DE102007052795A1 - Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der Größe von Teilchen mittels einer für die Laser-Doppler-Velocimetrie geeigneten Anordnung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der Größe von Teilchen mittels einer für die Laser-Doppler-Velocimetrie (LDV) geeigneten Anordnung. 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 Amplidutenwert überschreitet und dem Zeitpunkt zugeordnet ist, zu dem die Mitte des Teilchens die das Teilchen beleuchtenden Laserstrahlen passiert wird. Die ein oder zwei Nebenmaxima sind dadurch identifizierbar, 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 Hauptmaximum und einem Nebenmaximum wird die Durchgangszeit des Teilchens durch das Messvolumen bestimmt und aus dieser Durchgangszeit sowie der Teilchengeschwindigkeit die Größe des Teilchens berechnet. ...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der Größe von Teilchen mittels einer für die Laser-Doppler-Velocimetrie geeigneten Anordnung. Eine Anordnung gilt 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-Velocimeter (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.
  • 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 sogenannte 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 bekannt, bisher aber auf Grundlagenuntersuchungen beschränkt. In der Praxis 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, sodass 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 Teilchengrößen-bestimmung geeignet ist. Diese Messaufgabe kann mit dem Planar Interferometric Imaging (PII) gelöst werden, das auch unter anderen Namen bekannt ist, z. B. [5, 6, 7, 8]. 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, sodass 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 in [1] angegebenen Lösung 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.
  • Möglichkeiten für die Bestimmung der Partikelgröße mittels herkömmlicher LDV-Messeinrichtungen sind in [9]–[13] erwähnt. In [9] ist angegeben, dass beim Blasendurchgang durch das Messvolumen LDV-Signale entstehen, die auch für die Bestimmung des Blasendurchmessers verwendet werden können. Auf die praktische Realisierung wird nicht weiter eingegangen. In [10] wurde ein Laser-Doppler-Velocimeter in Vorwärtsstreuung aufgebaut, um die Geschwindigkeit und den Durchmesser aufsteigender Blasen in einer Blasensäule zu bestimmen, deren Durchmesser zwischen 0,25 mm und 1 mm lag. Das Entstehen der drei Peaks der durch einen Hoch- und einen Tiefpassfilter geleiteten Doppler-Signale wurde erläutert. Die Frequenz im mittleren Peak wurde zur Geschwindigkeitsmessung herangezogen, der zeitliche Abstand zwischen den Neben-Peaks zur Durchmesserbestimmung. In einem engen Durchmesserbereich konnten hiermit unter idealen Bedingungen Abweichungen in der Durchmesserbestimmung von 2,5% (0,25 mm) und 10% (1 mm) erreicht werden. Der verwendete Aufbau in Vorwärtsstreuung ist für Feldmessungen ebenso ungeeignet wie der oben erwähnte PDA-Aufbau.
  • Die letztgenannte Literaturstelle [10] bezieht sich u. a. auf den Artikel [11], in dem ausgesagt wird, dass die Anwendung des Messsystems auf einen maximalen Tropfendurchmesser beschränkt ist, der dem Messvolumendurchmesser entspricht (ca. 1 mm) und voraussetzt, dass sich die Tropfen senkrecht zur optischen Achse durch das Messvolumen bewegen.
  • In [12] wird unter Verweis auf die in [11] vorgeschlagene Auswertung des tiefpassgefilterten Sensorsignals die Möglichkeit zur Durchmesserabschätzung von in ruhender Flüssigkeit aufsteigenden Blasen im Durchmesserbereich von 0,1 bis 1 mm aufgezeigt. In [13] wird die Anwendbarkeit der LDV für Durchmesserbestimmungen für die Fälle untersucht, dass sich die Blasen nicht zentral durch das Messvolumen bewegen und sich mehr als eine Blase während der Messung im optischen Pfad befindet. Die Blasengeschwindigkeit war unabhängig von der Lage des Blasenzentrums. Der gemessene Blasendurchmesser wurde durch eine Abweichung des Mittelpunktes von der optischen Achse in Querrichtung nicht beeinflusst, wohl aber durch eine Verlagerung des Mittelpunktes in Richtung der optischen Achse. Durch gezielte gleichzeitige Zugabe von mehreren Blasen über eine bestimmte Fläche wurde herausgefunden, dass Messungen bis zu einem Gasvolumenanteil von 1% möglich sind.
  • Die Auswertung der oben angeführten Quellen führt zu dem Schluss, dass der Durchmesser mithilfe eines standardmäßigen LDV nur bei solchen Teilchen gemessen werden kann, deren Durchmesser größer ist als der Messvolumendurchmesser und kleiner als die Messvolumenlänge (dMV < Dtropfen < IMV). Das Triele-Peak-Verfahren wurde bisher nur zur Bestimmung des Durchmessers bei kleineren Tropfen, hauptsächlich aber kleineren Blasen, erfolgreich angewendet. Es bestehen Zweifel an der Genauigkeit des Messverfahrens bei nicht idealem Durchtritt der Partikel durch das Messvolumen (dezentraler und/oder schräger Durchtritt durch das Interferenzstreifenmuster). In-situ Messungen im Freifeld sind mit den bekannten Lösungen nicht möglich.
  • 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, neben der Geschwindigkeit auch die Größe von Teilchen zu bestimmen. Das Verfahren soll sowohl für Teilchen einsetzbar sein, deren Durchmesser kleiner als der Messvolumendurchmesser des LDV ist als auch für größere Teilchen bis hin zu einem Durchmesser, der größer ist als die Messvolumenlänge, sodass es insbesondere auch für Regentropfen geeignet ist. Fehlerhafte Messungen durch den schrägen und/oder dezentralen Durchgang der Teilchen durch das Messvolumen in Längsrichtung der optischen Achse und quer dazu sollen vermieden oder korrigiert werden und es sollen in-situ Feldmessungen damit möglich sein.
  • 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 softwaremäßige Auswertung die Rohsignale Verwendung finden, 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 mit der Dauer des Durchganges des Teilchens durch das Messvolumen korreliert, ganz bestimmte Charakteristika auf in Abhängigkeit von der Größe und vom Aggregatzustand. Prinzipiell kann mittels der Amplitude des niederfrequenten Anteils zwischen Tracer-Teilchen, die die Strömung diskretisieren sollen (kleine Amplitude), und größeren Teilchen (große Amplitude) unterschieden werden. Die zeitliche Länge des niederfrequenten Anteils ist allein nicht ausreichend zur Bestimmung des Durchmessers des Teilchens, da diese aufgrund der ellipsoiden Gestalt des Messvolumens teilweise auch davon abhängt, an welcher Stelle das Teilchen das Messvolumen passiert. Auch die nichtsphärische Gestalt größerer Blasen oder Tropfen trägt zu Ungenauigkeiten in der Durchmesserbestimmung bei.
  • 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 hat seinen Ursprung in der Reflexion der Laserstrahlen auf der der Laserquelle zugewandten Seite der Teilchenoberfläche. Dieser Reflexionspunkt sollte in der Mitte des sphärischen Teilchens liegen, um eine genaue Zuordnung des mittleren 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 Autokorrelation, eine Fast Fourier-Transformation, eine Zeitmessung, einige logische Verknüpfungen und grafische Komponenten zur Darstellung der Messergebnisse.
  • Es sei das Postulat vorangestellt, dass jedes Teilchen, dessen Zentrum das Messvolumen an irgendeiner Stelle passiert, ein auswertbares Signal ergibt und größere Messfehler vermieden werden können.
  • Die Signalauswertung unterscheidet sich in Abhängigkeit vom Partikeldurchmesser und von der Art des Durchganges der Teilchen durch das Messvolumen:
    • 1.) Bei Teilchen, deren Durchmesser deutlich kleiner ist als der des Messvolumen-Durchmessers, aber größer als der von sogenannten Tracerteilchen zur Diskretisierung der Strömung, entsteht nur ein Peak im Laser-Burst. Hier kann die gesamte zeitliche Länge des Signals (hochfrequenter oder Gleichanteil) genutzt werden abzüglich der Zeit, die bei bekannter Geschwindigkeit benötigt wird, um das Messvolumen zu durchstreifen. Um zu erfahren, in welchem Bereich des Messvolumens der Teilchendurchgang erfolgte, wird die Anzahl der durchquerten Streifen im hochfrequenten Anteil des Signals ausgezählt.
    • 2.) Bei Teilchen, deren Durchmesser im Bereich des Messvolumen-Durchmessers liegt, entstehen theoretisch ein Haupt- und zwei Neben-Peaks. Hier ergibt sich der Teilchendurchmesser aus dem zeitlichen Abstand zwischen den Maxima der beiden Neben-Peaks multipliziert mit der Geschwindigkeit. Um ein verwertbares Signal herausfiltern zu können, muss der Haupt-Peak einen bestimmten Schwellwert überschreiten. Von der Mitte des Haupt-Peaks ausgehend wird eine Maske mit einem Erwartungsbereich über das Gesamtsignal gelegt, Bereiche außerhalb dieser Maske werden eliminiert. Diese Mitte lässt sich aus dem zeitlichen Mittelwert zwischen dem Überschreiten des Schwellwertes durch den positiven Anstieg des Pedestals und dem Unterschreiten des Schwellwertes durch den negativen Anstieg des Pedestals bestimmen.
    • 3.) Bei Teilchen, deren Durchmesser größer ist als die Messvolumenlänge, die also das Messvolumen zwischenzeitlich umschließen, entstehen zwei Reflexionspunkte an der der Laserstrahlenquelle zugewandten Seite des Teilchens und somit zwei mittlere Peaks. In diesem Fall wird die Signalmitte aus dem zeitlichen Mittelwert zwischen diesen beiden Ereignissen bestimmt. Das Gleiche trifft zu für Partikel, die in Richtung der optischen Achse zur Laserstrahlenquelle hin versetzt das Messvolumen durchqueren. Für die Anwendung auf große Tropfen (Regentropfen) empfiehlt sich bei nicht zu hohen Anforderungen an die lokale Auflösung die Wahl eines kleinen Winkels zwischen den Laserstrahlen, womit ein langes Messvolumen erzeugt werden kann.
    • 4.) Eine axiale Verschiebung des Teilchendurchganges durch das Messvolumen hat keinen Einfluss auf den Abstand zwischen den Nebenpeaks, der für die Durchmesserbestimmung verendet wird. Lediglich die Amplitude und der Anstieg der Peaks ändern sich.
    • 5.) Zur Bestimmung des seitlichen Versatzes des Teilchendurchganges lassen sich der oder die Reflexionspunkte (mittlere Peaks) ausnutzen. Ein leicht seitliches Auftreffen der Laserstrahlen auf die Teilchenoberfläche führt zu einer geringen seitlichen Brechung und damit zu einem schwächeren Signal (Amplitude des mittleren Peaks). Bei stärkerem seitlichen Versatz gelangen die gebrochenen Laserstrahlen nicht zum Fotosensor und es entsteht kein mittlerer Peak, das Signal wird verworfen. Eine Fehlerbetrachtung zeigt, dass unter der Voraussetzung nahezu sphärischer Teilchen ein seitlicher Versatz von beispielsweise 30% aufgrund der trigonometrischen Zusammenhänge zu einem Fehler von unter 5% bei der Bestimmung des Radius führt.
    • 6.) Die Fehler, die durch das schräge Durchqueren des Messvolumens hervorgerufen werden, lassen sich ausmerzen, wenn ein zwei- oder mehrkanaliges LDV verwendet wird, d. h., es kommen mindestens zwei Laserstrahlenpaare zum Einsatz. Dadurch kann die Projektion des Durchmessers in 2 oder 3 Richtungen gemessen und ausgewertet werden.
  • Alle genannten Eigenschaften der Lasersignale lassen sich in einer eigens entwickelten Software berücksichtigen. Dabei können Bausteine kommerzieller Programmsysteme genutzt werden, mit denen sich die benötigten Filter, Triggerschaltungen, Autokorrelationen und FFT-Analysen simulieren und logische Verknüpfungen und Auswertungen durchführen lassen.
  • Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel für den Fall, dass ein Tropfen nach Pkt. 2.) das Messvolumen durchquert, näher erläutert werden. Die zugehörigen Figuren zeigen:
  • 1: ein allgemein bekanntes Beispiel für ein unbearbeitetes Sensorsignal mit hochfrequentem Anteil und niederfrequentem Anteil,
  • 2: Vergleich der Signale von kleinen (oben) und großen (unten) Teilchen,
  • 3: ein Oszillogramm des niederfrequenten Anteils des Sensorsignals beim Durchgang eines Tropfens durch das Messvolumen,
  • 4: ein Oszillogramm des hochfrequenten Anteils des Sensorsignals beim Durchgang eines Tropfens durch das Messvolumen,
  • 5: eine schematische Darstellung des Laserstrahlenganges an der Vorderseite eines Tropfens (Reflexion) als Ursache für die hohe Amplitude des Hauptmaximums im mittleren Bereich des niederfrequenten Anteils des Sensorsignals,
  • 6: das Blockschaltbild für eine Ausführungsform der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Messwerterfassung und -verarbeitung im online-Modus,
  • 7: eine grafische Darstellung von Signalverläufen und Messergebnissen anhand eines Screenshots,
  • 8: 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 sogenannte 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 sogenannten 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 Messvolumen-durchmesser, 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 niedrigfrequente Anteil des Sensorsignals besitzt aber bei Teilchen, die größer sind als der Messvolumendurchmesser, den in 3 dargestellten Verlauf. Oben ist 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 4. Dieses wird unterbrochen, wenn der Tropfen das Messvolumen umschlossen hat, und auch der Gleichanteil nimmt einen sehr kleinen Wert an. Ein Hauptmaximum mit starker Amplitude wird hervorgerufen, wenn die Mitte der der Laserquelle zugewandten Seite des Tropfens die Laserstrahlen erreicht und somit eine starke Reflexion entsteht, wie aus 5 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 3 unten 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 6 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 7 das FFT-Ergebnis und die Signalverläufe des hochfrequenten und des niederfrequenten Signalanteils, die die Qualität der Signale wiedergeben, und die in 8 gezeigten Histogramme für Geschwindigkeit und Durchmesser.
  • Referenzen
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  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19954702 A1 [0033]
    • - US 4627726 [0033]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
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    • - 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 [0033]
    • - 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 [0033]
    • - Brankovic, A.; Currie, I.G. und Martin, W.W. „Laser Doppler measurements of bubble dynamics", Phys. Fluids 27(2), Febr. 1984, S. 348–350 [0033]
    • - Wigley, G,: „The sizing of large droplets by laser anemometry", J. Phys. E: Sci. Instrum., Vol. 11, 1978, S. 639–642 [0033]
    • - Martin, W.W. and Chandler, G.M.: "The local measurement of the size and velocity of bubbles rising in liquids", Applied Scientific Research 38:239–246 (1982) 0003-6994/82/0383-0239 $01.20.© 1982 Martinus Niihoff Publishers, The Hague. Printed in the Netherlands [0033]
    • - Yu, P.Y.W. und Varty, R.L. „Laser-Doppler Measurement of the Velocity and Diameter of Bubbles using the Triple-Peak Technique", Int. J. Multiphase Flow, Vol. 14 No. 6, 1988, S. 765–776 [0033]

Claims (6)

  1. 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.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei sehr großen Teilchen im Vergleich zur Messvolumengröße oder bei Teilchen, die zur Laserstrahlenquelle hin versetzt das Messvolumen so durchqueren, dass auf dem der Strahlenquelle zugewandten Abschnitt der Teilchenoberfläche zwei räumlich getrennte Reflexionspunkte entstehen, wodurch das Hauptmaximum zweigeteilt ist, die Mitte zwischen diesen beiden Maxima aus dem zeitlichen Mittelwert zwischen beiden Ereignissen ermittelt und für die Auswertung verwendet wird.
  3. 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 hochfrequenten Anteil des Sensorsignals gelegt wird und nach Durchlaufen eines Filters mit Hilfe einer Fast Fourier-Transformation die Geschwindigkeit des Teilchens berechnet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgangsort der Teilchen durch das Messvolumen anhand der aus dem hochfrequenten Anteil auszahlbaren Streifendurchgänge und ein leicht seitlicher Versatz beim Teilchendurchgang mithilfe des Amplitudenwertes des mittleren Peaks identifiziert werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei erwartetem schrägen Durchgang der zu vermessenden Teilchen relativ zu den Interferenzstreifen ein zwei- oder mehrkanaliges LDV verwendet wird, um die Projektion des Durchmessers in zwei oder drei Richtungen zu messen und auszuwerten.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die LDV-Signale mit einer Software im online-Modus hinsichtlich Teilchengeschwindigkeit und Teilchengröße ausgewertet und dargestellt werden.
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