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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in mit Partikeln versetzten Fluiden mittels Doppler-Global-Velozimeter mit einem Laser und einer dem Laser vorgeschalteten Laserfrequenzregeleinheit, wobei der Laserstrahl mit Hilfe eines Strahlteilers als Messstrahl in einen Messpfad und als Referenzstrahl in einen zur Erfassung und Regelung der Lasermittenfrequenz vorgesehenen Referenzpfad eingebracht wird.
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Mit der Doppler-Global-Velozimetrie (DGV, engl. Doppler Global Velocimetry) können Geschwindigkeiten von Strömungen berührungslos flächig gemessen werden.
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Der schematische Aufbau eines konventionellen Doppler-Global-Velozimeters
1 ist in
1a dargestellt. Durch die Nutzung einer Beleuchtungsrichtung i → und einer Beobachtungsrichtung o → kann eine Komponente der Strömungsgeschwindigkeit ν → wie folgt gemessen werden: Die Frequenz f
L eines schmalbandigen Lasers
2 wird auf die Flanke einer molekularen Absorptionslinie
31, wie in
1b gezeigt ist, stabilisiert und der Laserstrahl als Lichtschnitt
4 auf die zu untersuchende Strömung
5 eines Fluids gerichtet, in dem sich Partikel
7 befinden. Der Laserstrahl wird an den Partikeln
7 gestreut, welche sich mit der Strömung
5 bewegen. Gemäß dem dabei auftretenden Doppler-Effekt ist die Frequenz des Streulichts direkt proportional zu der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit ν → um die Doppler-Frequenz f
D gemäß Gleichung (I)
verschoben. Hierbei ist λ = c/f
L die Wellenlänge des Lasers
2 und c die Lichtgeschwindigkeit. Folglich wird durch Messung der Doppler-Frequenz f
D die Komponente ν
oi der Strömungsgeschwindigkeit ν → in Richtung des Vektors (o →–i →):
erfasst.
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Hierfür wird die Frequenzänderung des Streulichts im Messpfad 50 mittels einer molekularen Absorptionszelle 8 in eine Intensitätsänderung überführt (Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion), wie in 1b gezeigt ist, und kann unter Verwendung einer CCD-Kamera 9 (Signalkamera) flächig gemessen werden. Zwecks Normierung der Kamerasignale auf die Streulichtintensität wird letztere mit Hilfe einer Strahlteilung mittels eines Strahlteilers 10 und eines nachfolgenden Spiegels 12 und einer zweiten Kamera 11 (Referenzkamera) in einem Referenzpfad 51 gemessen. Die pixelweise Division beider Kamerasignale liefert dann von der Streulichtintensität unabhängige Messsignale, die den Transmissionsgrad τ(fL + fD) in Abhängigkeit von der Laserfrequenz fL und der jeweiligen Doppler-Frequenz fD liefern. Da die Laserfrequenz fL stabilisiert wird und somit konstant ist, verbleibt allein die Abhängigkeit von der Doppler-Frequenz fD. Wird demnach die Transmissionskennlinie τ(f) im Rahmen einer Kalibrierung zuvor aufgenommen, dann kann damit der gemessene Transmissionsgrad in die zugehörige Doppler-Frequenz fD und mittels der Gleichung (II) schließlich auch in die Strömungsgeschwindigkeit νoi umgerechnet werden.
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Dreikomponentige Strömungsgeschwindigkeitsmessungen sind durch die Verwendung von drei unterschiedlichen Beleuchtungs- oder Beobachtungsrichtungen möglich. Dies gilt für sämtliche DGV-Verfahren und wird daher nachfolgend nicht stets wiederholt. Solche Doppler-Global-Velozimeter und DGV-Verfahren sind in den Druckschriften
US Patent 4 919 536 und
Meyers, J. F., Lee, J. W., Schwartz, R. J.,: Characterization of measurement error sources in Doppler global velocimetry, Meas. Sci. Technol., Vol. 12, 2001, S. 357–368 beschrieben.
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Ein verbessertes DGV-Messverfahren mit einem Doppler-Global-Velozimeter ist in der Druckschrift Müller, H., Lehmacher, Th., Grosche, G.,: Profile sensor based an Doppler Global Velozimetry, Laser Advanced and Applications, Tagungsband, Rom, 1999, S. 475–482 beschrieben, das auf einer sinusförmigen Laserfrequenzmodulation basiert. Bei dem Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeter (FM-DGV) 20 in 2a entfällt im Vergleich zu 1a der Referenzpfad 50 mit der Referenzkamera und der Strahlteiler 10. Dadurch sind mehrere Fehlerquellen eliminiert, die durch die Strahlteilung entstehen, wie z. B. Bildausrichtungsfehler von bis zu 20 m/s, wie in der Druckschrift Morrison, G. L., Gaharan, C. A.,: Uncertainty estimates in DGV systems due to Pixel location and velocity gradients, Meas. Sci. Technol., Vol. 12, 2001, S. 369–377 beschrieben ist.
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Das Funktionsprinzip des FM-DGV 20, wie in 2a und 2b gezeigt ist, ist wie folgt:
Die Strömung 5 wird mit einem Lichtschnitt 4 aus einem schmalbandigen Laser 2 beleuchtet. Das an den Partikeln 7 gestreute Laserlicht ist in Abhängigkeit von der Richtung i → des einfallenden Laserstrahls und der Beobachtungsrichtung o → sowie von der Strömungsgeschwindigkeit ν → gemäß dem Doppler-Effekt in seiner Frequenz fD verschoben. Da hier eine sinusförmige Laserfrequenzmodulation angewandt wird, ergibt sich eine geschwindigkeitsabhängige Verschiebung der Lasermittenfrequenz fc gemäß der Gleichung (I), wobei λ = c/fc die zur Lasermittenfrequenz fc zugehörige Wellenlänge ist. Zur Bestimmung der Frequenzverschiebung mit der Doppler-Frequenz fD wird mit einer Photodetektorfeldanordnung 21 das gestreute Licht gemessen, welches zuvor eine molekulare Absorptionszelle 8 passiert hat. Da der schmalbandige Laser 2 bei der Absorptionslinie 32 eines Absorbergases betrieben wird, führt die Frequenzmodulation zu einer zeitlichen Intensitätsmodulation in Abhängigkeit von der gemessenenen Lasermittenfrequenz fc' = fc + fD, wie in 2b gezeigt ist. So kann, wie in 3a gezeigt ist, durch pixelweise Berechnung der Amplituden A1(fc'), A2(fc') der ersten Harmonischen und zweiten Harmonischen der Detektorsignale in bestimmten Eineindeutigkeitsbereichen jeweils auf die Lasermittenfrequenz fc' geschlossen werden. Hierfür werden die Detektorausgangssignale mit einem Datenerfassungssystem 22 abgetastet und mit den Mitteln der harmonischen Analyse ausgewertet. Da beide Amplitudenwerte A1(fc'), A2(fc') direkt proportional zur mittleren Streulichtintensität sind, wird letztlich deren Quotient gemäß Gleichung (III) q(fc') = A1(fc')/A2(fc') (III) als Messgröße – Amplitudenverhältnis – verwendet, der in 3b dargestellt ist. Das Amplitudenverhältnis q(fc') ist unabhängig von der mittleren Streulichtintensität und hängt nur von der gemessenen Lasermittenfrequenz fc' = fc + fD ab. Ist die Lasermittenfrequenz fc stabilisiert, so verbleibt die Abhängigkeit von fD, die im Rahmen einer Kalibrierung erfasst wird. Somit kann aus dem gemessenen Amplitudenverhältnis auf die Doppler-Frequenz fD und schließlich mittels der Gleichung (II) auf die Strömungsgeschwindigkeit νoi geschlossen werden.
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Dieses FM-DGV-Verfahren ist in den Druckschriften Fischer, A., Büttner, L., Czarske, J., Eggert, M., Grosche, G., Müller, H.,: Investigation of time-resolved single Doppler global velocimetry using sinusoidal laser frequency modulation, Meas. Sci. Technol., 2007, 18:2529–2545 sowie Fischer, A., Büttner, L., Czarske, J., Eggert, M., Müller, H.,: Doppler-Global-Velozimeter mit sinusförmiger Laserfrequenzmodulation zur präzisen Messung von Geschwindigkeitsprofilen, tm – Technisches Messen, 2006, 73(4):237–244 eingehend beschrieben.
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Eine dem FM-DGV-Verfahren artverwandte Technik, die Frequency-Shift-Keying-DGV (FSK-DGV), ist in der
Druckschrift Müller, H., Eggert, M., Czarske, J., Büttner, L., Fischer, A.,: Single-camera Doppler global velocimetry based an frequency modulation techniques, Experiments in Fluids, 2007, 43:223–232 beschrieben, bei welchem anstelle einer kontinuierlichen, sinusförmigen Laserfrequenzmodulation eine diskrete, treppenförmige Laserfrequenzmodulation genutzt wird, wie in
4 gezeigt ist. Dabei werden in Analogie zur FM-DGV die Amplituden A
1(f
c'), A
2(f
c') der ersten Harmonischen und der zweiten Harmonischen aus lediglich vier Abtastwerten bestimmt und gemäß der Gleichung (III) deren Verhältnis bestimmt:
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Die Werte g(0), g(1), g(2), g(3) sind die vier sequentiell aufgenommenen Abtastwerte eines Pixels des zugehörigen Detektors. Da g(1) = g(3) gilt, wie in 4 gezeigt ist, sind letztlich nur drei Abtastwerte notwendig.
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Ein weiteres DGV-Verfahren mit einem Doppler-Global-Velozimeter ist in der Druckschrift Charrett, T. O. H.. Tatam, R. P.,: Single camera three component planar velocity measurements using two-frequency planar Doppler velocimetry (2v-PDV), Meas. Sci. Technol., Vol. 17, 2006, S. 1194–1206 beschrieben, wobei nur zwei Frequenzwerte (jeweils einmal auf der linken und der rechten Flanke der Transmissionskennlinie) abgetastet werden und deshalb als 2-ν-PDV bezeichnet wird. Dabei muss jedoch vor der Messung zwingend eine Subtraktion des Dunkelbildes erfolgen, da andernfalls Fremdlichteinflüsse die Messung stören. Beim FSK-DGV-Verfahren wird dieser Einfluss hingegen, wie auch beim FM-DGV-Verfahren, während der Messung implizit korrigiert, weil kein Gleichanteil, sondern nur Harmonische ausgewertet werden.
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Generell bestimmt häufig das bei der Photodetektion stets auftretende Schrotrauschen des Messsignals sowie thermisches Rauschen und Dunkelstromrauschen maßgeblich die resultierende Messunsicherheit σ. Der Einfluss des Rauschens des Detektorsignals auf die Messunsicherheit σ folgt aus der Systemempfindlichkeit. Sie gibt an, wie empfindlich die Anzeigegröße des Doppler-Global-Velozimeters auf eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit reagiert bzw. wie groß der Ausschlag ist. Angestrebt wird eine hohe Systemempfindlichkeit, so dass das Rauschen klein im Verhältnis zur Anzeigegröße ist.
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Da bei allen herkömmlichen DGV-Verfahren die Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion mit Hilfe der Transmissionskennlinie erfolgt, die Anstiege mit unterschiedlichem Betrag aufweist, ergeben sich je nach gemessener Lasermittenfrequenz fc' unterschiedliche Systemempfindlichkeiten und somit unterschiedliche Messunsicherheiten σ. Dies bedeutet, dass innerhalb eines gewählten Messbereichs die Messunsicherheit σ nicht konstant ist, sondern von der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit νoi abhängt.
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In 5a ist dieses Phänomen beispielhaft für das herkömmliche DGV-Verfahren und in 5b für das FM-DGV-Verfahren dargestellt. Die Diagramme zeigen die mittels einer Unsicherheitsfortpflanzungsrechnung abgeschätzte, als Messunsicherheit definierte Standardabweichung σ(νoi) der Strömungsgeschwindigkeitsmessung, die aus dem Rauschen des Detektorsignals (Schrotrauschen und thermisches Rauschen) bei einer angenommenen Messzeit von 1 s, einer Streulichtleistung von 3 nW und einem 50/50-Strahlteiler für das herkömmliche Doppler-Global-Velozimeter resultiert. Näheres zu den Rechnungen ist in den Publikationen McKenzie, R. L.: Measurement capabilities of planar Doppler velocimetry using pulsed lasers, Meas. Sci. Tech., Vol. 35, Nr. 6, 1996, S. 948–964 und Fischer, A.,: Beiträge zur Doppler-Global-Velozimetrie mit Laserfrequenzmodulation – Präzise Messung von Geschwindigkeitsfeldern in turbulenten Strömungen mit hoher Zeitauflösung, Shaker Verlag, Aachen, 2009, ISBN 978-3-8322-8370-4 beschrieben.
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Es wurde für die Rechnungen jeweils von der in 2b dargestellten Transmissionscharakteristik τ(f) der Absorptionszelle 8 ausgegangen und ein Lawinen-Photodiodenarray als Photodetektorfeldanordnung 21 vorausgesetzt. Auf eine ausführliche Diskussion aller Parameterwerte und der Zahlenergebnisse wird verzichtet, da bereits die qualitativen Verläufe der in den 5a und 5b dargestellten Kurven das im vorigen Absatz benannte Phänomen hinreichend illustrieren.
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Für das herkömmliche DGV-Verfahren wird erwartungsgemäß die Messunsicherheit σ minimal, wenn die Laserfrequenz fL bei maximalem betragsmäßigem Anstieg der fallenden Transmissionskennlinienflanke oder der steigenden Transmissionskennlinienflanke liegt, wie in den 2b und 5a gezeigt ist. Wenn beispielsweise die Stabilisierung der Laserfrequenz fL auf einen dieser Arbeitspunkte erfolgt, entfernt sich die gemäß dem Doppler-Effekt verschobene Laserfrequenz fc' des Streulichts vom Arbeitspunkt, so dass mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit νoi die Messunsicherheit σ ansteigt.
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Im Fall des FM-DGV-Verfahrens ist die Messunsicherheit σ dann minimal, wenn die Lasermittenfrequenz fc' nahe des Transmissionsminimums liegt, wie in den 2b und 5b gezeigt ist. Wenn die Lasermittenfrequenz fc' auf das Transmissionsminimum geregelt wird, gilt folglich auch hier die minimale Messunsicherheit nur für kleine Strömungsgeschwindigkeiten. Die Messunsicherheit σ steigt hingegen an, wenn aufgrund hoher Strömungsgeschwindigkeiten die Doppler-Frequenz fD zu einer Verschiebung des Arbeitspunktes führt. Die gestrichelten Linien in 5b kennzeichnen lediglich die ebenfalls in 3b gezeigten Singularitäten der Kalibrierkennlinie, was hier nicht weiter vertieft werden soll.
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Im Ergebnis ist bei der Vermessung hoher Strömungsgeschwindigkeiten νoi von mehreren 100 m/s, wobei die hohen Strömungsgeschwindigkeiten νoi gemäß der Gleichung (II) Doppler-Frequenzverschiebungen mit der Doppler-Frequenz fD von mehreren 166 MHz bei einer Laserwellenlänge λ von 852 nm und einer senkrechten Anordnung von Lichteinfalls- und Beobachtungsrichtung entsprechen, der beschriebene Effekt von erheblichem Nachteil, da die Messunsicherheit σ stets und teils erheblich zunimmt.
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Ein Problem besteht also darin, dass sich bei den herkömmlichen DGV-Verfahren die Messunsicherheit σ bei der Vermessung hoher Strömungsgeschwindigkeiten νoi verschlechtert, weil es sich um reine Ausschlagsmessverfahren handelt. Das Ziel der Erfindung ist es, diesen Unsicherheitszuwachs zu reduzieren.
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Das in 6a dargestellte Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeter 6, welches hier als Ausgangspunkt dient, ist in der Druckschrift von Fischer, A., Büttner, L., Czarske, J., Eggert, M., Grosche, G., Müller, H.,: Investigation of time-resolved single Doppler global velocimetry using sinusoidal laser frequency modulation, Meas. Sci. Technol., 2007, 18:2529–2545 beschrieben, wobei das Schema zur Erklärung des FM-DGV dargestellt ist.
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Das in 6a dargestellte Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeter 6 zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten νoi in mit Partikeln versetzten Fluiden enthält einen Laser 2 und eine dem Laser 2 zugeordnete Laserfrequenzregeleinheit 45, wobei der Laserstrahl 3 mit Hilfe eines Strahlteilers 42 als Messstrahl 35 in einen Messpfad 50 und als Referenzstrahl 34 einen zur Rückführung der Lasermittenfrequenz zwecks Erfassung und zur Regelung vorgesehenen Referenzpfad 51 eingebracht wird,
wobei der der Strömung 5 zugeordnete Messpfad 50 aufweist
- – eine Optik 41 zur Generierung eines Lichtschnitts 4 des Messstrahls 35,
- – eine Einrichtung zur Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion 8 für das von den Partikeln 7 abgegebene Streulicht in Beobachtungsrichtung,
- – eine Photodetektorfeldanordnung 21 zur Aufnahme des Streulichts,
- – ein Datenerfassungssystem 22 zur Auswertung und zur Ausgabe von Amplitudenverhältnissen q harmonischer Signalanteile,
wobei der Referenzpfad 51 aufweist
- – eine dem Strahlteiler 42 nachgeordnete zweite Einrichtung zur Frequenz-Intensitäts-Konversion 43,
- – einen danach angeordneten Photodetektor 44 und
- – entweder gemäß 6a einen Lock-In-Verstärker 47 zur Bestimmung der Referenzamplitude A1,ref = A1(fc) der ersten Harmonischen oder gemäß 6b einen Digitalen Signalprozessor 48 zur Bestimmung eines Referenzamplitudenverhältnisses qref = q(fc), wobei die Ausgabe an den Vergleicher 46 zurückgeführt wird, der mit der Laserfrequenzregeleinheit 45 in Verbindung steht,
wobei vom Photodetektor 44 des Referenzpfades 51 aus eine Signalleitung 55 an den Lock-In-Verstärker 47 bzw. an den Digitalen Signalprozessor 48 und eine Signalleitung 54 an das Datenerfassungssystem 22 sowie von der Photodetektorfeldanordnung 21 des Messpfades 50 aus eine Signalleitung 52 an das Datenerfassungssystem 22 geführt ist.
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Dem Laser 2 ist stets eine Laserfrequenzregeleinheit 45 vorgeschaltet. Im Messpfad 50 befindet sich eine Düse 33 mit einer Düsenströmung 5 als Beispiel für ein Messobjekt. Der in der Strömung 5 gestreute Messstrahl wird in Beobachtungsrichtung o → durch eine erste Einrichtung zur Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion 8 in Form einer Absorptionszelle auf eine Photodetektorfeldanordnung 21 abgebildet, deren Signale mit einem Datenerfassungssystem 22 digitalisiert werden. Dies ermöglicht mit Hilfe einer Signalverarbeitungssoftware als programmtechnisches Mittel schließlich, die Amplitudenverhältnisse qn, z. B. n = {1, ..., 25}, der jeweils ersten beiden Harmonischen gemäß der Gleichung (III) zu berechnen und auszugeben.
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Mit den Amplitudenverhältnissen qn = q(fc,n') werden die Lasermittenfrequenzen fc,n' = fc + fD,n inklusive der jeweiligen Doppler-Frequenzverschiebung erfasst, wobei fc die Lasermittenfrequenz des Referenzstrahls und fc,n' die Lasermittenfrequenz des gemessenen Streulichts an den Messpunkten n sind. Um daraus allein die Doppler-Frequenzen fD,n zu ermitteln, muss die Lasermittenfrequenz fc exklusive der Doppler-Frequenzverschiebungen bekannt sein. Aus diesem Grund wird ein geringfügiger Teil des Laserstrahls 3 unmittelbar nach dem Austritt aus dem Laser 2 über einen Strahlteiler 42 als Referenzstrahl 34, über eine zweite Einrichtung zur Frequenz-Intensitäts-Konversion in Form einer Absorptionszelle 43 mit der gleichen Transmissionskennlinie wie die erste Einrichtung 8 zur Frequenz-Intensitäts-Konversion sowie einen Photodetektor 44 separat in dem Referenzpfad 51 geführt und ausgewertet. Der Photodetektor 44 ist hierfür über eine Signalleitung 54 mit dem Datenerfassungssystem 22 verbunden. Aus dem im Datenerfassungssystem 22 bestimmten Referenzamplitudenverhältnis qref = q(fc) kann durch eine zuvor erfolgte Kalibrierung der Kennlinie q(f) die Lasermittenfrequenz fc ohne die Doppler-Frequenz fD gemäß Gleichung (V) bestimmt werden: fc = q–1(qref). (V)
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Auf gleiche Weise werden aus den Amplitudenverhältnissen qn die Lasermittenfrequenzen fc,n' gemäß Gleichung (VI) bestimmt: fc,n' = q–1(qn). (VI)
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Wird davon die gemessene Lasermittenfrequenz fc abgezogen, so werden schließlich nach Gleichung (VII) die Doppler-Frequenzen fD,n fD,n = q–1(qn) – q–1(qref) (VII) und durch Einsetzen in die Gleichung (II) schließlich die zu messenden Strömungsgeschwindigkeiten νoi erhalten.
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Damit die Lasermittenfrequenz fc nur in einem kleinen Bereich schwankt, für welche bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten νoi eine minimale Messunsicherheit gewährleistet ist, wird der Laser 2 auf den optimalen Arbeitspunkt durch die Laserfrequenzregeleinheit 45 stabilisiert. Zusätzlich dazu werden verbleibende Regelabweichungen gemäß den Ausführungen im vorangegangenen Absatz korrigiert.
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Die Stabilisierung des Lasers 2 kann z. B. gemäß 6a durch eine Regelung der Amplitude A1,ref der ersten Harmonischen erfolgen, die mit dem Lock-In-Verstärker 47 gemessen wird. Dies ist zwar einfach zu realisieren, jedoch ist die Regelgröße A1,ref nicht nur von der Lasermittenfrequenz fc, sondern auch von der Laserstrahlintensität abhängig. Alternativ kann deswegen das Referenzamplitudenverhältnis qref als Regelgröße Verwendung finden, was in 6b skizziert ist, welches sich beispielsweise mit einem Digitalen Signalprozessor (DSP) 48 bestimmen lässt. In dem in 6b dargestellten Doppler-Global-Velozimeter 60 hängt die Regelgröße – das Referenzamplitudenverhältnis qref – allein von der Lasermittenfrequenz fc ab.
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In 7 ist schließlich angegeben, wie die unterschiedlichen Lasermittenfrequenzen fc des Laserstrahls 3 vor der Lichtstreuung im Referenzpfad 51 und fc,n' nach der Lichtstreuung im Messpfad 50 zu unterschiedlichen Messunsicherheiten σ bei den beiden Lasermittenfrequenzen fc, fc,n' führen. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit νoi entfernt sich die Lasermittenfrequenz fc' des Streulichts von dem optimalen Arbeitspunkt des Lasers 2 und die Messunsicherheit σ der Strömungsgeschwindigkeit νoi steigt deshalb an.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in mit Partikeln versetzten Fluiden mittels Doppler-Global-Velozimeter anzugeben, das derart geeignet ausgebildet ist, dass unabhängig von der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit stets die minimale Messunsicherheit σmin erreicht wird, die Messbereiche erweitert werden können und die DGV-Empfindlichkeit von der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit νoi in Beobachtungsrichtung o → entkoppelt wird.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 4 gelöst. In dem Verfahren zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in mit Partikeln versetzten Fluiden mittels Doppler-Global-Velozimeter, der einen Laser und eine dem Laser vorgeordnete Laserfrequenzregeleinheit aufweist, wobei der Laserstrahl mit Hilfe eines Strahlteilers als Messstrahl in einen Messpfad und als Referenzstrahl in einen zur Erfassung und zur Regelung einer Lasermittenfrequenz vorgesehenen Referenzpfad eingebracht wird,
werden folgende Schritte durchgeführt, wobei
- – der Laser den Laserstrahl in Richtung i → aussendet, dessen Lasermittenfrequenz fc durchstimmbar ist,
- – der Messstrahl auf ein mit einer Strömungsgeschwindigkeit ν → bewegtes Fluid gerichtet wird, das mit den Partikeln versetzt ist,
- – der Messstrahl an den Partikeln im bewegten Fluid gestreut wird und dabei gemäß dem Doppler-Effekt in Beobachtungsrichtung o → eine geschwindigkeitsproportionale Frequenzverschiebung mit einer Doppler-Frequenz fD bei einer gemessenen Lasermittenfrequenz fc' erfährt,
- – am Messstrahl nach der Streuung im Messpfad eine Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion vorgenommen wird,
- – der gestreute Messstrahl nach der Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion in mindestens einer Photodetektorfeldanordnung, die mindestens ein Detektorelement aufweist, in elektrische Signale umgewandelt wird,
- – die umgewandelten elektrischen Signale aufgezeichnet und/oder erfasst werden,
- – die Komponente νoi der Strömungsgeschwindigkeit ν → des bewegten Fluids in Beobachtungsrichtung o → aus der Doppler-Frequenz fD bestimmt wird, die sich durch Auswertung der elektrischen Signale ergibt,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
- – bei der Messung der elektrischen Signale die Lasermittenfrequenz fc' des Messpfades in der Art eines Kompensationsmessverfahrens mit einer Laserfrequenznachführung derart nachgeregelt wird, dass der Arbeitspunkt für den Messpfad gleich bleibt,
- – bei dem gleich bleibenden Arbeitspunkt das Doppler-Global-Velozimeter eine minimale Messunsicherheit σmin zur Messung der gemäß dem Doppler-Effekt verschobenen Lasermittenfrequenz fc' hat,
- – die Messung der Lasermittenfrequenz fc des Referenzstrahls, der keine Doppler-Frequenzverschiebung enthält, durch die Auswertung des Referenzstrahls im Referenzpfad mit Hilfe einer zweiten Einrichtung zur Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion, mindestens eines Photodetektors und entsprechender Signalerfassung und Signalverarbeitung wie bei der Auswertung des Streulichts im Messpfad erfolgt und
- – die Bestimmung der Doppler-Frequenz fD aus der gemessenen Differenz der beiden Lasermittenfrequenzen fc' = fc + fD und fc durchgeführt wird, wobei nachfolgend aus der Doppler-Frequenz fD gemäß der Gleichung (II) die Komponente νoi der Strömungsgeschwindigkeit ν → berechnet wird.
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Die Einrichtungen zur Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion können Absorptionszellen oder Fabry-Pérot-Interferometer sein.
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Das Verfahren weist für ein Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeter im Detail weitere folgende Schritte auf, wobei
- – die Lasermittenfrequenz fc des Referenzstrahls im Referenzpfad mit Hilfe eines Frequenzschiebers derart geregelt und um die Frequenz fsh verschoben wird, dass sie der Lasermittenfrequenz fc' eines Messpunktes mit Doppler-Frequenz fD gleichkommt,
- – die Lasermittenfrequenz fc,ref = fc + fsh des frequenzverschobenen Referenzstrahls auf einen Arbeitspunkt geregelt wird, für welchen die minimale Messunsicherheit σmin erreicht wird,
- – anhand der mit der Verschiebungsfrequenz fsh eingestellten Frequenzverschiebung sowie der gemessenen Lasermittenfrequenz fc' = fc + fD des Streulichts mit Doppler-Frequenzverschiebung im Messpfad und der gemessenen Lasermittenfrequenz fc,ref = fc + fsh des Referenzstrahls mit eingestellter Frequenzverschiebung im Referenzpfad schließlich die Doppler-Frequenz nach Gleichung (VIII) fD = fsh + fc' – fc,ref (VIII) und somit gemäß der Gleichung (II) die zu messende Strömungsgeschwindigkeitskomponente νoi in Beobachtungsrichtung o → bestimmt werden.
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Die Strömungsgeschwindigkeiten können demnach an mehreren Messpunkten durch eine Kombination von Ausschlagsmessverfahren und Kompensationsmessverfahren gemessen werden.
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Das angegebene Verfahren kann mit einem Doppler-Global-Velozimeter zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in mit Partikeln versetzten Fluiden durchgeführt werden, wobei das Doppler-Global-Velozimeter einen Laser und eine dem Laser zugeordnete Laserfrequenzregeleinheit aufweist, wobei der Laserstrahl mit Hilfe eines Strahlteilers als Messstrahl in einen Messpfad und als Referenzstrahl in einen zur Erfassung und zur Regelung einer Lasermittenfrequenz fc vorgesehenen Referenzpfad eingebracht wird,
wobei der der Strömung zugeordnete Messpfad aufweist
- – eine Optik zur Generierung eines Lichtschnitts des Messstrahls,
- – eine Einrichtung zur Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion für das von den Partikeln abgegebene Streulicht in Beobachtungsrichtung o →,
- – mindestens eine Photodetektorfeldanordnung zur Aufnahme des Streulichts,
- – ein nachgeordnetes Datenerfassungssystem zur Auswertung und zur Ausgabe,
wobei der Referenzpfad aufweist
- – eine dem Strahlteiler nachgeordnete zweite Einrichtung zur Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion,
- – mindestens einen danach angeordneten Photodetektor, der mit dem Datenerfassungssystem zur Auswertung und zur Ausgabe verbunden ist,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 4
zur Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit νoi das Datenerfassungssytem mit einer dem Referenzpfad und dem Messpfad zugeordneten Einheit zur Erzeugung einer Verschiebungsfrequenz fsh in Verbindung steht und die Lasermittenfrequenz fc' des Streulichts mit Doppler-Frequenzverschiebung durch die Doppler-Frequenz fD mittels der dem Referenzpfad und dem Messpfad zugeordneten Einheit zur Erzeugung einer Verschiebungsfrequenz fsh derart stabilisiert ist, dass je nach vorliegender, zu bestimmender Strömungsgeschwindigkeit νoi stets der der minimalen Messunsicherheit σmin angepasste Arbeitspunkt für die Bestimmung der Lasermittenfrequenz fc' des Streulichts in der Laserfrequenzregeleinheit eingestellt ist.
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Im Fall eines Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeters enthält das Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeter entweder einen Lock-In-Verstärker zur Weiterleitung der Referenzamplitude Aref an einen Vergleicher oder einen Digitalen Signalprozessor zur Ermittlung und Weiterleitung eines Referenzamplitudenverhältnisses qref an den Vergleicher, der mit der Laserfrequenzregeleinheit in Verbindung steht, wobei vom Photodetektor des Referenzpfades eine Signalleitung an den Lock-In-Verstärker oder eine Signalleitung an den Digitalen Signalprozessor und eine Signalleitung an das Datenerfassungssystem sowie von der Photodetektorfeldanordnung des Messpfades eine Signalleitung an das Datenerfassungssystem geführt sind, dem Datenerfassungssystem ein Digitaler Signalprozessor zugeordnet ist und an den Digitalen Signalprozessor mindestens eine Signalleitung von der Photodetektorfeldanordnung des Messpfades geführt ist, wobei der Digitale Signalprozessor zumindest eines der Amplitudenverhältnisse q1, ..., qn oder zusätzlich das Referenzamplitudenverhältnis qref bestimmt, wobei aus der Differenz dieser Amplitudenverhältnisse eine Verschiebungsfrequenz fsh für das Licht im Referenzpfad bestimmbar ist, die einer Doppler-Frequenzverschiebung mit der Doppler-Frequenz fD gleich kommt, wobei das Datenerfassungssystem zur Auswertung und zur Ausgabe von Amplitudenverhältnissen q harmonischer Signalanteile vorgesehen ist.
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In dem Referenzpfad kann ein Frequenzschieber eingebracht sein, wobei vor der Erfassung der Lasermittenfrequenz fc der Referenzstrahl den Frequenzschieber passiert. Der Frequenzschieber kann durch einen akusto-optischen Modulator (AOM) bzw. durch mehrere in Reihe geschaltete AOMs realisiert sein, wobei die Laserfrequenz fL um eine Verschiebungsfrequenz fsh derart verschoben wird, dass sie einer Lasermittenfrequenz fc' des dopplerverschobenen Streulichts gleichkommt.
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Das Verfahren kann auf alle DGV-Verfahren angewendet werden, so dass die DGV-Verfahren dann einem Kompensationsmessverfahren ähneln. Es ist jeweils einzig zu fordern, dass ein Laser mit der Möglichkeit zur schnellen Laserfrequenzmodulation verwendet wird, der eine Nachführung der Laserfrequenz gestattet (z. B. Diodenlaser).
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Weiterbildungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindungen werden in weiteren Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1a eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines Doppler-Global-Velozimeters mit ν → Strömungsgeschwindigkeit, fD Doppler-Frequenz, fL Laserfrequenz, i → Lichteinfallsrichtung, o → Beobachtungsrichtung nach dem Stand der Technik,
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1b die gemessene Cäsium-Absorptionslinie mit einer Frequenz f0 = 351,7217 THz, bei welcher die Transmission minimal wird, nach dem Stand der Technik,
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2a eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines Doppler-Global-Velozimeters mit Laserfrequenzmodulation nach dem Stand der Technik,
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2b eine Skizzierung der Frequenzmodulation an einer gemessenen Cäsium-Absorptionslinie mit der Frequenz f0 = 351,7217 THz und mit der Lasermittenfrequenz fc nach 2a,
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3a berechnete Amplituden der ersten Harmonischen und zweiten Harmonischen,
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3b den Quotienten A1(fc')/A2(fc') – das Amplitudenverhältnis – mit 400 MHz Modulationsamplitude und der Absorptionslinie mit der Frequenz f0 = 351,7217 THz gemäß 2b,
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4 das Funktionsprinzip der FSK-DGV mit Lasermittenfrequenz fc, Amplitude der Freqenzmodulation fsh – der Verschiebungsfrequenz – und Modulationsperiode Tm nach dem Stand der Technik,
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5 abgeschätzte, als Messunsicherheit definierte Standardabweichungen σ der Strömungsgeschwindigkeit, wobei
5a die Standardabweichung σ für das konventionelle DGV-Verfahren und
5b die Standardabweichung σ für das bisherige FM-DGV-Verfahren in Abhängigkeit der gemäß dem Doppler-Effekt verschobenen Lasermittenfrequenz fc' bei einer Messzeit 1 s, einer Wellenlänge 852 nm, einer Transmissionskennlinie und der Frequenz f0 gemäß 2b und weiteren Parametern nach dem Stand der Technik
zeigen,
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6 ein Schema eines Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeters mit 25 Messpunkten mit
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6a der Rückführung der Amplitude A1,ref der ersten Harmonischen und
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6b der Rückführung des Referenzamplitudenverhältnisses qref zur Stabilisierung der Lasermittenfrequenz nach dem Stand der Technik,
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7 eine Skizzierung der Arbeitspunkte und der zugehörigen Messunsicherheit σ der Lasermittenfrequenz fc des Laserstrahls vor der Lichtstreuung (Referenz) und der Lasermittenfrequenz fc' nach der Lichtstreuung (Messung) beim bisherigen Frequenz-Moulations-Doppler-Global-Velozimeter nach dem Stand der Technik gemäß 6,
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8 ein Blockschema des Kompensationsmessverfahrens mit Laserfrequenznachführung ohne Frequenzverschiebung des Lichts im Referenzpfad für ein Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeter,
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9 eine Skizzierung der Arbeitspunkte und der zugehörigen Messunsicherheit σ der Lasermittenfrequenz fc des Laserstrahls vor der Lichtstreuung (Referenz) und der Lasermittenfrequenz fc' nach der Lichtstreuung (Messung) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel eines Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeters,
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10 ein Schema eines Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeters mit 25 Messpunkten mit Laserfrequenznachführung bei
10a der Rückführung der Referenzamplitude A1,ref der ersten Harmonischen und
10b der Rückführung des Referenzamplitudenverhältnisses qref zur Stabilisierung der Lasermittenfrequenz,
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11 eine Skizzierung der Arbeitspunkte und der zugehörigen Messunsicherheit σ der Lasermittenfrequenz fc des Laserstrahls vor der Lichtstreuung (Referenz) und der Lasermittenfrequenz fc' nach der Lichtstreuung (Messung) gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel bei einem Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeter und
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12 die abgeschätzte Messunsicherheit σ für 3 nW Streulichtleistung und 1 ms Zeitauflösung beim konventionellen Doppler-Global-Velozimeter und beim erfindungsgemäßen Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeter mit neuer Kompensationstechnik zur Messung hoher Strömungsgeschwindigkeiten.
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Die nachfolgende Beschreibung der Erfindung erfolgt exemplarisch auf der Basis eines Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeters. Deshalb wird zunächst der Ausgangspunkt, d. h. ein Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeter näher beschrieben. Die Erfindung selbst ist bei allen DGV-Verfahren anwendbar.
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Im Folgenden werden die 8, 10a und 10b gemeinsam betrachtet.
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In 8 ist ein Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeter – FM-DGV – 30 zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeitkomponente νoi in einer Strömung 5 eines mit Partikeln versetzten Fluids dargestellt, wobei das Doppler-Global-Velozimeter 30 einen Laser 2 und eine dem Laser 2 vorgeschaltete Laserfrequenzregeleinheit 45 aufweist, wobei der Laserstrahl 3 mit Hilfe eines Strahlteilers 42 als Messstrahl 35 in einen Messpfad 50 und als Referenzstrahl 34 in einen zur Erfassung und zur Regelung einer Lasermittenfrequenz fc vorgesehenen Referenzpfad 51 eingebracht wird,
wobei der der Strömung 5 zugeordnete Messpfad 50 aufweist
- – eine Optik 41 zur Generierung eines Lichtschnitts 4 des Messstrahls 35,
- – eine Absorptionszelle 8 als erste Einrichtung zur Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion für das von den Partikeln 7 abgegebene Streulicht in Beobachtungsrichtung o →,
- – eine Photodetektorfeldanordnung 21 zur Aufnahme von Signalen,
- – ein Datenerfassungssystem 22 zur Auswertung und zur Ausgabe von Amplitudenverhältnissen q harmonischer Signalanteile bei Frequenz-Modulation,
wobei der Referenzpfad 51 aufweist
- – eine dem Strahlteiler 42 nachgeordnete Absorptionszelle 43 als zweite Einrichtung zur Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion,
- – einen danach angeordneten Photodetektor 44,
- – entweder einen Lock-In-Verstärker 47 zur Weiterleitung der Referenzamplitude Aref an einen Vergleicher 46 oder einen Digitalen Signalprozessor 48 zur Ermittlung und Weiterleitung eines Referenzamplitudenverhältnisses qref an einen Vergleicher 46, der mit der Laserfrequenzregeleinheit 45 in Verbindung steht,
wobei vom Photodetektor 44 des Referenzpfades 51 eine Signalleitung 55 an den Lock-In-Verstärker 47 und/oder eine Signalleitung 54 an den Digitalen Signalprozessor 48 und an das Datenerfassungssystem 22 sowie von der Photodetektorfeldanordnung 21 des Messpfades 50 eine Signalleitung 52 an das Datenerfassungssystem 22 geführt sind.
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Erfindungsgemäß sind in jedem Falle dem Datenerfassungssystem 22 zumindest ein Digitalsignalprozessor 48 zugeordnet und an den Digitalsignalprozessor 48 mindestens eine Signalleitung 53 von der Photodetektorfeldanordnung 21 des Messpfades 50 geführt, wobei der Digitale Signalprozessor 48 in 10a und 10b auch das Referenzamplitudenverhältnis qref bestimmt und in ihm zumindest eine Einheit zur Erzeugung einer Verschiebungsfrequenz fsh vorhanden ist, die schließlich die Verschiebungsfrequenz fsh liefert.
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Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Doppler-Global-Velozimeters 30 wird im Folgenden mit dem Verfahren zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten νoi in einem mit Partikeln 7 versetzten Fluid erläutert, wobei das Doppler-Global-Velozimeter 30 einen Laser 2 und eine dem Laser 2 vorgeordnete Laserfrequenzregeleinheit 45 enthält, wobei der Laserstrahl 3 mit Hilfe eines Strahlteilers 42 als Messstrahl 35 in einen Messpfad 50 und als Referenzstrahl 34 in einen zur Erfassung und zur Regelung einer Lasermittenfrequenz fc vorgesehenen Referenzpfad 51 eingebracht wird, wobei
- – der Laser 2 den Laserstrahl 3 in Richtung i → aussendet, dessen Lasermittenfrequenz fc durchstimmbar ist,
- – der Messstrahl 35 auf ein mit einer Strömungsgeschwindigkeit ν → bewegtes Fluid gerichtet wird, das mit den Partikel 7 versetzt ist,
- – der Messstrahl 35 an den Partikeln 7 im bewegten Fluid gestreut wird und dabei gemäß dem Doppler-Effekt in Beobachtungsrichtung o → eine geschwindigkeitsproportionale Frequenzverschiebung mit der Doppler-Frequenz fD bei einer gemessenen Lasermittenfrequenz fc' erfährt,
- – am Messstrahl 35 nach der Streuung im Messpfad 50 eine Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion vorgenommen wird,
- – der gestreute Messstrahl 35 nach der Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion in einer Photodetektorfeldanordnung 21, die ein oder mehrere Detektorelemente aufweist, in elektrische Signale umgewandelt wird,
- – die umgewandelten elektrischen Signale aufgezeichnet und/oder erfasst werden,
- – die Strömungsgeschwindigkeitkomponente νoi des bewegten Fluids aus der Doppler-Frequenz fD bestimmt wird, die sich durch Auswertung der elektrischen Signale ergibt.
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Erfindungsgemäß wird bei der Messung der elektrischen Signale die Lasermittenfrequenz fc in der Art eines Kompensationsmessverfahrens mit einer Laserfrequenznachführung derart nachgeregelt, dass der Arbeitspunkt für den Messpfad 50 gleich bleibt, wobei bei gleich bleibendem Arbeitspunkt das Doppler-Global-Velozimeter 30 eine maximale Empfindlichkeit und somit eine minimale Messunsicherheit σmin zur Messung der gemäß dem Doppler-Effekt verschobenen Lasermittenfrequenz fc' hat,
wobei die Messung der Lasermittenfrequenz fc des Referenzstrahls 34, welcher keine Doppler-Frequenzverschiebung enthält, durch die Auswertung des Referenzstrahls 34 im Referenzpfad 51 mit Hilfe einer zweiten Einrichtung zur Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion 8, eines Photodetektors 44 und entsprechender Signalerfassung und Signalverarbeitung wie bei der Auswertung des Streulichts im Messpfad 50 erfolgt und
wobei die Bestimmung der Doppler-Frequenz fD = fc' – fc aus der Differenz der beiden gemessenen Lasermittenfrequenzen fc', fc und daraus die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit νoi durchgeführt werden.
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Im Detail wird in dem Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeter
30 die Lasermittenfrequenz f
c des Referenzstrahl
34 im Referenzpfad
51 mit Hilfe eines Frequenzschiebers
49 als ein Teil der Einheit zur Erzeugung einer Verschiebungsfrequenz f
sh derart geregelt, dass sie der Lasermittenfrequenz f
c' eines Messpunktes mit einer Doppler-Frequenz f
D gleichkommt, wobei die Lasermittenfrequenz f
c des frequenzverschobenen Referenzstrahls
34 auf einen Arbeitspunkt geregelt wird, für welchen die minimale Messunsicherheit σ
min erreicht wird, wobei anhand der mit der Verschiebungsfrequenz f
sh eingestellten Frequenzverschiebung sowie der gemessenen Lasermittenfrequenz f
c' = f
c + f
D des Streulichts mit Doppler-Frequenzverschiebung im Messpfad und der gemessenen Lasermittenfrequenz f
c,ref = f
c + f
sh des Referenzstrahls mit eingestellter Frequenzverschiebung im Referenzpfad schließlich die Doppler-Frequenz nach Gleichung (VIII)
fD = fsh + fc' – fc,ref (VIII) und somit gemäß der Gleichung (II)
die zu messende Strömungsgeschwindigkeitskomponente ν
oi bestimmt werden.
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Die Strömungsgeschwindigkeiten können damit an mehreren Messpunkten durch eine Kombination von Ausschlagsmessverfahren und Kompensationsmessverfahren gemessen werden.
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In 8 ist in einem Blockschema des Kompensationsmessverfahrens mit Laserfrequenznachführung für ein Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeter ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Doppler-Global-Velozimeters 30 mit der neuen Struktur der Regelung dargestellt. Bei einem Vergleich der neuen Struktur der Regelung mit der der Regelung des Standes der Technik, d. h. der in 6b dargestellten Struktur, kann festgestellt werden, dass anstelle der bisherigen Rückführung von des Referenzamplitudenverhältnisses qref in den Vergleicher 46 nun die Rückführung eines Amplitudenverhältnisses qi, i ∊ {1, ..., n mit n = 25} aus dem Messpfad 50 zum Digitalen Signalprozessor 48 und von da aus in den Referenzpfad 51 zum Vergleicher 46 erfolgt, wobei von der Photodetektorfeldanordnung 21 nicht nur eine Signalleitung 52 zum Datenerfassungssystem 22, sondern auch eine Signalleitung 53 zum Digitalen Signalprozessor 48 geführt ist. Dies hat zur Folge, dass nicht mehr die Lasermittenfrequenz fc ohne Doppler-Frequenzverschiebung, sondern die Lasermittenfrequenz fc' des Streulichts mit Doppler-Frequenz fD des Messpfades 50 derart stabilisiert wird, dass sie mit minimaler Messunsicherheit σmin erfasst werden kann. So wird je nach vorliegender Strömungsgeschwindigkeit νoi in Beobachtungsrichtung o → stets ein der minimalen Messunsicherheit σmin angepasster Arbeitspunkt für die Bestimmung der Lasermittenfrequenz fc' des Streulichts in der Laserfrequenzregeleinheit 45 eingestellt. Das gemessene Referenzamplitudenverhältnis qref dient erneut zur Bestimmung der Lasermittenfrequenz fc vor erfolgter Lichtstreuung.
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Wie in 9, die eine Skizzierung der Arbeitspunkte und der zugehörigen Messunsicherheit σ der Lasermittenfrequenz fc des Laserstrahls vor der Lichtstreuung (Referenz) und der Lasermittenfrequenz fc' nach der Lichtstreuung (Messung) gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel bei einem Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeter zeigt, dargestellt ist, liegt für die Lasermittenfrequenz fc im Referenzpfad 51 zwar kein ein der minimalen Messunsicherheit σmin angepasster Arbeitspunkt vor, aber da die auswertbare Lichtleistung signifikant größer als die des Streulichts ist, kann der Unsicherheitszuwachs aufgrund der Suboptimalität des Arbeitspunktes an dieser Stelle vernachlässigt werden.
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In der Regel wird an mehreren Punkten verschiedener Beobachtungsrichtungen o → mit unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit νoi in einem bildgebenden Messverfahren gleichzeitig gemessen. Die Nachführung der Lasermittenfrequenz fc ist jedoch nur für einen Messpunkt exakt. Die diesbezüglichen Strömungsgeschwindigkeitsabweichungen für alle anderen Messpunkte werden wie bisher in der Art eines Ausschlagverfahrens gemessen. Dabei treten wie gewohnt höhere Messunsicherheiten auf. Wenn jedoch die Strömungsgeschwindigkeiten in einem kleinen Intervall um die mittlere Strömungsgeschwindigkeit liegen, z. B. wie bei einer Düsenströmung, kann dieser Effekt vernachlässigt werden.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeters 30 betrifft einen zum ersten Ausführungsbeispiel alternativen Aufbau, bei welchem die Messung der Lasermittenfrequenz fc ohne Doppler-Frequenzverschiebung ebenfalls bei einem der minimalen Messunsicherheit σmin angepassten Arbeitspunkt des Lasers 2 erfolgt. Die in den 10a und 10b schematisch dargestellten Aufbauten nach einem Schema eines Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeters mit 25 Messpunkten ergeben mit einer Laserfrequenznachführung bei der Rückführung der Referenzamplitude A1,ref der ersten Harmonischen die 10a und bei der Rückführung des Referenzamplitudenverhältnisses qref zur Stabilisierung der Lasermittenfrequenz fc die 10b. Sie unterscheiden sich von den in den 6a und 6b angegebenen Aufbauten dadurch, dass vor der Erfassung der Lasermittenfrequenz fc der Referenzstrahl 34 einen Frequenzschieber 49 passiert, der durch einen akustooptischen Modulator (AOM) bzw. durch mehrere in Reihe geschaltete AOMs realisiert ist. Dabei wird die Laserfrequenz fL um eine Verschiebungsfrequenz fsh derart verschoben, dass sich die Doppler-Frequenzverschiebung einstellt. Hierfür wird mittels des Digitalen Signalprozessors DSP 48 oder einer programmierbaren Logikeinheit (engl. Field Programmable Gate Array – FPGA) ein Amplitudenverhältnis qi aus dem Messpfad 50 und das Referenzamplitudenverhältnis qref aus dem Referenzpfad 51 ausgewertet und die Differenz qi–qref von beiden Amplitudenverhältnissen qi, qref berechnet. Die Differenz qi–qref wird einem Regelalgorithmus (z. B. PI-Regler), der innerhalb des Digitalen Signalprozessors 48 realisiert ist, eingegeben, welcher die Verschiebungsfrequenz fsh derart berechnet, dass die Differenz qi–qref gleich Null wird. Dadurch ergibt sich letztlich qi = qref, d. h. die Lasermittenfrequenz fc des Referenzstrahls 34 im Referenzpfad 51 mit eingebrachtem Frequenzverschieber 49 ist mit der Lasermittenfrequenz fc' des Streulichts, die die Doppler-Frequenz fD enthält, identisch.
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Die Nachführung des nun gemeinsamen Arbeitspunkts der Lasermittenfrequenz fc des Referenzstrahls 34 im Referenzpfad 51 und der Lasermittenfrequenz fc' des Streulichts im Messpfad 50 erfolgt mit Hilfe der bereits bekannten Regelungsstruktur. Als rückzuführende Größe wird hierbei wieder entweder die Referenzamplitude der ersten Harmonischen A1,ref (s. 10a) oder das Referenzamplitudenverhältnis qref (s. 10b) eingesetzt (vgl. 6a bzw. 6b).
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Im Ergebnis können so beide Lasermittenfrequenzen fc', fc die über die Amplitudenverhältnisse qref und qi erfasst werden, mit minimaler Messunsicherheit σmin gemessen werden.
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Das ist in 11 in Form einer Skizzierung der Arbeitspunkte und der zugehörigen Messunsicherheit σ der Lasermittenfrequenz fc des Laserstrahls 3 vor der Lichtstreuung (Referenz) und der Lasermittenfrequenz fc' nach der Lichtstreuung (Messung) gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel bei einem Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeter 30 dargestellt. Die Doppler-Frequenz fD ist bei Gleichheit eines Amplitudenverhältnisses und des Referenzamplitudenverhälnisses mit qi = qref mit der Verschiebungsfrequenz fsh identisch und kann leicht abgelesen werden. Bei einer verbleibenden Regelabweichung qi – qref ≠ 0 wird die Doppler-Frequenz fD mittels einer Kalibrierkennlinie in gewohnter Weise in die Differenz zwischen der Doppler-Frequenz fD und der Verschiebungsfrequenz fsh überführt und so berücksichtigt.
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Die Erfassung von mehreren Messpunkten kann wie beim ersten Ausführungsbeispiel des Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeters 30 bereits beschrieben erfolgen, indem Kompensationsmessverfahren und Ausschlagsmessverfahren miteinander kombiniert werden.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Doppler-Global-Velozimeter 30 für die Anwendung sind folgende:
Durch die Verfahren mit Laserfrequenznachführung können mit einem Doppler-Global-Velozimeter insbesondere dann gleichbleibende, geringe Messunsicherheiten σ erreicht werden, wenn hohe Strömungsgeschwindigkeiten νoi vermessen werden sollen. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Doppler-Global-Velozimeter sind folglich für hohe Strömungsgeschwindigkeiten νoi vorteilhaft.
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In 12 wird die abgeschätzte Messunsicherheit σ für 3 nW Streulichtleistung und 1 ms Zeitauflösung beim herkömmlichen Doppler-Global-Velozimeter 6, 60 und beim FM-Doppler-Global-Velozimeter 30 mit neuer Kompensationstechnik zur Messung hoher Strömungsgeschwindigkeiten νoi angegeben. Es wird deutlich, dass die Messunsicherheit σ nicht mehr vom Arbeitspunkt des Lasers 2 abhängt, da dieser durch die Laserfrequenznachführung automatisch so eingestellt wird, dass sich stets die minimale Messunsicherheit σmin ergibt, wobei die Laserfrequenznachführung bedeutet, dass eine ständige Einstellung der Lasermittenfrequenz fc auf einen der minimalen Messunsicherheit σmin angepassten Arbeitspunkt erfolgt.
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Zusätzlich zu der geringeren Messunsicherheit σmin ergeben sich folgende Vorteile:
- a) Da es sich hierbei um ein Kompensationsmessverfahren handelt, vereinfacht sich die Kalibrierung. So spielen im zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Doppler-Global-Velozimeters Nichtlinearitäten des ursprünglichen Amplitudenverhältnis-Lasermittenfrequenz-Zusammenhangs (bisherige Kalibrierkennlinie bei FM-DGV) keine Rolle mehr.
- b) Außerdem ist es zum Beispiel dann nicht mehr zwingend erforderlich, dass zur Kalibrierung das Kalibrierobjekt eine ebenso hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweist wie später in der Messung tatsächlich auftreten kann, da stets nur in der unmittelbaren Umgebung des der minimalen Messunsicherheit σmin angepassten Arbeitspunktes gemessen wird. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten νoi von bis zu mehreren 100 m/s treten beispielsweise bei Strömungsmessungen in Turbomaschinen und bei der Untersuchung der Umströmung von Flugobjekten auf. Dies würde den Kalibrieraufwand erheblich reduzieren.
- c) Zusätzlich sind, insofern die Strömungsgeschwindigkeitsänderungen nicht sprunghaft erfolgen und die Lasernachführung aktiv ist, größere Strömungsgeschwindigkeiten νoi messbar, d. h. der eineindeutige Messbereich ist nicht wie beispielsweise in 3b dargestellt begrenzt.
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Im Ergebnis ergibt sich somit ein größerer Messbereich bei gleichzeitig geringerer Messunsicherheit σ.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Doppler-Global-Velozimeter
- 2
- Laser
- 3
- Laserstrahl
- 4
- Lichtschnitt
- 5
- Strömung
- 6
- Doppler-Global-Velozimeter
- 7
- Partikel
- 8
- Erste Einrichtung zur Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion
- 9
- Signalkamera
- 10
- Strahlteiler
- 11
- Referenzkamera
- 12
- Spiegel
- 20
- Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeter
- 21
- Photodetektorfeldanordnung
- 22
- Datenerfassungssystem
- 30
- Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeter
- 31
- Absorptionslinie
- 32
- Absorptionslinie
- 33
- Strömungsdüse
- 34
- Referenzstrahl
- 35
- Messstrahl
- 41
- Optik zur Lichtschnittgenerierung
- 42
- Spiegel
- 43
- Zweite Einrichtung zur Frequenz-zu-Intensitäts-Konversion
- 44
- Photodetektor
- 45
- Laserfrequenzregeleinheit
- 46
- Vergleicher
- 47
- Lock-In-Verstärker
- 48
- Digitaler Signalprozessor
- 49
- Frequenzschieber
- 50
- Messpfad
- 51
- Referenzpfad
- 52
- Signalleitung n-fach
- 53
- Signalleitung
- 54
- Signalleitung
- 55
- Signalleitung
- 56
- Signalleitung
- 57
- Signalleitung
- 60
- Frequenz-Modulations-Doppler-Global-Velozimeter
- ν→
- Strömungsgeschwindigkeit
- νoi
- Strömungsgeschwindigkeit in Beobachtungsrichtung o →
- fc
- Lasermittenfrequenz
- fc'
- Lasermittenfrequenz des Streulichts
- fD
- Doppler-Frequenz
- i→
- Lichteinfallsrichtung
- o→
- Beobachtungsrichtung
- fL
- Laserfrequenz
- fsh
- Verschiebefrequenz
- c
- Lichtgeschwindigkeit
- τ
- Transmissionsgrad
- A(f)
- Amplitude
- Aref(f)
- Referenzamplitude
- q(f)
- Amplitudenverhältnis
- qref(f)
- Referenzamplitudenverhältnis
- g(x)
- Abtastwert
- λ
- Wellenlänge
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Meyers, J. F., Lee, J. W., Schwartz, R. J.,: Characterization of measurement error sources in Doppler global velocimetry, Meas. Sci. Technol., Vol. 12, 2001, S. 357–368 [0005]
- Druckschrift Müller, H., Lehmacher, Th., Grosche, G.,: Profile sensor based an Doppler Global Velozimetry, Laser Advanced and Applications, Tagungsband, Rom, 1999, S. 475–482 [0006]
- Druckschrift Morrison, G. L., Gaharan, C. A.,: Uncertainty estimates in DGV systems due to Pixel location and velocity gradients, Meas. Sci. Technol., Vol. 12, 2001, S. 369–377 [0006]
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- Fischer, A., Büttner, L., Czarske, J., Eggert, M., Müller, H.,: Doppler-Global-Velozimeter mit sinusförmiger Laserfrequenzmodulation zur präzisen Messung von Geschwindigkeitsprofilen, tm – Technisches Messen, 2006, 73(4):237–244 [0008]
- Druckschrift Müller, H., Eggert, M., Czarske, J., Büttner, L., Fischer, A.,: Single-camera Doppler global velocimetry based an frequency modulation techniques, Experiments in Fluids, 2007, 43:223–232 [0009]
- Druckschrift Charrett, T. O. H.. Tatam, R. P.,: Single camera three component planar velocity measurements using two-frequency planar Doppler velocimetry (2v-PDV), Meas. Sci. Technol., Vol. 17, 2006, S. 1194–1206 [0011]
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