DE1800860C3 - Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit oder der Größe von bewegten Teilchen - Google Patents

Description

Bei der Durchführung der Messung mit reflektiertem Licht sind der Detektor und die Lichtquelle auf der gleichen Seite der bewegten Teilchen angeordnet; wenn die Messung mit dem absorbierten Licht erfolgt, sind Photodetektor und Lichtquelle auf gegenüberliegenden Seiten der bewegten Teilchen angeordnet. Die optische Einrichtung zur Aufspaltung des Laserstrahls in zwei kohärente Strahlen kann eine mit einem Paar Schlitzen versehene Blende sein. Durch das Ersetzen einer solchen Blende durch eine mit anderen Schlitzen versehene Blende kann das Interferenzmuster auf leichte Wese verschiedenen Teilchensorten und -größen angepaßt werden.

Bewegt sich das Teilchen senkrecht zu den Schlitzen, so ist die tatsächliche Frequenz der sinusförmigen Änderungen gegeben durch

r · sin Θ

wobei

ν die Teilchengeschwindigkeit, senkrecht zu den Schlitzen,

(-) der Winkel zwischen den Strahlen und
λ die Wellenlänge des Lichts ist.

Während bei den bekannten Vorrichtungen nur eine ausgewählte Streulichtmenge zur Mess: ng benutzt wird, hängt de Größe der Anzeige bei der erfindimgsgemäßen Vorrichtung von der Gesamtlichtmenge ab, die durch das Teilchen gestreut bzw. absorbiert wird. Daher weist die crfindungsgcmäl.'e Vorrichtung ein wesentlich besseres Signal-Rausch-Verhältnis auf, obwohl die Blende in den Strahlengang eingebracht wird; denn durch die Verwendung des gesamten Streulichtes wird der durch das Einfügen der Blende in den Strahlengang hervorgerufene Lichtverlust mehr als ausgeglichen.

Die Bewegung von Teilchen in Strömungsmitteln wird insbesondere zur Lösung aerodynamischer Probleme, die bei der Konstruktion von Flugzeugen auftreten, benutzt. In den Wirdtunneln oder Wasserkanälcn wird dabei die Geschwindigkeit des Strömungsmittels an bestimmten Punkten gemessen.

Wenn die Geschwindigkeit oder die Größe von an einer Fläche anhaftenden Teilchen bestimmt werden soll, kann die Fläche durchsichtig, spiegelreflektierend oder streureflektierend sein; z.B. kann die Vorrichtung bei der Messung der Geschwindigkeit oder der Teilchengröße bei aus einem WalzwerK austretenden Stahlstreifen verwendet werden.

Zwei Beispiele, die zwei verschiedene Ausführungen der Erfindung wiedergeben, werden nun in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt die optische Anordnung, die in einem Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser zur Messung der Geschwindigkeiten in einer durchsichtigen Flüssigkeit, die durch einen Tunnel strömt, verwendet wird; F i g. 2 zeigt die optische Anordnung, die in einem Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser zur Messung der Geschwindigkeiten von bewegten Oberflächen verwendet wird.

Zu Fig. 1: Ein Wind- oder Wassertunnel 10 schließt transparente Wandungsteile 11 ein. Ein Strömungsmittelstrom durch den Tunnel ist so anzusehen, daß er in einer Richtung senkrecht zur Papierebene fließt. Kohärentes Licht wird von einer Lichtquelle 14 durch eine Linse L₁ ausgesandt, um die Linse L₂ zu beleuchten. Eine mit zwei Schlitzen versehene Blende 12 ist vor der Linse L, angebracht; die beiden Strahlen von den Schlitzen gehen durch die durchsichtigen Wandungsteile 11 des Tunnels hindurch, um sich in der Ebene A zu sammeln. Ein Loch 13 (pin hole) ist im Brennpunkt von L₁ angebracht, um den einfallenden Strahl schärfer einzustellen.

Ein sinusförmiges Interferenzbild erscheint in der Ebene A, die Interferenzstreifen sind in Richtung ίο senkrecht zur Papierebene im Abstand voneinander angeordnet. Die Flüssigkeit enthält eine Teilchensuspension, und immer, wenn eines der Teilchen die Interferenzstreifen durchläuft, schneidet es Licht heraus. Die Menge herausgeschnittenen Lichtes wird sich sinusförmig ändern, wenn die Teilchen nacheinander dunkle und helle Streifen durchlaufen, die tatsächliche Menge hängt ab von der Helligkeit des Lichtes und der Teilchengröße. Durch den Tunnel hindurchgehendes Licht wird durch die Linse L₁ gesammelt und auf den Photodetektor 15 gegeben. Die tatsächliche Frequenz der sinusförmigen Änderungen ist durch die weiter vorn aufgeführte Formel gegeben. und daher kann, wenn der Winkel, den die Strahlen bilden, und die Wellenlänge des Lichtes bekannt sind, die Geschwindigkeit des Teilchens aus der Dopplerverschiebung der Frequenz durch den Photodetektor ermittelt werden. Dieser Dopplereffekt wird herbeigeführt durch die konstante Änderung der Wellenlänge bzw. des Abstandes zwischen dem Teilchen und dem Detektor, wenn das Teilchen die Interferenzstreifen durchschneidet.

Der Geschwindigkeitsmesser kann zur Messung entweder gleichbleibender oder schwankender Geschwindigkeiten irgendeines durchsichtigen Strömiingsmittels, welches suspendierte Teilchen enthält, \ erwendet werden. Wenn eine Flüssigkeit \erwendet wird, enthält sie im allgemeinen eine ausreichende Zahl von Teilchen, so daß es unnötig ist, weitere Teilchen zuzugeben, aber einem Gas muß meist ein Rauch mgefügt werden. Der Geschwindigkeitsmesser kann auch als Strömungsmesser verwendet werden, wenn er zum Messen der Geschwindigkeit eines Strömungsmittels durch ein Rohr eingesetzt wird, und Teilchengröl.'en können ebenfalls mit dieser Vorrichtung bestimmt werden, solange die Teilchen kleiner sind als der Abstand der Interferenzstreifen. In diesem Fall ist es die Größe der sinusförmigen Änderungen, die interessiert, die Vorrichtung ist dann mit Teilchen bekannter Größe zu eichen.

Zu F i g. 2: Ein Laserstrahl 21 wird auf eine Linse 22 projiziert, welche von einer Blende 23 mit einem Schlitzpaar 24 bedeckt ist. Die beiden kohärenten Strahlen von den Schlitzen werden auf einer spiegelbildlich reflektierenden bewegten Oberfläche 25 gesammelt, um ein Interferenzbild zu erzeugen. Die Oberfläche kann mit einer Anzahl lichtabsorbierender Teilchen beschichtet sein, obwohl der übliche Dunst aus der Atmosphäre, der sich auf der Oberfläche sammelt, ausreichen wird, den gewünschten Effekt zu erzielen. Wenn irgendein gegebenes Teilchen sich quer durch die Interferenzstreifen bewegt, gibt dies eine periodische Änderung in der spiegelbildlich reflektierten Lichtmenge. So wird die Abgabe des Detektors mit einer Frequenz« schwanken, die gegeben ist durch die Formel

η =

sin©

cos Φ,

r die Geschwindigkeit der Oberfläche,
Θ der Winkel zwischen den Strahlen,
Φ der des einfallenden Strahles und
λ die Wellenlänge des Lichtes bedeutet.

Die Geschwindigkeit der Oberfläche wird dann in der gleichen Weise wie in F i g. 1 aus der Messung der Dopplerverschiebungen in der Frequenz des abgegebenen Meßwertes bestimmt.

In keiner Ausführungsform braucht das optische System auf einen extrem hohen Genauigkeitsgrad zugeschnitten zu sein, da beide Strahlen durch die gleichen Linsen laufen und zum gleichen Brennpunkt gebracht werden. Irgendwelche Fenster können, wenn beabsichtigt, eingesetzt werden, wie die durchsichtigen Wandungsteile in dem Wind- oder Wassertunnel; sie müssen keine Flächen hoher optischer Qualität sein. Darüber hinaus wird der Streubereich in der Dopplerfrequenz, der in den bekannten Geschwindigkeitsmessern, die in der Einleitung beschrieben worden sind, wegen der großwinkligen Aufnahmeöffnung beträchtlich war, durch die Verwendung von schmalen Strahlen stark herabgesetzt.

ίο Obwohl die beschriebenen Beispiele das Hindurchgehen durch Flüssigkeiten und die Reflexion von Oberflächen beschreiben, kann die Erfindung selbstverständlich auch in gleicher Weise auf Hindurchgehen durch durchsichtige Flächen und Reflexion von in einer Flüssigkeit suspendierten Teilchen angewendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche: ^j" Letters«> Bd. 7, Nr. 4, 1965, S. 77 und 78), bei der der Austnttsstranl eines Lasers auf ein Stro-

1. Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit mungsrohr gerichtet wird. Mit Hilfe von Spiegeln oder der Größe von in einem Strömungsmittel werden der direkt durch das Strömungsrohr hindurch- oder an einer Fläche anhaftenden bewegten Teil 5 tretende Strahl und ein Streustrahl, dessen Streuwinkel chen, bei der unter Ausnutzung des Doppler- ein Maß für die Geschwindigkeit der in dem Ströeffektes die Frequenzdifferenzen zweier aufgeteilter mungsmittel bewegten Teilchen ist, auf einem Detektor und in einem Detektor wieder vereinigter kohären- zusammengeführt.

ter Lichtstrahlen gemessen und hicaus die Teil- Da jedoch das Strömungsmittel normalerweise chengeschwindigkeit bzw. Teilchengröße bestimmt io durchsichtig ist oder nur sehr wenig Rauchteilchen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zugesetzt werden können, wird nur ein geringer Anteil durch Mittel zur Überlagerung der zwei kohären- des einfallenden Lichtstrahles gebeugt. Um diesen ten Lichtstrahlen in dem Strömungsmittel oder geringen Anteil erfassen zu können, muß eine große an der Fläche Interferenzstreifen erzeugt werden, Sammellinse verwendet werden, die unter einem kleinen die in Bewegungsrichtung der Teilchen Abstände 15 Streuwinkel angeordnet ist, da die Intensität mit voneinander aufweisen, und daß die periodischen größeren Streuwinkeln rasch kleiner wird. Daraus Schwankungen der durch ein Teilchen absorbierten folgt aber, daß der Winkel, unter dem die Doppleroder reflektierten Lichtmenge dem Detektor züge- verschiebung gemessen wird, nicht genau festgelegt führt ist, und daß die Teilchengeschwindigkeit durch werden kann und somit das Meßergebnis eine merkdie Frequenz der periodischen Schwankung und 20 liehe Streubreite aufweist.

die Teilchengröße durch die Amplitude der peri- Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,

odischen Schwankung bestimmt ist. eine Vorrichtung der obengenannten Art anzugeben,

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer mit deren Hilfe die Meßgenauigkeit bei der Messung Lichtquelle, optischen Mitteln im Strahlengang der Geschwindigkeit oder der Größe der bewegten der Lichtquelle und einem ortsfesten Photodetek- 25 Teilchen verbessert werden kann.

tor, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch geLaser (14) und einem das Strömungsmittel auf- kennzeichnet, daß durch Mittel zur Überlagerung nehmenden Kanal (10) bzw. der Fläche (25) eine der zwei kohärenten Lichtstrahlen in dem Strömungsden Laserstrahl in zwei kohärente Strahlen auf- mittel oder an der Fläche Interferenzstreifen erzeugt spaltende optische Einrichtung und eine für beide 30 werden, die in Bewegungsrichtung der Teilchen Ab-Strahlen gemeinsame Sammellinse (Z.2) zur Er- stände \oneinander aufweisen, und daß die periodizeugung der Interferenzstreifen angeordnet ist. sehen Schwankungen der durch ein Teilchen absor-

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- bierten oder reflektierten Lichtmenge dem Detektor kennzeichnet, daß die optische Einrichtung aus zugeführt sind, und daß die Teilchengeschwindigkeit einer mit einem Paar Schützen versehenen Blende 35 durch die Frequenz der periodischen Schwankung (12) besteht. und die Teilchengröße durch die Amplitude der peri-

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- odischen Schwankung bestimmt sind,
kennzeichnet, daß die optische Einrichtung aus Der Detektor erfaßt also das von den beiden Lichteinem Strahlenteiler besteht, an dem die kohären- strahlen aufgebaute Inter^f renzmuster und die von ten Strahlen durch Reflexion an seiner Vorder- 40 den sich bewegenden Teilt oen hervorgerufenen peri- bzw. Rückseite erzeugt werden. odischen Schwankungen. Ein in dem Strömungsmittel

suspendiertes oder auf der Fläche haftendes Teilchen wird eine sinusförmige Änderung in der gesamten

durchgehenden Lichtmenge hervorrufen; bei einem

45 im Strömungsmittel suspendierten Teilchen treten die Wellenberge auf, wenn das Teilchen durch die dunklen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen Streifen hindurchgeht. Die tatsächliche Frequenz der der Geschwindigkeit oder der Größe von in einem sinusförmigen Änderungen wird daher von den Inter-Strömungsmittel oder an einer Fläche anhaftenden ferenzstreifenabständen und der Teilchengeschwinbewcgten Teilchen, bei der unter Ausnutzung des 50 digkeit abhängen. Da die von dem Detektor ange-Dopplereffcktes die Frequenzdifferenzen zweier auf- zeigte Frequenz durch den Dopplereffekt modifiziert geteilter und in einem Detektor wieder vereinigter wird, ist es daher zur Bestimmung der Geschwindigkohärenter Lichtstrahlen gemessen und hieraus die keit des Teilchens notwendig, die Frequenzverschie-Teilchengcschwindigkeit bzw. die Teilchengröße be- bung der Anzeige zu messen; die Amplitude der stimmt wird. 55 periodischen Schwankungen entspricht dem Teilchen-

Fs ist eine Vorrichtung bekannt (»Applied Physics durchmesser.

Letters«, Bd. 4, Nr. 10, 1964, S. 176 bis 178), bei der Vorzugsweise ist bei einer Vorrichtung mit einer ein aus einem Laser austretender Lichtstrahl mit Hilfe Lichtquelle, optischen Mitteln im Strahlengang der eines Strahltcilcrs in zwei kohärente Lichtstrahlen Lichtquelle und einem ortsfesten Photodetektor zwigctcilt wird. Der eine Teilstrahl wird direkt zum 60 sehen einem Laser und einem das Strömungsmittel Detektor geführt, während der andere Teilstrahl durch aufnehmenden Kanal bzw. der Fläche eine den Laserein Slrömungsrohr geführt wird. Die Streustrahlung strahl in zwei kohärente Strahlen aufspaltende optische dieses Teilstrahls unterliegt dem Dopplereffekt, so Einrichtung und eine für beide Strahlen gemeinsame daß zwischen dem ersten Teilstrahl und dem ebenfalls Sammellinse zur Erzeugung der Interferenzstreifen zum Detektor geführten Streustrahl eine Frequenz- 65 angeordnet.

verschiebung vorliegt, deren Ausmaß von der Ge- Es ist aber auch möglich, daß die beiden Teilstrahlen

schwindigkeit der bewegten Teilchen abhängt. von zwei getrennten Lasern kommen können, wenn die

Weiterhin ist eine Vorrichtung bekannt (»Applied beiden Laser elektronisch gekoppelt sind.