DE3340479C2 - Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von in einem Wassertank strömenden Wasser - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von in einem Wassertank strömenden Wasser gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bis jetzt sind zur Messung der Geschwindigkeit in einer Vorrichtung zur Untersuchung der Wasserströmung Verfahren verfügbar, die von einem Pitotschen Rohr und von einer elektrischen Messung Gebrauch machen, wobei aus­ genutzt wird, daß die Größe des elektrischen Stromes, der durch einen Sensor (bestehend aus einem elektrischen Draht) fließt, sich in dem Verhältnis ändert, wie sich die Wärme, die vom Sensor aufgenommen wird, mit der Änderung der Strö­ mungsgeschwindigkeit ändert. Bei diesen herkömmlichen Ver­ fahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit ist es unvermeidlich, das Pitotsche Rohr bzw. den Sensor in das Strömungsfeld einzubauen, wodurch die Wasserströmung von dem Weg abweicht, den sie normalerweise nehmen würde, wenn das Pitotsche Rohr und der Sensor nicht in diesem Strömungs­ feld eingebaut wären. Das Pitotsche Rohr kann außerdem nicht in eng begrenzten Strömungsfeld eingebaut werden. Dieser Nachteil gilt auch für den Sensor, der für das elek­ trische Meßverfahren benutzt wird, weil der Sensor eine sta­ bile Halterung benötigt, die Schwingungen widersteht. Außerdem kann bei beiden diskutierten Meßverfahren die Ände­ rung der Strömungsgeschwindigkeit nicht in Form von nume­ rischen Werten erfaßt werden, die an einem Meßinstrument an­ gezeigt werden, und kann auch nicht durch eine optische Beobachtung grob abgeschätzt werden. Natürlich ist es unter diesen gegenwärtigen Bedingungen nicht möglich, das Strömungs­ feld gleichzeitig optisch zu beobachten und die Strömungs­ geschwindigkeit zu messen.

Die vorhandenen herkömmlichen Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in einer Vorrichtung zur Unter­ suchung der Wasserströmung können keine genauen Geschwin­ digkeitsmessungen liefern, weil sie die Geschwindigkeit nicht berührungslos messen können. In einem Strömungsfeld, das eine Reaktion und einen Wärmeübergang erfährt, wie z. B. bei einer Verbrennung (da die Flüssigkeit sich ausdehnt und die Viskosität abnimmt), reicht es nicht aus, nur die Konzentrationsänderung aufzuzeichnen. Wenn nicht die Geschwindigkeit bestimmt wird, kann die tatsächliche Verbrennung nicht genau vorausbestimmt werden. In dieser Hinsicht ist es wichtig und auch wünschenswert, die Strö­ mungsgeschwindigkeit genau zu messen, wenn das Wasserströ­ mungsmodul als ein zuverlässiger Simulator der tatsäch­ lichen Phänomene dienen soll.

Aus der US-3,199,346 ist ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit bekannt, bei dem in einer Vorrichtung kleine Luftblasen in strömendes Wasser eingebracht werden, die ein Strömungsfeld bilden, welches mit Licht beleuchtet wird, das durch einen Spalt ausgeblendet wird, wodurch ein vorgegebener Querschnitt des Strömungsfeldes aufgrund der Lichtreflexion an den Luftblasen sichtbar gemacht wird. Schließlich wird die Zeit bestimmt, während welcher diese Luftblasen eine vorgegebene Strecke durchlaufen.

Die Erzeugung von Luftblasen, indem eine komprimierte Flüssigkeit durch eine Blende geleitet wird, wird in der DE-OS 27 05 112 beschrieben.

Die Aufnahme eines sichtbar gemachten Strömungsfeldes mittels einer Fernsehkamera und die Darstellung an einem Monitor ist aus der DE-OS 30 22 111 A1 bekannt, in der ein Verfahren zum Messen der elektrophoretischen Beweglichkeit von Zellen beschrieben wird.

Die Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten, beispielsweise von Feststoffpartikeln in einer Gasströmung aufgrund von auf der Basis von Korrelationsfunktionen bestimmter Zeitintervalle ist aus dem Artikel "Bestimmung von Transportkenngrößen bei Mehrphasenströmungen mit Hilfe der Korrelationsmeßtechnik" von H. Kipphan, in Chem. Ing. Tech. 49 (1977) Nr. 9, S. 695-707 bekannt.

Ziel dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von in einem Wassertank strömenden Wasser zur Verfügung zu stellen, bei dem mittels kleiner, in das Wasser angebrachter Luftblasen ein Strömungsfeld im Wassertank gebildet wird, das mit Licht, welches durch einen Spalt ausgeblendet wird, beleuchtet wird, wodurch ein vorgegebener Querschnitt des Strömungsfeldes infolge der Lichtreflexion an den Luftblasen sichtbar gemacht wird und die Zeit, die die Luftblasen zum Durchlaufen einer vorgegebenen Strecke benötigen, durch optisches Auslösen von Zeitmessern bestimmt wird.

Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß

• (1) ein Wassertank durch eine Blende, die wenigstens eine Öffnung von nicht mehr als 3 mm Durchmesser aufweist, mit Druckwasser beschickt wird, wodurch aufgrund der eintretenden Entgasung infolge des lokalen Druckabfalls bei Durchtritt des Wassers durch die Öffnung(en) in diesem ein großes Volumen kleiner gleichmäßiger Luftblasen erzeugt wird,
• (2) die unregelmäßig reflektierenden Luftblasen mittels einer Fernsehkamera aufgenommen und am Bildschirm eines Fernsehmonitors dargestellt werden,
• (3) die Intensitätsänderungen zweier eng benachbarter Bildpunkte auf dem Bildschirm mittels zweier Photosensoren gemessen werden, und
• (4) das Zeitintervall, in dem sich die Intensitäten der eng benachbarten Bildpunkte korreliert verändern, auf der Basis von Korrelationsfunktionen ermittelt und die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers aufgrund des ermittelten Zeitintervalls berechnet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend eingehend hinsichtlich der typischen Geräte zur Durchführung dieser Erfindung beschrieben.

Fig. 1 ist eine schematische Zeichnung der Anord­ nung für das Wasserströmungsmodul, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens be­ nutzt wird. Diese Anordnung besteht im wesentli­ chen aus einem Wassertankmodul 1 (später einfach als Wassertank bezeichnet) zur Erzeugung eines Strömungsfel­ des, einer Flüssigkeitsversorgungseinheit 2 zur Lieferung einer Flüssigkeit (Wasser), die Luftblasen 4 enthält und beispielsweise durch den Boden des Wassertanks dem Wassertank 1 zugeführt wird, und einer Lichtquelle 3 für die Beleuchtung des im Wassertank befindlichen Strö­ mungsfeldes mit schlitzförmig ausgeblendetem Licht 5. In dieser Anordnung wird die Flüssigkeit, die durch den Boden des Wassertanks 1 einfließt und ein Strömungsfeld im Wassertank 1 erzeugt, durch die Austritts­ öffnung 6 an der Oberkante des Wassertanks 1 herausge­ führt und durch ein (nicht gezeigtes) Wasserrohr abgelassen. Da das verbrauchte Wasser keine Fremdpartikeln außer Luft­ blasen enthält und die Luftblasen, außer einem kleinen Teil, erneut im Wasser gelöst werden, kann das verbrauch­ te Wasser, das wie oben beschrieben abgelassen wurde, ge­ fahrlos in einem unveränderten Zustand in einen in der Nähe befindlichen Abfluß eingeleitet werden. Auf Wunsch kann das verbrauchte Wasser in unverändertem Zustand wieder ver­ wendet werden. Die Flüssigkeit kann von oben in den Wasser­ tank 1 zugeführt werden und durch den Boden abgelassen wer­ den, oder sie kann seitlich durch eine Wand in den Wasser­ tank 1 eingeleitet werden.

Die Flüssigkeitsversorgungseinheit 2, die Wasser zu dem bereits erwähnten Wassertank 1 liefert, enthält die Druck­ wasseranlage, die nicht gezeigt ist, und eine Blende 9, die in das Rohr 8 eingesetzt ist, das die Druckwasseranlage und die Eintrittsöffnung 7 des Wassertanks 1 verbindet. Der Entgasungsvorgang, der durch einen lokalen Druckabfall des Druckwassers während dessen Durchgang durch die Blende 9 auftritt, bewirkt, daß die im Wasser gelöste und unter Druck transportierte Luft in Form von Luftblasen 4 in der Flüssigkeit austritt. Derart wird die Flüssigkeit, die ein großes Volumen von Luftblasen enthält, in den Wasser­ tank 1 geliefert.

Die Blende 9 hat mindestens eine kleine Bohrung von nicht mehr als 3 mm Durchmesser. Der Durchmesser dieser kleinen Bohrung in der Blende ist mit dem Durchmesser und der Gleichförmigkeit der Luftblasen 4 verknüpft, die wie oben beschrieben erzeugt werden. Wenn der Durchmesser dieser Bohrung 3 mm übersteigt, werden die Luftblasen 4 ungleich­ förmig, wodurch genaue oder quantitative Messungen undurch­ führbar werden. Im allgemeinen liegen, wenn die Luftblasen als Indikator benutzt werden, die Durchmesser der Luft­ blasen, die für den Zweck der Sichtbarmachung der Strömung optimal sind, hinsichtlich der Abschätzung des möglichen Fehlers, der durch die geringe Fähigkeit der Luftblasen, der Strömung zu folgen und durch den Auftrieb der Luft­ blasen verursacht wird, wünschenswerterweise in dem Be­ reich von 0,06 bis 0,2 mm. Wenn die Bedingungen, die not­ wendig sind, um ein zu frühes Auflösen der Luftblasen 4 im Wasser zu verhindern, berücksichtigt werden, ist ein Durchmesser in der Nähe von 0,1 mm wünschenswert. Ent­ sprechend den Ergebnissen der Experimente (Fig. 3), die von den Erfindern bei der Suche nach einer Beziehung zwi­ schen dem Durchmesser der Bohrung und den Proportionen der Teilchendurchmesser der erzeugten Luftblasen 4 durch­ geführt wurden, ist festzustellen, daß, wenn die Bohrung einen Durchmesser von 3 mm aufweist, die Luftblasen, die einen Durchmesser von nicht mehr als 0,2 mm aufweisen und die optimal für die Sichtbarmachung der Strömung sind, über 70% aller erzeugten Luftblasen betragen und diese Luftblasen einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,113 mm und eine im allgemeinen gute Gleichförmigkeit aufweisen, und daß, wenn die Bohrung einen Durchmesser von 4 mm auf­ weist, die Luftblasen, die einen Durchmesser von nicht mehr als 0,2 mm besitzen, etwa 30% aller Luftblasen betragen und nur geringe Gleichförmigkeit aufweisen.

Die Ergebnisse des Experiments zeigen, daß der wünschens­ werte Durchmesser der Bohrung bei oder unter 1,5 mm liegt und daß der optimale Durchmesser zwischen 0,8 mm und 0,5 mm liegt. Der Grund für den unteren Grenzwert von 0,5 mm für den Durchmesser der Bohrung liegt darin, daß eine Bohrung die einen kleineren Durchmesser aufweist, möglicherweise durch Schmutz in der Flüssigkeit verstopft werden kann und an der gleichmäßigen Erzeugung der Luftblasen gehindert wird. Wenn ein Luftfilter, das den Schmutz aus der Flüssig­ keit vollständig entfernt, stromaufwärts eingebaut ist, kann die Bohrung einen kleineren Durchmesser als 0,5 mm aufweisen. Entsprechend den Ergebnissen von Fig. 3 ist fest­ zustellen, daß, wenn der Durchmesser der Bohrung auf 0,8 mm festgelegt ist und der Wasserdruck bei 9 kg/cm² liegt, die erzeugten Luftblasen 4 einen Durchmesser im Bereich von 0,0781 bis 0,2106 mm aufweisen. Diese Durchmesserver­ teilung wird durch die Auswertung einer fotografischen Vergrößerung mittels eines Mikroskopes bestätigt. In diesem Falle besitzen die Luftblasen einen durchschnittlichen Durchmesser von ungefähr 0,1 mm, der als der optimale Durch­ messer für die Sichtbarmachung der Strömung bezeichnet werden kann. Eine gewünschte Zunahme des Strömungsvolumens der Luftblasen kann durch eine Vergrößerung der Anzahl der Bohrungen in der Blende 9 erreicht werden. Diese zusätzlichen Bohrungen dienen außerdem dazu, die Konstanz der Anzahl von Luftblasen in der Strömung zu gewährleisten.

In dieser Ausführung besteht der Wassertank 1 aus einem lichtdurchlässigen Material, wie z. B. Acrylharz oder Glas in Form eines rechtwinkligen Zylinders, der einen quadra­ tischen Querschnitt aufweist. Der Wassertank ist an der Oberkante mit einer Entleerungsöffnung und am Boden mit einer Eintrittsöffnung 7 versehen. Wenn beabsichtigt ist, den Wassertank 1 als ein Wasserströmungsmodul z. B. einer Düse oder eines Brenners zu benutzen, dann dient er nur als ein Gefäß für die Aus­ bildung eines Strömungsfeldes. Wenn es beabsichtigt ist, die Strömung einer Flüssigkeit innerhalb eines Ofens sicht­ bar zu machen, dann wird der Wassertank 1 selbst als Teil dieser Vorrichtung benutzt. Somit ist die Form des Wassertanks 1 nicht auf die in der Zeichnung dargestell­ te Ausführungsform beschränkt. Der Wassertank 1 kann die Form einer runden Röhre oder eines Winkelrohrs oder jede andere Form aufweisen, die für den Zweck, für den der Was­ sertank benutzt wird, geeignet ist. Weiterhin ist die Ein­ trittsöffnung 7, die sich am Boden des Wassertanks 1 be­ findet, allgemein an ein Modul zur Erzeugung eines zu beobachtenden Strömungsfeldes, z. B. an ein Düsen- oder Brenner­ modul angepaßt. Wird eine solche Vorrichtung getrennt von der Eintrittsöffnung 7 in dem Wassertank 1 eingebaut, dann bleibt die Strömung, die aus der Eintrittsöff­ nung 7 ausströmt, unbeeinflußt. In der vorliegenden Aus­ führungsform sind ein Brennerdüsenmodul 10 und ein Brennerrohrmodul 11 eingebaut. Zur Untersuchung der Bedingung, unter der sich ein Brennstoff mit Luft vermischt, und zur Messung der Mengenverhältnisse beider Fluids, wird gleich­ zeitig eine Flüssigkeit mit Luftblasen 4 (Brennstoff simu­ lierend) durch das Brennerdüsenmodul 10 und eine Flüssigkeit ohne Luftblasen (Luft simulierend) durch den Umfang als Brennerdüsenmodul eingespritzt, so daß sich beide Flüssigkeiten im Brennerrohrmodul 11 vermischen können. Natürlich gibt es keinen Grund, die Anzahl der Eintrittsöffnungen 7 und deren Positionen auf die in der Zeichnung gezeigten zu beschränken. Das Modul zur Untersuchung der Wasser­ strömung kann beispielsweise den Einbau einer Mehrzahl von Brennern in einem Ofen erfordern, wenn der Einfluß der Anordnung solcher Brenner auf die Wärmeverteilung mit Hilfe des Moduls zur Untersuchung der Wasserströmung untersucht werden soll. Da alle Wände des Wassertanks 1 in der vorliegenden Ausführungsform aus lichtdurchlässi­ gem Material bestehen, bildet die Wand selbst, die gegen­ über dem menschlichen Beobachter oder dem Beobachtungs­ instrument liegt, ein Beobachtungsfenster und die Seite gegenüber der schlitzförmigen Lichtquelle 3 ein Fenster für das einfallende Licht. Nicht alle Wände des Wasser­ tanks 1 müssen aus lichtdurchlässigem Material gefertigt sein. Der Wassertank 1 erfüllt seinen Zweck insofern, als wenigstens die Seiten, die als Beobachtungsfenster dienen, und das Fenster für das einfallende Licht aus solchem Material gefertigt sind. Das Beobachtungsfenster und das Fenster für das einfallende Licht erlauben das Auftreten der unregelmäßigen Lichtreflexion dann unter den besten Bedingungen, wenn sie so angeordnet sind, daß sie mit der Richtung des einfallenden Lichtes 5, das schlitzförmig ausgeblendet ist, einen Winkel im Bereich von 90 bis 145° bilden. Somit müssen diese Fenster in diesen Positionen eingebaut sein, um ihre Aufgaben zu erfüllen. Wenn der Wassertank 1 in Form einer runden Röhre ausgebildet ist, muß der Teil der runden Wand, der einem Winkel von 90 bis 145° des gesamten Umfangs seines Quer­ schnitts entspricht, aus lichtdurchlässigem Material ge­ fertigt sein, um die Funktion des Wassertanks 1 zu gewähr­ leisten. Wenn die Wände des Wassertanks 1 außer denen, die als Beobachtungsfenster und Fenster für das einfal­ lende Licht dienen, aus einem Material gefertigt sind, das Licht absorbieren kann, wird die Beobachtung der Luft­ blasen vereinfacht, weil die Luftblasen durch die unregel­ mäßig reflektierten Lichtstrahlen deutlicher werden, ohne daß die Beleuchtung in dem Beobachtungsraum vermindert werden muß. Das lichtabsorbierende Material kann für diesen Zweck eine schwarze Beschichtung sein, die auf die Innen­ seiten der zuvor erwähnten Wände des Wassertanks 1 aufgebracht wird. Wenn der Zustand des Strömungsfeldes in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung, nämlich im Querschnitt des Wassertanks 1 beobachtet wird, fällt der Bereich von 90 bis 145° bezüglich des Lichtes 5, das schlitzförmig ausgeblendet ist und das Strömungsfeld transversal passiert, in die Richtung des Deckels des Wassertanks 1. In diesem Fall muß der Beobachter von oben in den Wassertank 1 sehen, und das Beobachtungsinstrument muß oberhalb des Wassertanks 1 angeordnet sein.

Als schlitzförmige Lichtquelle 3, die das Licht 5 in den Wassertank 1 projiziert, kann jedes der bekannten verfüg­ baren Mittel für diesen Zweck benutzt werden. Um schlitz­ förmig ausgeblendetes Licht zu erhalten, kann z. B. eine Platte, die einen Schlitz enthält, in einen Diaprojektor eingesetzt werden. In diesem Fall erlaubt die Vorberei­ tung mehrerer Platten, die einen Schlitz in unterschied­ lichen Richtungen enthalten, dem projizierten Licht 5, das schlitzförmig ausgeblendet ist, die Strömung im ge­ wünschten Querschnitt zu passieren. Wenn das Licht 5, das schlitzförmig ausgeblendet ist, auf die Luftblasen 4 fällt, wird es unregelmäßig reflektiert. Die unregelmäßig reflek­ tierten Lichtstrahlen sind so beschaffen, daß sie am besten in einem Bereich von 90 bis 145° bezüglich der Richtung des einfallenden Lichtes beobachtet werden.

Wenn die Luftblasen 4 hinreichend kleine und gleichförmige Durchmesser aufweisen, wird angenommen, daß die Intensität der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen der Anzahl der Luftblasen in einem Einheitsvolumen der Strömung, nämlich der Dichte der Luftblasen, direkt proportional ist. Dies bedeutet, daß die Intensität der unregelmäßig reflek­ tierten Lichtstrahlen der Konzentration entspricht.

Während des unter Druck stattfindenden Übergangs der Flüssigkeit von der Druckwasseranlage zum Wassertank entwickelt sich die in der Flüssigkeit gelöste Luft auf­ grund des Entgasungsvorgangs, der durch den lokalen Druck­ abfall der unter Druck stehenden Flüssigkeit bei deren Durchgang durch die Bohrung entsteht, zuerst in ge­ drängter Anordnung in Form von kleinen gleichmäßigen Luft­ blasen, die optimal für die Sichtbarmachung der Strömung sind. Der Teil der Flüssigkeit, der diese kleinen gleich­ mäßigen Luftblasen in gedrängter Form enthält, bewirkt im Wassertank 1 das gewünschte Strömungsfeld. Wenn das Licht 5, das schlitzförmig ausgeblendet ist, in das Strö­ mungsfeld projiziert wird, wird es durch die Luftblasen unregelmäßig reflektiert. Die so in der Strömung enthaltenen Luftblasen 4 erscheinen deshalb deutlich in Form von Licht­ punkten, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Damit ist die Strömung sichtbar gemacht. In diesem Fall wird angenommen, daß die Intensität der unregelmäßig reflektierten Licht­ strahlen direkt proportional der Zahl der Luftblasen in einem Einheitsvolumen der Strömung, nämlich der Dichte der Luftblasen proportional ist. Da diese Tatsache ein­ schließt, daß die Intensität der unregelmäßig reflektier­ ten Lichtstrahlen der Konzentration direkt proportional ist, kann die Dichteverteilung der Luftblasen in der Strömung, nämlich die Konzentration in Form der Intensität der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen optisch beobachtet werden.

Die Strömung im Wassertank 1 wird, wie in Fig. 2 darge­ stellt ist, mittels einer Fernsehkamera 20, die vor dem Wassertank angeordnet ist, fotografiert und auf dem Bild­ schirm eines Fernsehmonitors 21 angezeigt. Dann wird die Konzentrationsänderung oder die Änderung der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen in einem vorgegebenen Punkt auf dem Bildschirm mittels eines Fotosensors 22, der auf dem Bildschirm angebracht ist, gemessen und in Form eines elektrischen Signals, wie z. B. einer Potentialdifferenz­ änderung, beobachtet.

Obwohl die Flüssigkeitsströmung durch Luftblasen 4 als Indikator sichtbar gemacht werden kann, ist es nicht mög­ lich, eine spezielle Luftblase 4 aus der Ansammlung zahl­ reicher Luftblasen zu selektieren und die Zeit zu messen, die diese Luftblase zum Zurücklegen der vorgeschriebenen Distanz L benötigt. In dem Strömungsfeld jedoch, das durch den Teil der Flüssigkeit erzeugt wird, der kleine gleich­ mäßige Luftblasen in gedrängter Form enthält, erscheint der Bewegungsvorgang einer Ansammlung von in einer bestimm­ ten Konzentration vorliegenden Luftblasen als Konzentra­ tionsänderung an einem vorgegebenen Beobachtungspunkt. Der Bewegungsvorgang der Luftblasenansammlung erscheint an einem anderen, dicht benachbarten Punkt als eine Konzentra­ tionsänderung, die eine sehr ähnliche Wellenform aufweist.

Diese Beobachtungen haben die Erfinder zu der Erkenntnis geführt, daß die Zeit, die die Luftblasenansammlung für die Bewegung über die Distanz zwischen diesen beiden dicht benachbarten Punkten benötigt, als ein Zeitintervall in der Konzentrationsänderung zwischen diesen beiden Punkten aufgefaßt werden kann.

Deshalb wird ein weiterer Photosensor 23 auf dem Bildschirm des Fernsehmonitors 21 so angebracht, daß Konzentrationsänderungen, nämlich Änderungen in den unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen an zwei dicht benachbarten Punkten gemessen werden. Die Photosensoren 22, 23 übersetzen die optischen Signale in elektrische Signale. In der vorliegenden Ausführungsform werden Photodioden als Photosensoren benutzt. Es gibt auch andere Ausführungen von Photosensoren.

Die momentanen Konzentrationsänderungen, die mittels dieser Photosensoren 22, 23 in elektrische Signale umgesetzt wurden, durchlaufen ein Filter 24, um die im Bildschirm des Fernsehmonitors 21 benutzten Abtastsignale herauszufiltern, und werden dann in einen Kleinrechner 25 eingegeben. In dem Kleinrechner 25 wird das Zeitintervall bzw. die maximale Laufzeit in der Konzentrationsänderung, die an den Meßpunkten auftrifft, mit dem Verfahren der Korrelationsfunktionen berechnet. Wie oben aufgezeigt wurde, sind die Konzentrationsänderungen, die an zwei benachbarten Meßpunkten, wie in Fig. 5 dargestellt, ähnlich zueinander. Diese an den betreffenden Meßpunkten auftretenden Konzentrationsänderungen werden statistisch verarbeitet, um die charakteristischen Spitzen zu finden. Dann wird die maximale Laufzeit Δt auf der Grundlage dieser charakteristischen Spitzen berechnet. Wenn einmal die maximale Laufzeit, nämlich die Zeit Δt herausgefunden ist, die die Luftblasenansammlung für die Bewegung über die Distanz zwischen den beiden Photosensoren 22, 23 benötigt, ist die Geschwindigkeit schnell nach Maßgabe der Formel v = ΔL/t gegeben, weil der Abstand ΔL zwi­ schen den beiden Photosensoren 22, 23 vorher festgelegt wurde.

Die so in dem Kleinrechner 25 berechnete Geschwindigkeit wird in die Anzeige 26 eingegeben, an der der gemessene Geschwindigkeitswert auf dem Schirm der Anzeige 26 angezeigt wird. Weiterhin wird an einem XY-Plotter 27, der die nach­ einander gemessenen Werte in ein XY-Koordinatensystem ein­ zeichnet, die Geschwindigkeitsänderung zweidimensional angezeigt. An einem Drucker 28 werden diese Änderungen als numerische Werte ausgedruckt.

Die Messung der Helligkeit der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen auf dem Bildschirm des Fernsehmonitors 21 muß so durchgeführt werden, daß der Monitor so eingestellt bleibt, daß der minimale Wert des Meßbereichs von z. B. unge­ fähr 3 mV gerade in dem dunkelsten Teil der gesamten Meßzone auftreten kann und der maximale Wert des Meßbe­ reichs in dem hellsten Teil auftreten kann. Die Meßposi­ tionen können dadurch geändert werden, daß die Photosen­ soren 22, 23 auf dem Bildschirm des Fernsehmonitors 21 bewegt werden. Die fotografische Aufnahmeposition kann gut dadurch geändert werden, daß die Fernsehkamera mittels eines Vorschubs (nicht gezeigt) bewegt wird, während die Photosensoren 22, 23 an ihren ursprünglichen Positionen bleiben, weil der Mittelteil des Bildschirms stabilere und größere Helligkeit als die Randzone aufweist. Die Messung der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen muß nicht immer gleichzeitig mit der Erzeugung des Strömungs­ feldes im Wassertank 1 geschehen. Wenn das im Wassertank 1 erzeugte Strömungsfeld mittels einer Fern­ sehkamera 20 fotografiert wird, können die so fotografier­ ten Aufnahmen des Strömungsfeldes mit einem Videogerät, das in der Zeichnung nicht gezeigt ist, aufgezeichnet werden. Dann kann die gewünschte Geschwindigkeitsmessung später durchgeführt werden, wobei die aufgezeichneten Bilder auf dem Fernsehmonitor 21 abgespielt werden. Gerade wenn das Strömungsfeld eng begrenzt und kompliziert ist, erlaubt die fotografische Aufnahme unter Benutzung einer Zoom-Linse die verlangte relative Verkleinerung der Photo­ sensoren 22, 23 und eine zuverlässige Messung.

Es wird aus der vorangegangenen Beschreibung deutlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren die Messung der Strömungs­ geschwindigkeit dadurch bewirkt, daß das Strömungsfeld in einem Wassertank erzeugt wird mit einer Flüssigkeit, die in gedrängter Form kleine gleichförmige Luftblasen enthält, daß Licht, das schlitzförmig ausgeblendet ist, in das Strömungsfeld projiziert wird, wodurch die Strömung in einem vorgegebenen Querschnitt aufgrund der unregelmäßi­ gen Lichtreflexion der Luftblasen sichtbar gemacht wird und daß gleichzeitig die unregelmäßig reflektierten Licht­ strahlen mit einer Fernsehkamera fotografiert werden und daß sie auf dem Bildschirm eines Fernsehmonitors angezeigt werden, daß die Änderungen der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen in zwei benachbarten Punkten mit zwei Photo­ sensoren auf dem zuvor erwähnten Bildschirm gemessen wer­ den, daß das Zeitintervall der Änderung der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen in zwei benachbarten Punkten mit Hilfe von Korrelationsfunktionen bestimmt wird, und daß die Geschwindigkeit aus dem Zeitintervall berechnet wird, das sich aus der Zeit ergibt, die die Luftblasenansamm­ lung zur Bewegung längs der Strecke zwischen den zuvor erwähnten beiden Photosensoren benötigt. Somit ist dieses Verfahren imstande, berührungslos die Geschwindigkeit exakt zu messen. Mit anderen Worten, durch das erfindungs­ gemäße Verfahren kann die Geschwindigkeitsmessung exakt erfolgen, weil kein Sensor innerhalb des Strömungsfeldes eingebaut ist und folglich nichts die Strömung stört.

Da das Strömungsfeld durch eine Flüssig­ keit gebildet wird, die vor der tatsächlichen Geschwindig­ keitsmessung Luftblasen enthält und das Licht, daß schlitzförmig ausgeblendet ist, in das Strömungsfeld projiziert wird, um die Strömung in einem vorgegebenen Querschnitt sichtbar zu machen, kann mit dem vorliegenden Meßverfahren darüber hinaus die optische Beobachtung der Strömungsgeschwindigkeit und die qualitative Messung des Zustandes des Strömungsfeldes zur gleichen Zeit durch­ geführt werden, wie die Geschwindigkeit mit dem Meßinstru­ ment gemessen wird. Außerdem kann die Konzentrationsände­ rung über das gesamte Strömungsfeld aufgrund der Änderung der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen sichtbar ge­ macht werden. Da das erfindungsgemäße Verfahren einen Aufbau mit einer Fernsehkamera benutzt, mit der das Strö­ mungsfeld fotografiert wird, dann auf einem Fernsehmonitor angezeigt wird und danach einer Messung mit zwei Photo­ sensoren unterworfen wird, ist dieses Verfahren weiterhin imstande, jeden gewünschten Abschnitt des Strömungsfel­ des in jeder gewünschten Vergrößerung zu messen. Wenn die Bil­ der des Strömungsfeldes wie oben beschrieben fotografiert und mit einem Videogerät aufgezeichnet werden, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die Geschwindigkeitsmessung beliebig später durchzuführen, ohne das irgend ein Experiment mit einer tatsächlichen Strömung notwendig ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Zeichnung, die eine Be­ trachtungseinheit in einem Wasserströmungsmodul gemäß der Erfindung, nämlich ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens der Messung der Strömungsgeschwindigkeit darstellt.

Fig. 2 ist eine schematische Zeichnung, die eine Geschwin­ digkeitsmeßeinheit des Gerätes aus Fig. 1 darstellt.

Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Expe­ rimentes zeigt, das durchgeführt wurde, um eine Beziehung zwischen dem Bohrungsdurchmesser und den Proportionen der Luftblasendurchmesser zu finden.

Fig. 4 ist eine erklärende Zeichnung, die das sichtbar­ gemachte Strömungsfeld darstellt.

Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Zustandsänderung der Konzentration zeigt, wie sie mittels der Photosensoren des Gerätes aus Fig. 2 gemessen wird.

In den Zeichnungen bezeichnet 1 den Modulwassertank, 4 die Luftblasen, 5 das Licht, das schlitzförmig ausge­ blendet ist, 8 ein Rohr, 9 eine Blende, 20 eine Fernseh­ kamera, 21 einen Fernsehmonitor, 22 und 23 je einen Photosensor, 24 ein Filter und 25 einen Kleinrechner.

Claims (3)

1. Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von in einem Wassertank strömenden Wasser, bei dem mittels kleiner, in das Wasser angebrachter Luftblasen ein Strömungsfeld im Wassertank gebildet wird, das mit Licht, welches durch einen Spalt ausgeblendet wird, beleuchtet wird, wodurch ein vorgegebener Querschnitt des Strömungsfeldes in Folge der Lichtreflexion an den Luftblasen, sichtbar gemacht wird und die Zeit, die die Luftblasen zum Durchlaufen einer vorgegebenen Strecke benötigen, durch optisches Auslösen von Zeitmessern bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• (1) der Wassertank durch eine Blende, die wenigstens eine Öffnung von nicht mehr als 3 mm Durchmesser aufweist, mit Druckwasser beschickt wird, wodurch aufgrund der eintretenden Entgasung infolge des lokalen Druckabfalls bei Durchtritt des Wassers durch die Öffnung(en) in diesem ein großes Volumen kleiner gleichmäßiger Luftblasen erzeugt wird,
• (2) die unregelmäßig reflektierenden Luftblasen mittels einer Fernsehkamera aufgenommen und am Bildschirm eines Fernsehmonitors dargestellt werden,
• (3) die Intensitätsänderungen zweier eng benachbarter Bildpunkte auf dem Bildschirm mittels zweier Photosensoren gemessen werden, und
• (4) das Zeitintervall,in dem sich die Intensitäten der eng benachbarten Bildpunkte korreliert verändern, auf der Basis von Korrelationsfunktionen ermittelt und die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers aufgrund des ermittelten Zeitintervalls berechnet wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Blende mit einer Öffnung verwendet, welche einen Durchmesser von 0,5 bis 0,8 mm aufweist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsdurchmesser 0,8 mm ist, und der Wasserdruck etwa 9 bar (9 kg/cm²) beträgt.