DE102006041279A1

DE102006041279A1 - Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der Größe eines Teilchens mittels einer für die Laser-Doppler-Velocimetrie geeigneten Anordnung

Info

Publication number: DE102006041279A1
Application number: DE102006041279A
Authority: DE
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2006-09-02
Filing date: 2006-09-02
Publication date: 2008-03-06
Also published as: DE102007052795A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der Größe eines Teilchens mittels einer für die Laser-Doppler-Velocimetrie (LDV) geeigneten Anordnung. Als funktionsgleich zu einem LDV gilt hier eine Anordnung, die hinsichtlich der Erzeugung des Interferenzstreifenmusters und der Signalerfassung eine wesentliche Übereinstimmung mit einem LDV aufweist. Im Unterschied zu bekannten Lösungen wird bei der vorliegenden Erfindung kein zusätzliches Bauteil benötigt, um neben der Geschwindigkeit auch die Teilchengröße zu bestimmen und es können in-situ Messungen außerhalb des Labors durchgeführt werden. Zur Größenbestimmung wird lediglich auf Signalinformationen zurückgegriffen, die bei der LDV sowieso vorliegen. Hierzu wird in dem niederfrequenten Anteil des Sensorsignals die Lage eines Hauptmaximums und eines oder zweier dem Hauptmaximum benachbarter Nebenmaxima ermittelt, wobei das Hauptmaximum dadurch identifizierbar ist, dass es einen vorgegebenen Amplitudenwert überschreitet und dem Zeitpunkt zugeordnet ist, zu dem die Mitte des Teilchens die das Teilchen beleuchtenden Laserstrahlen passiert. Die ein oder zwei Nebenmaxima sind dadurch identfizierbar, dass sie einen vorgegebenen Amplitudenwert überschreiten und den Zeitpunkten zugeordnet sind, zu denen die Phasengrenzflächen des Teilchens die das Teilchen beleuchtenden Laserstrahlen passieren. Aus dem zeitlichen Abstand der beiden Nebenmaxima oder dem doppelten zeitlichen Abstand von ...

Description

Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der Größe eines Teilchens mittels einer für die Laser-Doppler-Velocimetrie geeigneten Anordnung. Eine Anordnunggilt hier als für die Laser-Doppler-Velocimetrie geeignet, wenn sie hinsichtlich der Erzeugung des Interferenzstreifenmusters und der Signalerfassung eine wesentliche Übereinstimmung mit einem Laser-Doppler-Velocimeter aufweist. Das Laser-Doppler-Velocimeters (LDV) und die dazu funktionsgleiche Anordnung werden nachfolgend abkürzend als LDV bezeichnet. Unter dem Begriff Teilchen sind sowohl Feststoffteilchen als auch Blasen und Tropfen zu verstehen, solange sie eine annähernd sphärische Gestalt haben. Das Verfahren ist insbesondere geeignet für in-situ Feldmessungen in Strömungen, Sprays und für Regenuntersuchungen.
Stand der Technik
Das LDV besteht aus einem Dauerstrich-Laser und einer Optik, die dafür sorgt, dass der Laserstrahl in zwei Strahlen mit gleicher Intensität aufgeteilt wird, diese sich an dem Messort kreuzen, wodurch hier ein Interferenzstreifenmuster, das so genannte Messvolumen gebildet wird und die beim Passieren von Tracer-Teilchen durch das Messvolumen entstehenden Streulichtwechsel von einem Fotosensor erfasst werden können. Die Frequenz der Intensitätswechsel, die durch die hellen und dunklen Streifen im Interferenzstreifenmuster hervorgerufen werden, multipliziert mit dem bekannten Streifenabstand, ergibt die Strömungsgeschwindigkeit der Teilchen. Dass das Laser-Doppler-Signal an sich auch für die Bestimmung der Teilchengröße verwendet werden kann, ist bisher nicht bekannt. Dafür werden entweder durch mindestens einen Fotosensor erweiterte LDV-Systeme (PDA) verwendet oder andere optische Messverfahren.
Eine gute Beschreibung des Standes der Technik liefert [1], wonach die bekannten Verfahren zur Bestimmung der Teilchengröße in zwei Kategorien eingeteilt werden können: Integralverfahren, wie z.B. Beugungsspektrometer und Zählverfahren, wie z.B. die Phasen-Doppler-Messtechnik [2, 3].
Integralverfahren messen die gesamte Verteilung der Partikelgrößen, ordnen den Einzelteilchen jedoch keine konkreten Durchmesserwerte zu. Zählverfahren detektieren und messen einzelne Partikel, in der Regel bei gleichzeitiger Geschwindigkeitsmessung, so dass neben Verteilungsfunktionen der Teilchengröße auch Korrelationen zur Geschwindigkeit sowie integralen Strömungsgrößen vorgenommen werden können. Hier soll nur auf die Zählverfahren eingegangen werden, denn zu denen ist auch die erfindungsgemäße Lösung zu zählen.
Das Phasen-Doppler-Anemometer (PDA) besteht im Grunde aus einem LDV mit mindestens einer zusätzlichen Empfangsoptik, um aus der Phasenverschiebung, der Signale zweier Empfänger auf die Krümmung und damit den Durchmesser der Teilchen schließen zu können. Der Nachteil besteht neben dem erhöhten technischen Aufwand darin, dass verschiedene Bedingungen für die Bestimmung der Partikelgröße vorausgesetzt werden. Das empfangene Streulicht darf nur von einer Streulichtordnung herrühren und es darf sich jeweils nur ein Partikel im Messvolumen aufhalten, weshalb das PDA-Verfahren ein räumlich sehr kleines Messvolumen voraussetzt. Außerdem ist die messbare Teilchengröße nach oben hin sehr begrenzt.
Ein weiteres optisches Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit von Tracer-Teilchen ist die Particle-Image-Velocimetrie (PIV) [4], die jedoch nicht zur Teilchengrößenbestimmung geeignet ist. Diese Messaufgabe kann mit dem Planar Interferometric Imaging (PII) gelöst werden, dass auch unter anderen Namen bekannt ist z.B. [5, 6]. Es nutzt die Interferenz zweier Streuordnungen der Lorenz-Mie-Streuung von kleinen Partikeln, um dadurch deren Größe zu bestimmen. Streulichtquelle ist ein in der Strömung aufgespannter Laserlichtschnitt. Eine CCD-Kamera wird außerhalb der Bildebene der Aufnahmeoptik positioniert, so dass die einzelnen Teilchen nicht im Fokus erscheinen. Es entsteht ein Interferenzstreifensystem im Raum. Der Umriss des Teilchens ist erkennbar und es kann die Anzahl der darin enthaltenen Interferenzstreifen als Maß für den Partikeldurchmesser ermittelt werden. Einige Nachteile dieses Verfahrens werden mit der Offenlegungsschrift [1] aufgehoben. Es bleiben aber die Nachteile, dass für eine zusätzliche Geschwindigkeitsmessung der Teilchen ein teurer gepulster Laser benötigt wird, der Messaufbau zu kompliziert ist für die Durchführung von Feldmessungen, der Messbereich auf relativ kleine Teilchendurchmesser beschränkt ist, die Handhabung spezielles Wissen verlangt und die Bildauswertung nur nachträglich durchgeführt werden kann.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messverfahren zu entwickeln, mit dem es unter Verwendung einer für die Laser-Doppler-Velocimetrie (LDV) geeigneten Anordnung und unter Verzicht auf die bei einem PDA übliche Phasenmessung möglich ist, sowohl die Geschwindigkeit als auch die Größe von Teilchen zu bestimmen, die größer sind als der Messvolumendurchmesser des LDV, wobei die Erfindung insbesondere für in-situ Feldmessungen verwendbar sein soll.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Hinsichtlich der im Verfahren verwendeten Anordnung, die für die Laser-Doppler-Velocimetrie geeignet sein soll, gilt, dass der bei kommerziellen Geräten vorhandene Prozessor nicht zwingend benötigt wird, da für die weitere Auswertung die Rohsignale verwendet werden, die von dem Sensor erzeugt werden, der den zeitlichen Intensitätsverlauf des Streulichts erfasst. Die verwendete Anordnung ist bevorzugt in Rückwärtsstreuung aufgebaut.
Ein Rohsignal besteht aus einem hochfrequenten Anteil, dem die Geschwindigkeitsinformation entnommen wird, und einem niederfrequenten Anteil dem sogenannten Gleichanteil oder Pedestal. Dieser niederfrequente Anteil weist innerhalb eines Signals, dessen zeitliche Länge der Dauer des Durchganges des Teilchens durch das Messvolumen entspricht, ganz bestimmte Charakteristika auf in Abhängigkeit von der Größe und vom Aggregatzustand. Prinzipiell kann mittels der Amplitude des niederfrequente Anteils zwischen Tracer-Teilchen, die die Strömung diskretisieren sollen (kleine Amplitude) und größeren Teilchen (große Amplitude) unterschieden werden. Die zeitliche Länge des niederfrequente Anteils ist allein nicht ausreichend zur Bestimmung des Durchmessers des Teilchens, da diese auf Grund der ellipsoiden Gestalt des Messvolumens auch davon abhängt, an welcher Stelle das Teilchen das Messvolumen passiert.
Im zeitlichen Verlauf des niederfrequenten Anteils des Signals sind 3 Maxima zu erwarten, zwei äußere Nebenmaxima rühren vom Durchgang der Phasengrenzflächen des Teilchens durch das Messvolumen her, das zwischen den Nebenmaxima gelegene Hauptmaximum rührt von der Reflexion der Laserstrahlen auf der den Laserstrahlen zugewandten Seite der Teilchenoberfläche her. Dieser Reflexionspunkt sollte in der Mitte des sphärischen Teilchens liegen, um eine genaue Zuordnung des mitteleren Peaks zur Lage des Teilchens relativ zum Messvolumen zu haben. Dieses Hauptmaximum kann bei sehr großen Teilchen im Vergleich zur Größe des Messvolumens in zwei Maxima zerfallen, wenn durch eine Vorverlagerung des den Strahlen zugewandten Abschnittes der Teilchenoberfläche die Reflexionspunkte der beiden Strahlen räumlich getrennt sind.
Generell werden die zeitlichen Abstände der Maxima oder ihre Dauer für die Ermittlung der Teilchengröße genutzt. Dabei kommt ein einfaches Messwerterfassungssystem zum Einsatz und eine Software, die wunschgemäß synchron zur Datenerfassung auch die Signalverarbeitung durchführt. Zu den Hauptkomponenten dieser Software gehören die Signalfilterung und – trennung, eine Schmitt-Trigger-Schaltung, eine Fast – Fourier-Transformation, eine Zeitmessung, einige logische Verknüpfungen und grafische Komponenten zur Darstellung der Messergebnisse.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörigen Figuren zeigen:
1: ein allgemein bekanntes Beispiel für ein unbearbeitetes Sensorsignal mit hochfrequentem Anteil und niederfrequentem Anteil,
2: ein Beispiel für den Verlauf des niederfrequenten Anteil des Sensorsignals beim Durchgang eines Tropfens durch das Messvolumen,
3: ein Beispiel für den Verlauf des hochfrequenten Anteils des Sensorsignals beim Durchgang eines Tropfens durch das Messvolumen,
4: eine schematische Darstellung des Laserstrahlenganges an der Vorderseite eines Tropfens (Reflexion) als Ursache für die hohe Amplitude des Hauptmaximums im mittleren Bereich des niederfrequentem Anteils des Sensorsignals,
5: das Blockschaltbild für eine Ausführungsform der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Messwerterfassung und – verarbeitung im online-Modus,
6: eine grafische Darstellung von Signalverläufen und Messergebnissen anhand eines Screenshots,
7: ein Beispiel für Histogramme der Geschwindigkeits- und Durchmesserverteilung.
Das Ausführungsbeispiel beschreibt die Messung der Geschwindigkeit und der Größe eines nahezu sphärischen Tropfens, dessen Durchmesser größer ist als der des Messvolumens. Analog können auch Blasen in Flüssigkeiten und Feststoffteilchen in Gasen oder Flüssigkeiten mit der erfindungsgemäßen Lösung vermessen werden, was bereits nachgewiesen wurde.
Es werden zwei Laserstrahlen benötigt, die sich am Messort kreuzen und dort ein Interferenzstreifenmuster, das so genannte Messvolumen bilden. Durch dieses Messvolumen fällt der Tropfen und streut das Laserlicht während des Messvolumendurchganges mit zeitlich unterschiedlicher Intensität. Das Streulicht wird von einem Fotosensor empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das so entstehende Sensorsignal besteht aus einem hochfrequenten Anteil und einem niedrigfrequenten Anteil, dem so genannten Pedestal, das hier wie allgemein bekannt dargestellt ist. 1 zeigt einen idealisierten zeitlichen Verlauf des Sensorsignals für den Fall, dass das Teilchen kleiner ist als der Messvolumendurchmesser, aber größer als der Streifenabstand im Interferenzstreifenmuster.
Aus dem hochfrequenten Anteil des Sensorsignals wird, wie bei der LDV üblich, die Geschwindigkeit des Tropfens ermittelt. Der niedrigfrequenten Anteil des Sensorsignals besitzt aber bei Teilchen, die größer sind als der Messvolumendurchmesser, den in 2 dargestellten Verlauf. Links sind ein zwischen zwei Nebenmaxima gelegenes Hauptmaximum zu erkennen. Das erste Nebenmaximum entsteht durch das Eintreten und Durchqueren der in Fallrichtung vorderen Phasengrenzfläche zwischen dem dispersen Tropfen und dem umgebenden kontinuierlichen Medium. In diesem Bereich gibt es auch ein hochfrequentes Lasersignal, siehe 3. Dieses wird unterbrochen, wenn der Tropfen das Messvolumen umschlossen hat, und auch der Gleichanteil nimmt einen sehr kleinen Wert an. Ein Hauptmaximum mit mit starker Amplitude wird hervorgerufen, wenn die Mitte der den Laserstrahlen zugewandten Seite des Tropfens die Laserstrahlen erreicht und somit eine starke Reflexion entsteht, wie aus 4 ersichtlich ist. Das zweite Nebenmaximum und ein weiteres hochfrequentes Signal werden durch die hintere Phasengrenzfläche verursacht. In einigen Fällen treten nur ein Haupt- und ein Nebenmaximum auf, wie in 2 rechts gezeigt.
Für die Messwertübertragung vom Fotosensor und die Messwertverarbeitung werden neben einem minimal ausgestatteten PC mit internem oder externem A/D-Wandler keine weiteren Hardware-Komponenten benötigt. Der Programmflussplan für die Software des Ausführungsbeispiels ist in 5 dargestellt.
Das Programm besteht aus den drei Hauptgruppen:

a) Einlesen der Messwerte, was sowohl vom A/D-Wandler als auch aus dem PC-Speicher erfolgen kann. Hier erfolgt eine Trennung des Sensorsignals in den hochfrequenten und den niederfrequenten Signalanteil. Der hochfrequente Anteil wird, wie bekannt, für die Bestimmung der Tropfen-Geschwindigkeit genutzt. Der niederfrequente Anteil des Sensorsignals wird, wie nachfolgend beschrieben, ausgewertet und zusammen mit der Geschwindigkeitsinformation für die Durchmesserbestimmung des Tropfens verwendet.
b) Bei der Messwertverarbeitung wird zunächst mittels einer Schmitt-Trigger-Schaltung das aus der Reflexion resultierende Hauptmaximum des niederfrequenten Signalanteils gesucht und von dort aus eine Maske über den hochfrequenten Signalanteil gelegt. Nach Durchlaufen eines Filters wird mit Hilfe einer Fast Fourier-Transformation (FFT) die Geschwindigkeit des Tropfens berechnet, wobei die auszuwertenden Signale bestimmte Qualitätsmerkmale aufweisen müssen, um nicht verworfen zu werden. Gleichzeitig wird im niederfrequenten Anteil des Sensorsignals nach weiteren benachbarten Nebenmaxima gesucht, die einen bestimmten Amplitudenwert aufweisen müssen. Mit mindestens einem Nebenmaximum, das im erwarteten Bereich liegt, kann die Durchgangszeit des Tropfens durch das Messvolumen bestimmt und zusammen mit dem bereits ermittelten Geschwindigkeitswert der Tropfendurchmesser berechnet werden. Sind zwei benachbarte Nebenmaxima vorhanden, ergibt sich die Durchgangszeit aus dem zeitlichen Abstand dieser Nebenmaxima. Oft lässt sich nur ein benachbartes Nebenmaximum finden, dann wird der zeitliche Abstand zwischen diesem und dem Hauptmaximum ermittelt und dieser zeitliche Abstand verdoppelt, um die Durchgangszeit zu bestimmen.
c) Die Ergebnisdarstellung soll für den Anwender aussagekräftige Werte aufzeigen, wie z.B. in dem Screenshot in 6 das FFT-Ergebnis und die Signalverläufe des hochfrequenten und des niederfrequenten Signalanteils, die die Qualität der Signale wiedergeben, und die in 7 gezeigten Histogramme für Geschwindigkeit und Durchmesser.

Referenzen

[1] DE 35 90 723 C2
[2] DE 690 29 723 T2
[3] DE 699 04 606 T2
[4] DE 199 54 702 A1
[5] König, G.; Anders, K.; Frohn, A.: A new light scattering technique to measure the diameter of periodically generated moving droplets. Int. Aerosol Sci, 17(2), 1986, 157–167
[6] Glower, A.R.; Skippon, S.M.; Boyle, R.D.: Interferometric laser imaging for droplet sizing: a method for droplet-size measurement in soarse spray systems. Appl. Optics, 34(36), 1995, 8409–8421

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der Größe eines Teilchens mittels einer für die Laser-Doppler-Velocimetrie geeigneten Anordnung, bei dem mittels eines Sensors der zeitliche Intensitätsverlauf des Streulichts erfasst wird, das von dem Teilchen während seines Durchgangs durch ein Messvolumen emittiert wird, welches von den das Teilchen beleuchtenden Laserstrahlen gebildet wird, und sodann a. das Sensorsignal in an sich bekannter Weise in einen hochfrequenten und einen niederfrequenten Anteil getrennt wird, b. aus dem hochfrequenten Anteil des Sensorsignals die Geschwindigkeit des Teilchens in an sich bekannter Weise ermittelt wird, c. in dem niederfrequenten Anteil des Sensorsignals die Lage eines Hauptmaximums und eines oder zweier dem Hauptmaximum benachbarter Nebenmaxima ermittelt wird, wobei das Hauptmaximum dadurch identifizierbar ist, dass es einen vorgegebenen Amplitudenwert überschreitet und dem Zeitpunkt zugeordnet ist, zu dem die Mitte des Teilchens die das Teilchen beleuchtenden Laserstrahlen passiert, und die ein oder zwei Nebenmaxima dadurch identifizierbar sind, dass sie einen vorgegebenen Amplitudenwert überschreiten und den Zeitpunkten zugeordnet sind, zu denen die Phasengrenzflächen des Teilchens die das Teilchen beleuchtenden Laserstrahlen passieren, d. aus dem zeitlichen Abstand der beiden Nebenmaxima oder dem doppelten zeitlichen Abstand von Hauptmaximum und einem Nebenmaximum die Durchgangszeit des Teilchens durch das Messvolumen bestimmt und aus dieser Durchgangszeit sowie der in Verfahrensschritt b) ermittelten Geschwindigkeit die Größe des Teilchens berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei sehr großen Teilchen im Vergleich zur Messvolumengröße, die so das Messvolumen durchqueren, dass auf dem den Strahlen zugewandten Abschnitt der Teilchenoberfläche zwei räumlich getrennte Reflexionspunkte entstehen, wodurch das Hauptmaximum zweigeteilt ist, die Mitte zwischen diesen beiden Maxima gesucht und für die Auswertung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Schmitt-Trigger-Schaltung das Hauptmaximum im niederfrequenten Anteil des Sensorsignals gesucht, von dort aus eine Maske über den hochfrequente Anteil des Sensorsignals gelegt wird und nach Durchlaufen eines Filters mit Hilfe einer Fast Fourier-Transformation die Geschwindigkeit des Teilchens berechnet wird.