DE3827913A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der geschwindigkeit einer stroemung - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der geschwindigkeit einer stroemungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der
Geschwindigkeit einer Strömung sowie eine Vorrichtung zum
Durchführen des Verfahrens und geht aus von einem
optischen Verfahren mit den Merkmalen im Oberbegriff das
Patentanspruchs 1 bzw. einer Vorrichtung mit den Merk
malen im Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Optische Meßverfahren gestatten die Bestimmung der Aus
breitungsgeschwindigkeiten und Strömungseigenschaften
von Strömungen, beispielsweise Gas- oder Flüssigkeits
strömungen, in denen Teilchen oder andere Streuzentren
sich mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen wie die
Strömung, durch einen berührungsfreien Zugriff auf das
Meßmedium.
Ein bekanntes optisches Verfahren stellt die Laser-
Doppler Anemometrie dar, bei dar durch die Überlagerung
zweier Laserstrahlen am Meßort ein Interferenzmuster er
zeugt wird. Durchfliegt ein Teilchen dieses Interferenz
muster, so ist im Streulichtspektrum des Teilchens eine
Frequenzkomponente detektierbar, daran Lage im Spektrum
proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist. Dieses
Verfahren ermittelt Geschwindigkeiten über die Frequenz
messung aufgrund seines kleinen Meßvolumens mit hoher
Ortsauflösung. Ist jedoch die Kenntnis über die mittlere
Strömungsgeschwindigkeit mit unbekanntem Strömungsprofil
erwünscht, so kann dieses Verfahren mit nur selektiver
Ortsauflösung nicht herangezogen werden.
Das ebenfalls bekannte Lichtzonenanemometer ermittelt
mittlere Geschwindigkeiten eines Strömungsquerschnitts
durch die Parallelprojektion eines Strichgitters in die
Strömung. Teilchen die das Streifenmuster durchfliegen,
erzeugen Streulicht mit einer bevorzugten Frequenzkompo
nente, deren Frequenz wiederum von der Ausbreitungsge
schwindigkeit der Teilchen und der Gitterkonstanten ab
hängt. Zeitlich leicht schwankende Streuteilchenkonzen
trationen und große Streuteilchen können jedoch Störungen
verursachen. Auch wird bei großer Streuteilchendichte das
Signal/Rausch Verhältnis immer geringer, da viele Streu
teilchen gleichzeitig Signale mit in der Regel statistisch
verteilter Phasenlage aussenden.
Ferner ist vorgeschlagen worden, als statistische Aus
wertemethode Korrelationsverfahren zur Geschwindigkeits
bestimmung heranzuziehen. Zum Beispiel kann über die
Bildung der Kreuzkorrelationsfunktion zweier Signale von
in Strömungsrichtung räumlich getrennt angeordneten Meß
aufnehmern die Laufzeit von Strömungsinhomogenitäten
bestimmt werden. Die zu ermittelnde Geschwindigkeit ergibt
sich aus dieser Laufzeit als mittlere Geschwindigkeit
über den bekannten Meßsondenabstand.
Die Kreuzkorrelationsfunktion kann auch von Signalen
zweier Meßaufnehmer gebildet werden, auf die aus zwei
kleinen Meßvolumen herrührende Streustrahlung projiziert
wird. Zur Bildung der Meßvolumen werden z.B. zwei Laser
strahlen fokussiert. Zur Aufspaltung eines Laserstrahls
in zwei nichtparallele Strahlen und zu deren Fokussierung
in den beiden Meßvolumen sowie für die exakte Projektion
des Streulichts von den Volumen auf die Meßaufnehmer sind
jedoch aufwendige Anordnungen und Justierungen optischer
Bauelemente erforderlich.
Unabhängig von der Art und Weise der Gewinnung der Meß
signale für die Kreuzkorrelationsanalyse sind zudem stets
zwei Detektoren notwendig. Außerdem wird für die
Signalauswertung der beiden Detektorsignale eine relativ
große Datenmenge benötigt, so daß in manchen Fällen eine
Off-line Auswertung über eine Zwischenspeicherung aufgrund
des endlichen Speicherplatzes nicht möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von
den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 7
ein neues Verfahren bzw. eine neue Vorrichtung zur Be
stimmung der Geschwindigkeit einer Strömung mit geringst
möglichem technischen Aufwand und Anforderungen an die
Auswerteeinheit anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Patentan
sprüche 1 bzw. 7 gelöst.
Im erfindungsgemäßen Verfahren, das die Laufzeitbestimmung
mit Hilfe der Autokorrelationsfunktion eines einzigen
Signals bildet, ist die Notwendigkeit zweier Detektoren
vermieden. Es reichen eine einfache Aufspaltung der
Strahlung in zwei Parallelstrahlen und anschließende
Detektierung mit einem Aufnehmer aus, um die erforderliche
Information der Streuzentrenlaufzeit durch Bildung der
Autokorrelationsfunktion zu gewinnen. Hierzu sind in der
erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich ein Kollimator
und eine Doppellochblende vorzusehen. Als Auswertesignal
dient das von beiden Teilstrahlen herrührende Summensignal
einer optoelektronischen Empfangseinheit.
Insbesondere im Durchstrahlmeßverfahren liefert ein
einziges im Kurzschluß betriebenes Fotoelement, dessen
Fläche beide Teilstrahlen erfaßt, ein Meßsignal aus
reichender Amplitude ohne erforderliche Nachverstärkung.
Da nur ein Meßsignal zu erfassen und auszuwerten ist, ist
die Datenmenge im Vergleich zur Anwendung des Kreuz
korrelationsverfahrens um die Hälfte herabgesetzt, wodurch
die Bedingungen für eine Off-line Verarbeitung verbessert
sind d.h. die Anforderung an den Speicherplatz herabge
setzt ist.
Sowohl die geringe Anzahl optischer Bauelemente im
Strahlengang als auch die reduzierte Empfangseinheit mit
nur einem Detektor mit gegebenenfalls einem nachge
schalteten Verstärker sowie die Notwendigkeit nur eines
Analog/Digitalwandlers bedingen geringe Hardwarekosten.
Auch sind die Abmessungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
hierdurch gering.
Gegenüber dem Lichtzonenanemometer sind große oder zeitlich
schwankende Streuteilchenkonzentrationen und das Auftreten
großer Streuteilchen als Störgrößen im statistischen er
findungsgemäßen Verfahren ohne Bedeutung. Ein von vielen
Streuteilchen oder Streuzentren anderer Art, wie z.B.
Dichteschwankungen, herrührendes Signal ist bei der Bildung
der Autokorrelationsfunktion gerade erwünscht. Zufällige
zeitliche Korrelationen von Signalanteilen mitteln sich
dann durch die Integralbildung der Autokorrelations
funktion besonders gut heraus.
Im Gegensatz zur Laser-Doppler Anemometrie gestattet das
erfindungsgemäße Verfahren die Bestimmung der mittleren
Strömungsgeschwindigkeit in einem größeren Querschnitt
bei Strömungen auch mit unbekanntem Strömungsprofil.
Neben der Verwendung von beispielsweise Halogenlampen
oder Gaslasern empfiehlt sich für die erfindungsgemäße
Vorrichtung bzw. das Verfahren insbesondere ein Halbleiter
laser als Strahlungsquelle, der klein und kompakt ist
und dessen Strahlung im Gegensatz zum Gaslaser nicht auf
geweitet werden muß.
Bei kleinen sich genügend schnell bewegenden Streuzentren
ermöglicht bereits die Autokorrelationsfunktion die Be
stimmung der Laufzeit aus der Lage eines relativen
Maximums. Ansonsten ergibt sich die Laufzeit nach zwei
maliger Differenzierung und nach Invertierung der Auto
korrelationsfunktion, nachdem das Hauptmaximum bei der
Zeitverschiebung Null eliminiert worden ist, anhand der
Lage des daraufhin auftretenden neuen Hauptmaximums auch
bei größeren Streuteilchen mit guter Genauigkeit.
Bei stark schwankender Teilchendichte ist die Anwendung
einer automatischen Verstärkungsregelung (AGC) im An
schluß an die Empfangseinheit empfehlenswert, wodurch sich
auch bei länger andauernden Messungen stets automatisch
eine optimale Meßbereichsauflösung einstellt.
Bei Auftreten von Mehrfachstreuung und besonders bei
Messungen mit optisch transparenten Teilchen, wie z.B.
Wassertropfen, kann es nötig sein, eine weitere Blende mit
zwei Öffnungskanälen unmittelbar vor der Empfangseinheit
einzusetzen. Diese Blende bewirkt eine Winkelselektion der
auftreffenden Strahlung. Es wird nur die Strahlung von der
Blende durchgelassen, die aus dem gewünschten, für die
Untersuchung ausgewählten Winkelbereich kommt. Störungen
von Streulicht aus einem anderen Winkelbereich werden
somit verhindert.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
Fig. 2A ein mit der Vorrichtung nach Fig. 1 gemessenes
Signal in Abhängigkeit von der Zeit für ein einzelnes,
kleines die Laserteilstrahlen durchquerendes Teilchen,
Fig. 2B die normierte Autokorrelationsfunktion des Signals
aus Fig. 2A aufgetragen gegen die Zeitverschiebung,
Fig. 2C die aufbereitete normierte Autokorrelations
funktion des Signals aus Fig. 2A,
Fig. 3A ein mit der Vorrichtung nach Fig. 1 gemessenes
Signal in Abhängigkeit von der Zeit für ein einzelnes
größeres Streuteilchen,
Fig. 3B die normierte Autokorrelationsfunktion des Signals
aus Fig. 3A,
Fig. 3C die aufbereitete normierte Autokorrelations
funktion des Signals aus Fig. 3A,
Fig. 4A ein mit der Vorrichtung nach Fig. 1 gemessenes
Signal in Abhängigkeit von der Zeit für durch das Meß
volumen frei fallende Sandkörner,
Fig. 4B die normierte Autokorrelationsfunktion des Signals
aus Fig. 4A,
Fig. 4C die aufbereitete normierte Autokorrelations
funktion des Signals aus Fig. 4A und
Fig. 5 den zeitabhängigen Verlauf ermittelter Ge
schwindigkeitswerte für den Meßzeitbereich aus Fig. 4A.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in Fig. 1 als schematisches Blockschaltbild
dargestellt. Als Strahlungsquelle dient ein
Halbleiterlaser (4) mit einer Kollimatoroptik (5) und einer
optischen Leistung von 3 mW, wobei die Wellenlänge der
Laserstrahlung im optischen Bereich oder im nahen Infrarot
liegt. Für die weiter unten gezeigten Meßergebnisse wurde
eine Wellenlänge von 870 nm gewählt. Eine nicht
dargestellte in das kompakte Halbleiterlaserbauelement
integrierte Monitordiode erlaubt mit Hilfe eines
elektronischen Regelkreises (3) die Steuerung und
Stabilisierung der Laserleistung, so daß eine
Temperaturstabilisierung der Laserdiode nicht nötig ist.
Eine Schwankung der Laserleistung ist im übrigen für das
erfindungsgemäße Meßverfahren ohne Bedeutung, so daß die
Regelung ausschließlich dem Schutz der Laserdiode dient.
Der die Kollimatoroptik verlassende Laserstrahl hat einen
kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 5 mm
und wird durch die in Fig. 1 gezeigte Blende (6) in zwei
parallele Teilstrahlen zerlegt. Die Blende weist zwei
quadratische Öffnungen auf, die jeweils eine Kantenlänge
von 1 mm besitzen. Die Mittelpunkte der Öffnungen liegen
4 mm auseinander. Dieser Abstand ist möglichst groß
gewählt worden. Er ist durch die Abmessungen des
Laserstrahldurchmessers begrenzt. Bei Verwendung eines
Gaslasers werden für die Erzeugung der Teilstrahlen
zusätzliche optische Elemente benötigt. Diese erübrigen
sich beispielsweise bei Halogenlichtquellen.
Die Empfangseinheit der Meßvorrichtung weist ein
großflächiges Si-Fotoelement (7) mit den Abmessungen 20 mm ×9 mm
auf. Der Kurzschlußstrom eines Fotoelements ist
eine lineare Funktion der Beleuchtungsintensität und ist
ebenfalls proportional zur bestrahlten Fläche. Vom
Fotoelement wird also die Summenintensität der beiden
Laserteilstrahlen in einen hierzu proportionalen
Kurzschlußstrom umgesetzt, der durch eine Vorverstärker
stufe (8) in eine Meßspannung gewandelt wird.
Treten Streuzentren z.B. Streuteilchen durch die beiden
Teilstrahlen (1, 2), so ist deren Laufzeit über den
Teilstrahlabstand u.a. als Information im Meßsignal
enthalten. In Fig. 1 sind die Geschwindigkeit der Teilchen
und deren Strömungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungs
richtung der Parallelstrahlen ebenfalls angedeutet.
Eine zweite Verstärkerstufe (9) enthält einen Hochpaß,
einen Tiefpaß und ein Sperrfilter der Güte 17 und
reduziert das Meßsignalspektrum jeweils auf den für die
Auswertung benötigten Frequenzbereich. Das Sperrfilter ist
auf die Frequenz von 50 Hz abgestimmt, so daß das
Meßsignal von Störeinflüssen weitgehenst befreit ist. Der
Nachverstärker kann wahlweise mit einer konstanten
Verstärkung oder mit einer AGC-Schaltung betrieben werden
(automatic gain control). Der Vorteil der AGC-Schaltung
liegt in der auch bei länger andauernden Messungen unter
wechselnden Meßbedingungen sich automatisch einstellenden
optimalen Meßbereichsauflösung. Die Verstärkerausgangs
spannungen werden durch einen Analog/Digitalwandler (10)
digitalisiert und über eine schnelle Datenübertragung
einem Rechner (11) bzw. einem Mikroprozessor mit Anzeige
einheit übergeben.
Die Anforderungen an den Rechner bzw. Mikroprozessor bzgl.
der zu verarbeitenden Datenmenge und der Abtastrate
hierfür werden durch die jeweils zu messenden
Strömungsgeschwindigkeiten vorgegeben. Beispielsweise soll
bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 m/s die
Mindestabtastfrequenz, die proportional zur maximal
auftretenden Geschwindigkeit ist, nicht kleiner als 2 kHz
bei den oben gewählten Abmessungen sein. Da jedoch nur das
Meßsignal eines einzigen Fotoelements auszuwerten ist, ist
auch bei Off-line Auswertungen der Meßzeitbereich durch
die zu verarbeitende Datenmenge nicht zu stark
eingeschränkt. Reicht die Speicherkapazität dennoch nicht
aus, so kann entsprechend zwischengespeichert werden bzw.
eine On-line Auswertung durchgeführt werden. Für
Labormessungen kann auf die Nachverstärkung meist
verzichtet werden, während z.B. insbesondere bei langen
Übertragungsleitungen zwischen Vorverstärker und Rechner,
wie sie in Produktionsbetrieben häufig vorkommen,
auftretende Störeinflüsse mit Hilfe des Nachverstärkers
möglichst zu eliminieren sind.
Das in der hier gezeigten Vorrichtung angewandte
Durchstrahlmeßverfahren, bei dem die durch Streuung im
Meßvolumen modifizierten Strahlen im Anschluß an das
Meßvolumen erfaßt werden, ergeben sich mit dem Fotoelement
bereits ohne Nachverstärkungsmaßnahmen auswertbare
Summensignale. Beim Auftreten von Mehrfachstreuung und bei
Anwesenheit von optisch transparenten Teilchen in der
Strömung (z.B. Wassertropfen) wird vorzugsweise eine
weitere Blende mit zwei Durchtrittskanälen vor dem
Fotoelement angeordnet, die eine Winkelselektion bewirkt.
Die im Meßsignal enthaltene Information der Laufzeit von
Streuzentren durch die Laserteilstrahlen (1) und (2) wird
durch eine Berechnung der Autokorrelationsfunktion mit
anschließender Aufbereitung ermittelt. Die vom Fotoelement
(7) erfaßte Gesamtlichtintensität I ergibt sich für den
Kurzschlußbetrieb des Fotoelements zu
mit
i: Intensitätsdichte
r: Ortskoordinate
t: Zeit
A: Fotoelementfläche.
i: Intensitätsdichte
r: Ortskoordinate
t: Zeit
A: Fotoelementfläche.
Für die in Fig. 1 gezeigte Anordnung ergibt sich damit:
I(t) = I₁(t) + I₂(t) (2)
wobei I 1,2 der Intensität des Laserteilstrahls (1) bzw. (2)
entspricht. Die Autokorrelationsfunktion der Intensität I₁
bzw. die Kreuzkorrelationsfunktion aus den Intensitäten I₁
und I₂ seien durch
definiert, wobei unter I 1 und I 2 nunmehr der gleichan
teilsfreie Signalanteil verstanden wird und T den Be
obachtungszeitraum, a den Teilstrahlabstand und τ eine
Zeitverschiebung angeben. Der Einfachheit halber werden
dennoch die gleichen Symbole beibehalten.
Für eine beliebige, jedoch eingefrorene Streuteilchenver
teilung, die sich durch die Teilstrahlen bewegt, läßt sich
die Autokorrelationsfunktion C der durch das Photoelement
gemessenen Gesamtintensität wie folgt berechnen. Dabei
wird mit τ ′=a/v die Laufzeit bezeichnet; v kennzeichnet
die Teilchengeschwindigkeit. Es gilt für diesen Sonderfall:
Mit Gleichung (2) und (3) erhält man:
Sind die Korrelationsfunktionen C 11 (τ) und C 12 (t ′, τ) bzgl. τ
so schmalbandig, daß ihre Funktionsverläufe in einem
C-τ Diagramm nicht überlappen, so folgt für die auf
C( t, τ= 0) normierte Autokorrelationsfunktion
Aus der Gleichung (8) läßt sich der prinzipielle Verlauf
von K (τ ′, τ) unmittelbar ablesen: K (τ ′, τ) besitzt bei τ = 0
ein absolutes Maximum der Höhe 1, ist symmetrisch bzgl.
τ = 0 und besitzt zwei Nebenmaxima der Höhe 0,5 bei τ = τ ′
und τ = -τ ′. Die Lage eines dieser Nebenmaxima ist zu
bestimmen, so daß über die Beziehung
die Strömungsgeschwindigkeit angegeben werden kann.
Da in der Realität keine unendlichen Meßzeiten zur
Verfügung stehen und der Beobachter bei instationären
Strömungsvorgängen einen zeitlich aufgelösten
Geschwindigkeitsverlauf ermitteln möchte, wird eine
Kurzzeitkorrelationsfunktion definiert. An Stelle der
Gleichung (6) erhält man
Die Gleichungen (3) und (4) ändern sich analog. Die
Korrelationsfunktionen sind nun nicht mehr nur von der
Zeitverschiebung τ, sondern auch vom Beobachtungszeitpunkt
t c und dem Beobachtungszeitraum 2T abhängig.
Es ergeben sich die im folgenden erläuterten Ergebnisse
für die auf der Grundlage der obigen Überlegungen mit Hilfe
der in Fig. 1 skizzierten Vorrichtung durchgeführten und
ausgewerteten Messungen.
Die Fig. 2A zeigt den gemessenen zeitlichen Verlauf des
Fotoelementsignals zu einem Zeitpunkt, zu dem ein
einzelnes Streuteilchen die Laserteilstrahlen durchquert.
Das Streuteilchen besitzt in Strömungsrichtung eine
Abmessung <3 mm, da in Fig. 2A deutlich zu sehen ist, daß
der Teilcheneintritt in den Teilstrahl 2 erst stattfindet,
nachdem das Streuteilchen den Strahl 1 verlassen hat. Die
vom Rechner bestimmte normierte Autokorrelationsfunktion
(AKF) K( t′, τ) ist in Fig. 2B dargestellt. Die Kurve
entspricht in etwa dem vorher für einen Sonderfall
abgeschätzten AKF-Verlauf, da die für den besprochenen
Spezialfall getroffenen Voraussetzungen von kleinen
Streuteilchen bzw. Streuzentren mit genügend großer
Ausbreitungsgeschwindigkeit ausreichend erfüllt werden. Um
die bereits in Fig. 2B ablesbare Lage des Nebenmaximums
deutlicher hervorzuheben, werden die Daten der normierten
AKF durch entsprechende Software aufbereitet. Die
normierte AKF wird zweimal nach der Zeitverschiebung τ
differenziert und invertiert. Danach werden die nicht
interessierenden negativen Anteile und die des
Hauptmaximums bei der Zeitverschiebung Null entfernt.
Somit ist die weitere Ermittlung der Laufzeit τ′ auf eine
einfache Maximumbestimmung reduziert. Die Fig. 2C gibt die
in besonderer Weise aufbereiteten Daten wieder. Die
Laufzeit des Streuteilchens ist der Funktion mit
ungefähr 3 ms zu entnehmen. Dies entspricht nach Gleichung
(9) mit dem vorliegenden a-Wert einer Geschwindigkeit von
etwa 1,3 m/s.
Messungen mit einem Streuteilchen, dessen Abmessungen
größer als 3 mm sind, zeigt die Folge der Fig. 3A bis
3C. Das Teilchen schattet nacheinander beide Teilstrahlen
vom Fotoelement ab, so daß die gemessene Gesamtintensität
auf Null sinkt. Dies hat zur Folge, daß die berechneten
Korrelationfunktionen der Teilstrahlintensitäten, siehe
Gleichung (3) und (4), in Fig. 3B überlappen. Ausgeprägte
Nebenmaxima sind der gezeigten Autokorrelationsfunktion
nicht mehr zu entnehmen. Das gleiche wie das anhand der
Fig. 2A bis 2C erläuterte Datenaufbereitungsverfahren
liefert jedoch auch für diesen Fall deutlich die Laufzeit
des Teilchens, siehe Fig. 3C. Die Tatsache, daß die
Laufzeit fast identisch mit der des zuvor erläuterten
Falles ist, ist zufällig.
Bei der dritten dargestellten Messung werden Bedingungen,
wie sie z.B. bei der Druckluftförderung von Teilchen
vorkommen, simuliert, indem aus etwa 22 cm Höhe frei
fallende Sandkörner das Meßvolumen auf einer Breite von
20 cm durchqueren. Das Meßsignal (Fig. 4A) zeigt starke
Schwankungen aufgrund der großen Teilchenzahl, die die
Laserteilstrahlen durchqueren. Für ein kleines Zeitfenster
aus den dargestellten Meßdaten zeigen die normierte AKF
und die aufbereitete normierte AKF auch für diese
Vielteilchenmessung deutlich die charakteristische
Zeitverschiebung (Laufzeit), die im Meßsignal enthalten
ist (Fig. 4B+4C). Läßt man dieses Zeitfenster über die
gesamte Meßzeit gleiten, kann ein zeitabhängiger
Geschwindigkeitsverlauf, wie in Fig. 5 dargestellt,
angegeben werden. Es ist der Figur zu entnehmen, daß die
Geschwindigkeit der Sandkörner am Meßort um den Mittelwert
von 2,12 m/s mit zufriedenstellender Auflösung schwankt.
Alle Messungen sind, wie es Fig. 1 zeigt, jeweils im
Durchstrahlverfahren aufgenommen worden. Je nach Meßobjekt
und Meßbedingungen kann jedoch auch der Reflexionsanteil
des Streulichts unter einem geeigneten Winkel ausgenutzt
werden, wie bereits weiter oben erwähnt wurde.
Neben der Anwendung von Geschwindigkeitsmessungen von Gasen
und Flüssigkeiten, in Strömungskanälen aller Art und Mehr
phasen- und Partikelströmungen eignen sich das erfindungs
gemäße Verfahrung und die Vorrichtung auch zur Überwachung
und Steuerung von Transportvorgängen (Fertigungsstraßen,
Fließbänder) in der Industrie.
Claims (13)
1. Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit einer
Strömung, in welchem Strahlung im sichtbaren oder infra
roten Bereich nach Durchtritt oder Reflexion durch die
Streuzentren enthaltende Strömung mit einer optoelektro
nischen Empfangseinheit gemessen wird und die von der
Empfangseinheit gelieferten Meßsignale unter Anwendung
eines Korrelationsverfahrens zur Gewinnung der Laufzeit
der Streuzentren durch die Strahlung ausgewertet
werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strahlung in ein paralleles Strahlenbündel um
gesetzt wird, das daraufhin vor Durchtritt oder Reflexion
durch die Strömung in zwei parallele Teilstrahlen zerlegt
wird, daß mit der optoelektronischen Empfangseinheit
jeweils die Summenintensität beider Teilstrahlen gemessen
wird und daß von dem gemessenen Summensignal die Auto
korrelationsfunktion gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Autokorrelationsfunktion des Meßsignals zweimal
nach der Zeit differenziert wird und daß nach Invertieren
der Funktion und nach Eliminieren des Hauptmaximums bei
der Zeitverschiebung Null die Lage des daraufhin vor
liegenden, neuen Hauptmaximums bestimmt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strahlung eines Halbleiterlasers verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das gemessene Summensignal vorverstärkt und wahlweise
mit gleichzeitiger Filterung bei fester Verstärkung oder
automatisch geregelter Verstärkung vor der Digitalisierung
nachverstärkt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die nichtparallelen Anteile der Strahlung unmittel
bar vor der Empfangseinheit ausgeblendet werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Summenintensität mit einem im Kurzschluß be
triebenen Fotoelement gemessen wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An
spruch 1 mit einer Strahlung im sichtbaren oder infra
roten Bereich aussendenden Strahlungsquelle, einer opto
elektronischen Empfangseinheit und einer eine Korrela
tionsfunktion der von der Empfangseinheit gelieferten
Meßsignale bildenden Auswerteeinheit,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung im Anschluß an die Strahlungsquelle
(4) eine Kollimatoroptik (5) aufweist, der eine Doppel
lochblende (6) nachgeschaltet ist, die die durchtretende
Strahlung in zwei parallele Teilstrahlen zerlegt, daß
die optoelektronische Empfangseinheit (7, 8, 9) dazu
ausgelegt ist, die Summenintensität der Teilstrahlen nach
Durchtritt oder Reflexion durch die Strömung zu messen,
und daß die Auswerteeinheit (9, 10, 11) die Autokorrela
tionsfunktion des Meßsignals bildet und aus dieser die
Laufzeit der Streuzentren in der Strömung über die Teil
strahldistanz ermittelt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtquelle (4) ein Halbleiterlaser ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Empfangseinheit ein beide Teilstrahlen erfassendes
Fotoelement (7) aufweist, dessen Kurzschlußstrom gemessen
wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Empfangseinheit einen Vorverstärker (8) und eine
wahlweise nachzuschaltende Filtereinheit (9) mit Haupt
verstärker und/oder automatischer Verstärkungsregelung
(AGC) aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteeinheit einen Analog/Digitalwandler (10)
und einen Mikroprozessor mit Anzeigeeinheit oder Rechner
(11) autweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einrichtung (3) zur Intensitätsregelung der
Halbleiterlaserstrahlung vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Ausblendung nichtparalleler Strahlungsanteile
eine weitere, der Empfangseinheit (7, 8, 9) vorgeschaltete
dickere Blende mit zwei Durchtrittskanälen vorgesehen ist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19883827913 DE3827913A1 (de) | 1988-08-17 | 1988-08-17 | Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der geschwindigkeit einer stroemung |
PCT/EP1989/000913 WO1990002099A1 (de) | 1988-08-17 | 1989-08-16 | Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der geschwindigkeit einer strömung |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883827913 DE3827913A1 (de) | 1988-08-17 | 1988-08-17 | Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der geschwindigkeit einer stroemung |
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DE3827913A1 true DE3827913A1 (de) | 1990-02-22 |
DE3827913C2 DE3827913C2 (de) | 1990-05-23 |
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DE (1) | DE3827913A1 (de) |
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