DE102009042404B3 - Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines bewegten Fluids unter Einsatz einer Eigenkalibrierung eines Doppler-Global-Velozimeters mit Laserfrequenzmodulation - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines bewegten Fluids unter Einsatz einer Eigenkalibrierung eines Doppler-Global-Velozimeters mit Laserfrequenzmodulation Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines bewegten Fluids unter Einsatz eines Doppler-Global-Velozimeters vorgestellt. Während der Messung erfolgt eine Eigenkalibrierung des Doppler-Global-Velozimeters. Die geschieht, indem das Doppler-Global-Velozimeter einen Laserstrahl aussendet, dessen Frequenz mit einem rechteckförmigen Signal moduliert ist, welches mit Teilen eines harmonischen Signals überlagert ist. Die Kalibrierung erfolgt unter Nutzung einer Analyse der ersten und zweiten Harmonischen. Die Ermittlung der Dopplerverschiebung erfolgt unter Einbeziehung der Kalibrierwerte und eines Offsetwerts. Die Geschwindigkeit des Fluids ergibt sich aus der ermittelten Doppler-Frequenzverschiebung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines bewegten Fluids unter Einsatz einer Eigenkalibrierung eines Doppler-Global-Velozimeters mit Laserfrequenzmodulation.
  • In der Technik stellt sich häufig die Aufgabe, die Bewegungsgeschwindigkeit strömender Fluide berührungslos zu messen. Typische Anwendungsfelder sind die Optimierung von Verbrennungsmotoren oder von Turbomaschinen.
  • Vorteilhaft wird dazu der Dopplereffekt ausgenutzt, der unter anderem beschreibt, welche Frequenzverschiebung eine Welle bei der Streuung bzw. Reflexion an einem bewegten Objekt erfährt.
  • Es existiert eine Reihe von technischen Lösungen, die auf der Grundlage des Dopplereffekts Strömungsgeschwindigkeiten von Fluiden messen. Genutzt werde beispielsweise Doppler-Global-Velozimeter. Diese weisen einen Laserstrahl auf, der in einer Richtung aufgeweitet ist (Laserlichtschnitt) und auf das strömende Fluid gerichtet ist. Das gestreute Laserlicht wird in einer Beobachtungsrichtung einer Frequenz-zu-Intensitätskonversion (bevorzugt mittels einer Absorptionszelle) unterzogen und auf ein Photodetektorarray oder eine Kamera oder eine andere geeignete Erfassungs- und/oder Aufzeichnungsvorrichtung geleitet.
  • Das strömende Fluid enthält vorteilhaft kleine Streupartikel. Die Streupartikel können in dem Fluid natürlich vorkommen (z. B. Staub) oder aber künstlich zugesetzt werden. Die Streupartikel sind bevorzugt so klein, dass sie die Strömung des Fluids derart mitmachen, dass die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Streupartikel und umgebenden Fluid möglichst gering, bevorzugt Null ist.
  • Das Laserlicht wird an den Streupartikeln gestreut und in einem Laser-Velozimeter aufgefangen und einer Auswertung zur Bestimmung der Dopplerverschiebung der Frequenz des Laserlichtes und daraus der Geschwindigkeit des strömenden Fluids, zugeführt.
  • Die Frequenz des Streulichts ist direkt proportional zu der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit und zur Doppler-Frequenz
    Figure 00020001
    verschoben. Hierbei ist v → die Strömungsgeschwindigkeit, i → die Lichteinfallsrichtung, o → die Beobachtungsrichtung, fL die Laserfrequenz (vor der Lichtstreuung) und c die Lichtgeschwindigkeit.
  • Die WO 99/9935519 beschreibt ein Verfahren, bei dem ein sinusförmig frequenzmodulierter Laserstrahl auf ein Medium gerichtet und die entstehende Rayleigh-Streuung erfasst wird. Mit einem Lock-In-Verstärker wird schließlich allein die zweite Harmonische des detektierten Streulichtsignals nach der Frequenz-Intensitätskonversion bestimmt und zwecks Bestimmung der Doppler-Frequenzverschiebung mit der zweiten Harmonischen eines Referenzsignals verglichen. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass eine Schwankung der Streulichtintensität, die zu einer Messabweichung führt, nicht korrigiert wird, dass mit sehr schwachem Rayleigh-gestreutem Licht gearbeitet wird und nur eine punktförmige Messung durchgeführt wird.
  • Die US 5,216,477 stellt eine Methode vor, bei der die Frequenzverschiebung eines Laserstrahls punktförmig bestimmt wird, indem der Originalstrahl ohne Frequenzverschiebung und der Messstrahl mit Frequenzverschiebung jeweils durch ein Flankenfilter geleitet und die entstehenden Signale verglichen werden. Eine Modulation des Laserstrahls ist nicht vorgesehen.
  • In der US 4,919,536 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem alle drei Geschwindigkeitskomponenten eines strömenden Fluids bestimmt werden können. Dazu werden drei verschiedene Beobachtungsrichtungen (sequentiell oder simultan) oder drei verschiedene Laserlichtschnitte (sequentiell) eingesetzt. Das jeweils gestreute Licht wird in zwei Anteile aufgeteilt, wobei der erste Anteil von einer Referenzkamera aufgezeichnet wird und der zweite Anteil nach dem Durchgang durch eine molekulare Absorptionszelle von der Signalkamera erfasst wird. Die Signale der Signalkamera werden hier durch die Signale der Referenzkamera dividiert, um den Einfluss der Streulichtintensität zu eliminieren. Zur Umrechnung dieser Signalverhältnisse in tatsächliche Geschwindigkeitswerte ist jedoch eine vorhergehende Kalibrierung notwendig. Dieses Verfahren wird auch als DGV-Verfahren (Doppler-Global-Velozimetrie-Verfahren) bezeichnet.
  • Weiterentwickelte Verfahren verwenden sinusförmige Frequenzmodulationen (FM-DGV) des Laserlichts und können auf den Einsatz einer Referenzkamera verzichten. Da hier eine sinusförmige Frequenzmodulation angewandt wird, ergibt sich eine geschwindigkeitsabhängige Verschiebung der Lasermittenfrequenz gemäß der Gl. (1). Zur Bestimmung dieser Frequenzverschiebung misst man mit einem Detektorarray das gestreute Licht, welches zuvor eine molekulare Absorptionszelle passiert hat. Da der schmalbandige Laser bei der Absorptionslinie eines Absorbergases betrieben wird, führt die Frequenzmodulation zu einer Lichtintensitätsmodulation in Abhängigkeit der Lasermittenfrequenz (siehe 1b). So kann durch pixelweise Berechnung der Amplituden A1(f), A2(f) der ersten und zweiten Harmonischen der Detektorsignale in bestimmten Eineindeutigkeitsbereichen jeweils auf die Lasermittenfrequenz f geschlossen werden. Hierfür werden die Detektorausgangssignale mit einem Datenerfassungssystem abgetastet und mit den Mitteln der harmonischen Analyse ausgewertet. Da beide Amplitudenwerte direkt proportional zur mittleren Streulichtintensität sind, wird letztlich deren Quotient q(f)=A1(f)/A2(f) (2) als Messgröße verwendet. Er ist unabhängig von der mittleren Streulichtintensität. Die 1 zeigt das Funktionsprinzip des Doppler-Global-Velozimeters mit Laserfrequenzmodulation.
  • Das Frequency-Shift-Keying-DGV (FSK-DGV) setzt demgegenüber eine diskrete Laserfrequenzmodulationen ein, bei welcher anstelle einer kontinuierlichen, sinusförmigen Modulation eine treppenförmige Laserfrequenzmodulation genutzt wird. Dabei werden in Analogie zur FM-DGV die Amplituden A1(f), A2(f) der ersten und zweiten Harmonischen aus insgesamt vier Abtastwerten bestimmt:
    Figure 00040001
  • Die Werte g(0), g(1), g(2), g(3) sind die vier sequentiell aufgenommenen Abtastwerte eines Pixels. Da g(1) = g(3) gilt sind letztlich nur drei Abtastwerte notwendig.
  • Die genannten Verfahren müssen zu Ihrer Kalibrierung vor oder nach den eigentlichen Messprozessen aufwändige Kalibriermessungen vornehmen. Diese Kalibriermessungen erfolgen unter Einsatz der bereits beim DGV-Verfahren beschriebenen molekularen Absorptionszelle. Diese Absorptionszelle absorbiert das eingestrahlte Licht nahe einer bestimmten Frequenz nur gering. Von diesem Bereich steigt die Absorption mit fallender bzw. steigender Frequenz an. Diese Anstiegsbereiche werden Transmissionskennlinienflanken genannt. Die Steigungen der Transmissionskennlinienflanken sind für die Kalibrierung notwendig, da sie Aussagen darüber liefern, welcher. Anteil des Lichts bei einer bestimmten Frequenz von der Zelle absorbiert wurde, bzw. wie groß die ursprüngliche Intensität war. Erschwerend kommt hinzu, dass die Form der Transmissionskennlinie von der Temperatur abhängt. Wenn die Kalibrierung also nicht zeitnah erfolgt können die Ergebnisse verfälscht werden. Es ist somit ein Ziel der technischen Entwicklung, die Kalibrierung möglichst zeitnah, bevorzugt während des Messprozesses mit der für die Messung eingesetzten Apparatur vorzunehmen. Verfahren, die dies leisten heißen Eigenkalibrierungsverfahren.
  • Ein entsprechendes Verfahren wird in der US 6,522,397 B2 beschrieben. Bei diesem Verfahren zur Echtzeit-Kalibrierung kommt ein sogenanntes DEFI (Dispositif d'Etalonnage Fréquence Intensité) zum Einsatz. Hierbei werden ca. 10% des vom Laser emittierten Lichts mittels akustooptischer Modulatoren in fünf Teilstrahlen mit einem jeweiligen Frequenzversatz von 80 MHz aufgespalten und in die Empfangsoptik gespeist. In den aufgenommenen Kamerabildern dienen die so aufgenommenen Helligkeitswerte zur online-Erfassung der Transmissionskennlinie an den resultierenden 5 Stützstellen. Mittels Interpolationstechniken bestimmt man daraus on-line während der Messung die Kalibrierkennlinie.
  • Nachteile dieser Lösung bestehen unter anderem darin, dass ca. 10% des vom Laser emittierten Lichts für das DEFI benötigt wird, so dass nur noch 90% der ursprünglichen Laserleistung für die Geschwindigkeitsmessung verfügbar sind. Mit der Verringerung der Laserleistung geht eine Vergrößerung der Messunsicherheit einher.
  • Die Form der Transmissionskennlinie hängt vom optischen Weg des Lichts in der Absorptionszelle ab (Lambert-Beer'sches Gesetz). Da das Streulicht nicht für jeden Bildpunkt im gleichen Winkel durch die Absorptionszelle tritt, gilt demnach für jeden Bildpunkt eine andere Transmission. Diesem Effekt trägt das DEFI jedoch keine Rechnung.
  • Der Aufbau des DEFI ist sehr groß und daher nicht portabel. Darüber hinaus beinhaltet er viele Komponenten und ist aufwändig zu justieren.
  • Der Aufbau ist nicht robust bezüglich mechanischer und thermischer Einwirkungen, wie sie im industriellen Einsatz zu erwarten sind (z. B. Einsatz in Turbomaschinen).
  • Die unterschiedlichen Empfindlichkeiten der verschiedenen Kamerapixel werden nicht mit erfasst bzw. berücksichtigt. Sie müssen vor der Geschwindigkeitsmessung in einem separaten Kalibrierungsschritt vorab bestimmt werden.
  • Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Eigenkalibrierungsverfahren für die Doppler-Global-Velozimeter-Messungen zu schaffen, dass einen einfachen, robusten und zuverlässigen Aufbau des Doppler-Global-Velozimeters ermöglicht und darüber hinaus die Kalibrierung zeitnah, bevorzugt während des Messvorganges ermöglicht.
  • Die zu Grunde liegende Idee der Eigenkalibrierung ist, die Form der Transmissionskennlinie zeitnah zur Messung, bevorzugt während der Geschwindigkeitsmessung zu erfassen und entsprechend zu berücksichtigen. Hierfür geht man zunächst davon aus, dass nur die Flankenbereiche der Transmissionskennlinie τ(f) genutzt werden, die näherungsweise linear sind. Für die linke und rechte Flanke der Transmissionskennlinie gelte folglich
    Figure 00060001
  • Die Indizes l und r stehen für linke und rechte Flanke. Die Frequenz f0,l bzw. f0,r ist die Nullstelle der Gerade, und das Symbol τ'l bzw. τ'r bezeichnet deren Anstieg. Man beachte, dass der Anstieg der linken Flanke negativ und der Anstieg der rechten Flanke positiv ist, d. h. τ'l < 0 und τ'r < 0.
  • Anstelle von reinen Frequenzsprüngen (FSK-DGV ohne bzw. mit Eigenkalibrierung) oder einer Harmonischen (FM-DGV ohne Eigenkalibrierung) soll als Laserfrequenzmodulation bevorzugt ein rechteckförmiges Signal überlagert mit Teilen eines harmonischen Signals genutzt werden. Mit dem rechteckförmigen Signal lässt sich so die Doppler-Frequenzverschiebung bestimmen. Mit den harmonischen Signalteilen lassen sich die Flankenanstiege τ'l, τ'r vermessen und können entsprechend berücksichtigt werden, wie nachfolgend gezeigt wird.
  • Die Signale werden nach der Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion, die vorteilhaft bei dem Durchgang durch eine Absorptionszelle erfolgt, auf ein Detektorarray gelenkt, das mehrere Detektorarrayelemente aufweist und die optischen in elektrische Signale umwandelt. Die Signale werden anschließend gespeichert oder direkt ausgewertet. Die Auswertung erfolgt vorteilhaft computergestützt, wobei die hier angegebenen Berechnungsmethoden als Programm vorliegen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines bewegten Fluids zeichnet sich durch eine Eigenkalibrierung eines Doppler-Global-Velozimeters aus.
  • Das erfindungsgemäßen Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass
    • • das Doppler-Global-Velozimeter Laserlicht verwendet wird, dessen Frequenz mit einem rechteckförmigen Signal moduliert ist, welches mit Teilen eines harmonischen Signals überlagert ist, und die Lasermittenfrequenz stabilisiert ist,
    • • das Laserlicht auf ein bewegtes Fluid gerichtet wird, das Streupartikel aufweist,
    • • das Laserlicht an den Streupartikeln im bewegten Fluid gestreut wird,
    • • am Laserlicht nach der Streuung eine Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion vorgenommen wird, wobei die Einrichtung zur Konversion eine Transmissionskennlinie mit zwei Flanken aufweist,
    • • das Licht nach der Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion in einem Detektorarray, das eines oder mehrere Detektorarrayelementen aufweist, in elektrische Signale umgewandelt wird,
    • • die Signale aufgezeichnet und/oder anderweitig erfasst werden,
    • • die Steigungen der Transmissionskennlinienflanken als Kalibrierwerte mittels einer harmonischen Analyse der ersten und/oder zweiten Harmonischen der Signale bestimmt werden
    • • die Bestimmung der Doppler-Frequenzverschiebung mittels harmonischer Analyse unter Einbeziehung der Kalibrierwerte und eines Offsetwertes erfolgt
    • • die Geschwindigkeit des bewegten Fluids aus der (wie oben bestimmten) Doppler-Frequenzverschiebung bestimmt wird.
  • Die Stabilisierung der Lasermittenfrequenz des Laserlichts erfolgt mittels bekannter Verfahren nach dem Stand der Technik, beispielsweise mittels interferometrischer Methoden, unter Einsatz von Frequenznormalen (Absorptionszellen) oder mittels Sättigungsspektroskopie.
  • Die Bestimmung des Offsetwertes erfolgt durch eine Messung mit nicht dopplerverschobenem Licht, bevorzugt durch Streuung an einem ruhenden Objekt beispielsweise an einem ruhenden Streukörper. Dopplerverschobenes Licht ist Licht, dass eine Frequenzverschiebung nach dem Dopplereffekt aufweist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für Geschwindigkeitsmessungen von schnell strömenden Fluiden, wie sie z. B. bei der Optimierung von Verbrennungsmotoren oder Turbomaschinen notwendig sind. Unter Fluiden werden sowohl Gase als auch Flüssigkeiten unterschiedlichter Temperaturen verstanden, wobei sich die Erfindung insbesondere für bewegte Gase eignet.
  • Zur Auswertung des Bestreuten Laserlichtsignals ergeben sich zwei bevorzugte Varianten:
    • • Frequenzmultiplex – ohne Auswertung der Phasenlage der Harmonischen
    • • Phasenmultiplex – mit Auswertung der Phasenlage der Harmonischen
  • Frequenzmultiplex
  • Das harmonische Signal habe eine andere Frequenz als das Rechtecksignal. Als Beispiel wird angenommen, das harmonische Signal habe die doppelte Frequenz des Rechtecksignals. Eine Periode der Laserfrequenz lautet dann (siehe 2a)
    Figure 00080001
  • Dabei ist fc die Lasermittenfrequenz, fsh die Amplitude der Rechteckmodulation, fh die Amplitude der kosinusförmigen Modulation und fm die Modulationsfrequenz. Die gemäß dem Doppler-Effekt verschobene Laserfrequenz fL(t) + fD des Streulichts befinde sich für die Zeit –1/(4fm) ≤ t < 1/(4fm) auf der rechten und für 1/(4fm) ≤ t < 3/(4fm) auf der linken Flanke der Transmissionskennlinie.
  • Die 2 erläutert die Laserfrequenzmodulation durch Überlagerung eines Rechteck- und eines harmonischen Signals mit Frequenz- und mit Phasenmultiplex.
  • Setzt man nun die Laserfrequenzmodulation gemäß der Gl. (5) in die Transmissionskennlinie gemäß der Gl. (4) ein, und wertet wie beim FM-DGV-Verfahren ohne Eigenkalibrierung gemäß der Gl. (2) das Amplitudenverhältnis q(f) der ersten beiden Harmonischen A1(f), A2(f) eines Detektorsignals aus, dann erhält man
    Figure 00080002
  • Im Gegensatz zum bisherigen FM-DGV-Messverfahren zeigt sich (erster Summand, Gl. (6)), dass eine direkte Proportionalität zwischen dem Amplitudenverhältnis A1(f), A2(f) und der Doppler-Frequenz fD besteht, deren Proportionalitätskonstante durch die gewählte Amplitude fh der harmonischen Frequenzmodulation bestimmt ist. Die Form der Transmissionskennlinie, die Empfindlichkeit des Detektorarrayelements und die Streulichtintensität gehen hierbei nicht ein!
  • Die Parameter f0,l, f0,r, τ'l und τ'r, die die Transmissionskennlinie beschreiben, verursachen zusammen mit der Lasermittenfrequenz fc und der Amplitude fsh der Rechteckmodulation lediglich einen Offset (zweiter Summand, Gl. (6)). Dieses Offset lässt sich beispielsweise korrigieren, indem man entweder während der Messung mit einem Detektorarrayelement die Geschwindigkeit v = 0 an einem ruhenden Objekt misst und das so erhaltene Amplitudenverhältnis von den anderen abzieht (Annahme: für alle Elemente gilt die gleiche Transmissionskenlinie), oder indem man zeitnah zur Geschwindigkeitsmessung selbiges Streulicht auf ein Detektorarrayelement oder mehrere Detektorarrayelemente, vorteilhaft auf alle Detektorarrayelemente (ohne obige Annahme; hier kann für jedes Element eine eigene Transmissionskennlinie bestimmt werden) gibt und auswertet.
  • Damit ist das Messergebnis unabhängig von der Form der Transmissionskennlinie, der jeweiligen Empfindlichkeit des Detektorarrayelements und der Streulichtintensität. Das zu Grunde liegende Schema der Signalverarbeitung und -auswertung ist noch einmal in 3 zusammengefasst.
  • Phasenmultiplex
  • Die harmonischen Signalteile und das Rechtecksignal habe die gleiche Frequenz fm, sie seien aber um π/2 zueinander phasenverschoben (siehe 2b):
    Figure 00090001
  • Anstelle der Auswertung der Amplituden bzw. cos-Anteile der ersten und zweiten Harmonischen eines Detektorarrayelements (vgl. Frequenzmultiplex) kann nun eine Trennung der überlagerten Modulationssignale (Rechteck + harmonische Funktion) durch eine Auswertung des cos- und des sin-Anteils der ersten Harmonischen vorgenommen werden. Dies entspricht einer Auswertung des Real- und Imaginärteils des Fourierkoeffizienten bei der Frequenz fm. Als Verhältnis von Imaginär- zu Realteil erhält man denselben Ausdruck wie in Gl. (6), lediglich mit negativem Vorzeichen.
  • Eine Übersicht über die Signalauswertung findet sich in 4.
  • Im Ergebnis kann mit der vorgestellten Methode beim FM-DGV erstmals eine Kalibrierung während der Messung vorgenommen werden, um die aus den Schwankungen der Kalibrierkennlinie resultierenden Messabweichungen zu eliminieren. Gegenüber dem Eigenkalibrierverfahren mit DEFI-Einsatz für die konventionelle DGV ergeben sich die folgenden Vorteile:
    • – Die Laserleistung wird zu 100% während der Geschwindigkeitsmessung genutzt und wird nicht verringert.
    • – Die Transmissionskennlinie hängt vom optischen Weg des Lichts in der Absorptionszelle ab (Lambert-Beer'sches Gesetz). Da das Streulicht nicht für jeden Bildpunkt im gleichen Winkel durch die Absorptionszelle tritt, gilt demnach für jeden Bildpunkt eine andere Transmission. Die Kalibrierung wird deshalb hier für jeden Bildpunkt einzeln durchgeführt.
    • – Die unterschiedlichen Empfindlichkeiten der verschiedenen Pixel bzw.
    • Detektorarrayelemente werden während der online-Kalibrierung mit erfasst und berücksichtigt.
    • – Es bedarf keiner zusätzlichen Geräte als diejenigen, die zum Betrieb eines FM-DGV-Messsystems bereits benötigt werden. Es sind lediglich die beschriebenen Modulationssignale anstelle der harmonischen Funktion mit dem Funktionsgenerator zu erzeugen. Der Aufbau ist demnach ebenso portabel wie das FM-DGV-Messsystem. Eine Justage ist nicht erforderlich, weshalb der „Aufbau” deutlich robuster bezüglich mechanischer und thermischer Einwirkungen ist.
  • Im Vergleich zu dem Eigenkalibrierungsverfahren des FSK-DGV-Verfahren ergeben sich ähnliche qualitative Leistungsmerkmale. Allerdings ist die erfindungsgemäße Methode einfacher in ein FM-DGV-Messsystems zu integrieren, da es hierauf abgestimmt ist.
  • Ein Vorteil des Phasenmultiplex im Vergleich zum Frequenzmultiplex ist, dass die in der Praxis auftretenden unterschiedlichen Detektorempfindlichkeiten für verschiedene Signalfrequenzen (Amplitudengang des Detektors) keine Rolle mehr spielen.
  • Figuren
  • 1: a) Funktionsprinzip eines Doppler-Global-Velozimeters mit Laserfrequenzmodulation,
    b) Skizzierung der Frequenzmodulation an einer gemessenen Cäsium-Absorptionslinie (f0 = 351,7217 THz, fc Lasermittenfrequenz)
  • 2: Laserfrequenzmodulation durch additive Überlagerung eines Rechteck- und eines harmonischen Signals mit
    a) Frequenzmultiplex und
    b) Phasenmultiplex für fm = 100 kHz, fh = 450 MHz, fsh = 50 MHz
  • 3: Frequenzmultiplex-Schema der Signalauswertung zur Eigenkalibrierung bei einer Laserfrequenzmodulation gemäß 2a
  • 4: Phasenmultiplex-Schema der Signalauswertung zur Eigenkalibrierung bei einer Laserfrequenzmodulation gemäß 2b
  • Bezugszeichenliste
    • i→
    Einheitsvektor, der die Einfallsrichtung des Laserlichtschnitts angibt
    V→
    Streuteilchen mit der Geschwindigkeit v
    O→
    Einheitsvektor, der die Beobachtungsrichtung angibt
    1
    Absorptionszelle
    2
    Photodetektorarray

Claims (7)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines bewegten Fluids mit Eigenkalibrierung eines Doppler-Global-Velozimeters, wobei • das Doppler-Global-Velozimeter einen Laserstrahl aussendet, dessen Frequenz mit einem rechteckförmigen Signal moduliert ist, welches mit Teilen eines harmonischen Signals überlagert ist, und dessen Lasermittenfrequenz stabilisiert ist, • der Laserstrahl auf ein bewegtes Fluid gerichtet wird, das Streupartikel aufweist, • das Laserlicht an den Streupartikeln im bewegten Fluid gestreut wird, • am Laserlicht nach der Streuung eine Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion vorgenommen wird, wobei die Einrichtung zur Konversion eine Transmissionskennlinie mit zwei Flanken aufweist, • das Licht nach der Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion in einem Detektorarray, das eines oder mehrere Detektorarrayelemente aufweist, in elektrische Signale umgewandelt wird, • die Signale aufgezeichnet und/oder anderweitig erfasst werden, • die Steigungen der Transmissionskennlinienflanken als Kalibrierwerte mittels einer harmonischen Analyse der ersten und/oder zweiten Harmonischen der Signale bestimmt werden, • die Bestimmung der Doppler-Frequenzverschiebung mittels harmonischer Analyse unter Einbeziehung der Kalibrierwerte und eines Offsetwertes erfolgt, • die Geschwindigkeit des bewegten Fluids aus der Doppler-Frequenzverschiebung bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion eine Absorptionszelle ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass • die Steigungen der Transmissionskennlinienflanken als Kalibrierwert anhand der Amplituden der zweiten Harmonischen bestimmt werden und • die Doppler-Frequenzverschiebung anhand der Amplitude der ersten Harmonischen unter Berücksichtigung des Kalibrierwertes bestimmt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass • die Steigungen der Transmissionskennlinienflanken als Kalibrierwert anhand des Realteils der ersten Harmonischen bestimmt werden und • die Doppler-Frequenzverschiebung anhand des Imaginärteils der ersten Harmonischen unter Berücksichtigung des Kalibrierwertes bestimmt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Offsetwert zeitnah zur Geschwindigkeitsmessung durch eine Messung an nicht dopplerverschobenem Laserlicht bestimmt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Offsetwert während der Geschwindigkeitsmessung durch Messung an einem Detektorarrayelement bestimmt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Offsetwert kurz vor oder nach der Geschwindigkeitsmessung durch Messung an einem oder mehreren Detektorarrayelementen bestimmt wird.
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