DE102011009675B4

DE102011009675B4 - Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeiten in Strömungen und Phasen-Frequenz-Gechwindigkeits-Feldsensor

Info

Publication number: DE102011009675B4
Application number: DE201110009675
Authority: DE
Inventors: Jörg König; Jürgen Czarske; Lars Büttner
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2031-01-25
Also published as: WO2012100763A1; DE102011009675A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeiten in Strömungen (33) nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors mit zumindest zwei zugeordneten Basis-Interferenzstreifensystemen (IS1, IS2), • die in einem gemeinsamen Messvolumen (1) überlagert werden, wobei • die Basis-Interferenzstreifensysteme (IS1, IS2) physikalisch unterscheidbar sind, • das Streulicht (8) der Streuobjekte (34), die das Messvolumen (1) durchqueren, auf eine Detektionseinheit (6) abgebildet wird, • wobei aus den Basis-Interferenzstreifensystemen (IS1, IS2), von denen mindestens ein Basis-Interferenzstreifensystem (IS1; IS2) fächerförmig ausgebildet ist, die axiale Position (z) des Streuobjektes (34) aus dem Verhältnis f1/f2 der gemessenen Dopplerfrequenzen (f1, f2) und einer Kalibrierfunktion (q(z), die aus dem Quotienten der Streifenabstandsfunktionen (d2(z)/d1(z)) gebildet wird, bestimmt wird, wobei • die Geschwindigkeit (vx) des Streuobjektes (34) aus den für die ermittelte axiale Position (z) gültigen Streifenabständen (d2(z), d1(z)) sowie den gemessenen Dopplerfrequenzen (f1, f2) durch eine zeitaufgelöste Bestimmung der Dopplerfrequenz in einer Auswerteeinheit (36) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass • mindestens ein Kipp-Interferenzstreifensystem (IS3) ausgebildet wird, das mit den Basis-Interferenzstreifensystemen (IS1, IS2) in dem gemeinsamen Messvolumen (1) überlagert wird, wobei • das Kipp-Interferenzstreifensystem (IS3) zu einem der Basis-Interferenzstreifensysteme (IS1, IS2) axial um einen Kippwinkel (α) verkippt ist und die beide den gleichen Streifenabstandsverlauf (d1(z), d3(z); d2(z), d3(z)) aufweisen, und • das Kipp-Interferenzstreifensystem (IS3) von den Basis-Interferenzstreifensystemen (IS1, IS2) physikalisch unterscheidbar ist ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeiten in Strömungen und einen Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensor.
In der Strömungsmesstechnik existiert eine Vielzahl an optischen Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung. Diese lassen sich grob in zwei prinzipiell unterschiedliche Verfahren unterteilen:

• Nach dem optischen Doppler-Effekt, wobei die Verfahren auf das von einem Streuobjekt dopplerverschobene Streulicht basieren, und
• Kamerabasierte Verfahren, welche im Allgemeinen eine Weg-Zeit-Messung durchführen.

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.
Kamerabasierte Verfahren, z. B. die PIV (Particle Image Velocimetry), ermöglichen bereits aus ihrem Prinzip heraus eine flächenhafte (2D) Messung der Geschwindigkeitsverteilung in Strömungen und sind in den Druckschriften J. Westerweel: Fundamentals of digital particle Image velocimetry, Meas. Sci. Technol. 8, 1997, S. 1379–1392 und M. Raffel, C. Willert, S. Wereley, J Kompenhans: Particle Image Velocimetry: A Practical Guide, Springer, Berlin 2007 beschrieben. Die Geschwindigkeitsunsicherheit liegt jedoch typischerweise im Prozentbereich. Des Weiteren ist die Messunsicherheit durch die in der Strömung auftretenden Geschwindigkeiten bestimmt.
Insbesondere für Strömungen mit starken Geschwindigkeitsgradienten, wie sie z. B. in der Mikrofluidik oder in Scherschichtströmungen zu erwarten sind, steigt die relative Geschwindigkeitsunsicherheit in Richtung kleinerer Geschwindigkeiten stark an, wie in der Druckschrift H. Li, M. G. Olsen: MicroPIV measurements of turbulent flow in square microchannels with hydraulic diameters from 200 μm to 640 μm, Heat and Fluid Flow 27, 2006, S. 123–134 beschrieben ist.
Demgegenüber stehen die dopplerbasierten Verfahren, wie z. B. die Laser Doppler Anemometrie (LDA), die in der Druckschrift H. Albrecht, M. Borys, N. Damaschke, C. Tropea: Laser-Doppler and phase-Doppler measurement techniques, Heidelberg: Springer, 2002 beschrieben ist mit einer im Promillebereich zu erwartenden Messunsicherheit der Geschwindigkeit. Diese Verfahren messen jedoch die Strömungsgeschwindigkeiten nur lokal, d. h. in einem Punkt (0D).
Generell wird von Anwendern eine bildgebende Messung der Geschwindigkeitsverteilung mit geringen Messunsicherheiten gewünscht. Eine Anwendung ist z. B. die Messung der Geschwindigkeitsverteilung in mikrofluidischen Geräten, bspw. zur Prozessüberwachung. Hierzu ist es notwendig die Geschwindigkeitsverteilungen mit großen Gradienten der Geschwindigkeit, hochauflösend (< 1 μm) mit möglichst geringen Geschwindigkeitsunsicherheiten bei begrenzter optischer Zugänglichkeit (i. A. ein seitlicher optischer Zugang) zu bestimmen. Diese Forderungen werden von den derzeit bestehenden Verfahren nur unzureichend erfüllt.
Für Messungen der Geschwindigkeitsverteilungen wurden Vertreter der beiden oben genannten Verfahren bereits angewendet. Für kamerabasierte Verfahren sind vor allem die Vertreter PIV und μPIV (Micro Particle Image Velocimetry) zu nennen. Ihre typischen Messeigenschaften sind in der Tabelle 1 aufgelistet.
Beide Messsysteme bieten eine flächenhafte Messung (2D) der Geschwindigkeitsverteilung in Strömungen, wobei jedoch beide Systeme unterschiedliche Anforderungen an die jeweilige Anwendung stellen. Im Gegensatz zur PIV bietet die μPIV eine bildgebende Messung der Geschwindigkeitsverteilung bei begrenzter optischer Zugänglichkeit (d. h. nur ein optischer Zugang wird gefordert).
Aus diesem Grund sowie aufgrund der höheren örtlichen Auflösung stellt die μPIV für das oben genannte Beispiel für mikrofluidische Anwendungen das am überwiegend eingesetzte Messsystem dar. Eine Zusammenfassung über den Einsatz der μPIV in einer Vielzahl von Anwendungen der Mikrofluidik ist in der Druckschrift R. Lindken, M. Rossi, S. Große, J. Westerweel: Micro particle image velocimetry (μPIV): recent developments, applications, and guideline, Lab Chip 9, 2009, S. 2551–2567 beschrieben. Die Abstände der erfassten Geschwindigkeitsvektoren, die letztendlich die örtliche Auflösung der Geschwindigkeitsverteilung vorgeben, skalieren dabei mit der in den jeweiligen Anwendungen auftretenden maximalen Geschwindigkeit. Generell gilt für (μ)PIV, je schneller die Strömung, desto geringere örtliche Auflösungen können erreicht werden (siehe hierzu Stand der Technik). Unabhängig von der örtlichen Auflösung besitzen jedoch alle Messungen eine relative Geschwindigkeitsunsicherheit im Prozentbereich, wobei vor allem die Unsicherheit in wandnahen Regionen deutlich zunimmt, wie in der Druckschrift H. Li, M. G. Olsen: MicroPIV measurements of turbulent flow in square microchannels with hydraulic diameters from 200 μm to 640 μm, Heat and Fluid Flow 27, 2006, S. 123–134 beschrieben ist.

Den kamarabasierten Verfahren stehen die dopplerbasierten Verfahren mit einer deutlich geringeren Geschwindigkeitsunsicherheit gegenüber. Einige Vertreter (sowie auch die Erfindung) sind in der Tabelle 1 mit prinzipiellen Messeigenschaften gegenübergestellt. Tabelle 1: Übersicht zu typischen Messeigenschaften optischer Messtechniken

	Unsicherheit	Auflösung	Dimensionen	Komponenten	Optische Zugänge
Kamerabasierte Verfahren
PIV	3%	(50 ... 500) μm	2	2	2
μPIV	3%	(1 ... 20) μm	2	2	1
Dopplerbasierte Verfahren
konv. LDA	0,5%	100 μm ... 1 mm	0	1	1
Profilsensor	< 0,1%	< 1 μm	1	1(2)	1
Feldsensor	< 0,1%	< 1 μm	2	1(3)	2
Erfindung	< 0,1%	< 1 μm	2	1(3)	1

In den Druckschriften A. K. Tieu, M. R. Mackenzie, E. B. Li: Measurements in microscopic flow with a solid-state LDA, Exp. in Fluids 19, 1995, S. 293–294 und Y. L. Lo, C. H. Chuang: Fluid Velocity Measurements in a Microchannel Performed with Two New Optical Heterodyne Microscopes, Appl. Opt. 41, 2002, S. 6666–6675 ist die Anwendung der konventionellen LDA in mikroskopischen Strömungen dargestellt. Da die konventionelle LDA nur eine 0D Messung der Geschwindigkeit ermöglicht, musste die Messung der Geschwindigkeitsverteilung durch eine zeitintensive mechanische Traversierung realisiert werden. Dies setzt jedoch ein stationäres Verhalten der Strömung voraus. Aufgrund von Grenzflächenübergängen zwischen Luft, Glaskapillare und Fluid benötigen Messungen der Geschwindigkeitsverteilung mit einem konventionellen LDA (und mechanische Traversierung) zudem eine aufwendige Korrektur der Messposition, wie in der Druckschrift Y. L. Lo, C. H. Chuang: Fluid Velocity Measurements in a Microchannel Performed with Two New Optical Heterodyne Microscopes, Appl. Opt. 41, 2002, S. 6666–6675 beschrieben ist, um Abweichungen der gewählten Messposition zu verringern. Des Weiteren wird die räumliche Auflösung beim konventionellen LDA durch die Größe des Messvolumens bestimmt. Typische Messvolumina von 100 μm bis 1 mm bieten hierbei nur eine unzureichende örtliche Auflösung in mikrofluidischen Anwendungen.
Mit einer Ausführung des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor (kurz: Profilsensor), welcher eine Weiterentwicklung der konventionellen LDA darstellt, lassen sich nicht nur punktförmig (0D), sondern entlang einer Linie (1D) die Geschwindigkeitsverteilungen bestimmen, was in der Druckschrift J. Czarske, L. Büttner, T. Razik, H. Müller: Boundary layer velocity measurements by a laser Doppler profile sensor with mircometre spatial resolution, Meas. Sci. Technol. 13, 2002, S. 1979–1989 beschrieben ist.
Im Gegensatz zur konventionellen LDA ist mit dieser Ausführung die axiale Ortsauflösung nicht durch die Größe des Messvolumens bestimmt. Die deutlichen Verbesserungen zur Ortsausflösung (< 1 μm) und Messunsicherheit der Geschwindigkeit (ca. 0,1%) konnten bereits in realen Strömungen nachgewiesen werden, wie in den Druckschriften J. König, A. Voigt, L. Büttner, J. Czarske: Precise micro flow rate measurements by a laser Doppler velocity profile sensor with time division multiplexing, Meas. Sci. Technol. 21, 2010, 074005, 9 Seiten und L. Büttner, C. Bayer, A. Voigt, J. Czarske, H. Müller, N. Pape, V. Strunk: Precise Flow Rate Measurements of Natural Gas under high Pressure with a laser Doppler Velocity Profile Sensor, Exp. in Fluids 45, 2008, S. 1103–1115 beschrieben ist.
Mit dem Laser-Doppler-Geschwindigkeitsfeldsensor (kurz: Feldsensor) erreicht man eine bildgebende Messung der Geschwindigkeitsverteilung (2D). Er entsteht durch Kombination zweier Profilsensoren unter einem festen Winkel, wie in der Druckschrift A. Voigt, C. Bayer, K. Shirai, L. Büttner, J. Czarske: Laser Doppler field sensor for high resolution flow velocity imaging without camera, Appl. Opt. 47(27), 2008, S. 5028–5040 beschrieben ist.
Sind z. B. beide Profilsensoren orthogonal zueinander ausgerichtet, so bestimmt jeder Profilsensor eine Ortskoordinate. Aus der Rekonstruktion beider Geschwindigkeitsprofile ergibt sich dann ohne den Einsatz einer Kamera ein Bild der Geschwindigkeitsverteilung innerhalb des Überlagerungsbereiches der Messvolumina beider Sensoren.
Ein Problem bei dieser Ausführung ist, dass zwei Sensoren (Sendeeinheiten) zueinander möglichst exakt ausgerichtet sein müssen. Dies erweist sich vor allem bei Grenzflächenübergängen in mikrofluidischen Anwendungen als schwierig und führt zu einer zusätzlichen Positionsunsicherheit, da die Lage der Messvolumina beider Profilsensor zueinander durch Brechungseffekte beeinflusst werden kann. Des Weiteren benötigt das Sensorkonzept eine ausreichende optische Zugänglichkeit für beide Sensoren (von zwei Seiten). Dies ist bei einer Vielzahl von Anwendungen nicht gewährleistet.
Prinzipiell kann ein kleinerer Winkel (< 90°) zur Ausrichtung der beiden Sensoren gewählt werden. Dies führt aber zu einer entsprechend geringeren Sensitivität der Positionsbestimmung und somit zu einer erhöhten Positionsunsicherheit.
Folgende Messverfahren sind bekannt:
1. Particle Image Velocimetry (PIV) und Particle Tracking Velocimetry (PTV)
Das bekannte Messverfahren: Particle Image Velocimetry – PIV –, in 1 gezeigt, erlaubt, basierend auf einer Weg-Zeit-Messung, die Bestimmung von Geschwindigkeitsvektorfeldern (2D), die in den Druckschriften J. Westerweel: Fundamentals of digital particle image velocimetry, Meas. Sci. Technol. 8, 1997, S. 1379–1392 und M. Raffel, C. Willert, S. Wereley, J. Kompenhans: Particle Image Velocimetry: A Practical Guide, Springer, Berlin 2007 beschrieben sind.
Hierzu wird das Licht aus einem Pulslaser zu einem Lichtschnitt geformt und auf die zu messende Strömung gerichtet. Der Laser emittiert zu zwei festgelegten Zeitpunkten (t₁ und t₂) jeweils einen kurzen Laserimpuls. Zu beiden Zeitpunkten wird das an den in der Strömung befindlichen Streuobjekten gestreute Laserlicht auf eine Kamera abgebildet.
Bei der PIV wird anhand der zweidimensionalen Kreuzkorrelationsfunktion, die aus beiden Aufnahmen berechnet wird, die zweidimensionale Verschiebung (in x- und y-Richtung, Δx, Δy) der abgebildeten Streuobjekte bestimmt.
Bei dem Messverfahren Particle Tracking Velocimetry – PTV – wird die Verschiebung mit Hilfe von speziellen Bildverarbeitungsalgorithmen direkt für jedes einzelne Streuobjekt berechnet. Mit der bekannten Zeitdifferenz (Δt) zwischen den beiden Belichtungszeiten der Kamera kann mit dem Quotienten der Differenzen die Geschwindigkeit in der Lichtschnittebene wie folgt nach Gleichung I bestimmt werden:
mit Δt = t₂ – t₁.
Merkmale:

• Die Strömungsmessung erfolgt abbildend mit einer Kamera.
• Die Bestimmung der Geschwindigkeit basiert auf einer Weg-Zeit-Messung.
• Es wird die zweidimensionale Geschwindigkeitsverteilung (2D) in der Lichtschnittebene erfasst, wobei die beiden lateralen Geschwindigkeitskomponenten (2C) bestimmt werden, d. h. es liegt eine 2C2D-Messung vor. Durch eine Volumenbeleuchtung und Verwendung von mehreren Kameras kann die Messung auf 3D3C erweitert werden.
• Die Unsicherheit der Position der Streuobjekte ist durch die Pixeldiskretisierung und aufgrund von Beugungseffekten (Abbe-Limit) durch die Abbildung bestimmt und limitiert.
• Es sind zwei optische Zugänge erforderlich.
• Die Unsicherheit der Geschwindigkeit folgt aus der Unsicherheit der Streuobjektpositionen. Sie beträgt typischerweise einige Prozent und ist von der Geschwindigkeit und/oder der Zeitdifferenz Δt abhängig. Ein geringerer Versatz der Streuobjektpositionen, d. h. langsamere Geschwindigkeiten, führt zu einer größeren relativen Unsicherheit der Streuobjektpositionen und somit auch zu einer größeren relativen Geschwindigkeitsunsicherheit. Die einzustellende Zeitdifferenz Δt wird dabei durch die maximalen absoluten Geschwindigkeiten der Strömung vorgegeben.

2. Micro Particle Image Velocimetry (μPIV)
Das Messverfahren Micro Particle Image Velocimetry (μPIV) ist in den Druckschriften C. D. Meinhart, S. T. Wereley, J. G. Santiago: PIV measurements of a microchannel flow, Exp. in Fluids 27, 1999, S. 414–419 und J. G. Santiago, S. T. Wereley, C. D. Meinhart, D. J. Beebe, R. J. Adrian: A particle image velocimetry system for microfluidics, Exp. in Fluids 25, 1998, S. 316–319 beschrieben, das für mikroskopische Strömungsuntersuchungen entwickelt worden ist und das eine Modifikation der konventionellen PIV-Technik darstellt. Es beruht ebenso auf einer Weg-Zeit-Messung. Im Gegensatz zur PIV für makroskopische Strömungen wird kein Lichtschnitt aufgespannt.
In 2 ist ein Prinzipaufbau der Micro Particle Image Velocimety gezeigt, der in der Druckschrift R. Lindken, M. Rossi, S. Große, J. Westerweel, „Micro particle image velocimetry (μPIV): recent developments, applications, and guideline, Lab Chip 9, 2009, S. 2551–2567 beschrieben ist.
Das von einem Pulslaser zu zwei festen Zeitpunkten (t₁ und t₂) emittierte Licht wird über eine Abbildungsoptik (i. A. ein Mikroskopobjektiv) auf die zu messende Strömung gerichtet. Es liegt somit eine Volumenbeleuchtung vor, wie in 2 gezeigt ist. Jedoch existiert i. A. keine Tiefeninformation, wodurch die axiale Ortsauflösung der Messebene durch den Schärfentiefenbereich (genauer der Korrelationstiefe) der Abbildungsoptik vorgegeben ist. Das gestreute Licht von in der Strömung enthaltenden fluoreszenten Streuobjekten wird rückwärtig durch die Abbildungsoptik detektiert, mit einem dichroitischen Spiegel von der Laserwellenlänge getrennt und auf eine Kamera abgebildet.
Die Geschwindigkeiten werden wie bei der konventionellen PIV Technik mittels Korrelationen über die Quotienten von Differenzen (Ort und Zeit) gebildet, siehe PIV.
Merkmale:

• Sofern nichts anderes erwähnt wird, gelten für die μPIV die gleichen Merkmale wie für die PIV.
• Die Strömung wird volumenhaft beleuchtet, wobei die axiale Messtiefe durch die Korrelationstiefe bestimmt wird. Die axiale Auflösung beträgt je nach verwendeter Abbildungsoptik einige μm.
• Innerhalb der Korrelationstiefe ist i. A. keine Positionsauflösung möglich.
• Für die rückwärtige Detektion sowie zur Trennung von Beleuchtung und emittierten Streulicht müssen fluoreszierende Streuobjekte verwendet werden.
• Die Arbeitsabstände bei μPIV liegen typischerweise im einstelligen Millimeterbereich oder kleiner.
• Es wird ein optischer Zugang benötigt.

3. Doppler-Global-Velocimetry (DGV)
Die Doppler-Global-Velocimetry (DGV) ist ebenfalls ein kamerabasiertes Messverfahren. In 3 ist eine Prinzipskizze der Doppler-Global-Velocimetry gezeigt. Im Gegensatz zu den PIV/PTV beruht die Messung der Geschwindigkeit jedoch nicht auf einer Weg-Zeit-Messung, sondern auf der Auswertung des optischen Dopplereffekts, wobei die Dopplerfrequenzverschiebung nicht direkt gemessen wird. Die Frequenzinformation wird dabei durch eine molekulare Absorptionszelle mit frequenzabhängiger Transmissionskennlinie gewonnen. Die Absorptionszelle bildet somit die Frequenzinformation in eine Intensität ab. Hierzu wird ein schmalbandiger Laser auf eine Flanke der Transmissionskennlinie stabilisiert, wie in 3 gezeigt ist.
Um eine bildgebende Messung (2D) zu erhalten, wird der Laserstrahl zu einem Lichtschnitt aufgeweitet und auf die zu untersuchende Strömung gerichtet. Das von in der Strömung befindlichen Streuobjekten gestreute Licht wird detektiert und mittels eines Strahlteilers auf zwei Kameras (Messkamera und Referenzkamera) abgebildet, wobei in einem der optischen Pfade das gestreute Licht die Absorptionszelle durchquert. Durch eine auf den Dopplereffekt basierende geschwindigkeitsabhängige Frequenzverschiebung des gestreuten Lichts, ändert sich der Arbeitspunkt auf der Transmissionskennlinie der Absorptionszelle. Die damit einhergehende Intensitätsänderung kann einfach mit der Messkamera gemessen werden. Durch eine pixelweise Quotientenbildung der beiden Kamerabilder kann die relative Absorption und damit die Dopplerfrequenz gemessen werden.
Folglich wird für jedes Pixel eine Geschwindigkeitsinformation erhalten.
Merkmale:

• Die Geschwindigkeitsmessung basiert mittelbar auf der Auswertung der Dopplerfrequenzverschiebung des von den Streuobjekten gestreuten Lichts, indem die durch den Dopplereffekt geschwindigkeitsabhängige Frequenzverschiebung in eine Intensitätsänderung überführt wird.
• Die Streulichtdetektion erfolgt i. A. abbildend.
• Es wird die Geschwindigkeitskomponente erfasst, die entlang der Winkelhalbierenden zwischen Einstrahl- und Beobachtungsrichtung liegt. Damit liegt eine 2D1C-Messung vor.
• Durch weitere Einstrahl- oder Beobachtungsrichtungen kann die Messung auf 2D3C erweitert werden.
• Die Unsicherheit der Geschwindigkeit beträgt typischerweise (0,5–4) m/s.
• Es sind mindestens zwei optische Zugänge notwendig.

4. Laser-Doppler-Anemometrie (LDA)
Bei der Laser-Doppler-Anemometrie, wie in 4 in einem Prinzipbild Laser-Doppler-Anemometrie, das in der Druckschrift L. Büttner: Untersuchungen neuartiger Laser-Doppler-Verfahren zur hochauflösenden Geschwindigkeitsmessung, Dissertation, Cuvillier Verlag, Göttingen, 2005 beschrieben ist, gezeigt ist, wird ein Laserstrahlbündel mittels eines Strahlteilers in zwei Teilstrahlenbündel aufgespaltet. Diese werden anschließend durch eine Optik im Messpunkt unter einem definierten Winkel wieder überlagert. Innerhalb des Überschneidungsbereiches beider Teilstrahlen bildet sich ein Interferenzmuster aus, dass durch konstruktive und destruktive Interferenz aus einer Reihe von hellen und dunklen Flächen besteht, wobei die Ebenen senkrecht zu der von den Teilstrahlen aufgespannten Ebene und parallel zur optischen Achse verlaufen. Ausgehend von einer Schnittdarstellung spricht man vereinfacht von Interferenzstreifen mit einem charakteristischen Streifenabstand d, welcher als konstant betrachtet wird. Der Streifenanstand d ist dabei eine Funktion der Wellenlänge λ des Laserlichtes sowie des Kreuzungswinkels θ und bestimmt sich aus Gleichung II: d = λ/2·sinθ (II)
Durchquert ein Streuobjekt das Messvolumen, so ist das gestreute Licht entsprechend der lokalen Intensitätsverteilung des Interferenzstreifensystems in seiner Amplitude mit der Dopplerfrequenz f moduliert. Mit einem Einzeldetektor (z. B. eine Photodiode) kann das gestreute Licht detektiert und die Dopplerfrequenz bestimmt werden. Mit der Dopplerfrequenz f sowie dem bekannten Streifenabstand d bestimmt sich die Geschwindigkeitskomponente v orthogonal zu den Interferenzstreifen mit Gleichung III: v = f·d (III)
Da keine Information über die Position des Streuobjektes innerhalb des Überschneidungsbereiches beider Teilstrahlen, dem Messvolumen, existiert, wird dieses Messverfahren als (quasi-)punktförmig (0D) betrachtet.
Merkmale:

• Die Bestimmung der Geschwindigkeit basiert auf der Auswertung der Dopplerfrequenzverschiebung des von Streuobjekten gestreuten Lichts.
• Die Streulichtdetektion erfolgt i. A. mit einer einzelnen Photodiode.
• Es wird die Geschwindigkeitskomponente erfasst, die orthogonal zur optischen Achse in der von den beiden Teilstrahlen aufgespannten Ebene liegt.
• Eine Bestimmung der Positionen der Streuobjekte innerhalb des Messvolumens erfolgt nicht. Es liegt somit eine 0D1C-Messung vor.
• Die Ortsauflösung ist durch die Ausdehnung des Interferenzgebietes, d. h. dem Messvolumen, bestimmt und beträgt typischerweise 0,1 × 0,1 × 1 mm³.
• Die Unsicherheit der Geschwindigkeit hängt von der Frequenzschätzung sowie von der Konstanz bzw. Variation des Streifenabstands ab. Sie beträgt typischerweise 0,5%.
• Durch Verwendung mehrerer Streifensysteme kann die Messung auf 0D3C erweitert werden.
• Es wird ein optischer Zugang benötigt.

5. Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor
Der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor, wie in der 5 in einer Darstellung der beiden fächerförmigen Interferenzstreifensysteme des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor, die in einem gemeinsamen Messvolumen überlagert werden, und wie in der 6 in einer Funktionsweise für die gleichzeitige Bestimmung der Position und Geschwindigkeit eines Streuobjektes mit dem Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors, der in der Druckschrift T. Pfister: Untersuchungen neuartiger Laser-Doppler-Verfahren zur Positions- und Formvermessung bewegter Festkörperoberflächen, Dissertation, Shaker Verlag, Aachen, 2008 beschrieben ist, gezeigt ist, stellt eine Erweiterung der konventionellen LDA dar. Das Prinzip des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor basiert auf zwei Basis-Interferenzstreifensystemen, die in einem gemeinsamen Messvolumen überlagert werden, wobei mindestens eines fächerförmig ausgelegt ist. Idealerweise werden beide Basis-Interferenzstreifensysteme fächerförmig realisiert, wobei das erste Basis-Interferenzstreifensystem kontinuierlich konvergierend und das zweite Basis-Interferenzstreifensystem kontinuierlich divergierend entlang der optischen Achse (z-Achse) ist. Somit besitzen beide Basis-Interferenzstreifensysteme entgegengesetzte Gradienten (gemäß 5 und 6) und können durch zwei Streifenabstandsfunktionen d₁(z) und d₂(z) beschrieben werden. Die beiden Basis-Interferenzstreifensysteme müssen physikalisch unterscheidbar sein. Dies kann durch verschiedene Multiplexverfahren erreicht werden, wie bspw. Wellenlängenmultiplex (unterschiedliche Wellenlängen), Frequenzmultiplex (unterschiedliche Trägerfrequenzen), Zeitmultiplex (unterschiedliche Zeitpunkte) etc.
Durchquert ein kleines Streuobjekt das Messvolumen, so streut es Licht beider Basis-Interferenzstreifensysteme und die Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ der beiden Basis-Interferenzstreifensysteme können ermittelt werden. Der Quotient der Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ ist unabhängig von der Geschwindigkeit des Streuobjektes und invers zu dem Quotienten der beiden Streifenabstandsfunktionen d₁ und d₂, welche durch eine vorab durchgeführte Kalibrierung mit der Kalibrierungsfunktion q(z) nach Gleichung IV bekannt sind:
Somit kann unabhängig von der Geschwindigkeit die axiale Position z des Streuobjektes bestimmt werden. Mit den für die axiale Position z gültigen Streifenabstandsfunktionen d₁(z) und d₂(z) kann dann die Geschwindigkeit v_x(z) abgeleitet werden. Die Geschwindigkeit v_x(z) des Streuobjektes ergibt sich somit aus der Gleichung V: v_x(z) = f₁(v_x, z)d₁(z) = f₂(v_x, z)d₂(z) (V).
Die Funktionsweise des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors zur gleichzeitigen Bestimmung der axialen Position z sowie der lateralen Geschwindigkeitskomponente v_x(z) aus den Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ ist in 6 noch einmal vereinfacht dargestellt.
Indem eine Vielzahl an Streuobjekten, die der Strömung zugesetzt werden und statistisch verteilt sind, dass Messvolumen durchqueren, kann über eine Ensemblemessung die in der Strömung vorhandene Geschwindigkeitsverteilung ohne mechanische Traversierung abgebildet werden. Die 7 und 8 zeigen dies beispielhaft anhand einer Geschwindigkeitsprofilmessung in einem Mikrokanal.
Merkmale:

• Die Geschwindigkeitsmessung basiert auf dem optischen Dopplereffekt, wobei die Geschwindigkeitskomponente erfasst wird, die senkrecht zur optischen Achse in der von den Teilstrahlen aufgespannten Ebene liegt (vgl. konv. LDA).
• Die Streulichtdetektion erfolgt je nach Trennung der Basis-Interferenzstreifensysteme (Multiplexart) mit einer oder zwei Photodioden.
• Die axiale Position z (optische Achse) innerhalb des Messvolumens wird über die Dopplerfrequenzverschiebung des von einem Streuobjekt gestreuten Licht bestimmt. Damit liegt eine 1D1C Geschwindigkeitsmessung vor.
• Es wird ein optischer Zugang benötigt.
• Mit einer erweiterten Signalverarbeitung kann zusätzlich die axiale Geschwindigkeitskomponente (1D2C-Messung) sowie Beschleunigungen innerhalb einees Messvolumens bestimmt werden, wie in den Druckschriften L. Büttner, J. Czarske: Determination of the axial velocity component by a laser-Doppler velocity profile sensor, J. Opt. Soc. Am. A 23(2), 2006, S. 444–454 und C. Bayer, K. Shirai, L. Büttner, J. Czarske: Measurement of acceleration and multiple velocity components using a laser Doppler velocity profile sensor, Meas. Sci. Technol. 19, 2008, 055401 (11 Seiten) beschrieben ist.
• Die Positionsbestimmung z ist unabhängig von der Geschwindigkeit.
• Die Unsicherheit der Position z hängt von der Unsicherheit der Frequenzschätzung sowie von der Steigung der Kalibrierfunktion dq/dz ab. Sie liegt typischerweise im Mikrometerbereich.

6. Laser-Doppler-Geschwindigkeitsfeldsensor
Der in 9 dargestellte Laser-Doppler-Geschwindigkeitsfeldsensor ist eine Erweiterung des Laser-Doppler-Geschwindigkeitspofilsensor, indem zwei Profilsensoren überlagert werden. Werden bspw. zwei Profilsensoren orthogonal zueinander ausgerichtet, so erhält man aufgrund der Überlappung der zwei elliptischen Messvolumina ein quasi rechteckiges Messvolumen, wobei sich die Größe des Messvolumens durch die Breite der beiden einzelnen bestimmt, wie in 9 gezeigt ist. Jedes Streuobjekt, welches das Messvolumen durchquert, streut Licht aller vier Interferenzstreifensystem und erzeugt somit vier koinzidente Burstsignale, aus deren Dopplerfrequenzen sich die Positionen y und z sowie die Geschwindigkeit v_x bestimmen lassen.
Der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsfeldsensor ist in der Druckschrift L. Büttner, J. Czarske: Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen in beliebig gerichteten Strömungen, DE 10 2005 042 954 A1 beschrieben.
Merkmale:

• Sofern nichts anderes erwähnt wird, gelten zunächst für den Laser-Doppler-Geschwindigkeitsfeldsensor die Merkmale des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors.
• Jeder der beiden Profilsensoren bestimmt bei orthogonaler Ausrichtung direkt eine Ortskoordinate. Aus den beiden gemessenen Geschwindigkeitsprofilen lässt sich ein Geschwindigkeitsfeld (2D) innerhalb des Überlappungsbereiches beider Profilsensoren (Messvolumen) rekonstruieren.
• Die Streulichtdetektion erfolgt je nach Trennung der vier Interferenzstreifensysteme (Multiplexart) mit einer oder bis zu vier Photodioden.
• Mit einer erweiterten Signalverarbeitung, d. h. zeitaufgelöste Bestimmung der Dopplerfrequenzen, kann die Messung auf 2D3C erweitert werden.
• Es werden zwei optische Zugänge benötigt.

Eine miniaturisierte Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von zumindest zwei Geschwindigkeitskomponenten in einem Messvolumen sowie eine Richtungssinnerkennung sind in der Druckschrift US 5 160 976 A beschrieben.
Zur Bestimmung der zwei Geschwindigkeitskomponenten werden zwei zueinander gekreuzte Interferenzstreifensysteme (orthogonale Normalenvektoren) erzeugt, die die gleiche Einfallsrichtung besitzen. Zur Ausbildung dieser können z. B. zwei gekreuzte Strahlteilergitter eingesetzt werden. Die Geschwindigkeitskomponenten (Komponenten jeweils in Richtung der Normalenvektoren der Interferenzstreifen) ergeben sich dann über ihren gegebenen konstanten Streifenabstand gemäß der bekannten Beziehung v_i = f_i·d_i (i = 1, 2). In der Druckschrift US 5 160 976 A ist zudem die Möglichkeit beschrieben, eine dritte Geschwindigkeitskomponente in paralleler Richtung der Strahlausbreitung zu bestimmen, indem das von den Partikeln gestreute Licht mit Licht aus der Beleuchtung rückwärtig in ein und derselben Faser überlagert wird und die resultierende Schwebungsfrequenz aufgrund der Dopplerverschiebung bei einer Bewegung des Streuteilchens in paralleler Richtung zur Strahlausbreitung ausgewertet wird.
Des Weiteren wird in der Druckschrift US 5 160 976 A eine Richtungssinnerkennung beschrieben, indem bei der Herstellung von Strahlteilergittern eine fixe, monotone Änderung der Gitterperiodizität eingebracht wird. Im Ergebnis wird davon ausgegangen, dass eine entsprechende monotone Änderung des Streifenabstands in Normalenrichtung der Interferenzstreifen nicht entlang der optischen Achse erhalten wird. Bewegt sich nun ein Partikel durch das Messvolumen, so kann eine zeitliche Änderung der Dopplerfrequenz detektiert werden, wodurch eine Richtungssinnerkennung erreicht wird. Es wird nur eine 2C(3C)0D-Messung durchgeführt.
Eine Vorrichtung (Velozimeter) zur Bestimmung von drei Geschwindigkeitskomponenten in einem Punkt ist in der Druckschrift US 4 506 979 A beschrieben.
Zur Bestimmung der drei Geschwindigkeitskomponenten (3C) werden drei Laserstrahlenpaare unter verschiedenen Winkeln in einem gemeinsamen Messvolumen überlagert. Damit haben die Laserstrahlenpaare keine gemeinsame Einfallsrichtung. Es entstehen drei Interferenzstreifensysteme mit einem jeweils unterschiedlich gerichteten Normalenvektor. Die Geschwindigkeitskomponenten (v₁, v₂, v₃) werden dann über ihre entsprechende Ausrichtung – in Richtung der Normalenvektoren – und ihren konstanten Streifenabstand gemäß der bekannten Beziehung v_i = f_i·d_i (i = 1, 2, 3) bestimmt. Mittels einer Koordinatentransformation der Geschwindigkeitsvektoren kann auf die Geschwindigkeitskomponenten v_x, v_y, v_z geschlossen werden.
Das in Druckschrift US 4 506 979 A beschriebene Velozimeter ermöglicht nur eine 3C0D-Messung.
Eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung von drei Geschwindigkeitskomponenten in einem Messpunkt sind in der Druckschrift US 5 148 229 A beschrieben. Zur Bestimmung der drei Geschwindigkeitskomponenten werden in der Druckschrift US 5 148 229 A im Gegensatz zur Druckschrift US 4 506 979 A nur zwei Laserstrahlenpaare überlagert, die die gleiche Einfallsrichtung besitzen, jedoch orthogonal zueinander orientiert sind. Im Überlagerungsbereich wird von konstanten Interferenzstreifenabständen im Messvolumen ausgegangen und entsprechend der bekannten Beziehung v_i = f_i·d_i (i = y, z) die dazugehörigen Geschwindigkeitskomponenten in Richtung der Normalenvektoren der Interferenzstreifensysteme bestimmt. Die dritte Geschwindigkeitskomponente v_x wird dabei wie folgt bestimmt. Durch einen (kleinen) räumlichen Versatz L beider Interferenzstreifensysteme und dem damit einhergehenden zeitlichen Versatz der beiden elektrischen Burstsignale, vorausgesetzt das Streuteilchen bewegt sich durch beide Interferenzstreifensysteme, kann die dritte Geschwindigkeitskomponente aus der Laufzeit sowie der beiden anderen Geschwindigkeitskomponenten abgeleitet werden.
In der Anordnung nach der Druckschrift US 5 148 229 A kann keine Position eines Streuteilchens im Messvolumen bestimmt werden und es wird auch kein fächerförmiges Interferenzstreifensystem verwendet. Damit ist auch hier die Messung der drei Geschwindigkeitskomponenten auf einen Punkt (Größe der Interferenzstreifensysteme plus Distanz L) festgelegt, so dass das in der Druckschrift US 5 148 229 A beschriebene Velozimeter ebenfalls nur eine 3C0D-Messung ermöglicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeiten in Strömungen und einen Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensor anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass ein Messverfahren bereitgestellt wird, welches ohne den Einsatz einer Kamera die Geschwindigkeitsverteilungen (2D) hochauflösend (< 1 μm) mit geringen Messunsicherheit (< 0,1%) bei begrenzter optischer Zugänglichkeit (ein optischer Zugang) durch den Einsatz nur einer einzigen Sendeeinheit ermöglicht und oben beschriebene Probleme löst, von denen einige auch in der Gegenüberstellung in Tabelle 1 angezeigt sind.
Die Aufgabe wird mittels der Merkmale der Patentansprüche 1 und 4 gelöst.
In dem Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeiten in Strömungen nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors werden zumindest zwei zugeordneten Basis-Interferenzstreifensystemen IS1, IS2 erzeugt,

• die in einem gemeinsamen Messvolumen überlagert werden, wobei
• die Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 physikalisch unterscheidbar sind,
• das Streulicht der Streuobjekte, die das Messvolumen durchqueren, auf eine Detektionseinheit abgebildet wird,
• wobei aus den Basis-Interferenzstreifensystemen IS1, IS2, von denen mindestens ein Basis-Interferenzstreifensystem IS1; IS2 fächerförmig ausgebildet ist, die axiale Position z des Streuobjektes aus dem Verhältnis f₁/f₂ der gemessenen Dopplerfrequenzen f₁, f₂ und einer Kalibrierfunktion q(z), die aus dem Quotienten der Streifenabstandsfunktionen d₂(z)/d₁(z) gebildet wird, bestimmt wird, wobei
• die Geschwindigkeit v_x des Streuobjektes aus den für die ermittelte axiale Position z gültigen Streifenabständen d₂(z), d₁(z) sowie den gemessenen Dopplerfrequenzen f₁, f₂ durch eine zeitaufgelöste Bestimmung der Dopplerfrequenz in einer Auswerteeinheit bestimmt wird,

• mindestens ein Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 ausgebildet wird, das mit den Basis-Interferenzstreifensystemen IS1, IS2 in dem gemeinsamen Messvolumen überlagert wird, wobei
• das Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 zu einem der Basis-Interferenz-streifensysteme IS1, IS2 axial um einen Kippwinkel α verkippt ist und die beide den gleichen Streifenabstandsverlauf d₁(z), d₃(z); d₂(z), d₃(z) aufweisen, und
• das Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 von den Basis-Interferenzstreifensystemen IS1, IS2 physikalisch unterscheidbar ist,
• die laterale Position y des Streuobjektes bestimmt wird, indem aus einem der Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 und dem dazu verkippten Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 eine entlang der lateralen Ortskoordinate y auftretende Phasendifferenz Δφ der gemessenen elektrischen Burstsignale in Abhängigkeit vom Kippwinkel α und einer phasenbezogenen Kalibrierfunktion bestimmt wird,
• eine Signalauswertung durchgeführt wird, bei der aus der zeitaufgelösten Bestimmung der Dopplerfrequenzen f₁(t), f₂(t) sowie der Phasendifferenz Δφ(t) die axiale Geschwindigkeitskomponente v_z sowie die laterale Geschwindigkeitskomponente v_y mittels einer jeweiligen zeitlichen Ableitung der ermittelten axialen Position z(t) und der ermittelten lateralen Position y(t) bestimmt werden, und
• indem die Phasendifferenz Δφ nur von 0 bis π variiert, gleichzeitig eine Richtungssinnerkennung der Bewegungsrichtung des Streuobjektes erreicht wird, wobei für eine Phasendifferenz Δφ entlang der lateralen Ortskoordinate y gemäß der Gleichung (VI) Δφ(y) = s·y + φ₀ (VI) gilt, wobei φ₀ die absolute Phasenverschiebung an der Position y = 0 und der Faktor s = 2πtanα/d den Phasenanstieg in Abhängigkeit vom Kippwinkel α entlang der y-Achse darstellen.

Für die physikalische Unterscheidbarkeit können die bekannten Multiplexverfahren (Zeitmultiplex-, Frequenzmultiplex-, Wellenlängenmultiplexverfahren) eingesetzt werden.
Beim Wellenlängenmultiplexverfahren werden getrennte Lichtquellen mit unterschiedlicher Wellenlänge λ₁, λ₂, λ₃ für die Erzeugung der beiden Basis-Interferenzstreifensysteme λ₁, IS1; λ₂, IS2 und des Kipp-Interferenzstreifensystems λ₃, IS3 eingesetzt.
Der Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensor besteht aus einem Aufbau eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors mit

– mindestens einer Lichtquelle,
– einer Lichtmodulatoranordnung,
– mindestens zwei faseroptischen Pfaden,
– einer Optikeinheit zur Erzeugung von zwei Basis-Interferenzstreifensystemen IS1, IS2 in einem Messvolumen einer Strömung mittels eines strahlteilenden Elements zur Erzeugung von zwei Strahlenbündeln, die zur Ausbildung der zwei Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 überlagert werden,
– einer Abbildungseinheit für Streulicht eines im Messvolumen der Strömung befindlichen Streuobjektes,
– einer Detektionseinheit zur Aufnahme des Streulichts und
– eine an die Detektionseinheit angeschlossene Auswerteinheit zur zeitaufgelösten Bestimmung der Dopplerfrequenz,

• die laterale Position y des Streuobjektes bestimmt wird, indem aus einem der Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 und dem dazu verkippten Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 die Phasendifferenz Δφ der gemessenen elektrischen Burstsignale in Abhängigkeit vom Kippwinkel α und einer phasenbezogenen Kalibrierfunktion bestimmt wird,
• eine Signalauswertung durchgeführt wird, bei der aus einer zeitaufgelösten Bestimmung der Dopplerfrequenzen f₁(t), f₂(t) sowie der Phasendifferenz Δφ(t) die axiale Geschwindigkeitskomponente v_z sowie die laterale Geschwindigkeitskomponente v_y mittels einer jeweiligen zeitlichen Ableitung der ermittelten axialen Position z(t) und der ermittelten lateralen Position y(t) bestimmt werden, und
• indem die Phasendifferenz Δφ nur von 0 bis π variiert, gleichzeitig eine Richtungssinnerkennung der Bewegungsrichtung des Streuobjektes erreicht wird, wobei für eine Phasendifferenz (Δφ) entlang der lateralen Ortskoordinate y gemäß der Gleichung (VI) Δφ(y) = s·y + φ₀ (VI) gilt, wobei φ₀ die absolute Phasenverschiebung an der Position y = 0 und der Faktor s = 2πtanα/d den Phasenanstieg in Abhängigkeit vom Kippwinkel α entlang der y-Achse darstellen.

Zur Durchführung des Zeitmultiplexverfahrens sind zwei Lichtquellen oder zwei Pfade gemäß dem Profilsensoraufbau vorgesehen, wobei eines der Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 zu einem festen Zeitpunkt im Zeitmultiplexbetrieb zu einem Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 ausgebildet ist und zu zumindest einem der beiden Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 durch das verkippbare strahlteilende Element um den Kippwinkel α verkippt ist,
Das verkippbare strahlteilende Element kann als ein strahlteilendes Gitter ausgebildet sein.
Zumindest kann ein dritter Pfad aus der Lichtmodulatoranordnung geführt sein, dem ein strahlteilendes zweites Gitter zur Ausbildung von zwei Strahlenbündeln nachgeordnet ist, die zu einem Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 im Messvolumen überlagert werden,
wobei die Kippvorrichtung mit mindestens einem der Gitter zum Kippen eines Gitters gegenüber dem anderen Gitter unter einem Kippwinkel α verbunden ist und mit einer Auswerteeinheit und einer angeschlossenen Steuereinheit in Verbindung steht, wobei durch das Kippen der Gitter um den Kippwinkel α zueinander eine Phasendifferenz Δφ zwischen den elektrischen Burstsignalen eines der Basis-Interferenzstreifensysteme IS1; IS2 und des gekippten Kipp-Interferenzstreifensystems IS3 entsteht,
wobei in der Auswerteeinheit

• eine Signalauswertung durchgeführt wird, bei der aus einer zeitaufgelösten Bestimmung der Dopplerfrequenzen f₁(t), f₂(t) sowie der Phasendifferenz Δφ(t), die axiale Geschwindigkeitskomponente v_z sowie die laterale Geschwindigkeitskomponente v_y mittels einer jeweiligen zeitlichen Ableitung der ermittelten axialen Position z(t) und der ermittelten lateralen Position y(t) bestimmt werden, und
• indem die Phasendifferenz Δφ nur von 0 bis π variiert wird, gleichzeitig eine Richtungssinnerkennung der Bewegungsrichtung des Streuobjektes erreicht wird,

Als Lichtquelle kann ein cw-Laser eingesetzt sein, mit dem und mittels Lichtmodulatoren (AOM, EOM, Chopper etc.) die Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 und das Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 in Zeitmultiplexbetrieb erzeugbar sind.
Als Lichtquelle kann ein Pulslaser eingesetzt sein, mit dem und mittels faseroptischer Verzögerungen die Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 und das Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 im Zeitmultiplexbetrieb erzeugbar sind.
Im Vergleich zum Zeitmultiplexverfahren kann zur Realisierung des Frequenzmultiplexverfahrens als Lichtquelle ein cw-Laser eingesetzt sein und die Trennung der Interferenzstreifensysteme IS1, IS2, IS3 kann mittels akusto-optischer Modulatoren (AOM) durch Trägerfrequenzen im Frequenzbereich erreicht werden.
Im Vergleich zum Zeitmultiplexverfahren können zur Realisierung des Wellenlängenmultiplexverfahrens getrennte Lichtquellen mit unterschiedlicher Wellenlänge λ₁, λ₂, λ₃ für die Erzeugung der Basis-Interferenzstreifensysteme λ₁, IS1; λ₂, IS2 und des Kipp-Interferenzstreifensystems λ₃, IS3 eingesetzt sein.
Der bekannte Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor wird somit erfindungsgemäß zur Messung eines axialen Geschwindigkeitsprofils mit einem axial verkippten Kipp-Interferenzstreifensystem, ergänzt. Durch die axiale Verkippung des dritten Kipp-Interferenzstreifensystems, entsteht eine Phasendifferenz der durch ein Streuobjekt hervorgerufenen Burstsignale zwischen dem Burstsignal des Kipp-Interferenzstreifensystems und einem der beiden Basis-Interferenzstreifensysteme weiteren Burstsignal. Durch die Phasenempfindlichkeit wird somit eine Sensitivität der lateralen Ortskoordinate y erreicht, wobei nur ein optischer Zugang benötigt wird, da alle Teilstrahlenbündel der Interferenzstreifensysteme die gleiche optische Achse besitzen, wobei der Winkel zwischen den einzelnen Interferenzstreifensystemen 0° beträgt, und somit nur eine einzige Sendeeinheit eingesetzt ist.
Ein Vorteil der Erfindung ist es also, dass erstmals hochauflösend und ohne notwendige Traversierung des Sensors, mit nur einer einzigen Sendeeinheit die Geschwindigkeitsverteilung flächenhaft (2D) nach dem LDA-Prinzip, d. h. bildgebend jedoch ohne den Einsatz einer Kamera, mit einer deutlich geringeren Messunsicherheit der Geschwindigkeit erfasst werden kann. Die Geschwindigkeits- und Ortsbestimmung beruht dabei auf der präzisen Auswertung der Dopplersignale und nicht auf der wesentlich ungenaueren Weg-Zeit-Messung, wie sie bei den konventionellen abbildenden Messsystemen üblich ist.
Die wesentlichen und zusätzlichen Vorteile der Erfindung bestehen darin:

• Es ist eine hochauflösende flächenhafte Messung (2D) der Geschwindigkeitsverteilung bei begrenzter optischer Zugänglichkeit, indem nur eine einzige Sendeeinheit notwendig ist, vorhanden.
• Es besteht keine Begrenzung der örtlichen Auflösung (Abbe-Limit), da zwar bildgebend, jedoch nicht abbildend (Ortsauflösungen bis zu 100 nm erscheinen als realistisch).
• Prinzipiell erreichbare relative Messunsicherheiten der Geschwindigkeit im Bereich von 0,01%.
• Keine Komplementarität zwischen Ortsauflösung und Messunsicherheit der Geschwindigkeit.
• Ortsauflösung ist unabhängig von den auftretenden Geschwindigkeiten.
• Ein für die Vermessung von kleinskaligen Strömungen großer Arbeitsabstand (Abstand Messort-Sensor) von einigen Zentimetern.
• Keine zusätzliche Messabweichungen durch Ausrichtungsfehler zweier Profilsensoren zueinander, da nur eine Sendeeinheit vorhanden ist.
• Nutzung des gesamten Messvolumens des Sensors, im Gegensatz zu nur einem Überlagerungsbereich von zwei zueinander ausgerichteten Profilsensoren, oder eine deutlich gesteigerte Empfindlichkeit für den Ort bei vergleichsweise ähnlich großen Messbereichen.

Mit dem Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensor wird die beim Laser-Doppler-Profilsensor vorhandene linienförmige (1D) Messung der Geschwindigkeit mit der sehr geringen Messunsicherheit der Geschwindigkeit auf eine bildgebende Messung (2D) mit hoher Präzision erweitert, wobei wie beim Profilsensor nach den 5a, 5b, 6, 7, 8 nur eine Sendeeinheit notwendig ist. Der Fortschritt gegenüber etablierten Messtechniken liegt daher, in einer von der Strömung unabhängigen, hochauflösenden (< 1 μm) und bildgebenden (2D) Messtechnik mit einer sehr geringen Geschwindigkeitsunsicherheit (< 0,1%). Mit seinem für Messsysteme im Mikroskalenbereich unüblich großen Arbeitsabstand von mehreren 10 mm (Abstand: Messort zum Sensor) sowie aufgrund dessen, dass der Sensor nur aus einer einzigen Sendeeinheit besteht und damit nur einen einzigen optischen Zugang benötigt, eignet sich der Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensor vor allem für hochauflösende bildgebende Messungen in schwer zugänglichen Anwendungen.
Die Bildgebung nach dem Dopplerprinzip wird dabei wie folgt erreicht:
Der zugrundeliegende Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor, der bereits eine Erweiterung der konventionellen LDA darstellt, bietet eine Auflösung in axialer Richtung (Ortskoordinate z) innerhalb seines Messvolumens.
Hierzu werden, wie in 5a und 5b gezeigt ist, zwei Basis-Interferenzstreifensysteme (divergent und konvergent) in einem gemeinsamen Messvolumen überlagert, von denen mindestens eines fächerförmig ist. Durchquert nun ein Streuobjekt das Messvolumen, so kann durch Auswertung des Streulichts beider Basis-Interferenzstreifensysteme die laterale Geschwindigkeitskomponente v_x sowie die axiale Position z des Streuobjektes bestimmt werden. Mit einer Vielzahl an Streuobjekten, welche das Messvolumen statistisch verteilt durchqueren und deren Geschwindigkeit sowie die axiale Position bestimmt wurde, kann das axiale Geschwindigkeitsprofil der Strömung hochaufgelöst erfasst werden.
Erfindungsgemäß wird die hohe axiale Ortsauflösung des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors mit einer ebenfalls hohen lateralen Ortsauflösung ergänzt, wobei der Profilsensor mit mindestens einem Kipp-Interferenzstreifensystem, dessen Erzeugung ebenfalls in der Sendeeinheit des Profilsensors verankert ist, erweitert ist. Die Forderung nach der physikalischen Trennbarkeit aller Interferenzstreifensysteme mit einer Multiplextechnik besteht auch hier. Des Weiteren wird beispielhaft von einem zusätzlichen Kipp-Interferenzstreifensystem ausgegangen.
Es ist erforderlich, dass das Kipp-Interferenzstreifensystem mit einem der beiden Basis-Interferenzstreifensysteme (die des Profilsensorprinzips) weitestgehend übereinstimmt. Im idealen Fall gilt, beispielhaft für eine Übereinstimmung mit einem der Basis-Interferenzstreifensysteme, d₁(y, z) = d₃(y, z).
Durchquert nun ein Streuobjekt das Messvolumen, so besitzen die Streulichtsignale des Kipp-Interferenzstreifensystems und des ausgewählten, z. B. ersten Basis-Interferenzstreifensystems der Basis-Interferenzstreifensysteme nach Gleichung f = v/d, bei gleichem Streifenabstand d₁(y, z) = d₃(y, z) gleiche Dopplerfrequenzen (f₁, f₃). Durch eine axiale Verkippung beider Interferenzstreifensysteme zueinander entsteht jedoch in Abhängigkeit der Ortskoordinate y eine Phasendifferenz Δφ beider Streulichtsignale.
Mit der Phasendifferenz Δφ entsteht somit eine Empfindlichkeit in lateraler Richtung, wodurch die Ortskoordinate y ebenfalls nach dem Dopplerprinzip gegeben ist. Durchquert nun eine Vielzahl von Streuobjekten statistisch verteilt das Messvolumen, so kann das zweidimensionale Geschwindigkeitsfeld der Strömung abgebildet werden. Damit ist der Sensor bildgebend, jedoch aber nicht abbildend, da zur Rekonstruktion der Geschwindigkeitsverteilung keine Kamera, sondern nur ein Einzeldetektor notwendig ist. Damit unterliegt dieses Messprinzip in seiner Auflösung keiner Limitierung durch eine Abbildung (Abbe-Limit) oder einer Pixeldisketisierung, wie bei konventionell abbildenden Messsystemen (vgl. μPIV) üblich ist. Da alle Teilstrahlenbündel der Interferenzstreifensysteme die gleiche optische Achse besitzen, d. h. der Kreuzungswinkel der Interferenzstreifensysteme beträgt 0°, ist somit eine bildgebende Messung der Geschwindigkeitsverteilung mit nur einem einzigen optischen Zugang gewährleistet.
Weiterbildungen und verbessernde Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird mittels eines Ausführungsbeispiels anhand mehrerer Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen:
1 ein Prinzip der Particle Image Velocimetry nach dem Stand der Technik,
2 einen Prinzipaufbau der Micro Particle Image Velocimety nach dem Stand der Technik,
3 eine Prinzipskizze der Doppler-Global-Velocimetry nach dem Stand der Technik,
4 ein Prinzipbild Laser-Doppler-Anemometrie nach dem Stand der Technik,
5 eine Darstellung der beiden fächerförmigen Interferenzstreifensysteme des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor, die in einem gemeinsamen Messvolumen überlagert werden, nach dem Stand der Technik,
6 die Funktionsweise für die gleichzeitige Bestimmung der Position und Geschwindigkeit eines Streuobjektes mit dem Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors nach dem Stand der Technik,
7 ein Prinzip der Vermessung einer Mikrokanalströmung mit dem Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor nach dem Stand der Technik,
8 ein gemessenes Geschwindigkeitsprofil in einem 107 μm breiten Mikrokanal (graue Punkte = Rohdaten) mit Unsicherheitsabschätzung, Ortsauflösung 960 nm, Unsicherheit 0,18% nach dem Stand der Technik,
9 eine Prinzipskizze des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsfeldsensors nach dem Stand der Technik,
10 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensors mit drei Interferenzstreifensystemen, die mittels Zeitmultiplex physikalisch getrennt werden und zwei Transmissions-Beugungsgittern, wobei die Darstellung zu dem Zeitpunkt erfolgt, bei dem das erste Interferenzstreifensystem ausgebildet ist.
11a eine Schnittdarstellung durch das Messvolumen in der Ebene z = konst. für eines der Basis-Interferenzstreifensysteme IS1 und ein Kipp-Interferenzstreifensystem IS3,
11b eine Darstellung von zwei charakteristischen Burstsignalen (von einem Basis-Interferenzstreifensystem IS1 und einem Kipp-Interferenzstreifensystem IS3) mit gleicher Dopplerfrequenz f₁, f₃, welche in Abhängigkeit der Position y eine Phasendifferenz Δφ aufweisen, wobei die Burstsignale bei Durchquerung des Messvolumens durch ein Streuobjekt erzeugt werden, und
11c ein Δφ,y-Koordinatensystem gemäß 11a und 11b.
Im Folgenden wird in 10 beispielhaft eine Ausführung der Erfindung beschrieben. Diese zeichnet sich durch eine monochromatische Realisierung des Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensors 10 mit drei Interferenzstreifensystemen – zwei Basis-Interferenzstreifensystemen IS1, IS2 und einem Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 – aus, wobei zur physikalischen Trennung der Interferenzstreifensysteme IS1, IS2, IS3 beispielsweise das Zeitmultiplexverfahren (TDM) angewendet wird.

Tabelle 2 zeigt die Bezugszeichen und die zugehörige Beschreibung der technischen Merkmale gemäß 10 in grober Weise:

Bezugszeichen	Beschreibung	Kommentar
1	Messvolumen des Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensors, bestehend aus mind. drei Interferenzstreifensysteme IS, wobei mind. eines fächerförmig ist	physikalische Unterscheidbarkeit der Interferenzstreifensysteme durch Zeitmultiplex, Frequenzmultiplex, Wellenlängen multiplex etc.
2	Lichtmodulatoren	zum Einschalten und Ausschalten des Laserlichts, z. B. elektrooptische oder akustooptische Modulatoren
3	Laserquelle des Sensors	mögliche Komponenten: – Dauerstrichlaser (cw) – Kurzpulslaser – Mehrlinienlaser (für WDM)
4	optischer Aufbau des Sensors
5	Detektionsoptik für das Streulicht
6	Detektor	mögliche Varianten: – Photodiode – Photomultiplier – Kamera (CCD, CMOS) – etc.

In dem Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeiten in Strömungen 33 nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors werden zwei zugeordnete Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 erzeugt,

• die in einem gemeinsamen Messvolumen 1 überlagert werden, wobei
• die Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 physikalisch unterscheidbar sind,
• das Streulicht 8 der Streuobjekte 34, die das Messvolumen 1 durchqueren, auf eine Detektionseinheit 6 abgebildet wird,
• wobei aus den beiden Basis-Interferenzstreifensystemen IS1, IS2 die axiale Position z des Streuobjektes 34 aus dem Verhältnis f₁/f₂ der gemessenen beiden Dopplerfrequenzen f₁, f₂ und einer Kalibrierfunktion q(z), die aus dem Quotienten der Streifenabstandsfunktionen d₂(z)/d₁(z) gebildet wird, bestimmt wird, wobei
• die Geschwindigkeit v_x des Streuobjektes 34 aus den für die ermittelte axiale Position z gültigen Streifenabständen d₂(z)/d₁(z) sowie den gemessenen Dopplerfrequenzen f₁, f₂ bestimmt wird.

Erfindungsgemäß wird

• mindestens ein Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 ausgebildet, das mit den beiden Basis-Interferenzstreifensystemen IS1, IS2 in dem gemeinsamen Messvolumen 1 überlagert wird, wobei
• das Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 zu einem der Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 axial um einen Kippwinkel α verkippt ist und die beide den gleichen Streifenabstandsverlauf d₁(z), d₃(z); d₂(z), d₃(z) aufweisen, und
• das Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 von den Basis-Interferenzstreifensystemen IS1, IS2 physikalisch unterscheidbar ist und
• mindestens eines der Interferenzstreifensysteme IS1, IS2, IS3 fächerförmig ist, und wobei
• die laterale Position y des Streuobjektes 34 bestimmt wird, indem aus einem der Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 und dem dazu verkippten Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 die Phasendifferenz Δφ der gemessenen elektrischen Burstsignale 37, 38 in Abhängigkeit vom Kippwinkel α und einer phasenbezogenen Kalibrierfunktion bestimmt wird,

• eine Signalauswertung durchgeführt wird, bei der konkret eine zeitaufgelöste Bestimmung der Dopplerfrequenzen f₁, f₂ sowie der Phasendifferenz Δφ, die axiale Geschwindigkeitskomponente v_z sowie die laterale Geschwindigkeitskomponente v_y bestimmt werden, und
• indem die Phasendifferenz Δφ nur von 0 bis π variiert, gleichzeitig eine Richtungssinnerkennung der Bewegungsrichtung des Streuobjektes 34 erreicht wird, wobei für eine Phasendifferenz Δφ entlang der lateralen Ortskoordinate y gemäß der Gleichung VI: Δφ(y)= s·y + φ₀ (VI) gilt, wobei φ₀ die absolute Phasenverschiebung an der Position y = 0 und der Faktor s = 2πtanα/d den Phasenanstieg in Abhängigkeit vom Kippwinkel α entlang der y-Achse darstellen.

Für die physikalische Unterscheidbarkeit können die bekannten Multiplexverfahren (Zeitmultiplex-, Frequenzmultiplex-, Wellenlängenmultiplexverfahren) eingesetzt werden.
Der das Verfahren realisierende Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensor 10 zur Bestimmung von Geschwindigkeiten in Strömungen 33 enthält einen bekannten Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor mit zwei zugeordneten Basis-Interferenzstreifen-systemen IS1, IS2,

Erfindungsgemäß wird

• mindestens ein Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 ausgebildet, das mit den beiden Basis-Interferenzstreifensystemen IS1, IS2 in dem gemeinsamen Messvolumen 1 überlagert wird, wobei
• das Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 zu einem der Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 axial um einen Kippwinkel α verkippt ist und die beide den gleichen Streifenabstandsverlauf d₁(z), d₃(z); d₂(z), d₃(z) aufweisen, und
• das Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 von den Basis-Interferenzstreifensystemen IS1, IS2 physikalisch unterscheidbar ist und
• mindestens eines der Interferenzstreifensysteme IS1, IS2, IS3 fächerförmig ist, und wobei
• die laterale Position y des Streuobjektes 34 bestimmt wird, indem aus einem der Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 und dem dazu verkippten Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 die Phasendifferenz Δφ der gemessenen elektrischen Burstsignale in Abhängigkeit vom Kippwinkel α und einer phasenbezogenen Kalibrierfunktion bestimmt wird, wobei
• eine Signalauswertung durchgeführt wird, bei der konkret eine zeitaufgelöste Bestimmung der Dopplerfrequenzen f₁, f₂ sowie der Phasendifferenz Δφ, die axiale Geschwindigkeitskomponente v_z sowie die laterale Geschwindigkeitskomponente v_y bestimmt werden, und
• indem die Phasendifferenz Δφ nur von 0 bis π variiert, gleichzeitig eine Richtungssinnerkennung der Bewegungsrichtung des Streuobjektes 34 erreicht wird, wobei für eine Phasendifferenz Δφ entlang der lateralen Ortskoordinate y gemäß der Gleichung VI: Δφ(y) = s·y + φ₀ (VI) gilt, wobei φ₀ die absolute Phasenverschiebung an der Position y = 0 und der Faktor s = 2πtanα/d den Phasenanstieg in Abhängigkeit vom Kippwinkel α entlang der y-Achse darstellen.

In 11c ist das Δφ,y-Koordinatensystem mit den Koordinaten: Phasendifferenz Δφ und laterale Position y angegeben.
Der Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensor 10 für das Zeitmultiplexverfahren kann bauteilmäßig aus dem Aufbau eines bekannten Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors bestehen mit

– mindestens einer Lichtquelle 3,
– einer Lichtmodulatoranordnung 2,
– zwei faseroptischen Pfaden 20, 21,
– einer Optikeinheit 4 zur Erzeugung von zwei Basis-Interferenzstreifensystemen IS1, IS2 in einem Messvolumen 1 einer Strömung 33 mittels eines strahlteilenden Elements 24 zur Erzeugung von zwei Strahlenbündeln 25, 26, die zur Ausbildung der zwei Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 überlagert werden,
– eine Abbildungseinheit für Streulicht 8 eines im Messvolumen 1 der Strömung 33 befindlichen Streuobjektes 34,
– eine Detektionseinheit 6 zur Aufnahme des Streulichts 8,

20

21

24

Ein anderer Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensor 10 für das Zeitmultiplexverfahren kann bauteilmäßig aus dem Aufbau eines bekannten Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor bestehen, aus

– mindestens einer Lichtquelle 3,
– einer Lichtmodulatoranordnung 2,
– zwei faseroptischen Pfaden 20, 21,
– einer Optikeinheit 4 zur Erzeugung von zwei Basis-Interferenzstreifensystemen IS1, IS2 in einem Messvolumen 1 einer Strömung 33 mittels eines strahlteilenden Elements 24 als Gitter zur Erzeugung von zwei Strahlenbündeln 25, 26, die zur Ausbildung der beiden Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 überlagert werden,
– eine Abbildungseinheit für Streulicht 8 eines im Messvolumen 1 der Strömung 33 befindlichen Streuobjektes 34,
– eine Detektionseinheit 6 zur Aufnahme des Streulichts 8,

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2

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30

31

1

35

24

29

24

29

24

36

24

29

36

• eine Signalauswertung durchgeführt wird, bei der konkret aus einer zeitaufgelösten Bestimmung der Dopplerfrequenzen f₁, f₂ sowie der Phasendifferenz Δφ, die axiale Geschwindigkeitskomponente v_z sowie die laterale Geschwindigkeitskomponente v_y bestimmt werden, und
• indem die Phasendifferenz Δφ nur von 0 bis π variiert wird, gleichzeitig eine Richtungssinnerkennung der Bewegungsrichtung des Streuobjektes 34 erreicht wird,

36

9

17

18

19

2

11

12

13

Als Lichtquelle kann beispielsweise ein cw-Laser eingesetzt sein, mit dem und mittels Lichtmodulatoren (AOM, EOM, Chopper etc.) die zwei Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 und das Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 in Zeitmultiplexbetrieb erzeugbar sind.
Als Lichtquelle 3 kann aber auch ein Pulslaser eingesetzt sein, mit dem und mittels faseroptischer Verzögerungen die zwei Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 und das Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 im Zeitmultiplexbetrieb erzeugbar sind.
Beim Wellenlängenmultiplexverfahren können getrennte Lichtquellen mit unterschiedlicher Wellenlänge λ₁, λ₂, λ₃ für die Erzeugung der beiden Basis-Interferenzstreifensysteme λ₁, IS1; λ₂, IS2 und des Kipp-Interferenzstreifensystems λ₃, IS3 eingesetzt sein.
Beim Frequenzmultiplexverfahren kann als Lichtquelle 3 ein cw-Laser eingesetzt sein und die Trennung der Interferenzstreifensysteme kann mittels akustooptischer Modulatoren (AOM) durch Trägerfrequenzen im Frequenzbereich erreicht wird.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensors 10 wird nachfolgend anhand der 10 näher erläutert:
Das Strahlenbündel 7 eines Lasers 3 wird mittels mehrerer Strahlteiler 81, 82, 83 in drei Teilstrahlenbündel 11, 12, 13 mit näherungsweise ähnlicher Leistung aufgeteilt. Die drei Teilstrahlenbündel 11, 12, 13 werden in einmodige Lichtwellenleiter (z. B. Glasfasern) 17, 18, 19 eingekoppelt, wobei sie zuvor jeweils einen Lichtmodulator 14, 15, 16 der Lichtmodulatoranordnung 2 passieren. Die drei Lichtmodulatoren 14, 15, 16 werden abwechselnd, vorzugsweise von einer Steuereinheit 9, geschaltet, so dass zu einem festen Zeitpunkt nur ein einziges Teilstrahlenbündel in seinen zugeordneten Lichtwellenleiter eingekoppelt wird. Die beiden anderen Teilstrahlen werden zu diesem Zeitpunkt durch ihren Lichtmodulator geblockt. Damit bildet sich zu jeweils einem Zeitschritt nur ein Interferenzstreifensystem im Messvolumen 1 des Sensors 10 aus. Durch eine Synchronisation des Schaltens der drei Teilstrahlenbündel 11, 12, 13 mit der Abtastung der detektierten Burstsignale können somit die zwei Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 und das verkippte Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 durch ein Zeitmultiplex physikalisch getrennt werden.
Zur Erzeugung der Interferenzstreifensysteme der drei Pfade 20, 21, 22 werden die aus den Fasern 14, 15, 16 austretenden Strahlenbündel zunächst mit einer Optikeinheit 4 kollimiert. Zur Erzeugung der ersten beiden Basis-Interferenzstreifensysteme IS1 über den ersten Pfad 20 und IS2 über den zweiten Pfad 21 für eine axiale Positionsbestimmung (entlang der optischen z-Achse des Profilsensors) werden beide Pfade 20, 21, z. B. mit Hilfe eines Strahlteilerwürfels 23, kollinear überlagert und auf ein erstes strahlteilendes Element 24 in Form eines Transmissions-Beugungsgitters gelenkt, welches zur Strahlteilung in die Strahlenbündel 25, 26 dient. Die +1. Beugungsordnung und –1. Beugungsordnung werden mit dem Kepler-Teleskop 27 parallelisiert und wieder zur Überschneidung gebracht, wobei andere Beugungsordnungen ausgeblendet werden. Im Überschneidungsbereich, dem Messvolumen 1, der Strahlenbündel 25, 26 bilden sich dann die überlagerten Basis-Interferenzstreifensysteme IS1 und IS2 aus. Die Ausbildung der Fächerform der Basis-Interferenzstreifensysteme wird durch eine individuelle Justage der Strahltaillen, z. B. durch Justage der Kollimationsoptiken hinter den Fasern, in den einzelnen Pfaden 20 und 21 erreicht. I. A. werden die Strahltaillen derart justiert, dass entlang der optischen Achse 28 ein konvergierendes erstes Basis-Interferenzstreifensystem IS1 und ein divergierendes zweites Basis-Interferenzstreifensystem IS2 entstehen.
Zur lateralen Positionsbestimmung (Ortskoordinate y) wird zur Erzeugung des Kipp-Interferenzstreifensystems IS3 das kollimierte Teilstrahlbündel 13 auf ein zweites strahlteilendes Element 29, z. B. ein Transmissions-Beugungsgitter gelenkt, welches wiederum zur Strahlteilung dient. Die +1. Beugungsordnung und –1. Beugungsordnung werden parallelisiert und, z. B. mittels eines Strahlteilerwürfels 32, den Strahlenbündeln 25, 26 der ersten beiden Pfade 20, 21 innerhalb des Kepler-Teleskops 27 überlagert. Die Justage der Strahltaillenposition für den dritten Pfad 22 muss sich hierbei i. A. an einem der ersten beiden Basis-Interferenzstreifensysteme IS1 und IS2 orientieren. Mit der Annahme, dass das Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 sich am ersten Basis-Interferenzstreifensystem IS1 orientiert, muss die Strahltaillenposition derart justiert werden, dass ebenfalls ein konvergierendes Kipp-Interferenzstreifensystem entsteht. Im idealen Fall gilt: d₃(z) = d₁(z) für die Streifenabstände. Die Phasenabhängigkeit in lateraler Richtung und somit die entsprechende Empfindlichkeit des Sensors 10 für die Ortskoordinate y, kann in diesem Ausführungsbeispiel durch eine leichte Verkippung beider strahlteilenden Elemente 24, 29 zueinander erreicht werden. Aufgrund dessen können das erste Basis-Interferenzstreifensystem IS1 sowie das Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 unter einem Kippwinkel α axial zueinander verkippt sein.
Das Messvolumen 1 wird auf eine Strömung 33 gerichtet.
Durchquert nun ein in der Strömung 33 enthaltendes Streuobjekt 34 das Messvolumen 1, dann streut es Licht aller drei Interferenzstreifensysteme: der Basis-Interferenzstreifensysteme IS1, IS2 und des verkippten Kipp-Interferenzstreifensystems IS3, wobei das Streulicht 8 durch eine Detektionsoptik 5 auf einen Detektor (z. B. eine PIN-Photodiode) 6 fokussiert wird. Die Position der Detektionsoptik 5 ist hierbei, je nach optischer Zugänglichkeit, frei wählbar. In Abhängigkeit der Geschwindigkeit sowie der Position des Streuobjektes 34 im Messvolumen 1 werden drei charakteristische Burstsignale detektiert.
Für die Basis-Interferenzstreifensysteme IS1 und IS2 gilt dabei, dass zwei Burstsignale mit den Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ erzeugt werden. Nach dem Prinzip des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors ergibt sich dann aus dem Quotienten beider Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ sowie aus einer Kalibrierfunktion q(z) die axiale Position z, wie in 5 und in 6 gezeigt ist. Für die in 11a gezeigten Interferenzstreifensysteme – Basis-Interferenzstreifensystem IS1 und dem verkippten Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 – gilt, dass die durch das Streuobjekt 34 erzeugten Burstsignale 37, 38, wie in 11b gezeigt ist, i. A. gleiche Dopplerfrequenzen (f₁ = f₃) besitzen. Aufgrund der Verkippung der Beugungsgitter 24 und 29 und der dadurch erzeugten axialen Verkippung zwischen dem Basis-Interferenzstreifensystem IS1 und dem Kipp-Interferenzstreifenssystem IS3 zueinander, weisen deren beide Burstsignale 37, 38 in Abhängigkeit der Position y aber eine Phasendifferenz Δφ auf, wie sie in 11b gezeigt ist. Der Phasenverlauf entlang der lateralen Ortskoordinate y kann gemäß der Gleichung VI: Δφ(y) = s·y + φ₀ (VI) als näherungsweise linear angenommen werden. Hierbei bezeichnet φ₀ die absolute Phasenverschiebung an der Position y = 0 und der Faktor s = 2πtanα/d den Phasenanstieg entlang der y-Achse bei einem Kippwinkel α. Somit kann mit Kenntnis des Phasenverlaufs, z. B. durch eine zuvor durchgeführte phasenbezogene Kalibrierung, die laterale Position y des Streuobjektes 34 aus der Phasenverschiebung der Streulichtsignale des ersten Basis-Interferenzstreifensystem IS1 und des dritten Kipp-Interferenzstreifensystem IS3 bestimmt werden. Indem die Phasendifferenz Δφ über die gesamte laterale Messvolumenbreite nur zwischen –π und π variiert, wird eine Eindeutigkeit der Position y im Messvolumen 1 gewährleistet.
Bezugszeichenliste

1: Messvolumen
2: Lichtmodulatoranordnung
3: Laserquelle des Sensors
4: optischer Aufbau des Sensors/Optikeinheit
5: Detektoroptik für das Streulicht
6: Detektor
7: Strahlenbündel
8: Streulicht
9: Steuereinheit
10: erfindungsgemäßer Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensor
11: erstes Teilstrahlenbündel
12: zweites Teilstrahlenbündel
13: drittes Teilstrahlenbündel
14: erste einmodige Glasfaser
15: zweite einmodige Glasfaser
16: dritte einmodige Glasfaser
17: erster Lichtmodulator
18: zweiter Lichtmodulator
19: dritter Lichtmodulator
20: erster Pfad
21: zweiter Pfad
22: dritter Pfad
23: Strahlteiler
24: erstes strahlteilendes Element
25: Strahlenbündel
26: Strahlenbündel
27: Kepler-Teleskop
28: optische Achse
29: zweites strahlteilendes Element
30: erstes Strahlenbündel
31: zweites Strahlenbündel
32: Strahlteiler
33: Strömung
34: Streuobjekt
35: Kippvorrichtung
36: Auswerteeinheit
37: Burstsignal eines Basis-Interferenzstreifensystems
38: Burstsignal des Kipp-Interferenzstreifensystems
α: Kippwinkel
IS1: erstes Basis-Interferenzstreifensystem
IS2: zweites Basis-Interferenzstreifensystem
IS3: Kipp-Interferenzstreifensystem
Δφ: Phasendifferenz
f₁: Dopplerfrequenz
f₂: Dopplerfrequenz
f₃: Dopplerfrequenz
d₁: Streifenabstand des ersten Basis-Interferenzstreifensystems
d₂: Streifenabstand des zweiten Basis-Interferenzstreifensystems
d₃: Streifenabstand des Kipp-Interferenzstreifensystems

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeiten in Strömungen (33) nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors mit zumindest zwei zugeordneten Basis-Interferenzstreifensystemen (IS1, IS2), • die in einem gemeinsamen Messvolumen (1) überlagert werden, wobei • die Basis-Interferenzstreifensysteme (IS1, IS2) physikalisch unterscheidbar sind, • das Streulicht (8) der Streuobjekte (34), die das Messvolumen (1) durchqueren, auf eine Detektionseinheit (6) abgebildet wird, • wobei aus den Basis-Interferenzstreifensystemen (IS1, IS2), von denen mindestens ein Basis-Interferenzstreifensystem (IS1; IS2) fächerförmig ausgebildet ist, die axiale Position (z) des Streuobjektes (34) aus dem Verhältnis f₁/f₂ der gemessenen Dopplerfrequenzen (f₁, f₂) und einer Kalibrierfunktion (q(z), die aus dem Quotienten der Streifenabstandsfunktionen (d₂(z)/d₁(z)) gebildet wird, bestimmt wird, wobei • die Geschwindigkeit (v_x) des Streuobjektes (34) aus den für die ermittelte axiale Position (z) gültigen Streifenabständen (d₂(z), d₁(z)) sowie den gemessenen Dopplerfrequenzen (f₁, f₂) durch eine zeitaufgelöste Bestimmung der Dopplerfrequenz in einer Auswerteeinheit (36) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass • mindestens ein Kipp-Interferenzstreifensystem (IS3) ausgebildet wird, das mit den Basis-Interferenzstreifensystemen (IS1, IS2) in dem gemeinsamen Messvolumen (1) überlagert wird, wobei • das Kipp-Interferenzstreifensystem (IS3) zu einem der Basis-Interferenzstreifensysteme (IS1, IS2) axial um einen Kippwinkel (α) verkippt ist und die beide den gleichen Streifenabstandsverlauf (d₁(z), d₃(z); d₂(z), d₃(z)) aufweisen, und • das Kipp-Interferenzstreifensystem (IS3) von den Basis-Interferenzstreifensystemen (IS1, IS2) physikalisch unterscheidbar ist, • die laterale Position (y) des Streuobjektes (34) bestimmt wird, indem aus einem der Basis-Interferenzstreifensysteme (IS1, IS2) und dem dazu verkippten Kipp-Interferenzstreifensystem (IS3) eine entlang der lateralen Ortskoordinate (y) auftretende Phasendifferenz (Δφ) der gemessenen elektrischen Burstsignale (37, 38) in Abhängigkeit vom Kippwinkel (α) und einer phasenbezogenen Kalibrierfunktion bestimmt wird, • eine Signalauswertung durchgeführt wird, bei der aus der zeitaufgelösten Bestimmung der Dopplerfrequenzen (f₁(t), f₂(t)) sowie der Phasendifferenz (Δφ(t)) die axiale Geschwindigkeitskomponente (v_z) sowie die laterale Geschwindigkeitskomponente (v_y) mittels einer jeweiligen zeitlichen Ableitung der ermittelten axialen Position z(t) und der ermittelten lateralen Position y(t) bestimmt werden, und • indem die Phasendifferenz (Δφ) nur von 0 bis π variiert, gleichzeitig eine Richtungssinnerkennung der Bewegungsrichtung des Streuobjektes (34) erreicht wird, wobei für eine Phasendifferenz (Δφ) entlang der lateralen Ortskoordinate (y) gemäß der Gleichung Δφ(y) = s·y + φ₀ gilt, wobei φ₀ die absolute Phasenverschiebung an der Position y = 0 und der Faktor s = 2πtanα/d den Phasenanstieg in Abhängigkeit vom Kippwinkel α entlang der y-Achse darstellen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die physikalische Unterscheidbarkeit die bekannten Multiplexverfahren (Zeitmultiplex-, Frequenzmultiplex-, Wellenlängenmultiplexverfahren) eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Wellenlängenmultiplexverfahren getrennte Lichtquellen mit unterschiedlicher Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ₃) für die Erzeugung der beiden Basis-Interferenzstreifensysteme (λ₁, IS1; λ₂, IS2) und des Kipp-Interferenzstreifensystems (λ₃, IS3) eingesetzt werden.
Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensor (10), bestehend aus einem Aufbau eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors mit – mindestens einer Lichtquelle (3), – einer Lichtmodulatoranordnung (2), – mindestens zwei faseroptischen Pfaden (20, 21), – einer Optikeinheit (4) zur Erzeugung von zwei Basis-Interferenzstreifensystemen (IS1, IS2) in einem Messvolumen (1) einer Strömung (33) mittels eines strahlteilenden Elements (24) zur Erzeugung von zwei Strahlenbündeln (25, 26), die zur Ausbildung der zwei Basis-Interferenzstreifensysteme (IS1, IS2) überlagert werden, – einer Abbildungseinheit für Streulicht (8) eines im Messvolumen (1) der Strömung (33) befindlichen Streuobjektes (34), – einer Detektionseinheit (6) zur Aufnahme des Streulichts (8) und – eine an die Detektionseinheit (6) angeschlossene Auswerteinheit (36) zur zeitaufgelösten Bestimmung der Dopplerfrequenz, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kippvorrichtung (35) vorhanden ist, die mit dem strahlteilenden Element (24) zum Kippen des strahlteilenden Elements (24) unter einem Kippwinkel (α) verbunden ist und die mit der Auswerteeinheit (36) und einer angeschlossenen Steuereinheit (9) in Verbindung steht, wobei durch das Kippen des strahlteilenden Elements (24) um den Kippwinkel (α) eine entlang der lateralen Ortskoordinate (y) auftretende Phasendifferenz (Δφ) zwischen den elektrischen Burstsignalen eines der Basis-Interferenzstreifensysteme (IS1; IS2) und des gekippten Kipp-Interferenzstreifensystems (IS3) entsteht, wobei in der Auswerteeinheit (36) • die laterale Position (y) des Streuobjektes (34) bestimmt wird, indem aus einem der Basis-Interferenzstreifensysteme (IS1, IS2) und dem dazu verkippten Kipp-Interferenzstreifensystem (IS3) die Phasendifferenz (Δφ) der gemessenen elektrischen Burstsignale in Abhängigkeit vom Kippwinkel (α) und einer phasenbezogenen Kalibrierfunktion bestimmt wird, • eine Signalauswertung durchgeführt wird, bei der aus einer zeitaufgelösten Bestimmung der Dopplerfrequenzen (f₁(t), f₂(t)) sowie der Phasendifferenz (Δφ(t)) die axiale Geschwindigkeitskomponente (v_z) sowie die laterale Geschwindigkeitskomponente (v_y) mittels einer jeweiligen zeitlichen Ableitung der ermittelten axialen Position z(t) und der ermittelten lateralen Position y(t) bestimmt werden, und • indem die Phasendifferenz (Δφ) nur von 0 bis π variiert, gleichzeitig eine Richtungssinnerkennung der Bewegungsrichtung des Streuobjektes (34) erreicht wird, wobei für eine Phasendifferenz (Δφ) entlang der lateralen Ortskoordinate (y) gemäß der Gleichung Δφ(y) = s·y + φ₀ gilt, wobei Φ₀ die absolute Phasenverschiebung an der Position y = 0 und der Faktor s = 2πtanα/d den Phasenanstieg in Abhängigkeit vom Kippwinkel α entlang der y-Achse darstellen.
Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für das Zeitmultiplexverfahren zwei Lichtquellen oder zwei Pfade (20, 21) gemäß dem Profilsensoraufbau vorgesehen sind, wobei eines der Basis-Interferenzstreifensysteme (IS1, IS2) zu einem festen Zeitpunkt im Zeitmultiplexbetrieb zu einem Kipp-Interferenzstreifensystem (IS3) ausgebildet ist und zu zumindest einem der beiden Basis-Interferenzstreifensysteme (IS1, IS2) durch das verkippbare strahlteilende Element (24) um den Kippwinkel (α) verkippt ist.
Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das verkippbare strahlteilende Element (24) als ein strahlteilendes Gitter ausgebildet ist.
Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensor nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein dritter Pfad (22) aus der Lichtmodulatoranordnung (2) geführt ist, dem ein strahlteilendes zweites Gitter (29) zur Ausbildung von zwei Strahlenbündeln (30, 31) nachgeordnet ist, die zu einem Kipp-Interferenzstreifensystem (IS3) im Messvolumen (1) überlagert werden, wobei die Kippvorrichtung (35) mit mindestens einem der Gitter (24, 29) zum Kippen eines Gitters (24, 29) gegenüber dem anderen Gitter (29, 24) unter einem Kippwinkel (α) verbunden ist und mit einer Auswerteeinheit (36) und einer angeschlossenen Steuereinheit (9) in Verbindung steht, wobei durch das Kippen der Gitter (24, 29) um den Kippwinkel (α) zueinander eine Phasendifferenz (Δφ) zwischen den elektrischen Burstsignalen eines der Basis-Interferenzstreifensysteme (IS1; IS2) und des gekippten Kipp-Interferenzstreifensystems (IS3) entsteht, wobei in der Auswerteeinheit (36) • eine Signalauswertung durchgeführt wird, bei der aus einer zeitaufgelösten Bestimmung der Dopplerfrequenzen (f₁(t), f₂(t)) sowie der Phasendifferenz (Δφ(t)), die axiale Geschwindigkeitskomponente (v_z) sowie die laterale Geschwindigkeitskomponente mittels einer jeweiligen zeitlichen Ableitung der ermittelten axialen Position z(t) und der ermittelten lateralen Position y(t) bestimmt werden, und • indem die Phasendifferenz (Δφ) nur von 0 bis π variiert wird, gleichzeitig eine Richtungssinnerkennung der Bewegungsrichtung des Streuobjektes (34) erreicht wird, und die mit der Auswerteeinheit (36) verbundene Steuereinheit (9) zumindest mit den Lichtmodulatoren (17, 18, 19) zum Einschalten und Ausschalten von Teilstrahlenbündeln (11, 12, 13) in Verbindung steht.
Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensor nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle ein cw-Laser eingesetzt ist, mit dem und mittels Lichtmodulatoren (AOM, EOM, Chopper etc.) die Basis-Interferenzstreifensysteme (IS1, IS2) und das Kipp-Interferenzstreifensystem (IS3) in Zeitmultiplexbetrieb erzeugbar sind.
Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (3) ein Pulslaser eingesetzt ist, mit dem und mittels faseroptischer Verzögerungen die Basis-Interferenzstreifensysteme (IS1, IS2) und das Kipp-Interferenzstreifensystem (IS3) im Zeitmultiplexbetrieb erzeugbar sind.
Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Vergleich zum Zeitmultiplexverfahren zur Realisierung des Frequenzmultiplexverfahrens als Lichtquelle (3) ein cw-Laser eingesetzt ist und die Trennung der Interferenzstreifensysteme (IS1, IS2, IS3) mittels akustooptischer Modulatoren (AOM) durch Trägerfrequenzen im Frequenzbereich erreicht wird.
Phasen-Frequenz-Geschwindigkeits-Feldsensor nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Vergleich zum Zeitmultiplexverfahren zur Realisierung des Wellenlängenmultiplexverfahrens getrennte Lichtquellen mit unterschiedlicher Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ₃) für die Erzeugung der Basis-Interferenzstreifensysteme (λ₁, IS1; λ₂, IS2) und des Kipp-Interferenzstreifensystems (λ₃, IS3) eingesetzt sind.