DE4130526C2 - Laser-Flugzeit-Anemometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Laser-Flugzeit-Anemometer zur quasipunktförmigen Ermittlung von Strömungskenngrößen in optisch transparenten Medien durch Messung der Flugzeit einzelner, in der Strömung enthaltener optisch erfaßbarer Teilchen, mit mindestens zwei Strahlengängen, die zur Erzeugung nebeneinanderliegender Fokussierungsstellen bekannten Abstandes dienen, und mit mindestens einem Photoempfänger, der die Streulichtimpulse bei Durchgang von Partikeln durch die Fokussierungsstellen detektiert und als Start- bzw. Stoppsignale für die Flugzeitmessung bereitstellt.

Ein derartiges Laser-Flugzeit-Anemometer ist aus der DE 24 49 358 B2 bekannt. Es besitzt zur quasipunktförmigen Ermittlung von Strömungskenngrößen in optisch transparenten Medien zwei parallele Beleuchtungsstrahlengänge, die am Meßort zwei Fokussierungsstellen mit sehr geringem Durchmesser aufweisen. Tritt ein in der Strömung enthaltenes optisch erfaßbares Teilchen nacheinander durch beide Fokussierungsstellen, entsteht jeweils Streulicht, welches durch eine Empfangsoptik aufgenommen und durch Photoempfänger in elektrische Impulse gewandelt wird. Der zeitliche Abstand der aufgenommenen Streulichtimpulse ist die Flugzeit des Partikels, die durch eine Zeitmeßeinrichtung bestimmt wird. Aus der Flugzeit kann mit Hilfe des bekannten Abstandes der Fokussierungsstellen die Geschwindigkeit des Teilchens und damit die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums berechnet werden. Da nur bei einer laminaren Strömung, deren Strömungsrichtung mit der Verbin­ dungslinie der Fokussierungsstellen übereinstimmt, jedes Teilchen sowohl einen Start- als auch einen Stoppimpuls liefert, ist bei turbulenten Strömungen eine statistische Auswertung der Flugzeitwerte notwendig. Zur Aufnahme von Flugzeitstatistiken eignen sich Zeit-Pulshöhenwandler in Verbindung mit Mehrkanalanalysatoren, wie aus der DE 24 49 358 B2 bekannt ist.

Ist die Hauptströmungsrichtung am Meßort unbekannt, ist es erforderlich, eine schrittweise Drehung der Beleuchtungsstrahlen vorzugsweise um die Längsachse eines der beiden Beleuchtungsstrahlen vorzunehmen und bei jeder Winkelstellung eine Flugzeitstatistik aufzunehmen. Zur Auswertung der zweidimensionalen Häufigkeitsverteilung über der Flugzeit und dem Meßwinkel sind aus der Zeitschrift Feinwerktechnik & Meßtechnik, 90. Jahrgang, 1982, Heft 2, S. 65-69 statistische Verfahren bekannt, die sich, wie in der Zeitschrift Messen Steuern Regeln msr, 31. Jahrgang, 1988, Heft 7, S. 304-311 erläutert, hinsichtlich der erreichbaren Genauigkeit und Auswertezeit erheblich unterscheiden.

Zur Drehung der Beleuchtungsstrahlen um die optische Achse können entweder das gesamte Meßsystem oder einzelne optische Komponenten der Beleuchtungs- und Empfangsoptik gedreht werden. So wird bei dem aus der DE 24 49 358 B2 bekannten Laser-Flugzeit-Anemometer der Strahlteiler zur Erzeugung der beiden Beleuchtungsstrahlengänge und eine Zweilochblende in der Empfangsoptik synchron gedreht. Das aus der DE 28 45 592 C2 bekannte Laser-Flugzeit-Anemometer besitzt sowohl in der Beleuchtungs- als auch in der Empfangsoptik doppelbrechende Elemente, die zur Drehung der Beleuchtungsstrahlen im Meßort in einem konstanten Verhältnis zueinander zu verdrehen sind. Wie aus der schematischen Darstellung eines Laser-Flugzeit-Anemometers in der Zeitschrift Technisches Messen tm, 52. Jahrgang, 1985, Heft 6, S. 253-263 ersichtlich, wird das Streulicht im allgemeinen in Rückwärtsrichtung konzentrisch um die Beleuchtungsstrahlengänge gesammelt. Bei dem aus der DE 27 39 676 A1 bekannten Laser-Flugzeit-Anemometer wird deshalb zur Drehung der Beleuchtungsstrahlengänge am Meßort eine Bilddrehvorrichtung eingesetzt, die auf die Beleuchtungsstrahlengänge und die Empfangsstrahlengänge gleichermaßen wirkt.

Alle bekannten Laser-Flugzeit-Anemometer besitzen aber den Nachteil, daß das von den Partikeln bei Durchgang durch eine Fokussierungsstelle in den gesamten Raumwinkel gestreute Licht nur zu einem geringen Teil durch die Empfangsoptik aufgenommen wird.

Da in den zu untersuchenden Medien oftmals nur sehr kleine Teilchen enthalten sind, die nur wenig Streulicht erzeugen, ist es deshalb erforderlich, sehr hohe Lichtintensitäten in den Fokus­ sierungsstellen zu erzeugen. Da andererseits die Fokussier­ barkeit von Laserlicht begrenzt ist, müssen hohe Laserlei­ stungen bereitgestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laser-Flugzeit-Anemometer der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß die Lichtintensität in den Fokussierungs­ stellen zur Detektion von kleinen Partikeln verringert werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Laser-Laufzeit-Anemometer der eingangs erwähnten Art dadurch ge­ löst, daß die bei Durchgang eines Teilchens durch eine Fokussierungsstelle infolge von Lichtstreuung auftretende Leistungsminderung in einem der beiden Strahlengänge mit Hilfe von mindestens einem Photoempfänger, auf den beide Strahlengänge hinter den Fokussierungsstellen geleitet wer­ den, detektiert wird.

Es ist möglich, beide Beleuchtungs­ strahlen mit einem, ausreichend großflächigen Photoempfänger auszuwerten oder jeden Beleuchtungsstrahl durch eine geeigne­ te optische Anordnung auf jeweils einen Photoempfänger zu leiten. Die letztgenannte Möglichkeit hat den Vorteil, daß die Leistungsminderung im Verhältnis zur Gleichleistung, die auf den Photoempfänger gelangt, stärker ist als bei Detektion der Leistungsminderung in beiden Strahlen mit nur einem Photoempfänger.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, daß die Lei­ stungsminderung in einem Strahlengang in Folge von Licht­ streuung in den gesamten Raumwinkelbereich bei Durchgang eines Partikels durch eine Fokussierungsstelle die Streu­ lichtleistung, die durch eine Empfangsoptik aufgenommen werden kann, um ein vielfaches übersteigt. Da insbesondere kleine Teilchen näherungsweise in alle Richtun­ gen gleichmäßig Licht streuen, ist das Verhältnis zwischen dem Empfangsraumwinkel einer herkömmlichen Empfangsoptik und dem gesamten Raumwinkel ein Anhaltspunkt für die Erhöhung der auswertbaren Lichtleistung bei der erfindungsgemäß zur Detek­ tion ausgewerteten Leistungsminderung in einem Strahlengang bei Durchgang eines Teilchens. Der Empfangsraumwinkel einer Empfangsoptik ist auch bei sehr grobem Öffnungsverhältnis des Empfangsobjektivs (Öffnungsverhältnis 1:1,4) um den Faktor 35 kleiner als der gesamte Raumwinkel, wobei der Faktor auf Grund der konstruktiven Gegebenheiten der meisten Meßobjekte, wie mögliche Fenstergrößen meist noch größer ist. Durch die Detektion der Leistungsminderung in den Strahlengängen kann somit die notwendige Laserleistung erheblich verringert werden.

Die Leistungsminderung in einem Strahlengang bei Durchgang eines Teilchens wird mit wachsendem Verhältnis zwischen Teilchendurchmesser und Strahldurchmesser stärker. Da ande­ rerseits die Beleuchtungsstrahlen vor den Fokussierungsstel­ len stark konvergieren bzw. nach den Fokussierungsstellen stark divergieren, wird die Detektion von Teilchen auf die Fokussierungsstellen räumlich begrenzt.

Da die Lichtleistung, welche auf die Photoempfänger fällt, in der Größenordnung der eingesetzten Laserleistung liegt, können Photodioden (PIN-Dioden) als Detektoren angewendet werden. Diese sind wesentlich einfacher zu handhaben als Photomultiplier und Avalanche-Photodioden, die zur Detektion der kleinen Streulichtleistungen, die bei herkömmlichen Laser-Flugzeit-Anemometern auftreten, erforderlich sind. Da nur der Beleuchtungsstrahlengang durch die zu untersuchende Strömung geschickt werden muß, können für die Messung notwen­ dige Fenster klein gehalten werden.

Ist es notwendig, die Strömungsrichtung zu erkennen, müssen die Start- und Stoppsignale den einzelnen Fokussierungsstellen zugeordnet werden und die gemessenen Flugzeitwerte stati­ stisch ausgewertet werden. Das wird vorteilhafterweise dadurch erreicht, daß die bei Durchgang eines Teilchens durch eine Fokussierungsstelle infolge von Lichtstreuung auftre­ tende Leistungsminderung im zugehörigen Strahlengang durch jeweils einen Photoempfänger, auf den jeweils ein Beleuch­ tungsstrahlengang geleitet wird, detektiert wird. Eine Lei­ stungsminderung in dem einen Strahlengang wird als Startim­ puls verwendet, während eine Leistungsminderung im anderen Strahlengang als Stoppimpuls dient. Ist die Zuordnung von Start- und Stoppimpulsen mit der tatsächlichen Strömungsrich­ tung identisch, liefert der Flugzeitmesser die Flugzeit des Partikels. Anderenfalls stammen Start- und Stoppimpuls von unterschiedlichen Teilchen, so daß der Flugzeitmesser einen zufälligen, falschen Flugzeitwert liefert.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemä­ ßen Laser-Flugzeit-Anemometers mit einer Photodiode und Flugzeitmeßeinrichtung

Fig. 2 eine Einrichtung gemäß Fig. 1 mit 2 Photodioden zur Richtungserkennung der Strömung.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Laserdiodenstrahl der Laserdiode 1 durch ein Mikroskopobjek­ tiv 2 kollimiert. Mit Hilfe des Wollastonprismas 3 wird der Laserdiodenstrahl in zwei Strahlengänge 4, 5, die einen klei­ nen Winkel einschließen, aufgespalten. Die Beleuchtungslinse 6 erzeugt am Meßort zwei Fokussierungsstellen 7, 8 mit gerin­ gem Durchmesser und bekanntem Abstand. Die beiden Strahlen­ gänge 4, 5 werden hinter den Fokussierungsstellen 7, 8 mit Hilfe der Empfangslinse 9 auf eine Photodiode 10 mit genügend grober aktiver Fläche geleitet. Tritt ein Partikel durch die Fokussierungsstelle 7 bzw. 8, wird Licht aus dem Strahlengang 4 bzw. 5 gestreut, so daß auf der Photodiode 10 eine Lei­ stungsminderung zu verzeichnen ist. Die dadurch auftretende Verringerung des Photostroms kann nach Hochpaßfilterung und Verstärkung 11 durch den Signaldiskriminator 12 in Start- bzw. Stoppimpulse für die Flugzeitmesser 13 gewandelt werden. Liegt der Strömungsvektor in der von den Strahlengängen 4, 5 aufgespannten Ebene, wird ein Partikel nacheinander sowohl durch die Fokussierungsstelle 7 als auch 8 gelangen und zunächst einen Start- und dann einen Stoppimpuls erzeugen. Die Zeitdauer, die bis zum nächsten Durchtritt eines anderen Teilchens durch eine Fokussierungsstelle verstreicht, ist im statistischen Mittel auf Grund der im allgemeinen sehr geringen Streuteilchenkonzentration in den zu untersuchenden Strömun­ gen viel größer als die Flugzeit eines Teilchens zwischen den Fokussierungsstellen 7, 8. Dieser Sachverhalt kann dazu ausgenutzt werden, den Flugzeitmesser 13 nach Verstreichen einer Zeit, die der minimal zu erwartenden Strömungsgeschwin­ digkeit am Meßort entspricht, zurückzusetzen, so daß ein danach vom Signaldiskriminator 12 gelieferter Impuls einen Startimpuls darstellt.

Der zeitliche Abstand von Start- und Stoppimpuls wird durch den Flugzeitmesser 13 bestimmt und der Flugzeitwert einem Rechner 14 übergeben.

Bei turbulenten Strömungen können auch unterschiedliche Teilchen aufeinanderfolgende Start- bzw. Stoppimpulse auslö­ sen, so daß eine statistische Auswertung der Flugzeitwerte zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit durch einen Rechner 14 erforderlich ist.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel besitzt zur Detektion der Leistungsminderung im Strahlengang 4 die Photo­ diode 10, den Hochpaß und Verstärker 11 sowie den Signaldis­ kriminator 12. Zur Detektion der Leistungsminderung im Strah­ lengang 5 dient die Photodiode 15, der Hochpaß und Verstärker 16 sowie der Signaldiskriminator 17. Die aktiven Flächen der Photodioden 10, 15 werden in der Bildebene der von der Emp­ fangslinse 9 abgebildeten Fokussierungsstellen 7, 8 angeord­ net. Zweckmäßigerweise wird eine Doppeldiode mit zwei dicht nebeneinander liegenden aktiven Flächen verwendet.

Die Ausgangsimpulse der Signaldiskriminatoren 12, 17 werden über den Umschalter 18 dem Start- und Stoppeingang des Flug­ zeitmessers 13 fest zugeordnet. Stimmt die Strömungsrichtung mit der vorgegebenen Start-Stoppreihenfolge überein, liefert die statistische Auswertung der Flugzeitwerte eine Häufung bei dem Flugzeitwert, der der mittleren Strömungsgeschwindig­ keit entspricht. Im anderen Fall stammen die auf einen Start­ impuls folgenden Stoppimpulse stets von einem anderen Teil­ chen und die gemessenen Flugzeitwerte sind näherungsweise statistisch gleichverteilt. Somit ist es möglich, nach stati­ stischer Auswertung von zwei Ensembles von Teilchen, die jeweils bei unterschiedlich angenommener Startfokussierungsstelle, das heißt, die bei unterschiedlichen Stellungen des Umschalters 18 aufgenommen wurden, auf die Strömungsrichtung zu schließen.

Claims (2)

1. Laser-Flugzeit-Anemometer zur quasipunktförmigen Ermittlung von Strömungskenngrößen in optisch transparenten Medien durch Messung der Flugzeit einzelner, in der Strömung enthaltener optisch erfaßbarer Teilchen, bei welchem mindestens zwei Strahlengänge zur Beleuchtung von nebeneinanderliegenden Fokussierungsstellen bekannten Abstandes, die mit Licht einer ausreichend fokussierbaren Strahlungsquelle beleuchtet werden, und mindestens ein Photoempfänger, der zur Detektion von Start- und Stoppsignalen dient, vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlengänge (4, 5) zur Beleuchtung der Fokussierungsstellen (7, 8) hinter den Fokussierungsstellen (7, 8) auf mindestens einen Photoempfänger (10, 15) geleitet werden, so daß die bei Durchgang eines Teilchens durch eine Fokussierungsstelle (7, 8) auftretende Leistungsminderung in dem zugehörigen Strahlengang (4, 5) detektiert wird.

2. Laser-Flugzeit-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlengänge (4, 5) zur Beleuchtung der Fokussierungsstellen (7, 8) hinter den Fokussierungsstellen (7, 8) auf jeweils einen Photoempfänger (10, 15) geleitet werden.