DE102012214897B3

DE102012214897B3 - Verfahren zur planaren Bestimmung von Zustandsgrößen einer Fluidströmung sowie Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102012214897B3
Application number: DE201210214897
Authority: DE
Inventors: Guido Stockhausen; Ulrich Doll
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2013-07-25
Anticipated expiration: 2032-08-23

Abstract

Bei einem Verfahren zur planaren Bestimmung von Zustandsgrößen einer Fluidströmung, unter Verwendung von mindestens einer Laserlichtquelle zur Erzeugung eines Laserlichts einer ersten Frequenz, das die Fluidströmung durchquert, und mindestens drei Objektiven zum Empfang von Streulicht aus unterschiedlichen Richtungen, ist vorgesehen, dass das empfangene Streulicht in einen ersten Lichtteil zur Erfassung des Rayleigh-Streulichts und einen zweiten Lichtteil zur Erfassung des Mie-Streulichts aufgeteilt wird, und dass der erste Lichtteil vor Erfassung des Rayleigh-Streulichts durch einen ersten Filter zur Filterung des Mie-Streulichtanteils aus dem ersten Lichtteil geleitet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur planaren Bestimmung von Zustandsgrößen einer Fluidströmung. Ferner betrifft die Erfindung eine Messvorrichtung zur Bestimmung dieser Zustandsgrößen.
In der Wissenschaft oder in der Industrie ist es häufig notwendig, Zustandsgrößen von Fluidströmungen zu bestimmen. Dabei ist es insbesondere in der Strömungsmechanik (Aerodynamik), der Thermodynamik (Verbrennungsprozesse) oder in der Verfahrens- und Prozesstechnik (z. B. Pulverherstellung) erforderlich, eine möglichst umfassende (räumliche und zeitliche Information), störungsfreie und genaue Kenntnis der eine Fluidströmung charakterisierenden physikalischen Größen, wie beispielsweise die vektorielle Strömungsgeschwindigkeit V→, dem Druck p, der Temperatur T und der Dichte n.
Bei vielen der zu vermessenden Prozesse ist es aufgrund der räumlichen Gegebenheit oder aufgrund von beispielsweise hohen Temperaturen nicht möglich, direkte Messungen in den Strömungen vorzunehmen, so dass optische Messverfahren zum Einsatz kommen. Bei den optischen Messverfahren wird zwischen Punktmessverfahren, die die Zustandsparameter in einem Punkt der Strömung erfassen, sowie planaren Messverfahren, die die Zustandsgrößen in einer Messebene erfassen, unterschieden.
Als störungsfreie optische Punktmessverfahren, die Geschwindigkeit und/oder Temperatur messen können, sind z. B. Laser Doppler Anemometrie (LDA) und Laser Induced Thermal Acoustics (LITA) sowie Varianten der interferometrisch aufgelösten Mie- und Rayleigh-Streuung bekannt.
Punktmessverfahren sind jedoch aufgrund der begrenzten räumlichen Auflösung nicht in der Lage, komplexe räumliche Strömungsstrukturen effektiv zu vermessen.
Bei modernen Planaren optischen Lasermesstechniken ist es bekannt, berührungslos die Geschwindigkeit in einer Messebene zu erfassen (Particle Image Velocimetry PIV) oder die Temperatur (Laser Induced Fluorescence LIF, Rayleigh-Streuung). Um eine möglichst genaue Darstellung der Zustandsgrößen der Ebene zu erhalten, ist es wünschenswert, möglichst gleichzeitig verschiedene Zustandsgrößen zu erfassen. Es ist bekannt, die zuvor genannten Messtechniken zu kombinieren, indem beispielsweise PIV und LIF gleichzeitig angewendet werden. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur oder Dichte simultan erfasst werden. Bei PIV besteht die Notwendigkeit, die der Strömung zugegebenen Partikel scharf abzubilden, so dass eine aufwändige Beobachtungstechnik notwendig ist. Ferner bestehen zwischen den verschiedenen Verfahren große Unterschiede bezüglich der eingesetzten Laserquellen, da für PIV in der Frequenz unstabilisierte Doppelpuls-Systeme und für LIF und Rayleigh monochromatisch abstimmbare Laser notwendig sind, so dass eine Kombination beider Verfahren erschwert wird und die Messtechnik aufgrund der notwendigen Geräte verteuert. Ein Verfahren mit der PIV-Messtechnik ist beispielsweise aus Most, Dieter; Leipertz, Alfred: Simultaneous two-dimensional flow velocity and gas temperature measurements by use of a combined particle image velocimetry and filtered Rayleigh scattering technique, Applied Optics Vol. 40, No. 30 (2001), S. 5379–5387, bekannt.
Ferner ist es wünschenswert, die Baugröße der Erfassungsoptik möglichst klein auszugestalten, um die Messung beispielsweise durch kleine Öffnungen durchführen zu können.
Aus ”D. Nobes, H. Ford, R. Tatam, Exp. In Fluids 2004 (36), 3–10 Instantaneous, three-component planar Doppler velocimetry using imaging fibre bundles” ist ein flächiges Messverfahren für die Strömungsgeschwindigkeit bekannt. Dieses Messverfahren ist auch als Doppler Global Velocimetry (DGV) bekannt, das die auf dem Dopplereffekt beruhende Frequenzverschiebung des an zugesetzten und der Strömung folgenden Partikeln gestreuten Lichts (Mie-Streulicht) über eine Absorptionsmessung mittels einer molekularen Filterzelle bestimmt.
Dieses Verfahren wird auch in Stockhausen, Guido; Doll, Ullrich; Strehlau, Tobias; Willert, Chris: Combined filtered Rayleigh and Mie scattering for simultaneous planar temperature and velocity measurements; 15th Int Symp an Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics; Lisbon, Portugal, 05–08 July, 2010, S. 1–9, verwendet, wobei hierfür eine erste Empfangsoptik zum Einsatz kommt. Mittels einer zweiten Empfangsoptik, die in einer anderes Ebene zu der ersten Empfangsoptik angeordnet ist, wird ein zweites Streulichtsignal empfangen, wobei über gefilterte Rayleigh-Streuung das Rayleigh-Streulicht bestimmt werden kann. Mittels dieser beiden Messungen werden simultan die Temperatur und die Geschwindigkeit einer Fluidströmung bestimmt.
Aufgrund der unterschiedlichen Empfangsoptiken, die sehr speziell ausgebildet und angeordnet sein müssen, besitzt das vorbekannte Messverfahren einen messtechnisch hohen Aufwand und ist darüber hinaus relativ kompliziert ausgestaltet.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein planares Messverfahren für Fluidströmungen zu schaffen, bei dem mehrere Zustandsgrößen gleichzeitig erfasst werden können, wobei der messtechnische Aufwand möglichst gering gehalten werden soll. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechende Messvorrichtung, die ein derartiges Verfahren durchführen kann, zu schaffen. Zusätzlich ist es wünschenswert, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Messvorrichtung eine Strömungsmessung mit geringem Raumbedarf im Bereich der Strömung ermöglichen.
Zur Lösung dienen die Merkmale der Ansprüche 1 und 25.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur planaren Bestimmung von Zustandsgrößen einer Fluidströmung sieht die Verwendung von mindestens einer Laserlichtquelle zur Erzeugung eines Laserlichts einer ersten Frequenz, das die Fluidströmung durchquert, sowie einer Empfangsoptik mit mindestens drei Objektiven zum Empfang von Streulicht aus unterschiedlichen Richtungen vor, wobei mittels der Empfangsoptik ein Streulichtsignal empfangen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass über das empfangene Streulichtsignal simultan ein Rayleigh-Streulichtsignal und ein Mie-Streulichtsignal bestimmt wird, wobei eine Aufteilung des empfangenen Streulichtsignals in einen ersten Lichtteil zur Erfassung des Rayleigh-Streulichtsignals und einen zweiten Lichtteil zur Erfassung des Mie-Streulichtsignals erfolgt, und wobei der erste Lichtteil vor Erfassung des Rayleigh-Streulichtsignals durch einen ersten Filter zur vorzugsweise vollständigen Filterung des Mie-Streulichtanteils aus dem ersten Lichtteil geleitet wird.
Die Erfindung sieht somit vor, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich eine einzige Empfangsoptik verwendet wird, die ein Streulichtsignal empfängt. Das Streulichtsignal wird dann zur simultanen Bestimmung des Rayleigh-Streulichtsignals und des Mie-Streulichtsignals aufgeteilt. Dadurch ist der vorrichtungstechnische Aufwand für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gering, wobei gleichzeitig durch die einzige Empfangsoptik nur ein geringer Platzbedarf an der Messstelle der Fluidströmung notwendig ist. Darüber hinaus ist bei der Verwendung einer einzigen Empfangsoptik mit mindestens drei Objektiven keine komplizierte Anordnung von unterschiedlichen Empfangsoptiken, wie beim Stand der Technik notwendig.
Aus dem Rayleigh-Streulicht lassen sich die unterschiedlichen Zustandsgrößen, Temperatur T, Druck p und/oder Dichte n durch die gleichzeitige Aufnahme der Messebene aus mindestens drei Richtungen eindeutig bestimmen. Aus dem Mie-Streulicht lässt sich durch die auf dem Dopplereffekt beruhende Frequenzverschiebung die Strömungsgeschwindigkeit V → bestimmen.
Durch eine Analyse der einzelnen Bildpunkte der drei mittels der drei Objektive aufgenommenen Bilder kann mittels einer Auswerteeinheit die einzelnen Zustandsgrößen für den Messbereich ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass für die Erzeugung des Mie-Streulichts und des Rayleigh-Streulichts das gleiche Laserlicht verwendet werden kann, so dass nur eine Laserlichtquelle bzw. Laserlichtquellen der gleichen Art verwendet werden können. Dadurch wird der vorrichtungstechnische Aufwand reduziert. Darüber hinaus ist durch die Verwendung von Mie-Streulicht zur Strömungsgeschwindigkeitsbestimmung eine sehr genaue Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit möglich. Das Rayleigh-Streulichtsignal unterliegt zwar auch einer Frequenzverschiebung aufgrund des Dopplereffekts, jedoch ist aus dieser Frequenzverschiebung eine genaue Bestimmung von kleinen Geschwindigkeitskomponenten nicht oder nur sehr aufwändig möglich. Das Mie-Streulichtsignal hingegen ist zur Strömungsgeschwindigkeitsbestimmung besser geeignet.
Die Erfindung ermöglicht somit ein kostengünstiges und einfaches Verfahren zur planaren Bestimmung von Zustandsgrößen in einer Fluidströmung.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorsehen, dass die Objektive Streulicht aus drei unterschiedlichen, nicht koplanaren Richtungen empfängt. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die drei Komponenten des Geschwindigkeitsvektors in jedem Bildpunkt zu bestimmen. Die drei Objektive können dabei in einer Ebene, die parallel zu der Ausbreitungsrichtung des Laserlichts liegt, angeordnet sein.
Das Laserlicht kann in ein zweidimensionales Lichtband aufgeweitet werden, das die Fluidströmung durchquert.
Das von den drei Objektiven empfangene Streulichtsignal kann von der Aufteilung in einen ersten und einen zweiten Lichtteil durch einen Hintergrundfilter geleitet werden. Mit Hilfe des Hintergrundlichtfilters können beispielsweise Tageslicht oder thermisches Wandleuchten oder das von der eingestrahlten Laserfrequenz verschobene, inelastische Raman-Streulicht aus dem empfangenen Streulichtsignal gefiltert werden, wodurch die Genauigkeit der Bestimmung der Zustandsgrößen verbessert wird. Der Hintergrundlichtfilter kann beispielsweise ein Interferenz-Filter, vorzugsweise ein in der Frequenz schmalbandiger Interferenzfilter um die Frequenz des eingestrahlten Laserlichts sein.
Das empfangene Streulichtsignal kann vor der Aufteilung in den ersten und zweiten Lichtteil über eine Sammellinse in ein paralleles Strahlenbündel transformiert werden. Dadurch entsteht ein Bild, das die aufgenommenen Streulichtbilder als Teilbilder enthält, so dass eine Analyse des aus unterschiedlichen Richtungen empfangenen Streulichtsignals über die Analyse des Bildes ermöglicht wird.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Empfangsoptik mit den Objektiven verbundene, endoskopische Bildleiter aufweist, über die das empfangene Streulichtsignal zur Auswertung geleitet wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass als Objektive Mikroobjektive verwendet werden, die mit den endoskopischen Bildleitern verbunden sind. Auf diese Weise können die Objektive endoskopisch eingesetzt werden und es ist nur ein geringer Platzbedarf für die Objektive im Bereich der Strömung notwendig. Über den endoskopischen Bildleiter ist darüber hinaus eine Leitung des von den Objektiven empfangenen Lichts zu einem die Analyse des Streulichts vornehmenden Streulichtanalysator in vorteilhafter Weise möglich.
Das Verfahren kann vorsehen, dass die Intensität des zweiten Lichtteils kleiner ist als die des ersten Lichtteils. Da das Rayleigh-Streulicht eine wesentlich geringere Intensität aufweist als das Mie-Streulicht, ist daher von Vorteil, wenn von dem empfangenen Streulicht ein größerer Anteil für die Erfassung des Rayleigh-Streulichtsignals verwendet wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Aufteilung des empfangenen Streulichtsignals in den ersten und den zweiten Lichtteil über einen ersten Strahlteiler erfolgt. Der Strahlteiler kann beispielsweise einen Reflexionsgrad von 5–15% und einen entsprechenden Transmissionsgrad von 85–95% aufweisen, wobei das reflektierte Licht den ersten Lichtteil und das transmittierte Licht den zweiten Lichtteil bildet. Die angegebenen Bereichsangaben des Strahlteilers sind selbstverständlich so zu verstehen, dass beispielsweise bei einem Reflexionsgrad von 5% ein Transmissionsgrad von 95% vorliegt und bei einem Reflexionsgrad von 15% ein Transmissionsgrad von 85%. Durch einen derartigen Strahlteiler ist die Aufteilung des empfangenen Streulichts in einen ersten und zweiten Lichtteil zur Analyse des Mie-Streulichtsignals und des Rayleigh-Streulichtsignals in besonders vorteilhafter Weise möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorsehen, dass der Fluidströmung vor der Bestimmung der Zustandsgrößen Partikel zugegeben werden, wobei durch die Zugabe der Partikel der Anteil des Mie-Streulichts veränderbar ist. Durch die Art und Menge der zugegebenen Partikel lässt sich somit das zu empfangende Mie-Streulichtsignal beeinflussen und für die Bestimmung der Zustandsgrößen, insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit, optimieren.
Es kann vorgesehen sein, dass der zweite Lichtteil in einen dritten und einen vierten Lichtteil aufgeteilt wird. Es kann beispielsweise über einen zweiten Strahlteiler erfolgen. Der zweite Strahlteiler kann einen Reflexionsgrad von 30–45% und einen entsprechenden Transmissionsgrad von 55–70% aufweisen, wobei das reflektierte Licht den dritten Lichtteil und das transmittierte Licht den vierten Lichtteil bildet.
Durch die Aufteilung des zweiten Lichtteils in einen dritten und vierten Lichtteil kann in vorteilhafter Weise das Mie-Streulichtsignal erfasst werden, indem beispielsweise der vierte Lichtteil zur Normierungsmessung verwendet wird. Die Normierung kann das Mie-Streulichtsignal in Bezug auf Laserleistung und Partikeldichte normieren. Der vierte Lichtteil kann auch zur Normierung des Rayleigh-Streulichtsignals auf die Laserleistung verwendet werden, indem beispielsweise ein zusätzliches Bild eines geometrischen Streuers, wie beispielsweise einer Ulbricht-Kugel, erzeugt wird.
Zur Erfassung des Mie-Streulichtsignals kann der dritte Lichtteil durch einen zweiten Filter zur Umwandlung der in dem Mie-Streulichtsignal enthaltenen Frequenzverschiebung in eine Intensitätsverteilung geleitet werden.
Der erste und/oder der zweite Filter können eine molekulare oder eine atomare Absorptionszelle sein.
Dabei kann der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter eine größere Länge und/oder eine höhere Sättigungstemperatur besitzen als der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter. Durch derartige Absorptionszellen für den ersten und zweiten Filter ist es möglich, dass bei einer Laserfrequenz ein Bereich starker Absorption des ersten Filters mit einer Flanke der Absorptionslinie des zweiten Filters zusammenfällt. Bei dieser Laserfrequenz kann somit durch den ersten Filter das Mie-Streulichtsignal aus dem ersten Lichtteil zur Ermittlung des Rayleigh-Streulichtsignals in vorteilhafter Weise herausgefiltert werden, wobei gleichzeitig durch den zweiten Filter eine Flanke der Absorptionslinie erzeugt wird, über die eine Analyse des Mie-Streulichtsignals in vorteilhafter Weise möglich ist. Die als Absorptionszelle ausgebildeten ersten und/oder zweiten Filter können Jod-, Cäsium-, Barium- oder Quecksilberdampf enthalten.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter Joddampf enthält, dessen erste Sättigungstemperatur Tsat1 = 60°C und dessen erste Länge L1 = 100 mm beträgt, und dass der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter Joddampf enthält, dessen zweite Sättigungstemperatur Tsat2 = 25°C und dessen zweite Länge L2 = 50 mm beträgt, und dass das Laserlicht mit der ersten Frequenz eine Wellenzahl von 18788,440 1/cm aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass durch die Wahl derartiger Filter und der ersten Frequenz des Laserlichts das erfindungsgemäße Verfahren in besonders vorteilhafter Weise durchführbar ist, da die zuvor genannten Bedingungen für die Bestimmung des Rayleigh-Streulichtsignals und des Mie-Streulichtsignals vorherrschen.
Der erste, der dritte und der vierte Lichtteil werden durch vorzugsweise jeweils eine Kamera erfasst. Dabei kann vorgesehen sein, dass der erste Lichtteil zur Bestimmung des Rayleigh-Streulichtsignals durch eine Kamera und der dritte und vierte Lichtteil zur Bestimmung des Mie-Streulichtsignals durch eine zweite Kamera erfasst werden. Auch kann vorgesehen sein, dass für den dritten und den vierten Lichtteil jeweils eine zweite Kamera vorgesehen ist.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass eine zweite Laserlichtquelle verwendet wird, die ein Laserlicht mit einer zweiten Frequenz erzeugt, wobei das Laserlicht der ersten und der zweiten Frequenz die Fluidströmung durchquert.
Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, dass durch die Verwendung von zwei Laserfrequenzen der Messbereich für die Bestimmung der Geschwindigkeitskomponenten und der Unterdrückungsbereich des Mie-Streulichtsignals bei der Rayleigh-Streulicht-Erfassung erheblich größer ist.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das empfangene Streulichtsignal über einen dichroitischen Spiegel in den ersten Lichtteil und in den zweiten Lichtteil getrennt wird, wobei der dichroitische Spiegel für das Laserlicht der ersten Frequenz hochreflektierend und für das Laserlicht der zweiten Frequenz durchlässig ist.
Es kann vorgesehen sein, dass vor Einleitung des Laserlichts in die Fluidströmung von dem Laserlicht der ersten und/oder der zweiten Frequenz ein Referenzstrahl abgeteilt wird, wobei über den jeweiligen Referenzstrahl die Stabilisierung der Laserlichtquelle erfolgt. Auch kann vorgesehen sein, dass über den Referenzstrahl das Rayleigh-Streulicht normiert wird.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren, in dem Laserlicht mit zwei Frequenzen verwendet wird, kann vorgesehen sein, dass der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter Joddampf enthält, dessen erste Sättigungstemperatur Tsat1 = 60°C und dessen erste Länge L1 = 100 mm beträgt, und dass der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter Joddampf enthält, dessen zweite Sättigungstemperatur Tsat2 = 60°C und dessen zweite Länge L2 = 50 mm beträgt.
Das Laserlicht mit der ersten Frequenz kann eine Wellenzahl von 19429,841 1/cm und das Laserlicht mit der zweiten Frequenz eine Wellenzahl von 18787,815 1/cm aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass die beiden Frequenzen somit in den Bereich von existierenden Absorptionslinien von Jod fallen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein in der Empfangsoptik entstehendes Fluoreszenzlicht bestimmt wird, wobei das von der ersten Kamera empfangene Signal um einen Fluoreszenzlichtanteil korrigiert wird. Es hat sich herausgestellt, dass, obwohl der theoretische Transmissionsgrad des ersten Filters ausreichend sein sollte, um eine vollständige Unterdrückung des Mie-Streulichtanteils aus dem ersten Lichtteil zu gewährleisten, die erste Kamera dennoch ein zusätzliches Signal detektiert. Dieses Signal ist durch Fluoreszenzlicht bedingt, das in der Empfangsoptik und insbesondere in Bildleitern entstehen kann. Dieses Fluoreszenzlicht ist spektral breitbandig und kann daher weder durch den ersten Filter, der beispielsweise eine Absorptionszelle sein kann, noch durch einen Interferenzfilter ausreichend unterdrückt werden. Die Fluoreszenzintensität ist proportional zur transportierten Lichtintensität, die um ein Vielfaches stärker ist als die Intensität des Rayleigh-Lichts. Nach vollständiger Filterung des Mie-Streulichtanteils verbleibt im ersten Lichtteil neben dem Rayleigh-Streulichtsignal auch das Fluoreszenzlicht. Über die Bestimmung des in der Empfangsoptik und insbesondere in den Bildleitern entstehenden Fluoreszenzlichtes, lässt sich das von der ersten Kamera empfangene Signal somit um einen Fluoreszenzlichtanteil korrigieren und man erhält somit in vorteilhafter Weise das Rayleigh-Streulichtsignal.
Dabei kann vorgesehen sein, dass zur Bestimmung des Fluoreszenzlichtes der vierte Lichtteil verwendet wird. Da dieser Lichtteil nahezu ungefiltert zur Verfügung steht, lässt sich auf besonders vorteilhafte Weise das Fluoreszenzlicht bestimmen.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das vierte Lichtteil über eine der zweiten Kameras erfasst wird, wobei vor der Korrektur des von der ersten Kamera empfangenen Signals ein Proportionalitätsfaktor zwischen der ersten Kamera und der den vierten Lichtteil erfassenden zweiten Kamera bestimmt wird. Somit lässt sich auf eine einfache Art und Weise das Bild der ersten Kamera, die das Rayleigh-Streulichtsignal erfasst, durch Abzug des Fluoreszenzlichtanteils korrigieren, da über die zweite Kamera ein simultan aufgenommenes Normierungsbild über die gleiche Empfangsoptik aufgenommen wird. Der Proportionalitätsfaktor ist eine pixelabhängige, zeitlich konstante Systemgröße, die separat durch eine Kalibrierungsmessung bestimmt werden kann.
Die Erfindung sieht ferner eine Messvorrichtung zur Messung von Zustandsgrößen in einer Fluidströmung vor. Die Messvorrichtung weist mindestens eine Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht einer ersten Frequenz, eine Empfangsoptik zum Empfangen von Streulicht, wobei die Empfangsoptik mindestens drei Objektive aufweist, und einen Streulicht-Analysator zur Analyse des von der Empfangsoptik empfangenen Streulichts, wobei der Streulichtanalysator eine erste Analyseanordnung zur Analyse von Rayleigh-Streulicht und eine zweite Analyseanordnung zur Analyse von Mie-Streulicht besitzt, auf. Die Messvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsoptik endoskopische Bildleiter aufweist, die die Objektive mit dem Streulicht-Analysator verbinden, dass vor der ersten und der zweiten Analyseanordnung ein erster Strahlteiler zum Aufteilen des empfangenen Streulichts in einen ersten und einen zweiten Lichtteil angeordnet ist, und dass die erste Analyseanordnung einen Filter zur Filterung des Mie-Streulichtanteils aus dem ersten Lichtteil aufweist.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, wobei sich die durch die Messvorrichtung ergebenden Vorteile in gleicher Weise wie bei dem erfindungsgemäß durchzuführenden Verfahren ergeben. Insbesondere ist durch die Verwendung von endoskopischen Bildleitern eine sehr kompakte Messvorrichtung bereitstellbar.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann vorsehen, dass der Streulicht-Analysator einen Hintergrundlichtfilter, vorzugsweise einen Interferenzfilter, aufweist.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Streulicht-Analysator eine Sammellinse zum Transformieren des empfangenen Streulichts in ein paralleles Strahlenbündel aufweist.
Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Objektive Mikroobjektive sind.
Der erste Strahlteiler kann einen Reflexionsgrad von 5–15% und einen entsprechenden Transmissionsgrad von 85–95% aufweisen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist vorgesehen, dass die zweite Analyseanordnung einen zweiten Strahlteiler zum Aufteilen des zweiten Lichtteils in einen dritten und einen vierten Lichtteil aufweist.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der zweite Strahlteiler einen Reflexionsgrad von 30–45% und einen entsprechenden Transmissionsgrad von 55–70% aufweist.
Die zweite Analyseanordnung kann einen zweiten Filter zur Umwandlung der in dem Mie-Streulicht enthaltenen Frequenzverschiebung in eine Intensitätsverteilung aufweisen.
Es kann vorgesehen sein, dass der erste und/oder der zweite Filter eine molekulare oder eine atomare Absorptionszelle ist.
Der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter kann eine größere Länge und/oder eine höhere Sättigungstemperatur besitzen als der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter und/oder zweite Filter Jod-, Cäsium-, Barium- oder Quecksilberdampf enthält.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter Joddampf, dessen erste Sättigungstemperatur Tsat1 = 60°C und dessen erste Länge L1 = 100 mm beträgt, und enthält der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter Joddampf, dessen zweite Sättigungstemperatur Tsat2 = 25°C und dessen zweite Länge L2 = 50 mm beträgt.
Die erste Analyseanordnung kann eine erste Kamera zur Erfassung des Rayleigh-Streulichts und/oder die zweite Analyseanordnung kann mindestens eine zweite Kamera zur Erfassung des Mie-Streulichts aufweisen, wobei vorzugsweise die zweite Analyseanordnung zwei zweite Kameras aufweist.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann eine zweite Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht einer zweiten Frequenz aufweisen. Dabei kann vorgesehen sein, dass der erste Strahlteiler ein dichroitischer Spiegel ist, der für Laserlicht der ersten Frequenz hochreflektierend und für das Laserlicht der zweiten Frequenz durchlässig ist.
Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung, die zwei Laserlichtquellen zur Erzeugung von Laserlicht einer ersten und einer zweiten Frequenz aufweist, kann vorgesehen sein, dass der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter Joddampf enthält, dessen erste Sättigungstemperatur Tsat1 = 60°C und dessen erste Länge L1 = 100 mm beträgt, und dass der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter Joddampf enthält, dessen zweite Sättigungstemperatur Tsat2 = 60°C und dessen zweite Länge L2 = 50 mm beträgt.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Messvorrichtung eine polarisationserhaltende Lichtleitfaser aufweist, über die das Laserlicht zu dem Messort leitet. Am Messort kann eine Lichtbanderzeugungseinheit angeordnet sein.
Die erste Laserlichtquelle kann Laserlicht mit einer Wellenzahl von 19429,841 1/cm erzeugen und die zweite Laserlichtquelle ein Laserlicht mit einer Wellenzahl von 18787,815 1/cm.
An jeder Laserlichtquelle kann ein Strahlteilerelement zur Abteilung eines Referenzstrahls angeordnet sein.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Objektive der Empfangsoptik in einer Ebene angeordnet sind, die sich parallel zu der Ausbreitungsrichtung des Lasers erstrecken. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Objektive bei einer vektoriellen Lichtschnittrichtung von (1, 0, 0) in eine Blickrichtung der Kameras bestimmenden Winkeln von: α₁ = 45°, β₁ = –45°; α₂ = 135°, β₂ = –45°; α₃ = 90°, β₃ = 135° angeordnet sind.
Mit anderen Worten: Das erste Objektiv besitzt eine Blickrichtung, die in einer horizontalen Ebene, in der die Lichtschnittrichtung angeordnet ist, einen Winkel von 45° zu der Lichtschnittrichtung besitzt und einen Winkel von –45° aus dieser Ebene heraus. Das zweite Objektiv besitzt eine Blickrichtung, die in der horizontalen Ebene der Lichtschnittrichtung in einem Winkel von 135° zu der Lichtschnittrichtung angeordnet ist, und einen Winkel von –45° aus der Ebene heraus aufweist. Das dritte Objektiv besitzt eine Blickrichtung, die in der horizontalen Ebene der Lichtschnittrichtung einen Winkel von 90° besitzt und einen Winkel von 135° aus der Ebene heraus aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Messvorrichtung haben den besonderen Vorteil einer sehr kompakten Messanordnung, die zwei Messverfahren, nämlich das Messverfahren DGV sowie eine gefilterte Rayleigh-Analyse kombiniert. Dabei kann eine vollständige endoskopische Ausführung vorgesehen sein, bei der die empfangenen Signale von den Objektiven über endoskopische Bildleiter zu dem Streulichtanalysator leiten. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Messvorrichtung kommen mit einer minimalen Anzahl von drei gemeinsam benutzten Objektiven in der Empfangsoptik und einem Laserlichtband aus, um den vollständigen Geschwindigkeitsvektor der Strömung und gleichzeitig Temperatur, Druck und Dichte zu messen. Der vorrichtungstechnische Aufwand wird somit gegenüber dem Stand der Technik deutlich verringert. Die Analyse des Rayleigh-Streulichtsignals ist bei der Erfindung auf besonders vorteilhafte Weise möglich, da neben der Filterung des Mie-Streulichtanteils auch eine Berücksichtigung von Frequenzverschiebungen und Fluoreszenzlicht der Empfangsoptik berücksichtigt wird. Dadurch kann eine sehr genaue Analyse des Rayleigh-Streulichtsignals in vorteilhafter Weise erfolgen, ohne dass eine separate Empfangsoptik für dieses Signal notwendig ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Objektive der Empfangsoptik ermöglicht eine Optimierung der Signalstärken, indem die Objektive in einer Ebene angeordnet sind. Für diese Ebene können die optimale Polarisationsrichtung und eine hohe Messempfindlichkeit eingestellt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem Laserlicht mit zwei unterschiedlichen Frequenzen erzeugt wird, kann vorgesehen sein, dass die Laserleistungen der beiden Laserlichtquellen gemessen werden, um für die Bestimmung des Fluoreszenzlichtes eine Normierung auf eventuelle Leistungsunterschiede erfolgen kann.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme der nachfolgenden Figuren das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Messvorrichtung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit einer Laserlichtquelle einer ersten Frequenz,
2 eine Definition der Streugeometrie,
3 eine Prinzipdarstellung des mit der in 1 dargestellten Messvorrichtung durchgeführten erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung mit zwei Laserlichtquellen,
5a u. b eine Prinzipdarstellung des mit der in 4 dargestellten Messvorrichtung durchgeführten erfindungsgemäßen Verfahrens,
6 ein Diagramm zur Ermittlung der Zustandsgrößen p und T und
7a u. b eine Prinzipdarstellung des Frequenz-Scan-Verfahrens.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 schematisch dargestellt. Die Messvorrichtung 1 weist eine erste Laserlichtquelle 101 auf, die ein Laserlicht einer ersten Frequenz f₀ in Form eines monochromatischen linear polarisierten Lichtstrahls 102 erzeugt. Der Lichtstrahl 102 wird mit Hilfe eines Strahlteileelements 103 in einen schwachen Referenzstrahl und einen Messstrahl aufgeteilt. Das Verhältnis zwischen Referenzstrahl und Messstrahl kann beispielsweise 1:100 sein. Der Referenzstrahl wird über eine Einkopplungsvorrichtung 104 in eine Lichtleitfaser 105 geführt und zu einem ein Wellenlängenmessgerät enthaltenen Steuergerät 128 geleitet, das den Laser auf eine von einem Steuerungscomputer 126 vorgegebene Wellenlänge stabilisiert.
Der Messstrahl des Laserlichts wird über eine zweite Einkopplungsvorrichtung 106 in eine polarisationserhaltene Lichtleitfaser 107 eingeleitet. Eine Lichtbanderzeugungseinheit 108 ist am Messort angeordnet und mit der Lichtleitfasereinheit 107 verbunden. Durch eine in der Lichtbanderzeugungseinheit 108 integrierte Aufweitungsoptik (z. B. eine Zylinderlinse, eine Powell-Linse oder einem diffraktiven optischen Element) kann aus dem Laserlicht ein zweidimensionales Lichtband 109 erzeugt werden, das die zu untersuchende Strömung durchquert. Der Beobachtungsbereich der zu untersuchenden Strömung weist ein Messfeld 113 auf, zu dem drei Objektive 110a, 111a und 112a angeordnet sind und das Messfeld 113 des Lichtbandes aus verschiedenen Richtungen beobachten. Dabei bilden die Differenzvektoren aus den Beobachtungsrichtungen o_i = f(α, β) und der Lichtschnittrichtung I ein linear unabhängiges Koordinatensystem. Die Definition der Streugeometrie ist in 2 dargestellt. Als mögliche Anordnung der Objektive können folgende Winkel vorgesehen sein: α₁ = 45°, β₁ = –45°, α2 = 135°, β₂ = 0°, α₃ = 90°, β₃ = 135° und I = (1, 0, 0). Der Index bei der Winkelangabe gibt das entsprechende Objektiv an.
Vor der zweiten Einkopplungsvorrichtung 106 kann ein optisches Element 129 zur Drehung der Polarisationsrichtung des eingestrahlten Laserlichts angeordnet sein. Dies kann beispielsweise eine λ/2-Platte sein. Auf diese Weise lässt sich die Polarisationsrichtung in der Messebene so einstellen, dass die später empfangene Rayleigh-Streulicht-Intensität für alle Beobachtungsrichtungen gleich wird. Der einfallende Laserstrahl ist somit linear polarisiert und wird durch die Richtung des Polarisationsvektors p = f(ϕ) definiert. Für beispielsweise ϕ = –45° ergibt sich eine Rayleigh-Signal-Intensität von 100% der maximal möglichen Intensität für alle drei Beobachtungsrichtungen.
Jeweils an den Objektiven 110a, 111a und 112a ist ein endoskopischer Bildleiter 110b, 111b und 112b angeschlossen, der das empfangene Streulichtsignal zum Streulicht-Analysator 124 leitet. Dort werden die Bildleiterendflächen 114 zusammengeführt und deren Abbildung mit einer Sammellinse 115 in ein paralleles Strahlenbündel transformiert. Dadurch entsteht ein gemeinsames Bild, das aus den Teilbildern, die jeweils aus dem empfangenen Streulichtsignal der einzelnen Objektive 110a, 111a und 112a gebildet sind, erzeugt wird.
Das empfangene Streulichtsignal 114a wird nun durch einen Hintergrundlichtfilter 116, der beispielsweise ein Interferenzfilter mit FHWM = 0,3 nm sein kann, geleitet, wodurch eventuell vorhandenes Hintergrundlicht, beispielsweise Tageslicht oder thermisches Wandleuchten, sowie das von der eingestrahlten Laserfrequenz verschobene inelastische Raman-Streulicht eliminiert wird.
Ein erster Strahlteiler 117, der beispielsweise ein polarisationsunabhängiger Strahlteilungswürfel sein kann, teilt das empfangene Streulichtsignal 114a in einen ersten Lichtteil 301 und einen zweiten Lichtteil 302 auf. Der erste Lichtteil 301 wird in eine erste Analyseanordnung 320 zur Analyse von Rayleigh-Streulicht geleitet. Der zweite Lichtteil 302 wird in eine zweite Analyseanordnung 321 zur Analyse von Mie-Streulicht geleitet. Das Mie-Streulichtsignal weist zumeist gegenüber dem Rayleigh-Streulichtsignal eine höhere Intensität auf, wobei durch die Zugabe von Partikeln zu der Fluidströmung die Intensität des Mie-Streulichts erhöht werden kann. Durch die kontrollierte Zugabe von zusätzlichen Partikeln in die Fluidströmung können beliebige Intensitätsverhältnisse des Mie- zu Rayleigh-Streulichtsignal erzeugt werden. Aufgrund der höheren Intensität des Mie-Streulichtsignals kann der Strahlteiler 117 so ausgebildet sein, dass ein Großteil des empfangenen Streulichtsignals 114a als erster Lichtteil 301 verbleibt. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem der Strahlteiler 117 einen Reflexionsgrad von 5% und einen Transmissionsgrad von 95% besitzt, wobei das transmittierte Licht der Lichtteil 301 ist. Es kann vorgesehen sein, dass die Partikelkonzentration in der Fluidströmung so erhöht ist, dass ohne spektrale Filterung das Rayleigh-Streulichtsignal gegenüber dem Mie-Streulichtsignal vernachlässigbar klein ist (beispielsweise 1: 100–1000).
Der erste Lichtteil 301 wird durch einen ersten Filter 120 geleitet, der als Absorptionszelle ausgebildet ist. Der Filter 120 weist eine hinreichend kleine Transmission zur vollständigen Unterdrückung des Mie-Streulichtsignals im Bereich der ersten Laserfrequenz auf.
Transmissionseigenschaften von molekularen oder atomaren Absorptionszellen, die beispielsweise Jod-, Cäsium-, Barium- oder Quecksilberdampf enthalten können, werden durch die erreichbare Dampfkonzentration und die Zellenlänge bestimmt. Die maximale Dampfkonzentration ist festgelegt durch die notwendige Temperatur, bei der alle molekularen oder atomaren Kristalle der Zellenfüllung im Dampfzustand vorliegen, der sogenannten Sättigungstemperatur Tsat.
Eine mögliche Wahl der Zellenparameter des ersten Filters 120 für Joddampf ist z. B. Tsat1 = 60°C und L1 = 100 mm, wobei das Laserlicht der ersten Frequenz eine Laserwellenzahl von 18788,440 1/cm besitzt.
Die erste Analyseanordnung weist ferner eine erste Kamera 123c auf, die den ersten Lichtteil 301 nach der Filterung durch den Filter 120 aufnimmt. Die erste Kamera 123c ist als Rayleigh-Kamera ausgebildet und kann eine Linse 122c aufweisen.
Der vom ersten Strahlteiler 117 reflektierte zweite Lichtteil 302 wird zu der zweiten Analyseanordnung 321 geleitet. Die zweite Analyseanordnung 321 weist einen zweiten Strahlteiler 118 auf, der den zweiten Lichtteil 302 in einen dritten Lichtteil 303 und einen vierten Lichtteil 304 aufteilt. Der dritte Lichtteil 303 dient dabei zur Analyse des Mie-Streulichtsignals und der vierte Lichtteil 304 wird zu einer Normierungsmessung für das Mie-Streulichtsignal verwendet. Dabei kann der zweite Strahlteiler 118 beispielsweise einen Reflexionsgrad von 65% und einen Transmissionsgrad von 35% aufweisen, wobei der reflektierte Lichtteil der dritte Lichtteil 303 und der transmittierte Lichtteil der vierte Lichtteil 304 ist.
Es hat sich herausgestellt, dass in der Empfangsoptik, insbesondere in den Bildleitern, eine Fluoreszenz auftreten kann, die spektral breitbandig ist. Da dieses Fluoreszenzlicht durch den ersten Filter 120 nicht vollständig herausgefiltert werden kann, kann es notwendig sein, das Rayleigh-Streulichtsignal um einen Fluoreszenzanteil zu korrigieren. Zu diesem Zweck kann der vierte Lichtteil 304 verwendet werden, um das Fluoreszenzlicht zu bestimmen. Dies kann mittels der zweiten Kamera 123a erfolgen.
Der dritte Lichtteil 303 wird durch einen zweiten Filter 121, der als Absorptionszelle ausgebildet sein kann, geleitet. Der zweite Filter 121 in Form einer Absorptionszelle weist dabei eine geringere Sättigungstemperatur und eine kleinere Länge auf als der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter 120.
Der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter 121 kann Joddampf mit einer zweiten Sättigungstemperatur Tsat2 = 25°C und einer zweiten Länge L2 = 50 mm aufweisen. Der zweite Filter wandelt die in dem Mie-Streulichtsignal enthaltene Frequenzverschiebung in eine Intensitätsverteilung um. Zur Analyse des Mie-Streulichtsignals weist die zweite Analyseanordnung zwei zweite Kameras 123a, 123b auf, wobei die zweite Kamera 123a den vierten Lichtteil aufnimmt und als Normierungskamera dient und die weitere zweite Kamera 123b dem vom Filter 121 gefilterten dritten Lichtteil 303 aufnimmt und als Mie-Kamera dient.
Wie aus 3 hervorgeht, kann durch die Wahl des ersten und zweiten Filters 120, 121 erreicht werden, dass bei der ersten Frequenz f₀ des Laserlichts in der ersten Analyseanordnung das Mie-Streulichtsignal nahezu vollständig unterdrückt wird, indem es absorbiert wird, während bei der gleichen Frequenz in der zweiten Analyseanordnung bei der ersten Frequenz eine Flanke der Absorptionslinie liegt, über die das Mie-Streulichtsignal analysiert werden kann. Mit anderen Worten:
Durch die Wahl des ersten und zweiten Filters 120, 121 wird der nutzbare Laserfrequenzbereich des Laserlichts für die Verwendung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung bzw. die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgegeben.
Die von den Kameras 123a, b, c zeitgleich aufgenommenen Bilder werden über einen Steuerungscomputer 126, der auch das Steuergerät 128 der Laserlichtquelle steuert, an einen Auswertungsrechner 127 gesendet. Die in den Bildern enthaltenen Teilbilder der verschiedenen Beobachtungsrichtungen dienen dann zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit V →, dem Druck p, der Temperatur T und der Dichte n.
In 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung bzw. eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Die Messvorrichtung 1 weist zwei Laserquellen 201, 202 zur Erzeugung eines Laserlichts 203 mit einer ersten Frequenz f₁ und Laserlicht 208 mit einer zweiten Frequenz f₂. Das Laserlicht liegt in Form von zwei monochromatischen, linear polarisierten Lichtstrahlen vor. Das Laserlicht 203, 208 wird über zwei Strahlteilelemente 204, 209 in schwache Referenzstrahlen und zwei Hauptstrahlen aufgeteilt. Die Referenzstrahlen werden über jeweils einen Koppler 205 und 210 in zwei Lichtleitfasern 206, 211 eingekoppelt, die mit einem Wellenlängenmessgerät aufweisenden Steuergerät 128 verbunden sind. Über das Steuergerät 128 und die Referenzstrahlen werden die beiden Laser auf die Frequenzen f₁, f₂ stabilisiert.
Die beiden Hauptstrahlen des Laserlichts 203, 208 werden über einen ersten Spiegel 207 und einen zweiten Spiegel 212, wobei der zweite Spiegel 212 durchlässig für das Laserlicht der ersten Frequenz ist, sowie eine Einkopplungsvorrichtung 213 in die Lichtleitfaser 107 eingekoppelt. Genauso wie bei dem in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine λ/2-Platte 129 vorgesehen sein, die zur Einstellung der optimalen Polarisation bezüglich dreier Beobachtungsrichtungen dient.
Die Erzeugung des zweidimensionalen Lichtbandes sowie die Beobachtung des Messfeldes 113 über die drei Objektive 110a, 111a, 112a erfolgt in gleicher Weise wie bei dem in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Auch der Streulicht-Analysator 124 ist in ähnlicher Weise aufgebaut wie der Streulicht-Analysator des Ausführungsbeispiels der 1. Der Streulicht-Analysator 124 im zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich lediglich darin, dass anstelle eines Hintergrundlichtfilters und des ersten Strahlteilers zunächst ein dichroiticher Spiegel 214 angeordnet ist, der für das Laserlicht der Frequenz f₁ der ersten Laserlichtquelle hochreflektierend ist, beispielsweise mit einem Reflexionsgrad > 99% und für das Laserlicht der zweiten Frequenz f₂ der zweiten Laserlichtquelle durchlässig, z. B. mit einem Transmissionsgrad von > 99%. Das empfangene Streulicht wird somit über den dichroitischen Spiegel 214 in den ersten Lichtteil 301 und in den zweiten Lichtteil 302 getrennt. Ferner weisen die erste Analyseanordnung 320 und die zweite Analyseanordnung 321 jeweils einen Interferenzfilter 215 bzw. 216 auf, wobei der Interferenzfilter 215 in der ersten Analyseanordnung Falschlicht und das restliche transmittierte Licht um die Frequenz f₁ eliminiert und der Interferenzfilter 216 in der zweiten Analyseanordnung Falschlicht und Restlicht um die Frequenz f₂ eliminiert.
In der ersten Analyseanordnung 320 ist wiederum ein erster Filter 120 angeordnet, der das in dem ersten Lichtteil 301 enthaltene Mie-Streulichtsignal vollständig unterdrückt. Der gefilterte erste Lichtteil 301 wird wiederum über eine erste Kamera 123c, die mit einer Linse 120c ausgestattet sein kann, aufgenommen.
In der zweiten Analyseanordnung 321 wird der zweite Lichtteil 302 nach der Filterung durch den Interferenzfilter 216 über den zweiten Strahlteiler 118 in den dritten Lichtteil 303 und den vierten Lichtteil 304 aufgeteilt. Der dritte Lichtteil 303 wird genauso wie bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel über einen zweiten Filter 121 gefiltert, wobei die Frequenz f₁ der ersten Laserlichtquelle auf der Absorptionsflanke einer Absorptionslinie des zweiten Filters 121 liegt. Die zweite Frequenz wird so gewählt, dass das Laserlicht dieser Frequenz f₂ in der Mitte einer anderen Absorptionslinie des ersten Filters 120 liegt.
Die entsprechenden Prinzipdarstellungen der beiden Filter 120, 121 für das Verfahren mit zwei Laserlichtquellen zur Erzeugung von Laserlicht in den Frequenzen f₁ und f₂ ist in den entsprechenden 5a, 5b dargestellt. Durch die Verwendung von zwei Laserlichtquellen wird der nutzbare Frequenzbereich der Laserlichtquelle gegenüber der Messvorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren mit nur einer Laserlichtquelle deutlich vergrößert.
In diesem Ausführungsbeispiel enthält der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter Joddampf, dessen erste Sättigungstemperatur Tsat1 = 60°C und dessen erste Länge L1 = 100 mm beträgt, und dass der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter Joddampf enthält, dessen zweite Sättigungstemperatur Tsat2 = 60°C und dessen zweite Länge L2 = 50mm beträgt, und dass das Laserlicht mit der ersten Frequenz f₁ weist eine Wellenzahl von 19429,841 1/cm aufweist und das Laserlicht mit der zweiten Frequenz f₂ eine Wellenzahl von 18787,815 1/cm auf. Beide Frequenzen fallen somit in den Bereich von existierenden Absorptionslinien von Jod.
Die weiteren Teile des in 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 und eines erfindungsgemäßen Verfahrens funktionieren in gleicher Weise wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Der gefilterte erste Lichtteil 301, der zur Bestimmung des Rayleigh-Streulichtsignals verwendet wird, kann sowohl über die von dem Steuergerät 328 über das Wellenlängenmessgerät aufgenommenen Referenzstrahlen als auch über den vierten Lichtteil normiert werden. Bei der Normierung über den vierten Lichtteil kann ein zusätzliches Bild eines geometrischen Streuers, z. B. einer Ulbricht-Kugel erzeugt werden.
Als Kameras 123a, b, c können CCD-Kameras verwendet werden. Es ist besonders vorteilhaft, für die Aufnahme des schwachen gefilterten Rayleighstreulichtsignals 301 als Kamera 123c eine intensivierte CCD oder eine EM-CCD-Kamera zu verwenden.
Der Auswertungsrechner 127 analysiert für eine vorgegebene Anzahl N von Frequenzpunkten jeweils die drei aufgenommenen Teilbilder pro eingestellter Laserfrequenz und bestimmt daraus die Strömungsgeschwindigkeit V, die Temperatur T, den Druck p und die Dichte n für jeden Bildpunkt.
Bei der Auswertung des Rayleigh-Streulichtsignals und des Mie-Streulichtsignals kann wie folgt vorgegangen werden:
Das Mie-Streulicht entsteht bei der Streuung von Licht an Partikeln mit Durchmessern in der Größenordnung der Lichtwellenlänge. Diese Partikel können z. B. Aerosole, Staub oder Rauchteilchen sein, die entweder natürlicherweise schon in der Strömung enthalten sind oder zusätzlich zugegeben werden können (Seeding). Die spektrale Form des Mie-Streulichts folgt der Linienbreite des eingestrahlten Lichts und ist vorzugsweise schmalbandig (< 5 MHz). Aufgrund des Dopplereffektes erreicht das an einem mit der Strömung bewegten Partikel gestreute Licht die Empfangsoptik mit einer Frequenzverschiebung df_i gegenüber der eingestrahlten Frequenz f₀:
Dabei steht c für die Lichtgeschwindigkeit und e_i für den Empfindlichkeitsvektor. Die Messung der Frequenzverschiebung für eine Beobachtungsrichtung über eine geeignete Absorptionsmessung mittels einer molekularen Filterzelle ergibt eine Komponente des Geschwindigkeitsvektors am Messort.
Rayleigh-Streulicht entsteht bei der Streuung von Licht an den Gasmolekülen des zu untersuchenden Mediums. Im Gegensatz zur spektralen Form des Mie-Streulichts ist das Rayleigh-Streulicht aufgrund der überlagerten zufälligen thermischen Bewegung der Gasmoleküle deutlich verbreitert (einige GHz). Die Amplitude ist abhängig von der Anzahl der Moleküle im Messvolumen, die spektrale Breite von der Gastemperatur und die spektrale Linienform vom Druck. Die spektrale Form wird durch das bekannte Tenti S6 Modell hinreichend genau beschrieben. Analog zum Mie-Signal unterliegt auch das Rayleigh-Streulicht einer Frequenzverschiebung aufgrund des Dopplereffektes. Für die gleiche Beobachtungsrichtung o_i und Lichtausbreitungsrichtung I ist die Frequenzverschiebung df_i identisch.
Die Bestimmung des planaren Parametersatzes Strömungsgeschwindigkeitsvektor (3 Komponenten), Temperatur, Druck und Dichte geschieht wie folgt:

• Die drei Beobachtungspositionen o_i werden durch Ausmessen der Objektivpositionen relativ zu einem gemeinsamen Koordinatenursprung in der Messebene bestimmt.
• Die Zuordnung Messposition (x, y, z) – Pixelposition K_i(j, k) geschieht über die Aufnahme eines Kalibrierbildes (z. B. Punktraster) in der Messebene für jede Beobachtungsposition o_i der drei Kamerabilder.
• Die Lichtbandrichtung I(x, y, z) wird durch eine bekannte Streifen-Aufnahme für jede Messposition bestimmt.
• Es werden Hintergrundbilder aufgenommen, um die späteren Signalbilder von eventuell vorhandenem Falschlicht zu bereinigen.
• Für die Rayleighmessung besteht das Hintergrundbild sowohl zur Normierung als auch zur Messung aus einer Aufnahme ohne Laserlicht (d. h. Kamerarauschen, Tageslicht, thermisches Wandleuchten): BR = BR0
• Für die Erfassung des Mie-Streulichts bestehen die Hintergrundbilder zur Normierung für die Mie-Kamera und die Normierungskamera aus einer Aufnahme mit Laserlicht (Falschlicht und zusätzliche Laserreflektionen) der Messfrequenz (f₀ oder f₁) ohne zusätzliche Partikelzugabe bei ruhender Strömung (v = 0 m/s): BM0, BN0
• Für die Erfassung des Mie-Streulichts bestehen die Hintergrundbilder zur Messung für die Mie-Kamera und die Normierungskamera aus einer Aufnahme mit Laserlicht (Falschlicht und zusätzliche Laserreflektionen) der Messfrequenz (f₀ oder f₁) ohne zusätzliche Partikelzugabe bei bewegter Strömung: BM, BN
• Es wird eine Referenzmessung zur Normierung der Signalbilder durchgeführt bei ruhender Strömung und partikelbeladenem Messvolumen und bekannten Zustandsgrößen Temperatur, Druck und Dichte: IR0, IM0, IN0
• In einem letzten Schritt wird bei partikelbeladener und bewegter Strömung analog zur Referenzmessung die eigentliche Messung durchgeführt. Das Mie-Streulicht wird dann von zusätzlich in die Strömung gegebenen Partikeln (Aerosole oder Feststoffpartikel, Seeding, 0,1–1,0 μm Durchmesser) erzeugt. IN, IM, IR
• Alle aufgenommenen Intensitätsbilder werden an den Auswerterechner 127 geleitet und nach einem folgenden Schema bearbeitet.

Beschreibung der Auswertungsprozedur:
Zunächst werden die aufgenommenen Bilder so aufgeteilt, dass die entstehenden Teilbilder die Abbildungen der einzelnen Beobachtungsrichtungen getrennt enthalten. Anschließend werden die zugehörigen Hintergrundbilder von den Signalbildern abgezogen.
Das von den einzelnen Bildleitern 110b, 111b, 112b empfangene Streulicht besteht aus den zwei Anteilen Mie-Streulicht und Rayleigh-Streulicht.
Damit setzt sich die gesamte totale Streulichtintensität I_tot zusammen aus:
Dabei bedeuten C eine geometrische Konstante, I_L die eingestrahlte Laserintensität, V das pro Pixel abgebildete Messvolumen, n_gas die Gasmoleküldichte im Streuvolumen, σ_Ray der Rayleigh-Streuquerschnitt, t(f) die frequenzabhängige Transmission einer Filterzelle, n_par die Dichte der zugesetzten Partikel im Streuvolumen, σ_Mie der Mie-Streuquerschnitt und B eine Hintergrundlichtintensität sowie etwaige Fluoreszenzstrahlung.
Der Einfluss von Fluoreszenzlicht auf das von den Kameras 123a, 123b, 123c detektierte Signal kann nach Abzug der Hintergrundsbildintensität für eine Kamera X wie folgt dargestellt werden:
F_X ist das durch das empfangene Signal erzeugte Fluoreszenzlicht, welches schon vor der Filterung entsteht, proportional zur gesamten Signalintensität ist und somit wegen t(f) = 1 beschrieben wird durch: F_X = C_XI_LV⌊n_gasσ_Ray,tot + n_parσ_Mie⌋·γ_X (Gleichung 2b) mit dem bekannten Zusammenhang σ_Ray,tot = ∫σ_Ray(f)df
Da die Intensität der Normierungskamera (die zweite Kamera 123a) ebenfalls wegen t(f) = 1 gegeben ist durch (Index N für Normierungskamera): I_N = C_NI_LV⌊n_gasσ_Ray,tot + n_parσ_Mie⌋·(1 + γ_N) (Gleichung 2c) gilt für das Fluoreszenzsignal der Rayleigh- und Mie-Kameras 123b, 123c jeweils:
Damit kann auf einfache Art und Weise das Bild der Rayleigh-Kamera 123c durch Abzug des Fluoreszenzlichtanteils korrigiert werden mithilfe des simultan aufgenommenen Normierungsbildes aus der gleichen Empfangsoptik und Kenntnis des Proportionalitätsfaktors α_R, welcher eine pixelabhängige, zeitlich konstante Systemgröße ist und separat durch eine Kalibrierungsmessung bestimmt werden kann.
Dazu werden 2 Aufnahmen einer beliebigen Strömung mit und ohne Zugabe von zusätzlichen Partikeln erstellt. Für die Intensitätsdifferenzen von Normierungskamera 123a (Index N) und Rayleighkamera 123c (Index R) gilt: ΔI_N = C_NI_LVΔn_parσ_Mie·(1 + γ_N) ΔI_R = C_RI_LVΔn_parσ_Mie·γ_R (Gleichumgen 2e, 2f)
Damit ergibt sich der zur Fluoreszenzlichtkorrektur erforderliche Systemparameter:
Für die Miesignal-Kamera 123b und die Normierungs-Kamera 123a sind die Berücksichtigung bzw. Korrektur des Fluoreszenzlichts nicht erforderlich, da die Intensitäten durch das Miesignal die des Fluoreszenzlichts um Größenordnungen überschreiten und dieses daher bei der Analyse des Miesignals zu vernachlässigen ist.
Da der gesamte Rayleigh-Streuquerschnitt die Summe aller Rayleigh-Streuquerschnitte der in der Strömung enthaltenen Spezies ist, muss die Gaszusammensetzung der Strömung bekannt sein (z. B. Luft, adiabatische Flamme, zusätzliche Gasanalytik).
Das gesamte Streulicht wird auf die drei Analysekanäle aufgeteilt.
Das nach Durchgang durch den zweiten Filter 121 (Joddampf) empfangene Licht für jeden Pixel der zweiten Kamera 123b erzeugt ein Intensitätssignal auf jedem der Teilbilder i, welches nach Abzug des Hintergrundbildes BM (enthält mittleres Rayleighsignal) folgende Form hat: I_M,i = C_MI_LVn_parσ_Miet(f₀ + df_i) (Gleichung 3)
Das auf der weiteren zweiten Kamera 123a ohne Filter erzeugte Intensitätssignal lautet nach Abzug des Hintergrundbildes BN: I_N _, _i = C_MI_LVn_parσ_Mie (Gleichung 4)
Damit ergibt sich für den Quotienten für jedes Pixel (n, m):
Durch die Referenzmessung bei ruhender Strömung (df_i = 0) und bekannter Stabilisierungstransmission t₀ = t(f₀) oder bei bewegter Strömung und Stabilisierung auf einer Frequenz mit t₀ = 1 außerhalb der Absorptionslinie ist das Verhältnis der geometrischen Effizienzen beider Signalkanäle bestimmt. Damit kann die eigentliche Transmissionsmessung bei bewegter Strömung und Frequenzstabilisierung im Bereich einer Absorptionslinie zur Bestimmung der Dopplerfrequenzverschiebung benutzt werden (z. B. über eine im Computer gespeicherte vorher aufgenommen Kalibrierungstabelle F, welche eindeutig jeder Transmission eine Frequenz zuordnet): df_i = f_i – f₀ = F(T_i – T₀) (Gleichung 6)
Diese Frequenzverschiebung wird nun pixelweise für jede Beobachtungsrichtung o_i bestimmt und es ergibt sich ein lineares Gleichungssystem für die drei zu bestimmenden Komponenten des Strömungsgeschwindigkeitsvektors. Mithilfe von bekannten Algorithmen kann der Auswertecomputer 127 nun für jeden Pixel den Geschwindigkeitsvektor berechnen.
Die ermittelten Frequenzverschiebungen df_i werden der Rayleigh-Streulicht-Auswertung übergeben.
Der erste Kanal wird zur Bestimmung von Druck, Dichte und Temperatur über das durch den Filter 120 gefilterte Rayleigh-Streulicht benutzt. Die dort empfangene Intensität pro Pixel ist bei hinreichend kleiner Transmission (< 10–7) unabhängig vom Miestreulichtanteil, da dann der zweite Term der rechten Seite in Gleichung 2 gegenüber dem ersten Term vernachlässigbar ist:
Aus der Quotientenbildung von Messsignal I_R und Referenzsignal I_R,0 ergibt sich:
Dieses Verhältnis Q_R,i ist bei bekannter Beobachtungsrichtung o_i und bekanntem Dopplershift df_i, welcher sich für jedes Pixel aus der Transmissionsbestimmung des Miestreulichtes ergibt, nur noch abhängig von den thermodynamischen Zustandsgrößen Teilchenzahl bzw. -dichte, Druck und Temperatur. Eine Reduktion der drei unbekannten Messgrößen ergibt sich durch die Anwendung einer weiteren Zustandsgleichung, wie z. B. dem idealen (oder realen) Gasgesetz:
Damit kann die Teilchenzahl durch Druck und Temperatur ausgedrückt werden und es verbleibt eine Abhängigkeit des Messsignals von Druck und Temperatur. Dies bedeutet, dass zu jedem Quotienten Q_R,i eine Lösungsschar von Druck- und Temperaturwerten (p, T) existiert (Eindeutigkeitsproblem).
Das erfindungsgemäße Verfahren löst dieses Problem durch den Einsatz mehrerer Beobachtungsrichtungen. Ein entsprechendes Beispiel ist in 6 gezeigt. Dabei sind mindestens zwei Positionen i und j notwendig, um aus der Schnittmenge der jeweiligen Lösungsscharen die gesuchten Druck- und Temperaturwerte zu finden. (p, T)_i,j = Q_R,i(p, T) ⋂ Q_R,j(p, T) (Gleichung 10)
Die Verwendung von weiteren Beobachtungsrichtungen erlaubt die Bestimmung von gemeinsamen Lösungen für jeweils zwei unterschiedliche Richtungen, so dass ein aus diesen Kombinationen gemittelter Messwertesatz erzeugt werden kann:
Zuletzt wird nach Gleichung 9 die Dichte berechnet.
Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Messgenauigkeit für zeitlich gemittelte Messungen bietet die Frequenz-Durchstimmung, die sowohl bei der Nutzung eines Lasersystems als auch von zwei Lasersystemen möglich ist. Dieses sogenannte Frequenz-Scan-Verfahren ist in den 7a, b dargestellt.
Diese Methode ist nur für gemittelte aber simultane Messungen geeignet, da die Strömung für die Datenaufnahme bei unterschiedlichen Laserfrequenzen konstant sein muss. Der Vorteil einer Frequenz-Scan-Technik liegt in der erreichbaren höheren Messgenauigkeit, da anstelle einer einzigen Messung von Intensitätsverhältnissen ein spektrales Profil aufgenommen wird.
Dazu werden anstelle von einer Aufnahme bei einer festen Laserfrequenz f₀ mehrere Aufnahmen (2N + 1) bei verschiedenen Laserfrequenzen f(n) = f₀ +/– n·df₀ bzw. zwei Frequenzscans mit f_i(n) = f₁ +/– n·df₁ und f₂(n) = f₂ +/– n·df₂ gemacht. (n = 0, 1, ..., N)
Die Verteilung der 2N + 1 Messfrequenzen wird dabei so gewählt, dass die Frequenzpositionen des aufgrund des Dopplereffektes in der Frequenz verschobenen Mie-Signale f₀ +/– n·df₀ + df_i (bzw. f₁ +/– n·df₁ + df_i für zwei Laser) innerhalb des vollständigen Unterdrückungsbereiches des Filters 120 für das Rayleigh-Streulicht liegt.
An die so aufgenommenen gefilterten Mie-Spektren werden für jede Beobachtungsposition ein kalibriertes und verschobenes Absorptionsspektrum angepasst, so dass als freier Parameter die Dopplerfrequenzverschiebung bestimmt werden kann und der gefilterten Rayleigh-Streulicht-Auswertung übergeben.
Es ist prinzipiell möglich, aus einem gefilterten Rayleigh-Spektrum für eine Beobachtungsrichtung die Frequenzverschiebung und damit eine Geschwindigkeitskomponente zusätzlich zu den thermodynamischen Größen Druck, Temperatur und Dichte zu bestimmen, da für das Frequenz-Scan-Verfahren die Anzahl unabhängiger Datenpunkte größer als die Anzahl der freien Parameter wird. Aufgrund der spektralen Verbreiterung des gefilterten Rayleigh-Streulichts ist die erreichbare Auflösung auf ca. 10 MHz beschränkt. Die Erfassung des Mie-Streulichts ist um eine Größenordnung in der spektralen Auflösung besser (ca. 1 MHz) und somit für die Bestimmung der Frequenzverschiebung vorzuziehen.
Daher werden die mit der Mie-Streulicherfassung bestimmten Frequenzen der Rayleigh-Auswertung übergeben und daraus mit den gefilterten Rayleigh-Spektren für jede Beobachtungsrichtung Druck und Temperatur bestimmt. Eine Mittelung über die thermodynamischen Messgrößen pro Beobachtungsrichtung ergibt wiederum die gemittelten Werte für Druck und Temperatur, aus denen sich dann die Dichte berechnen lässt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein bildgebendes Messsystem, welches in einem einzigen Messvorgang alle drei Komponenten des Geschwindigkeitsvektors und die thermodynamischen Größen Temperatur, Druck und Dichte in einer Messebene, definiert durch die Schnittmenge aus Lichtbandebene und Strömungsvolumen, ermittelt, indem das mit einem oder zwei Lasern über eine Lichtleitfaser im Messvolumen erzeugte Streulicht einer mit zusätzlichen Partikeln beladenen Gasströmung simultan aus mindestens 3 Beobachtungsrichtungen mittels Bildleitern empfangen und zu einem Streulicht-Analysator transportiert wird.
Die mit der Mie-Streulichtanalyse ermittelten geschwindigkeitsabhängigen Frequenzverschiebungen werden zur Auswertung der gefilterten Rayleigh-Signale benutzt und erlauben zusammen mit der Verwendung von verschiedenen simultanen Beobachtungsrichtungen eine eindeutige Bestimmung von Druck, Temperatur und Dichte aus den empfangenen gefilterten Rayleigh-Signalen.
Für beide Systemausführungen (1 bzw. 2 Lasersysteme) kann zusätzlich zur Einzelmessung ein Frequenz-Scan-Verfahren angewendet werden, welches die Genauigkeit für gemittelte – aber immer noch simultan gemessene – Strömungsgrößen erhöht.
Für Umgebungen, in denen eine Beobachtung aus mindestens drei nicht-kollinearen Richtungen nicht möglich ist, können zeitlich gemittelte simultane Kombinationsmessungen durch mindestens drei aufeinander folgende Messungen aus einer Beobachtungsrichtung für drei unterschiedliche Lichtbandrichtungen durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere geeignet, um in allgemeinen gekapselten technischen Strömungen, z. B. allgemeine Rohrströmungen, in einer Messebene Geschwindigkeitsvektor, Druck, Temperatur und Dichte zu bestimmen.
Diese allgemeine Rohrströmung kann z. B.

• die Innenströmung eines Automobil-Zylindermotors
• die Innenströmung eines Flugzeugtriebwerks (z. B. an den Schnittstellen Einlauf-Triebwerksbrennkammer-Turbine)
• das aus der Brennkammer tretende Abgas einer stationären Gasturbinen-Brennkammer
• die Luftströmung eines Windkanals
• die Innenströmung von Heizungs-/Lüftungs-/Klimaanlagen
• die technische Strömung von Maschinen der Verfahrens- und Prozesstechnik (Pulverherstellung, pneumatische Förderung, Syntheseprozesse, Trocknung, Verdampfung, Destillation, usw.) sein.

Claims

Verfahren zur planaren Bestimmung von Zustandsgrößen einer Fluidströmung, unter Verwendung von mindestens einer Laserlichtquelle (101, 201) zur Erzeugung eines Laserlichts (102, 103) einer ersten Frequenz (f₁), das die Fluidströmung durchquert, und einer Empfangsoptik mit mindestens drei Objektiven (110a, 111a, 112a) zum Empfang von Streulicht aus unterschiedlichen Richtungen, wobei mittels der Empfangsoptik ein Streulichtsignal empfangen wird, dadurch gekennzeichnet, dass über das empfangene Streulichtsignal simultan ein Rayleigh-Streulichtsignal und ein Mie-Streulichtsignal bestimmt wird, wobei das empfangene Streulichtsignal in einen ersten Lichtteil (301) zur Erfassung des Rayleigh-Streulichtsignals und einen zweiten Lichtteil (302) zur Erfassung des Mie-Streulichtsignals aufgeteilt wird, und dass der erste Lichtteil (301) vor Erfassung des Rayleigh-Streulichtsignals durch einen ersten Filter (120) zur Filterung des Mie-Streulichtanteils aus dem ersten Lichtteil (301) geleitet wird, wobei der erste Lichtteil zur Bestimmung des Rayleigh-Streulichtsignals von einer ersten Kamera (123c) und dem zweiten Lichtteil zur Bestimmung des Mie-Streulichtsignals von mindestens einer zweiten Kamera (123a, 123b) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgrößen die Strömungsgeschwindigkeit V →, der Druck p, die Temperatur T und/oder die Dichte n sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht in ein zweidimensionales Lichtband (109) aufgeweitet wird, das die Fluidströmung durchquert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Objektive (110a, 111a, 112a) Mikroobjektive verwendet werden und dass das empfangene Streulicht über endoskopische Bildleiter (110b, 111b, 112b), die mit den Mikroobjektiven verbunden sind, geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des zweiten Lichtteils (302) kleiner ist als die des ersten Lichtteils (301).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung des empfangenen Streulichts in den ersten und den zweiten Lichtteil (301, 302) über einen ersten Strahlteiler (117) erfolgt, wobei der erste Strahlteiler (117) einen Reflexionsgrad von 5–15% und einen Transmissionsgrad von 85–95% aufweist, wobei das reflektierte Licht den zweiten Lichtteil (302) und das transmittierte Licht den ersten Lichtteil (301) bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidströmung vor der Bestimmung der Zustandsgrößen Partikel zugegeben werden, wobei durch die Zugabe der Anteil des Mie-Streulichts veränderbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lichtteil (302) in einen dritten und einen vierten Lichtteil (303, 304) aufgeteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung des zweiten Lichtteils in den dritten und vierten Lichtteil (303, 304) über einen zweiten Strahlteiler (118) erfolgt, wobei der zweite Strahlteiler (118) einen Reflexionsgrad von 30–45% und einen Transmissionsgrad von 55–70% aufweist, wobei das reflektierte Licht den dritten Lichtteil (303) und das transmittierte Licht den vierten Lichtteil (304) bildet.
Verfahren nach Anspruch 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Lichtteil (303) durch einen zweiten Filter (121) zur Umwandlung der in dem Mie-Streulichtsignal enthaltenen Frequenzverschiebung in eine Intensitätsverteilung geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Lichtteil (304) zur Normierungsmessung des Mie-Streulichtsignals verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Filter (120, 121) eine molekulare oder eine atomare Absorptionszelle ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter (120) eine größere Länge und/oder eine höhere Sättigungstemperatur besitzt als der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter (121).
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter (120) und/oder zweite Filter (121) Jod-, Cäsium-, Barium- oder Quecksilberdampf enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Laserlichtquelle (202) verwendet wird, die ein Laserlicht (208) mit einer zweiten Frequenz (f₂) erzeugt, wobei das Laserlicht (203, 208) der ersten und der zweiten Frequenz die Fluidströmung durchquert.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das empfangene Streulicht über einen dichroitischen Spiegel in den ersten Lichtteil (301) und den zweiten Lichtteil (302) getrennt wird, wobei der dichroitische Spiegel für das Laserlicht (208) der zweiten Frequenz (f₂) hochreflektierend und für das Laserlicht (203) der ersten Frequenz (f₁) durchlässig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Empfangsoptik entstehendes Fluoreszenzlicht bestimmt wird, wobei das von der ersten Kamera empfangene Signal um einen Fluoreszenzanteil korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Fluoreszenzlichts der vierte Lichtteil (304) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Lichtteil (304) über eine der zweiten Kameras (123a) erfasst wird, wobei vor der Korrektur des von der ersten Kamera (123c) empfangenen Signals ein Proportionalitätsfaktor zwischen der ersten Kamera (123c) und der zweiten Kamera (123a) bestimmt wird.
Messvorrichtung (1) zur Messung von Zustandsgrößen in einer Fluidströmung – mit mindestens einer Laserlichtquelle (101, 201) zur Erzeugung von Laserlicht (102, 203) einer ersten Frequenz (f₁) – mit einer Empfangsoptik zum Empfang von Streulicht, wobei die Empfangsoptik mindestens drei Objektive (110a, 111a, 112a) aufweist, und – einen Streulicht-Analysator (124) zur Analyse des von der Empfangsoptik empfangenen Streulichts, wobei der Streulicht-Analysator eine erste Analyseanordnung (320) zur Analyse von Rayleigh-Streulicht und eine zweite Analyseanordnung (321) zur Analyse von Mie-Streulicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsoptik endoskopische Bildleiter (110b, 111b, 112b) aufweist, die die Objektive (110a, 111a, 112a) mit dem Streulicht-Analysator (124) verbinden, dass vor der ersten und der zweiten Analyseanordnung (321) ein erster Strahlteiler (117) zum Aufteilen des empfangenen Streulichts in einen ersten und einen zweiten Lichtteil (301, 302) angeordnet ist, und dass die erste Analyseanordnung (320) einen Filter zur Filterung des Mie-Streulichtanteils aus dem ersten Lichtteil (301) aufweist.
Messvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahlteiler (117) einen Reflexionsgrad von 5–15% und einen Transmissionsgrad von 85–95% aufweist, und dass die zweite Analyseanordnung (321) einen zweiten Strahlteiler (118) zum Aufteilen des zweiten Lichtteils (302) in einen dritten und einen vierten Lichtteil (303, 304) aufweist, wobei der zweite Strahlteiler (118) einen Reflexionsgrad von 30–45% und einen Transmissionsgrad von 55–70% aufweist.
Messvorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Analyseanordnung (321) einen zweiten Filter (121) zur Umwandlung der in dem Mie-Streulicht enthaltenen Frequenzverschiebung in eine Intensitätsverteilung aufweist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Filter (120, 121) eine molekulare oder eine atomare Absorptionszelle ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter (120) eine größere Länge und/oder eine höhere Sättigungstemperatur besitzt als der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter (121) und/oder dass der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter und/oder zweite Filter (120, 121) Jod-, Cäsium-, Barium- oder Quecksilberdampf enthält.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, gekennzeichnet durch eine zweite Laserlichtquelle (202) zur Erzeugung von Laserlicht einer zweiten Frequenz (f₂).
Messvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahlteiler (117) ein dichroitischer Spiegel ist, der für Laserlicht (203) der ersten Frequenz (f₁) hochreflektierend und für das Laserlicht (208) der zweiten Frequenz (f₂) durchlässig ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektive (110a, 111a, 112a) der Empfangsoptik in einer Ebene angeordnet sind, die sich parallel zu der Ausbreitungsrichtung des Laserlichts erstreckt.
Messvorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektive (110a, 111a, 112a) bei einer vektoriellen Lichtschnittrichtung von (1, 0, 0) in eine Blickrichtung der Kameras bestimmenden Winkeln von: α₁ = 45°, β₁ = –45°; α₂ = 135°, β₂ = –45°; α₃ = 90°, β₃ = 135°.