DE19820849A1

DE19820849A1 - Gerät zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE19820849A1
Application number: DE1998120849
Authority: DE
Inventors: Reiner Prof Dr Diehl; Heinrich-Joachim Dr Siebeneck
Original assignee: JUEKE MECHANISCHE und ELEKTRON
Current assignee: JUKE MECHANISCHE UND ELEKTRONISCHE SYSTEMTECHNIK G
Priority date: 1998-05-05
Filing date: 1998-05-05
Publication date: 1998-11-12
Anticipated expiration: 2018-05-06
Also published as: DE19820849C2

Description

Eine Ausführungsform der Strömungsgeschwindigkeitsmeßeinrichtung ist in Abb. 1 dargestellt. Das Licht eines Lasers (1) wird durch eine Vorsatzoptik (2) so verändert, daß es senkrecht zur Strömungsrichtung (3) aufgeweitet wird und sich sein Querschnitt in Ausbreitungsrichtung des Lasers nicht verändert. Durch einen Strahlteiler (4) und einen Umlenkspiegel (5), deren Abstand (6) beliebig eingestellt werden kann, wird der Laserstrahl (20) in zwei parallele Teilstrahlen (21) aufgeteilt, die durch die Grenzfläche senkrecht in das fließende Medium (7) eintauchen. Das Licht des Lasers wird durch einen elektrischen Modulator (8) amplitudenmoduliert. Im Medium wird das Laserlicht durch die Inhomogenitäten in alle Richtungen gestreut und mit zwei Beobachtungssystemen (9) unter einem bestimmten Winkel (10) zu den Laserstrahlen erfaßt. Die Beobachtungssystemen bestehen aus je einer Empfangsobjektiv (11), einer (z. B. rechteckigen) Sehfeldblende (12), einem optischen Filter (13) und einem Detektor (14). Das von den Inhomogenitäten (15) im fließenden Medium gestreute Licht wird von dem Objektiv (11) erfaßt und durch die Sehfeldblende (12) und das optische Filter (13), vorzugsweise ein Interferenzfilter, auf den Detektor (14) gelenkt. Die Sehfeldblende befindet sich in oder in der Nähe der Bildebene des Objektivs und dient dazu, das Sehfeld des Detektors zu begrenzen, so daß nur Streulicht aus dem Schnittvolumen (30) Sehfeld/Laserstrahl erfaßt wird (Abb. 2). Die Detektionssysteme sind drehbar gelagert und können mit Hilfe von Motoren (16) gedreht werden. Zusätzlich können die Detektionssysteme durch Stellmotoren (17) in Höhe und Seite verschoben werden. Somit ist es möglich, beliebige Schnittvolumina im Querprofil der Strömung zu selektieren. Zur Erfassung gleicher Inhomogenitäten in einer gewählten Tiefe, werden die Detektionssysteme durch Drehung oder Verschiebung so ausgerichtet, daß jeweils Teilvolumina in gleicher Tiefe beobachtet werden. Die Signale der beiden Detektoren (14) werden in einem Signalfilter (18) gefiltert und auf einen Kreuzkorrelator (19) gelenkt. Aus dem vom Kreuzkorrelator gelieferten Signal wird in einem Rechner (22) die Zeitverschiebung des Korrelationsmaximums bestimmt, die ein Maß für die Zeit, in der die Inhomogenitäten die beiden Laserstrahlen durchlaufen, ist. Die Strömungsgeschwindigkeit an der vorgegebenen Stelle des Profils ist der Quotient aus dem Abstand (6) der Teilstrahlen und der ermittelten Zeitverschiebung des Korrelationsmaximums.

Abb. 2 zeigt die Entstehung eines Schnittvolumens (30) aus einem der Teilstrahlen (21) und dem Sehfeld des Beobachtungssystems (9).

In einer weiteren Ausführungsform (Abb. 3) werden als Detektoren Arrays (40) benutzt. Die Sehfelder werden hier durch die Dimensionen der einzelnen Detektorelemente gebildet. Durch Auswertung der Signale einzelner Elemente wird die Strömungsgeschwindigkeit gleichzeitig oder nacheinander an verschiedenen Stellen des Querprofils ohne Drehung oder Verschiebung der Detektionssysteme ermittelt.

Stand der Technik

Bisher angewandte Verfahren zur Strömungsmessung beeinflussen zum Teil die Strömung, sind nur an geschlossenen zu hundert Prozent gefüllten Rohrleitungen erfolgreich, liefern Mittelwerte über ein räumliches Profil und verlangen umfangreiche Eingriffe im Leitungssystem. Beispiele für die Messungen in Abwasserkanälen sind in der DIN 19559, Teil 1 aufgeführt. Als einziges Verfahren, das die genannten Nachteile vermeidet, ist die Laser-Doppler Anemometrie zu nennen, die jedoch hohe Anforderungen an die Strahlqualität und die mechanische Stabilität stellt.( Laser-Doppler- Anemometrie, Bodo Ruck,Institut für Hydromechanik, Universität Karlruhe, Karlsruhe in Laser und Optoelektronik, Nr. 4, 1985, Seiten 362-375). Bei der Laser-Doppler-Anemometrie ist es jedoch nicht möglich, die Laserstrahlen durch eine sich ständig ändernde Grenzfläche in das fließende Medium einzukoppeln, sondern nur über Fenster, die an das Medium gekoppelt sind.

Das Laufzeit-Korrelationsverfahren zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten wie zum Beispiel im "Taschenbuch der Meßtechnik", Jörg Hoffmann, Fachbuchverlag Leipzig, 1998, auf den Seiten 179 bis 180 beschrieben, ermöglicht es entweder nicht, an verschiedenen Stellen des Strömungsquerprofils zu messen, sondern mittelt über den Querschnitt oder es müssen Sensoren in das strömende Medium eingebracht werden, die das Strömungsverhalten beeinflussen und leicht verschmutzen.

Ziel der vorliegenden Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist, Strömungen an verschiedenen Stellen des Querprofils in offenen Gerinnen oder freien Gasströmungen mit hoher Genauigkeit zu messen, ohne Sensoren in das strömende Medium einbringen zu müssen, ohne über einen Teil des Strömungsprofils zu mitteln und ohne Strahlung über ein Fenster in das strömende Medium einzukoppeln. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen genannten Merkmale gelöst und vermeidet alle im Stand der Technik genannten Nachteile der anderen Verfahren.

Außerdem ist es im Aufbau einfacher und robuster als das Laser-Doppler Verfahren und ermöglicht eine sehr genaue Messung. Insbesondere erlaubt das Verfahren, daß

- die Strömungsgeschwindigkeit berührungslos und ohne Beeinflussung der Strömung selbst gemessen werden kann,
- die Strömungsgeschwindigkeit an verschiedenen Stellen des Strömungsprofils frei wählbar selektiv gemessen werden kann,
- die Strömungsgeschwindigkeit bei Flüssigkeiten in offenen Gerinnen und teilgefüllten Rohrleitungen und bei Gasen in freien Strömungen gemessen werden kann,
- keine optischen Fenster zur Messung erforderlich sind.

Weitere Merkmale der Erfindung sind

- externe Modulation der Laserstrahlen zur Vermeidung von Störlichteinflüssen
- Messung an Grenzflächen des strömenden Mediums
- Injektion von Streupartikeln
- laterale Aufweitung der Laserstrahlen
- telezentrische Führung der Laserstrahlen, das heißt Konstanz des Querschnitts der Laserstrahlen über die Meßdistanz.

Claims

1. Gerät zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit mit Hilfe des Laufzeit-Korrelationsverfahrens, bei dem durch Inhomogenitäten des bewegten Mediums an den an zwei verschiedenen Stellen der Strömung gemessenen Signalen zeitliche Schwankungen auftreten und durch Kreuzkorrelation der beiden Signale zu einer Meßmöglichkeit der Zeitverschiebung führen, aus der über den Abstand die Geschwindigkeit ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei Laserstrahlen an verschiedenen Stellen in das strömende Medium eindringen,
zwei Empfangssysteme einen begrenzten Volumenausschnitt auf je einen Detektor abbilden und das an den Inhomogenitäten gestreute Laserlicht empfangen.

2. Gerät zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Laserstahlen und die optischen Achsen der Empfangseinrichtungen einen Winkel ungleich Null zueinander bilden.

3. Gerät zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit nach Anspruch 1 oder den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlen mit einer Optik lateral zur Strömungsrichtung aufgeweitet werden und ein gleichbleibender Querschnitt der Laserstrahlen erzielt wird.

4. Gerät zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit nach einem der Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlen in der Amplitude moduliert werden und die Empfangseinrichtungen Signalfilter aufweisen, die eine Filterung der modulierten Strahlung ermöglicht und unerwünschte Tages- oder Kunstlichtanteile herausfiltert.

5. Gerät zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtungen mit optischen Filtern, vorzugsweise Interferenzfiltern versehen sind.

6. Gerät zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtungen durch Drehung oder Verschiebung auf unterschiedliche Stellen des Querprofils der Strömung zeigen.

7. Gerät zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtungen durch Selektion eines Teils der Empfangselemente des Detektors auf unterschiedliche Stellen des Querprofils der Strömung zeigen.

8. Gerät zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Information über den Füllstand der Flüssigkeit dazu herangezogen wird, eine Nachführung in eine gewünschte Meßtiefe zu erzielen.

9. Gerät zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit nach einem der Anspruche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Grenzfläche der Strömung rückgestreutes Licht zur Messung der Geschwindigkeit dieser Grenzfläche verwendet wird.