DE102019103882A1

DE102019103882A1 - Method for determining the fluid temperature

Info

Publication number: DE102019103882A1
Application number: DE102019103882.0A
Authority: DE
Inventors: Lars Büttner; Jürgen Czarske
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2019-02-15
Filing date: 2019-02-15
Publication date: 2020-08-20
Anticipated expiration: 2039-02-16
Also published as: WO2020165026A1; DE102019103882B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Messtechnik und betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Fluidtemperatur, wie es beispielsweise für die Wärmeübertragungscharakterisierung von Kühl- oder Heizelementen mit Schlüsselloch-Zugang eingesetzt werden kann.Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines einfachen und kostengünstigen Verfahrens, mit dem die Fluidtemperatur unmittelbar gemeinsam mit einer ortsaufgelösten Geschwindigkeitsermittlung bestimmbar ist.Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Ermittlung der Fluidtemperatur, bei dem mindestens zwei Laserstrahlen, die mindestens Licht einer Wellenlänge abgeben, das mindestens die Fluoreszenz von Partikel oder einem Fluoreszenzstoff in einem strömenden Fluid anregt, und die amplitudenmoduliert sind und die im Zeitmultiplexbetrieb betrieben werden, durch ein strömendes Fluid mit Partikeln geleitet werden, und mit einem Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofil-Sensor an dem strömenden Fluid eine ortsaufgelöste Geschwindigkeitsmessung durchgeführt wird, und gleichzeitig und/oder unmittelbar nachfolgend die Fluidtemperatur über das Nachleuchten der fluoreszierenden Partikel und/oder des Fluoreszenzstoffes ermittelt wird.The invention relates to the field of measurement technology and relates to a method for determining the fluid temperature, as it can be used, for example, for the heat transfer characterization of cooling or heating elements with keyhole access. The object of the present invention is to provide a simple and inexpensive one Method with which the fluid temperature can be determined directly together with a spatially resolved speed determination. The object is achieved by a method for determining the fluid temperature in which at least two laser beams that emit at least light of one wavelength, at least the fluorescence of particles or a fluorescent substance in a flowing fluid, and which are amplitude-modulated and which are operated in time division multiplex mode, are passed through a flowing fluid with particles, and with a laser Doppler velocity profile sensor on the flowing fluid a localized solved speed measurement is carried out, and at the same time and / or immediately afterwards the fluid temperature is determined via the afterglow of the fluorescent particles and / or the fluorescent substance.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Messtechnik und betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Fluidtemperatur, wie es beispielsweise für die Wärmeübertragungscharakterisierung von Kühl- oder Heizelementen mit Schlüsselloch-Zugang oder für die Wärmemengenmessung durch Rohrleitungen mittels gleichzeitiger Durchfluss- und Temperaturmessung eingesetzt werden kann.The invention relates to the field of measurement technology and relates to a method for determining the fluid temperature, as it can be used, for example, for the heat transfer characterization of cooling or heating elements with keyhole access or for measuring the amount of heat through pipelines by means of simultaneous flow and temperature measurement.

Die Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) ist ein etabliertes und kommerziell erfolgreiches Lasermessverfahren (H. Albrecht, et al: Laser-Doppler and phase-Doppler measurement techniques, Heidelberg: Springer, 2002).
Hierbei wird ein Laserstrahl mit einem Strahlteiler in zwei kohärente Teilstrahlen aufgespalten. Diese werden nach Durchlaufen einer Optik unter einem definierten Winkel zur Überschneidung gebracht. Im Schnittbereich der Strahlen bildet sich ein Interferenzmuster aus, das aus abwechselnden hellen und dunklen Flächen besteht, wobei die Ebenen senkrecht zu der von den Teilstrahlen aufgespannten Ebene und parallel zur optischen Achse verlaufen. Ausgehend von einer Schnittdarstellung spricht man vereinfachend von Interferenzstreifen mit einem charakteristischen Streifenabstand d.Laser Doppler anemometry (LDA) is an established and commercially successful laser measurement method (H. Albrecht, et al: Laser-Doppler and phase-Doppler measurement techniques, Heidelberg: Springer, 2002).
A laser beam is split into two coherent partial beams with a beam splitter. After passing through an optical system, these are brought to intersect at a defined angle. An interference pattern is formed in the intersection of the rays, which consists of alternating light and dark surfaces, the planes running perpendicular to the plane spanned by the partial rays and parallel to the optical axis. On the basis of a sectional view, one speaks, for simplicity, of interference fringes with a characteristic fringe spacing d.

Die Geschwindigkeit des Partikels (genauer: die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur optischen Achse) kann dann aus folgendem Zusammenhang berechnet werden: $v = f_{D} \cdot d$

wobei f_D die gemessene Dopplerfrequenz und d der (in guter Näherung als konstant betrachtete) Abstand der Interferenzstreifen ist.The speed of the particle (more precisely: the speed component perpendicular to the optical axis) can then be calculated from the following relationship:

v = f_{D.} \cdot d

where f _{D is} the measured Doppler frequency and d is the distance between the interference fringes (which is considered to be constant to a good approximation).

Die Geschwindigkeitsermittlung ist demnach in dem Bereich möglich, in dem Interferenz zwischen den beiden Strahlen auftritt, d.h. in dem Bereich, in dem sich beide Strahlen überschneiden. Dieser Überschneidungsbereich wird daher kurz als Messvolumen bezeichnet und hat die Form eines Ellipsoids.The determination of the speed is therefore possible in the area in which interference occurs between the two beams, i.e. in the area where both rays intersect. This overlapping area is therefore referred to as the measurement volume for short and has the shape of an ellipsoid.

Wird ein Interferenzstreifenmuster in ein strömendes Fluid als Messvolumen geleitet, welches Partikel enthält, die entweder natürlich enthalten sind oder künstlich zugesetzt wurden, und die der Strömung möglichst ohne Schlupf folgen, wird durch die Bewegung eines Partikels durch den Schnittbereich der Strahlen das Licht an den Flächen konstruktiver Interferenz gestreut. Dadurch ist das ausgesendete Streulicht mit einer bestimmten Frequenz, der Doppler-Frequenz f_D, amplitudenmoduliert. Durch elektrooptische Detektion mit einem Photoempfänger kann dieses Streulicht registriert und mittels eines Signalverarbeitungsalgorithmus' die Dopplerfrequenz f_D bestimmt werden.If an interference fringe pattern is passed into a flowing fluid as a measurement volume, which contains particles that are either naturally contained or artificially added, and which follow the flow as far as possible without slippage, the movement of a particle through the intersection of the rays causes the light on the surfaces scattered constructive interference. As a result, the emitted scattered light is amplitude-modulated with a specific frequency, the Doppler frequency f _D. This scattered light can be registered by electro-optical detection with a photoreceiver and the Doppler frequency f _D can be determined by means of a signal processing algorithm.

Da mit dem LDA jedoch keine Information über die Position der Streupartikel innerhalb des Messvolumens erhalten werden kann, wird die Messung als (quasi-) punktförmig bezeichnet. Die Ortsauflösung dieser quasi-punktförmigen Messung wird durch die Ausdehnung des Interferenzstreifensystems, d.h. des Schnittvolumens der beiden Teilstrahlen, bestimmt. Sie beträgt typischerweise 0,1 × 0,1 × 1 mm³.However, since no information about the position of the scattering particles within the measurement volume can be obtained with the LDA, the measurement is referred to as (quasi) punctiform. The spatial resolution of this quasi-punctiform measurement is determined by the extent of the interference fringe system, ie the intersection volume of the two partial beams. It is typically 0.1 × 0.1 × 1 mm ³ .

Die Unsicherheit der Ermittlung der Geschwindigkeit hängt von der Frequenzschätzung und von der Konstanz oder Variation des Streifenabstandes ab. Sie beträgt typischerweise zwischen 0,1 % bis 1 % je nach verwendetem Modell und Einsatzzweck.The uncertainty in determining the speed depends on the frequency estimate and on the constancy or variation of the strip spacing. It is typically between 0.1% and 1% depending on the model used and the purpose.

Geschwindigkeitsprofile von Strömungen werden mit diesem punktförmigen Verfahren vermessen, indem unterschiedliche Punkte auf dem Geschwindigkeitsprofil angefahren und dort die lokalen Geschwindigkeiten bestimmt werden. Das Geschwindigkeitsprofil wird damit punktweise abgetastet. Dazu kommen üblicherweise motorisierte Präzisionsverstelltische zum Einsatz, die den Messkopf mechanisch traversieren.Velocity profiles of flows are measured with this point-like method by approaching different points on the velocity profile and determining the local velocities there. The speed profile is thus scanned point by point. For this purpose, motorized precision adjustment tables are usually used that mechanically traverse the measuring head.

Zur Verbesserung der Ermittlung der Geschwindigkeitsprofile von Strömungen ist der Einsatz eines auf der Laser-Doppler-Anemometrie basierenden Laser-Doppler-Profilsensors bekannt ( J. Czarske, et al: Meas. Sci. Technol. 13, S. 1979-1989, 2002 : DE 10 2005 042 954 A1 ; DE 10 2009 055 799 A1 ; DE 10 2010 049 673 A1 ; DE 10 2011 009 675 A1 ).To improve the determination of the velocity profiles of flows, the use of a laser Doppler profile sensor based on laser Doppler anemometry is known ( J. Czarske, et al: Meas. Sci. Technol. 13, pp. 1979-1989, 2002 : DE 10 2005 042 954 A1 ; DE 10 2009 055 799 A1 ; DE 10 2010 049 673 A1 ; DE 10 2011 009 675 A1 ).

Das Funktionsprinzip dieses Laser-Doppler-Profilsensors beruht auf der Erzeugung von zwei in einem gemeinsamen Messvolumen überlagerten Interferenzstreifensystemen, von denen mindestens eines fächerförmig ist. Idealerweise sind beide fächerförmig mit entgegengesetzten Ausrichtungen: Ein konvergentes Streifensystem, bei dem der Streifenabstand entlang der z-Achse (=optische Achse) kontinuierlich abnimmt, und ein divergentes Streifensystem, bei dem der Interferenzstreifenabstand entsprechend kontinuierlich ansteigt. Die Streifensysteme werden durch jeweils eine Streifenabstandsfunktion d_1,2(z) beschrieben.The functional principle of this laser Doppler profile sensor is based on the generation of two interference fringe systems superimposed in a common measurement volume, at least one of which is fan-shaped. Ideally, both are fan-shaped with opposite orientations: a convergent stripe system in which the stripe spacing along the z-axis (= optical axis) decreases continuously, and a divergent stripe system in which the interference fringe spacing increases continuously. The stripe systems are each described by a stripe distance function d _1,2 (z).

Durchquert ein Streupartikel das Messvolumen, so kann das Streulicht von beiden Streifensystemen getrennt und diesen zugeordnet werden, so dass sich zwei Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ ermitteln lassen. Der Quotient dieser beiden Dopplerfrequenzen $q (z) = \frac{f_{2} (v, z)}{f_{1} (v, z)} = \frac{v (z) {/d}_{2} (z)}{v (z) {/d}_{1} (z)} = \frac{d_{1} (z)}{d_{2} (z)}$

hängt nicht mehr von der Streuobjektgeschwindigkeit v ab und kann somit als Kalibrierfunktion zur Bestimmung der axialen Position z des Streupartikels innerhalb des Messvolumens verwendet werden.If a scattering particle crosses the measurement volume, the scattered light can be separated from the two strip systems and assigned to them, so that two Doppler frequencies f ₁ and f ₂ can be determined. The quotient of these two Doppler frequencies

q (z) = \frac{f_{2} (v, z)}{f_{1} (v, z)} = \frac{v (z) {/ d}_{2} (z)}{v (z) {/ d}_{1} (z)} = \frac{d_{1} (z)}{d_{2} (z)}

no longer depends on the scattering object speed v and can therefore be used as a calibration function for determining the axial position z of the scattering particle within the measurement volume.

Dies ist der wesentliche Fortschritt gegenüber dem konventionellen LDA.This is the major advance over the conventional LDA.

Mit Hilfe der bekannten Durchtrittsposition z des Streupartikels durch das Messvolumen können dann die lokalen Streifenabstände d₁(z) und d₂(z) aus den durch die vorherige Sensorkalibrierung bekannten Streifenabstandsverläufen ermittelt werden. Zusammen mit den beiden Dopplerfrequenzen ergibt sich dann die Streuobjektgeschwindigkeit zu (analog zu Gl. 1): $v (z) = f_{1} (v, z) d_{1} = d_{1} (z) = f_{2} (v, z) d_{2} (z) .$

With the aid of the known passage position z of the scattered particle through the measurement volume, the local stripe distances d ₁ (z) and d ₂ (z) can then be determined from the stripe distance profiles known from the previous sensor calibration. Together with the two Doppler frequencies, the scattering object speed then results in (analogous to Eq. 1):

v (z) = f_{1} (v, z) d_{1} = d_{1} (z) = f_{2} (v, z) d_{2} (z) .

Da der Laser-Doppler-Profilsensor die Position der Streuobjekte innerhalb des Messvolumens ermitteln kann und diese statistisch verteilt in der Strömung vorliegen, wird durch eine Ensemblemessung das komplette im Messvolumen vorherrschende Geschwindigkeitsprofil ohne mechanische Traversierung des Sensors ermittelt.Since the laser Doppler profile sensor can determine the position of the scattered objects within the measurement volume and these are statistically distributed in the flow, the entire velocity profile prevailing in the measurement volume is determined through an ensemble measurement without mechanical traversing of the sensor.

Bei diesem Verfahren ist die Ortsauflösung entlang der optischen Achse nicht mehr durch die Ausdehnung des Interferenzstreifensystems in dieser Richtung bestimmt, sondern, da der axiale Ort der Streuteilchen bestimmt wird, durch die Unsicherheit der Ortsbestimmung. Diese wiederum hängt von der Steigung der Kalibrierfunktion und der Unsicherheit der Frequenzschätzung ab. Sie liegt typischerweise im Mikrometerbereich, was einer Verbesserung der Genauigkeit der Ortsbestimmung gegenüber einem konventionellen LDA um einen Faktor ca. 1000 entspricht.With this method, the spatial resolution along the optical axis is no longer determined by the extent of the interference fringe system in this direction, but, since the axial location of the scattering particles is determined, by the uncertainty of the location determination. This in turn depends on the slope of the calibration function and the uncertainty of the frequency estimate. It is typically in the micrometer range, which corresponds to an improvement in the accuracy of the location determination compared to a conventional LDA by a factor of approx. 1000.

Die Unsicherheit der Geschwindigkeitsbestimmung hängt damit, im Gegensatz zum konventionellen LDA, nur noch von der Frequenzschätzung und nicht mehr von der Konstanz oder Variation des Streifenabstandes ab. Sie beträgt bis zu 0,01 %.In contrast to the conventional LDA, the uncertainty of the speed determination only depends on the frequency estimation and no longer on the constancy or variation of the strip spacing. It is up to 0.01%.

Nachteilig bei den Lösungen des Standes der Technik ist, dass neben der ortsaufgelösten Geschwindigkeitsermittlung keine weiteren Eigenschaften der Fluide auf einfache und kostengünstige Art und Weise unmittelbar bestimmbar sind.A disadvantage of the solutions of the prior art is that apart from the spatially resolved determination of the speed, no other properties of the fluids can be determined directly in a simple and inexpensive manner.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines einfachen und kostengünstigen Verfahrens zur Verfahren zur Ermittlung der Fluidtemperatur von strömenden Fluiden, mit dem die Fluidtemperatur unmittelbar gemeinsam mit einer ortsaufgelösten Geschwindigkeitsermittlung bestimmbar ist.The object of the present invention is to provide a simple and cost-effective method for determining the fluid temperature of flowing fluids, with which the fluid temperature can be determined directly together with a spatially resolved speed determination.

Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen Ansprüche im Sinne einer und-Verknüpfung mit einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.The object is achieved by the invention specified in the claims. Advantageous refinements are the subject matter of the subclaims, the invention also including combinations of the individual claims in the sense of an and link, as long as they are not mutually exclusive.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung der Fluidtemperatur werden mindestens zwei Laserstrahlen, die mindestens Licht einer Wellenlänge abgeben, das mindestens die Fluoreszenz von Partikel oder einem Fluoreszenzstoff in einem strömenden Fluid anregt, wobei die Laserstrahlen amplitudenmoduliert sind und die im Zeitmultiplexbetrieb betrieben werden, und die durch ein strömendes Fluid mit Partikeln, die mindestens fluoreszierende Eigenschaften oder Fluoreszenz aufweisen oder einen Fluoreszenzstoff enthalten, und bei denen die Fluoreszenzlebensdauer temperaturabhängig ist, geleitet werden, und mit einem Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofil-Sensor an dem strömenden Fluid eine ortsaufgelöste Geschwindigkeitsmessung durchgeführt wird, und gleichzeitig und/oder unmittelbar nachfolgend die Fluidtemperatur über das Nachleuchten der fluoreszierenden Partikel und/oder des Fluoreszenzstoffes ermittelt wird.In the method according to the invention for determining the fluid temperature, at least two laser beams which emit at least light of a wavelength that excites at least the fluorescence of particles or a fluorescent substance in a flowing fluid, the laser beams being amplitude-modulated and which are operated in time-division multiplex mode and which are operated by a flowing fluid with particles which have at least fluorescent properties or fluorescence or contain a fluorescent substance, and in which the fluorescence lifetime is temperature-dependent, are conducted, and a spatially resolved velocity measurement is carried out on the flowing fluid with a laser Doppler velocity profile sensor, and at the same time and / or immediately afterwards the fluid temperature is determined via the afterglow of the fluorescent particles and / or of the fluorescent substance.

Vorteilhafterweise wird die ortsaufgelöste Geschwindigkeitsmessung nach einer Kalibrierung des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofil-Sensors in Abhängigkeit von dem Fluid und den Partikeln durchgeführt.The spatially resolved speed measurement is advantageously carried out after a calibration of the laser Doppler speed profile sensor as a function of the fluid and the particles.

Weiterhin vorteilhafterweise werden als fluoreszierende Partikel Partikel aus organischen Farbstoffen, Rhodaminen, mit Europium dotierten Farbstoffen, wie Europium (III) thenoyltrifluoroacetonate (EuTTa), oder Yttrium-Aluminaten, Cadmiumwolframat (CdWO4), Zinkoxid dotiert mit Zink (ZnO:Zn), Alexa-488 oder Partikel, die einen Fluoreszenzstoff aus organischem Farbstoffen, Rhodaminen, mit Europium dotierten Farbstoffen, wie Europium (III) thenoyltrifluoroacetonate (EuTTa), oder Yttrium-Aluminaten, Cadmiumwolframat (CdWO4), Zinkoxid dotiert mit Zink (ZnO:Zn) oder Alexa-488 enthalten oder damit beschichtet sind, eingesetzt. Also advantageously, the fluorescent particles used are particles of organic dyes, rhodamines, dyes doped with europium, such as europium (III) thenoyltrifluoroacetonate (EuTTa), or yttrium aluminates, cadmium tungstate (CdWO4), zinc oxide doped with zinc (ZnO: Zn), alexa 488 or particles containing a fluorescent substance made from organic dyes, rhodamines, dyes doped with europium, such as europium (III) thenoyltrifluoroacetonate (EuTTa), or yttrium aluminates, cadmium tungstate (CdWO4), zinc oxide doped with zinc (ZnO: Zn) or 488 contain or are coated with it.

Ebenfalls vorteilhafterweise wird gleichzeitig zur ortsaufgelösten Geschwindigkeitsmessung mittels des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofil-Sensors die Ermittlung der Fluidtemperatur durchgeführt.The fluid temperature is also advantageously determined at the same time as the spatially resolved speed measurement by means of the laser Doppler speed profile sensor.

Und auch vorteilhafterweise werden die mindestens zwei Laserstrahlen entweder von einem Laser ausgestrahlt und der Strahl mit einem Strahlteiler in zwei Laserstrahlen aufgeteilt, wobei dann jeder der Strahlen einen eigenen Amplitudenmodulator enthält, oder der nur eine Laser wird mit einem elektrooptischen Modulator gekoppelt, der den einen Laserstrahl je nach Schaltzustand in einen von zwei Ausgängen lenkt, so dass abwechselnd je ein Laserstrahl abgestrahlt wird. And also advantageously, the at least two laser beams are either emitted by one laser and the beam is split into two laser beams with a beam splitter, each of the beams then containing its own amplitude modulator, or the only one laser is coupled to an electro-optical modulator that controls the one laser beam depending on the switching status, steers into one of two outputs so that a laser beam is emitted alternately.

Es ist auch vorteilhaft, wenn zur Erzeugung der mindestens zwei Laserstrahlen zwei oder mehr Laser eingesetzt werden, die Licht mit jeweils gleicher oder nahezu gleicher Wellenlänge erzeugen, wobei bei unterschiedlichen Wellenlängen die jeweiligen Laserstrahlen vorteilhafterweise alle die Fluoreszenz der Partikel oder des Fluoreszenzfarbstoffes anregen.It is also advantageous if two or more lasers are used to generate the at least two laser beams that generate light with the same or almost the same wavelength, with the respective laser beams advantageously all exciting the fluorescence of the particles or of the fluorescent dye at different wavelengths.

Und auch vorteilhaft ist es, wenn der oder die Laser zur Anregung der fluoreszierenden Eigenschaften der Partikel mit einer Wellenlänge von 350 bis 800 nm betrieben werden.And it is also advantageous if the laser or lasers for exciting the fluorescent properties of the particles are operated with a wavelength of 350 to 800 nm.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Amplitudenmodulation der die mindestens zwei Interferenzstreifensysteme erzeugenden Laserstrahlen durch direkte Modulation der Laserstrahlen oder durch externe Modulatoren durchgeführt wird.It is also advantageous if the amplitude modulation of the laser beams generating the at least two interference fringe systems is carried out by direct modulation of the laser beams or by external modulators.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Amplitudenmodulation der die mindestens zwei Interferenzstreifensysteme erzeugenden Laserstrahlen in Form einer Rechteckmodulation und einer Phasenverschiebung von 90° bis 240°, vorteilhafterweise von 180°, durchgeführt wird.It is also advantageous if the amplitude modulation of the laser beams generating the at least two interference fringe systems is carried out in the form of a square modulation and a phase shift of 90 ° to 240 °, advantageously 180 °.

Von Vorteil ist es auch, wenn durch das Nachleuchten der fluoreszierenden Partikel oder des Fluoreszenzstoffes ein Übersprechen der amplitudenmodulierten mindestens zwei Laserstrahlen erzeugt wird, welches durch Übersprechkoeffizienten angegeben wird, und aus den Übersprechkoeffizienten, die unmittelbar abhängig sind von der Fluoreszenzlebensdauer, die wiederum eine Funktion der Temperatur τ=τ(T) ist, die Temperatur des Fluoreszenzstoffes und damit die Temperatur des Partikels und des Fluides bestimmt wird.It is also advantageous if the afterglow of the fluorescent particles or the fluorescent substance generates crosstalk of the amplitude-modulated at least two laser beams, which is indicated by crosstalk coefficients and from the crosstalk coefficients, which are directly dependent on the fluorescence lifetime, which in turn is a function of the Temperature τ = τ (T), the temperature of the fluorescent substance and thus the temperature of the particle and the fluid is determined.

Und ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Übersprechkoeffizienten a und b von zwei Lasersignalen S₁ und S₂ bestimmt werden durch $(\begin{matrix} S_{1}^{'} (t) \\ S_{2}^{'} (t) \end{matrix}) = (\begin{matrix} S_{1} (t) + a S_{2} (t) \\ S_{2} (t) + b S_{1} (t) \end{matrix}) = [\begin{matrix} 1 & a \\ b & 1 \end{matrix}] \underline{S} = [\begin{matrix} 1 & a \\ b & 1 \end{matrix}] (\begin{matrix} S_{1} (t) \\ S_{2} (t) \end{matrix})$

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es erstmals möglich, die Fluidtemperatur von strömenden Fluiden gemeinsam mit einer ortsaufgelösten Geschwindigkeitsermittlung zu bestimmen.And it is also advantageous if the crosstalk coefficients a and b of two laser signals S ₁ and S _{2 are} determined by

(\begin{matrix} {S.}_{1}^{'} (t) \\ {S.}_{2}^{'} (t) \end{matrix}) = (\begin{matrix} {S.}_{1} (t) + a {S.}_{2} (t) \\ {S.}_{2} (t) + b {S.}_{1} (t) \end{matrix}) = [\begin{matrix} 1 & a \\ b & 1 \end{matrix}] \underline{S.} = [\begin{matrix} 1 & a \\ b & 1 \end{matrix}] (\begin{matrix} {S.}_{1} (t) \\ {S.}_{2} (t) \end{matrix})

The solution according to the invention makes it possible for the first time to determine the fluid temperature of flowing fluids together with a spatially resolved speed determination.

Erreicht wird dies durch ein Verfahren zur Ermittlung der Fluidtemperatur von einem strömenden Fluid mit Partikeln, die mindestens fluoreszierende Eigenschaften oder Fluoreszenz aufweisen oder einen Fluoreszenzstoff enthalten, und deren Fluoreszenzlebensdauer temperaturabhängig ist.This is achieved by a method for determining the fluid temperature of a flowing fluid with particles that have at least fluorescent properties or fluorescence or contain a fluorescent substance, and whose fluorescence lifetime is temperature-dependent.

Als fluoreszierende Partikel werden vorteilhafterweise Partikel aus organischen Farbstoffen, Rhodaminen, mit Europium dotierten Farbstoffen, wie Europium (III) thenoyltrifluoroacetonate (EuTTa), oder Yttrium-Aluminaten, Cadmiumwolframat (CdWO4), Zinkoxid dotiert mit Zink (ZnO:Zn) oder Alexa-488 eingesetzt.
Es ist ebenfalls erfindungsgemäß vorteilhaft Partikel einzusetzen, die einen Fluoreszenzstoff enthalten oder damit beschichtet sind, wobei der Fluoreszenzstoff aus den gleichen Materialien bestehen kann wie die fluoreszierenden Partikel.The fluorescent particles used are advantageously particles made of organic dyes, rhodamines, dyes doped with europium, such as europium (III) thenoyltrifluoroacetonate (EuTTa), or yttrium aluminates, cadmium tungstate (CdWO4), zinc oxide doped with zinc (ZnO: Zn) or Alexa-488 used.
It is also advantageous according to the invention to use particles which contain a fluorescent substance or are coated therewith, it being possible for the fluorescent substance to consist of the same materials as the fluorescent particles.

Weiterhin werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens zwei Laserstrahlen eingesetzt, die mindestens Licht einer Wellenlänge abgeben, das mindestens die Fluoreszenz der Partikel oder des Fluoreszenzstoffes im strömenden Fluid anregt, und deren Licht amplitudenmoduliert ist und die im Zeitmultiplexbetrieb betrieben werden.
Dabei ist es erfindungsgemäß von Bedeutung, dass die mindestens zwei Laserstrahlen mindestens zwei (Interferenz-)Streifensysteme erzeugen, damit die Messung der ortsaufgelösten Geschwindigkeit der Partikel realisiert werden kann. Furthermore, at least two laser beams are used in the method according to the invention, which emit at least light of a wavelength that excites at least the fluorescence of the particles or the fluorescent substance in the flowing fluid, and whose light is amplitude-modulated and which are operated in time-division multiplex mode.
According to the invention, it is important that the at least two laser beams generate at least two (interference) fringe systems so that the measurement of the spatially resolved speed of the particles can be implemented.

Vorteilhafterweise können die mindestens zwei Laserstrahlen entweder von einem Laser ausgestrahlt und der Strahl mit einem Strahlteiler in zwei Laserstrahlen aufgeteilt werden, wobei dann jeder der Strahlen einen eigenen Amplitudenmodulator enthält, oder der nur eine Laser wird mit einem elektrooptischen Modulator gekoppelt, der den einen Laserstrahl je nach Schaltzustand in einen von zwei Ausgängen lenkt, so dass abwechselnd je ein Laserstrahl abgestrahlt wird.Advantageously, the at least two laser beams can either be emitted by one laser and the beam can be split into two laser beams with a beam splitter, each of the beams then containing its own amplitude modulator, or the only one laser is coupled to an electro-optical modulator that controls one laser beam steers according to the switching status into one of two outputs so that a laser beam is emitted alternately.

Ebenfalls können erfindungsgemäß auch zwei oder mehr Laser eingesetzt werden, um die mindestens zwei Laserstrahlen zu erzeugen. Im Falle des Einsatzes von mehr als einem Laser ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, wenn die Laser Licht mit jeweils gleicher oder nahezu gleicher Wellenlänge erzeugen, wobei bei unterschiedlichen Wellenlängen die jeweiligen Laserstrahlen vorteilhafterweise alle die Fluoreszenz der Partikel oder des Fluoreszenzfarbstoffes anregen.Two or more lasers can also be used according to the invention in order to generate the at least two laser beams. If more than one laser is used, it is advantageous according to the invention if the lasers generate light with the same or almost the same wavelength, with the respective laser beams advantageously all exciting the fluorescence of the particles or of the fluorescent dye at different wavelengths.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die mindestens zwei Laserstrahlen durch das strömende Fluid mit Partikeln geleitet, die mindestens fluoreszierende Eigenschaften oder Fluoreszenz aufweisen oder einen Fluoreszenzstoff enthalten, wobei die Fluoreszenzlebensdauer der Partikel oder des Fluoreszenzstoffes temperaturabhängig ist.In the method according to the invention, the at least two laser beams are through the flowing fluid passed with particles which have at least fluorescent properties or fluorescence or contain a fluorescent substance, the fluorescence lifetime of the particles or of the fluorescent substance is temperature-dependent.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird an dem strömenden Fluid eine ortsaufgelöste Geschwindigkeitsmessung mit einem Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofil-Sensor durchgeführt.
Dies erfolgt vorteilhafterweise derart, dass die ortsaufgelöste Geschwindigkeitsmessung nach einer Kalibrierung des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofil-Sensors in Abhängigkeit von dem Fluid und den Partikeln durchgeführt wird.With the method according to the invention, a spatially resolved speed measurement is carried out on the flowing fluid with a laser Doppler speed profile sensor.
This is advantageously carried out in such a way that the spatially resolved speed measurement is carried out after a calibration of the laser Doppler speed profile sensor as a function of the fluid and the particles.

Als Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofil-Sensor werden die nach dem Stand der Technik bekannten Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofil-Sensoren eingesetzt. The laser Doppler speed profile sensors known from the prior art are used as the laser Doppler speed profile sensor.

Gleichzeitig und/oder unmittelbar nachfolgend, vorteilhafterweise gleichzeitig, wird mit der ortsaufgelösten Geschwindigkeitsmessung die Ermittlung der Fluidtemperatur über das Nachleuchten der fluoreszierenden Partikel bestimmt.At the same time and / or immediately afterwards, advantageously at the same time, the determination of the fluid temperature via the afterglow of the fluorescent particles is determined with the spatially resolved speed measurement.

Ebenso werden erfindungsgemäß mindestens zwei Laserstrahlen eingesetzt deren Licht amplitudenmoduliert ist.
Die Modulation des Laserlichtes kann vorteilhafterweise durch direkte Modulation der Laser durchgeführt werden, aber auch durch externe Modulatoren realisiert werden.At least two laser beams, whose light is amplitude-modulated, are also used according to the invention.
The modulation of the laser light can advantageously be carried out by direct modulation of the laser, but it can also be realized by external modulators.

Vorteilhafterweise wird die Modulation des Laserlichtes in Form einer Rechteckmodulation durchgeführt und/oder es kann eine Phasenverschiebung von 180° durchgeführt werden. Noch vorteilhafterweise wird sowohl eine Rechteckmodulation als auch eine Phasenverschiebung der mindestens zwei Laserstrahlen realisiert.The modulation of the laser light is advantageously carried out in the form of a rectangular modulation and / or a phase shift of 180 ° can be carried out. Both rectangular modulation and phase shift of the at least two laser beams are still advantageously implemented.

Erfindungsgemäß werden weiterhin die mindestens zwei Laserstrahlen im Zeitmultiplexbetrieb betrieben.
Dabei wird die für die Zweifachmessung notwendige physikalische Unterscheidbarkeit der Interferenzstreifensysteme der Laserstrahlen durch ein wechselseitiges Schalten der Laserstrahlen erreicht.
Dies ist von besonderer erfindungsgemäßer Bedeutung, da durch den Zeitmultiplexbetrieb der Laserstrahlen überhaupt erst ein Nachleuchten der fluoreszierenden Partikel oder des Fluoreszenzstoffes erfasst und damit die Ermittlung der Übersprechung und damit der Temperatur erreicht werden kann.According to the invention, the at least two laser beams are also operated in time-division multiplex mode.
The physical differentiation of the interference fringe systems of the laser beams, which is necessary for the double measurement, is achieved by switching the laser beams alternately.
This is of particular importance according to the invention, since the time-division multiplexing of the laser beams only detects afterglow of the fluorescent particles or the fluorescent substance and thus the determination of the crosstalk and thus the temperature can be achieved.

Weiter ist von erfindungsgemäßer Bedeutung, dass für den Zeitmultiplexbetrieb der Laserstrahlen eine Amplituden-Modulation der Laserstrahlen durchgeführt worden ist, da damit klar definierte Interferenzstreifensysteme ohne Nachleuchten erzeugt werden, von denen sich erfindungsgemäß das von den Interferenzstreifensystemen erzeugte Streulicht der fluoreszierenden Partikel oder des Fluoreszenzstoffes durch ihr Nachleuchten deutlich unterscheidet.It is also of importance according to the invention that an amplitude modulation of the laser beams has been carried out for the time-division multiplex operation of the laser beams, since clearly defined interference fringe systems without afterglow are thus generated, from which, according to the invention, the scattered light of the fluorescent particles or of the fluorescent substance generated by the interference fringe systems is produced Afterglow is clearly different.

Das Nachleuchten der fluoreszierenden Partikel oder des Fluoreszenzstoffes ist abhängig von der Fluoreszenzlebensdauer des jeweils verwendeten fluoreszierenden Materials, welche aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dabei ist es auch erforderlich, dass das verwendete Material neben den fluoreszierenden Eigenschaften auch eine Temperaturabhängigkeit dieser fluoreszierenden Eigenschaften aufweist.The afterglow of the fluorescent particles or of the fluorescent substance depends on the fluorescence lifetime of the fluorescent material used, which is known from the prior art. It is also necessary that the material used has not only the fluorescent properties but also a temperature dependence of these fluorescent properties.

Das Nachleuchten der fluoreszierenden Partikel oder des Fluoreszenzstoffes erzeugt ein Übersprechen zwischen den mindestens zwei erfindungsgemäß durch die mindestens zwei amplitudenmodulierten Laserstrahlen im Zeitmultiplexbetrieb erzeugten Interferenzstreifensystemen.
Dieses Übersprechen kann vorteilhafterweise durch Übersprechkoeffizienten angegeben werden, die dann auch wie das Nachleuchten unmittelbar abhängig sind von der Fluoreszenzlebensdauer. Die Fluoreszenzlebensdauer ist wiederum eine Funktion der Temperatur τ=τ(T) (mit a=a(τ), b=b(τ)).
Somit können auf diesem Wege die Temperatur des Fluoreszenzstoffes und damit die Temperatur des Partikels und des Fluides bestimmt werden.
Es wird erfindungsgemäß davon ausgegangen, dass sowohl Fluoreszenzstoff und Partikel und Fluid die gleiche Temperatur aufweisen.The afterglow of the fluorescent particles or of the fluorescent substance generates crosstalk between the at least two interference fringe systems generated according to the invention by the at least two amplitude-modulated laser beams in time-division multiplex operation.
This crosstalk can advantageously be indicated by crosstalk coefficients which, like the afterglow, are then directly dependent on the fluorescence lifetime. The fluorescence lifetime is in turn a function of the temperature τ = τ (T) (with a = a (τ), b = b (τ)).
In this way, the temperature of the fluorescent substance and thus the temperature of the particle and the fluid can be determined.
According to the invention, it is assumed that both fluorescent substance and particles and fluid have the same temperature.

Vorteilhafterweise können die Übersprechkoeffizienten a und b von zwei Lasersignalen S₁ und S₂ bestimmt werden durch $(\begin{matrix} S_{1}^{'} (t) \\ S_{2}^{'} (t) \end{matrix}) = (\begin{matrix} S_{1} (t) + a S_{2} (t) \\ S_{2} (t) + b S_{1} (t) \end{matrix}) = [\begin{matrix} 1 & a \\ b & 1 \end{matrix}] \underline{S} = [\begin{matrix} 1 & a \\ b & 1 \end{matrix}] (\begin{matrix} S_{1} (t) \\ S_{2} (t) \end{matrix})$

The crosstalk coefficients a and b of two laser signals S ₁ and S ₂ can advantageously be determined by

(\begin{matrix} {S.}_{1}^{'} (t) \\ {S.}_{2}^{'} (t) \end{matrix}) = (\begin{matrix} {S.}_{1} (t) + a {S.}_{2} (t) \\ {S.}_{2} (t) + b {S.}_{1} (t) \end{matrix}) = [\begin{matrix} 1 & a \\ b & 1 \end{matrix}] \underline{S.} = [\begin{matrix} 1 & a \\ b & 1 \end{matrix}] (\begin{matrix} {S.}_{1} (t) \\ {S.}_{2} (t) \end{matrix})

Im Idealfall sind erfindungsgemäß die Signale der die Interferenzstreifensysteme erzeugenden Laserstrahlen rechteckförmig und um 180° phasenverschoben amplitudenmoduliert, so dass zu jedem Zeitpunkt immer nur ein Streifensystem aktiv ist. Die Ermittlung der Signale durch das nachgeschaltete Signalverarbeitungssystem erfolgt jeweils nur zu den Einschaltzeiten der Laserstrahlen, das heißt nicht auf den Flanken der Rechtecksignale, so dass bei jeder Ermittlung jeweils nur das Signal eines Streifensystems vorliegt.
Später werden in der Signalverarbeitung die Signale ausgewertet und zeitlich (mindestens zwei) Messkanälen zugeordnet (Demultiplex), in dem zum Beispiel alle geraden Werte einem Interferenzstreifensystem 1 und alle ungeraden Werte dem anderen Interferenzstreifensystem 2 zugeordnet werden.
Im Idealfall der beschriebenen Rechteckmodulation enthält das Signal von Laserstrahl 1 nur Streulichtanteile des 1. Interferenzstreifensystems und das Signal von Laserstrahl 2 nur Streulichtanteile des 2. Interferenzstreifensystems. Das Übersprechen ist dann exakt Null, sofern keine fluoreszierenden Partikel untersucht werden.
Dieser Zustand entspricht sowohl der erfindungsgemäßen Amplitudenmodulation der Laserstrahlen als auch dem erfindungsgemäßen Zeitmultiplexbetrieb der Laserstrahlen.In the ideal case, according to the invention, the signals of the laser beams generating the interference fringe systems are rectangularly amplitude-modulated and phase-shifted by 180 °, so that only one fringe system is active at any one time. The signals are determined by the downstream signal processing system only at the switch-on times of the laser beams, that is, not on the edges of the square-wave signals, so that only the signal of one stripe system is present for each determination.
Later in the signal processing the signals are evaluated and temporally assigned to (at least two) measuring channels (demultiplex), in which, for example, all even values are one Interference fringe system 1 and all odd values are assigned to the other interference fringe system 2.
In the ideal case of the described rectangular modulation, the signal from laser beam 1 only contains scattered light components from the 1st interference fringe system and the signal from laser beam 2 only contains scattered light components from the 2nd interference fringe system. The crosstalk is then exactly zero, provided that no fluorescent particles are examined.
This state corresponds to both the amplitude modulation of the laser beams according to the invention and the time-division multiplex operation of the laser beams according to the invention.

Bei der Verwendung fluoreszierender Partikel oder Fluoreszenzstoffe leuchten diese noch nach, auch wenn das Anregelicht der Laserstrahlen abgeschaltet wurde. Das Nachleuchten der Fluoreszenz klingt exponentiell ab: $I (t) = I_{0} exp {- \frac{t}{τ}}$

If fluorescent particles or fluorescent substances are used, they will still glow even if the control light for the laser beams has been switched off. The afterglow of the fluorescence decays exponentially:

I. (t) = {I.}_{0} exp {- \frac{t}{τ}}

Dabei ist τ die Fluoreszenz-Lebensdauer. Die Fluoreszenz-Lebensdauer ist bei den erfindungsgemäß eingesetzten Fluoreszenzstoffen eine Funktion der Temperatur, d.h. τ=τ(T). Damit kann erfindungsgemäß aus dem Nachleuchten der fluoreszierenden Partikel oder des Fluoreszenzstoffes die Temperatur des Fluids bestimmt werden.Here, τ is the fluorescence lifetime. In the case of the fluorescent substances used according to the invention, the fluorescence lifetime is a function of the temperature, i. τ = τ (T). According to the invention, the temperature of the fluid can thus be determined from the afterglow of the fluorescent particles or the fluorescent substance.

Das Nachleuchten führt nun zu einem Übersprechen zwischen den mindestens zwei erfindungsgemäß erzeugten Interferenzstreifensystemen, indem Signalanteile von Laserstrahl 2 in Zeitintervalle gelangen, die für die Signale von Laserstrahl 1 vorgesehen sind, und umgekehrt.
Das Übersprechen kann definiert werden als:

- Sind S_1,2(t) die ursprünglichen, ungestörten Signale und
- a, b die Stärken des Übersprechens (Übersprech-Koeffizienten),
- dann sind die mit Übersprechen behafteten Signale S'_1,2(t): $(\begin{matrix} S_{1}^{'} (t) \\ S_{2}^{'} (t) \end{matrix}) = (\begin{matrix} S_{1} (t) + a S_{2} (t) \\ S_{2} (t) + b S_{1} (t) \end{matrix}) = [\begin{matrix} 1 & a \\ b & 1 \end{matrix}] \underline{S} = [\begin{matrix} 1 & a \\ b & 1 \end{matrix}] (\begin{matrix} S_{1} (t) \\ S_{2} (t) \end{matrix})$

The afterglow now leads to crosstalk between the at least two interference fringe systems generated according to the invention, in that signal components from laser beam 2 arrive at time intervals that are provided for the signals from laser beam 1, and vice versa.
Crosstalk can be defined as:

- Are S _1,2 (t) the original, undisturbed signals and
- a, b the strengths of the crosstalk (crosstalk coefficient),
- then the signals afflicted with crosstalk are S ' _1,2 (t): $(\begin{matrix} {S.}_{1}^{'} (t) \\ {S.}_{2}^{'} (t) \end{matrix}) = (\begin{matrix} {S.}_{1} (t) + a {S.}_{2} (t) \\ {S.}_{2} (t) + b {S.}_{1} (t) \end{matrix}) = [\begin{matrix} 1 & a \\ b & 1 \end{matrix}] \underline{S.} = [\begin{matrix} 1 & a \\ b & 1 \end{matrix}] (\begin{matrix} {S.}_{1} (t) \\ {S.}_{2} (t) \end{matrix})$

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der Fluidtemperatur wird unter Einsatz des bekannten Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors durchgeführt. Durch diesen Sensor wird die Position und die Geschwindigkeit von in der Strömung mitgeführten Partikeln ermittelt und damit das im Messvolumen vorherrschende Geschwindigkeitsprofil ermittelt.The method according to the invention for determining the fluid temperature is carried out using the known laser Doppler velocity profile sensor. This sensor determines the position and the speed of particles carried along in the flow and thus determines the speed profile prevailing in the measuring volume.

Erfindungsgemäß werden nun mindestens zwei amplitudenmodulierte Laserstrahlen im Zeitmultiplexbetrieb betrieben, wodurch durch direkte oder indirekte Bestimmung der Fluoreszenz-Lebensdauer von fluoreszierenden Partikeln oder des Fluoreszenzstoffes die Temperatur der Partikeln und des Fluids ermittelt werden kann.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren ohne Änderung des opto-mechanischen Aufbaus und des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors durchgeführt werden kann.According to the invention, at least two amplitude-modulated laser beams are now operated in time-division multiplexing, whereby the temperature of the particles and of the fluid can be determined by direct or indirect determination of the fluorescence lifetime of fluorescent particles or the fluorescent substance.
One advantage of the solution according to the invention is that the method according to the invention can be carried out without changing the opto-mechanical structure and the laser Doppler velocity profile sensor.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung sind nun erstmals hochaufgelöste rückwirkungsfreie kombinierte Strömungsgeschwindigkeits- und Fluidtemperatur-Ermittlungen mit nur einem Gerät, insbesondere in Grenzschichten wandnaher Strömungen für zum Beispiel die Wärmeübertragungscharakterisierung von Kühl- oder Heizelementen mit Schlüsselloch-Zugang möglich.With the solution according to the invention, high-resolution, non-reactive, combined flow velocity and fluid temperature determinations are now possible for the first time with just one device, especially in boundary layers of flows close to the wall, for example for the heat transfer characterization of cooling or heating elements with keyhole access.

Erfindungsgemäß werden durch die mindestens zwei amplitudenmodulierten Laserstrahlen im Zeitmultiplexbetrieb zwei alternierende Interferenzstreifensysteme erzeugt. Fluoreszierende Partikel oder Fluoreszenzstoffe werden zunächst von dem Streifensystem des ersten Laserstrahls beleuchtet und anschließend von dem zweiten. Die detektierten Signale können zeitlich getrennt werden und damit über den bekannten Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor die hoch aufgelöste Strömungsgeschwindigkeitsmessung durchgeführt werden.According to the invention, two alternating interference fringe systems are generated by the at least two amplitude-modulated laser beams in time-division multiplex operation. Fluorescent particles or fluorescent substances are first illuminated by the strip system of the first laser beam and then by the second. The detected signals can be separated in time and thus the high-resolution flow velocity measurement can be carried out using the known laser Doppler velocity profile sensor.

Wenn zwischen den beiden Beleuchtungsschritten ein zeitlicher Abstand besteht, leuchten die Partikel oder der Fluoreszenzstoff gemäß ihrer Fluoreszenzlebensdauer nach. Der zeitliche Abfall dieses Lichtes hängt von der Temperatur ab.If there is a time interval between the two lighting steps, the particles or the fluorescent substance continue to glow according to their fluorescence lifetime. The temporal decrease of this light depends on the temperature.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann von beobachteten Partikeln in dem strömenden Fluid die Position innerhalb des Messvolumens, die Strömungsgeschwindigkeit lateral zur Beobachtungsrichtung und die Temperatur gemäß der Fluoreszenzlebensdauer zugeordnet werden.
Durch Messung und Bestimmung der Position der Partikel, ihrer Strömungsgeschwindigkeit lateral zur Beobachtungsrichtung und ihrer Temperatur gemäß der Fluoreszenzlebensdauer an einer Vielzahl an Partikeln kann auch über eine statistische Auswertung ein mittlerer Temperaturwert über eine bestimmte Klasse oder Anzahl von Partikeln angegeben werden.With the method according to the invention, the position within the measuring volume, the flow velocity lateral to the direction of observation and the temperature according to the fluorescence lifetime can be assigned to observed particles in the flowing fluid.
By measuring and determining the position of the particles, their flow velocity lateral to the direction of observation and their temperature according to the fluorescence lifetime on a large number of particles, a mean temperature value for a specific class or number of particles can also be specified via a statistical evaluation.

Die zur Realisierung des Verfahrens notwendige Vorrichtung, die mindestens zwei Laserstrahlen und einem Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor beinhaltet, ist eine kompakte, portable und einfach zu handhabende Vorrichtung, durch die der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens einfach und kostengünstig wird.The device required to implement the method, which contains at least two laser beams and a laser Doppler velocity profile sensor, is a compact, portable and easy-to-use device through which the Use of the method according to the invention is simple and inexpensive.

Der Grundansatz basierend auf dem Laser-Doppler-Profilsensor bietet die Möglichkeit, mit nur einem optischen Zugang eine sehr hohe axiale Auflösung für das Strömungs- und Temperaturprofil zu erreichen und gleichzeitig eine Implementierung einer Temperaturbestimmung ohne Änderungen oder Erweiterungen des optischen Aufbaus zu realisieren.The basic approach based on the laser Doppler profile sensor offers the possibility of achieving a very high axial resolution for the flow and temperature profile with just one optical access and, at the same time, implementing a temperature determination without changes or extensions to the optical structure.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment.

Dabei zeigen

1 die Zeitabhängigkeit der beiden Interferenzstreifensysteme der beiden Laserstrahlen mit dem Übersprechen des Fluoreszenzstoffes und
2 die im Frequenzspektrum auftretenden Signale eines Partikels mit deutlich sichtbarem Übersprechen, das aus dem Nachleuchten des Fluoreszenzfarbstoffs resultiert

Show it

1 the time dependence of the two interference fringe systems of the two laser beams with the crosstalk of the fluorescent substance and
2 the signals appearing in the frequency spectrum of a particle with clearly visible crosstalk that results from the afterglow of the fluorescent dye

Beispiel 1example 1

Der Strahl eines Lasers mit 480 nm Wellenlänge wird durch einen elektrooptischen Modulator (EOM) geleitet. Der EOM wird mit einem Signal von 150 MHz geschaltet, so dass der einlaufende Laserstrahl mit dieser Frequenz zwischen zwei beiden Ausgängen den EOM hin- und herwechselt. Die Amplituden der beiden austretenden Laserstrahlen sind dann mit 150 MHz rechteckmoduliert und weisen untereinander eine Phasenverschiebung von 180° auf (1). Jeder der Strahlen durchläuft eine Optik, die aus ihm ein fächerförmiges Interferenzstreifensystem erzeugt, wobei das Streifensystem des einen Strahls konvergiert, das des anderen Strahls divergiert. Zu jedem Zeitpunkt ist also nur ein Streifensystem vorhanden (Multiplex). Die beiden Streifensysteme sind überlagert, d. h. befinden sich an der gleichen Stelle im Raum, und bilden so das Messvolumen.The beam of a laser with a wavelength of 480 nm is passed through an electro-optical modulator (EOM). The EOM is switched with a signal of 150 MHz so that the incoming laser beam at this frequency changes the EOM back and forth between two outputs. The amplitudes of the two emerging laser beams are then square-modulated with 150 MHz and have a phase shift of 180 ° between them ( 1 ). Each of the beams passes through an optical system which generates a fan-shaped interference fringe system from it, the fringe system of one beam converging and that of the other beam diverging. At any point in time there is only one system of stripes (multiplex). The two strip systems are superimposed, ie they are at the same point in the room, and thus form the measurement volume.

Das Messvolumen wird nun in das zu untersuchende strömende Fluid gerichtet, welches eine durch ein Glasfenster zu beobachtende Grenzschicht eines wasserdurchströmten Rohres ist. Das Wasser führt mikroskopische Partikel mit sich, die den Fluoreszenzfarbstoff Alexa-488 enthalten, der eine mittlere Fluoreszenzlebensdauer von τ= 4,1 ns aufweist. Strömt ein Partikel durch das Messvolumen, so streut es Licht, das mit einer Streulichtoptik aufgefangen und auf eine Photodiode geführt wird. Etwaiges elastisch gestreutes Licht der Anregewellenlänge wird mit einem Farbfilter blockiert. Das Detektorsignal der Photodiode wird mit einem Analog/Digitalwandler digitalisiert und mit einem Rechner weiterverarbeitet. Die Bandbreite sowohl des Detektors wie auch der nachfolgenden Elektronik und des Wandlers beträgt das Fünffache der Modulationsfrequenz des EOMs. Das Schaltsignal des EOMs ist mit der Abtastung des Analog/Digitalwandlers synchronisiert. Im Rechner findet das Demultiplexing statt, d. h. es werden die Abtastwerte so auf zwei Messkanäle verteilt, dass sie den einzelnen InterferenzStreifensystemen zugeordnet sind.The measurement volume is now directed into the flowing fluid to be examined, which is a boundary layer of a pipe through which water flows, which can be observed through a glass window. The water carries microscopic particles with it that contain the fluorescent dye Alexa-488, which has an average fluorescence lifetime of τ = 4.1 ns. If a particle flows through the measurement volume, it scatters light that is captured with scattered light optics and directed onto a photodiode. Any elastically scattered light of the excitation wavelength is blocked with a color filter. The detector signal of the photodiode is digitized with an analog / digital converter and processed further with a computer. The bandwidth of both the detector and the downstream electronics and the converter is five times the modulation frequency of the EOM. The switching signal of the EOM is synchronized with the sampling of the analog / digital converter. The demultiplexing takes place in the computer, i. H. the sampled values are distributed over two measurement channels in such a way that they are assigned to the individual interference fringe systems.

In der auf dem Rechner implementierten Signalverarbeitungssoftware werden zunächst die Signale von einzelnen Partikeln („Burstsignale“) identifiziert und einzeln weiterverarbeitet. Jedes Partikel führt zu zwei gleichzeitig auftretenden, pulsförmigen Signalen, einem auf Kanal eins vom konvergenten, einem auf Kanal zwei vom divergenten Streifensystem. Für jedes Signal wird mittels einer FourierTransformation das Frequenzspektrum berechnet. Die Signale weisen im Spektrum einen markanten Peak auf, den Doppler-Peak. Von jedem Peak werden nun die Mittenfrequenz und die Peakhöhe bestimmt. Auf diese Weise werden zwei Dopplerfrequenzen f₁ und f₂ erhalten, die wegen der unterschiedlichen Streifenabstände entlang der Trajektorie des Partikels im Allgemeinen unterschiedlich sind (2). Aus diesen beiden Frequenzen können nun zunächst nach dem Prinzip des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors die axiale Position und die laterale Geschwindigkeitskomponente des das Messvolumen durchquerenden Partikels bestimmt werden. Durch die Auftragung sehr vieler ausgewerteter Partikel ergibt sich das Geschwindigkeitsprofil der StrömungIn the signal processing software implemented on the computer, the signals from individual particles (“burst signals”) are first identified and processed individually. Each particle leads to two simultaneously occurring, pulse-shaped signals, one on channel one of the convergent, one on channel two of the divergent stripe system. The frequency spectrum is calculated for each signal using a Fourier transformation. The signals show a distinctive peak in the spectrum, the Doppler peak. The center frequency and the peak height are now determined for each peak. In this way two Doppler frequencies f ₁ and f ₂ are obtained, which are generally different due to the different fringe spacings along the trajectory of the particle ( 2 ). From these two frequencies, the axial position and the lateral speed component of the particle traversing the measurement volume can now be determined based on the principle of the laser Doppler speed profile sensor. The velocity profile of the flow results from the application of a large number of evaluated particles

Die Fluoreszenz des in den Partikeln enthaltenen Farbstoffs klingt exponentiell ab, was zu einem Nachleuchten führt: I(t)=I₀*exp{-t/τ}, wobei erfindungsgemäß die Fluoreszenz-Lebensdauer von der Temperatur abhängt τ=τ(T). Wegen des Nachleuchtens der Partikel kommt es zu einem Übersprechen beim Demultiplex. Ein Partikel vom 1. Streifensystem (Kanal 1) wird dabei zum Leuchten angeregt und emittiert durch das Nachleuchten aufgrund der endlichen Fluoreszenz-Lebensdauer auch noch Licht zu einem späteren Zeitpunkt, an dem das 1. Streifensystem bereits wieder abgeschaltet und nun das 2. Streifensystem aktiv ist (1). Damit werden Lichtanteile vom 1. Kanal nun dem 2. Kanal zugeordnet und umgekehrt (Übersprechen). Dieser Umstand ist in der 2 im Frequenzbereich dargestellt. Es ist zu sehen, dass Kanal 1 sowohl den eigentlichen Peak zu Frequenz f₁ besitzt als auch - zu einem geringeren Anteil - den Signalpeak des 2. Kanals mit der Frequenz f₂, und umgekehrt.The fluorescence of the dye contained in the particles decays exponentially, which leads to an afterglow: I (t) = I ₀ * exp {-t / τ}, whereby according to the invention the fluorescence lifetime depends on the temperature τ = τ (T) . Because of the afterglow of the particles, crosstalk occurs during demultiplexing. A particle from the 1st strip system (channel 1) is stimulated to glow and emits light due to the afterglow due to the finite fluorescence lifetime at a later point in time when the 1st strip system has already been switched off and the 2nd strip system is now active is ( 1 ). Light components from the 1st channel are now assigned to the 2nd channel and vice versa (crosstalk). This fact is in the 2 shown in the frequency domain. It can be seen that channel 1 has both the actual peak at frequency f ₁ and - to a lesser extent - the signal peak of the 2nd channel with frequency f ₂ , and vice versa.

Als Messeffekt wird nun ausgenutzt, das eine Veränderung der Fluoreszenz-Lebensdauer das Übersprechen verändert: Eine höhere Lebensdauer führt zu einem größeren Übersprechen. Zur Temperaturbestimmung wird das Übersprechen quantifiziert, indem zunächst die Übersprechkoeffizienten a,b bestimmt werden. Dies geschieht, indem die Amplituden der vier auftretenden Signalpeaks ermittelt werden und die Quotienten von Haupt- und Übersprechpeak berechnet werden. So ist der Koeffizient a das Verhältnis der Peakhöhe von Übersprechpeak des Signals f₂ auf Kanal 1 bezogen auf die Peakhöhe von f₂ auf Kanal 2; entsprechend Koeffizient b. Mit den derart bestimmten Koeffizienten und einer zuvor bestimmten Kalibriervorschrift kann die Temperatur des Partikels bestimmt werden. Auf diese Weise kann für jedes Partikel ein Positionswert, ein Geschwindigkeitswert und ein Temperaturwert ermittelt werden.As a measuring effect, the fact that a change in the fluorescence lifetime changes the crosstalk is now used: a longer lifetime leads to greater crosstalk. The crosstalk is used to determine the temperature quantified by first determining the crosstalk coefficients a, b. This is done by determining the amplitudes of the four occurring signal peaks and calculating the quotients of the main and crosstalk peaks. The coefficient a is the ratio of the peak height of the crosstalk peak of the signal f ₂ on channel 1 in relation to the peak height of f ₂ on channel 2; according to coefficient b. With the coefficients determined in this way and a previously determined calibration rule, the temperature of the particle can be determined. In this way, a position value, a speed value and a temperature value can be determined for each particle.

Zur Verringerung der Unsicherheit der Temperaturmessung kann die Auswertesoftware um eine statistische Analyse ergänzt werden.
So kann für die Bestimmung nur eines mittleren Temperaturwertes der gesamten Strömung eine Mittelung durchgeführt werden, indem über eine gewünschte Anzahl N von ausgewerteten Burstsignalen der Partikel die bestimmte Temperatur gemittelt wird.
Ein Temperaturprofil kann bestimmt werden, indem zunächst für eine ausreichend große Anzahl N von Burstsignalen Position, Geschwindigkeit und Temperatur ausgewertet und abgespeichert werden. Diese Daten werden dann bestimmten Positionsintervallen („Slots“) zugeordnet, so dass jedes Intervall nur die Daten von einem bestimmten Positionsbereich enthält. Anschließend wird für jedes Intervall eine statistische Auswertung durchgeführt und die mittlere Geschwindigkeit und die mittlere Temperatur errechnet. Trägt man die so bestimmte mittlere Temperatur jedes Intervalls über seiner Position auf, so erhält man das Temperaturprofil.A statistical analysis can be added to the evaluation software to reduce the uncertainty of the temperature measurement.
Thus, for the determination of only one mean temperature value of the entire flow, an averaging can be carried out in that the determined temperature is averaged over a desired number N of evaluated burst signals of the particles.
A temperature profile can be determined by first evaluating and storing the position, speed and temperature for a sufficiently large number N of burst signals. This data is then assigned to specific position intervals ("slots") so that each interval only contains the data from a specific position range. A statistical evaluation is then carried out for each interval and the mean speed and mean temperature are calculated. If the mean temperature determined in this way for each interval is plotted over its position, the temperature profile is obtained.

Für das vorliegende strömende Fluid in dem Rohr und die darin enthaltenen Partikel ist ein ortsaufgelöste Geschwindigkeit von (0...5) m/s gemessen und ermittelt worden. Weiterhin wurde eine Fluidtemperatur von 30 °C ermittelt.A spatially resolved speed of (0 ... 5) m / s has been measured and determined for the present flowing fluid in the pipe and the particles it contains. A fluid temperature of 30 ° C. was also determined.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102005042954 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

J. Czarske, et al: Meas. Sci. Technol. 13, pp. 1979-1989, 2002 [0009]

Claims

Method for determining the fluid temperature, in which at least two laser beams, which emit at least light of one wavelength, which excites at least the fluorescence of particles or a fluorescent substance in a flowing fluid, and which are amplitude-modulated and which are operated in time-division multiplex mode, through a flowing fluid Particles that have at least fluorescent properties or fluorescence or contain a fluorescent substance, and in which the fluorescence lifetime is temperature-dependent, are conducted, and a spatially resolved velocity measurement is carried out on the flowing fluid with a laser Doppler velocity profile sensor, and simultaneously and / or immediately afterwards the fluid temperature is determined via the afterglow of the fluorescent particles and / or the fluorescent substance.

Procedure according to Claim 1 , in which the spatially resolved speed measurement is carried out after a calibration of the laser Doppler speed profile sensor as a function of the fluid and the particles.

Procedure according to Claim 1 , in which, as fluorescent particles, particles made of organic dyes, rhodamines, dyes doped with europium, such as europium (III) thenoyltrifluoroacetonate (EuTTa), or yttrium aluminates, cadmium tungstate (CdWO4), zinc oxide doped with zinc (ZnO: Zn), alexa 488 or particles containing a fluorescent substance from organic dyes, rhodamines, dyes doped with europium, such as europium (III) thenoyltrifluoroacetonate (EuTTa), or yttrium aluminates, cadmium tungstate (CdWO4), zinc oxide doped with zinc (ZnO: Zn) or 488 contain or are coated with it.

Procedure according to Claim 1 , in which the fluid temperature is determined at the same time as the spatially resolved speed measurement by means of the laser Doppler speed profile sensor.

Procedure according to Claim 1 , in which the at least two laser beams are either emitted by a laser and the beam is split into two laser beams with a beam splitter, each of the beams then containing its own amplitude modulator, or the only one laser is coupled to an electro-optical modulator that controls the one laser beam depending on the switching status, steers into one of two outputs so that a laser beam is emitted alternately.

Procedure according to Claim 1 , in which two or more lasers are used to generate the at least two laser beams, which generate light with the same or almost the same wavelength, with the respective laser beams advantageously all exciting the fluorescence of the particles or of the fluorescent dye at different wavelengths.

Procedure according to Claim 1 , in which the laser or lasers to excite the fluorescent properties of the particles are operated with a wavelength of 350 to 800 nm.

Procedure according to Claim 1 , in which the amplitude modulation of the laser beams generating the at least two interference fringe systems is carried out by direct modulation of the laser beams or by external modulators.

Procedure according to Claim 1 , in which the amplitude modulation of the laser beams generating the at least two interference fringe systems is carried out in the form of a rectangular modulation and a phase shift of 90 ° to 240 °, advantageously 180 °.

Procedure according to Claim 1 , in which the afterglow of the fluorescent particles or the fluorescent substance generates a crosstalk of the amplitude-modulated at least two laser beams, which is indicated by the crosstalk coefficients, and the crosstalk coefficients, which are directly dependent on the fluorescence lifetime, which in turn is a function of the temperature τ = τ (T) is the temperature of the fluorescent substance and thus the temperature of the particle and the fluid is determined.

Procedure according to Claim 10 , in which the crosstalk coefficients a and b of two laser signals S ₁ and S _{2 are} determined by

(\begin{matrix} {S.}_{1}^{'} (t) \\ {S.}_{2}^{'} (t) \end{matrix}) = (\begin{matrix} {S.}_{1} (t) + a {S.}_{2} (t) \\ {S.}_{2} (t) + b {S.}_{1} (t) \end{matrix}) = [\begin{matrix} 1 & a \\ b & 1 \end{matrix}] \underline{S.} = [\begin{matrix} 1 & a \\ b & 1 \end{matrix}] (\begin{matrix} {S.}_{1} (t) \\ {S.}_{2} (t) \end{matrix})