunreinigungen) eine ausreichende Anzahl von streuenden Teilchen enthalten, um die Erfindung darauf anwendbar zu machen, und zwar ohne Hinzufügung von weiteren streuenden Teilchen. Jedocl· können solche streuenden Teilchen auch zugefüg werden, wenn es als wünschenswert erachtet wird.In practice it has been shown that all technical liquids (as impurities) have a sufficient Number of scattering particles included to make the invention applicable thereto, without Addition of further scattering particles. Such scattering particles can also be added when deemed desirable.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf eir besonderes Problem näher erläutert, nämlich die Ermittlung von Turbulenz an einer Flughafen-Rollbahn.The invention is explained in more detail below with reference to a particular problem, namely the Determination of turbulence on an airport runway.

Es ist bekannt, daß beim Abheben eines großer Luftfahrzeugs von einer Rollbahn eine beträchtliche Turbulenz erzeugt wird, z. B. durch Flügelkanten-Wir bei, und unter ruhigen Luftbedingungen kann es einige Minuten dauern, bevor eine solche Turbulenz auf eir genügendes Ausmaß abklingt, um einem anderer Luftfahrzeug zu gestatten, die gleiche Rollbahr entweder für Landung oder Start zu verwenden. Es gib kein brauchbares Verfahren zum Ermitteln diesel Turbulenz, und unter diesen Umständen verlangt die Sicherheit daher eine sehr geringe Ausnutzung dei Rollbahn, um sicherzustellen, daß keine turbulenter Bedingungen vorhanden sind, wenn ein andere: Luftfahrzeug zum Landen hereinkommt.It is known that when a large aircraft takes off from a runway, a considerable Turbulence is generated, e.g. B. by wing edges-we in, and under calm air conditions, it can take a few minutes before such turbulence occurs decay enough to allow another aircraft to use the same rollbar to be used for either landing or take-off. There is no viable method of determining this Turbulence, and in these circumstances safety therefore requires very little utilization of the dei Runway to ensure that turbulent conditions do not exist when another: Aircraft comes in to land.

Das Problem in diesem Falle ist daher, turbulente Bedingungen auf der Länge der Rollbahn zu ermitteln Dabei ist nicht wesentlich, den Grad der Turbulenz zi messen. Wenn möglich, sollte dabei die Strömungsge schwindigkeit der Luft entweder längs oder quer zu dei Rollbahn ignoriert werden.The problem in this case is therefore to determine turbulent conditions along the length of the runway It is not essential to measure the degree of turbulence zi. If possible, the flow rate should be speed of the air either along or across the runway can be ignored.

Bei dieser Anwendung der Erfindung wird eir Laserstrahl über die gesamte Länge der Rollbahn ir einer solchen Höhe gerichtet, daß er durch di< Hauptbereiche der Turbulenz hindurchgeht. An einei oder mehreren Stellen, wo man erwarten kann, daß deiIn this application of the invention, a laser beam is irradiated over the entire length of the runway directed at such a height that it passes through the main areas of turbulence. To some or several places where one can expect that the

Strahl turbulente Bedingungen antrifft, wird das in einem Winkel zum Laserstrahl gestreute Licht gesammelt, und bei einer zweckmäßigen Anordnung wird eine Anzahl von Spiegeln auf der Länge der Rollbahn angeordnet, und diese sammeln Licht, welches in einem Winkel zum Laserstrahl gestreut ist, und leiten es nach dem abgelegenen Ende der Rollbahn. Es sind daher an diesem Ende der Rollbahn der Laserstrahl selbst und ein Strahl vorhanden, der gestreut worden ist und aus einer großen Anzahl von diskreten Strahlen von unterschiedlichen eigenen Frequenzen besteht Eine Eigenschwe-If the beam encounters turbulent conditions, the light scattered at an angle to the laser beam is collected, and in a suitable arrangement there will be a number of mirrors along the length of the runway arranged, and these collect light, which is scattered at an angle to the laser beam, and guide it the far end of the runway. It is therefore the laser beam itself and a at this end of the runway Ray present that has been scattered and made up of a large number of discrete rays of different own frequencies there is a peculiarity

bung zwischen den verschiedenen Komponenten dieses gestreuten Strahles wird dadurch zum Entstehen gebracht, daß diese auf eine Fotozelle gerichtet werden. Das Vorhandensein einer Turbulenz verursacht eine Eigenschwebung, welche durch die Fotozelle als eine Schwebungsfrequenz in der Größenordnung von 105 Hertz ermittelt wird, und eine einfache Frequenzmeßschaltung ermittelt diese Frequenz am Ausgang der Fotozelle und dient als Anzeige dafür, daß eine Turbulenz vorhanden ist.Exercise between the various components of this scattered beam is caused by the fact that they are directed at a photocell. The presence of turbulence causes a self-beat, which is determined by the photocell as a beat frequency on the order of 10 5 Hertz, and a simple frequency measuring circuit determines this frequency at the output of the photocell and serves as an indication that there is turbulence.

Claims (2)

1 Patentansprüche:1 claims: 1. Verfahren zum Ermitteln von Turbulenz in einem Strömungsmittel, bei welchem ein Strahl von kohärentem Licht auf das Strömungsmittel gerichtet und die Änderungen, infolge des Dopplereffektes, in der Frequenz des Lichtes beobachtet werden, welches durch Partikeln oder Regionen innerhalb des Strömungsmittels gestreut oder reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen in der Frequenz durch Eigenschwebung innerhalb des gestreuten Lichtes unter Verwendung des homodynen Effektes ermittelt werden.1. A method of detecting turbulence in a fluid in which a jet of coherent light directed onto the fluid and the changes, due to the Doppler effect, in the frequency of light being observed passing through particles or regions within of the fluid is scattered or reflected, characterized in that the changes in frequency by using self-beat within the scattered light the homodyne effect can be determined. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Licht von einem Laser verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that light from a laser is used.
DE1808162A 1967-11-10 1968-11-09 Method for detecting turbulence in a fluid Expired DE1808162C3 (en)

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