DE102010049673A1 - Vorrichtung und Verfahren zur 3D-Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen transparenter fluider Strömungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur 3D-Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen transparenter fluider Strömungen, in die seitlich in einen Strömungsbereich (33) einstrahlbare Lichtwellen (16, 17) mindestens einer Lichtquelle (5) zur Beleuchtung von in der Strömung (43) mitgeführten Partikeln (2) geführt sind, und wobei zumindest eine Detektionseinheit (4) vorhanden ist, die das von den strömenden Partikeln (2) gestreute Licht (8) registriert, wobei eine Auswertung der registrierten Streulichtsignale der in der Strömung (43) mitgeführten Partikel (2) zur Ermittlung des Geschwindigkeitsprofils über dem Strömungsbereich (33) mittels einer der Detektionseinheit (4) nachgeschalteten Auswerteeinheit (34) erfolgt, wobei Position und Tangentialgeschwindigkeit der Partikel (2) und somit das resultierende Geschwindigkeitsprofil über dem Strömungsbereich (33) zumindest nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors (7) bestimmt werden, wobei der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor (7) in einem Messvolumen (1) des Strömungsbereiches (33) zwei überlagerte, zumindest eines davon fächerförmig aufgeweitete Interferenzstreifensysteme (18, 19) ausbildet, wobei die beiden Interferenzstreifensysteme (18, 19) physikalisch unterscheidbar sind und für jedes der Interferenzstreifensysteme (18, 19) eine Dopplerfrequenz (f1, f2) aus dem Streulicht (8) mindestens eines der das Messvolumen (1) durchquerenden Streuobjekte (2) bestimmbar ist, wobei die axiale Position (z) und die Geschwindigkeit (v(x, y, z)) des Streuobjektes (2) nach dem Prinzip des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors (7) bestimmt werden, indem die axiale Position (z) des Streulichts (8) aus dem Verhältnis der beiden gemessenen Dopplerfrequenzen (f1, f2) und einer Kalibrierungsfunktion (q(z)), die aus dem Quotienten der Streifenabstandsfunktionen (d1(z), d2(z)) gebildet wird, bestimmt wird, sowie die Geschwindigkeit (v) des Streuobjektes (2) aus der ermittelten axialen Position (z) und den Streifenabstandsfunktionen (d1(z), d2(z)) bestimmt wird. Die Lösung besteht darin, dass die eingesetzte Detektionseinheit (4) mehrere Einzelelemente (401, 410, 414) enthält, die mit einer Auswerteinheit (34) in Verbindung stehen, wobei die Bildwiederholrate der Detektionseinheit (4) einschließlich der Signalverarbeitungshardware mindestens so groß ist, dass die beiden Dopplerfrequenzen (f1, f2) der amplitudenmodulierten Streulichtsignale gemäß dem Nyquist-Shannonschen Abtasttheorem abgetastet werden, und die lateralen Positionen (x, y) des Streuobjektes (2) mittels der aus mehreren Einzelelementen (401, 410, 414) bestehenden Detektoreinheit (4) und in der Auswerteeinheit (32) mittels nachfolgender Bildverarbeitung aus den aufgenommenen Streuobjektbildern (29, 31) bestimmt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur 3D-Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen transparenter fluider Strömungen, in die seitlich in den Strömungsbereich einstrahlbare Lichtwellen von mindestens einer Lichtquelle zur Beleuchtung von in der Strömung mitgeführten Partikeln geführt sind, und wobei zumindest eine Detektionseinheit vorhanden ist, die 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 Strömungsbereich mittels einer der Detektionseinheit nachgeschalteten Auswerteeinheit erfolgt, wobei Position und Tangentialgeschwindigkeit der Partikel und somit das resultierende Geschwindigkeitsprofil über dem Strömungsbereich zumindest nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors bestimmt werden, wobei der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor in einem Messvolumen des Strömungsbereiches zwei überlagerte, zumindest eines davon fächerförmig aufweitbare Interferenzstreifensysteme ausbildet, wobei die beiden Interferenzstreifensysteme physikalisch unterscheidbar sind und für jedes der Interferenzstreifensysteme eine Dopplerfrequenz aus dem Streulicht mindestens eines der das Messvolumen durchquerenden Streuobjekte bestimmbar ist.
• Zur Klarstellung der Ergebnisse der in der Beschreibung angegebenen Verfahren und Vorrichtungen wird eine Nomenklatur angegeben, wobei D die Koordinaten-Dimension des Messvolumens eines Messverfahrens ist und C die Anzahl der Komponenten des Geschwindigkeitsvektors, die mit einem Messverfahren gemessen werden können, sind:
  0D: (quasi)-punktförmig, Messung an nur einem Punkt ohne Ortsbestimmung,
  1D: linienförmig, eine Ortskoordinate kann aufgelöst werden, Messung entlang einer Linie,
  2D: flächenhaft, zwei Ortskoordinaten können gemessen werden, Messung in einer Fläche,
  3D: volumenhaft, drei Ortskoordinaten können gemessen werden, Messung in einem Volumen,
  1C: einkomponentig, nur eine Geschwindigkeitskomponente kann gemessen werden,
  2C: zweikomponentig, zwei Geschwindigkeitskomponenten können gemessen werden,
  3C: dreikomponentig, drei Geschwindigkeitskomponenten können gemessen werden.
• Ein Verfahren und eine zugehörige, in 1 dargestellte Vorrichtung 40 zur Messung von Geschwindigkeiten von Streuobjekten in Form von lichtstreuenden Partikeln in Strömungen ist im Wesentlichen in den Druckschriften Westerweel: Fundamentals of digital particle image velocimetry, Meas. Sci. Technol. 6. S. 1379–1392, 1997 (Particle Image Velocimetry) und Raffel, Willert, Wereley, Kompenhans: Particle Image Velocimetry. A Practical Guide, Springer, Berlin, 2007 (Particle Tracking Velocimetry) beschrieben, wobei das Verfahren auf einer Weg-Zeit-Messung beruht. In der zugehörigen Verrichtung 40 wird aus dem Licht eines Pulslasers 5 mittels einer Zylinderlinse 41 ein Lichtschnitt 42 geformt und der Lichtschnitt 42 wird auf die zu untersuchende Strömung 43 gerichtet. Das von Streuobjekten 2 in der Strömung 43 gestreute Licht 8 wird auf eine Kamera 4 mittels einer Abbildungsoptik 3 abgebildet. Mit der Kamera 4 werden nun kurz hintereinander zwei Bilder 29, 31 der Strömung 43 aufgenommen, wobei die Bilder 29, 31 mit kurzen Laserpulsen 44 und 45, die im Zeitabstand Δt aufeinanderfolgen, erzeugt werden. Bei der PIV (Particle Image Velocimetry) wird anhand der zweidimensionalen Kreuzkorrelationsfunktion 46, die aus beiden Bildern 29, 31 berechnet wird, die Verschiebung (zweidimensional: in x-Richtung mit Δx und y-Richtung mit Δy) der abgebildeten Streuobjekte 2 während des Zeitabstands Δt berechnet. Bei der Variante PTV (Particle Tracking Velocimetry) wird die Verschiebung mittels Bildverarbeitungsalgorithmen direkt für jedes einzelne Streuobjekt 2 berechnet. Damit lässt sich die Geschwindigkeit zweikomponentig in der Ebene des Lichtschnitts 42 nach folgender Gleichung angegeben:

  
• Die wesentlichen Merkmale der PIV und PTV unter Verwendung der oben genannten Nomenklatur sind:
• – Die Geschwindigkeitsmessung basiert auf einer Weg-Zeit-Messung.
• – Die Strömungsmessung erfolgt abbildend mit Hilfe einer Kamera 4.
• – PIV und PTV sind Verfahren, bei denen der Zeilenabstand auf die Bildwiederholrate (Framerate) der Kamera angepasst ist.
• – Es wird das Geschwindigkeitsprofil in einer Ebene (2D) mit den zwei darin enthaltenen Geschwindigkeitskomponenten (2C) erfasst, d. h. es liegt eine 2D2C-Messung vor. Erst durch eine volumenhafte Beleuchtung und die Verwendung mehrerer Kameras kann die Messung auf 3D3C erweitert werden, was einen hohen Aufwand darstellt.
• – Die Unsicherheit der Streuobjektposition ist durch die Pixeldiskretisierung und Beugungseffekte während der Abbildung limitiert.
• – Die Unsicherheit der Geschwindigkeit folgt dann aus der Unsicherheit des Verschiebungsvektors oder der Streuobjektpositionen. Sie beträgt typischerweise 3%.
• Ein in 2 dargestelltes, weiteres kamerabasiertes Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen von Streuobjekten in Strömungen ist die Doppler-Global-Velozimetrie (DGV). Im Gegensatz zur PIV/PTV beruht die Geschwindigkeitsmessung jedoch nicht auf einer Weg-Zeit-Messung, sondern auf der Auswertung des optischen Dopplereffektes. In der zugehörigen Vorrichtung 50 wird die Dopplerfrequenzverschiebung jedoch nicht direkt, sondern nur mittelbar als Intensitätsänderung vermessen.
• Dabei wird ein schmalbandiger Dauerstrichlaser verwendet, dessen Frequenz auf der Flanke einer molekularen Absorptionslinie stabilisiert ist. Das Laserstrahlenbündel wird zu einem Lichtschnitt 42 geformt und auf die zu untersuchende Strömung 43 gerichtet. Das von den in der Strömung 43 befindlichen Partikeln 2 gestreute Licht 8 passiert eine Absorptionszelle 51 und wird auf eine Kamera 4 abgebildet. Die durch den Dopplereffekt hervorgerufene Frequenzverschiebung f_D verschiebt den Arbeitspunkt auf der in 2a dargestellten Transmissionskennlinie 52 τ(f), so dass sich die Transmission τ mit Δτ ändert. Damit wird eine Frequenzverschiebung f_D in eine Intensitätsänderung ΔI(Δτ) überführt. Die Intensitätsänderung ΔI(Δτ) kann mit der Kamera 4 nachgewiesen werden. Um störende Einflüsse durch unterschiedliche Streulichtleistungen zu unterbinden, wird zur Referenzierung ein Teil 54 des Streulichts 8 ohne Absorptionszelle direkt auf eine zweite Kamera 53 geleitet. Damit können pixelweise durch Quotientenbildung die Absorption und damit die Dopplerfrequenz f_D bestimmt werden.
• Die wesentlichen Merkmale dieses kamerabasierten Verfahrens sind:
• – Die Geschwindigkeitsmessung basiert mittelbar auf der Auswertung der Dopplerfrequenzverschiebung f_D des von den Streuobjekten 2 gestreuten Lichts 8, indem die durch den Dopplereffekt hervorgerufene Frequenzverschiebung f_D in eine Intensitätsänderung ΔI(ΔT) überführt wird.
• – Die Streulichtdetektion erfolgt abbildend mit einer Kamera 4.
• – Es wird die Geschwindigkeitskomponente erfasst, die entlang der Winkelhalbierenden zwischen Einstrahlungsrichtung oder Beobachtungsrichtung liegt. Damit liegt eine 2D1C-Messung vor. Durch eine andere Einstrahlungsrichtungen oder Beobachtungsrichtungen kann die Messung auf 2D3C erweitert werden.
• – Die Unsicherheit der Geschwindigkeit beträgt typischerweise 0,5 m/s bis 4 m/s.
• Des Weiteren sind Verfahren der Laser-Doppler-Anemometre in der Druckschrift Albrecht, Borys, Damaschke, Tropea: Laser-Doppler and Phase-Doppler measurement techniques, Heidelberg, Springer, 2002 beschrieben. Bei einem solchen Laser-Doppler-Anemometer wird, wie in 3 gezeigt ist, ein Laserstrahlbündel mit einem Strahlteiler in zwei kohärente Teilstrahlenbündel 16, 17 aufgespaltet. Die Teilstrahlenbündel 16, 17 werden nach Durchgang durch eine Optik unter einem definierten Winkel zur Überschneidung gebracht. Im Schnittbereich 55 der Teilstrahlenbündel 16, 17 bildet sich ein Interferenzsteifensystem 56 aus, das aus abwechselnden hellen Interferenzstreifen 561 und dunklen Interferenzstreifen 562 besteht, wobei die Ebenen senkrecht zu der von den Teilstrahlenbündeln 16, 17 aufgespannten Ebene und parallel zur optischen Achse verlaufen. Ausgehend von der Schnittdarstellung wird vereinfachend von Interferenzstreifen mit einem charakteristischen Streifenabstand d gesprochen. Bewegt sich nun ein Partikel 2 durch dieses Interferenzstreifensystem 56, so streut es Licht an den Flächen konstruktiver Interferenz. Dadurch ist das ausgesendete Streulicht mit einer bestimmten Frequenz, der Doppler-Frequenz f_D, amplitudenmoduliert. Durch elektrooptische Detektion mit einem Einzelempfänger (nicht eingezeichnet) kann dieses Streulicht registriert und mittels eines Signalverarbeitungsalgorithmus kann die Dopplerfrequenz f_D bestimmt werden. Die Geschwindigkeit wird nach der Gleichung v = f·d (II) berechnet, wobei f_D die gemessene Dopplerfrequenz und d der (in Näherung als konstant betrachtete) Abstand der Interterenzstreifen 562 – 561 – 562 sind. Da der Schnittbereich 55 die Form eines Ellipsoids hat, wird das Ellipsoid als Messvolumen 1 bezeichnet. Da mit dem Laser-Doppler-Anemometer jedoch keine Informationen über die x, y, z-Position des Streuobjektes 2 innerhalb des Messvolumens 1 erhalten werden kann, wird es als quasi-punktförmig (0D) bezeichnet.
• Die wesentlichen Merkmale des Laser-Doppler-Anemometers sind:
• – Die Geschwindigkeitsmessung basiert auf der Auswertung der Dopplerfrequenzverschiebung f_D des von Streuobjekten 2 gestreuten Lichts.
• – Die Streulichtdetektion erfolgt mit einer einzelnen Photodiode. Es wird die Geschwindigkeitskomponente v_x des Streuobjekts erfasst, die senkrecht zur optischen Achse in der von den Teilstrahlenbündeln 16, 17 aufgespannten Schnittebene 55 liegt. Eine Bestimmung der Position der Streuobjekte geschieht nicht (0D, punktförmige Messung), d. h. es liegt eine 0D1C-Messung vor. Durch mehrere Interferenzstreifensysteme kann die Messung auf 0D3C erweitert werden.
• – Die Ortsauflösung dieser quasi-punktförmigen Messung wird durch die Ausdehnung des Interferenzgebietes, d. h. dem Messvolumen 1, bestimmt. Typischerweise beträgt sie 0,1 × 0,1 × 1 mm³.
• – Die Unsicherheit der Geschwindigkeit hängt von der Frequenzschätzung und von der Konstanz oder Variation des Streifenabstandes d ab. Sie beträgt typischerweise 0,5%.
• – Die Messung ist im Allgemeinen auf Einzelobjektstreuung angewiesen, d. h. zu einem bestimmten Zeitpunkt darf nur ein Streuobjekt 2 das Messvolumen 1 durchqueren. Hieraus resultiert im Allgemeinen eine lange Messdauer oder eine geringe Zeitauflösung.
• Es ist weiterhin ein Laser-Doppler-Profilsensor in der Druckschrift Büttner, Bayer, Voigt, Czarske, Müller, Pape, Strunk: Precise Flow Rate Measurements of Natural Gas under High Pressure with a Laser Doppler Velocity Profile Sensor, Exp. In Fluids 45, Number6, S. 1103–1115, 2008 sowie in der Druckschrift König, Voigt, Büttner, Czarske: Precise micro flow rate measurements by a laser Doppler profile sensor with time division multiplexing, Meas. Sci. Technol. 21, paper number 074005 (9 Seiten), 2010 beschrieben.
• Eine gleiche Vorrichtung zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen von beliebig gerichteten Strömungen nach dem Prinzip der Laser-Doppler-Anemometrie ist auch in der Druckschrift DE 10 2005 042 954 B4 beschrieben. In dem in 4a schematisch dargestellten Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor 7 sind jeweils zwei überlagerte, fächerförmige Interferenzstreifensysteme 18, 19, die physikalisch unterscheidbar sind, vorhanden, wobei zwei Sendeoptiken vorgesehen sind, denen jeweils linear beabstandet auf ihrer optischen Achse ein aus den zwei überlagerten Interferenzstreifensystemen 18, 19 bestehendes Messvolumen 1 zugeordnet ist, in dem über eine Empfangsoptik 4 und eine nachgeschaltete Demultiplexingeinheit aus dem Streulicht von Streuobjekten 2 mittels einer Auswerteeinheit zur Signalverarbeitung von Burstsignalpaaren eine Achsenposition und eine positionszugehörige Lateralgeschwindigkeitskomponente des Streuobjekts 2 ermittelbar sind, und wobei die beiden Sendeoptiken bezüglich ihrer optischen Achsen geneigt zueinander angeordnet sind, deren Messvolumen 1 zu einem Schnittmessbereich in einem vorgegebenen xyz-Koordinatensystem überlagert sind,
• – wobei die eine Empfangsoptik 4 im Raum um den Schnittmessbereich angeordnet ist, der die den Sendeoptiken zugeordnete Demultiplexingeinheit nachgeordnet ist, und
• – wobei die Auswerteeinheit mit zwei der Demultiplexingeinheit nachgeordneten Signalverarbeitungseinheiten derart ausgebildet ist, dass sowohl ein zweidimensionaler xy-Ort (x₀, y₀) in der im Schnittmessbereich aufgespannten xy-Ebene als auch alle drei Geschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y, v_Z für die Streuobjekte 2 zu zugehörigen Geschwindigkeitsprofilen bestimmbar sind.
• Das Funktionsprinzip des in 4a dargestellten Laser-Doppler-Profilsensors 7 beruht auf der Erzeugung der zwei in einem gemeinsamen Messvolumen 1 überlagerten Interferenzstreifensysteme 18, 19, von denen mindestens eines fächerförmig ausgebildet ist. Idealerweise sind beide Interferenzstreifensysteme 18, 19 fächerförmig mit in 4ba und 4bb entgegengesetzten Ausrichtungen: Erstens ein in 4ba gezeigtes konvergentes Interferenzstreifensystem 18, bei dem der Interferenzstreifenabstand d₁(z) entlang der z-Achse (optische Achse) kontinuierlich abnimmt, und
  zweitens ein in 4bb divergentes Interferenzstreifensystem 19, bei dem der interferenzstreifenabstand d₂(z) entsprechend kontinuierlich ansteigt. Dabei werden die beiden Interferenzstreifensysteme 18, 19 unterschiedlicher Lichtwellenlängen in dem Messvolumen 1 überlagert. Durch die Messung von resultierenden zwei Doppler-Frequenzen f₁ und f₂ kann sowohl die axiale Position z als auch die Geschwindigkeit (x-Komponente) eines Streuobjektes 2 bestimmt werden.
• Die in 4ba und 4bb dargestellten Interferenzstreifensysteme 18, 19 werden durch jeweils eine Streifenabstandsfunktion d₁(z), d₂(z) beschrieben. Die Konvergenz der Interferenzstreifen oder die Divergenz der Interferenzstreifen wird durch die Ausnutzung der Wellenfrontkrümmung von Laserstrahlenbündeln 16, 17 erreicht. Dazu wird die Strahltaille des Gaußschen Strahls vor das Messvolumen 1 platziert, um ein divergentes Interferenzstreifensystem 19 zu erzeugen. Umgekehrt resultiert aus der Justage der Strahltaille hinter dem Messvolumen 1 ein konvergentes Interferenzstreifensystem 18.
• Die beiden Interferenzstreifensysteme 18, 19 müssen physikalisch unterscheidbar sein, was durch den Einsatz von Multiplexverfahren, z. B. durch unterschiedliche Laserwellenlängen (Wellenlängenmultiplex), Trägerfrequenzen (Frequenzmultiplex) usw. erreicht wird.
• Durchquert das Streuobjekt 2 das Messvolumen 1, so kann das Streulicht 8 von beiden Streifensystemen 18, 19 getrennt und diesen zugeordnet werden, so dass sich die zwei Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ ermitteln lassen. Der Quotient der beiden Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ ergibt sich nach Gleichung

  

  und hängt nicht mehr von der Streuobjektgeschwindigkeit v ab und kann somit, wie in 4c als Kalibrierfunktion q(z) zur Bestimmung der axialen Position z des Streuobjektes 2 innerhalb des Messvolumens 1 verwendet werden. Mit Hilfe der bekannten Durchtrittsposition z des Streuobjektes 2 durch das Messvolumen 1 hindurch können dann die aktuellen Streifenabstände d₁(z) und d₂(z) aus den durch die vorherige Sensorkalibrierung bekannten Streifenabstandsverläufen d = d(z) ermittelt werden. Zusammen mit den beiden Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ ergibt sich dann die Streuobjektgeschwindigkeit v_x nach folgender Gleichung zu v_x(z) = f₁(v_x, z)d₁(z) = f₂(v_x, z)d₂(z) (IV)
• Die 4c fasst das Funktionsprinzip des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors 7 schematisch zusammen und zeigt auf, wie sich aus den gemessenen Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ die laterale in 4c dargestellten Geschwindigkeitskomponente v_x(z) und die axiale Position z bestimmen lassen. Da der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor 7 die Position der Streuobjekte 2 innerhalb des Messvolumens 1 im Kanal 32 auflösen kann und diese statistisch verteilt in der Strömung 43 vorliegen, wird durch eine Ensemblemessung das komplette im Messvolumen 1 vorherrschende Geschwindigkeitsprofil ohne mechanische Traversierung des Sensors erfasst. Die in 4a dargestellte Vermessung einer Kanalströmung 43 mit dem Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor 7 und das in 4d dargestellte gemessene Geschwindigkeitsprofil v_x(z) zeigen dies beispielhaft anhand der Geschwindigkeitsprofilmessung in einer Mikrokanalströmung 43, wie sie auch in der Druckschrift DE 10 2005 042 954 B4 beschrieben ist.
• Die wesentlichen Merkmale des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors 7 sind:
• – Die Geschwindigkeitsmessung basiert auf der Auswertung der Dopplerfrequenzverschiebung f_D des von den Streuobjekten 2 gestreuten Lichts (wie beim konventionellen IDA),
• – Die Streulichtdetektion erfolgt mit einer oder zwei einzelnen Photodioden (je nach Multiplexart, ähnlich wie beim konventionellen LDA),
• – Es wird die Geschwindigkeitskomponente v_x(z) erfasst, die senkrecht zur optischen Achse in der von den Teilstrahlenbündeln 16, 17 aufgespannten Ebene liegt (wie beim konventionellen IDA).
• – Zusätzlich kann die Position z entlang der optischen Achse bestimmt werden. Die Messung ist damit linienförmig (1D1C).
• – Durch eine erweiterte Signalverarbeitung kann zusätzlich die axiale Geschwindigkeitskomponente v_z mit einer Auflösung im Prozentbereich bestimmt werden (1D2C).
• – Durch eine Überlagerung von zwei Profilsensoren und eine erweiterte Signalverarbeitung kann eine dreikomponentige Geschwindigkeitsmessung in einer Fläche von 100 × 100 μm² realisiert werden (2D3C), wie in der Druckschrift Voigt, Bayer, Shirai, Büttner, Czarske: Laser Doppler field sensor for high resolution flow velocity imaging without camera, Appl. Opt. 47(27), S. 5028–5040, 2008 beschrieben ist.
• – Die Ortsauflösung in z-Richtung hängt von der Genauigkeit der Ortsbestimmung und damit wiederum von der Steigung der Kalibrierfunktion q(z) und der Unsicherheit der Frequenzschätzung ab. Sie liegt typischerweise im Mikrometerbereich.
• – Die Unsicherheit der Geschwindigkeit hängt, im Gegensatz zum konventionellen IDA, nur noch von der Frequenzschätzung und nicht mehr von der Konstanz oder Variation des Streifenabstandes d₁(z) und d₂(z) ab. Sie beträgt bis zu 0,01%.
• – Die Messung ist im Allgemeinen auf eine Einzelobjektstreuung angewiesen, d. h. zu einem bestimmten Zeitpunkt darf nur ein Streuobjekt 2 das Messvolumen 1 durchqueren.
• Ein Referenzstrahl-Laser-Doppler-Anemometer ist in der Druckschrift Meier, Rösgen: Heterodyne Doppler Global velocimtry, Exp. Fluids 47, S. 665–672, 2009 beschrieben. In dem als „Heterodyne Doppler Global Velocimetry” genannten Verfahren wird das von einer Strömung entstehende dopplerverschobene Streulicht mit unverschobenem Referenzlicht überlagert und mit einer Kamera detektiert. Das Dopplersignal wird elektronisch mit einem Lock-in-Verfahren heruntergemischt und dann mit einer 144 × 90-Pixel-Kamera detektiert.
• Nachteilig dabei sind eine sich aus dem Demodulationsverfahren ergebende nichtlineare Frequenzmessung, die zu systematischen Messabweichungen führen kann sowie die Notwendigkeit, über mehrere hundert aufgenommene Bilder bezüglich des Signal-Rausch-Verhältnis zu mitteln.
• Ein ähnliches Verfahren ist in der Druckschrift Atlan, Groß: Laser Doppler imaging of microflow, J. Eur. Opt. Soc., Rapid Publications 1, 06025, 2006 beschrieben, in dem eine Kamera mit 1,3 Megapixel und einer Bildrate von lediglich 8 Hz zum Einsatz kommen.
• Das Heruntermischen wird nicht elektronisch, sondern optisch über das mit einem akustooptischen Modulator (AOM) in der Frequenz einstellbare Referenzlicht vorgenommen, so dass mit dem abwärts gemischten Signal ebenfalls das Abtasttheorem erfüllt wird.
• Die Druckschrift EP 1 978 369 betrifft ein theoretisch begründetes Laser-Doppler-Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Lichtintensitätsverteilung zur Visualisierung des Geschwindigkeitsfeldes für jede Koordinatenachse.
• In einer älteren Patentanmeldung DE 10 2009 055 799.7 ist ein Laser-Doppler-Sensor zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen in Strömungsbereichen von Strömungskanälen beschrieben, der einen dem Strömungskanal angepassten integrierten Strömungskanalabschnitt aufweist, wobei der Strömungskanalabschnitt eine den Strömungsbereich umgebende Kanalwand besitzt, durch die Lichtwellen zumindest einer Lichtquelle in den Strömungsbereich zur Beleuchtung von in der Strömung mitgeführten Partikeln geführt sind, und wobei zumindest ein einzelner 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 Strömungsbereich mittels einer dem einzelnen Photodetektor nachgeschalteten Auswerteeinheit erfolgt, wobei Position und Tangentialgeschwindigkeit der Partikel und somit das resultierende Geschwindigkeitsprofil über dem Strömungsbereich nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Profilsensors oder nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Feldsensors bestimmt werden.
• Der Laser-Doppler-Sensor enthält zumindest jeweils zwei an sich gegenüberliegenden Stellen der den Strömungsbereich umgebenden Kanalwand angebrachte Doppelspalte, 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 des Streifenabstandes ausbilden.
• Ein Problem besteht darin, dass auch hier nur eine 2D3C-Messung möglich ist.
• Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass bei flächenhaften Strömungsgeschwindigkeiten die Messgenauigkeit (PIV: Particle Image Velocimetry) unbefriedigend ist oder es werden hohe Genauigkeiten jedoch nur für lokale Größen (IDA: Laser-Doppler-Anemometrie) erzielt, so dass sich Forderungen gleichzeitiger hohen Auflösung beider Parameter mit den bekannten Verfahren diametral gegenüberstehen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur 3D-Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen transparenter fluider Strömungen anzugeben, die derart ausgebildet sind, dass ein einfacher Aufbau sowie eine Strömungsgeschwindigkeitsverteilung über die gesamte Messfläche zur präzisen Durchflussbestimmung erreicht werden können. Außerdem soll die beim bekannten Profilsensor vorhandene geringe Messunsicherheit der Geschwindigkeitsmessung (< 0,05%) mit einer bildgebenden Messung kombiniert werden, um gleichzeitig eine flächenhafte (2D-) oder volumenhafte (3D-)Geschwindigkeitsmessung mit hoher Präzision zu erhalten. Des Weiteren soll der Nachteil großer Ungenauigkeiten im Prozentbereich bisheriger flächenhafter Messungen beseitigt werden.
• Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 17 gelöst. Die Vorrichtung dient zur 3D-Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen transparenter fluider Strömungen, in die seitlich in einen Strömungsbereich einstrahlbare Lichtwellen von mindestens einer Lichtquelle zur Beleuchtung von in der Strömung mitgeführten Partikeln geführt sind, und wobei zumindest eine Detektionseinheit vorhanden ist, die 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 Strömungsbereich mittels einer der Detektionseinheit nachgeschalteten Auswerteeinheit erfolgt, wobei Position und Tangentialgeschwindigkeit der Partikel und somit das resultierende Geschwindigkeitsprofil über dem Strömungsbereich zumindest nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors bestimmt werden,
  wobei der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor in einem Messvolumen des Strömungsbereiches zwei überlagerte, zumindest eines davon fächerförmig aufgeweitete Interferenzstreifensysteme ausbildet, wobei die beiden Interferenzstreifensysteme physikalisch unterscheidbar sind und für jedes der Interferenzstreifensysteme eine Dopplerfrequenz f₁, f₂ aus dem Streulicht mindestens eines der das Messvolumen durchquerenden Streuobjekte bestimmbar ist, wobei
• – die axiale Position z und die Geschwindigkeit v(x, y, z) des Streuobjektes nach dem Prinzip des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors bestimmt werden, indem
• – die axiale Position z des Streulichts aus dem Verhältnis der beiden gemessenen Dopplerfrequenzen f₁, f₂ und einer Kalibrierungsfunktion q(z), die aus dem Quotienten der Streifenabstandsfunktionen d₁(z), d₂(z) gebildet wird, bestimmt wird, sowie
• – die Geschwindigkeit v(x, y, z) des Streuobjektes aus der ermittelten axialen Position z und den Streifenabstandsfunktionen d₁(z), d₂(z) bestimmt wird, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 die eingesetzte Detektionseinheit mehrere Einzelelemente enthält, die mit einer Auswerteinheit in Verbindung stehen, wobei
• – die Bildwiederholrate der Detektionseinheit einschließlich der Signalverarbeitungshardware mindestens so groß ist, dass die beiden Dopplerfrequenzen f₁, f₂ der amplitudenmodulierten Streulichtsignale gemäß dem Nyquist-Shannonschen Abtasttheorem abgetastet werden, und
• – die lateralen x-, y-Positionen des Streuobjektes mittels der aus mehreren Einzelelementen bestehenden Detektoreinheit und in der Auswerteeinheit mittels nachfolgender Bildverarbeitung aus den aufgenommenen Streuobjektbildern bestimmt werden.
• Die Detektionseinheit mit mehreren Einzelelementen kann eine Matrixkamera, eine Zeilenkamera oder ein Photodioden-Array sein, wobei die Einzelelemente einzelne Pixel oder Pixelgruppen darstellen können.
• Die Detektionseinheit kann in die Sendeoptik integriert sein, so dass eine Detektion des Streulichts auch in Rückwärtsrichtung erfolgen kann.
• Für die Durchführung eines Wellenlängenmultiplexverfahrens kann als Detektionseinheit eine Farbkamera eingesetzt und als Lichtquellen können zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen für die Erzeugung der beiden Interferenzstreifensysteme eingesetzt sein.
• Als Laser kann ein Pulslaser eingesetzt sein, der mit faseroptischen Verzögerungsspulen die beiden Interferenzsteifensysteme im Zeitmultiplexverfahren erzeugt.
• Die Vorrichtung kann als ein Kamera-Doppler-Sensor ausgebildet sein und enthalten:
• – den Pulslaser zur Aussendung von mindestens jeweils zwei hintereinander ausgesendeten Lichtpulsen,
• – einen Strahlteiler zur Erzeugung von zwei optischen Pfaden mit jeweils einer Verzögerungsspule, wobei der erste Pfad zur Erzeugung des ersten Interferenzstreifenmusters und der zweite Pfad zur Erzeugung des zweiten Interferenzstreifenmusters, wobei der eine Pfad gegenüber dem anderen Pfad oder umgekehrt eine optische Verzögerungsstrecke aufweist, vorhanden sind,
• – einen Strahlteilerwürfel zur Zusammenführung der beiden optischen Pfade,
• – ein dem Strahlteilerwürfel nachgeordnetes Gitter zur Erzeugung eines ersten Strahlenbündels mit einer +1.(plus erste)-Beugungsordnung und eines zweiten Strahlenbündels mit einer –1.(minus erste)-Beugungsordnung,
• – ein Kepler-Teleskop zur Überschneidung der Strahlenbündel zu sich überlagerten Interferenzstreifensystemen,
• – eine Abbildungsoptik zur Erzeugung von Streuobjektbildern des Streuobjektes,
• – eine Kamera mit zeilenförmig oder matrixförmig angeordneten Pixeln auf der Aufnahmefläche zur Detektion der auf der Aufnahmefläche abgebildeten Streuobjektbilder,
• – eine Auswerteeinheit, die mit der Kamera in Verbindung steht und die Streuobjektbilder auf den Pixeln oder auf den Pixelgruppen auswertet, und
• – eine zur Auswerteeinheit gehörende Steuereinheit, die mit der Kamera und der Lichtquelle in Verbindung steht und die Pulsrate der Lichtquelle der Bildrate der Kamera übereinstimmend zueinander anpasst.
• Eine Matrixkamera kann mit Pixeln versehen sein und als Lichtquelle kann ein Pulslaser für die Durchführung des Zeitmultiplexverfahrens eingesetzt sein.
• Der dem Strahlteiler nachgeordnete erste optische Pfad kann aus einer faseroptischen Verzögerungsspule und einem Einkoppler und einem Auskoppler sowie aus einer ersten zwischen dem Auskoppler und dem Strahlteilerwürfel angeordneten Optik bestehen.
• Der dem Strahlteiler nachgeordnete zweite optische Pfad kann aus einer längeren, eine optische Verzögerungsstrecke gegenüber der faseroptischen Verzögerungsspule aufweisende faseroptische Verzögerungsspule und einem Einkoppler und einem Auskoppler sowie aus einer zweiten zwischen dem Auskoppler und dem Strahlteilerwürfel angeordneten Optik bestehen.
• Nach dem Pulslaser kann ein Lichtmodulator als Pulspicker zur Anpassung der Pulsrate des Pulslasers an die Bildrate der Kamera angeordnet sein.
• Der erste Pfad kann anstelle der nachgeordneten Faseroptik einen ersten Pulspicker in Form eines ersten Pfad-Lichtmodulators und der zweite Pfad kann anstelle der die Verzögerungsstrecke aufweisenden Faseroptik einen zweiten Pulspicker in Form eines zweiten Pfad-Lichtmodulators aufweisen, wobei die Pulspicker mit der Steuereinheit zur gegenseitigen Abstimmung verbunden sind.
• Die beiden Pulspicker können unmittelbar nach dem Strahlteiler installiert und zumindest mittels der Steuereinheit individuell schaltbar sein.
• Die physikalische Unterscheidbarkeit der beiden Interferenzstreifensysteme kann durch Zeitmultiplex, Frequenzmultiplex, Wellenlängenmultiplex oder Polarisationsmultiplex gegeben sein.
• Die Lichtquellen können Dauerstrichlaser für CW-Betrieb, Kurzpulslaser für einen Pulsbetrieb für Zeitmultiplexverfahren oder Mehrlinienlaser für Wellenlängenmultiplexverfahren sein.
• Das Verfahren zur 3D-Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen transparenter fluider Strömungen wird unter Einsatz der vorgenannten Vorrichtung realisiert, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 17
• – zwei Interferenzstreifensysteme, von denen sich mindestens eines fächerförmig aufweitet, in einem gemeinsamen Messvolumen überlagert werden,
• – die beiden Interferenzstreifensysteme physikalisch unterscheidbar sind, so dass für jedes der Interferenzstreifensysteme eine Dopplerfrequenz f₁, f₂ aus dem Streulicht eine Streuobjektes bestimmt wird,
• – das Streulicht von Streuobjekten, die das Messvolumen durchqueren, auf eine Detektionseinheit, die aus mehreren Einzelelementen in Form von Pixeln oder Pixelgruppen besteht, abgebildet wird,
• – die Bildwiederholrate der Detektionseinheit einschließlich der Signalverarbeitungshardware mindestens so groß ist, dass die beiden Dopplerfrequenzen f₁, f₂ der amplitudenmodulierten Streulichtsignale gemäß dem Nyquist-Shannonschen Abtasttheorem abgetastet werden,
• – die axiale Position z und die Geschwindigkeit des Streuobjektes nach dem Prinzip des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors bestimmt werden, indem
• – die axiale Position z des Streulichts aus dem Verhältnis der beiden gemessenen Dopplerfrequenzen f₁, f₂ und einer Kalibrierungsfunktion q(z), die aus dem Quotienten der Streifenabstandsfunktionen d₁(z), d₂(z) gebildet wird, bestimmt wird,
• – die Geschwindigkeit des Streuobjektes aus der ermittelten axialen Position (z) und den Streifenabstandsfunktionen d₁(z), d₂(z) bestimmt wird, und
• – die lateralen x-, y-Positionen des Streuobjektes mittels Bildverarbeitung aus den auf den Einzelelementen der Aufnahmefläche einer Kamera aufgenommenen Streuobjektbildern bestimmt werden.
• Für die physikalische Unterscheidbarkeit können Multiplextechniken eingesetzt werden.
• Für die Durchführung eines Zeitmultiplexverfahrens kann das Strahlenbündel eines Pulslasers mit ausreichend hoher Pulswiederholrate mit einem Strahlteiler in zwei weitgehend gleichintensive Teilstrahlenbündeln aufgespaltet und diese in zwei einmodige Lichtwellenleiter in Form faseroptischer Verzögerungsspulen eingekoppelt werden, wobei eine Verzögerungsspule um ein definiertes Stück länger als die andere Verzögerungsspule ist, wodurch die eine Verzögerungsspule eine optische Verzögerungsstrecke aufweist, wobei der Unterschied der Längen der beiden Verzögerungsspulen so bemessen wird, dass die durch die zusätzliche Spulenlänge bewirkte Zeitverzögerung ungefähr gleich der halben Puls-zu-Puls-Dauer des Lasers derart entspricht, dass aus den Faserenden abwechselnd im ca. gleichen Zeitabstand Laserpulse austreten, wobei jedes Teilstrahlenbündel aus den Verzögerungsspulen im Profilsensor jeweils ein Interferenzstreifensystem erzeugt, wobei dazu die aus den Verzögerungsspulen austretenden Teilstrahlenbündel zunächst mit einer Optik kollimiert und anschließend mit einem Strahlteilerwürfel kollinear überlagert werden, wobei die derart überlagerten Teilstrahlenbündel danach auf ein Transmissions-Beugungsgitter gelenkt werden, welches zur Strahlteilung dient, wobei die +1.(plus erste)-Beugungsordnung und –1.(minus erste)-Beugungsordnung mit einem Kepler-Teleskop parallelisiert und in einem Messvolumen zur Überschneidung gebracht werden und wobei im Überschneidungsbereich der Teilstrahlenbündel sich die überlagerten fächerförmigen Interferenzstreifensysteme bilden.
• Die Ausbildung der Fächerform der Interferenzstreifensysteme kann durch Justage der Kollimationslinsen, die nach den Verzögerungsspulen in den einzelnen Pfaden angeordnet sind, erreicht werden.
• Für die Durchführung des Zeitmultiplexverfahrens aus den Laserpulsen kann abwechselnd das konvergierende Interferenzstreifensystem und das divergierende Interferenzstreifensystem am Ort des Messvolumens erzeugt werden.
• Das Messvolumen kann auf die Strömung in einem Mikrokanal ausgerichtet werden und das Streulicht wird mittels einer Abbildungsoptik auf die Kamera als Streuobjektbild abgebildet.
• Im Falle, dass die Pulsrate des Lasers deutlich größer als die Bildrate der Kamera ist, kann nach dem Laser ein Pulspicker in Form eines akustooptischen Modulators oder eines elektrooptischen Modulators installiert werden, der nur Pulse zu ausgewählten Zeiten durchlässt, wobei für den Betrieb Laser, Kamera, Steuereinheit und Pulspicker aufeinander synchronisiert werden.
• Mittels einer Matrixkamera oder eines flächig angeordneten Photodioden-Arrays können die lateralen x-Koordinate und y-Koordinate von Streuobjekten ermittelt werden, wobei zusammen mit der durch den Geschwindigkeitsprofilsensor bestimmten z-Koordinate daraus eine 3D-Messung mit den Koordinaten x, y, z oder eine 2D-Messung mit den Koordinaten y, z oder x, z resultiert und die Koordinaten x, y der Streuobjekte mit einer Bildverarbeitung aus den aufgenommenen Streuobjektbildern in der Auswerteeinheit extrahiert werden.
• Ein zeitlich äquidistant abgetastetes Burstsignal kann für ein Kamerapixel beim Kamera-Doppler-Feldsensor vorgesehen werden, wobei die Kamera hinreichend schnell ist, um die Dopplerfrequenz f₁, f₂ der modulierten Streulichtsignale des Geschwindigkeitsprofilsensors aufzulösen und nach wie vor das Abtasttheorem nach Shannon und Nyquist erfüllt bleibt, wobei die maximal messbare Geschwindigkeit v_max gemäß dem Abtasttheorem durch die Bildrate f_B der Kamera durch folgenden Zusammenhang gegeben wird: v_max = f_D,max·d = f_B·d/2 (V) mit f_D,max = f_B/2,
  wobei d den maximalen Streifenabstand, der im Messvolumen auftritt, f_D,max die maximal messbare Dopplerfrequenz und f_B die Bildrate der Kamera darstellen und wobei der Faktor ½ aus dem Abtasttheorem nach Shannon und Nyquist resultiert.
• Für deutlich größere Geschwindigkeiten kann die Kamera durch ein schnelles Photodioden-Array ersetzt werden, welches zeitkontinuierliche Signale liefert, wobei bei der Analog/Digitalwandlung beim Übergang in ein Signalverarbeitungssystem der Auswerteeinheit eine zeitliche Diskretisierung stattfindet und die Abtastrate um Größenordnungen höher liegt gemäß der Formel V_max = f_D,max·d = f_A/D·d/2 (VI) mit f_D,max = f_A/D/2,
  wobei die Bildrate f_B der Kamera durch die Abtastrate f_A/D des Analog/Digitalwandlers ersetzt wird.
• Bei Einsatz eines Pulslasers kann die Bildrate der Kamera durch die Pulswiederholrate des Lasers ersetzt werden.
• Mit dem Verfahren kann
• – die Position von Streuobjekten beim Durchtritt durch das Messvolumen in allen drei x, y, z-Raumkoordinaten bestimmt werden,
• – die z-Koordinate, die gleich der optischen Achse ist, durch das Verfahren des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors bestimmt werden,
• – die x-Koordinate und die y-Koordinate eines Streuobjektes aus dem mit der Kamera aufgenommenen Streuobjektbild mittels Bildverarbeitung und Auswertung der Positionen der Streuobjektbilder erhalten werden,
• – die Geschwindigkeitskomponenten v(x, y, z) nach dem Prinzip des Geschwindigkeitsprofilsensors durch eine Auswertung der Dopplerfrequenzen f₁, f₂ bestimmt werden und
• – durch die Aufnahme von Streuobjektbildern für die einzelnen Pixel eine Parallelverarbeitung implementiert werden, so dass gleichzeitig sehr viele Streuobjekte ausgewertet werden, wobei für jedes Pixel zumindest ein separates Streuobjekt ausgewertet wird.
• In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden folgende Schritte durchgeführt:
• – die Bestimmung der Streuobjektposition erfolgt abbildend, wodurch automatisch eine Messung der Geschwindigkeitsverteilung in einer Fläche oder in einem Volumen resultiert,
• – die Dopplersignale des Profilsensors werden direkt mit einer ausreichend schnellen Kamera abgetastet,
• – die Detektion des Streulichts kann in Vorwärtsrichtung oder in Rückwärtsrichtung erfolgen, wobei in Rückwärtsrichtung mit nur einem optischen Zugang zur Strömung alle drei x-, y-, z-Ortskoordinaten für ein ausgewähltes Streuobjekt bestimmt werden und
• – mehrere Streuobjekte können parallel ausgewertet werden.
• Der Auswerteeinheit können inhaltlich zumindest folgende Baugruppen zugeordnet sein:
• – eine Reihe von einzelnen Funktionsteileinheiten pro Pixel oder Pixelgruppe zur Verarbeitung des am Eingang eintreffenden Ausgangssignals der Kamera,
• – eine Fusionseinheit, in der die aus den einzelnen Funktionsteileinheiten gewonnenen Einzeldaten zu einer Fusion geführt werden, aus denen das Geschwindigkeitsprofil v(x, y, z) bestimmt wird,
• – eine Ausgabeeinheit, die das Geschwindigkeitsprofil v(x, y, z) zur Ausgabe bereitstellt, wobei die den einzelnen Pixeln oder den Pixelgruppen zugehörigen Funktionsteileinheiten
• – jeweils eine erste Entscheidungseinheit mit einer zu bestätigenden Eingangsvalidierung enthalten, ob überhaupt ein Ausgangssignal der Kamera bezogen auf das zugehörige Pixel oder die Pixelgruppe anliegt,
• – zwei Funktionsteiluntereinheiten, die jeweils einer Entscheidungseinheit nachgeschaltet sind, wobei in der ersten Funktionsteiluntereinheit über die Dopplerfrequenzbestimmung f₁, f₂ und der Kalibrierfunktion q(z) sowie der Streifenabstände d₁(z), d₂(z) die Berechnung der Geschwindigkeit v(z) und der z-Position (auf der optischen Achse) des Streuobjektes und in der zweiten Funktionsteiluntereinheit über die Bestimmung der Koordinaten des Bildpunktes unter Berücksichtigung der Intensitätsverteilung der benachbarten Pixel die Berechnung der x, y-Position des Streuobjektes durchgeführt werden,
• – eine zweite Entscheidungseinheit, die den beiden Funktionsteiluntereinheiten zur Entscheidung, ob physikalisch zweckmäßige Daten ermittelt worden sind, nachgeordnet ist,
wobei bei einer Bestätigung der Zweckmäßigkeit über die Ausgabeeinheit, die Geschwindigkeit v(x, y, z) und die x, y, z-Position für ein Streuobjekt ausgegeben werden.
• Mit der Erfindung ist eine Erweiterung des IDA-Laser-Doppler-Anemometers, jedoch mit zwei überlagerten Interferenzstreifensystemen vorgesehen. Das vom Streuobjekt ausgesendete Licht wird nicht von einer punktförmigen Einheit (einer Photodiode), sondern von einer schnellen Kamera (Zeilenkamera, Matrixkamera oder Photodioden-Array) detektiert.
• Mit einer Matrixkamera können auch die Streuobjekt-Geschwindigkeiten als Funktion der Koordinaten x und y ermittelt werden, der vorhandene Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor liefert die z-Koordinaten.
• Das Ergebnis ist eine 3D-Messung mit der Geschwindigkeit v = v(x, y, z) für das Streuobjekt, erzielt mit den entsprechenden Bildverarbeitungsschritten aus den Streuobjektbildern. Die Kamera muss der Forderung hoher Bildraten genügen, da gemäß Abtasttheorem die Bildrate die maximal messbare Geschwindigkeit bestimmt.
• Zur Synchronisation von Pulssender (Pulsrate des Lasers) und Pulsempfänger (Bildrate der Kamera) werden „Pulspicker” vorgeschlagen.
• Die Hauptvorteile der Erfindung bestehen des Weiteren in Folgendem:
• – Bestimmung der 3D-Raumkoordinaten von Streuobjekten,
• – Implementierte Parallelverarbeitung mehrerer Pixel der Aufnahmefläche der Kamera,
• – Kombination des Profilsensors mit Kamera-Abtastung.
• Weitere Vorteile der Erfindung sind:
• – Verbesserung der Messunsicherheit < 0,01%,
• – präzise Geschwindigkeitsverteilung in der Fläche oder im Volumen,
• – Abbildung der Streuobjektposition in den drei Koordinaten als Abbild,
• – Ortsauflösung im Mikrometerbereich,
• – Parallelauswertung der Positionierung mehrerer Pixelobjekte im Fluid,
• – hohe Datenrate in der Zeiteinheit durch Pixel-Parallelauswertung,
• – rückwärtiges Detektionssystem mit einer Einheit aus Kamera und Laserquelle,
• – Detektionseinheit als Matrixkamera oder Zeilenkamera.
• Weiterbildungen und weitere Verbesserungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung wird mittels eines Ausführungsbeispiels anhand mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine Prinzipskizze der Partikel-Bildgebungs-Geschwindigkeitsmessung (Particle Image Velocimetry) nach dem Stand der Technik,
• 2 eine Prinzipskizze der Doppler-Global-Velozimetrie nach dem Stand der Technik, wobei 2a eine zugehörige Transmissions-Frequenz-Kennlinie zeigt,
• 3 eine Prinzipskizze der Laser-Doppler-Anemometrie nach dem Stand der Technik,
• 4a einen Laser-Doppler-Profilsensor in Form eines Feldsensors aus DE 10 2005 042 954 nach dem Stand der Technik, mit einer Vermessung eines Geschwindigkeitsprofils einer Kanalströmung, wobei
• 4ba ein konvergentes Interferenzstreifensystem und
• 4bb ein divergentes Interferenzstreifensystem,
• 4c ein Funktionsschema des bekannten Laser-Doppler-Profilsensors für die gleichzeitige Bestimmung der Geschwindigkeit v_x und der Position z mittels der gemessenen Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ mit einer Kalibrierungsfunktion q(z) und Abstandskurven d(z) in Abhängigkeit von der axialen Position z und
• 4d ein gemessenes Geschwindigkeitsprofil v_x(z) in einem 100 μm breiten Mikrokanal (Rohdaten) aus dem der Durchfluss von 6 μl/mit einer Unsicherheit von 245 nl/s zeigen,
• 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Pulslaser als Lichtquelle für den mittels Zeitmultiplex realisierten Profilsensor,
• 6 eine schematische Teil-Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein paralleles Interferenzstreifensystem dargestellt ist und in der durch eine schnelle Abtastung des Streulichts mit einer Kamera (Zeilenkamera) das Dopplersignal ortsaufgelöst vermessen wird,
• 7a Ausgangssignale der Kamera als Schnappschüsse zu bestimmten Zeitpunkten, wobei die einzelnen Einzelelemente nur als zeitdiskrete Signale vorliegen, wobei ein Burstsignal eines kontinuierlich arbeitenden Photodetektors bei konventionellen Laser-Doppler-Anemometern nach dem Stand der Technik zeigen,
• 7b Ausgangssignale der Kamera als Schnappschüsse zu bestimmten Zeitpunkten, wobei die einzelnen Einzelelemente nur als zeitdiskrete Signale vorliegen, ein zeitlich äquidistant abgetastetes Burstsignal für ein Kamerapixel bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen, und
• 8 einen schematischen Überblick über die Bildverarbeitung und Auswertung der Ausgangssignale einer Kamera in einer Auswerteeinheit.
• In 5 ist in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung 30 zur 3D-Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen transparenter fluider Strömungen 43 in einem Kanal 32 angegeben, in den seitlich in den Strömungsbereich 33 einstrahlbare Lichtwellen 16, 17 einer Lichtquelle 5 zur Beleuchtung von in der Strömung 43 mitgeführten Partikeln 2 geführt sind, und wobei zumindest eine Detektionseinheit 4 vorhanden ist, die das von den strömenden Partikeln 2 gestreute Licht 8 registriert, wobei eine Auswertung der registrierten Streulichtsignale der in der Strömung 43 mitgeführten Partikel 2 zur Ermittlung des Geschwindigkeitsprofils über dem Strömungsbereich 33 mittels einer der Detektionseinheit 4 nachgeschalteten Auswerteeinheit 34 erfolgt, wobei Position und Tangentialgeschwindigkeit der Partikel 2 und somit das resultierende Geschwindigkeitsprofil über dem Strömungsbereich 33 zumindest nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors 7 bestimmt werden,
  wobei der Laser-Doppler-Sensor 7 in einem Messvolumen 1 des Kanals 32 zwei überlagerte, fächerförmig aufgeweitete Interferenzstreifensysteme 18, 19 ausbildet, wobei die beiden Interferenzstreifensysteme 18, 19 physikalisch unterscheidbar sind und für jedes der Interferenzstreifensysteme 18, 19 eine Dopplerfrequenz f₁, f₂ aus dem Streulicht 8 mindestens eines der das Messvolumen 1 durchquerenden Streuobjekte 2 bestimmbar ist.
• Erfindungsgemäß enthält die eingesetzte Detektionseinheit 4 mehrere Einzelelemente, stellvertretend für alle Einzelelemente nur 401, 410, 414, die mit der Auswerteinheit 34 in Verbindung stehen,
  wobei die Auswerteeinheit 34 derart ausgebildet ist, dass
• – die Bildwiederholrate der Detektionseinheit 4 bezogen auf die aufgenommenen Streuobjektbilder 29, 31 einschließlich der Signalverarbeitungshardware mindestens so groß ist, dass die beiden Dopplerfrequenzen f₁, f₂ der amplitudenmodulierten Streulichtsignale gemäß dem Nyquist-Shannonschen Abtasttheorem abgetastet werden,
• – die axiale Position z und die Geschwindigkeit des Streuobjektes 2 nach dem Prinzip des bekannten Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors 7 bestimmt werden, indem
• – die axiale Position z des Streulichts 8 aus dem Verhältnis der beiden gemessenen Dopplerfrequenzen f₁, f₂ und einer Kalibrierungsfunktion q(z), die aus dem Quotienten der Streifenabstandsfunktionen d₁(z), d₂(z) gebildet wird, bestimmt wird,
• – die Geschwindigkeit v des Streuobjektes 2 aus der ermittelten axialen Position z und den Streifenabstandsfunktionen d₁(z), d₂(z) bestimmt wird, und
• – die lateralen Positionen x, y des Streuobjektes 2 mittels der aus mehreren Einzelelementen 401, 410, 414 bestehenden Detektoreinheit 4 und mittels nachfolgender Bildverarbeitung aus den aufgenommenen Streuobjektbildern 29, 31 in der Auswerteeinheit 32 bestimmt werden.
• Die Detektionseinheit 4 mit den mehreren Einzelelementen 401, 410, 414 kann eine Matrixkamera, eine Zeilenkamera oder ein Photodioden-Array sein. Dabei können die Einzelelemente 401, 410, 414 einzelne Pixel, aber auch Gruppen von auswertebezogenen zusammengefassten Pixeln darstellen.
• Der Laser 5 kann ein Pulslaser sein, der mittels faseroptischen Verzögerungsspulen die beiden Interferenzsteifensysteme 18, 19 im Zeitmultiplex erzeugt.
• Die Detektionseinheit 4 kann in die Sendeoptik integriert sein, so dass eine Detektion des Streulichts in Rückwärtsrichtung erfolgt und nur ein optischer Zugang zur Strömung benötigt wird.
• Als Detektionseinheit 4 kann eine Farbkamera und als Laser 5 für den Geschwindigkeitsprofilsensor zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen für die Erzeugung der beiden Interferenzstreifensysteme (Wellenlängenmultiplex) 18, 19 eingesetzt sein.
• Das Photodioden-Array kann fasergekoppelt sein.
• In 5 enthält die als Kamera-Doppler-Sensor ausgebildete Vorrichtung 30
• – einen Pulslaser 5 zur Aussendung von mindestens jeweils zwei hintereinander ausgesendeten Lichtpulsen,
• – einen Strahlteiler 11 zur Erzeugung von zwei optischen Pfaden 27 und 28, wobei der erste Pfad 27 zur Erzeugung des ersten Interferenzstreifenmusters 18 und der zweite Pfad 28 zur Erzeugung des zweiten Interferenzstreifenmusters 19 dient, wobei der eine Pfad 28 gegenüber dem anderen Pfad 27 oder umgekehrt eine optische Verzögerung aufweist,
• – einen Strahlteilerwürfel 22 zur Zusammenführung der beiden optischen Pfade 27, 28,
• – ein dem Strahlteilerwürfel 22 nachgeordnetes Gitter 23 zur Erzeugung von Strahlenbündeln 16, 17 mit +1.(plus erste)-Beugungsordnung 25 und –1.(minus erste)-Beugungsordnung 26,
• – ein Kepler-Teleskop 24 zur Überschneidung der Strahlenbündel 16, 17 zu sich überlagerten Interferenzstreifensystemen 18, 19,
• – eine Abbildungsoptik 3 zur Erzeugung von Streuobjektbildern 29, 31 des Streuobjektes 2,
• – eine Kamera 4 mit zeilenförmig oder matrixförmig angeordneten Einzelelementen (Pixeln oder Pixelgruppen) auf der Aufnahmefläche zur Detektion der Streuobjektbilder 29, 31,
• – eine Auswerteeinheit 34, die mit der Kamera 4 in Verbindung steht und die Streuobjektbilder 29, 31 auf den Einzelelementen 401, 410, 414 auswertet,
• – eine zur Auswerteeinheit 34 gehörende Steuereinheit 35, die mit der Kamera 4 und dem Pulslaser 5 in Verbindung steht und die Pulsrate des Pulslasers 5 der Bildrate der Kamera 4 übereinstimmend zueinander anpasst.
• im Folgenden wird mittels der 5 eine Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 als Kamera-Doppler-Sensor beschrieben, bei der eine Matrixkamera 5, ein Pulslaser 5 und für die Funktionsweise das Zeitmultiplexverfahren eingesetzt sind.
• Die Funktionsweise des Kamera-Doppler-Sensors 30 wird anhand der 5 erläutert:
  Das Strahlenbündel 10 des Pulslasers 5 mit ausreichend hoher Pulswiederholrate wird mit dem Strahlteiler 11 in zwei weitgehend gleichintensive Teilstrahlenbündeln aufgespaltet und diese in zwei einmodige Lichtwellenleiter (Glasfasern) 12, 13 eingekoppelt. Die Faser 13 ist um ein definiertes Stück länger als die andere Faser 12, wodurch die Faser 13 als eine optische Verzögerungsleitung wirkt. Der Unterschied der Längen ΔI der beiden Fasern 12, 13 ist so bemessen, dass die durch die zusätzliche Faserlänge ΔI bewirkte Zeitverzögerung ungefähr gleich der halben Puls-zu-Puls-Dauer (das Reziproke der Pulswiederholrate) des Lasers 5 entspricht. Damit ist bewirkt, dass aus den Faserenden 14, 15 abwechselnd im ca. gleichen Zeitabstand Laserpulse austreten (Zeitmultiplex). Jedes Teilstrahlenbündel 16, 17 aus den Fasern 12, 13 erzeugt nun im Profilsensor 7 genau ein Interferenzstreifensystem 18, 19. Dazu werden die aus den Fasern 12, 13 austretenden Teilstrahlenbündel 16, 17 zunächst mit einer Optik 20, 21 kollimiert und anschließend z. B. mit dem Strahlteilerwürfel 22 kollinear überlagert. Die derart überlagerten Teilstrahlenbündel 16, 17 werden nun auf das Transmissions-Beugungsgitter 23 gelenkt, welches zur Strahlteilung dient. Die +1.(plus erste)-Beugungsordnung 25 und –1.(minus erste)-Beugungsordnung 26 werden mit dem Kepler-Teleskop 24 parallelisiert und zur Überschneidung gebracht, während andere Beugungsordnungen ausgeblendet werden. In dem Überschneidungsbereich im Messvolumen 1 der Teilstrahlenbündel 16, 17 bilden sich die überlagerten Interferenzstreifensysteme 18, 19. Die Ausbildung der Fächerform der Interferenzstreifensysteme 18, 19 wird durch individuelles Justieren der Strahlbündeltaillen, z. B. durch Justage der Kollimationslinsen 20, 21 hinter den Fasern 12, 13, in den einzelnen Pfaden 27, 28 erreicht.
• Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 werden aus den Laserpulsen abwechselnd das konvergierende Interferenzstreifensystem 18, wie ein 4ba gezeigt, und das divergierende Interferenzstreifensystem 19, wie in 4bb gezeigt, am selben Ort, dem Messvolumen 1, erzeugt (Zeitmultiplex).
• Das Messvolumen 1 wird auf das zu untersuchende Objekt, z. B. einen Strömungsbereich 33 in einem Mikrokanal 32, ausgerichtet und das Streulicht 8 eines Streuobjekts 2 wird mittels einer Abbildungsoptik 3 auf die Kamera 4 als Streuobjektbilder 29, 31 abgebildet.
• Die Kamera 4 kann in den Aufbau des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors 7 eingebracht sein, so dass eine Detektion der Streuobjektbilder 29, 31 in Rückwärtsrichtung durchführbar ist, was den Vorteil nur eines optischen Zugangs auf das Experiment bietet. Aus Gründen der Übersicht ist die Kamera 4 in 5 in Vorwärtsrichtung angeordnet.
• Der dem Strahlteiler 11 nachgeordnete erste optische Pfad 27 kann aus einer Faserleitung 14 und einem Einkoppler und einem Auskoppler sowie einer ersten zwischen dem Auskoppler und dem Strahlteilerwürfel 22 angeordneten Optik 20 bestehen.
• Der dem Strahlteiler 11 nachgeordnete zweite optische Pfad 28 kann aus einer längeren, eine optische Verzögerungsstrecke ΔI gegenüber der Faserleitung 14 aufweisenden Faserleitung 15 und einem Einkoppler und einem Auskoppler sowie einer zweiten zwischen dem Auskoppler und dem Strahlteilerwürfel 22 angeordneten Optik 21 bestehen.
• Hinter dem Laser 5 kann ein Lichtmodulator 6 als Pulspicker zur Anpassung der Pulsrate des Lasers 5 an die Bildrate der Kamera 4 angeordnet sein.
• Ist die Pulsrate des Lasers 5 deutlich größer als die Bildrate der Kamera 4, so kann hinter dem Laser 5 ein solcher Pulspicker in Form eines akustooptischen Modulators 6 oder eines elektrooptischen Modulators installiert werden, der nur Pulse zu ausgewählten Zeiten durchlässt („Runtertaktung”). Es ist zweckmäßig, für den Betrieb Laser 5, Kamera 4, Steuereinheit 35 und Pulspicker 6 aufeinander zu synchronisieren.
• Der erste Pfad 27 kann anstelle der nachgeordneten Faseroptik 12 einen ersten Pulspicker in Form eines Lichtmodulators und der zweite Pfad 28 anstelle der die Verzögerungsleitung aufweisenden Faseroptik 13 einen zweiten Pulspicker auch in Form eines Lichtmodulators aufweisen, wobei die Pulspicker mit der Steuereinheit 35 verbunden sein können.
• Die beiden Pulspicker können unmittelbar hinter dem Strahlteiler 11 installiert sein und zumindest mittels der Steuereinheit 35 individuell geschaltet werden.
• Dadurch kann auf die optische Verzögerungsstrecke verzichtet werden und es wird eine größere Flexibilität bezüglich der Kamera 4 und der Wahl des Lasers 5 erhalten.
• Der der Vorrichtung 30 zugrunde liegende Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor 7 ist eine Erweiterung konventioneller Laser-Doppler-Anemometer, wobei jedoch zwei überlagerte Interferenzstreifensysteme zum Einsatz kommen, von denen mindestens eines fächerförmig ist. Idealerweise sind beide fächerförmig, aber in ihrer Ausrichtung entgegengesetzt. Durch eine Auswertung des Streulichts beider Interferenzstreifensysteme kann neben der lateralen Geschwindigkeitskomponente v_x nun auch die axiale Koordinate z des Streuobjektes 2 ausgewertet werden. Dieses kann, wie bereits gezeigt wurde, mit einer Ortsauflösung im Submikrometerbereich geschehen.
• Dabei wird das von Streuobjekten 2 in dem Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor 7 gestreute, mit der Dopplerfrequenz amplitudenmodulierte Licht nicht wie bisher mit einer punktförmig arbeitenden Detektionseinheit 4, sondern nun mit einer schnellen Kamera detektiert, wie in 5 gezeigt ist. Die für den Geschwindigkeitsprofilsensor 7 bestehende Forderung nach einer physikalischen Trennbarkeit der Interferenzstreifensysteme 18, 19 mittels einer Multiplextechnik existiert auch hier. Als Detektionseinheit 4 können alle aus mehreren Einzelelementen – Pixeln – zusammengesetzten Detektoren, z. B. Matrixkameras, Zeilenkameras oder Photodioden-Arrays eingesetzt sein.
• In 6 ist eine schematische Teil-Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 als Kamera-Doppler-Feldsensor (aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur ein paralleles Interferenzstreifensystem angegeben) dargestellt. Durch die schnelle Abtastung des Streulichts 8 mit der Kamera 4 (hier am Beispiel einer Zeilenkamera 4 mit den Einzelelementen 401, 410, 414) wird das Dopplersignal ortsaufgelöst vermessen.
• Mit einer Matrixkamera 4 oder einem flächig angeordneten Photodioden-Array 4 können dann auch die lateralen Koordinaten x und y von Streuobjekten 2 ermittelt werden (mit einer Zeilenkamera oder einem linearen Photodioden-Array entsprechend nur eine Koordinate x oder y). Zusammen mit der durch den Geschwindigkeitsprofilsensor 7 bestimmten z-Koordinate resultiert daraus eine 3D-Messung mit den Koordinaten x, y, z oder eine 2D-Messung mit den Koordinaten y, z oder x, z. Die Koordinaten x, y der Streuobjekte 2 werden mit entsprechenden Bildverarbeitungsalgorithmen aus den aufgenommenen Streuobjektbildern 29, 31 in der Auswerteeinheit 34 extrahiert.
• Eingesetzte Kameras 4 liefern prinzipbedingt keine kontinuierlichen Ausgangssignale, sondern Schnappschüsse zu bestimmten Zeitpunkten. Damit liegen auch für die einzelnen Pixel nur zeitdiskrete Signale vor, wie in 7a als Stand der Technik gezeigt ist.
• In 7a ist das Burstsignal eines kontinuierlich arbeitenden Photodetektors als ein Einzelelement bei konventionellen Laser-Doppler-Anemometern und in 7b ein zeitlich äquidistant abgetastetes Burstsignal für ein Kamerapixel beim erfindungsgemäßen Kamera-Doppler-Feldsensor 30 dargestellt.
• Bei dieser Vorrichtung 30 soll die Kamera 4 hinreichend schnell sein, um die Dopplerfrequenz f₁, f₂ der modulierten Streulichtsignale des Geschwindigkeitsprofilsensors 7 aufzulösen, d. h. da nach wie vor das Abtasttheorem nach Shannon und Nyquist erfüllt bleibt. Die maximal messbare Geschwindigkeit ist gemäß dem Abtasttheorem durch die Bildrate der Kamera 4 durch folgenden Zusammenhang gegeben: V_max = f_D,max·d = f_B·d/2 (V) mit f_D,max = f_B/2.
• Dabei kennzeichnen d den maximalen Streifenabstand, der im Messvolumen 1 auftritt, f_D,max die maximal messbare Dopplerfrequenz und f_B die Bildrate der Kamera 4. Der Faktor ½ resultiert aus dem Abtasttheorem nach Shannon und Nyquist. Mit einer Bildrate von derzeit aktuellen Kameras 4 von einem MHz und einem mittleren Streifenabstand von d = 5 μm ergibt sich dann eine maximal messbare Geschwindigkeit von 2,5 m/s. Damit kann der Kamera-Doppler-Sensor 30 bereits für eine Vielzahl von Anwendungen in der Mikrofluidik und auch der Makrofluidik eingesetzt werden.
• Für deutlich größere Geschwindigkeiten kann die Kamera 4 durch ein schnelles Photodioden-Array ersetzt werden, welches zeitkontinuierliche Signale liefert. Zwar findet auch hier bei der Analog/Digitalwandlung beim Übergang in ein Signalverarbeitungssystem der Auswerteeinheit 34 eine zeitliche Diskretisierung statt, jedoch liegt hier die Abtastrate um Größenordnungen höher. In diesem Fall ist in obiger Formel die Bildrate der Kamera 4 durch die Abtastrate des Analog/Digitalwandlers zu ersetzen. Wird als Laser 5 im Geschwindigkeitsprofilsensor 7 ein Pulslaser verwendet, so ist in diesem Fall in obiger Formel die Bildrate der Kamera 4 durch die Pulswiederholrate des Lasers 5 zu ersetzen.
• Die vorliegende Erfindung stellt eine Erweiterung des Profilsensors 7 dahingehend dar, als dass für die Detektion des Streulichts 8 keine Einzelpunktdetektionseinheit, sondern eine Mehrpunktdetektionseinheit, z. B. eine Kamera, verwendet wird. Dabei sollen die Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ des Geschwindigkeitsprofilsensors 7 erstmals direkt mit einer ausreichend schnellen Kamera 4 abgetastet werden.
• Durch die Kombination des dopplerbasierten Verfahrens mit einer das Streulicht 8 detektierenden Kamera 4 zur Bildgebung wird die hochauflösende flächenhafte oder volumenhafte Geschwindigkeitsmessung ermöglicht.
• Zielstellung ist die Messung der Geschwindigkeitsverteilung im 3-dimensionalen Raumbereich in der Strömungsmesstechnik.
• Das Ergebnis ist die Erfassung mehrkomponentiger Geschwindigkeitsverteilungen im Volumen mit geringer Messunsicherheit, wie bei der präzisen Durchflussmessung in Rohren. Das gewünschte Messergebnis ist die Geschwindigkeitsverteilung über einen Rohrquerschnitt. Das Integral über die Gesamt-Querschnittsfläche des Rohres liefert dann den Durchfluss. Herkömmliche optische Verfahren erfüllen nicht gleichzeitig beide Forderungen durch die Messung der Parameter für nur ein einzelnes Partikel in der Fläche.
• In 8 ist ein schematischer Überblick über die Bildverarbeitung und Auswertung der Ausgangssignale einer Kamera 4 in der Auswerteeinheit 34 dargestellt. In der Auswerteeinheit 34 wird das am Eingang 36 eintreffende Ausgangssignal der Kamera 4 in einzelnen Funktionsteileinheiten 361, 362, 36N pro Pixel oder pro Pixelgruppe verarbeitet. Die daraus gewonnenen Einzeldaten werden in einer Fusionseinheit 37 zu einer Fusion geführt. Daraus wird das Geschwindigkeitsprofil v(x, y, z) bestimmt, das über eine Ausgabeeinheit 38 zur Information ausgegeben werden kann.
• Die Funktionsteileinheiten 361, 362, 36N enthalten jeweils eine erste Entscheidungseinheit 39 mit einer zu bestätigenden Eingangsvalidierung, ob überhaupt ein Ausgangssignal der Kamera 4 bezogen auf das zugehörige Pixel oder auf eine Pixelgruppe anliegt.
• Jeweils einer Entscheidungseinheit 39 der Funktionsteileinheiten 361, 362, 36N nachgeschaltet sind zwei zugeordnete Funktionsteiluntereinheiten 47, 48, wobei in der ersten Funktionsteiluntereinheit 47 über die Dopplerfrequenzbestimmung f₁, f₂ und der Kalibrierfunktion q(z) sowie der Streifenabstände d₁(z), d₂(z) die Berechnung der Geschwindigkeit v(z) und der z-Position (auf der optischen Achse) des Streuobjektes 2 und in der zweiten Funktionsteiluntereinheit 48 über die Bestimmung der Koordinaten des Bildpunktes unter Berücksichtigung der Intensitätsverteilung der benachbarten Pixel die Berechnung der x, y-Position des Streuobjektes 2 durchgeführt werden.
• Den beiden Funktionsteiluntereinheiten 47, 48 ist eine zweite Entscheidungseinheit 49 zur Entscheidung, ob physikalisch zweckmäßige Daten ermittelt worden sind, nachgeordnet, wobei bei einer Bestätigung der Zweckmäßigkeit über die Ausgabeeinheit 38, wie oben beschrieben, die Geschwindigkeit v(x, y, z) und die x, y, z-Position für ein Streuobjekt 2 ausgegeben werden.
• Die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind deshalb:
• – die Position von Streuobjekten 2 beim Durchtritt durch das Messvolumen 1 kann in allen drei x, y, z-Raumkoordinaten (3D-Messung) bestimmt werden,
• – die z-Koordinate (die mit der optischen Achse 9 übereinstimmt) wird durch das Verfahren des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors 7 bestimmt (d. h. durch eine Auswertung zweier Dopplerfrequenzen f₁, f₂, die durch zwei überlagerte, entgegengesetzt fächerförmige Streifensysteme 18, 19 entstehend). Typische Ortsauflösungen liegen im Mikrometerbereich.
• – Die x- und die y-Koordinate (laterale Koordinaten) eines Streuobjektes 2 werden aus dem mit der Kamera 4 aufgenommenen Streuobjektbild 29, 31 mittels Bildverarbeitung und Auswertung der Positionen der Streuobjektbilder 29, 31 erhalten.
• – Die Geschwindigkeitskomponente v_x wird nach dem Prinzip des Geschwindigkeitsprofilsensors 7 bestimmt (d. h. durch eine Auswertung der Dopplerfrequenzen). Hier sind Unsicherheiten bis zu 0,01% möglich.
• – Durch die Aufnahme von Streuobjektbildern 29, 31 kann für die einzelnen Pixel eine Parallelverarbeitung implementiert werden, so dass gleichzeitig sehr viele Streuobjekte 2 ausgewertet werden können. Die Forderung nach Einzelobjektstreuung, wie sie beim konventionellen IDA und beim Profilssensor besteht, ist hier aufgehoben. Theoretisch kann für jedes Pixel ein separates Streuobjekt 2 ausgewertet werden.
• Das erfindungsgemäße Messverfahren weist damit folgende Merkmale auf, die – in dieser Kombination – bei den herkömmlichen Strömungsmesstechnikverfahren fehlen:
• – Die Bestimmung der Streuobjektposition erfolgt abbildend, wodurch automatisch eine Messung der Geschwindigkeitsverteilung in einer Fläche oder in einem Volumen resultiert. Im Gegensatz zur z. B. PIV geschieht allerdings die Geschwindigkeitsbestimmung über den optischen Dopplereffekt, was mit einer deutlich geringeren Unsicherheit verbunden ist.
• – Die Dopplersignale des Profilsensors 7 werden erstmals direkt mit einer ausreichend schnellen Kamera 4 abgetastet.
• – Die Detektion des Streulichts 8 kann in Rückwärtsrichtung erfolgen, wozu die Kamera 4 in die Sendeoptik des Sensors 7 integriert wird. Damit können mit nur einem optischen Zugang zur Strömung alle drei Ortskoordinaten (x, y, z) für ein ausgewähltes Streuobjekt 2 bestimmt werden. Die meisten anderen optischen Verfahren benötigen dazu mindestens zwei Einstrahlrichtungen oder Beobachtungsrichtungen.
• – Die Forderung nach Einzelobjektstreuung wie beim konventionellen IDA besteht hier nicht mehr, so dass parallel mehrere Streuobjekte 2 ausgewertet werden können. Damit kann eine signifikant höhere Datenrate erzielt werden.
• Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 ist einfach zu realisieren und bietet aufgrund der fortschreitenden Entwicklung der Kameratechnik ein hohes Potential.
• Die Anwendungen sind daher keinesfalls auf die Mikrofluidik beschränkt: Mit steigender Bildrate und damit immer größerer messbare Geschwindigkeit wird auch die Zahl der möglichen Anwendungen zunehmen, bis schließlich auch die Vielzahl der Anwendungen in der Makrofluidik erfasst werden können. Generell gilt dabei: Je höher die Bildrate der Kamera 4, umso mehr Anwendungsgebiete lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 abdecken.
• Die Anwendungen können sich sowohl auf Innenströmungen bei
• – Massen- und Wärmestrommessungen, auch freien Düsenströmungen,
• – Mischungsprozessen in der Gefäßdiagnostik in der Medizin,
• – Triebwerkseinläufen,
• – Rohrströmungen,
• – Partikelanalysen als auch auf die Motorenentwicklung mit
• – Abgasdiagnosen,
• – Katalysatorausströmungen und
• – Turboladerströmungen.
• Bezugszeichenliste

1

Messvolumen

2

Streuobjekt – lichtstreuendes Partikel in einer Strömung

3

Optik

4

Detektionseinheit

401

Einzelelement/Pixel oder Pixelgruppe

410

Einzelelement/Pixel oder Pixelgruppe

414

Einzelelement/Pixel oder Pixelgruppe

5

Laser

6

Lichtmodulator

7

Geschwindigkeitsprofilsensor

8

Streulicht

9

optische Achse

10

einfallendes Strahlenbündel

11

Strahlteiler

12

erster Lichtwellenleiter

13

zweiter Lichtwellenleiter

14

Faserende

15

Faserende

16

Strahlenbündel

17

Strahlenbündel

18

erstes Interferenzstreifensystem

19

zweites Interferenzstreifensystem

20

erste Optik

21

zweite Optik

22

Strahlteilerwürfel

23

Beugungsgitter

24

Kepler-Teleskop

25

+1.-Beugungsordnung

26

–1.-Beugungsordnung

27

erster Pfad

28

zweiter Pfad

29

erstes Streuobjektbild

30

erfindungsgemäße Vorrichtung

31

zweites Streuobjektbild

32

Kanal

33

Strömungsbereich

34

Auswerteeinheit

35

Steuereinheit

36

Eingang

361

erste Funktionsteileinheit

362

zweite Funktionsteileinheit

36N

N-te Funktionsteileinheit

37

Fusionseinheit

38

Ausgabeeinheit

39

erste Entscheidungseinheit

40

erste Vorrichtung nach Stand der Technik

41

Zylinderlinse

42

Lichtschnitt

43

Strömung

44

erster Laserpuls

45

zweiter Laserpuls

46

Korrelationsfunktion

47

erste Funktionsteiluntereinheit

48

zweite Funktionsteiluntereinheit

49

zweite Entscheidungseinheit

50

zweite Vorrichtung nach Stand der Technik

51

Absorptionszelle

52

Transmissions-Frequenz-Kennlinie

53

zweite Kamera

54

Teil des Streulichts

55

Schnittbereich

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102005042954 B4 [0011, 0016]
• EP 1978369 [0022]
• DE 102009055799 [0023]
• DE 102005042954 [0068]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Fundamentals of digital particle image velocimetry, Meas. Sci. Technol. 6. S. 1379–1392, 1997 (Particle Image Velocimetry) [0003]
• Raffel, Willert, Wereley, Kompenhans: Particle Image Velocimetry. A Practical Guide, Springer, Berlin, 2007 (Particle Tracking Velocimetry) [0003]
• Albrecht, Borys, Damaschke, Tropea: Laser-Doppler and Phase-Doppler measurement techniques, Heidelberg, Springer, 2002 [0008]
• Büttner, Bayer, Voigt, Czarske, Müller, Pape, Strunk: Precise Flow Rate Measurements of Natural Gas under High Pressure with a Laser Doppler Velocity Profile Sensor, Exp. In Fluids 45, Number6, S. 1103–1115, 2008 [0010]
• König, Voigt, Büttner, Czarske: Precise micro flow rate measurements by a laser Doppler profile sensor with time division multiplexing, Meas. Sci. Technol. 21, paper number 074005 (9 Seiten), 2010 [0010]
• Voigt, Bayer, Shirai, Büttner, Czarske: Laser Doppler field sensor for high resolution flow velocity imaging without camera, Appl. Opt. 47(27), S. 5028–5040, 2008 [0017]
• Meier, Rösgen: Heterodyne Doppler Global velocimtry, Exp. Fluids 47, S. 665–672, 2009 [0018]
• Atlan, Groß: Laser Doppler imaging of microflow, J. Eur. Opt. Soc., Rapid Publications 1, 06025, 2006 [0020]

Claims (30)

1. Vorrichtung (30) zur 3D-Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen transparenter fluider Strömungen (43), in die seitlich in einen Strömungsbereich (33) einstrahlbare Lichtwellen (16, 17) mindestens einer Lichtquelle (5) zur Beleuchtung von in der Strömung (43) mitgeführten Partikeln (2) geführt sind, und wobei zumindest eine Detektionseinheit (4) vorhanden ist, die das von den strömenden Partikeln (2) gestreute Licht (8) registriert, wobei eine Auswertung der registrierten Streulichtsignale der in der Strömung (43) mitgeführten Partikel (2) zur Ermittlung des Geschwindigkeitsprofils über dem Strömungsbereich (33) mittels einer der Detektionseinheit (4) nachgeschalteten Auswerteeinheit (34) erfolgt, wobei Position und Tangentialgeschwindigkeit der Partikel (2) und somit das resultierende Geschwindigkeitsprofil über dem Strömungsbereich (33) zumindest nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors (7) bestimmt werden, wobei der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor (7) in einem Messvolumen (1) des Strömungsbereiches (33) zwei überlagerte, zumindest eines davon fächerförmig aufgeweitete Interferenzstreifensysteme (18, 19) ausbildet, wobei die beiden Interferenzstreifensysteme (18, 19) physikalisch unterscheidbar sind und für jedes der Interferenzstreifensysteme (18, 19) eine Dopplerfrequenz (f₁, f₂) aus dem Streulicht (8) mindestens eines der das Messvolumen (1) durchquerenden Streuobjekte (2) bestimmbar ist, wobei – die axiale Position (z) und die Geschwindigkeit (v) des Streuobjektes (2) nach dem Prinzip des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors (7) bestimmt werden, indem – die axiale Position (z) des Streulichts (8) aus dem Verhältnis der beiden gemessenen Dopplerfrequenzen (f₁, f₂) und einer Kalibrierungsfunktion (q(z)), die aus dem Quotienten der Streifenabstandsfunktionen (d₁(z), d₂(z)) gebildet wird, bestimmt wird, sowie o die Geschwindigkeit (v) des Streuobjektes (2) aus der ermittelten axialen Position (z) und den Streifenabstandsfunktionen (d₁(z), d₂(z)) bestimmt wird, und dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte Detektionseinheit (4) mehrere Einzelelemente (401, 410, 414) enthält, die mit einer Auswerteinheit (34) in Verbindung stehen, wobei – die Bildwiederholrate der Detektionseinheit (4) einschließlich der Signalverarbeitungshardware mindestens so groß ist, dass die beiden Dopplerfrequenzen (f₁, f₂) der amplitudenmodulierten Streulichtsignale gemäß dem Nyquist-Shannonschen Abtasttheorem abgetastet werden, und – die lateralen Positionen (x, y) des Streuobjektes (2) mittels der aus mehreren Einzelelementen (401, 410, 414) bestehenden Detektoreinheit (4) und in der Auswerteeinheit (32) mittels nachfolgender Bildverarbeitung aus den aufgenommenen Streuobjektbildern (29, 31) bestimmt werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (4) mit mehreren Einzelelementen (401, 410, 414) eine Matrixkamera, eine Zeilenkamera oder ein Photodioden-Array ist, wobei die Einzelelemente einzelne Pixel oder Gruppen von zusammengefassten Pixeln sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Photodioden-Array fasergekoppelt ist.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (4) in die Sendeoptik integriert ist, so dass eine Detektion des Streulichts (8) in Rückwärtsrichtung erfolgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Durchführung eines Wellenlängenmultiplexverfahrens als Detektionseinheit (4) eine Farbkamera eingesetzt ist und als Lichtquellen zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen für die Erzeugung der beiden Interferenzstreifensysteme (18, 19) eingesetzt sind.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Laser (5) ein Pulslaser eingesetzt ist, der mit faseroptischen Verzögerungsspulen (12, 13) die beiden Interferenzsteifensysteme (18, 19) im Zeitmultiplexverfahren erzeugt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie als ein Kamera-Doppler-Sensor (30) ausgebildet ist und enthält – den Pulslaser (5) zur Aussendung von mindestens jeweils zwei hintereinander ausgesendeten Lichtpulsen, – einen Strahlteiler (11) zur Erzeugung von zwei optischen Pfaden (27, 28) mit jeweils einer Verzögerungsspule, wobei der erste Pfad (27) zur Erzeugung des ersten Interferenzstreifenmusters (18) und der zweite Pfad (28) zur Erzeugung des zweiten Interferenzstreifenmusters (19) dient, wobei der eine Pfad (28) gegenüber dem anderen Pfad (27) oder umgekehrt eine optische Verzögerungsstrecke aufweist, – einen Strahlteilerwürfel (22) zur Zusammenführung der beiden optischen Pfade (27, 28), – ein dem Strahlteilerwürfel (22) nachgeordnetes Gitter (23) zur Erzeugung eines ersten Strahlenbündels (16) mit einer +1.-Beugungsordnung (25) und eines zweiten Strahlenbündels (17) mit einer –1.-Beugungsordnung (26), – ein Kepler-Teleskop (24) zur Überschneidung der Strahlenbündel (16, 17) zu sich überlagerten Interferenzstreifensystemen (18, 19), – eine Abbildungsoptik (3) zur Erzeugung von Streuobjektbildern (29, 31) des Streuobjektes (2), – eine Kamera (4) mit zeilenförmig oder matrixförmig angeordneten Einzelelementen auf der Aufnahmefläche zur Detektion der auf der Aufnahmefläche abgebildeten Streuobjektbilder (29, 31), o eine Auswerteeinheit (34), die mit der Kamera (4) in Verbindung steht und die Streuobjektbilder (29, 31) auf den Einzelelementen (401, 410, 414) auswertet, und – eine zur Auswerteeinheit (34) gehörende Steuereinheit (35), die mit der Kamera (4) und der Lichtquelle (5) in Verbindung steht und die Pulsrate der Lichtquelle (5) der Bildrate der Kamera (4) übereinstimmend zueinander anpasst.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Matrixkamera (5) mit Pixeln versehen ist und als Lichtquelle (5) ein Pulslaser für die Durchführung des Zeitmultiplexverfahrens eingesetzt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Strahlteiler (11) nachgeordnete erste optische Pfad (27) aus einer faseroptischen Verzögerungsspule (14) und einem Einkoppler und einem Auskoppler sowie aus einer ersten zwischen dem Auskoppler und dem Strahlteilerwürfel (22) angeordneten Optik (20) besteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Strahlteiler (11) nachgeordnete zweite optische Pfad (28) aus einer längeren, eine optische Verzögerungsstrecke gegenüber der faseroptischen Verzögerungsspule (14) aufweisende faseroptische Verzögerungsspule (15) und einem Einkoppler und einem Auskoppler sowie aus einer zweiten zwischen dem Auskoppler und dem Strahlteilerwürfel (22) angeordneten Optik (21) besteht.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Pulslaser (5) ein Lichtmodulator (6) als Pulspicker zur Anpassung der Pulsrate des Pulslasers (5) an die Bildrate der Kamera (4) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Pfad (27) anstelle der nachgeordneten Faseroptik einen ersten Pulspicker in Form eines ersten Pfad-Lichtmodulators und der zweite Pfad (28) anstelle der die Verzögerungsstrecke aufweisenden Faseroptik einen zweiten Pulspicker in Form eines zweiten Pfad-Lichtmodulators aufweist, wobei die Pulspicker mit der Steuereinheit (35) zur gegenseitigen Pulspicker-Abstimmung verbunden sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Pulspicker unmittelbar nach dem Strahlteiler (11) installiert und zumindest mittels der Steuereinheit (35) individuell schaltbar sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Unterscheidbarkeit der beiden Interferenzstreifensysteme (18, 19) durch Zeitmultiplex, Frequenzmultiplex, Wellenlängenmultiplex oder Polarisationsmultiplex gegeben ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (5) Dauerstrichlaser für CW-Betrieb, Kurzpulslaser für einen Pulsbetrieb für Zeitmultiplexverfahren oder Mehrlinienlaser für Wellenlängenmultiplexverfahren sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (34) zumindest folgende Baugruppen enthält: – eine Reihe von einzelnen Funktionsteileinheiten (361, 362, 36N) pro Pixel oder Pixelgruppe zur Verarbeitung des am Eingang (36) eintreffenden Ausgangssignals der Kamera (4), – eine Fusionseinheit (37), in der die aus den einzelnen Funktionsteileinheiten. (361, 362, 36N) gewonnenen Einzeldaten zu einer Fusion geführt werden, aus denen das Geschwindigkeitsprofil (v(x, y, z)) bestimmt wird, – eine Ausgabeeinheit (38), die das Geschwindigkeitsprofil (v(x, y, z)) zur Ausgabe bereitstellt, wobei die den einzelnen Pixeln oder den Pixelgruppen zugehörigen Funktionsteileinheiten (361, 362, 36N) – jeweils eine erste Entscheidungseinheit (39) mit einer zu bestätigenden Eingangsvalidierung enthalten, ob überhaupt ein Ausgangssignal der Kamera (4) bezogen auf das zugehörige Pixel oder die Pixelgruppe anliegt, – zwei Funktionsteiluntereinheiten (47, 48), die jeweils einer Entscheidungseinheit (39) nachgeschaltet sind, wobei in der ersten Funktionsteiluntereinheit (47) über die Dopplerfrequenzbestimmung (f₁, f₂) und der Kalibrierfunktion (q(z)) sowie der Streifenabstände (d₁(z), d₂(z)) die Berechnung der Geschwindigkeit (v(z)) und der z-Position auf der optischen Achse des Streuobjektes (2) und in der zweiten Funktionsteiluntereinheit (48) über die Bestimmung der Koordinaten des Bildpunktes unter Berücksichtigung der Intensitätsverteilung der benachbarten Pixel die Berechnung der x, y-Position des Streuobjektes (2) durchgeführt werden, – eine zweite Entscheidungseinheit (49), die den beiden Funktionsteiluntereinheiten (47, 48) zur Entscheidung, ob physikalisch zweckmäßige Daten ermittelt worden sind, nachgeordnet ist, wobei bei einer Bestätigung der Zweckmäßigkeit über die Ausgabeeinheit (38), die Geschwindigkeit (v(x, y, z)) und die x, y, z-Position für ein Streuobjekt (2) ausgegeben werden.
17. Verfahren zur 3D-Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen transparenter fluider Strömungen (43), in die seitlich in einen Strömungsbereich (33) einstrahlbare Lichtwellen (16, 17) mindestens einer Lichtquelle (5) zur Beleuchtung von in der Strömung (43) mitgeführten Partikeln (2) geführt werden, und wobei zumindest eine Detektionseinheit (4) vorhanden ist, die das von den strömenden Partikeln (2) gestreute Licht (8) registriert, wobei eine Auswertung der registrierten Streulichtsignale der in der Strömung (43) mitgeführten Partikel (2) zur Ermittlung des Geschwindigkeitsprofils über dem Strömungsbereich (33) mittels einer der Detektionseinheit (4) nachgeschalteten Auswerteeinheit (34) erfolgt, wobei Position und Tangentialgeschwindigkeit der Partikel (2) und somit das resultierende Geschwindigkeitsprofil über dem Strömungsbereich (33) zumindest nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors (7) bestimmt werden, wobei der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor (7) in einem Messvolumen (1) des Strömungsbereiches (33) zwei überlagerte, zumindest eines davon fächerförmig aufgeweitete Interferenzstreifensysteme (18, 19) ausbildet, wobei die beiden Interferenzstreifensysteme (18, 19) physikalisch unterscheidbar sind und für jedes der Interferenzstreifensysteme (18, 19) eine Dopplerfrequenz (f₁, f₂) aus dem Streulicht (8) mindestens eines der das Messvolumen (1) durchquerenden Streuobjekte (2) bestimmt wird, wobei – die axiale Position (z) und die Geschwindigkeit (v) des Streuobjektes (2) nach dem Prinzip des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors (7) bestimmt werden, indem – die axiale Position (z) des Streulichts (8) aus dem Verhältnis der beiden gemessenen Dopplerfrequenzen (f₁, f₂) und einer Kalibrierungsfunktion q(z), die aus dem Quotienten der Streifenabstandsfunktionen (d₁(z), d₂(z)) gebildet wird, bestimmt wird, sowie – die Geschwindigkeit (v) des Streuobjektes (2) aus der ermittelten axialen Position (z) und den Streifenabstandsfunktionen (d₁(z), d₂(z)) bestimmt wird, unter Einsatz einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass – zwei Interferenzstreifensysteme (18, 19), von denen sich mindestens eines fächerförmig aufweitet, in einem gemeinsamen Messvolumen (1) überlagert werden, – die beiden Interferenzstreifensysteme (18, 19) physikalisch unterscheidbar sind, so dass für jedes der Interferenzstreifensysteme (18, 19) eine Dopplerfrequenz (f₁, f₂) aus dem Streulicht eine Streuobjektes (2) bestimmt wird, – das Streulicht von Streuobjekten (2), die das Messvolumen (1) durchqueren, auf eine Detektionseinheit (4), die aus mehreren Einzelelementen besteht, abgebildet wird, – die Bildwiederholrate der Detektionseinheit (4) einschließlich der Signalverarbeitungshardware mindestens so groß ist, dass die beiden Dopplerfrequenzen (f₁, f₂) der amplitudenmodulierten Streulichtsignale gemäß dem Nyquist-Shannonschen Abtasttheorem abgetastet werden, und – die lateralen Positionen (x, y) des Streuobjektes (2) mittels Bildverarbeitung aus den auf den Einzelelementen der Aufnahmefläche einer Detektionseinheit (4) aufgenommenen Streuobjektbildern (29, 31) bestimmt werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass für die physikalische Unterscheidbarkeit Multiplextechniken eingesetzt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass für die Durchführung eines Zeitmultiplexverfahrens das Strahlenbündel (10) eines Pulslasers (5) mit ausreichend hoher Pulswiederholrate mit einem Strahlteiler (11) in zwei weitgehend gleichintensive Teilstrahlenbündeln aufgespaltet und diese in zwei einmodige Lichtwellenleiter in Form faseroptischer Verzögerungsspulen (12, 13) eingekoppelt wird, wobei eine Verzögerungsspule (13) um ein definiertes Stück länger als die andere Verzögerungsspule (12) ist, wodurch die eine Verzögerungsspule (13) eine optische Verzögerungsstrecke aufweist, wobei der Unterschied der Längen der beiden Verzögerungsspulen (12, 13) so bemessen wird, dass die durch die zusätzliche Spurenlänge bewirkte Zeitverzögerung ungefähr gleich der halben Puls-zu-Puls-Dauer des Lasers (5) derart entspricht, dass aus den Faserenden (14, 15) abwechselnd im ca. gleichen Zeitabstand Laserpulse austreten, wobei jedes Teilstrahlenbündel (16, 17) aus den Verzögerungsspulen (12, 13) im Profilsensor (7) jeweils ein Interferenzstreifensystem (18, 19) erzeugt, wobei dazu die aus den Verzögerungsspulen (12, 13) austretenden Teilstrahlenbündel (16, 17) zunächst mit einer Optik (20, 21) kollimiert und anschließend mit einem Strahlteilerwürfel (22) kollinear überlagert werden, wobei die derart überlagerten Teilstrahlenbündel (16, 17) danach auf ein Transmissions-Beugungsgitter (23) gelenkt werden, welches zur Strahlteilung dient, wobei die +1.(plus erste)-Beugungsordnung (25) und –1.(minus erste)-Beugungsordnung (26) mit einem Kepler-Teleskop (24) parallelisiert und in einem Messvolumen (1) des Strömungsbereiches (33) des Kanals (32) zur Überschneidung gebracht werden und wobei im Überschneidungsbereich der Teilstrahlenbündel (16, 17) sich die überlagerten fächerförmigen Interferenzstreifensysteme (18, 19) bilden.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung der Fächerform der Interferenzstreifensysteme (18, 19) durch Justage der Kollimationslinsen (20, 21), die nach den Verzögerungsspulen (12, 13) in den einzelnen Pfaden (27, 28) angeordnet sind, erreicht wird.
21. Verfahren nach den Ansprüchen 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass für die Durchführung des Zeitmultiplexverfahrens aus den Laserpulsen abwechselnd das konvergierende Interferenzstreifensystem (18) und das divergierende Interferenzstreifensystem (19) am Ort des Messvolumens (1) erzeugt werden.
22. Verfahren nach den Ansprüchen 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Messvolumen (1) auf die Strömung (43) in einem Mikrokanal (32) ausgerichtet wird und das Streulicht (8) mittels einer Abbildungsoptik (3) auf die Kamera (4) als Streuobjektbild (29, 31) abgebildet wird.
23. Verfahren nach den Ansprüchen 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle, dass die Pulsrate des Lasers (5) deutlich größer als die Bildrate der Kamera (4) ist, nach dem Laser (5) ein Pulspicker in Form eines akustooptischen Modulators (6) oder eines elektrooptischen Modulators installiert wird, der nur Pulse zu ausgewählten Zeiten durchlässt, wobei für den Betrieb Laser (5), Kamera (4), Steuereinheit (35) und Pulspicker (6) aufeinander synchronisiert werden.
24. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Matrixkamera oder einem flächig angeordneten Photodioden-Array die lateralen x-Koordinate und y-Koordinate von Streuobjekten (2) ermittelt werden, wobei zusammen mit der durch den Geschwindigkeitsprofilsensor (7) bestimmten z-Koordinate daraus eine 3D-Messung mit den Koordinaten x, y, z oder eine 2D-Messung mit den Koordinaten y, z oder x, z resultiert und die Koordinaten x, y der Streuobjekte (2) mit einer Bildverarbeitung aus den aufgenommenen Streuobjektbildern (29, 31) in der Auswerteeinheit (34) extrahiert werden.
25. Verfahren nach den Ansprüchen 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlich äquidistant abgetastetes Burstsignal für ein Kamerapixel beim Kamera-Doppler-Feldsensor (10) vorgesehen ist, wobei die Kamera (4) hinreichend schnell ist, um die Dopplerfrequenz (f₁, f₂) der modulierten Streulichtsignale des Geschwindigkeitsprofilsensors (7) aufzulösen, wobei das Abtasttheorem nach Shannon und Nyquist erfüllt bleibt.
26. Verfahren nach den Ansprüchen 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass für deutlich größere Geschwindigkeiten die Kamera (4) durch ein schnelles Photodioden-Array ersetzt wird, welches zeitkontinuierliche Signale liefert, wobei bei der Analog/Digitalwandlung beim Übergang in ein Signalverarbeitungssystem der Auswerteeinheit (34) eine zeitliche Diskretisierung stattfindet.
27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz eines Pulslasers (5) die Bildrate der Kamera (4) durch die Pulswiederholrate des Lasers (5) ersetzt wird.
28. Verfahren nach den Ansprüchen 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass – die Position von Streuobjekten (2) beim Durchtritt durch das Messvolumen (1) in allen drei x, y, z-Raumkoordinaten bestimmt wird, – die z-Koordinate, die gleich der optischen Achse (9) ist, durch das Verfahren des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors (7) bestimmt wird, – die x-Koordinate und die y-Koordinate eines Streuobjektes (2) aus dem mit der Kamera (4) aufgenommenen Streuobjektbild (29, 31) mittels Bildverarbeitung und Auswertung der Positionen der Streuobjektbilder (29, 31) erhalten werden, – die Geschwindigkeitskomponenten (v(x, y, z)) nach dem Prinzip des Geschwindigkeitsprofilsensors (7) durch eine Auswertung der Dopplerfrequenzen (f₁, f₂) bestimmt werden, – durch die Aufnahme von Streuobjektbildern (29, 31) für die einzelnen Einzelelemente eine Parallelverarbeitung implementiert werden, so dass gleichzeitig sehr viele Streuobjekte (2) ausgewertet werden, wobei für jedes Einzelelement zumindest ein separates Streuobjekt (2) ausgewertet wird.
29. Verfahren nach den Ansprüchen 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass – die Bestimmung der Streuobjektposition abbildend erfolgt, wodurch automatisch eine Messung der Geschwindigkeitsverteilung in einer Fläche oder in einem Volumen resultiert, – die Dopplersignale des Profilsensors (7) direkt mit einer ausreichend schnellen Kamera (4) abgetastet werden, – die Detektion des Streulichts (8) in Vorwärtsrichtung oder in Rückwärtsrichtung erfolgt, – wobei in Rückwärtsrichtung mit nur einem optischen Zugang zur Strömung alle drei Ortskoordinaten (x, y, z) für ein ausgewähltes Streuobjekt (2) bestimmt werden und – mehrere Streuobjekte (2) parallel ausgewertet werden.
30. Verfahren nach den Ansprüchen 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelemente der Detektionseinheit (4) einzelne Pixel oder zeilenförmig zusammengefasste Pixel in Form von Pixelgruppen sind.

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