DE1673403C3

DE1673403C3 - Device for measuring the speed of an object scattering electromagnetic waves

Info

Publication number: DE1673403C3
Application number: DE19671673403
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Ing. 1000 Berlin; Pfeifer Hans-Joachim Dipl.-Phys.; Stein Heinz-Dieter vom Dipl.-Ing. Dr.; 7858 Weil Lehmann
Original assignee: Deutsch-Französisches Forschungsinstitut Saint-Louis, Saint-Louis (Frankreich)
Priority date: 1967-11-08
Filing date: 1967-11-08
Publication date: 1976-09-23

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit eines elektromagnetische Wellen streuenden Objektes, mit einer Einrichtung, die zwei kohärente, konvergierende Strahlen im Bereich des streuenden Objektes interferieren läßt, sowie mit einem Strahlungsdetektor und daran angeschlossener Signal-Auswerteeinrichtung.The invention relates to a device for measuring the speed of an electromagnetic Waves scattering object, with a device that has two coherent, converging rays in the field of the scattering object can interfere, as well as with a radiation detector and connected to it Signal evaluation device.

Die Messung der Geschwindigkeit von einzelnen Partikeln oder Partikelströmen, wie sie beispielsweise in einer aus Tröpfchen und Dampf gebildeten Zweiphasenströmung vorliegen, bereitet erfahrungsgemäß gro-Be Schwierigkeiten. In vielen Fällen ist es auch wünschenswert, die Messung berührungsfrei und damit störungsfrei durchzuführen. Zu diesem Zweck sind in den letzten Jahren Vorrichtungen entwickelt worden, die auf dem gemeinsamen Prinzip beruhen, die bei der Streuung an einem bewegten Körper auftretende Dopplersche Frequenzverschiebung bzw. Interferenzerscheinungen zur Geschwindigkeitsmessung auszunutzen (Applied Physics Letters, Bd. 4, Nr. 10 vom 15.5.1964, S. 176 bis 178; Applied Physics Letters, Bd. 7, Nr. 4 vom 15.8.1965, S. 77 und 78). Für die Durchführung ist es allerdings notwendig, daß das zur Streuung Gelangende Licht kohärent ist. Im optischen Bereich können kohärente Strahlen durch optische Sender mit stimulierbaren Medien erzeugt werden.The measurement of the speed of individual particles or particle streams, as for example in a two-phase flow formed from droplets and steam is present, according to experience, prepares gro-Be Trouble. In many cases it is also desirable to have the measurement contact-free and thus to be carried out trouble-free. For this purpose devices have been developed in recent years, which are based on the common principle that occurs when scattering on a moving body To use Doppler frequency shift or interference phenomena for speed measurement (Applied Physics Letters, Vol. 4, No. 10, May 15, 1964, pp. 176 to 178; Applied Physics Letters, Vol. 7, No. 4 of August 15, 1965, pp. 77 and 78). For the implementation however, it is necessary that the light reaching the scattering is coherent. In the optical area Coherent beams can be generated by optical transmitters with stimulable media.

Zur näheren Erläuterung ist in F i g. 1 eine bekannte Meßanordnung skizziert Der beispielsweise von einem Gaslaser emittierte Primärstrahl 1 trifft nach seiner Fokussierung auf das Teilchen 2, das sich unter dem Winkei φ in Richtung des Geschwindigkeitsvektors b bewegt Der Primärstrahl wird infolge der Teilchenbewegung frequenzverschoben gestreut Zur Messung wird ein unter dem Winkel φ gestreuter Strahl 3 verwendet Dieses Streulichtbündel wird über eine Aperturblende 4 und eine Linse 5 in den Strahlungsempfänger 6, wie beispielsweise einen Sekundärelektronenvervielfacher, geleitet An der Teilerplatte 7 wird ein Teil des Primärstrahles als Referenzstrahl 8 herausreflektiert und über die Spiegel 8 und 9 sowie den halbdurchlässigen Spiegel 10 ebenfalls dem Strahlungsempfänger zugeführt Die Frequenz /des Streustrahles ist gegenüber der Frequenz Λ des Primärstrahles um einen Wert Δ / = /- Λ verschoben.For a more detailed explanation, FIG. 1 outlines a known measuring arrangement The primary beam 1 emitted by a gas laser, for example, hits the particle 2 after focusing, which moves at the angle φ in the direction of the velocity vector b The primary beam is scattered with a frequency shift as a result of the particle movement Scattered beam 3 used This scattered light bundle is passed through an aperture diaphragm 4 and a lens 5 into the radiation receiver 6, such as a secondary electron multiplier 10 also fed to the radiation receiver. The frequency / of the scattered beam is shifted by a value Δ / = / - Λ compared to the frequency Λ of the primary beam.

Dabei gilt die Beziehung:The following relationship applies:

20 / ψ 20 / ψ

I/ = ----- cos U + -ή-I / = ----- cos U + -ή-

sinsin

Die beiden trigonometrischen Funktionen hängen vom Versuchsaufbau ab, und ihr Produkt wird als Frequenzreduktionsfaktor bezeichnet. Bei Kenntnis dieses Faktors und der Frequenz / kann man nach Messung der Frequenzverschiebung Δ /die Geschwindigkeit r des Meßobjektes berechnen. Die Messung der Frequenzverschiebung wird bisher ausschließlich derart durchgeführt daß der Streustrahl und der Referenzstrahl überlagert und die dabei auftretende Schwebungsfrequenz der Lichtintensität ermittelt wird. Die Messung erfolg i beispielsweise dadurch, daß ein Sekundärelektronenvervielfacher an einen Oszillographen angeschlossen wird, auf dessen Bildschirm die Schwebung direkt sichtbar erscheint und ausgewertet werden kann.The two trigonometric functions depend on the experimental setup and their product is called the frequency reduction factor. If this factor and the frequency / are known, the speed r of the test object can be calculated after measuring the frequency shift Δ /. The measurement of the frequency shift has hitherto been carried out exclusively in such a way that the scattered beam and the reference beam are superimposed and the resulting beat frequency of the light intensity is determined. The measurement takes place, for example, in that a secondary electron multiplier is connected to an oscilloscope, on whose screen the beat appears directly visible and can be evaluated.

Bei einer Wellenlänge von 6328 Ä, wie sie beispielsweise bei Licht aus einem Helium-Neon-Gaslaser vorliegt, und einem angenommenen Wert des Frequenzreduktionsfaktors von 1, beträgt bei einer Geschwindigkeit von 100 m/sec die Frequenzverschiebung 316 MHz. Bei derartig hohen Frequenzen müssen an die signalverarbeitende Elektronik erhebliche und kostspielige Anforderungen gestellt werden. Diesen Aufwand versucht man dadurch zu verringern, daß man durch geeignete Wahl der Geometrie den Frequenzreduktionsfaktor möglichst klein wählt Eine maximale Unempfindlichkeit der Meßmethode gegen Richtungsschwankungen der Geschwindigkeit wird bei (φ +1) = 0 erreicht Ein kleiner Frequenzreduktions-At a wavelength of 6328 Å, as is the case, for example, with light from a helium-neon gas laser is present, and an assumed value of the frequency reduction factor of 1, is at a speed of 100 m / sec the frequency shift is 316 MHz. At such high frequencies, the signal processing electronics are made significant and costly. This effort one tries to reduce the frequency reduction factor by a suitable choice of the geometry selects as small as possible A maximum insensitivity of the measurement method to directional fluctuations in speed is achieved with (φ +1) = 0 reached A small frequency reduction

fnktor fordert zusätzlich einen kleinen Winkelig. Gerade dann ist jedoch die Empfindlichkeit der Methode gegen Ungenauigkeiten des Winkels ψ besonders groß und ungünstig, da ψ schwer zu kontrollieren ist. Deshalb arbeitet man im allgemeinen bei Wertenfnktor also requires a small angle. But just then is the sensitivity of the Method against inaccuracies in the angle ψ particularly large and unfavorable because ψ difficult to control is. That is why one generally works with values

5° < ψ < 20°, φ = 0,0,0437 < K < 0,171,5 ° <ψ <20 °, φ = 0.0.0437 < K < 0.171,

wobei K der Frequenzreduktionsfaktor ist, die erfahrungsgemäß gefunden wurden. Zur Messung sehr hoher Geschwindigkeiten sind aber noch kleinere Wertewhere K is the frequency reduction factor that has been found based on experience. For measuring very high speeds, however, even smaller values are required

notwendig, wenn der Aufwand an elektronischen Mitteln in einem erträglichen Maß gehalten werden solLnecessary if the use of electronic means is to be kept to a bearable level

Die bekannte Vorrichtung hat unter anderem den erheblichen Nachteil, daß die Bestimmung des Winkels ψ notwendig ist Dieser Winkel ist um so genauer definiert, je kleiner die öffnung der Aperturblende 4 gemacht wird, was dann aber zu einem erheblichen Intensitätsverlust und damit zu einem ungünstigen Signal-Rausch-Verhältnis führtThe known device has, inter alia, the significant disadvantage that the determination of the angle This angle is defined more precisely, the smaller the opening of the aperture diaphragm 4 is done, which then leads to a considerable loss of intensity and thus an unfavorable one Signal-to-noise ratio leads

In der älteren Patentanmeldung P18 00 860.1-52 ist bereits eine Vorrichtung zum berührungslosen Messen von unter anderem der Geschwindigkeit von in einem Strömungsmittel bewegten oder einer Fläche anhaftenden und mit dieser bewegten Teilchen vorgeschlagen worden, bei der die Messung wie folgt durchgeführt wird: Es werden zwei aufgeteilte und in einem Detektor wieder vereinigte kohärente Lichtstrahlen erzeugt Durch Überlagerung der beiden Lichtstrahlen in dem Strömungsmittel oder im Bereich der Fläche, an der die Teilchen anhaften, werden Interferenzstreifen erzeugt, die in Bewegungsrichtung der Teilchen im Abitand zueinander liegen. Zur Messung der Geschwindigkeit der Teilchen wird nach der Durchlichtmethode die Intensität des durch das Strömungsmittel hindurchgetretenen bzw. von der Fläche reflektierten Lichts gemessen. Jedesmal, wenn sich ein Teilchen durch einen Interferenzstreifen bewegt, nimmt die Intensität des gemessenen Lichts geringfügig ab. Aus der Frequenz der solchermaßen erzeugten Schwankungen der Intensität des gemessenen Lichts wird dann die Geschwindigkeit der Teilchen ermittelt.In the earlier patent application P18 00 860.1-52 is already a device for non-contact measurement of, among other things, the speed of in one Fluid moving or particles adhering to a surface and moving with this proposed in which the measurement is carried out as follows: There are two divided and in one detector reunited coherent rays of light created by superimposing the two rays of light in the Fluid or in the area of the surface to which the particles adhere, interference fringes are generated, which are in abitand to one another in the direction of movement of the particles. To measure the speed of the particles is the intensity of what has passed through the fluid according to the transmitted light method or measured from the surface of reflected light. Every time a particle passes through you If the interference fringe moves, the intensity of the measured light decreases slightly. From the frequency the fluctuations in the intensity of the measured light generated in this way then become the speed of the particles determined.

Nachteilig ist bei dieser vorgeschlagenen Vorrichtung, daß die Schwankungen der Intensität des gemessenen Lichts im Verhältnis zu seiner Gesamtintensität sehr gering sind. Da dieses Verhältnis von der Lichtstärke der verwendeten Lichtquelle unabhängig ist, kann es auch nicht durch Verwendung von Lichtquellen mit höherer Lichtstärke verbessert werden. Im übrigen kann die Leistung eines als Lichtquelle verwendeten Lasers bei dieser Vorrichtung auch nicht über Nano- bis Milliwatt erhöht werden, da sonst der als Meßeinrichtung üblicherweise verwendete Fotomultiplier übersteuert wird. Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung muß deshalb ein sehr schlechter Rauschbzw. Störsignalabstand in Kauf genommen werden. Außerdem ist die Größe der Teilchen, für die die Messung durchgeführt werden kann, auf einen engen Bereich beschränkt. Wenn die Teilchen größer als die Breite eines hellen oder dunklen Streifens des Interferenzstreifenmusters sind, nimm* die Größe der Intensitätsschwankungen ab, und der Rauschabstand verschlechtert sich entsprechend. Wenn die Teilchen eine Größe gleich oder größer als die Breite eines hellen und eines dunklen Streifens des InterfereniEstreifenmusters haben, nehmen die Schwankungen der Intensität des gemessenen Lichtes sogar praktisch auf den Wert 0 ab, so daß kein verwertbares Meßsignal mehr gewonnen werden kann. Wenn andererseits die Teilchen kleiner als die Breite eines hellen oder dunklen Streifens des Interferenzstreifenmusters sind, nimmt die Größe der Schwankungen der Intensität des gemessenen Lichtes wiederum ab, so daß sich auch der Rauschbzw. Störsignalabstand entsprechend verschlechtert.The disadvantage of this proposed device is that the fluctuations in the intensity of the measured light are very low in relation to its total intensity. Since this ratio depends on the Luminous intensity of the light source used is independent, it cannot be achieved by using either Light sources with higher luminous intensity can be improved. Incidentally, the power of one can be used as a light source The laser used in this device cannot be increased beyond nanowatts to milliwatts, otherwise the as Measuring device commonly used photomultiplier is overdriven. At the proposed Device must therefore have a very poor noise or. Signal-to-noise ratio must be accepted. In addition, the size of the particles for which the measurement can be performed is narrow Area restricted. If the particles are larger than the width of a light or dark streak of the Are interference fringe patterns, decrease * the size of the intensity fluctuations, and the signal-to-noise ratio deteriorates accordingly. If the particles have a size equal to or greater than the width of a light and a dark streak of the interference fringe pattern, the fluctuations in intensity decrease of the measured light even practically drops to the value 0, so that there is no longer any usable measurement signal can be won. On the other hand, if the particles are smaller than the width of a light or dark Fringes of the interference fringe pattern, the magnitude of the fluctuations in the intensity of the measured Light in turn, so that the noise or. Signal-to-noise ratio deteriorated accordingly.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit eines elektromagnetische Wellen streuenden Objektes von der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß bei gleichzeitig geringem apparativem Aufwand ein geometrisch unkritischer Aufbau der Vorrichtung und ein verbesserter Rausch- bzw. Störsignalabstand erreicht werden.
Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Strahlungsdetektor so angeordnet ist, daß ausschließlich gestreute Strahlung auf ihn gelangtThe invention is based on the object of designing a device for measuring the speed of an electromagnetic wave-scattering object of the type specified at the beginning so that a geometrically uncritical structure of the device and an improved signal-to-noise ratio are achieved with little equipment effort.
According to the invention, this is achieved in that the radiation detector is arranged in such a way that only scattered radiation reaches it

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kommt mit dem gleichen oder geringerem apparativem Aufwand als die bekannten Vorrichtungen aus. Der Rausch- bzw.The device according to the invention comes with the same or less outlay in terms of equipment than the known devices. The intoxication resp.

ίο Störsignalabstand kann durch Verwendung von Lasern mit hoher Leistung beträchtlich verringert werdea Da nicht nach der Durchlichtmethode, sondern nach der Streulichtmethode gearbeitet wird, können hohe Laserleistungen angewendet werden, ohne daß eine Über-ίο Signal to noise ratio can be achieved by using lasers can be reduced considerably with high output If the scattered light method is used, high laser powers can be used without excessive

steuerung der als Strahlungsdetektor verwendeten Fotomultiplier befürchtet werden muß. Vorteilhaft ist weiter, daß die Position des Strahlungsdetektors in bezug auf die anderen Teile der Vorrichtung unkritisch ist und die Aperturblende und der öffnungswinkel des abbildenden Objektivs sehr groß gewählt werden können, ohne daß die Meßgenauigkeit beeinflußt wird.control of the photomultiplier used as a radiation detector must be feared. It is also advantageous that the position of the radiation detector in relation to the other parts of the device is not critical and the aperture stop and the aperture angle of the imaging objective can be selected to be very large without influencing the measurement accuracy.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht
Das Wesen der Erfindung soll beispielsweise an Hand der F i g. 2 und 3 erläutert werden.Further refinements of the invention are claimed in the subclaims
The essence of the invention is intended, for example, with reference to FIGS. 2 and 3 are explained.

Fig.2 stellt eine schematische Darstellung des Strahlenganges dar, während in F i g. 3 ein Meßaufbau in halbschematischer Darstellung gezeigt ist.
In den Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.FIG. 2 shows a schematic representation of the beam path, while in FIG. 3 shows a measurement setup in a semi-schematic representation.
In the figures, the same parts are provided with the same reference numerals.

In F i g. 2 ist der Strahlenverlauf für den ebenen Fall dargestellt. Die beiden Pritnärstrahlen 1 und 1' verlaufen derart konvergent, daß sie im Bereich des Meßobjektes 2 sich schneiden. Es treten somit im gestreuten Licht zwei Anteile mit den Frequenzen Λ und /2 auf. Wie eine einfache Rechnung zeigt, ist die relative Frequenzverschiebung der beiden gestreuten StrahlenIn Fig. 2 shows the beam path for the flat case. The two primary rays 1 and 1 'run convergent in such a way that they intersect in the area of the measurement object 2. It thus occurs in the diffused light two parts with the frequencies Λ and / 2. As a simple calculation shows, the relative frequency shift is of the two scattered rays

I/ = I/, - l/₂ = ; cos ι/ sin —- .I / = I /, - l / ₂ =; cos ι / sin ---.

Werden nun die beiden Streulichtanteile zur Überlagerung gebracht und in dem Strahlungsempfänger 6If the two scattered light components are now superimposed and in the radiation receiver 6

registriert, so tritt als Schwebungsfrequenz der Wert Δ f auf, wobei α der Konvergenzwinkel der beiden Primärstrahlen ist. Wie die Gleichung zeigt und das Experiment bestätigt, ist die Frequenzverschiebung unabhängig vom Beobachtungsort, so daß man diesen nach den günstigsten Intensitätsverhältnissen aussuchen kann. Es entfällt nicht nur der bei den bekannten Vorrichtungen notwendige Einfluß der Aperturblende, sondern der gesamte Meßaufbau wird wesentlich einfacher und praktikabler. registered, the value Δ f occurs as the beat frequency, where α is the angle of convergence of the two primary beams. As the equation shows and the experiment confirms, the frequency shift is independent of the observation site, so that it can be selected according to the most favorable intensity ratios. Not only is the influence of the aperture diaphragm, which is necessary in the known devices, unnecessary, but the entire measurement setup becomes much simpler and more practicable.

Bei der Bestimmung eines räumlichen Geschwindigkeitsvektors werden drei Primärstrahlen benötigt, wobei beispielsweise jeweils nur zwei zur Messung freigegeben werden. Durch Überlagerung der Streuanteile von jeweils einem Primärstrahlpaar werden drei Frequenzverschiebungen Af, Δ f, Δ f" erhalten, aus denen der resultierende Vektor ermittelt werden kann, vorausgesetzt, daß der Richtungssinn der gemessenen Komponenten bekannt ist.When determining a spatial velocity vector, three primary beams are required, with, for example, only two being released for measurement at a time. By superimposing the scattered components of one pair of primary beams, three frequency shifts Af, Δ f, Δ f ″ are obtained, from which the resulting vector can be determined, provided that the sense of direction of the measured components is known.

F i g. 3 zeigt zur weiteren Erläuterung eine halbschematische Darstellung. Der beispielsweise aus einem Gaslaser stammende kohärente Strahl ti wird mit bekannten optischen Mitteln in einem Strahlteiler 12 in die beiden konvergenten Strahlen 1 und 1' zerlegt. DasF i g. 3 shows a semi-schematic one for further explanation Depiction. The coherent beam ti originating for example from a gas laser is with known optical means split in a beam splitter 12 into the two convergent beams 1 and 1 '. The

Meßobjekt 2 kann entweder aus einem einzelnen Partikel bestehen oder aus einem Meßobjekt, dessen Oberflächenrauhigkeit zur Streuung Anlaß gibt, beispielsweise kann auf diese Weise lokal die Umfangsgeschwindigkeit einer rotierenden Scheibe ermittelt werden. Bei der Messung von Partikelgeschwindigkeiten ist es zur Ermittlung des Meßvorganges zweckmäßig, daß die Meßstelle ein Partikelstrom passiert. Dann läßt sich auf einfache Weise das Schwebungsbild von dem Bildschirm eines dem Strahlungsempfänger nachgeschalteten Oszillographen aufnehmen. Der Konvergenzwinkel wird für den Versuchsaufbau einmal sehr genau bestimmt, so daß zur Geschwindigkeitsmessung nur noch die ortsunabhängige Bestimmung der SchweMeasurement object 2 can either consist of a single particle or a measurement object whose Surface roughness gives rise to scattering, for example the peripheral speed of a rotating disk can be determined locally in this way will. When measuring particle velocities, it is useful to determine the measuring process that a particle flow passes through the measuring point. then the beat pattern can be recorded in a simple manner from the screen of an oscilloscope connected downstream of the radiation receiver. The convergence angle becomes very large for the experimental setup precisely determined, so that for speed measurement only the location-independent determination of the sweat bungsfrequenz erforderlich ist Zur Fixierung des Meßpunktes kann in bekannter Weise ein Zielfernrohr 13 dienen, das starr mit dem Strahlungsempfänger und dessen vorgeschalteter Optik verbunden ist. Auf diese Weise ergibt sich ein einfacher und handlicher Meßaufbau, mit dem man auch schwer zugängliche Meßobjekte, gegebenenfalls unter Einschaltung eines Lichtleiters zwischen Meßobjekt und Strahlungsempfänger, leicht beobachten kann.exercise frequency is required to fix the Measuring point can serve in a known manner a telescopic sight 13, which is rigid with the radiation receiver and whose upstream optics is connected. This results in a simpler and more manageable one Measurement setup, with which you can also measure objects that are difficult to access, possibly with the inclusion of a Light guide between the object to be measured and the radiation receiver, can easily be observed.

Die Erfindung isi; keineswegs auf die Anwendung im optischen Bereich beschränkt Sie ist im gesamten elektromagnetischem Spektrum anwendbar, soweit Strahlungssender für kohärente Strahlung und entsprechende Strahlungsempfänger vorhanden sind.The invention isi; in no way to the application in limited to the optical range. It is applicable to the entire electromagnetic spectrum, insofar as it is applicable Radiation transmitters for coherent radiation and corresponding radiation receivers are available.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent address:

1. Device for measuring the speed of an object scattering electromagnetic waves, with a device that has two coherent, converging beams in the area of the scattering Object can interfere, as well as with a radiation detector and signal evaluation device connected to it, characterized in that that the radiation detector (6) is arranged so that only scattered radiation got on him

2. Device according to claim 1, characterized in that that the bisector of the radiation directions of the two Stranlen perpendicular to the Direction of movement of the object

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the coherent radiation (U) is generated in a laser and split into two coherent primary beams (1, V) via a beam splitter (12) and that a secondary electron multiplier is used as the radiation detector (6) is provided, which is followed by a rotary electron oscilloscope and a frequency spectrum analyzer for signal evaluation.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the transmission of the beams from Measurement object (2) to the radiation detector (6) takes place via a light guide

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the determination a spatial velocity vector on the object with three converging, Coherent rays is irradiated and in the radiation detector the superposition frequency detected two beams scattered on the object with different frequency shifts which is a measure of a component of the speed vector.