DE202011110039U1

DE202011110039U1 - Messvorrichtung zur planaren Bestimmung von Zustandsgrößen einer Fluidströmung

Info

Publication number: DE202011110039U1
Application number: DE201120110039
Authority: DE
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2012-11-26
Anticipated expiration: 2021-05-31

Abstract

Messvorrichtung (1) zur Messung von Zustandsgrößen in einer Fluidströmung
– mit mindestens einer Laserlichtquelle (101, 201) zur Erzeugung von Laserlicht (102, 203) einer ersten Frequenz (f₁)
– mit einer Empfangsoptik zum Empfang von Streulicht, wobei die Empfangsoptik mindestens drei Objektive (110a, 111a, 112a) aufweist, und
– einen Streulicht-Analysator (124) zur Analyse des von der Empfangsoptik empfangenen Streulichts, wobei der Streulicht-Analysator eine zweite Analyseanordnung (321) zur Analyse von Mie-Streulicht aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Streulicht-Analysator (124) eine erste Analyseanordnung (320) zur Analyse von Rayleigh-Streulicht aufweist,
dass vor der ersten und der zweiten Analyseanordnung (320, 321) ein erster Strahlteiler (117) zum Aufteilen des empfangenen Streulichts in einen ersten und einen zweiten Lichtteil (301, 302) angeordnet ist, und
dass die erste Analyseanordnung (320) einen Filter zur Filterung des Mie-Streulichtanteils aus dem ersten Lichtteil (301) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur planaren Bestimmung von Zustandsgrößen einer Fluidströmung.
In der Wissenschaft oder in der Industrie ist es häufig notwendig, Zustandsgrößen von Fluidströmungen zu bestimmen. Dabei ist es insbesondere in der Strömungsmechanik (Aerodynamik), der Thermodynamik (Verbrennungsprozesse) oder in der Verfahrens- und Prozesstechnik (z. B. Pulverherstellung) erforderlich, eine möglichst umfassende (räumliche und zeitliche Information), störungsfreie und genaue Kenntnis der eine Fluidströmung charakterisierenden physikalischen Größen, wie beispielsweise die vektorielle Strömungsgeschwindigkeit V →, dem Druck p, der Temperatur T und der Dichte n.
Bei vielen der zu vermessenden Prozesse ist es aufgrund der räumlichen Gegebenheit oder aufgrund von beispielsweise hohen Temperaturen nicht möglich, direkte Messungen in den Strömungen vorzunehmen, so dass optische Messverfahren zum Einsatz kommen. Bei den optischen Messverfahren wird zwischen Punktmessverfahren, die die Zustandsparameter in einem Punkt der Strömung erfassen, sowie planaren Messverfahren, die die Zustandsgrößen in einer Messebene erfassen, unterschieden.
Als störungsfreie optische Punktmessverfahren, die Geschwindigkeit und/oder Temperatur messen können, sind z. B. Laser Doppler Anemometrie (LDA) und Laser Induced Thermal Acoustics (LITA) sowie Varianten der interferrometrisch aufgelösten Mie- und Rayleigh-Streuung bekannt.
Punktmessverfahren sind jedoch aufgrund der begrenzten räumlichen Auflösung nicht in der Lage, komplexe räumliche Strömungsstrukturen effektiv zu vermessen.
Bei modernen planaren optischen Lasermesstechniken ist es bekannt, berührungslos die Geschwindigkeit in einer Messebene zu erfassen (Particle Image Velocimetry PIV) oder die Temperatur (Laser Induced Fluorescence LIF, Rayleigh-Streuung). Um eine möglichst genaue Darstellung der Zustandsgrößen der Ebene zu erhalten, ist es wünschenswert, möglichst gleichzeitig verschiedene Zustandsgrößen zu erfassen. Es ist bekannt, die zuvor genannten Messtechniken zu kombinieren, indem beispielsweise PIV und LIF gleichzeitig angewendet werden. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur oder Dichte simultan erfasst werden. Bei PIV besteht die Notwendigkeit, die der Strömung zugegebenen Partikel scharf abzubilden, so dass eine aufwändige Beobachtungstechnik notwendig ist. Ferner bestehen zwischen den verschiedenen Verfahren große Unterschiede bezüglich der eingesetzten Laserquellen, da für PIV in der Frequenz unstabilisierte Doppelpuls-Systeme und für LIF und Rayleigh monochromatisch abstimmbare Laser notwendig sind, so dass eine Kombination beider Verfahren erschwert wird und die Messtechnik aufgrund der notwendigen Geräte verteuert.
Ferner ist es wünschenswert, die Baugröße der Erfassungsoptik möglichst klein auszugestalten, um die Messung beispielsweise durch kleine Öffnungen durchführen zu können.
Aus ”D. Nobes, H. Ford, R. Tatam, Exp. In Fluids 2004 (36), 3–10 Instantaneous, three-component planar Doppler velocimetry using imaging fibre bundles” ist ein flächiges Messverfahren für die Strömungsgeschwindigkeit bekannt. Dieses Messverfahren ist auch als Doppler Global Velocimetry (DGV) bekannt, das die auf dem Dopplereffekt beruhende Frequenzverschiebung des an zugesetzten und der Strömung folgenden Partikeln gestreuten Lichts (Mie-Streulicht) über eine Absorptionsmessung mittels einer molekularen Filterzelle bestimmt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messvorrichtung zu schaffen, die ein planares Messverfahren für Fluidströmungen, bei dem mehrere Zustandsgrößen gleichzeitig erfasst werden können, wobei der messtechnische Aufwand möglichst gering gehalten werden soll, durchführen kann. Zusätzlich ist es wünschenswert, dass die erfindungsgemäße Messvorrichtung eine Strömungsmessung mit geringem Raumbedarf im Bereich der Strömung ermöglichen.
Zur Lösung dienen die Merkmale des Anspruchs 1.
Ein Verfahren zur planaren Bestimmung von Zustandsgrößen einer Fluidströmung sieht die Verwendung von mindestens einer Laserlichtquelle zur Erzeugung eines Laserlichts einer ersten Frequenz, das die Fluidströmung durchquert, sowie mindestens drei Objektiven zum Empfang von Streulicht aus unterschiedlichen Richtungen vor. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die Aufteilung des empfangenen Streulichts in einen ersten Lichtteil zur Erfassung des Rayleigh-Streulichts und einen zweiten Lichtteil zur Erfassung des Mie-Streulichts, wobei der erste Lichtteil vor Erfassung des Rayleigh-Streulichts durch einen ersten Filter zur vorzugsweise vollständigen Filterung des Mie-Streulichtanteils aus dem ersten Lichtteil geleitet wird.
Aus dem Rayleigh-Streulicht lassen sich die unterschiedlichen Zustandsgrößen, Temperatur T, Druck p und/oder Dichte n durch die gleichzeitige Aufnahme der Messebene aus mindestens drei Richtungen eindeutig bestimmen. Aus dem Mie-Streulicht lässt sich durch die auf dem Dopplereffekt beruhende Frequenzverschiebung die Strömungsgeschwindigkeit V → bestimmen.
Durch eine Analyse der einzelnen Bildpunkte der drei mittels der drei Objektive aufgenommenen Bilder kann mittels einer Auswerteeinheit die einzelnen Zustandsgrößen für den Messbereich ermittelt werden.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass für die Erzeugung des Mie-Streulichts und des Rayleigh-Streulichts das gleiche Laserlicht verwendet werden kann, so dass nur eine Laserlichtquelle bzw. Laserlichtquellen der gleichen Art verwendet werden können. Dadurch wird der vorrichtungstechnische Aufwand reduziert. Darüber hinaus ist durch die Verwendung von Mie-Streulicht zur Strömungsgeschwindigkeitsbestimmung eine sehr genaue Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit möglich. Das Rayleigh-Streulicht unterliegt zwar auch einer Frequenzverschiebung aufgrund des Dopplereffekts, jedoch ist aus dieser Frequenzverschiebung eine genaue Bestimmung von kleinen Geschwindigkeitskomponenten nicht oder nur sehr aufwändig möglich. Das Mie-Streulicht hingegen ist zur Strömungsgeschwindigkeitsbestimmung besser geeignet.
Somit wird ein kostengünstiges und einfaches Verfahren zur planaren Bestimmung von Zustandsgrößen in einer Fluidströmung ermöglicht.
Das Verfahren kann vorsehen, dass die Objektive Streulicht aus drei unterschiedlichen, nicht koplanaren Richtungen empfängt. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die drei Komponenten des Geschwindigkeitsvektors in jedem Bildpunkt zu bestimmen.
Das Laserlicht kann in ein zweidimensionales Lichtband aufgeweitet werden, das die Fluidströmung durchquert.
Das von den drei Objektiven empfangene Streulicht kann von der Aufteilung in einen ersten und einen zweiten Lichtteil durch einen Hintergrundfilter geleitet werden. Mit Hilfe des Hintergrundlichtfilters können beispielsweise Tageslicht oder thermisches Wandleuchten oder das von der eingestrahlten Laserfrequenz verschobene, inelastische Raman-Streulicht aus dem empfangenen Streulicht gefiltert werden, wodurch die Genauigkeit der Bestimmung der Zustandsgrößen verbessert wird. Der Hintergrundlichtfilter kann beispielsweise ein Interferenz-Filter, vorzugsweise ein in der Frequenz schmalbandiger Interferenzfilter um die Frequenz des eingestrahlten Laserlichts sein.
Das empfangene Streulicht kann vor der Aufteilung in den ersten und zweiten Lichtteil über eine Sammellinse in ein paralleles Strahlenbündel transformiert werden. Dadurch entsteht ein Bild, das die aufgenommenen Streulichtbilder als Teilbilder enthält, so dass eine Analyse des aus unterschiedlichen Richtungen empfangenen Streulichts über die Analyse des Bildes ermöglicht wird.
In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist vorgesehen, dass als Objektive Mikroobjektive verwendet werden, und dass das empfangene Streulicht über endoskopische Bildleiter, die mit den Mikroobjektiven verbunden sind, geleitet wird. Auf diese Weise können die Objektive endoskopisch eingesetzt werden und es ist nur ein geringer Platzbedarf für die Objektive im Bereich der Strömung notwendig. Über den endoskopischen Bildleiter ist darüber hinaus eine Leitung des von den Objektiven empfangenen Lichts zu einem die Analyse des Streulichts vornehmenden Streulichtanalysator in vorteilhafter Weise möglich.
Das Verfahren kann vorsehen, dass der zweite Lichtteil kleiner ist als der erste Lichtteil. Da das Rayleigh-Streulicht eine wesentlich geringere Intensität aufweist als das Mie-Streulicht, ist daher von Vorteil, wenn von dem empfangenen Streulicht ein größerer Anteil für die Erfassung des Rayleigh-Streulichts verwendet wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Aufteilung des empfangenen Streulichts in den ersten und den zweiten Lichtteil über einen ersten Strahlteiler erfolgt. Der Strahlteiler kann beispielsweise einen Reflexionsgrad von 5–15% und einen entsprechenden Transmissionsgrad von 85-95% aufweisen, wobei das reflektierte Licht den ersten Lichtteil und das transmittierte Licht den zweiten Lichtteil bildet. Die angegebenen Bereichsangaben des Strahlteilers sind selbstverständlich so zu verstehen, dass beispielsweise bei einem Reflexionsgrad von 5% ein Transmissionsgrad von 95% vorliegt und bei einem Reflexionsgrad von 15% ein Transmissionsgrad von 85%. Durch einen derartigen Strahlteiler ist die Aufteilung des empfangenen Streulichts in einen ersten und zweiten Lichtteil zur Analyse des Mie-Streulichts und des Rayleigh-Streulichts in besonders vorteilhafter Weise möglich.
Das Verfahren kann ferner vorsehen, dass der Fluidströmung vor der Bestimmung der Zustandsgrößen Partikel zugegeben werden, wobei durch die Zugabe der Partikel der Anteil des Mie-Streulichts veränderbar ist. Durch die Art und Menge der zugegebenen Partikel lässt sich somit das zu empfangende Mie-Streulicht beeinflussen und für die Bestimmung der Zustandsgrößen, insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit, optimieren.
Es kann vorgesehen sein, dass der zweite Lichtteil in einen dritten und einen vierten Lichtteil aufgeteilt wird. Es kann beispielsweise über einen zweiten Strahlteiler erfolgen. Der zweite Strahlteiler kann einen Reflexionsgrad von 30– 45% und einen entsprechenden Transmissionsgrad von 55–70% aufweisen, wobei das reflektierte Licht den dritten Lichtteil und das transmittierte Licht den vierten Lichtteil bildet.
Durch die Aufteilung des zweiten Lichtteils in einen dritten und vierten Lichtteil kann in vorteilhafter Weise das Mie-Streulicht erfasst werden, indem beispielsweise der vierte Lichtteil zur Normierungsmessung verwendet wird. Die Normierung kann das Mie-Streulicht in Bezug auf Laserleistung und Partikeldichte normieren. Der vierte Lichtteil kann auch zur Normierung des Rayleigh-Streulichts auf die Laserleistung verwendet werden, indem beispielsweise ein zusätzliches Bild eines geometrischen Streuers, wie beispielsweise einer Ulbricht-Kugel, erzeugt wird.
Zur Erfassung des Mie-Streulichts kann der dritte Lichtteil durch einen zweiten Filter zur Umwandlung der in dem Mie-Streulicht enthaltenen Frequenzverschiebung in eine Intensitätsverteilung geleitet werden.
Der erste und/oder der zweite Filter können eine molekulare oder eine atomare Absorptionszelle sein.
Dabei kann der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter eine größere Länge und/oder eine höhere Sättigungstemperatur besitzen als der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter. Durch derartige Absorptionszellen für den ersten und zweiten Filter ist es möglich, dass bei einer Laserfrequenz ein Bereich starker Absorption des ersten Filters mit einer Flanke der Absorptionslinie des zweiten Filters zusammenfällt. Bei dieser Laserfrequenz kann somit durch den ersten Filter das Mie-Streulicht aus dem ersten Lichtteil zur Ermittlung des Rayleigh-Streulichts in vorteilhafter Weise herausgefiltert werden, wobei gleichzeitig durch den zweiten Filter eine Flanke der Absorptionslinie erzeugt wird, über die eine Analyse des Mie-Streulichts in vorteilhafter Weise möglich ist. Die als Absorptionszelle ausgebildeten ersten und/oder zweiten Filter können Jod-, Cäsium-, Barium- oder Quecksilberdampf enthalten.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter Joddampf enthält, dessen erste Sättigungstemperatur Tsat1 = 60°C und dessen erste Länge L1 = 100 mm beträgt, und dass der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter Joddampf enthält, dessen zweite Sättigungstemperatur Tsat2 = 25°C und dessen zweite Länge L2 = 50 mm beträgt, und dass das Laserlicht mit der ersten Frequenz eine Wellenzahl von 18788,440 1/cm aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass durch die Wahl derartiger Filter und der ersten Frequenz des Laserlichts das Verfahren in besonders vorteilhafter Weise durchführbar ist, da die zuvor genannten Bedingungen für die Bestimmung des Rayleigh-Streulichts und des Mie-Streulichts vorherrschen.
Der erste, der dritte und der vierte Lichtteil werden durch vorzugsweise jeweils eine Kamera erfasst. Dabei kann vorgesehen sein, dass der erste Lichtteil zur Bestimmung des Rayleigh-Streulichts durch eine Kamera und der dritte und vierte Lichtteil zur Bestimmung des Mie-Streulichts durch eine zweite Kamera erfasst werden. Auch kann vorgesehen sein, dass für den dritten und den vierten Lichtteil jeweils eine zweite Kamera vorgesehen ist.
In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine zweite Laserlichtquelle verwendet wird, die ein Laserlicht mit einer zweiten Frequenz erzeugt, wobei das Laserlicht der ersten und der zweiten Frequenz die Fluidströmung durchquert.
Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, dass durch die Verwendung von zwei Laserfrequenzen der Messbereich für die Bestimmung der Geschwindigkeitskomponenten und der Unterdrückungsbereich des Mie-Streulichts bei der Rayleigh-Streulicht-Erfassung erheblich größer ist.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das empfangene Streulicht über einen dichroitischen Spiegel in den ersten Lichtteil und in den zweiten Lichtteil aufgeteilt wird, wobei der dichroitische Spiegel für das Laserlicht der ersten Frequenz hochreflektierend und für das Laserlicht der zweiten Frequenz durchlässig ist.
Es kann vorgesehen sein, dass vor Einleitung des Laserlichts in die Fluidströmung von dem Laserlicht der ersten und/oder der zweiten Frequenz ein Referenzstrahl abgeteilt wird, wobei über den jeweiligen Referenzstrahl die Stabilisierung der Laserlichtquelle erfolgt. Auch kann vorgesehen sein, dass über den Referenzstrahl das Rayleigh-Streulicht normiert wird.
In dem Verfahren, in dem Laserlicht mit zwei Frequenzen verwendet wird, kann vorgesehen sein, dass der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter Joddampf enthält, dessen erste Sättigungstemperatur Tsat1 = 60°C und dessen erste Länge L1 = 100 mm beträgt, und dass der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter Joddampf enthält, dessen zweite Sättigungstemperatur Tsat2 = 60°C und dessen zweite Länge L2 = 50 mm beträgt.
Das Laserlicht mit der ersten Frequenz kann eine Wellenzahl von 19429,841 1/cm und das Laserlicht mit der zweiten Frequenz eine Wellenzahl von 18787,815 1/cm aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass die beiden Frequenzen somit in den Bereich von existierenden Absorptionslinien von Jod fallen.
Die Erfindung sieht eine Messvorrichtung zur Messung von Zustandsgrößen in einer Fluidströmung vor. Die Messvorrichtung weist mindestens eine Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht einer ersten Frequenz, eine Empfangsoptik zum Empfangen von Streulicht, wobei die Empfangsoptik mindestens drei Objektive aufweist, und einen Streulicht-Analysator zur Analyse des von der Empfangsoptik empfangenen Streulichts, wobei der Streulichtanalysator eine zweite Analyseanordnung zur Analyse von Mie-Streulicht besitzt, auf. Die Messvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Streulicht-Analysator eine erste Analyseanordnung zur Analyse von Rayleigh-Streulicht aufweist, dass vor der ersten und der zweiten Analyseanordnung ein erster Strahlteiler zum Aufteilen des empfangenen Streulichts in einen ersten und einen zweiten Lichtteil angeordnet ist, und dass die erste Analyseanordnung einen Filter zur Filterung des Mie-Streulichtanteils aus dem ersten Lichtteil aufweist.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens geeignet, wobei sich die durch die Messvorrichtung ergebenden Vorteile in gleicher Weise wie bei dem durchzuführenden Verfahren ergeben.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann vorsehen, dass der Streulicht-Analysator einen Hintergrundlichtfilter, vorzugsweise einen Interferenzfilter, aufweist.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Streulicht-Analysator eine Sammellinse zum Transformieren des empfangenen Streulichts in ein paralleles Strahlenbündel aufweist.
Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Objektive Mikroobjektive sind, wobei die Mikroobjektive über endoskopische Bildleiter mit dem Streulicht-Analysator verbunden sind.
Der erste Strahlteiler kann einen Reflexionsgrad von 5–15% und einen entsprechenden Transmissionsgrad von 85-95% aufweisen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist vorgesehen, dass die zweite Analyseanordnung einen zweiten Strahlteiler zum Aufteilen des zweiten Lichtteils in einen dritten und einen vierten Lichtteil aufweist.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der zweite Strahlteiler einen Reflexionsgrad von 30–45% und einen entsprechenden Transmissionsgrad von 55–70% aufweist.
Die zweite Analyseanordnung kann einen zweiten Filter zur Umwandlung der in dem Mie-Streulicht enthaltenen Frequenzverschiebung in eine Intensitätsverteilung aufweisen.
Es kann vorgesehen sein, dass der erste und/oder der zweite Filter eine molekulare oder eine atomare Absorptionszelle ist.
Der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter kann eine größere Länge und/oder eine höhere Sättigungstemperatur besitzen als der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter und/oder zweite Filter Jod-, Cäsium-, Barium- oder Quecksilberdampf enthält.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter Joddampf, dessen erste Sättigungstemperatur Tsat1 = 60°C und dessen erste Länge L1 = 100 mm beträgt, und enthält der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter Joddampf, dessen zweite Sättigungstemperatur Tsat2 = 25°C und dessen zweite Länge L2 = 50 mm beträgt.
Die erste Analyseanordnung kann eine erste Kamera zur Erfassung des Rayleigh-Streulichts und/oder die zweite Analyseanordnung kann mindestens eine zweite Kamera zur Erfassung des Mie-Streulichts aufweisen, wobei vorzugsweise die zweite Analyseanordnung zwei zweite Kameras aufweist.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann eine zweite Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht einer zweiten Frequenz aufweisen. Dabei kann vorgesehen sein, dass der erste Strahlteiler ein dichroitischer Spiegel ist, der für Laserlicht der ersten Frequenz hochreflektierend und für das Laserlicht der zweiten Frequenz durchlässig ist.
Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung, die zwei Laserlichtquellen zur Erzeugung von Laserlicht einer ersten und einer zweiten Frequenz aufweist, kann vorgesehen sein, dass der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter Joddampf enthält, dessen erste Sättigungstemperatur Tsat1 = 60°C und dessen erste Länge L1 = 100 mm beträgt, und dass der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter Joddampf enthält, dessen zweite Sättigungstemperatur Tsat2 = 60°C und dessen zweite Länge L2 = 50 mm beträgt.
Die erste Laserlichtquelle kann Laserlicht mit einer Wellenzahl von 19429,841 1/cm erzeugen und die zweite Laserlichtquelle ein Laserlicht mit einer Wellenzahl von 18787,815 1/cm.
An jeder Laserlichtquelle kann ein Strahlteilerelement zur Abteilung eines Referenzstrahls angeordnet sein.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme der nachfolgenden Figuren das Verfahren und die erfindungsgemäße Messvorrichtung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit einer Laserlichtquelle einer ersten Frequenz,
2 eine Definition der Streugeometrie,
3 eine Prinzipdarstellung des mit der in 1 dargestellten Messvorrichtung durchgeführten Verfahrens,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung mit zwei Laserlichtquellen,
5a u. b eine Prinzipdarstellung des mit der in 4 dargestellten Messvorrichtung durchgeführten Verfahrens,
6 ein Diagramm zur Ermittlung der Zustandsgrößen p und T und
7a u. b eine Prinzipdarstellung des Frequenz-Scan-Verfahrens.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 schematisch dargestellt. Die Messvorrichtung 1 weist eine erste Laserlichtquelle 101 auf, die ein Laserlicht einer ersten Frequenz f₀ in Form eines monochromatischen linear polarisierten Lichtstrahls 102 erzeugt. Der Lichtstrahl 102 wird mit Hilfe eines Strahlteileelements 103 in einen schwachen Referenzstrahl und einen Messstrahl aufgeteilt. Das Verhältnis zwischen Referenzstrahl und Messstrahl kann beispielsweise 1:100 sein. Der Referenzstrahl wird über eine Einkopplungsvorrichtung 104 in eine Lichtleitfaser 105 geführt und zu einem ein Wellenlängenmessgerät enthaltenen Steuergerät 128 geleitet, das den Laser auf eine von einem Steuerungscomputer 126 vorgegebene Wellenlänge stabilisiert.
Der Messstrahl des Laserlichts wird über eine zweite Einkopplungsvorrichtung 106 in eine polarisationserhaltene Lichtleitfaser 107 eingeleitet. Eine Lichtbanderzeugungseinheit 108 ist am Messort angeordnet und mit der Lichtleitfasereinheit 107 verbunden. Durch eine in der Lichtbanderzeugungseinheit 108 integrierte Aufweitungsoptik (z. B. eine Zylinderlinse, eine Powell-Linse oder einem diffraktiven optischen Element) kann aus dem Laserlicht ein zweidimensionales Lichtband 109 erzeugt werden, das die zu untersuchende Strömung durchquert. Der Beobachtungsbereich der zu untersuchenden Strömung weist ein Messfeld 113 auf, zu dem drei Objektive 110a, 111a und 112a angeordnet sind und das Messfeld 113 des Lichtbandes aus verschiedenen Richtungen beobachten. Dabei bilden die Differenzvektoren aus den Beobachtungsrichtungen o_i = f(α, β) und der Lichtschnittrichtung l ein linear unabhängiges Koordinatensystem. Die Definition der Streugeometrie ist in 2 dargestellt. Als mögliche Anordnung der Objektive können folgende Winkel vorgesehen sein: α₁ = 60°, β₁ = 0°, α₂ = 120°, β₂ = 0°, α₃ = 90°, β₃ = 135° und l = (1,0,0). Der Index bei der Winkelangabe gibt das entsprechende Objektiv an.
Vor der zweiten Einkopplungsvorrichtung 106 kann ein optisches Element 129 zur Drehung der Polarisationsrichtung des eingestrahlten Laserlichts angeordnet sein. Dies kann beispielsweise eine λ/2-Platte sein. Auf diese Weise lässt sich die Polarisationsrichtung in der Messebene so einstellen, dass die später empfangene Rayleigh-Streulicht-Intensität für alle Beobachtungsrichtungen gleich wird. Der einfallende Laserstrahl ist somit linear polarisiert und wird durch die Richtung des Polarisationsvektors p = f(ϕ) definiert. Für beispielsweise ϕ = –22,5° ergibt sich eine Rayleigh-Signal-Intensität von 88,5% der maximal möglichen Intensität für alle drei Beobachtungsrichtungen.
Jeweils an den Objektiven 110a, 111a und 112a ist ein endoskopischer Bildleiter 110b, 111b und 112b angeschlossen, der das empfangene Streulicht zum Streulicht-Analysator 124 leitet. Dort werden die Bildleiterendflächen 114 zusammengeführt und deren Abbildung mit einer Sammellinse 115 in ein paralleles Strahlenbündel transformiert. Dadurch entsteht ein gemeinsames Bild, das aus den Teilbildern, die jeweils aus dem empfangenen Streulicht der einzelnen Objektive 110a, 111a und 112a gebildet sind, erzeugt wird.
Das empfangene Streulicht 114a wird nun durch einen Hintergrundlichtfilter 116, der beispielsweise ein Interferenzfilter mit FHWM = 0,3 nm sein kann, geleitet, wodurch eventuell vorhandenes Hintergrundlicht, beispielsweise Tageslicht oder thermisches Wandleuchten, sowie das von der eingestrahlten Laserfrequenz verschobene inelastische Raman-Streulicht eliminiert wird.
Ein erster Strahlteiler 117, der beispielsweise ein polarisationsunabhängiger Strahlteilungswürfel sein kann, teilt das empfangene Streulicht 114a in einen ersten Lichtteil 301 und einen zweiten Lichtteil 302 auf. Der erste Lichtteil 301 wird in eine erste Analyseanordnung 320 zur Analyse von Rayleigh-Streulicht geleitet. Der zweite Lichtteil 302 wird in eine zweite Analyseanordnung 321 zur Analyse von Mie-Streulicht geleitet. Mie-Streulicht weist zumeist gegenüber Rayleigh-Streulicht eine höhere Intensität auf, wobei durch die Zugabe von Partikeln zu der Fluidströmung die Intensität des Mie-Streulichts erhöht werden kann. Durch die kontrollierte Zugabe von zusätzlichen Partikeln in die Fluidströmung können beliebige Intensitätsverhältnisse von Mie- zu Rayleigh-Streulicht erzeugt werden. Aufgrund der höheren Intensität des Mie-Streulichts kann der Strahlteiler 117 so ausgebildet sein, dass ein Großteil des empfangenen Streulichts 114a als erster Lichtteil 301 verbleibt. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem der Strahlteiler 117 einen Reflexionsgrad von 5% und einen Transmissionsgrad von 95% besitzt, wobei das transmittierte Licht der Lichtteil 301 ist. Es kann vorgesehen sein, dass die Partikelkonzentration in der Fluidströmung so erhöht ist, dass ohne spektrale Filterung das Rayleigh-Streulicht gegenüber dem Mie-Streulicht vernachlässigbar klein ist (beispielsweise 1:100–1000).
Der erste Lichtteil 301 wird durch einen ersten Filter 120 geleitet, der als Absorptionszelle ausgebildet ist. Der Filter 120 weist eine hinreichend kleine Transmission zur vollständigen Unterdrückung des Mie-Streulichts im Bereich der ersten Laserfrequenz auf.
Transmissionseigenschaften von molekularen oder atomaren Absorptionszellen, die beispielsweise Jod-, Cäsium-, Barium- oder Quecksilberdampf enthalten können, werden durch die erreichbare Dampfkonzentration und die Zellenlänge bestimmt. Die maximale Dampfkonzentration ist festgelegt durch die notwendige Temperatur, bei der alle molekularen oder atomaren Kristalle der Zellenfüllung im Dampfzustand vorliegen, der sogenannten Sättigungstemperatur Tsat.
Eine mögliche Wahl der Zellenparameter des ersten Filters 120 für Joddampf ist z. B. Tsat1 = 60°C und L1 = 100 mm, wobei das Laserlicht der ersten Frequenz eine Laserwellenzahl von 18788,440 1/cm besitzt.
Die erste Analyseanordnung weist ferner eine erste Kamera 123c auf, die den ersten Lichtteil 301 nach der Filterung durch den Filter 120 aufnimmt. Die erste Kamera 123c ist als Rayleigh-Kamera ausgebildet und kann eine Linse 122c aufweisen.
Der vom ersten Strahlteiler 117 reflektierte zweite Lichtteil 302 wird zu der zweiten Analyseanordnung 321 geleitet. Die zweite Analyseanordnung 321 weist einen zweiten Strahlteiler 118 auf, der den zweiten Lichtteil 302 in einen dritten Lichtteil 303 und einen vierten Lichtteil 304 aufteilt. Der dritte Lichtteil 303 dient dabei zur Analyse des Mie-Streulichts und der vierte Lichtteil 304 wird zu einer Normierungsmessung für das Mie-Streulicht verwendet. Dabei kann der zweite Strahlteiler 118 beispielsweise einen Reflexionsgrad von 65% und einen Transmissionsgrad von 35% aufweisen, wobei der reflektierte Lichtteil der dritte Lichtteil 303 und der transmittierte Lichtteil der vierte Lichtteil 304 ist.
Der dritte Lichtteil 303 wird durch einen zweiten Filter 121, der als Absorptionszelle ausgebildet sein kann, geleitet. Der zweite Filter 121 in Form einer Absorptionszelle weist dabei eine geringere Sättigungstemperatur und eine kleinere Länge auf als der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter 120.
Der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter 121 kann Joddampf mit einer zweiten Sättigungstemperatur Tsat2 = 25°C und einer zweiten Länge L2 = 50 mm aufweisen. Der zweite Filter wandelt die in dem Mie-Streulicht enthaltene Frequenzverschiebung in eine Intensitätsverteilung um. Zur Analyse des Mie-Streulichts weist die zweite Analyseanordnung zwei zweite Kameras 123a, 123b auf, wobei die zweite Kamera 123a den vierten Lichtteil aufnimmt und als Normierungskamera dient und die weitere zweite Kamera 123b dem vom Filter 121 gefilterten dritten Lichtteil 303 aufnimmt und als Mie-Kamera dient.
Wie aus 3 hervorgeht, kann durch die Wahl des ersten und zweiten Filters 120, 121 erreicht werden, dass bei der ersten Frequenz f₀ des Laserlichts in der ersten Analyseanordnung das Mie-Streulicht nahezu vollständig unterdrückt wird, indem es absorbiert wird, während bei der gleichen Frequenz in der zweiten Analyseanordnung bei der ersten Frequenz eine Flanke der Absorptionslinie liegt, über die das Mie-Streulicht analysiert werden kann. Mit anderen Worten: Durch die Wahl des ersten und zweiten Filters 120, 121 wird der nutzbare Laserfrequenzbereich des Laserlichts für die Verwendung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung bzw. die Durchführung des Verfahrens vorgegeben.
Die von den Kameras 123a, b, c zeitgleich aufgenommenen Bilder werden über einen Steuerungscomputer 126, der auch das Steuergerät 128 der Laserlichtquelle steuert, an einen Auswertungsrechner 127 gesendet. Die in den Bildern enthaltenen Teilbilder der verschiedenen Beobachtungsrichtungen dienen dann zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit V →, dem Druck p, der Temperatur T und der Dichte n.
In 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung bzw. eines Verfahrens gezeigt. Die Messvorrichtung 1 weist zwei Laserquellen 201, 202 zur Erzeugung eines Laserlichts 203 mit einer ersten Frequenz f₁ und Laserlicht 208 mit einer zweiten Frequenz f₂. Das Laserlicht liegt in Form von zwei monochromatischen, linear polarisierten Lichtstrahlen vor. Das Laserlicht 203, 208 wird über zwei Strahlteilelemente 204, 209 in schwache Referenzstrahlen und zwei Hauptstrahlen aufgeteilt. Die Referenzstrahlen werden über jeweils einen Koppler 205 und 210 in zwei Lichtleitfasern 206, 211 eingekoppelt, die mit einem Wellenlängenmessgerät aufweisenden Steuergerät 128 verbunden sind. Über das Steuergerät 128 und die Referenzstrahlen werden die beiden Laser auf die Frequenzen f₁, f₂ stabilisiert.
Die beiden Hauptstrahlen des Laserlichts 203, 208 werden über einen ersten Spiegel 207 und einen zweiten Spiegel 212, wobei der zweite Spiegel 212 durchlässig für das Laserlicht der ersten Frequenz ist, sowie eine Einkopplungsvorrichtung 213 in die Lichtleitfaser 107 eingekoppelt. Genauso wie bei dem in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine λ/2-Platte 129 vorgesehen sein, die zur Einstellung der optimalen Polarisation bezüglich dreier Beobachtungsrichtungen dient.
Die Erzeugung des zweidimensionalen Lichtbandes sowie die Beobachtung des Messfeldes 113 über die drei Objektive 110a, 111a, 112a erfolgt in gleicher Weise wie bei dem in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Auch der Streulicht-Analysator 124 ist in ähnlicher Weise aufgebaut wie der Streulicht-Analysator des Ausführungsbeispiels der 1. Der Streulicht-Analysator 124 im zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich lediglich darin, dass anstelle eines Hintergrundlichtfilters und des ersten Strahlteilers zunächst ein dichroiticher Spiegel 214 angeordnet ist, der für das Laserlicht der Frequenz f₁ der ersten Laserlichtquelle hochreflektierend ist, beispielsweise mit einem Reflexionsgrad > 99% und für das Laserlicht der zweiten Frequenz f₂ der zweiten Laserlichtquelle durchlässig, z. B. mit einem Transmissionsgrad von > 99%. Das empfangene Streulicht wird somit über den dichroitischen Spiegel 214 in den ersten Lichtteil 301 und in den zweiten Lichtteil 302 aufgeteilt. Ferner weisen die erste Analyseanordnung 320 und die zweite Analyseanordnung 321 jeweils einen Interferenzfilter 215 bzw. 216 auf, wobei der Interferenzfilter 215 in der ersten Analyseanordnung Falschlicht und das restliche transmittierte Licht um die Frequenz f₁ eliminiert und der Interferenzfilter 216 in der zweiten Analyseanordnung Falschlicht und Restlicht um die Frequenz f₂ eliminiert.
In der ersten Analyseanordnung 320 ist wiederum ein erster Filter 120 angeordnet, der das in dem ersten Lichtteil 301 enthaltene Mie-Streulicht vollständig unterdrückt. Der gefilterte erste Lichtteil 301 wird wiederum über eine erste Kamera 123c, die mit einer Linse 120c ausgestattet sein kann, aufgenommen.
In der zweiten Analyseanordnung 321 wird der zweite Lichtteil 302 nach der Filterung durch den Interferenzfilter 216 über den zweiten Strahlteiler 118 in den dritten Lichtteil 303 und den vierten Lichtteil 304 aufgeteilt. Der dritte Lichtteil 303 wird genauso wie bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel über einen zweiten Filter 121 gefiltert, wobei die Frequenz f₁ der ersten Laserlichtquelle auf der Absorptionsflanke einer Absorptionslinie des zweiten Filters 121 liegt. Die zweite Frequenz wird so gewählt, dass das Laserlicht dieser Frequenz f₂ in der Mitte einer anderen Absorptionslinie des ersten Filters 120 liegt.
Die entsprechenden Prinzipdarstellungen der beiden Filter 120, 121 für das Verfahren mit zwei Laserlichtquellen zur Erzeugung von Laserlicht in den Frequenzen f₁ und f₂ ist in den entsprechenden 5a, 5b dargestellt. Durch die Verwendung von zwei Laserlichtquellen wird der nutzbare Frequenzbereich der Laserlichtquelle gegenüber der erfindungsgemäßen Messvorrichtung und dem Verfahren mit nur einer Laserlichtquelle deutlich vergrößert.
In diesem Ausführungsbeispiel enthält der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter Joddampf, dessen erste Sättigungstemperatur Tsat1 = 60°C und dessen erste Länge L1 = 100 mm beträgt, und dass der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter Joddampf enthält, dessen zweite Sättigungstemperatur Tsat2 = 60°C und dessen zweite Länge L2 = 50 mm beträgt, und dass das Laserlicht mit der ersten Frequenz f₁ weist eine Wellenzahl von 19429,841 1/cm aufweist und das Laserlicht mit der zweiten Frequenz f₂ eine Wellenzahl von 18787,815 1/cm auf. Beide Frequenzen fallen somit in den Bereich von existierenden Absorptionslinien von Jod.
Die weiteren Teile des in 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 funktionieren in gleicher Weise wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Der gefilterte erste Lichtteil 301, der zur Bestimmung des Rayleigh-Streulichts verwendet wird, kann sowohl über die von dem Steuergerät 328 über das Wellenlängenmessgerät aufgenommenen Referenzstrahlen als auch über den vierten Lichtteil normiert werden. Bei der Normierung über den vierten Lichtteil kann ein zusätzliches Bild eines geometrischen Streuers, z. B. einer Ulbricht-Kugel erzeugt werden.
Als Kameras 123a, b, c können CCD-Kameras verwendet werden. Es ist besonders vorteilhaft, für die Aufnahme des schwachen gefilterten Rayleighstreulicht 301 als Kamera 123c eine intensivierte CCD oder eine EM-CCD-Kamera zu verwenden.
Der Auswertungsrechner 127 analysiert für eine vorgegebene Anzahl N von Frequenzpunkten jeweils die drei aufgenommenen Teilbilder pro eingestellter Laserfrequenz und bestimmt daraus die Strömungsgeschwindigkeit V →, die Temperatur T, den Druck p und die Dichte n für jeden Bildpunkt.
Bei der Auswertung des Rayleigh-Streulichts und des Mie-Streulichts kann wie folgt vorgegangen werden:
Das Mie-Streulicht entsteht bei der Streuung von Licht an Partikeln mit Durchmessern in der Größenordnung der Lichtwellenlänge. Diese Partikel können z. B. Aerosole, Staub oder Rauchteilchen sein, die entweder natürlicherweise schon in der Strömung enthalten sind oder zusätzlich zugegeben werden können (Seeding). Die spektrale Form des Mie-Streulichts folgt der Linienbreite des eingestrahlten Lichts und ist vorzugsweise schmalbandig (< 5 MHz). Aufgrund des Dopplereffektes erreicht das an einem mit der Strömung bewegten Partikel gestreute Licht die Empfangsoptik mit einer Frequenzverschiebung df_i gegenüber der eingestrahlten Frequenz f₀:
Dabei steht c für die Lichtgeschwindigkeit und e_i für den Empfindlichkeitsvektor. Die Messung der Frequenzverschiebung für eine Beobachtungsrichtung über eine geeignete Absorptionsmessung mittels einer molekularen Filterzelle ergibt eine Komponente des Geschwindigkeitsvektors am Messort.
Rayleigh-Streulicht entsteht bei der Streuung von Licht an den Gasmolekülen des zu untersuchenden Mediums. Im Gegensatz zur spektralen Form des Mie-Streulichts ist das Rayleigh-Streulicht aufgrund der überlagerten zufälligen thermischen Bewegung der Gasmoleküle deutlich verbreitert (einige GHz). Die Amplitude ist abhängig von der Anzahl der Moleküle im Messvolumen, die spektrale Breite von der Gastemperatur und die spektrale Linienform vom Druck. Die spektrale Form wird durch das bekannte Tenti S6 Modell hinreichend genau beschrieben. Analog zum Mie-Signal unterliegt auch das Rayleigh-Streulicht einer Frequenzverschiebung aufgrund des Dopplereffektes. Für die gleiche Beobachtungsrichtung o_i und Lichtausbreitungsrichtung l ist die Frequenzverschiebung df_i identisch.
Die Bestimmung des planaren Parametersatzes Strömungsgeschwindigkeitsvektor (3 Komponenten), Temperatur, Druck und Dichte geschieht wie folgt:

• Die drei Beobachtungspositionen o_i werden durch Ausmessen der Objektivpositionen relativ zu einem gemeinsamen Koordinatenursprung in der Messebene bestimmt.
• Die Zuordnung Messposition (x, y, z)-Pixelposition K_i (j, k) geschieht über die Aufnahme eines Kalibrierbildes (z. B. Punktraster) in der Messebene für jede Beobachtungsposition o_i der drei Kamerabilder.
• Die Lichtbandrichtung l(x, y, z) wird durch eine bekannte Streifen-Aufnahme für jede Messposition bestimmt.
• Es werden Hintergrundbilder aufgenommen, um die späteren Signalbilder von eventuell vorhandenem Falschlicht zu bereinigen.
• Für die Rayleighmessung besteht das Hintergrundbild sowohl zur Normierung als auch zur Messung aus einer Aufnahme ohne Laserlicht (d. h. Kamerarauschen, Tageslicht, thermisches Wandleuchten): BR = BR0
• Für die Erfassung des Mie-Streulichts bestehen die Hintergrundbilder zur Normierung für die Mie-Kamera und die Normierungskamera aus einer Aufnahme mit Laserlicht (Falschlicht und zusätzliche Laserreflektionen) der Messfrequenz (f₀ oder f₁) ohne zusätzliche Partikelzugabe bei ruhender Strömung (v = 0 m/s): BM0, BN0
• Für die Erfassung des Mie-Streulichts bestehen die Hintergrundbilder zur Messung für die Mie-Kamera und die Normierungskamera aus einer Aufnahme mit Laserlicht (Falschlicht und zusätzliche Laserreflektionen) der Messfrequenz (f₀ oder f₁) ohne zusätzliche Partikelzugabe bei bewegter Strömung: BM, BN
• Es wird eine Referenzmessung zur Normierung der Signalbilder durchgeführt bei ruhender Strömung und partikelbeladenem Messvolumen und bekannten Zustandsgrößen Temperatur, Druck und Dichte: IR0, IM0, IN0
• In einem letzten Schritt wird bei partikelbeladener und bewegter Strömung analog zur Referenzmessung die eigentliche Messung durchgeführt. Das Mie-Streulicht wird dann von zusätzlich in die Strömung gegebenen Partikeln (Aerosole oder Feststoffpartikel, Seeding, 0,1–1,0 μm Durchmesser) erzeugt. IN, IM, IR
• Alle aufgenommenen Intensitätsbilder werden an den Auswerterechner 127 geleitet und nach einem folgenden Schema bearbeitet.

Beschreibung der Auswertungsprozedur:
Zunächst werden die aufgenommenen Bilder so aufgeteilt, dass die entstehenden Teilbilder die Abbildungen der einzelnen Beobachtungsrichtungen getrennt enthalten. Anschließend werden die zugehörigen Hintergrundbilder von den Signalbildern abgezogen.
Das von den einzelnen Bildleitern 110b, 111b, 112b empfangene Streulicht besteht aus den zwei Anteilen Mie-Streulicht und Rayleigh-Streulicht.
Damit setzt sich die gesamte totale Streulichtintensität I_tot zusammen aus:
Dabei bedeuten C eine geometrische Konstante, I_L die eingestrahlte Laserintensität, V das pro Pixel abgebildete Messvolumen, n_gas die Gasmoleküldichte im Streuvolumen, σ_Ray der Rayleigh-Streuquerschnitt, t(f) die frequenzabhängige Transmission einer Filterzelle, n_par die Dichte der zugesetzten Partikel im Streuvolumen, σ_Mie der Mie-Streuquerschnitt und B das Hintergrundlicht.
Da der gesamte Rayleigh-Streuquerschnitt die Summe aller Rayleigh-Streuquerschnitte der in der Strömung enthaltenen Spezies ist, muss die Gaszusammensetzung der Strömung bekannt sein (z. B. Luft, adiabatische Flamme, zusätzliche Gasanalytik).
Das gesamte Streulicht wird auf die drei Analysekanäle aufgeteilt.
Das nach Durchgang durch den zweiten Filter 121 (Joddampf) empfangene Licht für jeden Pixel der zweiten Kamera 123b erzeugt ein Intensitätssignal auf jedem der Teilbilder i, welches nach Abzug des Hintergrundbildes BM (enthält mittleres Rayleighsignal) folgende Form hat: I_Mi = C_MI_LVn_parσ_Miet(f₀ + df_i) (Gleichung 3)
Das auf der weiteren zweiten Kamera 123a ohne Filter erzeugte Intensitätssignal lautet nach Abzug des Hintergrundbildes BN: I_N,i = C_MI_LVn_parσ_Mie (Gleichung 4)
Damit ergibt sich für den Quotienten für jedes Pixel (n, m):
Durch die Referenzmessung bei ruhender Strömung (df_i = 0) und bekannter Stabilisierungstransmission t₀ = t(f₀) oder bei bewegter Strömung und Stabilisierung auf einer Frequenz mit t₀ = 1 außerhalb der Absorptionslinie ist das Verhältnis der geometrischen Effizienzen beider Signalkanäle bestimmt. Damit kann die eigentliche Transmissionsmessung bei bewegter Strömung und Frequenzstabilisierung im Bereich einer Absorptionslinie zur Bestimmung der Dopplerfrequenzverschiebung benutzt werden (z. B. über eine im Computer gespeicherte vorher aufgenommen Kalibrierungstabelle F, welche eindeutig jeder Transmission eine Frequenz zuordnet): df_i = f_i – f₀ = F(T_i – T₀) (Gleichung 6)
Diese Frequenzverschiebung wird nun pixelweise für jede Beobachtungsrichtung o_i bestimmt und es ergibt sich ein lineares Gleichungssystem für die drei zu bestimmenden Komponenten des Strömungsgeschwindigkeitsvektors. Mithilfe von bekannten Algorithmen kann der Auswertecomputer 127 nun für jeden Pixel den Geschwindigkeitsvektor berechnen.
Die ermittelten Frequenzverschiebungen df_i werden der Rayleigh-Streulicht-Auswertung übergeben.
Der erste Kanal wird zur Bestimmung von Druck, Dichte und Temperatur über das durch den Filter 120 gefilterte Rayleigh-Streulicht benutzt. Die dort empfangene Intensität pro Pixel ist bei hinreichend kleiner Transmission (< 10–7) unabhängig vom Miestreulichtanteil, da dann der zweite Term der rechten Seite in Gleichung 2 gegenüber dem ersten Term vernachlässigbar ist:
Aus der Quotientenbildung von Messsignal IR und Referenzsignal I_R,0 ergibt sich:
Dieses Verhältnis Q_R,i ist bei bekannter Beobachtungsrichtung o_i und bekanntem Dopplershift df_i, welcher sich für jedes Pixel aus der Transmissionsbestimmung des Miestreulichtes ergibt, nur noch abhängig von den thermodynamischen Zustandsgrößen Teilchenzahl bzw. -dichte, Druck und Temperatur. Eine Reduktion der drei unbekannten Messgrößen ergibt sich durch die Anwendung einer weiteren Zustandsgleichung, wie z. B. dem idealen (oder realen) Gasgesetz:
Damit kann die Teilchenzahl durch Druck und Temperatur ausgedrückt werden und es verbleibt eine Abhängigkeit des Messsignals von Druck und Temperatur. Dies bedeutet, dass zu jedem Quotienten Q_R,i eine Lösungsschar von Druck- und Temperaturwerten (p, T) existiert (Eindeutigkeitsproblem).
Das Verfahren löst dieses Problem durch den Einsatz mehrerer Beobachtungsrichtungen. Ein entsprechendes Beispiel ist in 6 gezeigt. Dabei sind mindestens zwei Positionen i und j notwendig, um aus der Schnittmenge der jeweiligen Lösungsscharen die gesuchten Druck- und Temperaturwerte zu finden. (p, T)_i,j = Q_R,i(p, T) ∩ Q_R,j(p, T) (Gleichung 10)
Die Verwendung von weiteren Beobachtungsrichtungen erlaubt die Bestimmung von gemeinsamen Lösungen für jeweils zwei unterschiedliche Richtungen, so dass ein aus diesen Kombinationen gemittelter Messwertesatz erzeugt werden kann:
Zuletzt wird nach Gleichung 9 die Dichte berechnet.
Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Messgenauigkeit für zeitlich gemittelte Messungen bietet die Frequenz-Durchstimmung, die sowohl bei der Nutzung eines Lasersystems als auch von zwei Lasersystemen möglich ist. Dieses sogenannte Frequenz-Scan-Verfahren ist in den 7a, b dargestellt.
Diese Methode ist nur für gemittelte aber simultane Messungen geeignet, da die Strömung für die Datenaufnahme bei unterschiedlichen Laserfrequenzen konstant sein muss. Der Vorteil einer Frequenz-Scan-Technik liegt in der erreichbaren höheren Messgenauigkeit, da anstelle einer einzigen Messung von Intensitätsverhältnissen ein spektrales Profil aufgenommen wird.
Dazu werden anstelle von einer Aufnahme bei einer festen Laserfrequenz f₀ mehrere Aufnahmen (2N + 1) bei verschiedenen Laserfrequenzen f(n) = f₀ +/– n·df₀ bzw. zwei Frequenzscans mit f₁(n) = f₁ +/– n·df₁ und f₂(n) = f₂ +/– n·df₂ gemacht. (n = 0, 1, .., N)
Die Verteilung der 2N + 1 Messfrequenzen wird dabei so gewählt, dass die Frequenzpositionen des aufgrund des Dopplereffektes in der Frequenz verschobenen Mie-Signale f₀ +/– n·df₀ + df_i (bzw. f₁ +/– n·df₁ + df_i für zwei Laser) innerhalb des vollständigen Unterdrückungsbereiches des Filters 120 für das Rayleigh-Streulicht liegt.
An die so aufgenommenen gefilterten Mie-Spektren werden für jede Beobachtungsposition ein kalibriertes und verschobenes Absorptionsspektrum angepasst, so dass als freier Parameter die Dopplerfrequenzverschiebung bestimmt werden kann und der gefilterten Rayleigh-Streulicht-Auswertung übergeben.
Es ist prinzipiell möglich, aus einem gefilterten Rayleigh-Spektrum für eine Beobachtungsrichtung die Frequenzverschiebung und damit eine Geschwindigkeitskomponente zusätzlich zu den thermodynamischen Größen Druck, Temperatur und Dichte zu bestimmen, da für das Frequenz-Scan-Verfahren die Anzahl unabhängiger Datenpunkte größer als die Anzahl der freien Parameter wird. Aufgrund der spektralen Verbreiterung des gefilterten Rayleigh-Streulichts ist die erreichbare Auflösung auf ca. 10 MHz beschränkt. Die Erfassung des Mie-Streulichts ist um eine Größenordnung in der spektralen Auflösung besser (ca. 1 MHz) und somit für die Bestimmung der Frequenzverschiebung vorzuziehen.
Daher werden die mit der Mie-Streulicherfassung bestimmten Frequenzen der Rayleigh-Auswertung übergeben und daraus mit den gefilterten Rayleigh-Spektren für jede Beobachtungsrichtung Druck und Temperatur bestimmt. Eine Mittelung über die thermodynamischen Messgrößen pro Beobachtungsrichtung ergibt wiederum die gemittelten Werte für Druck und Temperatur, aus denen sich dann die Dichte berechnen lässt.
Das Verfahren ermöglicht ein bildgebendes Messsystem, welches in einem einzigen Messvorgang alle drei Komponenten des Geschwindigkeitsvektors und die thermodynamischen Größen Temperatur, Druck und Dichte in einer Messebene, definiert durch die Schnittmenge aus Lichtbandebene und Strömungsvolumen, ermittelt, indem das mit einem oder zwei Lasern über eine Lichtleitfaser im Messvolumen erzeugte Streulicht einer mit zusätzlichen Partikeln beladenen Gasströmung simultan aus mindestens 3 Beobachtungsrichtungen mittels Bildleitern empfangen und zu einem Streulicht-Analysator transportiert wird.
Die mit der Mie-Streulichtanalyse ermittelten geschwindigkeitsabhängigen Frequenzverschiebungen werden zur Auswertung der gefilterten Rayleigh-Signale benutzt und erlauben zusammen mit der Verwendung von verschiedenen simultanen Beobachtungsrichtungen eine eindeutige Bestimmung von Druck, Temperatur und Dichte aus den empfangenen gefilterten Rayleigh-Signalen.
Für beide Systemausführungen (1 bzw. 2 Lasersysteme) kann zusätzlich zur Einzelmessung ein Frequenz-Scan-Verfahren angewendet werden, welches die Genauigkeit für gemittelte – aber immer noch simultan gemessene – Strömungsgrößen erhöht.
Für Umgebungen, in denen eine Beobachtung aus mindestens drei nicht-kollinearen Richtungen nicht möglich ist, können zeitlich gemittelte simultane Kombinationsmessungen durch mindestens drei aufeinander folgende Messungen aus einer Beobachtungsrichtung für drei unterschiedliche Lichtbandrichtungen durchgeführt werden.
Das Verfahren ist insbesondere geeignet, um in allgemeinen gekapselten technischen Strömungen, z. B. allgemeine Rohrströmungen, in einer Messebene Geschwindigkeitsvektor, Druck, Temperatur und Dichte zu bestimmen.
Diese allgemeine Rohrströmung kann z. B.

• die Innenströmung eines Automobil-Zylindermotors
• die Innenströmung eines Flugzeugtriebwerks (z. B. an den Schnittstellen Einlauf-Triebwerksbrennkammer-Turbine)
• das aus der Brennkammer tretende Abgas einer stationären Gasturbinen-Brennkammer
• die Luftströmung eines Windkanals
• die Innenströmung von Heizungs-/Lüftungs-/Klimaanlagen
• die technische Strömung von Maschinen der Verfahrens- und Prozesstechnik (Pulverherstellung, pneumatische Förderung, Syntheseprozesse, Trocknung, Verdampfung, Destillation, usw.) sein.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

D. Nobes, H. Ford, R. Tatam, Exp. In Fluids 2004 (36), 3–10 Instantaneous, three-component planar Doppler velocimetry using imaging fibre bundles [0008]

Claims

Messvorrichtung (1) zur Messung von Zustandsgrößen in einer Fluidströmung – mit mindestens einer Laserlichtquelle (101, 201) zur Erzeugung von Laserlicht (102, 203) einer ersten Frequenz (f₁) – mit einer Empfangsoptik zum Empfang von Streulicht, wobei die Empfangsoptik mindestens drei Objektive (110a, 111a, 112a) aufweist, und – einen Streulicht-Analysator (124) zur Analyse des von der Empfangsoptik empfangenen Streulichts, wobei der Streulicht-Analysator eine zweite Analyseanordnung (321) zur Analyse von Mie-Streulicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Streulicht-Analysator (124) eine erste Analyseanordnung (320) zur Analyse von Rayleigh-Streulicht aufweist, dass vor der ersten und der zweiten Analyseanordnung (320, 321) ein erster Strahlteiler (117) zum Aufteilen des empfangenen Streulichts in einen ersten und einen zweiten Lichtteil (301, 302) angeordnet ist, und dass die erste Analyseanordnung (320) einen Filter zur Filterung des Mie-Streulichtanteils aus dem ersten Lichtteil (301) aufweist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektive (110a, 111a, 112a) Mikroobjektive sind, wobei die Mikroobjektive (110a, 111a, 112a) über endoskopische Bildleiter (110b, 111b, 112b) mit dem Streulicht-Analysator (124) verbunden sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahlteiler (117) einen Reflexionsgrad von 5–15% und einen Transmissionsgrad von 85-95% aufweist, und dass die zweite Analyseanordnung (321) einen zweiten Strahlteiler (118) zum Aufteilen des zweiten Lichtteils (302) in einen dritten und einen vierten Lichtteil (303, 304) aufweist, wobei der zweite Strahlteiler (118) einen Reflexionsgrad von 30–45% und einen Transmissionsgrad von 55–70% aufweist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Analyseanordnung (321) einen zweiten Filter (121) zur Umwandlung der in dem Mie-Streulicht enthaltenen Frequenzverschiebung in eine Intensitätsverteilung aufweist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Filter (120, 121) eine molekulare oder eine atomare Absorptionszelle ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter (120) eine größere Länge und/oder eine höhere Sättigungstemperatur besitzt als der als Absorptionszelle ausgebildete zweite Filter (121).
Messvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der als Absorptionszelle ausgebildete erste Filter und/oder zweite Filter (120, 121) Jod-, Cäsium-, Barium- oder Quecksilberdampf enthält.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine zweite Laserlichtquelle (202) zur Erzeugung von Laserlicht einer zweiten Frequenz (f₂).
Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahlteiler (117) ein dichroitischer Spiegel ist, der für Laserlicht (203) der ersten Frequenz (f₁) hochreflektierend und für das Laserlicht (208) der zweiten Frequenz (f₂) durchlässig ist.