DE102008020765A1

DE102008020765A1 - Messanordnung und Verfahren zum berührungslosen Ermitteln physikalischer Eigenschaften

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Publication number: DE102008020765A1
Application number: DE102008020765A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr.-Ing. Seyfarth; Sascha Dr.Rer.Nat. Reth; Gabi Dipl.-Met. Fischer; Astrid Dr.Rer.Nat. Ziemann
Original assignee: UMWELT GERAETE TECHNIK GmbH; Umwelt-Gerate-Technik GmbH; Helmholtz Zentrum Muenchen Deutsches Forschungszentrum fuer Gesundheit und Umwelt GmbH; Universitaet Leipzig
Current assignee: Helmholtz Zentrum Muenchen Deutsches Forschung De
Priority date: 2008-04-21
Filing date: 2008-04-21
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2028-04-22
Also published as: DE102008020765B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung (1) zum berührungslosen Ermitteln ortsbezogener physikalischer Eigenschaften innerhalb eines von einem Medium durchströmten Volumens, mit wenigstens einer, eine Messstrecke innerhalb des Volumens vermessenden Messvorrichtung (20n, 30n, 40n, 50n), die außerhalb des durchströmten Volumens an einer Messposition (2', 2", 5', 5") angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Messvorrichtung (20n, 30n, 40n, 50n) die Laufzeit und/oder die Amplitude eines Messsignals erfasst. Es ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Messvorrichtung (20n, 30n, 40n, 50n) zwischen wenigstens zwei Messpositionen (2', 2", 5', 5") zum Vermessen jeweils einer anders orientierten Messstrecke (8nm) innerhalb des Volumens bewegbar angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum berührungslosen Ermitteln ortsbezogener physikalischer Eigenschaften innerhalb eines von einem Medium durchströmten Volumens mithilfe einer erfindungsgemäßen Messanordnung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zum berührungslosen Ermitteln ortsbezogener physikalischer Eigenschaften innerhalb von mit einem Medium durchströmten Volumens mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen und ein Verfahren zum berührungslosen Ermitteln ortsbezogener physikalischer Eigenschaften innerhalb eines von einem Medium durchströmten Volumens mit den im Oberbegriff des Anspruchs 18 genannten Merkmalen.
Zum Bestimmen biologischer, chemischer und/oder physikalischer Vorgänge werden unter anderem so genannte Boden-Lysimeter verwendet. Als Lysimeter werden von oben offene Zylinder bezeichnet, die mit einem Erdbodenkern gefüllt und üblicherweise in das Erdreich so eingelassen sind, dass sie mit ihrer Umgebung im Wesentlichen fluchtend abschließen. An einer unteren Zylinderfläche wird beispielsweise Sickerwasser aufgefangen und zu einer Messvorrichtung geleitet. Der im Lysimeter befindliche Boden ist in der Regel ein ungestörter Bodenkern aus der nahen Umgebung. Die Oberfläche des Bodenkerns im Lysimeter ist meist mit der Vegetation der unmittelbaren Umgebung bewachsen. Ein spezieller messtechnischer Bereich der biologischen Forschung befasst sich mit der Erfassung und Auswertung der Temperatur- und Luftströmungsvorgänge in einem die Pflanzen einschließenden Volumen über dem von dem Lysimeter beanspruchten Bodenbereich.
Angewendet werden beispielsweise miniaturisierte Anemometer (Windgeschwindigkeitsmessgeräte) beziehungsweise Thermometer, die direkt über einer Unterlage in verschiedenen Abständen dazu positioniert werden, beispielsweise Hitzdrahtanemometer gemäß CA 2470716 A1 . Hierbei sind miniaturisierte Messfühler in das Messgebiet einzubringen, die dort die Strömungsverhältnisse durch ihre Anwesenheit insbesondere nahe von Grenzflächen stören können. Solche Sensoren liefern außerdem einen Messwert lediglich an einem Punkt im Strömungsfeld, zweidimensionale oder dreidimensionale Verteilungen dieser Größen sind nur in zeitlicher Aufeinanderfolge von einzelnen Punktmessungen bestimmbar, die sehr zeitaufwendig sind.
Die bekannten Ultraschallanemometer verwenden eine Schallgeschwindigkeitsmessung über vorgegebene Messstrecken, um den innerhalb dieser Strecken sich ausbildenden mittleren Strömungsvektor und innerhalb des durch diese Strecken aufgespannten Volumens die mittlere Lufttemperatur zu bestimmten, wie in DE 40 00 526 A1 und US 4,890,488 beschrieben ist. Die Ultraschallanemometer sind in ihren Ausdehnungen gegenüber den miniaturisierten Fühlern viel größer und daher nicht in der Nähe der Grenzflächen des Messvolumens einsetzbar, da durch die Schallreflexionen des Nutzschalls an den Grenzflächen die Durchführung der Messung selbst und durch die Anwesenheit des Anemometers die Strömungsverhältnisse dort gestört werden. Andererseits sind die akustischen Anemometer allein nicht dafür geeignet, Aussagen über die räumliche Struktur des Strömungsfeldes zwischen den Sendern und Empfängern zu erhalten.
Es sind akustische tomografische Verfahren bekannt, die als nichtinvasive Verfahren ein Messgebiet „durchschallen” und aus der Analyse der Schallsignale eine Aussage über die Strömungsverhältnisse im Messgebiet treffen. Eine adäquate Anwendung in der Luft ist in der US 7,181,981 B2 und eine Anwendung im Wasser in US 5,531,116 offenbart. Diese und andere bekannte tomografische Verfahren lassen eine Positionierung der Schallsender und -empfänger in der Nähe von Grenzflächen nicht derart zu, dass eine ungestörte Luftströmung beobachtet werden kann. Eine weitere bekannte Anwendung verwendet hierzu eine starre Anordnung von Schallquellen und Schallempfängern, die auf dünnen Trägern um ein zu vermessendes Volumen angeordnet sind. Solche Anordnungen weisen eine geringe Anzahl von Messelementen auf, wodurch die Auflösung des gesamten Messverfahrens leidet. Die Erhöhung der Anzahl der Messpaare aus einer Schallquelle und einem Schallempfänger führt nicht nur zu erhöhten Kosten, sondern auch zu einer Erhöhung der um das zu vermessende durchströmte Volumen angeordneten baulichen Behinderungen, die für die zu vermessende Luftströmung zunehmend größere Hindernisse darstellen und dadurch die Messergebnisse beeinflussen. Es sind Lösungen bekannt, die eine festangeordnete Schallquelle und mehrere fest angeordnete Schallempfänger verwenden.
Bekannte LDA-Anemometer (Laser Doppler Anemometer) sind in der Lage, bekannt beispielsweise aus DE 39 36 950 C2 , die Strömungsgeschwindigkeit in einem bestimmten Punkt zu messen, wobei dieser Messpunkt in einem geringen Abstand von den Grenzflächen angeordnet sein kann. Die LDA-Anemometer messen nichtinvasiv mit Laserlicht bis an die Grenzflächen heran, jedoch dort nur in einem Punkt. Voraussetzung ist, dass im Messgebiet auch die Lichtsignale reflektierende Teilchen vorhanden sind, die im Strömungsfeld schlupffrei mitgeführt werden. Sind diese nicht vorhanden, müssen diese künstlich in die Strömung eingebracht werden, was jedoch oft nicht erwünscht ist. Die LDA-Messungen können nur Bewegungen erfassen und keine Bewegungs- und Temperaturfelder flächenhaft gleichzeitig vermessen.
Außerdem ist das Verfahren unter Tageslichtbedingungen bei Messungen in der freien Natur nur eingeschränkt einsetzbar.
Es sind ferner aus der DE 199 28 698 A1 PIV(Particle-Image-Velocimetry)-Verfahren bekannt, die in einem zeitlichen Abstand eine Fläche mit Laserlicht ausleuchten und die reflektierten Lichtstrahlen an den in die Luftströmung eingebrachten schwebenden Teilchen aufzeichnen. Über die nacheinander aufgenommenen Bilder, beispielsweise mithilfe der Stroboskopie, wird die Positionsveränderung der identifizierten Partikel als ein Luftströmungsfeld interpretiert. Das PIV-Verfahren ist unter Tageslichtbedingungen nur eingeschränkt einsetzbar und die ausgeleuchteten Flächen, auf welchen dann ein Luft-Strömungsfeld, jedoch kein Temperaturfeld, darstellbar ist, sind meist kleiner als die natürliche Größe der hierbei zu betrachtenden Objekte (zum Beispiel der Lysimeter), in deren Nähe die Strömungsverhältnisse (und wünschenswert auch die Temperaturverhältnisse) bestimmt werden sollen. Außerdem ist eine gleichzeitige Bestimmung der Temperaturfelder mit diesen optischen Verfahren nicht möglich. Wie oben beschrieben, müssen auch hierzu reflektierende Partikel in die Luftströmung eingebracht werden.
Aus US 5,705,753 A und US 5,531,124 A sind Durchflussmessverfahren bekannt, die in ein strömendes Medium über eine die Strömung begrenzende Wand Schallsignale einleiten und an gegenüberliegenden Punkten empfangen. Über die registrierte Laufzeitbeeinflussung wird unter anderem das Strömungsprofil in den Rohrleitungen ermittelt.
Unter dem Begriff Tomografie werden gewöhnlich verschiedene bildgebende Verfahren zusammengefasst, mit denen die räumliche Struktur eines Objektes mittels eines Schichtaufnahmeverfahrens ermittelt werden kann und damit eine volumetrische, tiefenaufgelöste Information dargestellt wird. Erzeugt wird eine Tomografie meist, indem das Objekt in einer Serie paralleler Querschnittbilder abgetastet wird. Ein Tomografie-Verfahren wendet spezifische Algorithmen auf die erhaltenen Messdaten an und ordnet jedem Punkt in dem vermessenen Raumvolumen ortsbezogene physikalische Eigenschaften zu, so dass ein dreidimensionales Feld entsteht.
Der Erfassung der Messwerte können verschiedene physikalische Messverfahren zugrunde gelegt sein. In der Medizin sind beispielsweise folgende tomografische Verfahren im Einsatz: die ”klassische” konventionelle Röntgentomografie, die Ultraschalldiagnostik (Sonografie), die Optische Kohärenztomografie (OCT), die Magnetresonanztomografie (MRT, Kernspintomografie), die Computertomografie (CT), die Positronen-Emissions-Tomografie (PET), die Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) und die Elektromagnetische Impedanz Tomografie (EMIT).
Prinzipiell sind alle diese tomografischen Verfahren auch in der übrigen Technik anwendbar oder angewendet, wobei in Bezug auf die vorliegende Erfindung die akustischen und die optischen Verfahren von besonderem Interesse sind.
Der hier im Weiteren verwendete Begriff Feld entspricht dem allgemeinen Gebrauch in der Physik einer Ortsfunktion, die jedem Raumpunkt eine physikalische Eigenschaft zuordnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung und ein Verfahren zum berührungslosen Ermitteln ortsbezogener physikalischer Eigenschaften innerhalb eines von einem Medium durchströmten Volumens vorzuschlagen, mit welchen eine geringere Beeinflussung der zu vermessenden physikalischen Eigenschaften durch die Messanordnung selbst und eine erleichterte Mobilität der Messanordnung erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung geht von einer Messanordnung zum berührungslosen Ermitteln ortsbezogener physikalischer Eigenschaften innerhalb eines von einem Medium durchströmten Volumens mit wenigstens einer, eine Messstrecke innerhalb des Volumens vermessenden Messvorrichtung aus, die außerhalb des durchströmten Volumens an einer Messposition angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Messvorrichtung die Laufzeit und/oder die Amplitude erfasst.
Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden unter einem vorrichtungstechnischen Aspekt dadurch erreicht, dass wenigstens eine erste Messvorrichtung zwischen einer Vielzahl von Messpositionen zum Vermessen jeweils einer anders orientierten Messstrecke bewegbar angeordnet ist. Gegenüber einer stationären Anordnung kann so mit einer geringeren Anzahl von Messvorrichtungen eine Vielzahl von Messstrecken vermessen werden, so dass die Tragkonstruktion um das zu vermessende Volumen weniger Halterungen, Träger und an ihnen angeordnete Messvorrichtungen aufweisen kann, wodurch dem in und aus dem Volumen ein- und austretenden Strömungen wesentlich weniger Widerstand durch die Messanordnung selbst entgegengebracht wird. Weniger Einfluss durch die Messanordnung auf das Messobjekt trägt in diesem Fall zu genaueren Messergebnissen bei.
Die Messvorrichtung ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung translatorisch und/oder rotatorisch zwischen einer Vielzahl von Messpositionen zum Vermessen jeweils einer Messstrecke bewegbar angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Bewegung der wenigstens einen Messvorrichtung eine Rotation um eine im Wesentlichen vertikale Rotationsachse, die im Wesentlichen durch die Mitte des durchströmten Volumens verläuft. Das kann ein um das zu vermessende Volumen angeordneter, um seine geometrische Rotationsachse rotierbarer und beispielsweise kreisförmig ausgebildeter Rahmen sein, auf dem eine oder mehrere Messvorrichtungen angebaut sind. Somit ist durch praktisch eindimensionale Bewegung, die Rotation, mit den entsprechenden Messvorrichtungen das gesamte zu vermessende Volumen erfassbar und man wird lediglich eine Positioniereinheit benötigen, um die Vielzahl dieser Messpositionen anzufahren.
Die Bewegung der wenigstens einen Messvorrichtung umfasst gemäß einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine Höhenpositionierung. Das ermöglicht zusätzlich weitere Messebenen anzufahren, um mit den gleichen Messvorrichtungen örtlich anders orientierte Messstrecken zu erfassen.
Die Bewegung der wenigstens einen Messvorrichtung ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mithilfe einer Positioniereinheit ausgeführt, die wenigstens einen Schrittmotor, Servomotor oder Linearmotor und eine Steuerung aufweist, der wenigstens jeweils einer Bewegungsrichtung zugeordnet ist. Solche Antriebe ermöglichen nicht nur das Positionieren an einer vorgebbaren Position, sondern auch die Geschwindigkeit und Beschleunigungen beim Anfahren und Abbremsen der Messanordnung unter Kontrolle der Steuerung zu haben, um beispielsweise eine erschütterungsfreie Erfassung durch die Messvorrichtung zu gewährleisten.
Die wenigstens eine Messvorrichtung weist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung einen ersten Signalsender und einen ersten Signalempfänger auf, die jeweils zueinander gewandt an gegenüberliegenden Enden einer durch sie definierten ersten Messstrecke angeordnet sind. Dadurch verläuft die jeweilige Messstrecke durch das zu vermessende Volumen hindurch.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind entlang einer zweiten, zur ersten parallel verlaufenden Messstrecke in der ihr entgegen gesetzten Richtung ein zweiter Signalempfänger und ein zweiter Signalsender angeordnet. Dies ermöglicht eine gleichzeitige oder zeitlich geringfügig versetzte Vermessung einer Hin- und Rücklaufzeit, deren Differenz auf den Dopplereffekt zurückführbar ist, wodurch die Geschwindigkeit der Strömung und unter Einbeziehung weiterer Daten auch die Strömungsrichtung feststellbar sind.
Wenigstens eine weitere Messvorrichtung ist in noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit der ersten Messvorrichtung derart mechanisch gekoppelt, dass deren gemeinsame Bewegung von einem gemeinsamen Antrieb, einer Positioniervorrichtung, ausführbar ist. Hierdurch wird kostensparend ein einziger Antriebsmotor ausreichen, alle untereinander gekoppelten Messvorrichtungen anzutreiben.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist wenigstens eine weitere Messvorrichtung mit der ersten Messvorrichtung derart mechanisch und/oder elektromechanisch gekoppelt, dass die Länge der jeweiligen Messstrecken bei deren Bewegung zwischen einer Vielzahl von Messpositionen konstant erhalten bleibt.
Bei einer erfindungsgemäßen bevorzugten Anwendung der vorliegenden Erfindung ist das zu vermessende durchströmte Volumen über einem lokal durch die Messanordnung eingegrenzten Bereich des Erdreichs oder über einem Lysimeter oder über einer Austrittsöffnung eines Rohres, Behälters oder dergleichen angeordnet. Bei jeder dieser Anwendungen kommen die Vorzüge der vorliegenden Erfindung zum Tragen, insbesondere ihre Kompaktheit und mögliche Mobilität sowie eine geringere Beeinflussung der Messgrößen.
Der Signalsender ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung als eine Schallquelle, insbesondere ein Lautsprecher, und der Signalempfänger als ein Schallempfänger, insbesondere ein Mikrofon, ausgeführt, wobei der Schall im akustischen und/oder Ultraschall-Frequenzbereich ausgeführt ist. Der Schall hat gegenüber optischen Messverfahren die bekannten oben aufgeführten Vorteile, die mit der vorliegenden Erfindung somit noch besser ausgenutzt werden.
Ferner ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung der Signalsender und/oder der Signalempfänger als jeweils ein Piezzo-Element ausgeführt. Diese Ausführung kann besonders kompakt sein und ein und das gleiche Element kann abwechselnd oder exklusiv sowohl als Signalsender als auch als Signalempfänger dienen. Hierdurch kann jede aus der Vielzahl der Messvorrichtungen noch kompakter gestaltet werden, wodurch dem strömenden Medium durch die Messanordnung noch weniger Widerstand entgegengebracht wird.
Alternativ sind gemäß noch einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung der Signalsender als eine Lichtquelle, insbesondere eine Laserdiode, und der Signalempfänger als ein Lichtempfänger, insbesondere ein Lichtsensor, ausgeführt, wobei das Licht im sichtbaren und/oder im Infrarot-Frequenzbereich ausgeführt ist. Dies kann durch die Art der Vermessungsaufgabe, durch Anforderungen an die Messgenauigkeit/Auflösungsvermögen und weitere Faktoren von Vorteil sein, optische Messverfahren einzusetzen. Hier zeichnet sich die vorliegende Erfindung durch ihre Flexibilität aus, verschiedene (bekannte) Messverfahren einbinden zu können.
Das Medium ist vorzugsweise gasförmig oder flüssig. Insbesondere ist es Luft, wenn meteorologische und oder lysimetrische Verfahren unter freiem Himmel angewendet werden sollen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die wenigstens eine Messvorrichtung derart positionierbar ausgeführt, dass das durchströmte Volumen in mehreren Messebenen erfassbar ist. Das ist beispielsweise dadurch erreicht, dass die Messvorrichtung in wenigstens einer weiteren Richtung per einem weiteren Antrieb bewegbar und positionierbar ausgeführt ist. Die gleichen Messvorrichtungen können so zum Erfassen einer größeren Anzahl von Messstrecken verwendet werden.
Zur Handhabung erfasster Messwerte ist erfindungsgemäß in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wenigstens ein Speichermittel und zu deren weiterem Verarbeiten wenigstens ein Datenverarbeitungsmittel vorgesehen, die mittels wenigstens einer Datenübertragungsschnittstelle mit den Messvorrichtungen in Verbindung stehen. Die Datenübertragungsschnittstelle kann hierbei per Kabel oder drahtlos ausgeführt sein. Das Datenverarbeitungsmittel kann eine moderne Recheneinheit beliebiger Ausführung sein, wie ein PC- oder Laptop-Computer oder dergleichen, und Programmmittel enthalten, die eine Steuerungs- und/oder Datenverarbeitungsaufgabe ausführen.
Zum Positionieren der wenigstens einen Messvorrichtung ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wenigstens ein elektronisches Steuerungsmittel vorgesehen, das mittels wenigstens einer Signalübertragungsschnittstelle mit einem elektromechanischen Antrieb und den Messvorrichtungen in Verbindung steht.
Die vorliegende Erfindung geht ferner unter einem verfahrenstechnischen Aspekt von einem Verfahren zum berührungslosen Ermitteln ortsbezogener physikalischer Eigenschaften innerhalb eines von einem Medium durchströmten Volumens mithilfe einer Messanordnung nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen aus.
Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden ferner unter diesem verfahrenstechnischen Aspekt dadurch erreicht, dass

– eine erste Messposition der Messanordnung eingenommen wird;
– die Laufzeit des Messsignals entlang wenigstens einer ersten Messstrecke erfasst wird;
– der erfasste Messwert in einer Speichervorrichtung zuordbar zur jeweiligen Messposition festgehalten wird;
– eine nächste Messposition der Messanordnung eingenommen wird;
– die Laufzeit des Messsignals entlang wenigstens einer gegenüber der ersten Messstrecke anders orientierten Messstrecke erfasst wird;
– der erfasste Messwert in einer Speichervorrichtung zuordbar zur jeweiligen Messposition festgehalten wird;
– die obige Schrittabfolge so lange wiederholt wird, bis alle vorgesehenen Messpositionen abgearbeitet sind;
– die erfassten Messwerte zuordbar zur jeweiligen Messposition an ein tomografisches Berechnungsverfahren zum Bestimmen ortsbezogener physikalischer Eigenschaften innerhalb des von einem Medium durchströmten Volumens übergeben werden.

Die Messpositionen der Messanordnung werden gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung in dem durchströmten Volumen in mehreren Ebenen angeordnet. Dadurch ist die Erfassung einer größeren Anzahl anders orientierter Messstrecken mit den gleichen Messvorrichtungen möglich.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung wird eine gleichzeitige oder zeitlich versetzte Erfassung eines Hin- und eines Rücklaufsignals ausgeführt. Hierdurch werden in einer eingenommenen Messposition gleichzeitig mehrere, wenigstens jedoch zwei Messungen durchgeführt. Insbesondere bei gleichzeitiger Ausführung und nahe zueinander parallel angeordneten Hin-Rücklauf-Messstrecken werden Auswertungen der gemessenen Messwerte möglich, die den bekannten Dopplereffekt heranziehen, um daraus die Richtung einer Strömung sowie deren Geschwindigkeit rechnerisch zu ermitteln.
Wenigstens ein Signalsender sendet gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ein statistisches Rauschsignal gleichzeitig zu mehr als einem Signalempfänger, wobei jeder Signalempfänger jeweils eine ihm zugeordnete Messfrequenz verwendet. Das ermöglicht es, die Anzahl der Signalsender zu reduzieren und dennoch eine ungestörte gleichzeitige Erfassung mehrerer Messstrecken auszuführen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung wird innerhalb des durchströmten Volumens mithilfe eines zusätzlichen Sensors an einem bestimmten Ort Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit, Luftfeuchtigkeit oder eine Gaskonzentration gemessen und als Referenzwert zum Kalibrieren der von dem tomografischen Berechnungsverfahren berechneten ortsbezogenen physikalischen Eigenschaften herangezogen. Ein hierfür geeigneter Messpunkt kann einmal in einem Bereich niedriger Intensität und zusätzlich in einem Bereich hoher Intensität gewählt werden. Insbesondere bei der Verwendung von zwei so ermittelten Referenzwerten kann die erfindungsgemäß ermittelte Verteilung besonders genau kalibriert werden. Eine solche Kalibrierung kann sowohl als eine einmalige werksseitige als auch als eine periodisch vor Ort wiederholbare ausgeführt werden.
Das tomografische Berechnungsverfahren erstellt laut einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung für das durchströmte und vermessene Volumen ein meteorologisches oder ein mathematisches Gradientenfeld dar, das eine ortsbezogene Information über die Verteilung der Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit, Luftfeuchtigkeit oder der Gaskonzentration wiedergibt.
Ein Gradient gibt in der Meteorologie an, wie stark sich eine ortsabhängige Größe mit dem Ort ändert. Nimmt zum Beispiel die Lufttemperatur um 0,65 Kelvin ab, wenn man 100 m höher steigt, so beträgt der vertikale Temperaturgradient 0,0065 K/m. Heutige Gradienten haben entsprechend deren mathematischer Definition nicht nur einen Betrag, sondern auch eine Richtung, stellen also einen Vektor dar. Ein solcher Vektor zeigt stets in die Richtung des stärksten Anwachsens der betreffenden Größe. Eine umgangssprachliche Entsprechung für Gradient ist Steigung. In der für die vorliegende Erfindung besonders wichtigen Meteorologie gibt es viele wichtige Gradienten: neben dem Temperaturgradienten sind etwa der Luftdruck- und der Luftfeuchtigkeitsgradient zu nennen. Das Vorliegen eines Gradienten zeigt stets eine ungleiche Verteilung einer Größe an. Bei Größen, deren Ungleichverteilung zu Ausgleichsvorgängen führt, kann der Gradient als treibende Kraft für solche Ausgleichsvorgänge interpretiert werden, was besonders beim Luftdruck in Form der Gradientkraft der Fall ist. Die Stärke der Ausgleichsvorgänge ist in der Regel proportional zum Betrag des Gradienten; die aus gleichende Strömung läuft dem Gradienten entgegen, weil die Strömung von größeren Werten der betreffenden Größe zu kleineren Werten gerichtet ist, die Richtung des Gradienten aus mathematischen Gründen aber in Richtung der größeren Werte zeigt. Beispiele: Temperaturgradienten setzen Wärmeströme in Bewegung.
Das so ermittelte Gradientenfeld der jeweiligen physikalischen Größe weist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung skalare Werte und/oder vektorielle Werte auf, wobei die vektoriellen Werte die Richtung des maximalen Amplitudenzuwachses oder -abnahme wiedergeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung werden die jeweiligen ortsbezogen gemessenen Werte mit dem Wert ihrer jeweiligen Erfassungszeit verknüpft und das tomografische Berechnungsverfahren gibt zeitliche Veränderungen der jeweiligen physikalischen Eigenschaften wieder. Insbesondere die zeitlichen Veränderungen sind bei vielen erfindungsgemäßen Anwendungen von großer Wichtigkeit.
Ferner kann die erfindungsgemäße Messanordnung diskrete, vorgegebene Messpositionen anfahren und nach einem vollständigen Anhalten eine Streckenmessung ausführen oder alternativ eine kontinuierliche Bewegung ausführen, bei der beim Erreichen einer vorgegebenen Messposition eine Messung lediglich ausgelöst wird. Im ersten Fall muss die gesamte Masse der bewegbaren Messanordnung beschleunigt und abgebremst werden, was entsprechende Erschütterungen der Messanordnung nach sich zieht. Um einer solchen Erschütterung erfindungsgemäß vorzubeugen, muss die Beschleunigung und Verzögerung langsamer ausgeführt werden, das heißt beispielsweise nach einer hierfür typischen Rampenkennlinie, was jedoch auf Kosten der damit verstreichenden Zeit geschieht. Im zweiten Fall dagegen werden keine vollständigen Stopps zum Messen eingelegt, wodurch keine Erschütterungen vorkommen, so dass ein kompletter Messzyklus schneller vonstatten gehen kann.
Der in dieser Spezifikation verwendete Begriff eines von einem Medium durchströmten Volumens bedeutet, dass die Geschwindigkeit der Durchströmung auch einen völligen Stillstand mit einer relativen Geschwindigkeit null einschließt.
Beim Anordnen eines Signalsender-Signalempfänger-Paares kann erfindungsgemäß in einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung anstelle eines Signalsenders oder zwischen einem Signalsender und einem Signalempfänger ein Reflektor angeordnet werden, an welchem das Messsignal lediglich umgelenkt wird.
Die Anordnung der Vielzahl von Messvorrichtungen kann erfindungsgemäß in einer Rechteckanordnung, Trapezanordnung, in einem Polygon, Dreieck usw. ausgeführt werden.
Die einzelnen vorgebbaren Messpositionen können in Winkelwerten, Abstandswerten oder Schritten oder als relative oder absolute Koordinatenwerte im jeweiligen Positioniersystem vorgegeben werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1A eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Messanordnung;
1B eine schematische perspektivische Ansicht auf die erfindungsgemäße Messanordnung und
1C eine schematische Seitenansicht auf die erfindungsgemäße Messanordnung.
1A zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Messanordnung 1, die an einer Kreisschiene 6 gleitbar und dadurch um eine senkrecht im Bild gedachte Rotationsachse 7 rotierbar angeordnet ist.
Es sind hierbei beispielhaft an vier miteinander mechanisch starr gekoppelten Schlitten 2, 3, 4 und 5 Signalsender und Signalempfänger in einem Trapez angeordnet, zwischen welchen es die zu vermessenden Messstrecken 8_nm gibt. Die Messstrecken können prinzipiell zwischen jedem der zwei Schlitten 2, 3, 4 und 5 verlaufen, das heißt je nach Ausgestaltung auch auf den Diagonalen der Anordnung.
Die geometrische Anordnung der die Sender und Empfänger tragenden Schlitten 2, 3, 4 und 5 braucht nicht auf die dargestellte Trapezanordnung eingeschränkt zu sein, sondern kann einem Dreieck, Rechteck oder einem beliebig gestalteten Polygon nachgebildet sein. Die Anzahl dieser Schlitten 2, 3, 4 und 5 kann auch größer oder kleiner sein, jedoch minimal muss sie zwei Schlitten umfassen, damit die Messstrecken durch das zu vermessende Volumen führen können. Wichtig ist, dass die räumlichen Positionen der Schlitten 2, 3, 4 und 5 erfindungsgemäß untereinander fest verbunden sind. Das bedeutet, dass die Länge der jeweiligen Messstrecken 8_nm stets gleich bleibt. Dadurch reduziert sich der technische Aufwand zum Positionieren der Messstrecken, den man braucht, um in dieser Ausgestaltung lediglich eine Position zu erfassen beziehungsweise einzunehmen, und weiß dadurch immer die räumlichen Positionen aller mit den Sendern und Empfängern ausgestatteten Schlitten 2, 3, 4 und 5.
Der Pfeil A zeigt die Richtung der Strömung des Mediums. Das Medium kann vorzugsweise flüssig oder gasförmig sein, insbesondere ist es jedoch Luft. Das zu vermessende Volumen ist innerhalb des durch die Kreisschiene 6 gebildeten Kreises eingeschlossen.
Die im Randbereich verlaufenden Messstrecken, wie beispielhaft 8₃₄ , dienen der Vermessung der physikalischen Eigenschaften des Mediums in dem Randbereich. Dagegen dienen die Messstrecken 8₅₄ und 8₅₃ , da sie in der Nähe des Kreiszentrums verlaufen, der Vermessung der physikalischen Eigenschaften des Mediums in dem Mittelbereich des zu vermessenden Volumens.
Die gesamte mechanisch zusammenhängende Anordnung aus vier Schlitten 2, 3, 4 und 5 ist auf der Kreisschiene 6 in Richtung R oder entgegen R verschiebbar und nimmt dann beispielsweise eine nächste Messposition 5' und noch eine nächste Messposition 5'' ein. Entsprechendes gilt analog für 2' und 2'' und die beiden übrigen Schlitten 3 und 4 (nicht dargestellt), da sie stets mitbewegt werden. In jeder der eingenommenen Messpositionen werden erfindungsgemäß alle vorgesehenen, neu positionierten Messstrecken neu vermessen und die Messdaten in einem nicht dargestellten Datenspeicher mit Bezug zu deren räumlichen Positionen und der Aufnahmezeit zwischengespeichert.
1B zeigt eine schematische perspektivische Ansicht auf die erfindungsgemäße Messanordnung 1 aus 1A.
In dieser Ausgestaltung ist die Kreisschiene 6 um eine Höhe H über dem Bodenreich 12 angehoben und hierzu auf wenigstens drei Stützbeinen 9₁ , 9₂ und 9₃ feststehend auf der Unterlage angeordnet.
An jedem der Schlitten 2, 3, 4 und 5 ist jeweils ein herunter vorgestreckter Sensoren-Träger 20, 30, 40 und 50 fest angebaut. Die Länge dieser Sensoren-Träger ist so vorgegeben, dass sie den Bodenreich 12 beziehungsweise eine andere Unterlage nicht berühren.
Beispielhaft sind jeweils an jedem der Sensoren-Träger beabstandet in der Höhe um einen vorgegebenen Höhenbetrag h Sensoren und/oder Sender 50₁ und 50₂ , 40₁ und 40₂ usw. (nicht dargestellt) angeordnet. Diese Sensoren oder Sender sind Signalsender und/oder Signalempfänger. Durch diese beabstandete Anordnung zusätzlicher Sensoren und Sender ist es möglich, gleichzeitig mehr Messungen auszuführen und einen größeren Volumenbereich zu erfassen, wodurch eine Gesamtmessung schneller erfolgen kann. Es können in einer weiteren Ausgestaltung die jeweiligen Sender durch einen (nicht dargestellten) Antrieb in der Höhe H bewegbar und positionierbar ausgeführt sein, so dass dadurch noch eine weitere Anzahl von Messebenen mit den gleichen Messsensoren und Sendern vermessen werden kann.
Ferner kann in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung die Anordnung der Kreisschiene anders herum ausgeführt werden, so dass die Kreisschiene 6 auf dem Boden liegt und die Sensoren-Träger von unten in die Höhe vorgestreckt sind.
1C zeigt eine schematische Seitenansicht auf die erfindungsgemäße Messanordnung 1 aus 1A und 1B. In dieser Seitenansicht ist besonders gut sichtbar, dass die Strömung A eine ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung abhängig von dem Höhenabstand von dem Bodenreich 12 aufweist. Dies ist durch die unterschiedliche Länge der Vektorpfeile A dargestellt, die einem jeweiligen Geschwindigkeitsbetrag entsprechen.
Ferner können in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung die Messstrecken 8_nm auch über Kreuz zwischen jeweiligen durch den Höhenbetrag h voneinander beabstandeten Messebenen vermessen werden, wenn die Sender und Empfänger entsprechend dafür ausgelegt werden. Diese zusätzlichen Messstrecken ermöglichen es, aus einer größeren Anzahl von gemessenen Werten anhand der anschließenden tomografischen Berechnungen eine höhere Genauigkeit zu erreichen.
Lediglich beispielhaft ist die Messanordnung 1 auf dem Bodenreich 12 über einem in dem Bodenreich eingelassenen Lysimeter 11 angeordnet, um zusätzlich zu den durch das Lysimeter erfassten Daten die erfindungsgemäß erfassten Daten auswerten zu können. Von besonderem Vorteil der vorliegenden Erfindung jedoch ist eine alternative Anwendung möglich, eine leicht montierbare und mobile Messanordnung 1 über einem beliebigen Bodenbereich aufstellen zu können.
Ferner kann die Anzahl der Messpunkte durch ein schrittweises Verschieben der Sensoren zwischen bekannten Positionen vergrößert werden, so dass eine höhere Informationsdichte über die Struktur des Strömungsfeldes durch eine zeitliche Abfolge der Einzelmessungen erreicht wird, ohne die Anzahl der Sensoren-Träger, die man auch als Aktuatoren bezeichnen kann, und der Sensoren/Empfänger zu erhöhen.
In diesem Fall werden die Positionen von einem Schrittmotor (nicht dargestellt) angesteuert, der außerhalb des zu untersuchenden Strömungsgebietes auf der Kreisschiene (6) angeordnet ist.
Aus den gesammelten beziehungsweise gemessenen Daten werden ein Schallgeschwindigkeitsfeld und daraus ein Strömungs- und Temperaturfeld erzeugt, indem die aufgezeichneten Laufzeiten zwischen den bekannten Sender-Empfängerpositionen (deren Entfernung) verwendet werden, um für diese Strecken die beobachtete Schallgeschwindigkeit zu bestimmen. Die tomografischen Verfahren ermitteln aus diesen Schallgeschwindigkeitswerten entlang bekannter Sender-Empfänger-Strecken anschließend beispielsweise das gesuchte (räumlich gemittelte) Strömungs- und Temperaturfeld. Infolgedessen ist das Schallgeschwindigkeitsfeld selbst auch darstellbar.
Die Schallgeschwindigkeitsbestimmung erfolgt dabei über eine Schalllaufzeitmessung jeweils zwischen einem Signalsender und Signalempfänger hin t_hin und zurück t_zurück.
Aus der Differenz der beobachten Laufzeiten kann die auf dieser Strecke D (Kreisdurchmesser) wirksame Teilkomponente des Strömungsvektors u berechnet werden:
Aus dem Mittelwert der Laufzeit auf dieser Messstrecke wird die Laplacesche Schallgeschwindigkeit ermittelt:
die wiederum die Berechnung der akustischen virtuellen Lufttemperatur ermöglicht T_av = (γ·R)^–1·c 2 / L.
Für Luft beträgt beispielsweise das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten bei konstantem Druck und konstantem Volumen γ = 1,4 und die spezifische Gaskonstante R' = 287,05J/(kg K), für eine andere chemische Zusammensetzung des strömenden Mediums müssen an der Stelle die dafür gültigen physikalischen Konstanten verwendet werden.
Ein tomografischer Algorithmus erzeugt anschließend an einen kompletten Messzyklus aus den Linienangaben eine flächenhafte beziehungsweise räumliche Verteilung der Schallgeschwindigkeit, der Strömungs- und (bei homogener Zusammensetzung des fließenden Mediums, Fluids) der Temperaturwerte. Über die Auswertung der Daten in Abhängigkeit von der Entfernung zur begrenzenden Fläche sind die Gradienten der gesuchten Größen innerhalb des Strömungsfeldes bestimmbar.
Die Erfindung kann auf die Dämpfung der auf den Strecken übertragenen Schallsignale ausgedehnt werden. Über die Dämpfungsbestimmungen sind Aussagen zur Turbulenz und zum Wasserdampfgehalt der Luft in dem zu vermessenden Volumen möglich.
Die Kombination der Laufzeitmessungen mit Schallabsorptionsmessungen ermöglicht alternativ oder ergänzend eine Darstellung des Luftfeuchtigkeitsfeldes.
Die Aktuator- und Sensorpositionen können mit Lichtemittern beziehungsweise Lichtsensoren (z. B. Krypton-Lampen oder Infrarot-Strahler) bestückt werden, so dass über die Dämpfung des Lichts, das heißt aus der Abnahme der Lichtintensität auf ausgewählten Wellenlängen eine Spurengaskonzentration, z. B. der Wasserdampfgehalt der Luft in einer vorteilhaften Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung bestimmt werden kann. Hierzu ist eine Verarbeitung gewonnener Messdaten in Kombination mit Spektrum-Analyseverfahren von Vorteil.
Die chemische Zusammensetzung des strömenden Gases bedingt, dass die Schallgeschwindigkeit sich verändert, da sich die Konstanten γ und R ändern. Eine Verteilung gasförmiger Zusätze, die sich von der Grundzusammensetzung des strömenden Mediums unterscheiden, sind mit dem beschriebenen Verfahren in analoger Weise in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfassbar. Das ermöglicht beispielsweise eine Kontrolle von Begasungsexperimenten.
Die vorangehenden Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind lediglich beispielhaft und nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend auszulegen. Die vorliegende Erfindungslehre kann leicht auf andere Anwendungen übertragen werden. Die Beschreibung des Ausführungs beispiels ist zur Veranschaulichung vorgesehen und nicht, um den Schutzbereich der Patentansprüche einzuschränken. Viele Alternativen, Modifikationen und Varianten sind für einen durchschnittlichen Fachmann offensichtlich, ohne dass er hierfür den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verlassen müsste, der in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist.

1: Messanordnung
2: Schlitten
2', 2'': Messpositionen
20: Sensoren-Träger
3: Schlitten
30: Sensoren-Träger
4: Schlitten
40: Sensoren-Träger, Aktuator
40_nm: Sensoren und/oder Sender, Signalempfänger und/oder Signalsender
5: Schlitten
5', 5'': Messpositionen
50: Sensoren-Träger
6: Kreisschiene
7: Rotationsachse
8_nm: Messstrecke
n, m: Indexzahl
9_1,2,3: Stützbeine
11: Lysimeter
12: Erdreich
13: Positioniereinheit
A: Strömungsrichtung
D: Kreisdurchmesser
H: Höhe
h: Höhenbetrag
u: Strömungsvektor
t_hin: Laufzeit hin
t_zurück: Laufzeit zurück
R: Rotationsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- CA 2470716 A1 [0003]
- DE 4000526 A1 [0004]
- US 4890488 [0004]
- US 7181981 B2 [0005]
- US 5531116 [0005]
- DE 3936950 C2 [0006]
- DE 19928698 A1 [0008]
- US 5705753 A [0009]
- US 5531124 A [0009]

Claims

Messanordnung (1) zum berührungslosen Ermitteln ortsbezogener physikalischer Eigenschaften innerhalb eines von einem Medium durchströmten Volumens, mit wenigstens einer, eine Messstrecke innerhalb des Volumens vermessenden Messvorrichtung (20_n , 30_n , 40_n , 50_n ), die außerhalb des durchströmten Volumens an einer Messposition (2', 2'', 5', 5'') angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Messvorrichtung (20_n , 30_n , 40_n , 50_n ) die Laufzeit und/oder die Amplitude eines Messsignals erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Messvorrichtung (20_n , 30_n , 40_n , 50_n ) zwischen wenigstens zwei Messpositionen (2', 2'', 5', 5'') zum Vermessen jeweils einer anders orientierten Messstrecke (8_nm ) innerhalb des Volumens bewegbar angeordnet ist.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (20_n , 30_n , 40_n , 50_n ) translatorisch und/oder rotatorisch zwischen einer Vielzahl von Messpositionen (2', 2'', 5', 5'') zum Vermessen jeweils einer Messstrecke (8_nm ) bewegbar angeordnet ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der wenigstens einen Messvorrichtung (20_n , 30_n , 40_n , 50_n ) eine Rotation um eine im Wesentlichen vertikale Rotationsachse (7) umfasst, die im Wesentlichen durch die Mitte des durchströmten Volumens verläuft.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der wenigstens einen Messvorrichtung (20_n , 30_n , 40_n , 50_n ) eine Höhenpositionierung umfasst.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der wenigstens einen Messvorrichtung (20_n , 30_n , 40_n , 50_n ) mithilfe einer Positioniereinheit (13) ausgeführt ist, die wenigstens einen Schrittmotor, Servomotor oder Linearmotor und eine Steuerung aufweist, der wenigstens jeweils eine Bewegungsrichtung zugeordnet ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Messvorrichtung (20_n , 30_n , 40_n , 50_n ) einen ersten Signalsender (50₁ ) und einen ersten Signalempfänger (40₁ ) aufweist, die jeweils zueinander gewandt an gegenüberliegenden Enden einer durch sie definierten ersten Messstrecke (8₅₄₁ ) angeordnet sind.
Messanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass entlang einer zweiten, zur ersten parallel verlaufenden Messstrecke (8₅₄₂ ) in der ihr entgegengesetzten Richtung ein zweiter Signalempfänger (50₂ ) und ein zweiter Signalsender (40₁ ) angeordnet sind.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere Messvorrichtung (20_n , 30_n , 40_n , 50_n ) mit der ersten Messvorrichtung (20_n , 30_n , 40_n , 50_n ) derart mechanisch gekoppelt ist, dass deren Bewegung von einer gemeinsamen Positioniereinheit (13) ausführbar ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere Messvorrichtung (20_n , 30_n , 40_n , 50_n ) mit der ersten Messvorrichtung (20_n , 30_n , 40_n , 50_n ) derart mechanisch und/oder elektromechanisch gekoppelt ist, dass die Länge (L, D) der jeweiligen Messstrecken bei deren Bewegung zwischen einer Vielzahl von Messpositionen (2', 2'', 5', 5'') konstant erhalten bleibt.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu vermessende durchströmte Volumen über einem lokal durch die Messanordnung eingegrenzten Bereich des Erdreichs oder über einem Lysimeter (11) oder über einer Austrittsöffnung eines Rohrs oder Behälters angeordnet ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalsender als eine Schallquelle, insbesondere ein Lautsprecher, und der Signalempfänger als ein Schallempfänger, insbesondere als ein Mikrofon, ausgeführt ist, wobei der Schall im akustischen und/oder Ultraschall-Frequenzbereich ausgeführt ist.
Messanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalsender und/oder der Signalempfänger als jeweils ein Piezzo-Element ausgeführt ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalsender als eine Lichtquelle, insbesondere eine Laserdiode, und der Signalempfänger als ein Lichtempfänger, insbesondere als ein Lichtsensor, ausgeführt sind, wobei das Lichtsignal im sichtbaren und/oder im Infrarot-Frequenzbereich ausgeführt ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium gasförmig oder flüssig, insbesondere Luft, ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Messvorrichtung (20_n , 30_n , 40_n , 50_n ) so positionierbar ausgeführt ist, dass das durchströmte Volumen in mehreren Messebenen erfassbar ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Handhabung erfasster Messwerte wenigstens ein Speichermittel und zu deren weiterem Verarbeiten wenigstens ein Datenverarbeitungsmittel vorgesehen ist, die mittels wenigstens einer Datenübertragungsschnittstelle mit den Messvorrichtungen in Verbindung stehen.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Positionieren der wenigstens einen Messvorrichtung (20_n , 30_n , 40_n , 50_n ) wenigstens ein elektronisches Steuerungsmittel vorgesehen ist, das mittels wenigstens einer Signalübertragungsschnittstelle mit einem elektromechanischen Antrieb und den Messvorrichtungen (20_n , 30_n , 40_n , 50_n ) in Verbindung steht.
Verfahren zum berührungslosen Ermitteln ortsbezogener physikalischer Eigenschaften innerhalb eines von einem Medium durchströmten Volumens mithilfe einer Messanordnung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass – eine erste Messposition (2', 2'', 5', 5'') der Messanordnung eingenommen wird; – die Laufzeit des Messsignals entlang wenigstens einer ersten Messstrecke (8_nm ) erfasst wird; – der erfasste Messwert in einer Speichervorrichtung zuordbar zur jeweiligen Messposition festgehalten wird; – eine nächste Messposition (2', 2'', 5', 5'') der Messanordnung eingenommen wird; – die Laufzeit des Messsignals entlang wenigstens einer gegenüber der ersten Messstrecke (8_nm ) anders orientierten Messstrecke (8_nm ) erfasst wird; – der erfasste Messwert in einer Speichervorrichtung zuordbar zur jeweiligen Messposition festgehalten wird; – die obige Schrittabfolge so lange wiederholt wird, bis alle vorgesehenen Messpositionen (2', 2'', 5', 5'') abgearbeitet sind; – die erfassten Messwerte zuordbar zur jeweiligen Messposition (2', 2'', 5', 5'') an ein tomografisches Berechnungsverfahren zum Bestimmen ortsbezogener physikalischer Eigenschaften innerhalb des von einem Medium durchströmten Volumens übergeben werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Messpositionen (2', 2'', 5', 5'') der Messanordnung (1) in dem durchströmten Volumen in mehreren Ebenen angeordnet werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gleichzeitige oder zeitlich versetzte Erfassung eines Hin- und eines Rücklaufsignals entlang wenigstens einer Messstrecke (8_nm ) ausgeführt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Signalsender ein statistisches Rauschsignal gleichzeitig zu mehr als einem Signalempfänger sendet, wobei jeder Signalempfänger jeweils eine ihm zugeordnete Messfrequenz verwendet.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des durchströmten Volumens mithilfe eines zusätzlichen Sensors an einem bestimmten Ort Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit, Luftfeuchtigkeit oder eine Gaskonzentration gemessen und als Referenzwert zum Kalibrieren der von dem tomografischen Berechnungsverfahren berechneten ortsbezogenen physikalischen Eigenschaften herangezogen wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das tomografische Berechnungsverfahren für das durchströmte und vermessene Volumen ein meteorologisches oder mathematisches Gradientenfeld erstellt, das eine ortsbezogene und zeitbezogene Information über die Verteilung der Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit, Luftfeuchtigkeit oder der Gaskonzentration wiedergibt.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Gradientenfeld skalare Werte und/oder vektorielle Werte aufweist, wobei die vektoriellen Werte die Richtung des maximalen Amplitudenzuwachses oder -abnahme wiedergeben.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen ortsbezogen gemessenen Werte mit dem Wert ihrer jeweiligen Erfassungszeit verknüpft werden und das tomografische Berechnungsverfahren zeitliche Veränderungen der jeweiligen physikalischen Eigenschaften wiedergibt.