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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Geschwindigkeitsverteilungen
eines durch einen Rohrquerschnitt strömenden, Licht streuenden Fluids,
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Messanordnung zur Messung von Geschwindigkeitsverteilungen
eines durch einen Rohrquerschnitt strömenden, Licht streuenden Fluids
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 8.
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Die
Menge eines durch ein Rohr transportierten Fluids (Flüssigkeiten,
Gase) wird mit Durchfluss- und Volumenmessgeräten erfasst. Ein weit verbreitetes
Durchfluss- und Volumenmessgerät
ist der Turbinenradzähler.
Hierbei handelt es sich um ein Messgerät, das in die Rohrleitung eingesetzt
und von dem Fluid durchströmt
wird. Das durchströmende
Fluid treibt ein Turbinenrad mit Turbinenschaufeln, dessen Achse mit
der Rohrmittelachse zusammenfällt,
an. Die Winkelgeschwindigkeit des Turbinenrades ist ein Maß für die durch
den Turbinenradzähler
hindurch transportierte Menge des Fluids.
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Die
Strömung
eines Fluids durch ein Rohrleitungssystem lässt sich unterteilen in die
Primärströmung einerseits
und die Sekundärströmung andererseits.
Die Primärströmung wird
charakterisiert durch die Geschwindigkeit des Fluids parallel zur
Rohrmittelachse. Sie ist verantwortlich für die durch einen Rohrquerschnitt
transportierte Fluidmenge. Die Sekundärströmung wird charakterisiert durch
Geschwindigkeitskomponenten des Fluids in einer Ebene senkrecht
zur Rohrmittelachse. Diese Geschwindigkeit kann durch eine radiale
und eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente charakterisiert
werden. Die tangentiale Geschwindigkeitskomponente ist ein Maß für den sog.
Drall der Strömung.
Da für den
Transport des Fluids durch die Rohrleitung allein die axiale Geschwindigkeitskomponente
maßgeblich ist,
trägt die
Sekundärströmung nicht
zum transportierten Volumen bei.
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Liegt
das Interesse darauf, das durch ein Rohrleitungssystem transportierte
Volumen eines Fluids zu bestimmen, stellt die Sekundärströmung eine
unerwünschte
Störung
des Geschwindigkeitsprofils dar. Sekundärströmungen werden insbesondere
durch Rohrleitungskonfigurationen wie Krümmer, Sammler oder Regelarmaturen
verursacht. Solche Störungen
des Geschwindigkeitsprofils wirken sich nachteilig auf die Messgenauigkeit
herkömmlicher
Durchfluss- und Volumenmessgeräte aus
und werden allgemein mit Installationseffekt bezeichnet.
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Im
Falle eines Turbinenradzählers
können durch
den sog. Drall, d.h. die Rotation der Strömung senkrecht zur Rohrmittelachse,
sowohl zu hohe als auch zu niedrige Messwerte angezeigt werden,
je nachdem, ob der Drall in Drehrichtung des Turbinenrades oder
entgegengesetzt hierzu orientiert ist. Der Messfehler beträgt bei herkömmlichen
Turbinenradzählern
einige Prozent. Ein Messfehler in dieser Größenordnung hat große wirtschaftliche
Auswirkungen auf den gesamten Handel mit Flüssigkeiten und Gasen, da jährlich sehr
große
Gas- und Flüssigkeitsmengen
gehandelt werden.
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Zur
Reduzierung der Sekundärströmung werden
Strömungsgleichrichter
in die Rohrleitung eingesetzt. Bekannte Ausführungsformen sind beispielsweise
der Etoile-Gleichrichter,
Zanker-Gleichrichter oder Rohrbündel-Gleichrichter.
Mit Hilfe solcher Strömungsgleichrichter
ist es zwar möglich,
die Sekundärströmung effektiv
zu reduzieren. Sie haben jedoch nachteilige Auswirkungen auf die
Primärströmung. Zum
einen wirken sie als Widerstand auf die Strömung, da sie direkt in die
Strömung
eingesetzt werden und damit die Primärströmung reduzieren. Zum anderen
verursachen sie eine Störung
der axialen Geschwindigkeitsverteilung über den Rohrleitungsquerschnitt.
Solche Störungen
im axialen Geschwindigkeitsprofil können wiederum zu Fehlern herkömmlicher
Messgeräte
führen.
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Aufgrund
der großen
wirtschaftlichen Bedeutung an einer Reduzierung der Messungenauigkeiten herkömmlicher
Durchfluss- und Volumenmessgeräte,
sind berührungslose
Messverfahren entwickelt worden, die Aufschluss über die Geschwindigkeitsverteilungen über den
Rohrleitungsquerschnitt geben. Berührungsloses Messverfahren meint
in diesem Zusammenhang, dass die verwendeten Messeinrichtungen keinen
direkten Kontakt mit dem strömenden
Fluid haben. Die genaueren Kenntnisse über die Geschwindigkeitsverteilungen
können
zur Messung des Fluiddurchflusses selbst oder zum Kalibrieren herkömmlicher
Durchfluss- und Volumenmessgeräte
benutzt werden. Ein berührungsloses Messverfahren
ist beispielsweise in der
DE
35 16 035 A1 beschrieben, eine Messanordnung zum berührungslosen
Messen der Geschwindigkeit einer Flüssigkeit in einem Rohr in der
WO 02/03038 A1 .
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Bei
ausreichend transparenten und mit Licht streuenden Teilchen versehenen
Fluids bietet sich ein optisches Messverfahren an. Ein optisches
Messverfahren zur Messung von Geschwindigkeitsprofilen ist bei Wendt,
Mickan, Kramer und Dopheide, "Systematic
investigation of pipe flows and installation effects using laser
Doppler anemometry – Part
I., Profile measurements downstream of several pipe configurations
and flow conditioners" in
Flow Meas. Instrum., Vol. 7, No. 3,4, pp. 141-149, 1996, beschrieben. Bei
dem dort vorgestellten Messverfahren werden die axiale und tangentiale
Geschwindigkeitskomponente mit Hilfe der Laser-Doppler-Anemometry (LDA)
an mehreren Messpunkten innerhalb eines Rohrleitungsquerschnitts
bestimmt.
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Hierzu
wird in ein Rohrleitungssystem ein Rohrsegment eingesetzt, das über den
Umfang verteilt acht planparallele Glasplatten in gleichmäßigen Abständen angeordnet
sind. Um dieses Rohrleitungssegment herum sind zwei LDAs (LDA-Messsonden) für eine zweidimensionale
Messung des Strömungsprofils
auf einem um das Rohrleitungssegment herum drehbaren Mechanismus
diagonal zueinander angeordnet. Dabei bilden die optischen Achsen
der LDA-Messsonden einen Winkel von 45° bzw.- 45° mit
der Rohrmittelachse. Die LDA-Messsonden können mittels zweier Elektromotoren
synchron derart bewegt werden, dass der Laserfokus entlang einer
Traverse durch einen Rohrleitungsquerschnitt bewegt wird. Nachdem
entlang einer Traverse eine Mehrzahl an Messungen durchgeführt worden
sind, wird der Rotationsarm um das Rohrsegment gedreht, bis die
LDA-Messsonden durch das nächste
Fensterpaar Messungen entlang einer neuen Traverse vornehmen können. Auf
diese Weise werden entlang von vier Traversen Messungen des Strömungsprofils
ermöglicht.
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Dieses
Messverfahren erfordert einen hohen gerätetechnischen Aufwand. Die
Justage der LDA-Messsonden und die Positionierung um das Rohrleitungssegment
herum sind sehr zeitaufwendig. Zudem erfasst dieses Messverfahren
nicht den gesamten Rohrleitungsquerschnitt, sondern ist auf eine
geringe Anzahl an Traversen beschränkt. Da jede LDA-Messsonde
mindestens zwei Laserstrahlen aufweist, die mit einem gewissen Winkel
durch die Glasplatten in die Rohrleitung fokussiert werden, ist
die Anzahl an Beobachtungsfenstern um die Rohrleitung begrenzt,
so dass durch eine zunehmende Anzahl an Beobachtungsfenstern keine
größere Erfassung
des Rohrleitungsquerschnitts möglich
ist. Da Strömungsprofile
je nach Rohrleitungskonfiguration große Unsymmetrien aufweisen können, bleibt
der Aussagegehalt dieser Messungen beschränkt.
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Aufgabe
dieser Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Messung
von Geschwindigkeitsverteilungen bereitzustellen, mit dem insbesondere
die Geschwindigkeitsverteilungen über nahezu den gesamten Rohrleitungsquerschnitt
auf einfache Art und im industriellen Einsatz ermöglicht wird. Ferner
ist es Aufgabe dieser Erfindung, eine Messanordnung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
bereitzustellen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
eingangs erwähntes
Verfahren gelöst,
das zusätzlich
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
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Die
radialen und tangentialen Geschwindigkeitskomponenten können beispielsweise
auf Kreislinien um die Rohrmittelachse bezogen sein.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
unterscheidet sich von dem herkömmlichen
LDA-Verfahren dadurch,
dass nicht Geschwindigkeitskomponenten in Bezug auf ein lokales
Koordinatensystem gemessen und aus ihnen gegebenenfalls radiale und/oder
tangentiale Geschwindigkeiten berechnet werden, sondern Geschwindigkeitskomponenten
in Bezug auf ein raumfestes Koordinatensystem. Bei den radialen
und tangentialen Geschwindigkeitskomponenten handelt es sich um
solche in Bezug auf ein Polarkoordinatensystem, bei dem es sich
um ein lokales Koordinatensystem handelt. Lokale Koordinatensysteme
zeichnen sich dadurch aus, dass sich bei ihnen die Orientierung
der Koordinatenachsen lokal ändert.
Da das herkömmliche
LDA-Verfahren ein lokales Koordinatensystem verwendet, das sich
um die Rohrmittelachse dreht, ist es erforderlich, die LDA-Messsonden
zusammen mit diesem Koordinatensystem um das Rohrsegment zu drehen.
Diese aufwendige Positionierung vermeidet das erfindungsgemäße Verfahren,
indem ein raumfestes Koordinatensystem gewählt wird und die Geschwindigkeitskomponenten
in Bezug auf dieses System gemessen werden. Das Ausrichten der wenigstens
einen LDA-Messsonde erfolgt durch lineares Verschieben der LDA-Messsonde
entlang der raumfesten Koordinatenachsen. Auf diese Weise bleibt
der Winkel der durch die planparallelen Fenster hindurch tretenden
Laserstrahlen immer gleich. Verzerrungen durch variierende Einfallwinkel
der Laserstrahlen werden so vermieden.
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Das
vollständige
Erfassen des Rohrquerschnitts macht das erfindungsgemäße Verfahren
besonders geeignet, bei der Optimierung von Durchfluss- und Volumenstrom-Messgeräten eingesetzt
zu werden, da es unempfindlich gegenüber unsymmetrischen Geschwindigkeitsverteilungen
und Drall ist. Zudem kann es zur Optimierung von strömungskonditionierenden
Bauelementen, wie z. B. Gleichrichtern und Düsen, eingesetzt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist aufgrund des geringen gerätetechnischen
Aufwandes und des dadurch sehr geringen erforderlichen Platzbedarfes
zur Vor-Ort-Kalibrierung
von konventionellen Durchfluss- und Volumenmessgeräten bzw.
Sensoren besonders geeignet. Es kann zudem als Gebrauchs- und Kontrollnormal
eingesetzt werden.
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Im
Gegensatz zum bekannten Verfahren steht die optische Achse der LDA-Messsonden beim erfindungsgemäßen Verfahren
senkrecht auf einem Fenster, so dass die Laserstrahlen einer LDA-Messsonde
gleiche Wegstrecken durch das Fenster zurücklegen. Dies vereinfacht die
Strahlverfolgungsrechnung, die erforderlich ist, um die Positionierung der
LDA-Messsonden, ausgehend von einem vorgegebenen Messpunkt innerhalb
der Rohrleitung, zu berechnen. Ferner werden die bekannten Probleme aufgrund
stark unterschiedlicher Strahlwege der beiden Laserstrahlen in den
Randgebieten des Rohres erheblich reduziert. Dies erleichtert zum
einen die Messungen in den Randgebieten des Rohres; zum anderen
werden Messunsicherheiten in diesen Randgebieten, die beispielsweise
durch eine Verzerrung des Interferenzmusters in dem Messpunkt herrühren, reduziert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich zudem durch eine erhebliche Reduzierung des Messaufwandes
und der benötigten
Messzeit sowie eine einfache Automatisierbarkeit aus.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist somit eine vollständige
und schnelle Erfassung der axialen Geschwindigkeitsverteilung über den
gesamten Rohrquerschnitt ohne Umbau der Messsonde in Bezug zur Rohrmittelachse
sowie die vollständige
Erfassung der Sekundärströmung durch
nur einmaligen Umbau der Messsonde möglich. Die deutliche Reduzierung
des Messaufwandes und der Messzeit sind für den Einsatz im industriellen
Umfeld von besonderer Bedeutung. Beispielsweise lassen sich die
tatsächlichen
Strömungsverhältnisse
der Primär-
und Sekundärströmung auf
Prüfständen zur
Kalibrierung von konventionellen Durchfluss- und Mengen- Messgeräten, z.
B. Wasserzähler
und Teilgeräte
von Wärmezählern) und
in realen industriellen Anlagen mit minimiertem Aufwand und unter
industrienahen Bedingungen erfassen.
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Das
Ansteuern der einzelnen Messpunkte in dem Rohrleitungssystem sowie
die Berechnungen der radialen und tangentialen Komponenten lassen sich
besonders einfach gestalten, wenn als raumfestes Koordinatensystem
ein kartesisches Koordinatensystem definiert wird, dessen eine Achse
mit der Rohrmittelachse zusammenfällt. Bei dem kartesischen Koordinatensystem
handelt es sich um ein orthogonales Koordinatensystem, bei dem aufgrund der
Orthogonalität
der einzelnen Komponenten viele Rechnungen erheblich vereinfacht
werden können.
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In
einer Ausführungsform
werden die Geschwindigkeitsverteilungen für die einzelnen Geschwindigkeitskomponenten,
im Falle eines kartesischen Koordinatensystems beispielsweise die
X-, Y- und Z-Komponenten, nacheinander gemessen. Dies hat den Vorteil,
dass das erfindungsgemäße Verfahren
mit einer einzelnen LDA-Messsonde
auskommt.
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Eine
denkbare Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann dabei wie folgt erläutert
werden: Als raumfestes Koordinatensystem sei ein kartesisches Koordinatensystem
definiert, dessen Z-Achse mit der Rohrmittelachse zusammenfällt und
dessen X-Achse horizontal und dessen Y-Achse vertikal in einer Rohrquerschnittsebene
liegen, die senkrecht zur Rohrmittelachse definiert ist.
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Zunächst wird
für jeden
vordefinierten Messpunkt die Z-Komponente der Geschwindigkeit durch seitliche
Positionierung der LDA-Messsonde gemessen, d.h. die optische Achse
der LDA-Messsonde liegt parallel zur X-Achse. Die Verschiebung der Messsonde
erfolgt dabei in horizontaler und vertikaler Richtung, ohne dass
die Messsonde entlang um den Rohrumfang gedreht wird.
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Anschließend erfolgt
die Messung der Geschwindigkeitsverteilung in vertikaler Richtung,
d.h. die Geschwindigkeitsverteilung der Y-Komponente. Die seitliche
Messsondenposition wird bei der Messung dieser Geschwindigkeitsverteilung
aufrechterhal ten. Um die Y-Komponente der Geschwindigkeitsverteilung
erfassen zu können,
wird die LDA-Messsonde um 90° um
dessen optische Achse gedreht. Durch dieses Drehen wird auch das
Interferenzmuster im Messpunkt um 90° gedreht und somit die mittels
der LDA-Messsonde zu messende Komponente der Geschwindigkeitsverteilung.
Durch Verschieben der Messsonde in horizontaler und vertikaler Richtung
wird so die Y-Komponente der Geschwindigkeitsverteilung für alle Messpunkte
gemessen.
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Anschließend wird
die Position der Messsonde um 90° um
die Rohrmittelachse nach oben oder unten gedreht. Durch diese Drehung
kann die horizontale Geschwindigkeitsverteilung, d.h. die Verteilung
in X-Richtung, gemessen werden, weil das Interferenzmuster im Messpunkt
ebenfalls um 90° gedreht
worden ist. Damit das Messverfahren durchgeführt werden kann, muss ein zweites
planparalleles Fenster, das um 90° zum
ersten planparallelen Fenster um die Rohrleitung angeordnet ist,
vorhanden sein. Erfolgt die LDA-Messung im Rückstreuverfahren, d.h. die
von den Licht streuenden Partikeln in dem Fluid zurückgestreute
Strahlung wird gemessen, kommt das erfindungsgemäße Verfahren mit lediglich
zwei Fenstern aus, über
die die Laserstrahlung in die Rohrleitung eingekoppelt und das zu
messende zurückgestreute
Licht ausgekoppelt wird. Wird im Vorwärtsstreuverfahren gemessen,
sind lediglich vier Fenster erforderlich, die paarweise diagonal
um die Rohrleitung angeordnet sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird das erfindungsgemäße Verfahren
mit zwei LDA-Messsonden durchgeführt.
Hierdurch können
zwei Geschwindigkeitskomponenten gleichzeitig gemessen werden, wodurch
die gesamte Messzeit um mindestens ein Drittel reduziert werden
kann.
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Zweckmäßig erfolgt
die Messung durch ein Glasrohr, da Glas gute mechanische und optische
Eigenschaften aufweist. Bei ultraviolettem Laserlicht und/oder Streulicht
ist Quarzglas besonders gut geeignet, da es im ultravioletten Lichtspektrum
eine gute Transmission aufweist. Zudem weist Quarzglas einen geringen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, so dass sich Temperaturschwankungen
nur gering auf die optischen Eigenschaften der Messanordnung auswirken.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
wird das Rohr zusätzlich
von dem Fluid umgeben. Durch das umgebende Fluid wird das Rohr druckentlastet, so
dass mit dünneren
Rohren einerseits auszukommen ist und andererseits optische Verzerrungen
des Interferenzmusters aufgrund von Spannungen in dem Rohr vermieden
werden. Ein dünnes
Rohr hat zudem vorteilhafte optische Eigenschaften, da der Einfluss
eines von dem Fluid verschiedenen Brechungsindex mit der Stärke der
Rohrwandung abnimmt. Das umgebene Fluid, das den gleichen Brechungsindex
wie das strömende
Fluid aufweist, dient zudem der Anpassung des Brechungsindexes und damit
der Reduzierung optischer Abbildungsfehler. Insgesamt kann dadurch
die Messung genauer erfolgen und die Strahlverfolgungsrechnung vereinfacht werden.
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Zweckmäßig erfolgt
die Messung automatisiert. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass
die Positionierung der wenigstens einen LDA-Messsonde mittels eines
Computers erfolgt, der auch die Aufnahme und Auswertung der Messungen übernimmt.
Zweckmäßig ist
es auch, wenn die Geschwindigkeitsverteilungen auf eine Ausgabeeinheit, beispielsweise
einen Monitor oder einen Ausdruck, ausgegeben werden, um sie auszuwerten.
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Die
Positionen der wenigstens einen LDA-Messsonde zur Fokussierung in
die unterschiedlichen Messpunkte werden vorzugsweise durch Strahlverfolgungsrechnung
iterativ ermittelt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann auch zur Bestimmung des Durchflusses selbst verwendet werden.
Sowohl bei ungestörten
als auch bei gestörten
Strömungszuständen bieten
sich Netzmessungen, Ein- oder Mehrpunktmessungen (arithmetische Verfahren)
an. Für
die Bestimmung des Durchflusses wird die axiale Geschwindigkeitsverteilung
integriert. Die Integration kann anhand ausgezeichneter Messpunkte
eines an die speziellen Strömungsverhältnisse
angepassten Messrasters erfolgen. Dies bietet sich beispielsweise
an, wenn aus der gesamten axialen Geschwindigkeitsverteilung ersichtlich
ist, dass keine größeren Unsymmetrien
vorhanden sind. Dann kann die Integration auf aussagekräftige und
insbesondere symmetrisch zueinander angeordnete Messpunkte beschränkt werden,
ohne dass das Gesamtergebnis große Fehler oder Messunsicherheiten
aufweist.
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Die
Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß durch eine eingangs genannte
Messanordnung gelöst,
die zusätzlich
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 8 aufweist.
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Die
erfindungsgemäße Messanordnung zeichnet
sich durch einen einfachen und geringen gerätetechnischen Aufbau aus. Sie
eignet sich dadurch besonders zur Vorortkalibrierung von herkömmlichen Durchfluss-
und Volumenmessgeräten.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist das Rohr ein Glasrohr, beispielsweise ein Quarzglasrohr, wenn
ultraviolettes Laser- und/oder Streulicht benutzt wird.
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In
einer besonderen Ausführungsform
sind zwei Fenster vorgesehen, deren Normalen einen rechten Winkel
zueinander bilden. Dadurch werden zwei Geschwindigkeitskomponenten,
die senkrecht zueinander sind, bestimmt. Die Wahl eines rechtwinkligen
Koordinatensystems vereinfacht zudem die Rechnungen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind vier Fenster vorgesehen, von denen jeweils zwei Fenster parallel
zueinander auf gegenüberliegenden
Seiten des Rohres angeordnet sind. Diese Ausführungsform bietet sich an,
wenn die wenigstens eine LDA-Messsonde
im Vorwärtsstreuverfahren
arbeitet.
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In
einer kostengünstigen
Ausführungsform ist
genau eine LDA-Messsonde, ein Strahlteiler und eine Umlenkoptik
(z. B. Umlenkspiegel oder Lichtleiter) vorgesehen, die angeordnet
sind, um die Laserstrahlen der LDA-Messsonde durch die beiden nicht parallel
zueinander angeordneten Fenster in die Messkammer einzukoppeln.
Die Kosten für
eine zweite LDA-Messsonde entfallen somit.
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Zweckmäßig erfolgt
das Umspülen
des Rohres von dem Fluid durch ein Bypass-System, das in der Messkammer vorgesehen
ist.
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In
einer besonderen Ausführungsform
weist die Messanordnung wenigstens eine LDA-Messsonde mit einem
Neodym-YAG-Laser auf. In einer anderen Ausführungsform kann die Messanordnung
wenigstens eine LDA-Messsonde mit einem Diodenlaser aufweisen.
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Zweckmäßig wird
die wenigstens eine LDA-Messsonde mittels motorangetriebener Verschiebetische
verschoben. Die Verschiebetische können beispielsweise durch elektrische
Linearmotoren angetrieben werden. Elektrische Linearmotoren bieten
sich an, da sie eine sehr genaue Ansteuerung ermöglichen. Zudem eignen sie sich
besonders für die
Ansteuerung durch einen Computer, was die Automatisierung des Messverfahrens
bzw. der Messanordnung begünstigt.
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In
einer besonderen Ausführungsform
ist die Messanordnung modular aufgebaut. Ein modularer Aufbau ermöglicht die
einfache Reparatur einerseits sowie die Anpassung an unterschiedliche
Rohrquerschnitte andererseits. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass
Rohre mit unterschiedlichen Rohrdurchmessern in die Messanordnung
eingesetzt werden können,
um eine lücken-
und versatzlose Anpassung an unterschiedliche Rohrdurchmesser vornehmen
zu können.
Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn die Messanordnung zur Vor-Ort-Kalibrierung
von Durchfluss- und Volumenmessgeräten verwendet werden soll.
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Die
Erfindung wird anhand der in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch ein Rohr mit benachbarten Fenstern;
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2 einen
Querschnitt durch das Rohr aus 1;
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3 eine
geschnittene Teilansicht durch ein Rohr mit einem benachbarten Fenster;
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4 eine
weitere geschnittene Teilansicht durch ein Rohr mit benachbartem
Fenster;
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5 einen
Längsschnitt
einer erfindungsgemäßen Messanordnung.
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In 1 ist
ein Rohr 1 einer erfindungsgemäßen Messanordnung dargestellt.
Das Rohr 1 ist versatz- und lückenlos in ein Rohrleitungssystem
eingesetzt. Hierzu weist es denselben Innendurchmesser wie das Rohrleitungssystem
auf, damit die Strömung
im Inneren 2 des Rohres 1 durch den Einsatz des
Rohres 1 nicht gestört
wird. Die Strömung
wird durch ein strömendes
Fluid, hier eine Flüssigkeit, hervorgerufen.
Die Flüssigkeit
strömt
in positiver Z-Richtung, d.h. in der Figur von oben nach unten. Bei
der Flüssigkeit
handelt es sich um eine Licht streuende Flüssigkeit oder der Flüssigkeit
sind Licht streuende Partikel zugesetzt. Das Rohr 1 ist
aus Quarzglas hergestellt. Links und rechts neben dem Rohr 1 sind
zwei planparallele Glasfenster 3 parallel zur Längsachse
des Rohres 1 angeordnet. Die Fenster haben eine quadratische
Querschnittsfläche
und sind ebenfalls aus Quarzglas hergestellt. Selbstverständlich sind
auch Fenster mit anderen Querschnittsflächen, beispielsweise kreisförmige oder ovale,
geeignet. Die größte Ausdehnung
der Fenster 3, hier also die Länge einer Seitenkante, ist
deutlich größer als
der Durchmesser des Rohres 1. Hierdurch ist es möglich, die
gesamte Querschnittsfläche
messtechnisch zu erfassen. Die Fenster 3 sind mit einem geringen
Abstand 4 von der Außenwand 5 des
Rohres 1 angeordnet. Durch den Abstand 4 bildet
sich um das Rohr 1 herum eine Kammer 6, durch
die die Flüssigkeit
mittels eines Bypass-Systems (vgl. 5) hin durchgeführt werden
kann. Die Flüssigkeit in
der Kammer 6 bewirkt zum einen, dass das Rohr 1 druckentlastet
ist, da innerhalb und außerhalb
des Rohres 1 dasselbe Gas unter vergleichbaren hydrodynamischen
Verhältnissen
strömt.
Die Flüssigkeit
in der Kammer 6 bewirkt einerseits die Anpassung der Brechungsindizes.
Andererseits werden durch die Druckentlastung Spannungen in dem
Rohr 1 vermieden, die sich nachteilig auf die optischen
Eigenschaften des Rohres 1 auswirken können.
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In
der 1 ist ein raumfestes Koordinatensystem 7 mit
den Achsen X, Y und Z definiert. Die Z-Achse fällt mit der Rohrmittelachse 8 zusammen. Die
X- und die Y-Achse
spannen eine Ebene auf, die senkrecht zur Z-Achse angeordnet ist.
In der X-, Y-Ebene liegt die Querschnittsebene 9, in der
die Geschwindigkeitsverteilungen der Strömung gemessen werden sollen.
Bei dem Koordinatensystem 7 handelt es sich um ein kartesisches
Koordinatensystem.
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In
der Querschnittsebene 9 ist eine Mehrzahl an Messpunkten
beliebig vorgegeben. Von diesen Messpunkten ist ein Messpunkt 10 beispielhaft
gezeigt. In diesen Messpunkt 10 sind zwei Laserstrahlen 11 eines
Lasers, beispielsweise eines Neodym-YAG-Lasers, fokussiert. Die Laserstrahlen 11 kommen
von einem LDA, dessen optische Achse 12 als Symmetrieachse
zwischen den Laserstrahlen 11 definiert ist.
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Die
Laserstrahlen 11 interferieren in dem Messpunkt 10 miteinander.
Das Interferenzstreifenmuster liegt in der durch die Laserstrahlen 11 aufgespannten
Ebene senkrecht zur optischen Ebene 12, in diesem Fall
also parallel zur Rohrmittelachse 8. Mit einer LDA-Messsonde
kann die Geschwindigkeit eines reflektierenden Teils in Richtung
des Interferenzstreifenmusters, also senkrecht zu den Interferenzstreifen,
bestimmt werden. Im vorliegenden Fall ist es die axiale Geschwindigkeitskomponente
w. Damit die Bestimmung der Geschwindigkeit w richtungsabhängig, d.h.
positiv in Richtung Z-Achse und negativ in negativer Z-Richtung
bestimmt werden kann, weist die LDA-Messsonde einen akusto-optischen
Modulator, im vorliegenden Fall eine Bragg-Zelle, auf.
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Die
Positionierung der LDA-Messsonde derart, dass die Laserstrahlen 11 genau
innerhalb des Messpunkts 10 miteinander interferieren,
um dort die axiale Geschwin digkeit w der Strömung zu messen, erfolgt über eine
geeignete dreidimensionale Strahlverfolgungsrechnung, die mit einer
Rückwärtsrechnung
arbeitet. Bei dieser Strahlverfolgungsrechnung wird der auszumessende
Messpunkt 10 vorgegeben, und mit Hilfe eines iterativen
Verfahrens werden die Laserstrahlen unter Beachtung optischer Gesetze zurückverfolgt,
um so die Position der LDA-Messsonde bzw. die Koordinaten der für die Verschiebung
der LDA-Messsonde eingesetzten motorgesteuerten Verschiebetische
zu bestimmen.
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Die über die
Querschnittsebene 9 vorgegebenen Messpunkte werden hinsichtlich
der axialen Geschwindigkeitskomponente w ausgemessen. Hierzu wird
für jeden
einzelnen Messpunkt 10 die richtige LDA-Position bestimmt.
Die Verschiebung der LDA-Messsonde
erfolgt nur in X- und Y-Richtung. Ein Verkippen der optischen Achse 12 der LDA-Messsonde
ist im Gegensatz zu herkömmlichen optischen
Messverfahren nicht erforderlich.
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Die
LDA-Messsonde arbeitet im Vorwärtsstreuverfahren.
Hierzu ist ein zweites, parallel angeordnetes Fenster auf der gegenüberliegenden
Seite des Rohres 1 erforderlich. Selbstverständlich kann die
LDA-Messsonde auch im Rückstreuverfahren eingesetzt
werden. Dann könnte
auf eines der Fenster 3 verzichtet werden, da das Einkoppeln
der Laserstrahlen 11 und das Auskoppeln der Streustrahlung durch
ein und dasselbe Fenster erfolgen würden.
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In 2 ist
das Rohr 1 aus 1 im Querschnitt dargestellt.
Es ist zu erkennen, dass vier Fenster 3 um das Rohr 1 angeordnet
sind. Jeweils zwei Fenster 3 sind auf gegenüberliegenden
Seiten des Rohres 1 parallel zueinander angeordnet. Die Z-Achse zeigt aus der
Figurenebene heraus.
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Die
Laserstrahlen 13 werden durch dasselbe Fenster 3 wie
in 1 in die Strömung
eingekoppelt. Es ist jedoch zu erkennen, dass die LDA-Messsonde in
diesem Fall um 90° um
dessen optische Achse 12 im Gegensatz zu 1 gedreht
worden ist. Hierdurch ist es möglich,
mit Hilfe derselben LDA-Messsonde ohne Verkippen der optischen Achse 12 neben der
axialen Geschwindigkeitskomponente w zusätzlich die Geschwindigkeitskomponente
vy zu messen.
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Um
die Geschwindigkeitskomponente vx zu messen,
wird die optische Achse 12 um 90° um die Z-Achse in die Position 14 gedreht,
so dass dessen Laserstrahlen 15 von unten (oder oben) in
den Messpunkt 15 fokussiert werden. Auch zur Bestimmung der
Geschwindigkeitskomponenten vx über sämtliche Messvolumina 15 in
der Querschnittsebene 9 ist lediglich eine zweidimensionale
lineare Verschiebung der LDA-Messsonde
in der XY-Ebene erforderlich. Ein Verkippen der optischen Achse 12 findet
nicht statt.
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In 3 ist
der Verlauf eines Laserstrahls 16 für die Messung der axialen Geschwindigkeitskomponente
w unter Beachtung der optischen Brechungsgesetze dargestellt. Bei
Betrachtung der Winkel ist zu beachten, dass die Laserstrahlen 16 in
die Schnittebenen projiziert worden sind, so dass die Winkel nicht die
tatsächlichen
Winkel wiedergeben.
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Im
oberen Teil der 3 ist eine Teildraufsicht gezeigt,
mit der Achse 17 als Symmetrieachse. Im unteren Teil der 3 ist
eine Teilquerschnittsansicht mit dem Laserstrahl 16 dargestellt,
mit der Achse 18 als Symmetrieachse. Die Laserstrahlen 16 werden
in den Messpunkt 18 fokussiert, um in diesem Messpunkt 18 die
axiale Geschwindigkeitskomponente w zu bestimmen.
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Die
Laserstrahlen 16 werden über das Fenster 19 eingekoppelt.
Das Fenster 19 weist eine äußere Oberfläche 20 und eine innere
Oberfläche 21 auf.
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Die
Umgebung 22 hat einen kleineren Brechungsindex als das
Fenster 19. Aus diesem Grunde erfolgt die Brechung des
Laserstrahls 16 an der äußeren Oberfläche 20 des
Fensters 19 zur Fensternormalen 23 hin. In der
Kammer 24 befindet sich das gasförmige Fluid, das auch im Rohrinneren 25 vorhanden
ist. Das Fluid hat einen kleineren Brechungsindex als das Fenster 19.
Aus diesem Grunde erfolgt die Brechung der an der inneren Oberfläche 21 des Fensters 19 von
der normalen 23 weg. Das Rohr 26 hat einen größeren Brechungsindex
als das Fluid. Aus diesem Grunde erfolgt die Brechung an der äußeren Oberfläche 27 des
Rohres 26 zur Rohrnormalen 28 hin. An der inneren
Oberfläche 29 des
Rohres 26 erfolgt wiederum eine Brechung von der Normalen 30 des
Rohres 26 weg, da der Brechungsindex des Fluids größer als
der Brechungsindex des Rohres 26 ist (aufgrund der Projektion
in die Schnittebene nicht zu erkennen).
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In 4 ist
eine Querschnitt-Teilansicht für die
Messung einer in der Querschnittsebene liegenden Geschwindigkeitskomponente
dargestellt. Die Achse 31 ist Symmetrieachse, auf der der
Messpunkt 32 liegt. Die 4 lässt erkennen,
wie der Laserstrahl 33 aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes
an den einzelnen Grenzflächen 33, 34, 35, 36 gebrochen
wird.
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In 5 ist
eine Messkammer 37 einer erfindungsgemäßen Messanordnung dargestellt.
Nicht dargestellt sind die LDA-Messsonden sowie die Positioniereinrichtungen.
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Die
Messkammer 37 weist zwei Anschlussflansche 38 auf,
mit der die Messkammer 37 an ein Rohrleitungssystem angeschlossen
werden kann.
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Die
Messkammer 37 weist ein Glasrohr 39 mit variierbarem
Durchmesser auf. Das Glasrohr 39 wird an seinen Enden jeweils
durch einen Halteflansch 40 gehalten. Die Halteflansche 40 für das Glasrohr 39 sind
an den Durchmesser des Glasrohres 39 anpassbar. Durch den
variierbaren Durchmesser des Glasrohres 39 kann das Glasrohr 39 bzgl. des
Innendurchmessers an das Rohrleitungssystem angepasst werden, so
dass ein axialer und radialer Versatz vermieden wird. Die Messkammer 37 weist vier
Schächte 41 auf,
die im gleichmäßigen Abstand um
das Glasrohr 39 herum angeordnet sind. An den äußeren Enden
der Schächte 41 sind
planparallele Schauglasplatten angebracht, die von geeigneten Flanschen 43 gehalten
werden. Die Schauglasplatten dienen zum Einkoppeln der Laserstrahlen
und zum Auskoppeln der gestreuten Strahlung mit den Messinformationen.
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Um
das Glasrohr 39 herum ist eine Kammer 44 angeordnet,
die über
ein Bypass-System 45 mit dem
Rohrleitungssystem in Verbindung steht.
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Für eine sichere
Verbindung sind in den Anschluss- und Halteflanschen 38, 40 Bohrungen 46 vorgesehen,
durch die geeignete Schrauben geführt werden können. Es
ist auch möglich,
dass die Bohrungen bzw. ein Teil der Bohrungen mit Gewinden versehen
sind.
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Die
Messkammer besteht abgesehen von den Glasbauteilen zweckmäßig aus
einem geeigneten Metall, vorzugsweise aus Edelstahl oder eloxiertem
Aluminium.