DD262920A1 - DEVICE FOR DETERMINING THE SPATIAL SPEED OF MOVING PARTICLES, PARTICULARLY IN MULTIPLE PHASE FLOWS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der raeumlichen Geschwindigkeit von bewegten Teilchen, insbesondere in Mehrphasenstroemungen, wobei sich die Teilchen nahe einer Lichtquelle zugeordneten Beleuchtungslichtleitfasern und einem faseroptischen Ortsfrequenzfilter befinden, welches aus gitterartig angeordneten Lichtempfaengerfasern besteht und einer optoelektronischen Wandleranordnung zugeordnet ist, die ueber Verstaerker auf einen Frequenzanalysator geschaltet ist. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar zur beruehrungslosen Ermittlung der raeumlichen Geschwindigkeitskomponenten von festen, fluessigen oder gasfoermigen Teilchen in stroemenden oder ruhenden Fluiden. Gemaess der Erfindung ist fuer jede Bewegungskoordinate der Teilchen ein faseroptisches Ortsfrequenzfilter eng benachbart vorgesehen, denen Beleuchtungslichtleitfasern zugeordnet sind und deren Gitterachsen parallel zu den Koordinaten verlaufen, wobei jedes Ortsfrequenzfilter ueber je eine optoelektronische Wandleranordnung und Verstaerker auf einen mehrkanaligen Frequenzanalysator gefuehrt ist.The invention relates to a device for determining the spatial velocity of moving particles, in particular in Mehrphasenstroemungen, wherein the particles are located near a light source associated Lichtlichtleitleitfasern and a fiber optic spatial frequency filter, which consists of lattice-like light receiving fibers and is associated with an optoelectronic transducer assembly, which on Verstaerker on a frequency analyzer is connected. The invention is particularly applicable to the non-contact determination of the spatial velocity components of solid, liquid or gaseous particles in flowing or quiescent fluids. According to the invention, a fiber-optic spatial frequency filter is closely adjacent for each movement coordinate of the particles associated lighting optical fibers and their grid axes parallel to the coordinates, each spatial frequency filter is guided via a respective optoelectronic transducer array and amplifier on a multi-channel frequency analyzer.
Description
Es ist bekannt, bei der berührungslosen Geschwindigkeitsmessung das Ortsfiiterverfahren anzuwenden, wobei die örtliche Filterwirkung gitterartiger Strukturen zur gezielten Umsetzung der Teilchengeschwindigkeit in ein schmalbandiges Signal ausgenutzt wird. Beim faseroptischen Ortsfilter besteht das optische System im wesentlichen aus einer gitterförmigen Lichtleitfaseranordnung, der das Licht auf geeignete Weise zugeführt wird.It is known to use the Ortsfiiterverfahren in non-contact speed measurement, wherein the local filter effect of lattice-like structures for the targeted implementation of the particle velocity is utilized in a narrow-band signal. In the fiber optic spatial filter, the optical system consists essentially of a latticed optical fiber array to which the light is suitably supplied.
Gemäß DD-PS 142606 und Freiberger Forschungsheft A661 „Neuere Meßergebnisse und theoretische Betrachtungen zur feststcffbeladenen Glasströmung in vertikalen Rohrleitungen", Leipzig 1983, S.46-55, besteht eine entsprechende Vorrichtung zur Geschwindigkeitsermittlung von Teilchen aus einem faseroptischen Ortsfrequenzfilter ohne Abbildungsoptik dergestalt, daß flexible Lichtleitfasern als Lichtempfängerfasern stirnseitig in der optischen Wirkungsfläche einer Meßflanke münden. Die Mündungsflächen sind längs einer Linie, der Gitterachse, in äquidistantem Abstand angeordnet, so daß die erwähnte gitterartige Struktur entsteht. Diese sei als Einfachgitter bezeichnet. Die anderen Enden der Lichtempfängerfasern sind auf eine optoelektronische Wandleranordnung geführt, welche über einen Verstärker auf einen Frequenzanalysator geschaltet ist. Die Beleuchtung der Teilchen, deren Geschwindigkeit ermittelt werden soll, erfolgt durch einer Lichtquelle zugeordnete Beleuchtungslichtleitfasern. Beim Absorptionsverfahren münden diese gegenüber der optischen Wirkungsfläche der Meßflanke, welche das faseroptische Ortsfrequenzfilter enthält, so daß sich die Teilchen zwischen Beleuchtungslichtleitfasern und Ortsfrequenzfilter befinden. Das heißt, das durch die Teilchen absorbierte Licht wird zur Messung verwendet. Dagegen münden beim Reflexionsverfahren die Beleuchtungslichtleitfasern gleichfalls in der optischen Wirkungsfläche der Meßflanke, so daß das von den Teilchen reflektierte Licht zur Messung verwendet wird.According to DD-PS 142606 and Freiberger Research Bulletin A661 "Newer measurement results and theoretical considerations to feststcffbeladenen glass flow in vertical pipes", Leipzig 1983, pp. 46-55, there is a corresponding device for speed determination of particles from a fiber optic spatial frequency filter without imaging optics such that flexible The muzzle surfaces are arranged along a line, the grating axis, at equidistant spacing, so that the aforementioned lattice-like structure is formed, which is referred to as a single lattice.The other ends of the light-receiving fibers are opto-electronic The illumination of the particles, the speed of which is to be determined, is effected by illumination light assigned to a light source In the absorption process, these open towards the optical surface of action of the measuring flank, which contains the fiber-optic spatial frequency filter, so that the particles are located between illuminating optical fibers and spatial frequency filters. That is, the light absorbed by the particles is used for measurement. On the other hand, in the reflection method, the illuminating optical fibers also open in the optical action surface of the measuring edge, so that the light reflected from the particles is used for measurement.
Bei dieser bekannten Vorrichtung ist es erforderlich, die Gitterachse des faseroptischen Ortsfrequenzfilters exakt mit der Bewegungsrichtung der Teilchen, deren Geschwindigkeit ermittelt werden soll, in Übereinstimmung zu bringen. Abweichungen führen zu einer Verringerung der Selektivität. Es ist also notwendig, die Bewegungsrichtung der Teilchen zu ermitteln und die optische Wirkungsfläche der Meßflanke der Vorrichtung in der Wirkungsfläche verdrehbar auszuführen. Sollten Geschwindigkeitskomponenten in einer Ebene ermittelt werden, so ist (sofern die Ebene parallel zur optischen Wirkungsfläche der Meßflanke verläuft) die Gitterachse des Ortsfrequenzfilters nacheinander in die jeweilige Bewegungsrichtung zu verdrehen und eine Messung durchzuführen. Da allerdings beiden Messungen auf Grund ihres zeitlichen Versatzes nicht das gemeinsame Meßvolumen zugrunde liegt, ist diese Methode grundsätzlich fehlerbehaftet.In this known device, it is necessary to match the grating axis of the fiber optic spatial frequency filter exactly with the direction of movement of the particles whose speed is to be determined. Deviations lead to a reduction in the selectivity. It is therefore necessary to determine the direction of movement of the particles and to make the optical action surface of the measuring flank of the device rotatable in the action surface. If velocity components in a plane are to be determined, then (if the plane runs parallel to the optical effective surface of the measuring flank), the grating axis of the spatial frequency filter is to be rotated successively in the respective direction of movement and a measurement is to be carried out. However, since both measurements are not based on the common measurement volume due to their time offset, this method is fundamentally error-prone.
Insbesondere ist die Anwendung dieser bekannten Vorrichtung problematisch bei Undefinierten, regellosen Teilchenbewegungen im Raum.In particular, the application of this known device is problematic in undefined, random particle movements in space.
Im Gegensatz zu den Einfachgittern gemäß den vorstehend benannten Quellen ist es nach DE-OS 2809 355 bereits bekannt, ein faseroptisches Ortsfrequenzfilter aus zwei Gruppen von Lichtempfängerfasern aufzubauen, wobei die Mündungsflächen längs der Gitterachse äquidistant so angeordnet sind, daß immer abwechselnd eine Faser der einen und eine der anderen Gruppe angehört. Diese Ortsfrequenzfilter seien als Differenzgitter bezeichnet. Sie gestatten eine höhere Selektivität und die Unterdrückung der niederfrequenten Signalanteile sowie die Oberwellen, so daß eine wesentliche Verbesserung der Signalgüte zu verzeichnen ist. Jedoch ist die exakte Ausrichtung der Gitterachse zur Bewegungsrichtung bzw. zu zwei Bewegungskomponenten der Teilchen mit obengenannten nachteiligen Folgen gleichfalls erforderlich. Räumliche Messungen sind nicht möglich.In contrast to the single gratings according to the above-mentioned sources, it is already known from DE-OS 2809 355 to construct a fiber optic spatial frequency filter from two groups of light receiver fibers, wherein the mouth surfaces are arranged equidistantly along the grid axis so that always alternately a fiber of one and one of the other group belongs. These spatial frequency filters are referred to as differential gratings. They allow a higher selectivity and the suppression of low-frequency signal components and the harmonics, so that a significant improvement in the signal quality is recorded. However, the exact alignment of the grating axis to the direction of movement or to two components of movement of the particles with the aforementioned adverse consequences is also required. Spatial measurements are not possible.
Gemäß DD-PS 243 119 ist weiterhin ein faseroptisches Differenzgitter bekannt, dessen Gitterelemente jeweils aus rechtwinklig zur Gitterachse angeordnete Lichtempfängerfaserbündeln besteht. Mit dieser Vorrichtung ist die Erfassung von Teilchenbewegungen mit einer bestimmten Neigung zur Gitterachse (in der Wirkungsfläche des faseroptischen Differenzgitters) möglich, wobei jedoch die Größe der Neigung von der Breite der Lichtempfängerfaserbündel abhängig ist. Jedoch ist bei dieser Vorrichtung gleichfalls nur die Erfassung der Bewegungskomponente in Richtung der Gitterachse möglich. Aus diesem Grunde muß auch bei dieser bekannten Vorrichtung die Gitterachse grundsätzlich in Richtung derTeilchenbewegung ausgerichtet sein; die Erfassung von zwei Geschwindigkeitskomponenten in einer Ebene (parallel zur optischen Wirkungsfläche) erfordert zwei Meßvorgänge bei verdrehter optischer Wirkungsfläche/Gitterachse. Die Geschwindigkeitsmessung räumlicher Teilchenbewegungen ist nicht möglich.According to DD-PS 243 119 a fiber optic differential grating is further known, the grating elements consists of each arranged at right angles to the grating axis light receiver fiber bundles. With this device, the detection of particle movements with a certain inclination to the grating axis (in the effective area of the fiber optic differential grating) is possible, but the size of the inclination depends on the width of the light receiver fiber bundles. However, in this device also only the detection of the movement component in the direction of the grating axis is possible. For this reason, also in this known device, the grating axis must always be aligned in the direction of the particle movement; the detection of two velocity components in one plane (parallel to the optical area of action) requires two measurements with twisted optical area of action / grid axis. The speed measurement of spatial particle movements is not possible.
Es ist Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der in einem einzigen und gleichzeitigen Meßvorgang alle Geschwindigkeitskomponenten insbesondere bei räumlicher Teilchenbewegung ermittelbar und dabei Meßfehler weitgehend vermieden sind.It is an object of the invention to provide a device with which in a single and simultaneous measurement all speed components in particular spatial spatial movement can be determined while measuring errors are largely avoided.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Ermittlung der räumlichen Geschwindigkeit von bewegten Teilchen, insbesondere in Mehrphasenströmungen, wobei sich die Teilchen zwischen oder neben einer Lichtquelle zugeordneten Beleuchtungslichtleitfasern und einem faseroptischen Ortsfrequenzfilter befinden, welches aus gitterartig längs einer Gitterachse angeordneten Lichtempfängerfasern besteht und einer optoelektronischen Wandleranordnung zugeordnet ist, die über Verstärker auf einen Frequenzanalysator geschaltet ist, zu schaffen, wobei dem Meßvorgang ein weitgehend gemeinsames Meßvolumen, welches die bewegten Teilchen enthält, zugrunde gelegt wird.The object of the invention is an apparatus for determining the spatial velocity of moving particles, in particular in multiphase flows, wherein the particles are located between or adjacent to a light source associated Lichtlichtlichtleitfasern and a fiber optic spatial frequency filter, which consists of grid-like along a grid axis arranged light receiving fibers and a Optoelectronic transducer assembly is associated, which is connected via amplifiers to a frequency analyzer to create, the measurement is based on a largely common measurement volume, which contains the moving particles.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß für jede Bewegungskoordinate der Teilchen ein faseroptisches Ortsfrequenzfilter vorgesehen ist, wobei die Ortsfrequenzfilter eng benachbart angeordnet und ihnen jeweils Beleuchtungslichtleitfasern zugeordnet sind sowie deren Gitterachsen parallel zu den Bewegungskoordinaten verlaufen, und jedes Ortsfrequenzfilter über jeweils eine optoelektronische Wandleranordnung und Verstärker auf einen mehrkanaligen Frequenzanalysator geführt ist.According to the invention, this object is achieved in that a fiber-optic spatial frequency filter is provided for each movement coordinate of the particles, wherein the spatial frequency filters are arranged closely adjacent and their respective Beleuchtungslichtleitfasern assigned and their grid axes parallel to the motion coordinates, and each spatial frequency filter via a respective optoelectronic transducer array and amplifier is guided on a multi-channel frequency analyzer.
Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei faseroptische Oitsfrequenzfiiter in einer gemeinsamen optischen Wirkungsfläche vereinigt sind und deren Gitterachsen in dieser Wirkungsfläche liegen, welche parallel zu zwei Bewegungskoordinaten der Teilchen verläuft.A particularly expedient embodiment is characterized in that two fiber-optic frequency fibers are combined in a common optical action surface and their grating axes lie in this action surface, which runs parallel to two movement coordinates of the particles.
Zwecks Ermittlung räumlicher Geschwindigkeitskomponenten ist es vorteilhaft, daß ein drittes faseroptisches Ortsfrequenzfilter, dessen Gitterachse der dritten Bewegungskoordinate der Teilchen parallel ist, in einer weiteren optischen Wirkungsfläche angeordnet ist, welche vorzugsweise rechtwinklig zur gemeinsamen optischen Wirkungsfläche der beiden vereinigten Ortsfrequenzfilter verläuft.For the purpose of determining spatial velocity components, it is advantageous that a third fiber-optic spatial frequency filter whose grating axis is parallel to the third motion coordinate of the particles is arranged in a further optical action surface, which preferably extends perpendicular to the common optical action surface of the two combined spatial frequency filters.
Dabei sind in einer fertigungstechnisch günstigen ersten Variante die Lichtempfängerfasern der beiden vereinigten sowie des dritten faseroptischen Ortsfrequenzfilters jeweils zu gesonderten Faserbündeln zusammengefaßt, wobei das Faserbündel des dritten Ortsfrequenzfilters unmittelbar nach der optischen Wirkungsfläche vorzugsweise rechtwinklig abgebogen ist.Here, in a production-technically favorable first variant, the light-receiving fibers of the two combined and the third fiber-optic spatial frequency filter are each combined into separate fiber bundles, wherein the fiber bundle of the third spatial frequency filter is bent preferably right-angled immediately after the optical action surface.
In einer weiteren fertigungstechnisch günstigen Variante sind die Lichtempfängerfasern der beiden vereinigten sowie des dritten faseroptischen Ortsfrequenzfilters jeweils zu gesonderten Faserbündeln zusammengefaßt, wobei das Faserbündel des dritten Ortsfrequenzfilters im Bereich dessen optischer Wirkungsfläche schräg zur gemeinsamen optischen Wirkungsfläche abgetrennt ist.In a further production-technically favorable variant, the light-receiving fibers of the two combined and the third fiber-optic spatial frequency filter are each combined into separate fiber bundles, wherein the fiber bundle of the third spatial frequency filter is separated in the region of the optical effect surface obliquely to the common optical effect surface.
Die faseroptischen Ortsfrequenzfilter können als Einfachgitter ausgeführt sein, deren Gitterachsen sich rechtwinklig kreuzen. Zur Erhöhung der Genauigkeit sind die faseroptischen Ortsfrequenzfilter als Differenzgitter ausgeführt, wobei jedes Differenzgitter über jeweils zwei optoelektronische Wandler und einen Differenzverstärker auf je einen Kanal des mehrkanaligen Frequenzanalysators geschaltet ist. Dabei kann jedes Differenzgitter aus einer Reihe sich in der jeweiligen Gitterachse erstreckenden Lichtempfängerfasern bestehen und beide vereinigte Differenzgitter sind in Form eines Winkels oder eines Kreuzes angeordnet.The fiber optic spatial frequency filters can be designed as single grids whose grating axes intersect at right angles. To increase the accuracy of the fiber optic spatial frequency filter are designed as differential grating, each differential grating is connected via two opto-electronic converter and a differential amplifier to one channel of the multi-channel frequency analyzer. In this case, each differential grating consist of a series of light-receiving fibers extending in the respective grating axis and both combined differential grids are arranged in the form of an angle or a cross.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform besteht jedes Differenzgitter aus Gitterelementen, welche linienförmig rechtwinklig zur jeweiligen Gitterachse angeordnete Lichtempfängerfasern enthalten; die Gitterachsen beider vereinigter Differenzgitter kreuzen sich rechtwinklig und die Lichtempfängerfasern beider vereinigter Differenzgitter sind in Form einer Matrix angeordnet, wobei Zeilen der Matrix die Gitterelemente des einen und Spalten die Gitterelemente des anderen Differenzgitters enthalten.In a particularly advantageous embodiment, each differential grating consists of grating elements which contain light receiver fibers arranged in a line at right angles to the respective grating axis; the grating axes of both united differential gratings intersect at right angles and the light receiver fibers of both united differential gratings are arranged in the form of a matrix, wherein rows of the matrix contain the grating elements of one and columns the grating elements of the other differential grating.
Bei Anwendung des Reflexionsverfahrens sind zweckmäßigerweise die Beleuchtungslichtleitfasern in die Gitteranordnung der faseroptischen Ortfrequenzfilter eingeordnet. Vorteilhaft ist es, daß in die matrizenförmige Anordnung der Lichtempfängerfasern beider vereinigter Differenzgitter Spalten und/oder Zeilen mit Beleuchtungslichtleitfasern eingefügtWhen using the reflection method, the illumination optical fibers are expediently arranged in the grid arrangement of the fiber-optic spatial frequency filters. It is advantageous that inserted into the matrix-shaped arrangement of the light-receiving fibers of both united differential gratings columns and / or rows of illumination optical fibers
Um in jeder Koordinatenrichtung eine gleiche Empfindlichkeit und einen gleichen Frequenzbereich zu erreichen, ist es zweckmäßig, daß die Gitterkonstanten der faseroptischen Ortsfrequenzfilter gleichgroß und daß die jeweilige Anzahl der Gitterelemente der Ortsfrequenzfilter gleich sind.In order to achieve the same sensitivity and a same frequency range in each coordinate direction, it is expedient that the lattice constants of the fiber-optic spatial frequency filters are the same size and that the respective number of lattice elements of the spatial frequency filters are equal.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeipielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:The invention will be explained in more detail below on several Ausführungsbeipielen. In the accompanying drawing show:
Fig. 1: die räumliche Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Ermittlung von zunächst zweiFig. 1: the spatial representation of a device according to the invention for the determination of two first
Geschwindigkeitskomponenten, Fig. 2: die Ansicht auf die gemeinsame optische Wirkungsfläche zweier erfindungsgemäß vereinigter faseroptischer Ortsfrequenzfilter als Differenzgitter (in anderem Maßstab),2 shows the view on the common optical effective surface of two fiber-optical spatial frequency filters combined according to the invention as differential gratings (on a different scale),
Fig.3: eine Ansicht gemäß Fig. 2 mit einfacheren faseroptischen Ortfrequenzfiltern (verkleinert), Fig.4: eine Ansicht gemäß Fig. 2 mit einer anderen Gitteranordnung (verkleinert), Fig. 5: eine Ansicht gemäß Fig. 2 mit faseroptischen Einfachgittern (verkleinert), Fig. 6: eine Darstellung gemäß Fig. 1 mit der Anordnung der Faserbündel für die Ermittlung von drei3 shows a view according to FIG. 2 with simpler fiber-optic local frequency filters (reduced in size), FIG. 4 shows a view according to FIG. 2 with another grid arrangement (reduced), FIG. 5 shows a view according to FIG. 2 with fiber-optic single gratings (FIG. Fig. 6: a representation according to Fig. 1 with the arrangement of the fiber bundles for the determination of three
Geschwindigkeitskomponenten, Fig. 7: eine andere Variante gemäß Fig. 6.Speed components, Fig. 7: another variant of FIG. 6th
Entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel besteht eine erfindungsgemäße Vorrichtung für die Ermittlung von (zunächst) zwei Geschwindigkeitskomponenten (die dritte Komponente möge = 0 oder vernachlässigbar sein) aus einem Schaft 1 (Fig. 1), welcher über nicht gezeichnete Befestigungsvorrichtungen in einer Rohrleitung — in der sich eine Mehrphasenströmung befindet — angeordnet werden kann.According to the first embodiment, a device according to the invention for the determination of (initially) two speed components (the third component may = 0 or negligible) from a shaft 1 (Fig. 1), which not shown fastening devices in a pipeline - in which a multi-phase flow is - can be arranged.
Am Schaft 1 schließt sich ein Sondenrohr 2 an, welches flexible Lichtleitfasern enthält. Diese münden, wie weiter unten genauer beschrieben, stirnseitig bezüglich des Sondenrohrs 2 in einer optischen Wirkungsfläche 3, welche aus einer speziellen Anordnung von zwei faseroptischen Ortsfrequenzfiltern 4 besteht (s. u.). Die Lichtleitfasern werden in Beleuchtungslichtleitfasern 5 und Lichtempfängerfasern 6 eingeteilt. Da die Vorrichtung gemäß Fig. 1 bezüglich der BeleutungThe shaft 1 is followed by a probe tube 2, which contains flexible optical fibers. These open, as described in more detail below, frontally with respect to the probe tube 2 in an optical effect surface 3, which consists of a special arrangement of two fiber optic spatial frequency filters 4 (see below). The optical fibers are classified into illumination optical fibers 5 and light receiving fibers 6. Since the device of FIG. 1 with respect to the Beleutung
der Teilchen der IViehrphasenströmung für Absorptions- und Reflexionsbetrieb ausgelegt ist, sind—für den Reflexionsbetrieb— in der optischen Wirkungsfläche 3 Beieuchtungslichtleitfasem 5 in die faseroptischen Ortsfrequenzfilter 4 eingeordnet. Für den Absorptionsbetrieb sind, der optischen Wirkungsfläche 3 gegenüberliegend, weitere Beleuchtungslichtleitfasern 5 in einem faseroptischen Lichtgeber 7 vorgesehen, welcher am Schaft 1 befestigt ist.the particles of the IV phase flow is designed for absorption and reflection operation, are-for the reflection mode- in the optical effect surface 3 Beieuchtungslichtleitfasem 5 in the fiber optic spatial frequency filter 4 classified. For the absorption mode, the optical effect surface 3 opposite, further illumination optical fibers 5 are provided in a fiber optic light emitter 7, which is attached to the shaft 1.
Die der optischen Wirkungsfläche 3 abgewandten Enden der Beleuchtungslichtleitfasern 5 sind — im Inneren des Schaftes 1 — mit einem Lichtleitkabel 8 verbunden, weiches auf eine Lichtquelle 9 (z. B. eine Halogenlampe enthaltend) geführt ist. Die der optischen Wirkungsf lache 3 abgewandten Enden der Lichtempfängerfasern 6 sind — gleichfalls im Inneren des Schaftes 1 — auf eine optoelektronische Wandleranordnung, im Beispiel bestehend aus Fotodioden, geführt. Diese sind über Verstärker und ein Kabel 10 mit einer Auswerteelektronik 11, enthaltend einen mehrkanaligen Frequenzanalysator, verbunden. Der Auswerteelektronik 11 ist als Ausgabegerät ein Drucker 12 zugeordnet.The ends of the illumination optical fibers 5 facing away from the optical effect surface 3 are connected - inside the shaft 1 - to a light guide cable 8 which is guided onto a light source 9 (eg containing a halogen lamp). The ends of the light-receiving fibers 6 facing away from the optical path 3 are likewise guided, in the interior of the shaft 1, to an optoelectronic transducer arrangement, in the example consisting of photodiodes. These are connected via amplifiers and a cable 10 to an evaluation unit 11 containing a multi-channel frequency analyzer. The transmitter 11 is associated with a printer 12 as an output device.
Der Schaft 1 der Vorrichtung ist in der der Mehrphasenströmung aufnehmenden Rohrleitung so positioniert, daß sich die Teilchen 13 der Mehrphasenströmung im wesentlichen in einer Ebene bewegen, die parallel zur optischen Wirkungsfläche 3 ist (Fig. 1). Entsprechend ist der optischen Wirkungsfläche 3 ein kartesisches Koordinatensystem x, y zugeordnet, d. h. der Geschwindigkeitsvektor ν der Teilchen 13 kann in die Geschwindigkeitskomponenten vx und vy aufgeteilt werden. Die optische Wirkungsfläche 3 ist in der Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 1) als gemeinsame optische Wirkungsfläche 3.1 ausgeführt, da, wie im folgenden dargestellt, in ihr zwei faseroptische Ortsfrequenzfilter 4 (nicht explizit dargestellt) vereinigt sind. In einer einfachen Ausführungsform (Fig. 5) sind diese Ortsfrequenzfilter 4 als Einfachgitter 4.1 ausgeführt, d. h. den Koordinaten x, y sind Gitterachsen Gx, Gy parallel, auf denen im äquidistanten Abstand (Gitterkonstante Cx, Cy) die Mündungsflächen der Lichtempfängerfasern 6.1 (mit Schrägkreuz gekennzeichnet) und 6.2 (mit Kreuz gekennzeichnet) angeordnet sind. Zusätzlich sind (zur Realisierung des Reflexionsverfahrens) Beleuchtungslichtleitfasern 5 eingeordnet. Zur Erhöhung der Genauigkeit werden jedoch als faseroptische Ortsfrequenzfilter 4 Differenzgitter 4.2 eingesetzt (Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4).The stem 1 of the apparatus is positioned in the multiphase flow tubing such that the multiphase flow particles 13 move substantially in a plane parallel to the optical action surface 3 (Figure 1). Correspondingly, the Cartesian coordinate system x, y is assigned to the optical action surface 3, ie the velocity vector ν of the particles 13 can be divided into the velocity components v x and v y . The optical effect surface 3 is embodied in the device according to the first exemplary embodiment (FIG. 1) as a common optical effective surface 3.1, since, as shown in the following, two fiber-optic spatial frequency filters 4 (not explicitly shown) are combined in it. In a simple embodiment (FIG. 5), these spatial frequency filters 4 are designed as single grids 4.1, ie the coordinates x, y are grating axes Gx, Gy parallel, on which the equidistant spacing (grating constant Cx, Cy) the mouth surfaces of the light receiver fibers 6.1 (with a diagonal cross labeled) and 6.2 (marked with a cross) are arranged. In addition, (for the realization of the reflection method) illumination optical fibers 5 are arranged. However, in order to increase the accuracy, differential gratings 4.2 are used as fiber-optic spatial frequency filters (FIGS. 2, 3, 4).
Gemäß Fig.3 und 4 kreuzen sich die Gitterachsen Gx, Gy kreuz-oder winkelförmig, wobei jeweils den Gitterachsen Gx, Gy zwei Gruppen von Lichtempfängerfasern 6.1,6.2 (mit Schrägkreuz bzw. Kreuz gekennzeichnet) und 6.3,6.4 (links- bzw. rechtsschräg schraffiert) mit den Gitterkonstanten Cx, Cy zugeordnet sind. Wie oben sind wieder Beleuchtungsleitfasern 5 eingeordnet. Eine bevorzugte Ausführungsform der gemeinsamen optischen Wirkungsfläche 3.1 aus zwei Differenzgittern 4.2 stellt Fig. 2 dar. Dabei kreuzen sich die Gitterachsen Gx, Gy gleichfalls; jeder Gitterachse Gx, Gy sind jedoch Gitterelemente A, B, E, D zugeordnet, welche aus einem linienförmigen Bündel von Lichtempfängerfasern 6.1 bis 6.4 bestehen und welche rechtwinklig zur jeweiligen Gitterachse Cx, Gy angeordnet sind. So ist die (mit Schrägkreuz gekennzeichnete) erste Gruppe von Lichtempfängerfasern 6.1 des Differenzgitters 4.2y aus Gitterelementen A aufgebaut, die je ein Bündel von Lichtempfängerfasern 6.1 enthalten, welches sich linienförmig rechtwinklig zur Gitterachse Gy erstreckt. Das gleiche gilt für die (für Kreuz gekennzeichnete) zweite Gruppe von Lichtempfängerfasern 6.2 des Differenzgitters 4.2y, der Gitterelemente mit B bezeichnet seien.According to FIGS. 3 and 4, the grating axes Gx, Gy intersect at a cruciform or angular angle, wherein in each case the grating axes Gx, Gy two groups of light-receiving fibers 6.1,6.2 (marked with angled cross or cross) and 6.3,6.4 (left- or right-angled hatched) are assigned to the lattice constants Cx, Cy. As above, lighting fibers 5 are again arranged. A preferred embodiment of the common optical action surface 3.1 of two differential gratings 4.2 is shown in FIG. 2. In this case, the grid axes Gx, Gy also intersect; However, each grating axis Gx, Gy are associated with grating elements A, B, E, D, which consist of a line-shaped bundle of light-receiving fibers 6.1 to 6.4 and which are arranged at right angles to the respective grating axis Cx, Gy. Thus, the first group of light receiver fibers 6.1 (labeled with a diagonal cross) of the differential grating 4.2y is constructed of grating elements A, each containing a bundle of photoreceptor fibers 6.1, which extends in a line at right angles to the grating axis Gy. The same applies to the (for cross marked) second group of light receiver fibers 6.2 of the differential grating 4.2y, the grid elements are denoted by B.
Analog besteht das der Gitterachse Gx zugeordnete Differenzgitter 4.2x aus zwei Gruppen von Gitterelementen E, D, wobei Gitterelement E aus je einem Bündel von Lichtempfängerfasern 6.3 (rechtsschräg schraffiert) und Gitterelement D aus je einem Bündel von Lichtempfängerfasern 6.4 (linksschräg schraffiert) besteht und die Gitterelemente E, D sich linienförmig rechtwinklig zur Gitterachse Gx erstrecken. Zum Erreichen einer kleinen Bauform sind die Lichtempfängerfasern 6.1 bis 6.4 in Form einer Matrix angeordnet (Fig.2), deren Zeilen die Gitterelemente A, B des einen Differenzgitters 4.2y und deren Spalten die Gitterelemente E, D des anderen Differenzgitters 4.2x enthalten. In dieser Matrix sind Spalten mit Beleutungslichtleitfasern 5 eingefügt. Analog könnten auch Zeilen mit Beleuchtunglichtleitfasern 5 eingefügt sein. Das Beispiel gemäß Fig.2 stellt eine besonders zweckmäßige Ausführungsform dar. Es wären aber auch andere Formen der matrixartigen Anordnung der Lichtempfänger- und Beleuchtungslichtleitfasern möglich. So können bei einer quadratischen Matrix auch schräg verlaufende Spalten und Zeilen den Ortsfrequenzfiltern in x-bzw. y-Richtung zugeordnet sein.Analogously, the diffraction grating 4.2x assigned to the grating axis Gx consists of two groups of grating elements E, D, wherein grating element E consists of a respective bundle of light receiver fibers 6.3 (shaded right) and grating element D each consisting of a bundle of light receiver fibers 6.4 (hatched to the left) and Grid elements E, D extend linearly at right angles to the grid axis Gx. To achieve a small design, the light-receiving fibers 6.1 to 6.4 are arranged in the form of a matrix (FIG. 2) whose rows contain the grating elements A, B of one differential grating 4.2y and whose columns contain the grating elements E, D of the other differential grating 4.2x. In this matrix columns with Beleutungslichtleitfasern 5 are inserted. Similarly, lines could be inserted with lighting optical fibers 5. The example according to FIG. 2 represents a particularly expedient embodiment. However, other forms of the matrix-like arrangement of the light-receiving and illumination optical fibers would also be possible. In a square matrix, for example, slanted columns and rows can also be added to the spatial frequency filters in x-resp. be assigned y direction.
Um in jeder Koordinate x, y eine gleiche Empfindlichkeit und einen gleichen Frequenzbereich zu erreichen, ist es zweckmäßig, die Gitterkonstanten Cx, Cy und auch die Anzahl der Gitterelemente A, B, E, D in Richtung der Gitterachsen Gx, Gy gleichgroß auszuführen. Das gilt in analoger Weise auch für die Gitterausführungen nach den Figuren 3—5, wo die Gitterelemente durch die stirnseitigen Mündungsflächen der Lichtempfängerfasem 6 in der optischen Wirkungsfläche 3 (3.1) gebildet sind. Die Wirkungsweise des ersten Ausführungsbeispiels:In order to achieve an equal sensitivity and a same frequency range in each coordinate x, y, it is expedient to design the grating constants Cx, Cy and also the number of grating elements A, B, E, D in the direction of the grating axes Gx, Gy to be the same size. This also applies analogously to the grating embodiments according to FIGS. 3-5, where the grating elements are formed by the end-side mouth surfaces of the light receiver fibers 6 in the optical action surface 3 (3.1). The operation of the first embodiment:
Ein Teilchen 13 der Mehrphasenströmung bewege sich mit einer Geschwindigkeit entsprechend dem Geschwindigkeitsvektor ν im Raum unmittelbar vor der gemeinsamen optischen Wirkungsfläche 3.1 (Reflexionsbetrieb) bzw. zwischen dieser und vor dem faseroptischen Lichtgeber 7 (Absorptionsbetrieb). Dieser Raum sei als Meßvolumen bezeichnet.A particle 13 of the multiphase flow moves at a speed corresponding to the velocity vector ν in the space immediately in front of the common optical action surface 3.1 (reflection mode) or between it and in front of the fiber optic light source 7 (absorption mode). This space is called the measuring volume.
Bei der Bewegung des Teilchens 13 durch das Meßvolumen erzeugt dieses Teilchen 13 infolge seiner Beleutung durch die Beleuchtungslichtleitfasern 5 ein sich mit der Geschwindigkeit des Teilchens 13 bewegendes Lichtintensitätsmuster auf der gemeinsamen optischen Wirkungsfläche 3.1 bzw. den beiden entsprechend vereinigten faseroptischen Ortsfrequenzfiltern 4 gemäß Fig. 2 bis 5. Dementsprechend verursacht die Geschwindigkeitskomponente Vx des Teilchens 13 ein Lichtintensitätsmuster auf dem der Gitterachse Gx zugeordneten Einfachgitter 4.1 χ (Fig. 5) bzw. dem Differenzgitter 4.2x (Fig. 2 bis 4), und die Geschwindigkeitskomponente Vy ein dieser entsprechenden Muster auf dem der Gitterachse Gy zugeordneten Einfachgitter4.1 y (Fig. 5) bzw. dem Differenzgitter4.2y (Fig. 2 bis 4). Durch die den Ortsfrequenzfilter 4 zugeordneten Fotodioden werden Geschwindigkeitsproportionale, zeitlich begrenzte elektrische Signale erzeugt, welche über Verstärker (Einfachgitter 4.1) bzw. Differenzgitter (Differenzverstärker 4.2) jeweils einem Kanal (je Komponente) des mehrkanaligen Frequenzanalysators zugeführt werden. Dieser ermittelt die den Komponenten zugeordneten Signalfrequenzen fx, fy, woraus sich die jeweilige GeschwindigkeitskomponenteDuring the movement of the particle 13 through the measuring volume, this particle 13, as a result of its illumination by the illumination optical fibers 5, generates a light intensity pattern moving at the velocity of the particle 13 on the common optical effect surface 3.1 or the two correspondingly combined fiber optic spatial frequency filters 4 according to FIGS 5. Accordingly, the velocity component V x of the particle 13 causes a light intensity pattern on the single grid 4.1 χ (Fig. 5) and the differential grid 4.2 x (Figs. 2 to 4) associated with the grating axis G x , and the velocity component V y corresponding thereto Pattern on the grating axis G y associated with single grating 4.1 y (Fig. 5) and the Differenzgitter4.2y (Fig. 2 to 4). By the spatial frequency filter 4 associated photodiodes speed proportional, time-limited electrical signals are generated, which are supplied via amplifiers (single grating 4.1) and differential grating (differential amplifier 4.2) each a channel (per component) of the multi-channel frequency analyzer. This determines the components associated signal frequencies fx, fy, from which the respective speed component
Vx = fx · Cx . .Vx = fx * Cx. ,
Vy = fy · CyVy = fy · Cy
bzw. über bekannte Beziehungen Größe und Lage des Geschwindigkeitsvektors V errechnen und über den Drucker 12 ausgebenor calculate the size and position of the velocity vector V via known relationships and output via the printer 12
Das zweite Ausführungsbeispiel (Fig. 6) betrifft eine erfindungsgemäße Vorrichtung für die Ermittlung von drei Geschwindigkeitskomponenten unter Anwendung des Reflexionsverfahrens. Schaft 1, Sondenrohr 2 und stirnseitigThe second embodiment (Figure 6) relates to a device according to the invention for the determination of three velocity components using the reflection method. Shaft 1, probe tube 2 and end face
angeordnete optische Wirkungsfläche 3 als gemeinsame optische Wirkungsfläche 3.1 — bestehend aus einer Vereinigung der zwei den Koordinaten x,y zugeordneten faseroptischen Ortsfrequenzfilter 4 — sind analog zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 5. Der faseroptische Lichtgebsr 7 wurde weggelassen, könnte jedoch bei Anwendung des Absorbtionsverfahrens in analoger Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt sein. Neben dem Sonden rohr 2 ist ein zweites Sondenrohr 14 vorgesehen, welches ein weiteres Bündel von Lichtempfängerfasern 6 enthält. Diese münden stirnseitig in der weiteren optischen Wirkungsfläche 3.2, wobei das zweite Sonden rohr 14 unmittelbar vor seinem vorderen Ende rechtwinklig abgebogen ist. Die weitere optische Wirkungsfläche 3.2 ist somit rechtwinklig zur gemeinsamen optischen Wirkungsfläche 3.1, d.h. parallel zurz-Achse eines räumlichen Koordinatensystems x, y, z. Dieser weiteren optischen Wirkungsfläche 3.2 ist ein drittes faseroptisches Ortsfrequenzfilter 4 zugeordnet, dessen Gitterachse Gz der z-Achse parallel ist und welches als Einfachgitter (analog zu Fig. 5) oder als Differenzgitter (analog zu Fig. 2-4)—je nach Ausführung der beiden vereinigten faseroptischen Ortsfrequenzfilter 4 der Koordinaten χ und y — ausgeführt ist. Bei Bewegung der Teilchen 13 durch das Meßvolumen, welches durch den Raum unmittelbar vor der gemeinsamen optischen Wirkungsfläche 3.1 und der weiteren optischen Wirkungsfläche 3.2 bestimmt ist, erzeugen diese Teilchen 13 infolge der Beleutung durch die in die drei faseroptischen Ortsfrequenzfilter 4 eingefügten Beleutungslichtleitfasem 5 auf jeder optischen Wirkungsfläche 3.1 und 3.2 sich mit den Geschwindigkeitskomponenten Vx, Vy, Vz bewegende Lichtintensitätsmuster, welche über die den faseroptischen Ortsfrequenzfiltern 4 zugeordneten Fotodioden entsprechende elektrische Signale auslösen. Diese werden analog zum 1. Ausführungsbeispiel ausgewertet.arranged optical effect surface 3 as a common optical effect surface 3.1 - consisting of a combination of the two x, y associated fiber optic spatial frequency filter 4 - are analogous to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 5. The fiber optic Lichtgebsr 7 has been omitted, but could be applied of Absorbtionsverfahrens be carried out in an analogous manner as in the first embodiment. In addition to the probe tube 2, a second probe tube 14 is provided, which contains a further bundle of light-receiving fibers 6. These open the front side in the further optical action surface 3.2, wherein the second probe tube 14 is bent at right angles right before its front end. The further optical action surface 3.2 is thus perpendicular to the common optical action surface 3.1, i. parallel to the z-axis of a spatial coordinate system x, y, z. This further optical action surface 3.2 is associated with a third fiber-optic spatial frequency filter 4, the grating axis Gz of the z-axis is parallel and which as a single grating (analogous to FIG. 5) or as a differential grating (analogous to Fig. 2-4) - depending on the execution of two combined fiber optic spatial frequency filter 4 of the coordinates χ and y - is executed. Upon movement of the particles 13 through the measurement volume, which is determined by the space immediately in front of the common optical effect surface 3.1 and the other optical effect surface 3.2, these particles 13 generate due to the Beleutung by the inserted into the three fiber optic spatial frequency filter 4 Beleutungslichtleitfasem 5 on each optical Action surface 3.1 and 3.2 with the velocity components Vx, Vy, Vz moving light intensity pattern, which trigger corresponding to the fiber optic spatial frequency filters 4 associated photodiodes corresponding electrical signals. These are evaluated analogously to the first embodiment.
Das dritte Ausführungsbeispiel (Fig.7) dient gleichfalls der Ermittlung von drei Geschwindigkeitskomponenten. Es enthält im Vergleich zu Fig. 6 eine ggf. fertigungstechnisch günstigere Gestaltung des weiteren Bündels von Lichtempfängerfasern 6, die im zweiten Sondenrohr 14 aufgenommen sind. Dazu ist dessen vordere Stirnfläche schräg abgetrennt, d.h. die weitere optische Wirkungsfläche 3.2, in der die Lichtempfängerfasern 6 des dritten, der Koordinate ζ zugeordneten faseroptischen Ortsfrequenzfilters 4 münden, verläuft schräg zur gemeinsamen optischen Wirkungsfläche 3.1. Dementsprechend verläuft auch die Gitterachse G2 sch rag zur z-Koordinate, so daß vom dritten faseroptischen Ortsfrequenzfilter 4 auch der y-Achse zugeordnete Signale aufgenommen werden. Diese sind unter Nutzung der Signale, die vom der y-Achse zugeordneten Ortsfrequenzfilter 4 der gemeinsamen optischen Wirkungsfläche 3.1 aufgenommen werden, zu korrigieren.The third exemplary embodiment (FIG. 7) likewise serves to determine three velocity components. In comparison to FIG. 6, it contains an optionally more favorable design of the further bundle of light receiver fibers 6 which are accommodated in the second probe tube 14. For this purpose, the front end face is separated obliquely, ie the further optical effect surface 3.2, in which the light-receiving fibers 6 of the third, the coordinate ζ associated fiber optic spatial frequency filter 4 open, extends obliquely to the common optical effect surface 3.1. Accordingly, the grating axis G 2 also runs straight to the z-coordinate, so that the signals associated with the y-axis are also recorded by the third fiber-optic spatial frequency filter 4. These are to be corrected by using the signals which are recorded by the y-axis associated spatial frequency filter 4 of the common optical action surface 3.1.
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