DE102015117131B4

DE102015117131B4 - Laser-Durchflussmessgerät, Verfahren zum Kalibrieren des Laser-Durchflussmessgeräts und Verfahren zum Messen eines Durchflusses mit dem Laser-Durchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102015117131B4
Application number: DE102015117131.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Juling; Jonas Steinbock; Thomas Lederer
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertr Durch Das Bundesministerium fur Wirtsch und Energie Dieses Vertret; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertr Durch Das Bundesministerium fur Wirtsch und Energie Dieses Vertret; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Priority date: 2015-10-07
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2021-07-01
Anticipated expiration: 2035-10-08
Also published as: DE102015117131A1

Abstract

Laser-Durchflussmessgerät mit(i) einer Durchleitung (12) zum Durchleiten eines Fluids, dessen Durchfluss (Q) zu bestimmen ist, in einer Strömungsrichtung (R), und(ii) einer Laserlichtquelle (14), die eingerichtet ist zum Erzeugen von zwei Laserstrahlen (20, 22), die einander in einem Lichtfeld (24) überlagern und ein Interferenzmuster bilden, aus dem eine Partikelgeschwindigkeit (v) im Fluid ermittelbar ist, gekennzeichnet durch(iii) ein Laserstrahlverlauf-Messgerät (16), mittels dem ein realer Laserstrahlverlauf (20a, 22a) von jedem der zwei Laserstrahlen (20, 22) in einem Strahlverlauf hinter der Durchleitung (12) messbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laser-Durchflussmessgerät mit (i) einer Durchleitung zum Durchleiten eines Fluids, dessen Durchfluss zu bestimmen ist, in einer Strömungsrichtung, und (ii) einer Laserlichtquelle, die eingerichtet ist zum Erzeugen von zwei Laserstrahlen, die einander in einem Lichtfeld überlagern und ein Interferenzmuster bilden, aus dem eine Partikelgeschwindigkeit im Fluid ermittelbar ist. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren eines Laser-Durchflussmessgerätes. Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen eines Durchflusses mit dem Laser-Durchflussmessgerät.
Laser-Durchflussmessgeräte dienen der berührungsfreien Durchflussmessung. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, dass Fluide in der Regel Partikel mit sich führen, die Laserlicht streuen. Durch Überlagerung zweier kohärenter Laserstrahlen wird ein Messgebiet geschaffen, in dem die Laserstrahlen ein Interferenzmuster ausbilden, in denen die Partikel das Laserlicht streuen. Da die beiden Laserstrahlen unter einem Winkel zueinander verlaufen, ergeben sich zwei Doppler-Verschiebungen, die miteinander gemischt werden können und dann eine Verschiebungsfrequenz ergeben, die der Doppler-Frequenz entspricht. Auf diese Weise wird eine Frequenz erhalten, die mit hoher Genauigkeit ausgewertet werden kann. So wird die Geschwindigkeit der Partikel im Lichtfeld erhalten. Um den Durchfluss zu berechnen, wird diese Messung an einer Vielzahl von Positionen in der Durchleitung auf einem Messgitter in der Querschnittsebene der Durchleitung durchgeführt und daraus der Durchfluss berechnet.
Aus der DE 10 2006 039 489 B3 ist ein Verfahren zur Messung der Geschwindigkeitsverteilung in einem Durchflussmessgerät bekannt, wobei mittels Strahlverfolgungsrechnung berechnet wird, auf welche Position die Lichtquelle zu bündeln ist, damit der Überlagerungsbereich der beiden Lichtstrahlen an einer vorgegebenen Stelle ist. Nachteilig an einem derartigen Verfahren ist, dass diejenigen Materialparameter gut bekannt sein müssen, die in die Strahlverfolgungsrechnung eingehen. Das aber ist aufwendig und erhöht die Messunsicherheit.
Aus der DE 10 2014 011 480 B3 ist ein Verfahren zum Kalibrieren eines Teilchen-Veluzimenters bekannt, bei dem die Lage des Überlagerungsbereichs innerhalb der Durchleitung mittels zwei Kameras erfasst wird. Zudem werden Markierungen innerhalb der Durchleitung angepeilt und aus den so gewonnen Daten zusammen mit den Bildern die Position der Lichtquelle bestimmt, an dem die Lichtquelle positioniert werden muss, damit sich der Überlagerungsbereich an einem vorgegebenen Punkt befindet.
Die DE 10 2014 205 882 B3 betrifft ein gattungsgemäßes Laser-Durchflussmessgerät mit einer Durchleitung zum Durchleiten eines Fluids, dessen Durchleitung an zumindest drei Stellen eine Markierung aufweist. Die Laserlichtquelle ist relativ zur Durchleitung quer zur Strömungsrichtung verfahrbar. Das Laser-Durchflussmessgerät weist eine Positions-Messvorrichtung auf, mittels der eine Laserlichtquellen-Position der Laserlichtquelle relativ zur Markierung messbar ist.
Nachteilig an dem bekannten Laser-Durchflussmessgerät ist, dass die Partikelgeschwindigkeit von der Position im Rohr, insbesondere der radialen Position, abhängt und dass diese Position nur relativ zu den Markierungen gemessen werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Messgenauigkeit bei der Laser-Durchflussmessung, insbesondere durch eine genauere Bestimmung der radialen Position des Messgebiets, zu verbessern.
Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes Laser-Durchflussmessgerät, das ein Laserstrahlverlauf-Messgerät aufweist, mittels dem ein realer Laserstrahlverlauf von jedem der zwei Laserstrahlen in einem Strahlverlauf hinter der Durchleitung messbar ist. Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 6. Gemäß einem dritten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 7.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass die Lage des Lichtfelds, an der gemessen wird, sehr genau bestimmt werden kann. Hierfür werden zunächst mittels des Laserstrahlverlauf-Messgeräts die realen Laserstrahlverläufe von einem ersten Laserstrahl und einem zweiten Laserstrahl in einem Strahlverlauf hinter der Durchleitung präzise gemessen. Zudem werden theoretische Laserstrahlverläufe auf Basis von Anfangsparametern berechnet. Die Anfangsparameter umfassen beispielsweise die Brechungsindices der beteiligten Materialien und Medien und/oder geometrische Abmessungen der Durchleitung, wie Abstände oder Wanddicken.
Die Anfangsparameter sind aber häufig nur ungenau bekannt. Daher wird die Laserlichtquelle auf zumindest eine Laserlichtquellen-Position positioniert und jeweils die Abweichung zwischen zumindest einem realen Laserstrahlverlauf und dem dazu korrespondierenden zumindest einen theoretischen Laserstrahlverlauf bestimmt. Werden mehrere Laserlichtquellen-Positionen angefahren, ergeben sich mehrere Abweichungen, aus denen eine Abweichung, die auch Gesamt-Abweichung genannt werden könnte, berechnet wird. Beispielsweise werden die einzelnen Abweichungen aufsummiert.
Diese Abweichung hängt von den Anfangsparametern ab. Die Anfangsparameter werden dann so verändert, dass die Abweichung minimiert wird. Das kann beispielsweise durch einen Levenberg-Marquardt-Algorithmus erfolgen. So werden Arbeitsparameter erhalten. Anhand der Arbeitsparameter kann aus der Position der Laserlichtquelle durch Strahlverfolgungsrechnung die Lage des Lichtfelds berechnet werden.
Es ist in anderen Worten möglich, aus den realen Laserstrahlverläufen, die außerhalb der Durchleitung gemessen werden, und ohne genaue A-priori-Kenntnis der Anfangsparameter, die exakte Lage des Lichtfelds innerhalb der Durchleitung zu berechnen. Das erhöht die Messgenauigkeit.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Wandstärke und der Brechungsindex der Durchleitung, die vorzugsweise durch ein Rohr mit konstanter Wanddicke und konstantem Brechungsindex gebildet ist, vorab nur grob bekannt sein müssen.
Ändert sich die Temperatur des Fluids, so ändert sich dessen Brechungsindex. Anders als im Stand der Technik reicht eine erneute Kalibrierung, um Messfehler zu vermeiden. Insbesondere ist es also möglich den Brechungsindex des Fluids, bei dem es sich meist um Wasser handelt, zu bestimmen, ohne dessen Temperatur, Druck oder Zusammensetzung kennen zu müssen.
Darüber hinaus kann das Laser-Durchflussmessgerät während einer Durchflussmessung zur Temperaturmessung verwendet werden, wenn der Druck und die Zusammensetzung des Fluids konstant sind und die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Temperatur bekannt ist. Vorzugsweise besitzt das Laser-Durchflussmessgerät eine Ansteuereinheit, die einen digitalen Speicher, in dem diese Abhängigkeit tabelliert ist, und eine Recheneinheit aufweist, in der aus dem berechneten Brechungsindex die Temperatur berechnet wird.
Vorteilhaft ist zudem, dass eine Kalibrierung an einem Durchflussnormal entbehrlich ist. Zur Messung ist lediglich notwendig, ein erfindungsgemäßes Laser-Durchflussmessgerät an der Rohrleitung zu installieren, in der das Fluid fließt, dessen Durchfluss zu bestimmen ist. Nach Einbau wird eine Laserlichtquellen-Positioniervorrichtung kalibriert. Mittels der genau bekannten Position der Laserlichtquelle und der Arbeitsparameter können die theoretischen Laserstrahlverläufe genau berechnet werden. Damit ist die Lage des Lichtfelds bekannt, an der die Partikelgeschwindigkeit ermittelt wird. Für die Berechnung des Durchflusses ist daher keine Kalibrierung an einem Durchflussnormal nötig. Das erfindungsgemäße Laser-Durchflussmessgerät ist damit auch für eine Massenanwendung geeignet.
Vorteilhaft ist zudem, dass die Kalibrierung automatisiert durchgeführt werden kann. Es ist daher möglich und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, die Kalibrierung in regelmäßigen Zeitabschnitten automatisiert durchzuführen, was die erreichbare Messgenauigkeit weiter erhöht. Insbesondere vorteilhaft ist, dass auch bereits während der Messung einer Partikelgeschwindigkeit ein Abgleich zwischen den realen Laserstrahlverläufen und theoretischen Laserstrahlverläufen erfolgen kann und damit während der Messung gegebenenfalls die Werte der Anfangsparameter angepasst werden können.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter der Durchleitung insbesondere eine Vorrichtung verstanden, die so transparent ist, dass das Laserlicht der Laserlichtquelle diese passieren kann. Besonders günstig ist es, wenn die Durchleitung ein transparentes Rohr und eine Druckkammer aufweist, die mit Druck beaufschlagt werden kann, sodass der Druck im Rohr und der das Rohr umgebende Druck gleich sind. Das Rohr ist dann im Kräftegleichgewicht und deformiert sich nicht, auch wenn sich der Druck im Rohr ändert.
Unter dem Kalibrieren wird insbesondere ein Kalibrieren der Messgerät-Positioniervorrichtung verstanden, sodass eine Position des Lichtfelds in der Durchleitung kalibrierbar ist.
Vorzugsweise umfasst das Laser-Durchflussmessgerät einen Drucksensor zum Erfassen eines Fluiddrucks im Rohr und eine Druckregelvorrichtung, die auch so ausgebildet ist, dass der Druck der Druckkammer stets dem Druck im Rohr entspricht. Sofern das zu vermessende Fluid dafür geeignet ist, kann beispielsweise das Rohr eine Öffnung aufweisen, sodass in der Druckkammer zwangsläufig der gleiche Druck herrscht wie im Rohr.
Unter der Laserlichtquelle wird insbesondere eine Quelle verstanden, die zumindest zwei zueinander kohärente Laserstrahlen abgibt. Jeder Laserstrahl hat einen Strahlwinkel zu einer optischen Achse der Laserlichtquelle, wobei diese optische Achse der Mittelhalbierenden zwischen den beiden Laserstrahlen entspricht.
Unter einem Laserstrahlverlauf-Messgerät wird insbesondere eine CCD-Kamera mit mehreren Neutraldichte-Filtern verstanden, mittels der eine Intensitätsverteilung des Laserstrahls messbar ist. Über eine anschließende Anpassung eines 2D-Gaußverlaufs über die Intensitätsverteilung des Laserstrahls, ist ein Mittelpunkt des Laserstrahls präzise bestimmbar. Mittels der CCD-Kamera kann damit mittels Messung der Intensitätsverteilung an zumindest zwei Stellen im Laserstrahlverlauf, der reale Laserstrahlverlauf eines Laserstrahls in einem Strahlverlauf hinter der Durchleitung genau bestimmt und dem Kalibrierverfahren zugrunde gelegt werden.
Vorzugsweise weist das Laser-Durchflussmessgerät eine Messgerät-Positioniervorrichtung auf, mittels der das Laserstrahlverlauf-Messgerät automatisch auf eine vorgegebene Position relativ zur Laserlichtquelle positionierbar ist. Aufgrund der automatisch positionierbaren Laserlichtquelle-Positioniervorrichtung sowie der Messgerät-Positioniervorrichtung wird vorteilhafterweise erreicht, dass verschiedene Messpunkte schnell und präzise angefahren werden können.
Vorzugweise weist das Laserstrahlverlauf-Messgerät einen Hartmann-Shack-Sensor auf. Der Vorteil eines derartigen Sensors liegt darin, dass der Verlauf eines Laserstrahls mit nur einer Messung und damit besonders schnell bestimmt werden kann. Mit einer herkömmlichen CCD-Kamera sind hierzu mindestens zwei Messungen zur Bestimmung eines Anfangspunktes und eines Richtungsvektors nötig.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Laser-Durchflussmessgerät eine elektrische Ansteuereinheit, die eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten (i) Positionieren der Laserlichtquelle auf eine Laserlichtquellen-Position, (ii) Ermitteln des realen Laserstrahlverlaufs zumindest eines der Laserstrahlen im Strahlverlauf hinter der Durchleitung, (iii) zumindest einmaliges Wiederholen der Schritte (i) und (ii), (iv) Berechnen eines theoretischen Laserstrahlverlaufs von jedem der zwei Laserstrahlen auf Basis von Anfangsparametern, (v) Anpassen der Anfangsparameter, sodass eine Abweichung zwischen den realen Laserstrahlverläufen und den theoretischen Laserstrahlverläufen minimiert wird, so dass Arbeitsparameter erhalten werden, mittels deren aus einer Position der Laserlichtquelle die Lage des Lichtfelds berechenbar ist.
Um die Anfangsparameter durch Anpassen in Arbeitsparameter zu überführen, werden die Schritte (i) und (ii) solange wiederholt, bis genügend Daten zur genauen Bestimmung der Arbeitsparameter vorliegen. Die Berechnung eines theoretischen Laserstrahlverlaufs erfolgt beispielsweise ausgehend von der Position der Laserlichtquelle mit Hilfe von Geradengleichungen und dem Snelliusschem Brechungsgesetz.
Vorzugsweise ist das Laser-Durchflussmessgerät eingerichtet zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten (i) Berechnen einer Lage des Lichtfelds anhand der Arbeitsparameter, (ii) Messen der Partikelgeschwindigkeit entlang einer Längsachse der Durchleitung mittels der Laserlichtquelle an der berechneten Lage des Lichtfeldes, (iii) Wiederholen der Schritte (i) und (ii), sodass ein Datensatz an Partikelgeschwindigkeiten erhalten wird, und (iv) Berechnen des Durchflusses aus dem Datensatz an Partikelgeschwindigkeiten. Aufgrund der sehr präzise angepassten Arbeitsparameter hat dieses Laser-Durchflussmessgerät eine besonders hohe Messgenauigkeit. Unter dem Merkmal, dass die Partikelgeschwindigkeit entlang der Längsachse gemessen wird, wird insbesondere verstanden, dass zumindest eine Geschwindigkeitskomponente ermittelt wird, die parallel zur Längsachse verläuft. Diese Messung wird vorzugsweise für eine Vielzahl an Messpositionen durchgeführt, die über den Querschnitt der Durchleitung verteilt sind. Die Messpunkte bilden dann ein Messgitter.
Vorzugsweise werden die realen Laserstrahlverläufe kontinuierlich gemessen, wenn die Laserlichtquelle zum Bestimmen der Partikelgeschwindigkeit auf verschiedene Positionen gebracht wird, wobei die Arbeitsparameter angepasst werden, wenn die Abweichung zwischen realen und auf Basis der momentanen Arbeitsparameter berechneten theoretischen Laserstrahlverläufe einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet. Auf diese Weise wird das Laser-Durchflussmessgerät quasi kontinuierlich kalibriert.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren eines Laser-Durchflussmessgeräts, das (i) eine Durchleitung zum Durchleiten eines Fluids, dessen Durchfluss zu bestimmen ist, in einer Strömungsrichtung , (ii) eine Laserlichtquelle, die eingerichtet ist zum Erzeugen von zwei Laserstrahlen, die einander in einem Lichtfeld überlagern und ein Interferenzmuster bilden, mittels dem eine Partikelgeschwindigkeit im Fluid ermittelbar ist, und (iii) eine elektrische Ansteuereinheit aufweist, mit den Schritten (a) automatisches Ermitteln eines realen Laserstrahlverlaufs von jedem der zwei Laserstrahlen im Strahlverlauf hinter der Durchleitung, (b) Berechnen eines theoretischen Laserstrahlverlaufs von jedem der zwei Laserstrahlen auf Basis von Anfangsparametern, (c) Berechnen einer Abweichung zwischen dem realen Laserstrahlverlauf und dem theoretischen Laserstrahlverlauf von jedem der zwei Laserstrahlen, und (d) Anpassen der Anfangsparameter oder der Arbeitsparameter zum Minimieren der Abweichung, so dass Arbeitsparameter erhalten werden, mittels derer aus einer Position der Laserlichtquelle die Lage des Lichtfelds berechenbar ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Laser-Durchflussmessgeräts,
2a Laserstrahlverläufe und Lage des Lichtfelds in x-Richtung bei ungenauen Anfangsparametern,
2b Laserstrahlverläufe und Lage des Lichtfelds in x-Richtung bei noch nicht vollständig angepassten Anfangsparametern,
2c Laserstrahlverläufe und Lage des Lichtfelds in x-Richtung bei Arbeitsparametern,
3 Laserstrahlrückverfolgung mit Anfangsparametern und
4 das Anfahren einer vorgegebenen Ziel-Lage des Lichtfelds in einem vorgegebenen Messgitter.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Laser-Durchflussmessgerät 10, das eine Durchleitung 12, eine Laserlichtquelle 14 und ein Laserstrahlverlauf-Messgerät 16 aufweist. Die Durchleitung 12 besteht aus einem transparenten Rohr 18, das in einer Druckkammer 19 angeordnet ist. Die Druckkammer 19 ist so ausgebildet, dass in ihr stets der gleiche Druck herrscht wie im Inneren des Rohrs 18, so dass eine Druckdifferenz zwischen einer Außenseite des Rohrs 18 und einer Innenseite des Rohrs 18 in hinreichend guter Annäherung null ist.
Die Laserlichtquelle 14 erzeugt im Betrieb einen ersten Laserstrahl 20 und einen zweiten Laserstrahl 22, die einander in einem Lichtfeld 24 überlagern. Da die Laserstrahlen 20, 22 aus kohärentem Licht bestehen und beispielsweise aus einem Laserstrahl durch Strahlteilung erzeugt worden sind, bildet sich im Lichtfeld 24 ein Interferenzmuster aus. Das Rohr 18 ist aus einem Material hergestellt, das für das Laserlicht und das durch die Dopplerverschiebung entstehende Streulicht hinreichend transparent ist. Beispielsweise ist das Rohr 18 aus Glas aufgebaut.
Das Laser-Durchflussmessgerät 10 umfasst eine Laserlichtquellen-Positioniervorrichtung 30, die im vorliegenden Fall einen ersten Lineartisch 30a, mittels dem die Laserlichtquelle 14 in einer x-Richtung verfahrbar ist, und einen zweiten Lineartisch 30b zum Verfahren der Laserlichtquelle 14 in eine zur x-Richtung senkrechten y-Richtung aufweist. Die Laserlichtquellen-Positioniervorrichtung 30 besitzt zudem einen dritten Lineartisch 30c zum Verfahren der Laserlichtquelle 14 in einer z-Richtung, die senkrecht auf der x- und der y-Richtung steht. Die y-Richtung verläuft parallel zu einer Längsachse L des Rohrs 18.
Das Laser-Durchflussmessgerät 10 weist weiterhin eine Messgerät-Positioniervorrichtung 32 auf, die einen ersten Lineartisch 32a, einen zweiten Lineartisch 32b und einen dritten Lineartisch 32c aufweist, mittels der das Laserstrahlverlauf-Messgerät 16 relativ zur Laserlichtquelle 14 positionierbar ist.
Die Druckkammer 19 besitzt zwei schematisch eingezeichnete Fenster 26, durch die die Laserstrahlen 20, 22 auf das Rohr 18 fallen und es auf der gegenüber liegenden Seite in Richtung des Laserstrahlverlauf-Messgeräts 16 wieder verlassen. Es ist zu erkennen, dass der zweite Laserstrahl 22, nachdem dieser die Druckkammer 19 über das Fenster 26 verlassen hat, auf das Laserstrahlverlauf-Messgerät 16 trifft.
Schematisch eingezeichnet ist eine elektrische Ansteuereinheit 40. Die Ansteuereinheit 40 ist mit schematisch eingezeichneten Stellmotoren 42a, 44a und 46a der Lineartische 30a, 30b und 30c der Laserlichtquellen-Positioniervorrichtung 30 zum Ansteuern verbunden. Die Ansteuereinheit 40 ist zudem mit schematisch eingezeichneten Stellmotoren 42b, 44b und 46b der Lineartische 32a, 32b und 32c der Messgerät-Positioniervorrichtung 32 zum Ansteuern verbunden. Mittels der Ansteuereinheit 40 kann die Laserlichtquelle 14 auf eine vorgebbare Position P₁₄(x,y,z) und das Laserstrahlverlauf-Messgerät 16 auf je eine vorgebbare Position P₁₆(x,y,z) gebracht werden. Dazu sind die Laserlichtquellen-Positioniervorrichtung 30 und die Messgerät-Positioniervorrichtung 32 kalibriert worden.
Die Positionen P₁₄(x,y,z) und P₁(x,y,z) können in einem Koordinatensystem oder in ineinander umrechenbaren Koordinatensystemen angegeben werden. Die Position der Durchleitung 12 ist bekannt.
Die 2a bis 2c zeigen die Bestimmung der Lage des Lichtfelds 24 in x-Richtung bei einer Kalibrierung. Die Laserlichtquelle 14 ist so positioniert, dass das Lichtfeld 24 an einer beliebigen Position innerhalb der Durchleitung 12 liegt. Anschließend wird das nicht dargestellte Laserstrahlverlauf-Messgerät relativ zur Laserlichtquelle 14 so positioniert, dass die Lichtintensität der Laserstrahlen 20, 22 in drei Sensorebenen S₁, S₂, S₃ gemessen werden können. Aus diesen Messwerten werden die realen Laserstrahlverläufe 20a, 22a bestimmt. Es ist lediglich ein Abschnitt der Durchleitung 12 dargestellt, so dass der linke und rechte Rand der Durchleitung 12 durch die Fenster 26 gebildet werden.
Zur Berechnung der theoretischen Laserstrahlverläufe 20b, 22b werden Anfangsparameter p_i,Anf. herangezogen. Die theoretischen Laserstrahlverläufe 20b, 22b haben jeweils einen Abstand von den realen Laserstrahlverläufen 20a, 22a, der berechnet und gespeichert wird. Nachfolgend wird die Laserlichtquelle 14 sukzessive auf eine Vielzahl anderer Positionen P_14,i(x,y,z) (i=1, 2, ...) gebracht und jeweils die Abstände bestimmt. Aus allen Abständen wird durch Aufsummieren die Abweichung errechnet.
Nachfolgend werden die Anfangsparameter p_i,Anf. s, beispielsweise mittels dem Levenberg-Marquardt-Algorithmus, so verändert, dass die Abweichung A minimal wird und die theoretischen Laserstrahlverläufe 20b, 22b im Wesentlichen den realen Laserstrahlverläufen 20a, 22a entsprechen. Die Anfangsparameter p_i,Anf. werden so zu Arbeitsparametern pi. Aus dem Schnittpunkt der theoretischen Laserstrahlverläufe 20b, 22b kann dann die Lage des Lichtfelds 24 präzise berechnet werden.

Ein Berechnungsbeispiel zur Berechnung der theoretischen Laserstrahlverläufe 20b, 22b auf Basis von Anfangsparametern p_i,Anf. soll unter zu Hilfenahme von 3 gegeben werden. Der Berechnung werden die folgenden Anfangsparameter p_i,Anf. zu Grunde gelegt:

p_1,Anf. -	Abstand E₁ zwischen Laserlichtquelle 14 und einer Außenseite des Fensters 26 in der Durchleitung 12
p_2,Anf. -	Brechungsindex n₁ von Luft
p_3,Anf. -	Glasdicke E₂ des Fensters 26
p_4Anf. -	Brechungsindex n₂ von dem Glas des Fensters 26
p_5.Anf. -	Abstand E₃ zwischen einer Innenseite des Fensters 26 und einer Außenseite des Rohres 18
p_6,Anf. -	Brechungsindex n₃ von Wasser in der Druckkammer 19
p_7,Anf. -	Glasdicke E₄ des Rohres 18
p_8,Anf. -	Brechungsindex n₄ von dem Glas des Rohres 18
p_9,Anf. -	Abstand E₅ zwischen zwei Innenseiten des Rohres 18
p_10,Anf. -	Brechungsindex n₅ von dem Wasser im Rohr 18
p_11,Anf. -	Glasdicke E₆ des Rohres 18
p_12,Anf. -	Brechungsindex n₆ von dem Glas des Rohres 18
p_13,Anf. -	Abstand E₆ zwischen einer Außenseite des Rohres 18 und einer Innenseite des Fensters 26
p_14,Anf. -	Brechungsindex n₇ von Wasser in der Druckkammer
P_15,Anf. -	Glasdicke E₇ des Fensters 26
p_16,Anf. -	Brechungsindex n₈ von dem Glas des Fensters 26
p_17,Anf. -	Brechungsindex n₉ von Luft

Wenn die Brechungsindices n₁ - n₉ nicht bekannt sind, können diese entweder näherungsweise angenommen oder im Vorfeld bestimmt werden. Es ist nicht zwingend notwendig, die Anfangsparameter p_i,Anf. genau zu kennen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, die Anfangsparameter p_i,Anf. auch während der Messung in präzise Arbeitsparameter pi überführen zu können.
Auf Grundlage des Snellius'schen Brechungsgesetzes und den verfügbaren Werten der Anfangsparameter p_i,Anf. wird eine Strahlverfolgungsrechnung durchgeführt. Hierzu werden die realen Laserstrahlverläufe 20a, 22a mit theoretischen Laserstrahlverläufen 20b, 22b nachgebildet. Ein theoretischer Laserstrahlverlauf 20b, 22b verläuft zunächst ausgehend von der Laserlichtquelle 14 in einem bekannten Eintrittswinkel φ₁ durch ein Medium, beispielsweise Luft mit einem Brechungsindex n₁. Dann trifft der Laserstrahl in dem Eintrittswinkel φ₁ auf das mit Abstand E₁ zur Laserlichtquelle 14 beabstandete Fenster 26. Eine genaue Eintrittsstelle auf dem Fenster 26 kann aus dem Eintrittswinkel φ₁ und dem Abstand E₁ berechnet werden. Das Fenster 26 besteht aus Glas der Dicke E₂ und dem Brechungsindex n₂. Mit Hilfe des Brechungsgesetzes kann nun ein Austrittswinkel φ₂ ausgehend von der Eintrittsstelle auf einer Außenseite des Fensters 26 berechnet werden, unter dem der Laserstrahl 20b, 22b das Glas durchläuft. Aus der Dicke des Glases E₂ und dem Austrittswinkel φ₂ wird die Austrittsstelle des Laserstrahls 20b, 22b aus dem Glas des Fensters 26 berechnet.
Dieses Vorgehen wird für den weiteren Strahlverlauf fortgesetzt, sodass ein theoretischer Laserstrahlverlauf 20b, 22b von jedem der zwei Laserstrahlen erhalten wird. Über eine Schnittpunktberechnung der beiden theoretischen Laserstrahlen 20b, 22b wird die Lage des Lichtfelds 24 berechnet. Die Anfangsparameter p_i,Anf. ergeben noch zu ungenaue theoretische Laserstrahlverläufe, wie an der Abweichung A erkennbar ist. Die berechnete Lage des Lichtfelds 24 entspricht dann noch nicht einer wahren Lage. Eine weitere Anpassung der Anfangsparameter p_i,Anf. ist notwendig.
In 4 ist das präzise Anfahren einer vorgegebenen Ziel-Lage Z in einem vorgegebenen Messgitter veranschaulicht. Das Messgitter liegt in der x-z Ebene und besteht aus 4x4 Messpunkten, die in einem quadratförmigen Messgitter verteilt sind. Es können auch andere, beispielsweise kreisförmige, Messgitter vorgesehen sein. Die Ziel-Lage Z eines jeden Messpunktes ist damit durch Zielkoordinaten innerhalb des Rohres 18 genau festgelegt.
Mit Hilfe der Anfangsparameter p_i,Anf. werden zwei theoretische Laserstrahlverläufe berechnet. Aufgrund der Ansicht ist nur ein theoretischer Laserstrahlverlauf 20b dargestellt. Die theoretischen Laserstrahlverläufe überlagern sich in einem Lichtfeld 24, welches aber nicht an der vorgegebenen Ziel-Lage Z liegt. Während der Messung einer Partikelgeschwindigkeit v kann aufgrund der Abweichung A festgestellt werden, dass noch nicht an der vorgegebenen Ziel-Lage Z gemessen wird. Das bedeutet, dass der Wert für zumindest einen der Anfangsparameter p_i,Anf. nicht präzise genug ist. Durch Anpassung der Anfangsparameter p_i,Anf. wird der Verlauf der theoretischen Laserstrahlen präziser und dadurch die Lage des Lichtfelds 24 an die Ziel-Lage Z angepasst, bis diese im Wesentlichen übereinstimmen.
Wenn die Abweichung A kleiner einem vorgegebenen Maximalwert ist, die Lage des Lichtfelds 24 aber noch nicht der Ziel-Lage Z entspricht, muss die Laserlichtquelle 14 über die Laserlichtquellen-Positioniervorrichtung neu positioniert werden. Mit der neuen Position ergeben sich neue Laserstrahlverläufe 20a, 22a. Wenn die Ziel-Lage Z erreicht wurde, kann überprüft werden, ob die Abweichung A noch kleiner dem vorgegebenen Maximalwert ist. Gegebenenfalls müssen die Anfangsparameter p_i,Anf. korrigiert und die Laserlichtquelle 14 dann wieder neu positioniert werden, so lange bis sich das Lichtfeld 24 in der Ziel-Lage Z befindet. Die Ziel-Lage Z ist dann unter Verwendung eines kalibrierten Laser-Durchflussmessgeräts 10 präzise angefahren.
Zum Messen eines Durchflusses Q wird die Partikelgeschwindigkeit v für eine Mehrzahl an Ziel-Lagen in dem vorgegebenen Messgitter im Rohr 18 ermittelt und durch Aufsummieren der Teilvolumenströme der Durchfluss Q ermittelt. Dieses Verfahren gehört zum Stand der Technik und wird daher nicht weiter erläutert. Die Berechnung der Geschwindigkeit v des Partikels an der Ziel-Lage Z aus dem Interferenzabstand und der Dopplerfrequenz gehört ebenso zum Stand der Technik und wird hier nicht weiter erläutert.
Bezugszeichenliste

10: Laser-Durchflussmessgerät
12: Durchleitung
14: Laserlichtquelle
16: Laserstrahlverlauf-Messgerät
18: Rohr
19: Druckkammer
20: erster Laserstrahl
20a: realer Laserstrahlverlauf
20b: theoretischer Laserstrahlverlauf
22: zweiter Laserstrahl
22a: realer Laserstrahlverlauf
22b: theoretischer Laserstrahlverlauf
24: Lichtfeld
26: Fenster
30: Laserlichtquellen-Positioniervorrichtung
30a: erster Lineartisch
30b: zweiter Lineartisch
30c: dritter Lineartisch
32: Messgerät-Positioniervorrichtung
32a: erster Lineartisch
32b: zweiter Lineartisch
32c: dritter Lineartisch
40: elektrische Ansteuereinheit
42a,b: erster Stellmotor
44a,b: zweiter Stellmotor
46a,b: dritter Stellmotor
φi: Eintritts-/Austrittswinkel
A: Abweichung
Ei: Abstand, Dicke
L: Längsachse
ni: Brechungsindex
Pi,Anf.: Anfangsparameter
pi: Arbeitsparameter
P14(x,y,z): Position der Laserlichtquelle
P16(x,y,z): Position des Laserstrahlverlauf-Messgeräts
Q: Durchfluss
R: Strömungsrichtung
Si: Sensorebene
v: Partikelgeschwindigkeit
Z: Ziel-Lage

Claims

Laser-Durchflussmessgerät mit (i) einer Durchleitung (12) zum Durchleiten eines Fluids, dessen Durchfluss (Q) zu bestimmen ist, in einer Strömungsrichtung (R), und (ii) einer Laserlichtquelle (14), die eingerichtet ist zum Erzeugen von zwei Laserstrahlen (20, 22), die einander in einem Lichtfeld (24) überlagern und ein Interferenzmuster bilden, aus dem eine Partikelgeschwindigkeit (v) im Fluid ermittelbar ist, gekennzeichnet durch (iii) ein Laserstrahlverlauf-Messgerät (16), mittels dem ein realer Laserstrahlverlauf (20a, 22a) von jedem der zwei Laserstrahlen (20, 22) in einem Strahlverlauf hinter der Durchleitung (12) messbar ist.
Laser-Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Messgerät-Positioniervorrichtung (32), mittels der das Laserstrahlverlauf-Messgerät (16) automatisch auf eine vorgegebene Position relativ zur Laserlichtquelle (14) positionierbar ist.
Laser-Durchflussmessgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserstrahlverlauf-Messgerät (16) einen Hartmann-Shack-Sensor aufweist.
Laser-Durchflussmessgerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine elektrische Ansteuereinheit (40), die eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (i) Positionieren der Laserlichtquelle (14) auf eine Laserlichtquellen-Position, (ii) Ermitteln des realen Laserstrahlverlaufs (20a, 22a) von jedem der zwei Laserstrahlen (20, 22) im Strahlverlauf hinter der Durchleitung (12), (iii) zumindest einmaliges Wiederholen der Schritte (i) und (ii), (iv) Berechnen eines theoretischen Laserstrahlverlaufs (20b, 22b) von zumindest einem der Laserstrahlen (20, 22) auf Basis von Anfangsparametern (p_i,Anf.), und (v) Anpassen der Anfangsparameter (p_i,Anf) zum Minimieren einer Abweichung (A) zwischen dem realen Laserstrahlverlauf (20a, 22a) und dem theoretischen Laserstrahlverlauf (20b, 22b), sodass Arbeitsparameter (p_i) erhalten werden, mittels derer aus einer Position (P₁₄) der Laserlichtquelle (14) die Lage des Lichtfelds (24) berechenbar ist.
Laser-Durchflussmessgerät nach Anspruch 4, das eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (a) Berechnen einer Lage des Lichtfelds (24) anhand der Arbeitsparameter (p_i), (b) Messen der Partikelgeschwindigkeit (v), insbesondere entlang einer Längsachse (L) der Durchleitung (12), mittels der Laserlichtquelle (14) an der berechneten Lage des Lichtfeldes (24), (c) Wiederholen der Schritte (a) und (b), sodass ein Datensatz an Partikelgeschwindigkeiten (v) erhalten wird, und (d) Berechnen des Durchflusses (Q) aus dem Datensatz an Partikelgeschwindigkeiten (v).
Verfahren zum Kalibrieren eines Laser-Durchflussmessgeräts, das (i) eine Durchleitung (12) zum Durchleiten eines Fluids, dessen Durchfluss (Q) zu bestimmen ist, in einer Strömungsrichtung (R), (ii) eine Laserlichtquelle (14), die eingerichtet ist zum Erzeugen von zwei Laserstrahlen (20), die einander in einem Lichtfeld (24) überlagern und ein Interferenzmuster bilden, mittels dem eine Partikelgeschwindigkeit (v) im Fluid ermittelbar ist, und (iii) eine elektrische Ansteuereinheit (40) aufweist, mit den Schritten: (a) Ermitteln zumindest eines realen Laserstrahlverlaufs (20a, 22a) von zumindest einem der Laserstrahlen (20, 22) im Strahlverlauf hinter der Durchleitung (12), (b) Berechnen zumindest eines theoretischen Laserstrahlverlaufs (20b, 22b) von zumindest einem der Laserstrahlen (20, 22) auf Basis von Anfangsparametern (p_i,Anf.), (c) Berechnen einer Abweichung (A) zwischen dem zumindest einen realen Laserstrahlverlauf (20a, 22a) und dem zumindest einen theoretischen Laserstrahlverlauf (20b, 22b) und (d) Anpassen der Anfangsparameter (p_i,Anf.) zum Minimieren der Abweichung (A), so dass Arbeitsparameter (pi) erhalten werden, mittels derer aus einer Position (P₁₄) der Laserlichtquelle (14) die Lage (P₁₄) des Lichtfelds (24) berechenbar ist.
Verfahren zum Messen eines Durchflusses (Q) eines Fluids mit einem Laser-Durchflussmessgerät (10), das (i) eine Durchleitung (12) zum Durchleiten eines Fluids, dessen Durchfluss (Q) zu bestimmen ist, in einer Strömungsrichtung (R), (ii) eine Laserlichtquelle (14), die eingerichtet ist zum Erzeugen von zwei Laserstrahlen (20), die einander in einem Lichtfeld (24) überlagern und ein Interferenzmuster bilden, mittels dem eine Partikelgeschwindigkeit (v) im Fluid ermittelbar ist, und (iii) eine elektrische Ansteuereinheit (40) aufweist, mit den Schritten: (a) Berechnen einer Lage des Lichtfelds (24) anhand von Arbeitsparametern (p_i), die mit dem Verfahren nach Anspruch 6 ermittelt wurden, (b) Messen der Partikelgeschwindigkeit (v) entlang einer Längsachse (L) der Durchleitung (12) mittels der Laserlichtquelle (14) an der berechneten Lage des Lichtfeldes (24), (c) Wiederholen der Schritte (a) und (b), sodass ein Datensatz an Partikelgeschwindigkeiten (v) vorliegt, und (d) Berechnen des Durchflusses (Q) aus den Partikelgeschwindigkeiten (v) des Datensatzes.