DE19948827A1 - Verfahren zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit in Strömungen auf der Basis von Materie durchdringenden Strahlung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem die Geschwindigkeit in Gas- oder Flüssigkeitsströmen mittels undurchsichtige Materie durchdringende Strahlung, z. B. Röntgen- oder Gammastrahlung, berührungslos gemessen wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die Bewegung von in der Strömung befindlichen, röntgendichten Partikeln mittels undurchsichtige Materie durchdringende Strahlung aufgezeichnet wird. Dieses Verfahren ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in Strömungen gemessen werden muß, bei denen sonst übliche optische Verfahren versagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem die Geschwindigkeit in Gas- oder Flüssigkeitsströmungen mittels undurchsichtige Materie durchdringende Strahlung, z. B. Röntgen- oder Gammastrahlung, berührungslos gemessen wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in Strömungen gemessen werden muß, bei denen sonst übliche optische Verfahren versagen.

Zur Geschwindigkeitsmessung in Strömungen existiert eine Vielzahl von Verfahren. Häufig werden Verfahren auf der Basis von Lichtstrahlen eingesetzt (z. B. Laser-Doppler-Velocimetry und Particle Image Velocimetry), weil sie berührungslos die Geschwindigkeitsmessung ermöglichen. Bedingung dafür ist ein optischer Zugang und ein durchsichtiges Strömungsmedium mit optisch homogenen Eigenschaften. Für viele Gas- und Flüssigkeitsströmungen sind diese Bedingungen erfüllbar. Manchmal ist es aber nicht möglich, einen optischen Zugang zu ermöglichen. Dazu gehören Strömungen in Brenn- oder Druckkammern, in denen aus technischen Gründen kein durchsichtiges Wandmaterial eingesetzt werden kann. Außerdem existieren Strömungen eines undurchsichtigen Mediums, z. B. Schlammströmungen. Desweiteren existieren Strömungen mit inhomogenen optischen Eigenschaften, z. B. Blasenströmungen, bei denen der Brechungsindex sich sprunghaft ändert. In all diesen Strömungen versagen die optischen Methoden, weil entweder die Strömung durch die Lichtstrahlen nicht erreicht wird oder weil die Lichtstrahlen die Strömung nicht durchdringen können. Auch ein Ausweichen in den ultravioletten oder infraroten Bereich des Lichtes erweitert den Einsatzbereich nur unwesentlich.

Weiterhin sind Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung in Strömungen auf der Basis von Ultraschall bekannt Ultraschall wird jedoch auch an Blasen reflektiert und es treten die gleichen Schwierigkeiten auf wie bei der Anwendung von Licht.

Weiterhin sind Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung in Strömungen mit Sonden bekannt (z. B. Mikropropeller, Prandl- und Pitotrohr). Diese stören aber die Strömung, da sie nicht berührungslos arbeiten, und benötigen außerdem einen Zugang von außerhalb in die Strömung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Nachteile der bisherigen Lösungen zu vermeiden und die Aufgabe auf technisch bessere Weise zu lösen.

Dies wird dadurch erreicht, daß nicht Lichtstrahlen zur Geschwindigkeitsmessung verwendet werden, sondern undurchsichtige Materie durchdringende Strahlung, z. B. Röntgenstrahlen. Letztere haben den Vorteil, daß sie durch viele Materialien dringen können, die für Licht völlig undurchdringlich sind, und daß sie nicht durch Phasengrenzen (z. B. Gas-Flüssigkeit) abgelenkt werden.

Das Prinzip der Geschwindigkeitsmessung ist die häufig verwendete Particle Tracking Methode oder Particle Image Velocimetry. Bei diesen Methoden wird die Bewegung des Fluids aus der Bewegung von mit der Strömung mitschwimmenden Partikeln ermittelt. Diese Partikel werden fotografisch oder per Videokamera zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen und aus der Verschiebung der Partikel kann ein Rückschluß auf das Geschwindigkeitsfeld der Strömung gemacht werden.

Bei der Erfindung werden als mitschwimmende Partikel röntgendichte Teilchen verwendet. Beispielsweise können Partikel aus Blei in Styropor (zur Justierung der Dichte) verwendet werden. Die Bewegung der mitschwimmenden Partikel kann mit Röntgenfilmen aufgezeichnet werden. Die zur Auswertung der Bilder nötigen Algorithmen sind schon vorhanden, weil die gleichen eingesetzt werden können, die bei der Particle Tracking Methode oder Particle Image Velocimetry verwendet werden.

Mit dieser Erfindung ist es möglich, die Geschwindigkeit von Strömungen zu messen, die lichtundurchlässig sind, die keinen optischen Zugang besitzen oder die Phasengrenzen besitzen.

Wenn zwei Röntgenstrahlen oder zwei anderen undurchsichtige Materie durchdringenden Strahlen verwendet werden, ist es möglich, alle drei Komponenten der Geschwindigkeit zu erhalten. Dazu muß ein Winkel zwischen den beiden Strahlen existieren, so daß die Position der röntgendichten Partikel oder röntgendichten Lösungen aus zwei Aufnahmen (eine aus jeder Richtung) dreidimensional erfaßt werden kann. Mit Hilfe eines zweiten Paares von Aufnahmen zu einem späteren Zeitpunkt kann die Verschiebung der röntgendichten Partikel oder röntgendichten Lösungen und damit die Geschwindigkeit der Strömung ermittelt werden. Eine Ausbildung der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Die Strahlen 1 und 2 gehen von ihrer jeweiligen Quelle (Q1 und Q2) durch den Punkt 3. Ist dieser ein röntgendichtes Partikel oder besteht er aus einer röntgendichten Lösung, so entstehen zwei Schattenwürfe 4 und 5 auf den Empfängerbildschirmen 6 und 7. Aus der Lage der Schattenwürfe 4 und 5 ist eine Rekonstruktion der Position des Partikels im dreidimensionalen Raum möglich. Wird eine zweite Aufnahme zu einem späteren Zeitpunkt gemacht, so kann die Verschiebung des röntgendichten Partikels oder der röntgendichten Lösung und damit die Geschwindigkeit bestimmt werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit in Strömungen von undurchsichtigen Flüssigkeiten oder von Flüssigkeiten in undurchsichtigen Behältern oder in Flüssigkeiten mit inhomogenen optischen Eigenschaften dadurch gekennzeichnet, daß den Flüssigkeiten röntgendichte Partikel oder röntgendichte Lösungen beigemischt sind, deren Bewegung mithilfe von Röntgenstrahlen oder anderen undurchsichtige Materie durchdringenden Strahlen sichtbar gemacht und dokumentiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gammastrahlung zur Sichtbarmachung und zur Dokumentation verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen von mehreren Strahlungsquellen die Strömung unter unterschiedlichen Winkeln durchdringen, so daß die röntgendichte Partikel oder röntgendichte Lösungen in allen drei Raumkoordinaten erfaßt werden können.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Serie von Bildern in entsprechendem zeitlichen Abstand aufgenommen wird, so daß daraus die Geschwindigkeiten der röntgendichte Partikel oder röntgendichte Lösungen ermittelt werden können.