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