DE102009055799A1

DE102009055799A1 - Laser-Doppler-Sensor zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen in Strömungsbereichen von Strömungskanälen

Info

Publication number: DE102009055799A1
Application number: DE102009055799A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Pfister; Lars Büttner; Jürgen Czarske
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2029-11-20
Also published as: DE102009055799B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Laser-Doppler-Sensor (30) zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen (7) in Strömungsbereichen (39) von Strömungskanälen (2), aufweisend einen dem Strömungskanal (2) angepassten integrierten Strömungskanalabschnitt (72), wobei der Strömungskanalabschnitt (72) eine den Strömungsbereich (39) umgebende Kanalwand (8, 34) besitzt, durch die Lichtwellen (37, 38) in den Strömungsbereich (39) zur Beleuchtung von in der Strömung (17) mitgeführten Partikeln (9) geführt sind, und wobei zumindest ein Photodetektor vorhanden ist, der das von den strömenden Partikeln (9) gestreute Licht registriert, wobei eine Auswertung der registrierten Streulichtsignale der in der Strömung (17) mitgeführten Partikel (9) zur Ermittlung des Geschwindigkeitsprofils über dem Kanalquerschnitt mittels einer dem Photodetektor nachgeschalteten Auswerteeinheit erfolgt, wobei Position und Tangentialgeschwindigkeit der Partikel (9) und somit das resultierende Geschwindigkeitsprofil über dem Querschnitt des Strömungskanals (2) nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Profilsensors (1) oder nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Feldsensors (10) bestimmt werden. Die Aufgabe besteht darin, dass der Laser-Doppler-Sensor kostengünstig und gemeinsam mit dem Strömungskanal herstellbar ist oder der Laser-Doppler-Sensor alternativ separat vom Strömungskanal herstellbar und dorthin integrierbar ist, wobei die Anzahl der notwendigen optischen Komponenten außerhalb des Strömungskanals möglichst ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser-Doppler-Sensor zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen in Strömungsbereichen von Strömungskanälen, aufweisend einen dem Strömungskanal angepassten integrierten Strömungskanalabschnitt, wobei der Strömungskanalabschnitt eine den Strömungsbereich umgebende Kanalwand aufweist, durch die Lichtwellen in den Strömungsbereich zur Beleuchtung von in der Strömung mitgeführten Partikeln geführt sind, und wobei zumindest ein Photodetektor vorhanden ist, der das von den strömenden Partikeln gestreute Licht registriert, wobei eine Auswertung der registrierten Streulichtsignale von in der Strömung mitgeführten Partikeln zur Ermittlung des Geschwindigkeitsprofils über dem Kanalquerschnitt mittels einer dem Photodetektor nachgeschalteten Auswerteeinheit erfolgt, wobei Position und Tangentialgeschwindigkeit der Partikel und somit das resultierende Geschwindigkeitsprofil über dem Querschnitt des Strömungskanals nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Profilsensors oder nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Feldsensors bestimmt werden.
Die genaue Kenntnis der transversalen Geschwindigkeitsverteilung, des Geschwindigkeitsprofils, von Strömungen im Innern von makroskopischen und insbesondere von mikroskopischen Rohrleitungen, Schläuchen oder Kanälen (im Folgenden allgemein als Strömungskanäle bezeichnet) ist von großer Bedeutung sowohl in der Strömungsforschung als auch für eine Vielzahl von praktischen Anwendungen, z. B.

– für präzise Durchflussmessungen, wobei der Durchfluss gleich dem Integral über die Geschwindigkeitsverteilung über einen Kanalquerschnitt ist und die Durchflussmessungen in vielen Industriebereichen von großer Wichtigkeit sind, wobei das Spektrum des Einsatzes von der nanolitergenauen Dosierung von Medikamenten (z. B. Perfusionspumpen, Infusionen, Insulinspritzen) oder Reagentien in der Mikrofluidik (z. B. Westentaschenlabor, Lab-on-a-Chip) bis hin zur Großgasmengenmessung von Erdgas in Pipelines reicht,
– für die Erforschung des Strömungsverhaltens in Mikrokanälen und Mikrodüsen,
– für die Untersuchung von Mehrphasenströmung und in der Turbulenzforschung,
– für die Untersuchung von Mischvorgängen in Mikromischern für Lab-on-a-Chip-Applikationen und
– für In-vivo Blutflussmessungen in Blutpumpen, bei Herzoperationen oder bei der Dialyse.

Für diese Anwendungen ist eine genaue Bestimmung der Geschwindigkeitsverteilung über dem Kanalquerschnitt mit einer örtlichen Auflösung im Mikrometerbereich erforderlich. Dabei wird eine relative Messunsicherheit der Geschwindigkeit von ≤ 0,1% gefordert.
Insbesondere für die genannten Anwendungen im Bereich der Mikrofluidik sind miniaturisierte und kostengünstige Sensoren erforderlich, die direkt in den Strömungskanal integriert werden können.
Derartige Sensoren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen sind allerdings bisher nicht verfügbar.
Es ist ein Laser-Doppler-Profilsensor zur Ermittlung eines 1D-Geschwindigkeitsprofils in Strömungskanälen in der Druckschrift Czarske, Büttner, Razik, Müller: Boundary layer velocity measurements by a laser Doppler profile sensor with micrometre spatial resolution, Mess. Sci. Technol., Vol. 13, S. 1979–1989, 2002 beschrieben. Hierbei wird der bisher als Störung betrachtete Einfluss der Wellenfrontkrümmung realer Laserstrahlen ausgenutzt und sogar noch verstärkt, um so mittels einer Zweifachmessung zusätzlich zu einer Geschwindigkeitskomponente v_x(z) gleichzeitig auch die Position z von in der Strömung mitgeführten Partikeln mikrometergenau bestimmen zu können, wie in 1a und 1b gezeigt ist. Der Laser-Doppler-Profilsensor 1 kann Geschwindigkeitsprofile 7, z. B. von Kanalströmungen in ihrer Gesamtheit ohne mechanische Traversierung des Sensors und mit gleichzeitig hoher Ortsauflösung im Mikrometerbereich und hoher Geschwindigkeitsauflösung erfassen.
Der Laser-Doppler-Profilsensor 1 zur Bestimmung eines 1D-Geschwindigkeitsprofils in 1a befindet sich außerhalb des Strömungskanals 2 und weist zwei überlagerte Laserstrahlpaare 3a, 3b auf, die in den Strömungsbereich 39 führen und dort zwei überlagerte fächerförmige Interferenzstreifensysteme 4a, 4b erzeugen, wobei in der Kanalwand 8 des Strömungskanals 2 ein für die Laserstrahlen 3a, 3b lichtdurchlässiges Fenster 5 angeordnet ist.
Die Funktionsweise des Laser-Doppler-Profilsensors 1 ist in den folgenden Druckschriften
Shirai, Bayer, Voigt, Pfister, Büttner, Czarske: Near-wall measurements of turbulence statistics in a full developed channel flow with a novel laser Doppler velocity profile sensor, European Journal of Mechanics – B/Fluids, Vol. 27, Issue 5, S. 567–578, 2008;
Büttner, Bayer, Voigt, Czarske, Müller, Pape, Strunck: Precise Flow Rate Measurements of Natural Gas under high Pressure with a Laser Doppler Velocity Profile Sensor, Exp. in Fluids, Vol. 45, No. 6, S. 1103–1115, 2008;
Czarske, Büttner, Razik, Müller: Boundary layer velocity measurements by a laser Doppler profile sensor with micrometre spatial resolution, Mess. Sci. Technol., Vol. 13, S. 1979–1989, 2002 und
Pfister, Büttner, Shirai, Czarske: Monochromatic heterodyne fiber-optic profile sensor for spatially resolved velocity measurements with frequency division multiplexing, Applied Optics, vol. 44, No. 13, S. 2501–2510, 2005 beschrieben.
Dabei sind in dem Laser-Doppler-Profilsensor 1 zwei schematisch in 1a gezeigte, fächerförmige Interferenzstreifensysteme 4a, 4b mit entgegengesetzten Gradienten ∂d₁(z)/∂z und ∂d₂(z)/∂z des Streifenabstandes d₁(z) und d₂(z) – d. h. ein konvergentes Streifensystem 4a, bei dem der Streifenabstand d₂(z) entlang der z-Achse kontinuierlich abnimmt, und ein divergentes Streifensystem 4b, bei dem der Interferenzstreifenabstand d₁(z) entsprechend kontinuierlich ansteigt – vorhanden. Durch die Verwendung von z. B. zwei unterschiedlichen Laserwellenlängen (Wellenlängenmultiplex) oder Trägerfrequenzen (Frequenzmultiplex) sind diese beiden Interferenzstreifensysteme 4a, 4b unterscheidbar und können in einem Messgebiet 6 im Strömungsbereich 39 überlagert werden. Durchquert ein Partikel 9 das Messgebiet 6, so resultieren aus diesen beiden Messkanälen bzw. Interferenzstreifensystemen 4a, 4b zwei unterscheidbare Streulichtsignale, aus denen zwei Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ ermittelt werden können. Der Quotient der beiden Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ hängt gemäß der Gleichung (I)
nicht mehr von der tangentialen Partikelgeschwindigkeit v_x ab und kann somit als Kalibrierfunktion q(z) zur Bestimmung der axialen Position z des Partikels 9 innerhalb des Messgebietes 6 verwendet werden (siehe 1b, links). Mit Hilfe der bekannten Durchtrittsposition z des Partikels 9 durch das Messgebiet 6 können dann, wie in 1b (rechts) gezeigt ist, die aktuellen Streifenabstände d₁(z) und d₂(z) aus den durch die vorherige Sensorkalibrierung bekannten Streifenabstandsverläufen ermittelt werden. In einer Auswerteeinheit ergibt sich zusammen mit den beiden Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ dann die Geschwindigkeit v_x(z) des Partikels 9 nach der Gleichung (II) v_x(z) = f₁(v_x, z)d₁(z) = f₂(v_x, z)d₂(z). (II)
Da der Laser-Doppler-Profilsensor 1 die Position der Partikel 9 innerhalb des Messgebiets 6 des Strömungsbereiches 39 auflösen kann und die Partikel 9 statistisch verteilt in der Strömung 17 vorliegen, kann durch eine Ensemblemessung das komplette im Messgebiet 6 bzw. über dem Kanalquerschnitt vorherrschende 1D-Geschwindigkeitsprofil 7 ohne mechanische Traversierung des Laser-Doppler-Profilsensors 1 erfasst (1a) werden.
Des Weiteren ist ein Laser-Doppler-Feldsensor 10 in den Druckschriften DE 10 2005 042 954 und Voigt, Bayer, Shirai, Büttner, Czarske: Laser Doppler field sensor for high resolution flow velocity imaging without camera, Applied Optics, Vol. 47, No. 27, S. 5028–5040, 2008 beschrieben, wobei dort zwei Laser-Doppler-Profilsensoren 1 gemäß der 1a als zwei Laser-Doppler-Profilsensoren 11, 12, wie in 2 gezeigt ist, als Liniensensoren miteinander kombiniert werden, die jeweils ein 1D-Geschwindigkeitsprofil 7 entlang einer Linie erfassen können, wobei mit dem Laser-Doppler-Feldsensor 10 nicht nur ein Geschwindigkeitsprofil entlang einer Linie, sondern sogar ein 2D-Geschwindigkeitsfeld v_x(y, z) (z. B. über einem Kanalquerschnitt) ohne Kamera ermittelt werden kann. Mit dem Photodetektor 27 wird das Messgebiet 6 ausgemessen und über eine daran angeschlossene Auswerteeinheit (nicht eingezeichnet) die Auswertung zur Bestimmung des Geschwindigkeitsprofils durchgeführt.
Wie in 3 gezeigt ist, umfasst der Laser-Doppler-Feldsensor 10 folglich die vier fächerförmigen Interferenzstreifensysteme 13, 14, 15, 16, die in einem Messgebiet 6 überlagert und die alle voneinander unterscheidbar sind.
Sowohl beim Laser-Doppler-Profilsensor 1 als auch beim Laser-Doppler-Feldsensor 10 bleiben jedoch folgende Probleme, die generell bei der praktischen Nutzung optischer Sensoren und Messsysteme für Strömungsmessungen insbesondere in Mikrokanälen auftreten, bestehen:

– Für einen serienmäßigen industriellen Einsatz in Mikrofluidik-Produkten, die zu geringen Kosten in grollen Stückzahlen hergestellt werden sollen (z. B. Lab-on-a-Chip-Produkte), müssen die in Frage kommenden Sensoren preisgünstig sein. Die verfügbaren optischen Sensoren für die Strömungsmesstechnik sind allerdings allgemein sehr aufwändig und kostenintensiv. Zwar benötigen der Laser-Doppler-Profilsensor 1 und der Laser-Doppler-Feldsensor 10 keine teuren Kameras, die zu hohen Kosten für kamerabasierte Messprinzipien (wie z. B. Doppler Global Velocimetry (DGV) oder Particle Image Velocimetry (PIV)) führen. Allerdings verursachen die notwendigen Laser und Optiken sowie der mechanische Aufbau auch beim Laser-Doppler-Profilsensor 1 je nach Ausführung hohe Kosten. Dies ist für einen serienmäßigen industriellen Einsatz in Mikrofluidik-Produkten viel zu teuer.
– Außerdem ist die gesamte Sensoroptik, bestehend aus Laserlichtquellen, optischen Komponenten zur Strahlführung und -formung und Detektoren, außerhalb des Strömungskanals 2 angeordnet. Die dabei genutzten Optikaufbauten sind nicht nur teuer, sondern auch relativ groß und komplex und meist kaum transportabel. Derartige Aufbauten lassen sich unmöglich in einen nur wenige Zentimeter oder gar Millimeter großen Mikrofluidik-Chip integrieren.
– Aus der üblichen Anordnung der gesamten Sensoroptik außerhalb des Strömungskanals 2 ergeben sich weitere Probleme, beispielsweise mit der optischen Zugänglichkeit des Strömungskanals 2 von außen. Mikrokanäle, z. B. in Lab-on-a-Chip-Aufbauten, sind oftmals von mehr oder weniger durchsichtigen komplexen Strukturen umgeben. Oft ist der Strömungskanal 2 daher nur an wenigen Stellen überhaupt optisch zugänglich, so dass schon aufgrund der begrenzten Zugänglichkeit von außen bestimmte Messverfahren versagen. Hier bietet der Laser-Doppler-Profilsensor 1 noch den Vorteil, dass ein optischer Zugang von einer Seite prinzipiell ausreichend ist.
– Da sich die herkömmliche Sensoroptik außerhalb des Strömungskanals 2 befindet, erfolgt die Messung außerdem durch ein optisches Fenster 5 oder durch die transparente Kanalwand hindurch (1a). Das Fenster 5 bzw. die Kanalwand 8 können allerdings den optischen Strahlengang in den Strömungskanal 2 in erheblichem Maße beeinträchtigen oder stören. Dies kann unmittelbar zu signifikanten Messfehlern und sogar zum kompletten Versagen des Sensors 1 oder des Sensors 10 führen.
– Ein weiteres Problem besteht darin, dass die genaue Position und Lage des Messgebietes 6 im Inneren des Strömungskanals 2 relativ zur Kanalwand 8 bei den verfügbaren Sensoren, z. B. Sensor 1 und Sensor 10, oftmals nur relativ grob bestimmt werden können. Daher wird die genaue Position der Kanalwand 8 meist aus den gewonnenen Messdaten extrapoliert, was jedoch mit einer nicht unerheblichen Unsicherheit einhergeht.

Auch ist ein Sensor 20 zur Ermittlung von Wandschubspannungen – ein Wandschubspannungssensor – bezüglich der Integration von optischen Sensoren in Gehäuse oder in Kanalwände in den Druckschriften
Naqwi, Reynolds, Carr: Dual cylindrical wave laser-Doppler method for measurement of wall shear stress, Laser Anemometry in Fluid Mechanics-II, Selected Papers from the Second Intl. Symp. on Appl. of Laser-Doppler-Anemometry to Fluid Mechanics, LADOAN, pp. 105–122, 1986,
Naqwi, Reynolds: Measurement of turbulent wall velocity gradients using cylindrical waves of laser light, Experiments in Fluids, Vol. 10, S. 257–268, 1991, sowie in der Druckschrift D. Modarress, Svitek, K. Modarress, Wilson: MICROOPTICAL SENSORS FOR BOUNDARY LAYER FLOW STUDIES (KEYNOTE PAPER), Proceedings of 2006 ASME Joint U. S. – European Fluids Engineering Summer Meeting (FEDSM2006), July 17–20, Miami, Fl. beschrieben und als Aufbau schematisch in 4a dargestellt.
Der in 4a dargestellte Wandschubspannungssensor 20 schließt direkt die Kanalwand 21 als einen wesentlichen Teil in seinen Aufbau ein, indem mit lithografischen Mitteln an der Kanalinnenwand 22 zur Strömung 17 gerichtet ein Doppelspalt 24 und an der Kanalaußenwand 23 des Strömungskanals 2 eine diffraktive Linse 25 zur Lichtfokussierung auf den Doppelspalt 24 eingebracht ist und außerhalb eine Laserdiode 26 platziert ist. Ebenso lässt sich eine seitlich zur Laserdiode 26 angeordnete Empfangsoptik mit einem Photodetektor 27 realisieren. Eine Simulation sowie experimentelle Ergebnisse haben gezeigt, dass sich damit ein in 4b gezeigtes, divergentes Streifensystem 28, wie in 4b gezeigt, mit 100 μm Länge erzeugen lässt, was ein typischer Durchmesser von Mikrokanälen ist, und dass der Wandschubspannungssensor 20 für den praktischen Einsatz in Strömungen 17 geeignet ist.
Der in der 4a dargestellte Wandschubspannungssensor 20 basiert auf der Integration eines von außen mit einem Laserlichtstrahlenbündel 47 beleuchteten Doppelspaltes 24 in die Kanalwand 21 eines umströmten Körpers und erzeugt so das einzelne in 4b gezeigte, fächerförmige interferenzstreifensystem 28 mit einem Streifenabstandsverlauf d(z) = kz, der von der Kanalinnenwand 22 aus zu divergieren beginnt. Da der Verlauf des Geschwindigkeitsprofils v(z) in Wandnähe gemäß v(z) = βz als näherungsweise linear angenommen werden kann, weist das Streulicht von Partikeln 9, die in verschiedenen Abständen von der Kanalinnenwand 22 das erzeugte Streifensystem 28 mit ebenfalls linear variierendem Streifenabstand durchqueren, eine konstante Dopplerfrequenz f_D = v/d = β/k = const. auf, die proportional zum Geschwindigkeitsgradienten β an der Kanalinnenwand 22 und damit zur Wandschubspannung ist.
Ein Problem besteht darin, dass der Wandschubspannungssensor 20 zur Ermittlung der Wandschubspannung aus folgenden Gründen nicht zur Ermittlung eines Geschwindigkeitsprofils 7 geeignet ist:

– Es wird bereits ein ganz bestimmtes Geschwindigkeitsprofil angenommen bzw. vorausgesetzt, nämlich ein lineares Geschwindigkeitsgefälle, dessen Steigung (Gradient) dann bestimmt wird.
– Nur für diese Voraussetzung kann die Wandschubspannung ermittelt werden.
– Der Wandschubspannungssensor 20 umfasst nur ein fächerförmiges divergierendes Interferenzstreifensystem 28, so dass keine Positionsmessung von Streupartikeln 9 möglich ist.
– Folglich können keine Geschwindigkeitsprofile 7 von Strömungen 17 erfasst werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Laser-Doppler-Sensor zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen in Strömungsbereichen von Strömungskanälen anzugeben, der derart geeignet ausgebildet ist, dass

– der Laser-Doppler-Sensor kostengünstig und gemeinsam mit dem Strömungskanal herstellbar ist oder
– der Laser-Doppler-Sensor alternativ separat vom Strömungskanal herstellbar und dorthin integrierbar ist,
– die Anzahl der notwendigen optischen Komponenten außerhalb des Strömungskanals möglichst gering ist,
– die durch die Kanalwand oder durch das Fenster verursachten Störungen des optischen Strahlengangs verringert werden,
– die Position des Laser-Doppler-Sensors oder des Messgebietes relativ zur Kanalwand genau angegeben werden kann.

Der Laser-Doppler-Sensor zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen in Strömungsbereichen von Strömungskanälen weist einen dem Strömungskanal angepassten integrierten Strömungskanalabschnitt auf, wobei der Strömungskanalabschnitt eine den Strömungsbereich umgebende Kanalwand besitzt, durch die Lichtwellen in den Strömungskanal zur Beleuchtung von in der Strömung mitgeführten Partikeln geführt sind, und wobei zumindest ein Photodetektor vorhanden ist, der das von den strömenden Partikeln gestreute Licht registriert, wobei eine Auswertung der registrierten Streulichtsignale der in der Strömung mitgeführten Partikel zur Ermittlung des Geschwindigkeitsprofils über dem Kanalquerschnitt mittels einer dem Photodetektor nachgeschalteten Auswerteeinheit erfolgt, wobei Position und Tangentialgeschwindigkeit der Partikel und somit das resultierende Geschwindigkeitsprofil über dem Querschnitt des Strömungskanals nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Profilsensors oder nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Feldsensors bestimmt werden,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
der Laser-Doppler-Sensor zumindest jeweils zwei an sich gegenüberliegenden Stellen der den Strömungsbereich umgebenden Kanalwand angebrachte Doppelspalte enthält, wobei jedem Doppelspalt eine Lichtquelle zugeordnet ist, wobei die Lichtquellen unterscheidbare Lichtwellen zur Beleuchtung der Doppelspalte aufweisen, wobei sich im Strömungsbereich zumindest zwei überlagerte, aber unterscheidbare fächerförmige Interferenzstreifensysteme mit entgegengesetztem Gradienten ∂d₁(z)/∂z, ∂d₂(z)/∂z des Streifenabstandes d₁(z), d₂(z) ausbilden.
Der integrierte Strömungskanalabschnitt des Laser-Doppler-Sensors kann ein separates dem Strömungskanal anpassbares und darin einbaubares Teil oder ein bei der Herstellung des Strömungskanals berücksichtigtes und mit den zugehörigen optischen Elemente bestücktes Kanalteil darstellen.
Die zwei fächerförmigen Interferenzstreifensysteme mit entgegengesetzten Gradienten des Streifenabstandes stellen ein konvergentes Streifensystem, bei dem der Streifenabstand entlang der z-Achse kontinuierlich abnimmt, und ein divergentes Streifensystem, bei dem der Interferenzstreifenabstand entsprechend kontinuierlich ansteigt, dar, wobei die beiden Interferenzstreifensysteme in einem Messgebiet innerhalb des Strömungskanals überlagert werden.
Die Kanalwand kann aus mindestens einer Wandschicht bestehen.
Für die Beleuchtung von zwei Doppelspalten sind zwei unterscheidbare Lichtquellen vorgesehen, die sich in Bezug auf Wellenlängen (Wellenlängenmultiplex), auf Trägerfrequenzen (Frequenzmultiplex), auf Polarisationen (Polarisationsmultiplex) oder auf Zeitabschnitte (Zeitmultiplex) unterscheiden.
Ein oder mehrere optische Elemente – Linsen, Strahlteiler, Wellenleiter – können zwischen den Lichtquellen und den Doppelspalten eingesetzt sein.
Für die Funktion des erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Sensors sind zumindest zwei Sendeoptiken erforderlich.
Die Sendeoptiken können jeweils aus einer Lichtquelle, aus einer Abbildungsoptik und aus einem Doppelspalt bestehen, wobei jeweils die Doppelspalte direkt in die Kanalwand integriert oder auf der Kanalwand angebracht sind.
Die Sendeoptiken können derart ausgebildet sein, dass das Messgebiet, bestehend aus dem Überlagerungsbereich der beiden fächerförmigen Interferenzstreifensysteme, den Kanalquerschnitt ganz oder teilweise überdeckt, und dass die Empfangsoptiken derart ausgebildet sind, dass das Detektionsvolumen an das Messgebiet oder an den Kanalquerschnitt angepasst ist.
Bei einer ersten Sendeoptik können der Doppelspalt auf der Kanalinnenwand und die Abbildungsoptik auf der Kanalaußenwand angebracht und die Lichtquelle außerhalb des Strömungskanals positioniert sein, wobei die Abbildungsoptik und der Doppelspalt in den Strömungskanal integriert sind.
Bei einer zweiten Sendeoptik können der Doppelspalt auf der Kanalaußenwand angebracht und die Abbildungsoptik und die Lichtquelle außerhalb des Strömungskanals positioniert sein, wobei der Doppelspalt in den Strömungskanal integriert ist und eine Messung bis direkt an die Kanalinnenwand möglich ist.
Bei einer dritten Sendeoptik kann ein Sandwich-Design der Kanalwand mit zwei Schichten ausgebildet sein, wobei der Doppelspalt zwischen den beiden Schichten und die Abbildungsoptik an der Kanalaußenwand platziert sind, wobei eine Messung innerhalb des gesamten Strömungskanals bis direkt an die Kanalinnenwand möglich ist.
Bei einer vierten Sendeoptik kann ein Sandwich-Design der Kanalwand mit mehr als zwei Schichten vorhanden sein, so dass die gesamte Sendeoptik inklusive Lichtquelle, die auf der äußeren Schicht befestigt oder in eine Schicht eingebettet sein kann, direkt in die Kanalwand integriert ist und somit gemeinsam mit dem Strömungskanal fertigbar ist.
Bei der Verwendung von Wellenlängenmultiplex kann zumindest ein Farbfilter vor dem Detektor realisiert sein, der auch in die Kanalwand integriert sein kann.
Der Laser-Doppler-Sensor kann mittels Wellenlängenmultiplex unter Verwendung von zwei Laserdioden unterschiedlicher Wellenlängen als Lichtquellen, zwei Photodetektoren mit vorgeschalteten Farbfiltern für die wellenlängenselektive Streulichtdetektion sowie vier diffraktiven Linsen aufgebaut sein, wobei die Positionierung der Empfangsoptik relativ zur Sendeoptik ortsunterschiedlich ausgebildet ist.
Die Position der Empfangsoptik kann gegenüber der Sendeoptik derart angeordnet sein, dass die Streulichtdetektion in Vorwärtsrichtung stattfindet.
Zusätzliche Sendeoptiken oder Doppelspalte können an der gleichen x-Position, aber unter einem anderen Umfangswinkel wie die ersten beiden Sendeoptiken angeordnet, z. B. um 90° versetzt sein.
Dem Laser-Doppler-Sensor kann der vorgegebene Strömungskanalabschnitt eines Strömungskanals mit Kanalwand zugeordnet sein, wobei zumindest ein Teil der Kanalwand mit einem halternden Substrat verbunden ist und dabei der Laser-Doppler-Sensor, der Strömungskanalabschnitt und das Substrat einen Mikrofluidik-Chip bilden, der mit einer Auswerteeinheit in Verbindung steht.
Die an und innerhalb der Kanalwand eingesetzten optischen Elemente können mit lithografischen Mitteln eingebracht sein.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Sensors sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Der Laser-Doppler-Sensor zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen in Strömungsbereichen von Strömungskanälen wird mittels Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
1 schematische Darstellungen zum Aufbau und zur Funktion eines Laser-Doppler-Profilsensors zur Ermittlung eines 1D-Geschwindigkeitsprofils in einem Strömungsbereich eines Strömungskanals nach dem Stand der Technik, wobei
1a den schematischen Aufbau und
1b die Auswertungsfunktion bzw. Kalibrierkurven zeigen,
2 eine schematische Darstellung eines Laser-Doppler-Feldsensors nach dem Stand der Technik,
3 eine schematische Darstellung des Messgebietes des Laser-Doppler-Feldsensors mit vier überlagerten fächerförmigen Interferenzsteifensystemen nach dem Stand der Technik,
4 eine schematische Darstellung eines Sensors zur Ermittlung der Wandschubspannung nach dem Stand der Technik, wobei
4a den Aufbau des Sensors und
4b die Simulation eines resultierenden divergierenden Interferenzstreifensystems nach 4a,
zeigen,
5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Sensors zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen in Strömungsbereichen von Strömungskanälen auf der Basis eines Laser-Doppler-Profilsensors mit zwei an sich gegenüberliegenden Stellen einer Kanalwand eines geschlossenen Strömungskanals angebrachten und mit zwei unterscheidbaren Lichtwellen beleuchteten Doppelspalten,
6 schematische Darstellung der Sendeoptiken für einen erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Sensor auf der Basis eines Laser-Doppler-Profilsensors, wobei
6a den Doppelspalt an der Kanalinnenwand,
6b den Doppelspalt auf der Kanalaußenwand,
6c den Doppelspalt innerhalb einer zweigeschichtet ausgebildeten Kanalwand und
6d den Doppelspalt innerhalb einer mehrgeschichtet ausgebildeten Kanalwand
zeigen,
7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Sensors auf der Basis eines Laser-Doppler-Profilsensors, wobei
7a einen Längsschnitt durch den Strömungskanal mit einem Strömungskanalabschnitt und
7b einen Querschnitt durch den Strömungskanalabschnitt zeigen und
8 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Sensors auf der Basis eines Laser-Doppler-Feldsensors.
Im Folgenden werden die 5 und 7a gemeinsam betrachtet.
In 5 ist eine schematische Darstellung eines Laser-Doppler-Sensors 30 zur Bestimmung eines Geschwindigkeitsprofils 7 in einem Strömungsbereich 39 des Strömungskanals 2 gezeigt, wobei der Laser-Doppler-Sensor 30 einen dem Strömungskanal 2 angepassten integrierten Strömungskanalabschnitt 72 besitzt, wobei der Strömungskanalabschnitt 72 eine den Strömungsbereich 39 umgebende Kanalwand 34 aufweist, durch die Lichtwellen 37, 38 in den Strömungskanal 2 zur Beleuchtung von strömenden Partikeln 9 geführt sind, und wobei zumindest ein Photodetektor (nicht eingezeichnet) vorhanden ist, der das von den strömenden Partikeln 9 gestreute Licht registriert, wobei eine Erfassung des Streulichts des Partikels 9 mittels des Photodetektors und eine Auswertung der registrierten Streulichtsignale von in der Strömung 17 mitgeführten Partikeln 9 zur Ermittlung des Geschwindigkeitsprofils 7 über dem Kanalquerschnitt mittels einer dem Photodetektor nachgeschalteten Auswerteeinheit (nicht eingezeichnet) erfolgen, wobei Position und Tangentialgeshwindigkeit der Partikel 9 und somit das resultierende Geschwindigkeitsprofil über dem Querschnitt des Strömungskanals 2 nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Profilsensors 1 oder nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Feldsensors 10 bestimmt werden.
Erfindungsgemäß enthält der Laser-Doppler-Sensor 30 zumindest zwei Doppelspalte 35, 36 in der Kanalwand 34, wobei die Doppelspalte 35, 36 an zwei sich gegenüberliegenden Stellen 31, 32 der den Strömungsbereich 39 umgebenden Kanalwand 34 angebracht sind und wobei den Doppelspalten 35, 36 zwei Lichtquellen 42, 43 mit zwei unterscheidbaren Lichtwellen 37, 38 zur Beleuchtung zugeordnet sind, wobei sich im Strömungsbereich 39 zwei überlagerte, aber unterscheidbare fächerförmige Interferenzstreifensysteme 40, 41 mit entgegengesetztem Gradienten ∂d₁(z)/∂z und ∂d₂(z)/∂z des Streifenabstandes d₁(z) und d₂(z) ausbilden.
Der integrierte Strömungskanalabschnitt 72 des Laser-Doppler-Sensors 30 kann ein separates dem Strömungskanal 2 anpassbares und darin einbaubares Teil oder ein bei der Herstellung des Strömungskanals 2 berücksichtigtes, mit den zugehörigen optischen Elementen bestücktes Kanalteil darstellen.
Dabei sind wie bei dem bereits im Stand der Technik beschriebenen Laser-Doppler-Profilsensor 1 zwei fächerförmige Interferenzstreifensysteme 40, 41 mit entgegengesetzten Gradienten ∂d₁(z)/∂z und ∂d₂(z)/∂z des Streifenabstandes d₁(z) und d₂(z) – d. h. ein konvergentes Streifensystem, bei dem der Streifenabstand d₂(z) entlang der z-Achse kontinuierlich abnimmt, und ein divergentes Streifensystem, bei dem der Interferenzstreifenabstand d₁(z) entsprechend kontinuierlich ansteigt – vorhanden. Durch die Verwendung von z. B. zwei unterschiedlichen Laserwellenlängen 37, 38 (Wellenlängenmultiplex) oder Trägerfrequenzen (Frequenzmultiplex) sind diese beiden Interferenzstreifensysteme 4a, 4b bzw. 40, 41 unterscheidbar und können in einem Messgebiet 6 bzw. 33 innerhalb des Strömungsbereiches 39 des Strömungskanals 2 überlagert werden. Durchquert z. B. in 5 ein Partikel 9 das Messgebiet 33, so resultieren aus diesen beiden Interferenzstreifensystemen 40, 41, die zwei unterscheidbare Messkanäle darstellen, zwei unterscheidbare Streulichtsignale, aus denen zwei Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ ermittelt werden können. Der Quotient der beiden Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ hängt gemäß der Gleichung (I)
nicht mehr von der tangentialen Partikelgeschwindigkeit v_x ab und kann somit als Kalibrierfunktion q(z) zur Bestimmung der axialen Position z des Partikels 9 innerhalb des Messgebietes 33 verwendet werden. Mit Hilfe der bekannten Durchtrittsposition z des Partikels 9 durch das Messgebiet 33 können dann die aktuellen Streifenabstände d₁(z) und d₂(z) aus den durch die vorherige Sensorkalibrierung bekannten Streifenabstandsverläufen ermittelt werden. Zusammen mit den beiden Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ ergibt sich dann die Partikelgeschwindigkeit v_x(z) nach der Gleichung (II) v_x(z) = f₁(v_x, z)d₁(z) = f₂(v_x, z)d₂(z). (II)
Da der vom Laser-Doppler-Profilsensor 1 zum mindestens zweifach doppelspaltbezogenen modifizierten Laser-Doppler-Sensor 30 die Position der Partikel 9 innerhalb des Messgebiets 33 auflösen kann und die Partikel 9 statistisch verteilt in der Strömung 17 vorliegen, wird durch eine Ensemblemessung das komplette im Messgebiet 33 bzw. über dem Kanalquerschnitt vorherrschende 1D-Geschwindigkeitsprofil v_x(z) 7 bzw. bei mehr als zwei Sendeoptiken sogar das 2D-Geschwindigkeitsprofil v_x(y, z) ohne Traversierung des Laser-Doppler-Sensors 30 erfasst.
Die Auswertung zur Bestimmung des 1D-Geschwindigkeitsprofils v_x(z) des erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Sensors 30 kann der Auswertung des Laser-Doppler-Profilsensors 1 und die Auswertung zur Bestimmung des 2D-Geschwindigkeitsprofils v_x(y, z) des erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Sensors 30 kann der Auswertung des Laser-Doppler-Feldsensors 10 entsprechen.
Für die Beleuchtung der beiden Doppelspalte 35, 36 in 5 sind zwei unterscheidbare Lichtquellen 42, 43 erforderlich, wofür beispielsweise unterschiedliche Wellenlängen (Wellenlängenmultiplex), Trägerfrequenzen (Frequenzmultiplex), Polarisationen (Polarisationsmultiplex) oder Zeitabschnitte (Zeitmultiplex) verwendet werden können.
In 5 sind die Empfangsoptiken der Übersicht halber nicht eingezeichnet.
Außerdem können gegebenenfalls ein oder mehrere optische Elemente 25 (wie z. B. Linsen, Strahlteiler, Wellenleiter) zwischen den Lichtquellen 42, 43 und den Doppelspalten 35, 36 eingesetzt werden.
Für die Zuordnung der beiden resultierenden Sendeoptiken 44, 45, bestehend jeweils aus einer Lichtquelle (z. B. Laserdiode: LD) 42, 43, einer Abbildungsoptik (z. B. einem diffraktiven optischen Element – DOE –) 25 und einem Doppelspalt 35, 36, zur Kanalwand 34 gibt es verschiedene Möglichkeiten der Ausbildung der Sendeoptiken, wobei 6 mit den 6a, 6b, 6c und 6d beispielhaft einige Möglichkeiten darstellt, in denen jeweils nur die eine Sendeoptik 44 der zwei Sendeoptiken 44, 45 dargestellt ist:

1. Sendeoptik 441: Es werden der Doppelspalt 36 auf der Kanalinnenwand 22 und die Abbildungsoptik 25 auf der Kanalaußenwand 23 angebracht und die Lichtquelle (LD) 42 vor dem Strömungskanal 2 positioniert (6a). Vorteil: Die Abbildungsoptik 25 und der Doppelspalt 36 sind einfach mit lithografischen Mitteln in den Strömungskanal 2 integrierbar. Nachteil: Es ist keine Messung direkt an der Kanalinnenwand 22 möglich (toter Bereich), da sich die Interferenzstreifen 40 erst im Fernfeld 46 in der Strömung 17 ausbilden.
2. Sendeoptik 442: Es werden der Doppelspalt 36 auf der Kanalaußenwand 23 angebracht und die Abbildungsoptik 25 und die Lichtquelle (LD) 42 außerhalb des Strömungskanals 2 positioniert (6b). Vorteil: Der Doppelspalt 36 ist einfach mit lithografischen Mitteln in den Strömungskanal 2 integrierbar und eine Messung ist innerhalb des gesamten Strömungskanals 2 bis direkt an die Kanalinnenwand 22 möglich; außerdem besteht kein direkter Kontakt zwischen dem Fluid und der Doppelspalt-Blende 36. Nachteil: Die Abbildungsoptik 25 und die Lichtquelle (LD) 42 müssen mikromechanisch außerhalb des Strömungskanals 2 angebracht werden.
3. Sendeoptik 443: Es ist ein Sandwich-Design der Kanalwand 34 mit zwei Schichten 48, 49 ausgebildet, wobei der Doppelspalt 36 zwischen den beiden Schichten 48, 49 und die Abbildungsoptik 25 an der Außenseite 23 (6c) platziert sind. Vorteil: Eine Realisierung kann einfach mit lithografischen Mitteln erfolgen, eine Messung ist innerhalb des gesamten Strömungskanals 2 bis direkt an die Kanalinnenwand 22 möglich; außerdem einfachere Realisierung und Justage gegenüber der Sendeoptik 442, da nur die Lichtquelle (LD) 42 außerhalb des Strömungskanals 2 angebracht ist – dadurch ist die Lichtquelle 42 einfach austauschbar (hohe Flexibilität).
4. Sendeoptik 444: Es liegt ein Sandwich-Design der Kanalwand 34 mit mehr als zwei Schichten 48, 49, 50, 51 vor, so dass im Unterschied zur Sendeoptik 443 hier die gesamte Sendeoptik inklusive Lichtquelle (LD) 42 direkt in die Kanalwand integriert ist und somit gemeinsam mit dem Strömungskanal 2 gefertigt werden kann (6d). Vorteil: Zusätzlich zu den Vorteilen der Sendeoptik 443 ist eine komplette und gemeinsame (lithografische) Realisierung von Strömungskanal 2 und Sensor 30 möglich; das bedeutet, dass Platz gespart wird, keine Justage notwendig ist und eine kostengünstige Realisierung in großen Stückzahlen möglich wird. Nachteil: Es besteht ein höherer Aufwand für die Herstellung des Strömungskanals 2.

Insgesamt gesehen überwiegen die Vorteile der Sendeoptiken 44, 45 des erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Sensors 30 gegenüber den herkömmlichen Sendeoptiken der Sensoren 1, 10 zur Ermittlung von Geschwindigkeitsprofilen nach dem Stand der Technik.
Die Empfangsoptiken zur Streulichtdetektion, bestehend aus mindestens einem Photodetektor (PD) und einer Linse (z. B. einem DOE) zur Fokussierung des Streulichtes auf den Detektor sowie gegebenenfalls aufgrund des verwendeten Multiplexverfahrens zusätzlich erforderlichen optischen Elementen (z. B. bei Verwendung von Wellenlängenmultiplex einem Farbfilter vor dem Detektor), können in Analogie zu den Sendeoptiken 44 ebenfalls entsprechend den eingestellten Ausführungsbeispiel-Sendeoptiken 441, 442, 443, 444 realisiert und in die Kanalwand 34 integriert bzw. zur Kanalwand 34 zugeordnet sein, wie nachfolgend in den 7a, 7b und 8 gezeigt ist. Durch ein vorgegebenes Design der zugehörigen optischen Linsen kann das Detektorvolumen dabei auf den vorgegebenen Detektionsbereich und/oder auf den Kanaldurchmesser angepasst werden.
Im Folgenden soll die praktische Realisierung des zwei- oder mehrfach doppelspaltigen Laser-Doppler-Sensors 30 beispielhaft anhand der Verwendung von zwei Lichtquellen (Laserdioden: LD) 42, 43 unterschiedlicher Lichtwellenlänge (Wellenlängenmultiplex) sowie jeweils einer einzelnen diffraktiven Linse 25, 56 für die Fokussierung und Abbildung der aus den Laserdioden emittierten Lichtwellen 38, 37 auf die beiden Doppelspalte 35, 36 erläutert werden.
In den 7a und 7b sind in Längsschnitt und Querschnitt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kanalintegrierten Aufbaus des erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Sensors 30 mittels Wellenlängenmultiplex unter Verwendung von zwei Laserdioden (LD) unterschiedlicher Wellenlängen als Lichtquellen 42, 43, zwei Photodetektoren (PD) 52, 53 mit vorgeschalteten Farbfiltern (F) 54, 55 für die wellenlängenselektive Streulichtdetektion sowie vier diffraktiven Linsen 25, 56, 57, 58 in einem Strömungskanalabschnitt 72 dargestellt. Bezüglich der Positionierung der Empfangsoptiken 59, 60 relativ zu den Sendeoptiken 44, 45 sind allerdings im Vergleich zum Wandschubspannungssensor 20, bei dem nur eine Wand 34 zur Verfügung steht und die Empfangsoptik 27 zwangsläufig neben der Sendeoptik 18, wie in 4a gezeigt ist, platziert werden muss, viel mehr Freiheiten vorhanden. Da hier ein geschlossener Strömungskanal 2 mit seinem gesamten Umfang zur Verfügung steht und die Position der Empfangsoptiken 59, 60 für das Funktionsprinzip des Laser-Doppler-Sensors 30 keine Rolle spielt, können die Empfangsoptiken 59, 60 beispielsweise auch gegenüber den Sendeoptiken 44, 45 – die als Sendeoptiken gemäß 6d ausgebildet sind – angeordnet sein, so dass eine Streulichtdetektion in Vorwärtsrichtung stattfinden kann (7b). Dies ist in der Praxis in der Regel sehr vorteilhaft, da bei den typischerweise verwendeten Streupartikeln 9 mit einem Durchmesser in der Größenordnung der verwendeten Laserwellenlänge die Streulichtintensität in Vorwärtsrichtung um ein Vielfaches größer ist als in Rückwärtsrichtung.
Der wesentliche Unterschied des erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Sensors 30 zum Wandschubspannungssensor 20 besteht demnach darin, dass nicht mittels eines einzigen Doppelspaltes 24 an einer Steile in der Kanalwand 21 eines umströmten Körpers ein einziges fächerförmiges Interferenzstreifensystem 28 erzeugt wird, sondern dass, wie in der 5 gezeigt ist, zumindest an zwei gegenüberliegenden Stellen 31, 32 der Kanalwand 34 eines geschlossenen Strömungskanals 2 jeweils ein Doppelspalt 35, 36 eingebracht sind, wodurch im Kanalinnern 39 zwei überlagerte, aber unterscheidbare fächerförmige Interferenzstreifensysteme 40, 41 mit entgegengesetzten Gradienten des Streifenabstandes erzeugt werden können, wie dies für die Realisierung des Laser-Doppler-Profilsensors 1 erforderlich ist (7a, 7b).
Wird die in 7a bzw. 7b dargestellte Anordnung zweimal um z. B. 90° entlang des Kanalumfangs versetzt realisiert, so wird – wie in 8 beispielhaft dargestellt – ein Laser-Dopler-Sensor 30 mit dem Aufbau eines Laser-Doppler-Feldsensors 10 erhalten, bestehend aus zwei senkrecht zueinander angeordneten Laser-Doppler-Profilsensoren (Liniensensoren) mit insgesamt vier überlagerten, aber unterscheidbaren fächerförmigen Interferenzstreifensystemen, die durch vier in die Kanalwand 34 eingebrachte Doppelspalte 35, 36, 62, 63 erzeugt werden, die z. B. mit vier Laserdioden 42, 43, 64, 65 unterschiedlicher Wellenlänge (Wellenlängenmultiplex) beleuchtet werden.
Die zusätzlichen Empfangsoptiken 61, 71 können an einer zu einem Substrat 19 abgewandten Seite angebracht sein und bestehen jeweils aus zumindest einem Photodetektor 29, 66 und einer vorzugsweise diffraktiven Linse 70, 69 sowie ggf. zusätzlich aus einem Farbfilter 67, 68. Das Messgebiet 33 überstreicht in angepasster Weise den gesamten Strömungsbereich 39 bzw. den Kanalquerschnitt. Auf diese Weise kann auch der Laser-Doppler-Feldsensor 10, mit dem nicht nur ein 1D-Geschwindigkeitsprofil entlang einer Linie, sondern sogar das 2D-Geschwindigkeitsfeld über dem gesamten Kanalquerschnitt ohne Kamera ermittelt werden kann, mittels desselben erfindungsgemäßen Prinzips der vierfachen Doppelspaltanordnung direkt an einen Strömungskanal 2 angebunden sein.
Der erfindungsgemäße Laser-Doppler-Sensor 30 bietet insbesondere für die Mikrofluidik einige Vorteile:

– mit heutigen lithografischen Fertigungsverfahren kann der erfindungsgemäße Aufbau des Laser-Doppler-Sensors – sowohl unter Verwendung des 1D-Laser-Doppler-Profilsensors 1 als auch des 2D-Laser-Doppler-Feldsensors 10
– einfach und kostengünstig gemeinsam und gleichzeitig mit dem Strömungskanal 2 hergestellt werden,
– der jeweilige Aufbau kann so realisiert werden, dass keine optischen Komponenten außerhalb des Strömungskanals 2 mehr notwendig sind, so dass eine vollständige Integration z. B. in Mikrofluidik-Chips möglich ist,
– durch die direkte Einbettung zumindest eines Teils des erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Sensors 30 in den vorgegebenen Bereich der Kanalwand 34 können die durch die nicht ideale Kanalwand 34 oder durch bisher notwendige Fenster 5 verursachten Störungen des optischen Strahlenganges zumindest teilweise reduziert oder eliminiert werden,
– außerdem ist ein optischer Zugang von außen nicht mehr nötig,
– auch die genaue Position des Messgebietes 33 relativ zur Kanalwand 34 ist automatisch bekannt,
– das erfindungsgemäße Prinzip des integrierten erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Sensoraufbaus kann an rechteckförmigen Strömungskanälen (7b, 8) und in modifizierter Form auch an runden Strömungskanälen anwendbar sein.

Zusammenfassend stellt der erfindungsgemäße Laser-Doppler-Sensor 30 einen deutlichen Fortschritt für die Strömungsmesstechnik dar und eröffnet insbesondere für die Mikrofluidik neue Perspektiven. Damit ist erstmals ein einfacher und kostengünstiger Laser-Doppler-Sensor-Aufbau verfügbar, von dem wesentliche Teile direkt in Mikrokanäle oder Lab-on-a-Chip-Komponenten integriert werden können und der eine präzise Vermessung von Geschwindigkeitsfeldern sowie des Durchflusses in Mikrokanälen mit Mikrometerortsauflösung bzw. mit einer relativen Messunsicherheit der Geschwindigkeit von ≤ 0,1% erlaubt. Durch die Kompatibilität zu verfügbaren z. B. lithografischen Fertigungsverfahren für das Einbringen/Anbringen/Aufbringen der Doppelspalte, Filter, Linsen und auch Laserdioden ist der erfindungsgemäße Laser-Doppler-Sensor 30 insbesondere für die Serienproduktion in großen Stückzahlen und damit für einen breiten industriellen Einsatz geeignet, beispielsweise für Medizintechnik-Produkte (Dialysegeräte, Blutpumpen, Perfusoren) oder für Anwendungen in der pharmazeutischen und chemischen Industrie (Lab-on-a-Chip-Produkte, Mikromischer).
Bezugszeichenliste

1: Laser-Doppler-Profilsensor
2: Strömungskanal
3a: erstes Laserstrahlenpaar
3b: zweites Laserstrahlenpaar
4a: konvergentes Interferenzstreifensystem
4b: divergentes Interferenzstreifensystem
5: Fenster
6: Messgebiet
7: Geschwindigkeitsprofil
8: Wand
9: Partikel
10: Laser-Doppler-Feldsensor
11: erster Laser-Doppler-Profilsensor
12: zweiter Laser-Doppler-Profilsensor
13: Interferenzstreifensystem
14: Interferenzstreifensystem
15: Interferenzstreifensystem
16: Interferenzstreifensystem
17: Strömung
18: Sendeoptik des Wandschubspannungssensors
19: Substrat
20: Wandschubspannungssensor
21: Kanalwand
22: Kanalinnenwand
23: Kanalaußenwand
24: Doppelspalt
25: Linse/Abbildungsoptik, diffraktive Linse/DOE
26: Laserdiode
27: Empfangsoptik
28: divergentes Streifensystem
29: Photodetektor
30: erfindungsgemäßer Laser-Doppler-Sensor
31: Stelle
32: Stelle
33: Messgebiet
34: Kanalwand
35: erster Doppelspalt
36: zweiter Doppelspalt
37: Lichtwelle
38: Lichtwelle
39: Strömungsbereich
40: Interferenzstreifensystem
41: Interferenzstreifensystem
42: Lichtquelle
43: Lichtquelle
44: Sendeoptik
45: Sendeoptik
46: Fernfeld
47: Laserstrahlenbündel
48: erste Schicht
49: zweite Schicht
50: dritte Schicht
51: vierte Schicht
52: Photodetektor
53: Photodetektor
54: Farbfilter
55: Farbfilter
56: Linse
57: Linse
58: Linse
59: Empfangsoptik
60: Empfangsoptik
61: Empfangsoptik
62: dritter Doppelspalt
63: vierter Doppelspalt
64: Lichtquelle
65: Lichtquelle
66: Photodetektor
67: Farbfilter
68: Farbfilter
69: Linse
70: Linse
71: Empfangsoptik
72: Strömungskanalabschnitt
d1(z): Streifenabstand
d2(z): Streifenabstand
∂d1(z)/∂z: Gradient des Streifenabstandes d₁(z)
∂d2(z)/∂z: Gradient des Streifenabstandes d₂(z)
f1: Dopplerfrequenz
f2: Dopplerfrequenz
q(z): Kalibrierfunktion
vx: Partikelgeschwindigkeit
x: Koordinate in Strömungsrichtung
y: Koordinate quer zur Strömungsrichtung
z: Koordinate quer zur Strömungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005042954 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Boundary layer velocity measurements by a laser Doppler profile sensor with micrometre spatial resolution, Mess. Sci. Technol., Vol. 13, S. 1979–1989, 2002 [0006]
Shirai, Bayer, Voigt, Pfister, Büttner, Czarske: Near-wall measurements of turbulence statistics in a full developed channel flow with a novel laser Doppler velocity profile sensor, European Journal of Mechanics – B/Fluids, Vol. 27, Issue 5, S. 567–578, 2008 [0008]
Büttner, Bayer, Voigt, Czarske, Müller, Pape, Strunck: Precise Flow Rate Measurements of Natural Gas under high Pressure with a Laser Doppler Velocity Profile Sensor, Exp. in Fluids, Vol. 45, No. 6, S. 1103–1115, 2008 [0008]
Czarske, Büttner, Razik, Müller: Boundary layer velocity measurements by a laser Doppler profile sensor with micrometre spatial resolution, Mess. Sci. Technol., Vol. 13, S. 1979–1989, 2002 [0008]
Pfister, Büttner, Shirai, Czarske: Monochromatic heterodyne fiber-optic profile sensor for spatially resolved velocity measurements with frequency division multiplexing, Applied Optics, vol. 44, No. 13, S. 2501–2510, 2005 [0008]
Voigt, Bayer, Shirai, Büttner, Czarske: Laser Doppler field sensor for high resolution flow velocity imaging without camera, Applied Optics, Vol. 47, No. 27, S. 5028–5040, 2008 [0011]
Naqwi, Reynolds, Carr: Dual cylindrical wave laser-Doppler method for measurement of wall shear stress, Laser Anemometry in Fluid Mechanics-II, Selected Papers from the Second Intl. Symp. on Appl. of Laser-Doppler-Anemometry to Fluid Mechanics, LADOAN, pp. 105–122, 1986 [0014]
Naqwi, Reynolds: Measurement of turbulent wall velocity gradients using cylindrical waves of laser light, Experiments in Fluids, Vol. 10, S. 257–268, 1991 [0014]
D. Modarress, Svitek, K. Modarress, Wilson: MICROOPTICAL SENSORS FOR BOUNDARY LAYER FLOW STUDIES (KEYNOTE PAPER), Proceedings of 2006 ASME Joint U. S. – European Fluids Engineering Summer Meeting (FEDSM2006), July 17–20, Miami, Fl. [0014]

Claims

Laser-Doppler-Sensor (30) zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen (7) in Strömungsbereichen (39) von Strömungskanälen (2), aufweisend einen dem Strömungskanal (2) angepassten integrierten Strömungskanalabschnitt (72), wobei der Strömungskanalabschnitt (72) eine den Strömungsbereich (39) umgebende Kanalwand (8, 34) besitzt, durch die Lichtwellen (37, 38) in den Strömungsbereich (39) zur Beleuchtung von in der Strömung (17) mitgeführten Partikeln (9) geführt sind, und wobei zumindest ein Photodetektor vorhanden ist, der das von den strömenden Partikeln (9) gestreute Licht registriert, wobei eine Auswertung der registrierten Streulichtsignale der in der Strömung (17) mitgeführten Partikel (9) zur Ermittlung des Geschwindigkeitsprofils über dem Kanalquerschnitt mittels einer dem Photodetektor nachgeschalteten Auswerteeinheit erfolgt, wobei Position und Tangentialgeschwindigkeit der Partikel (9) und somit das resultierende Geschwindigkeitsprofil über dem Querschnitt des Strömungskanals (2) nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Profilsensors (1) oder nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Feldsensors (10) bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser-Doppler-Sensor (30) zumindest jeweils zwei an sich gegenüberliegenden Stellen (31, 32) der den Strömungsbereich (39) umgebenden Kanalwand (34) angebrachte Doppelspalte (35, 36) enthält, wobei jedem Doppelspalt (35, 36) eine Lichtquelle (42, 43) zugeordnet ist, wobei die Lichtquellen (42, 43) unterscheidbare Lichtwellen (37, 38) zur Beleuchtung der Doppelspalte (35, 36) aufweisen, wobei sich im Strömungsbereich (39) zumindest zwei überlagerte, aber unterscheidbare fächerförmige Interferenzstreifensysteme (40, 41) mit entgegengesetztem Gradienten (∂d₁(z)/∂z, ∂d₂(z)/∂z) des Streifenabstandes (d₁(z), d₂(z)) ausbilden.
Laser-Doppler-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Strömungskanalabschnitt (72) des Laser-Doppler-Sensors (30) ein separates dem Strömungskanal (2) anpassbares und darin einbaubares Teil oder ein bei der Herstellung des Strömungskanals (2) berücksichtigtes, mit den zugehörigen optischen Elementen bestücktes Kanalteil darstellt.
Laser-Doppler-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei fächerförmigen Interferenzstreifensysteme (40, 41) mit entgegengesetzten Gradienten des Streifenabstandes ein konvergentes Streifensystem, bei dem der Streifenabstand entlang der z-Achse kontinuierlich abnimmt, und ein divergentes Streifensystem, bei dem der Interferenzstreifenabstand entsprechend kontinuierlich ansteigt, darstellen, wobei die beiden Interferenzstreifensysteme (40, 41) in einem Messgebiet (33) innerhalb des Strömungskanals (2) überlagert werden.
Laser-Doppler-Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalwand (34) aus mindestens einer Wandschicht (48, 49, 50, 51) besteht.
Laser-Doppler-Sensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Beleuchtung der mindestens zwei Doppelspalte (35, 36) wechselseitig unterscheidbare Lichtquellen (42, 43) vorgesehen sind, die sich in Bezug auf Wellenlängen (Wellenlängenmultiplex), auf Trägerfrequenzen (Frequenzmultiplex), auf Polarisationen (Polarisationsmultiplex) oder auf Zeitabschnitte (Zeitmultiplex) unterscheiden.
Laser-Doppler-Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere optische Elemente – Linsen, Strahlteiler, Wellenleiter – zwischen den Lichtquellen (42, 43) und den Doppelspalten (35, 36) eingesetzt sind.
Laser-Doppler-Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sendeoptiken (44, 45–441, 442, 443, 444-) in der Kanalwand (34) vorhanden sind, die jeweils aus einer Lichtquelle (42, 43), aus einer Abbildungsoptik (25, 56) und aus einem Doppelspalt (35, 36) bestehen, wobei jeweils die Doppelspalte (35, 36) direkt in die Kanalwand (34) integriert oder auf der Kanalwand (34) angebracht sind.
Laser-Doppler-Sensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeoptiken (44, 45) derart ausgebildet sind, dass das Messgebiet (33), bestehend aus dem Überlagerungsbereich der mindestens zwei fächerförmigen Interferenzstreifensysteme (40, 41), den Kanalquerschnitt ganz oder teilweise überdeckt, und dass die Empfangsoptiken (59, 60) derart ausgebildet sind, dass das Detektionsvolumen an das Messgebiet (33) oder an den Kanalquerschnitt angepasst ist.
Laser-Doppler-Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ersten Sendeoptik (441) der Doppelspalt (36) auf der Kanalinnenwand (22) und die Abbildungsoptik (25) auf der Kanalaußenwand (23) angebracht und die Lichtquelle (42) außerhalb des Strömungskanals (2) positioniert ist, wobei die Abbildungsoptik (25) und der Doppelspalt (36) in den Strömungskanal (2) integriert sind.
Laser-Doppler-Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer zweiten Sendeoptik (442) der Doppelspalt (36) auf der Kanalaußenwand (23) angebracht und die Abbildungsoptik (25) und die Lichtquelle (42) außerhalb des Strömungskanals (2) positioniert sind, wobei der Doppelspalt (36) in den Strömungskanal (2) integriert ist und eine Messung bis direkt an die Kanalinnenwand (22) möglich ist.
Laser-Doppler-Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer dritten Sendeoptik (443) ein Sandwich-Design der Kanalwand (34) mit zwei Schichten (48, 49) ausgebildet ist, wobei der Doppelspalt (36) zwischen den beiden Schichten (48, 49) und die Abbildungsoptik (25) an der Kanalaußenwand (23) platziert sind, wobei eine Messung innerhalb des gesamten Strömungskanals (2) bis direkt an die Kanalinnenwand (22) möglich ist.
Laser-Doppler-Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vierten Sendeoptik (444) ein Sandwich-Design der Kanalwand (34) mit mehr als zwei Schichten (48, 49, 50, 51) vorhanden ist, so dass die gesamte Sendeoptik inklusive Lichtquelle (42), die auf der äußeren Schicht (50) befestigt oder in eine Schicht (51) eingebettet sein kann, direkt in die Kanalwand (34) integriert ist und somit gemeinsam mit dem Strömungskanal (2) herstellbar ist.
Laser-Doppler-Sensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Emfangsoptiken (59, 60) im Strömungskanalabschnitt (72) vorhanden sind, die ortsunterschiedlich zu den Sendeoptiken (44, 45) ausgebildet sind und die in Analogie zu den Sendeoptiken (44, 45–441, 442, 443, 444-) in die Kanalwand integriert sind.
Laser-Doppler-Sensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Wellenlängenmultiplex zumindest ein Farbfilter (54, 55) vor dem Detektor (52, 53) realisiert ist, der in die Kanalwand (34) integriert ist.
Laser-Doppler-Sensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass er mittels Wellenlängenmultiplex unter Verwendung von zwei Laserdioden (LD) unterschiedlicher Wellenlängen als Lichtquellen (42, 43), zwei Photodetektoren (PD) (52, 53) mit vorgeschalteten Farbfiltern (F) (54, 55) für die wellenlängenselektive Streulichtdetektion sowie vier diffraktiven Linsen (25, 56, 57, 58) aufgebaut ist, wobei die Positionierung der Empfangsoptik (59, 60) relativ zur Sendeoptik (44, 45) ortsunterschiedlich ausgebildet ist.
Laser-Doppler-Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Empfangsoptik (59, 60) gegenüber der Sendeoptik (44, 45) angeordnet ist, so dass die Streulichtdetektion in Vorwärtsrichtung stattfindet.
Laser-Doppler-Sensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Sendeoptiken (44, 45) oder Doppelspalte an der gleichen x-Position, aber unter unterschiedlichen Umfangswinkeln in der Kanalwand (34) angeordnet und versetzt zueinander sind.
Laser-Doppler-Sensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Sendeoptiken (44, 45) oder Doppelspalte an der gleichen x-Position in der Kanalwand um jeweils 90° versetzt zueinander sind.
Laser-Doppler-Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laser-Doppler-Sensor (30) der vorgegebene Strömungskanalabschnitt (72) eines Strömungskanals (2) mit Kanalwand (34) zugeordnet ist, wobei zumindest ein Teil der Kanalwand (34) mit einem halternden Substrat (19) verbunden ist und dabei der Laser-Doppler-Sensor (30), der Strömungskanalabschnitt (72) und das Substrat (19) einen Mikrofluidik-Chip bilden, der mit einer Auswerteeinheit in Verbindung steht.
Laser-Doppler-Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zugehörigen, eingesetzten optischen Elemente an und innerhalb der Kanalwand (34) mit lithografischen Mitteln eingebracht sind.