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Richtungsempfindliche Laser-Doppler-Strömungssonde Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Anordnung zur Untersuchung strömender Medien, wobei auf ein
mindestens ein Streuteilchen enthaltendes Raumelement des strömenden Mediums ein
Laserstrahl fokussiert wird, und zur Messung der ein Mass für die Strömungsgeschwindigkeit
darstellenden Frequenzverschiebung ein gestreuter Lichtstrahl mit dem ungestreuten
an einem photoelektrischen Element gemischt wird.
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Derartige Messverfahren bzw. Messanordnungen sind unter dem Namen
"Laser-Doppler-Strömungssonde" bekannt (IEEE J. Quantum El., Vol. E-2 llo.8 (1966)
260), da durch kohärentes Mischen der Referenzfrequenz des ungestreuten Laserstrahles
mit der Frequenz des gestreuten Laserstrahls die,Doppler-Frequenzverschiebung des
letzteren als. Mass für die Strömungsgeschwindigkeit erhalten wird.
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Mittels der bekannten Laer-Doppler-Strömungssonden kann jedoch
nur
der Betrag, nicht aber die Richtung der Strö,.ungsgseschwindigkeit des zu untersuchenden
Mediums gemessen werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannten Laser-Doppler-Strör,ungssonuen
derart zu verbessern, dass auch die Richtung des strömenden ledius bzw. das Vorzeichen
der Frequenzverschiebung bestimmt werden kann.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Frequenz mindestens eines
Teils des ungestreuten Lichtstrahls um ein bestimmtes Mass verschoben wird, bevor
er mit einem gestreuten Strahl gemischt wird.
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Dadurch wird nicht mehr nur die durch das strömende medium erzeugte
Doppler-Frequenz gemessen, sondern zusätzlich die Differenz bzw. Summe derselben
mit dem ert der durch die Beeinflussung des ungestreuten Lichterstrahles bewirkten
Frequenzverschiebung. Aendert sich die Strömungsrichtung, so kehrt die gemessene
Differenz- bzw. Summenfrequenz ihre Lage zu der durch die Beeinflussung des ungestreuten
Licht Strahles bewirkten Verschiebungsfrequenz um.
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Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich derart durchführen, dass
nur der frequenzverschobene unge<creute Strahl mit dem frequenzverschobenen gestreuten
Strahl an einen einzigen
photoelektrischen Element gemischt wird.
Dann ist der Betrag der Doppler-Frequenz als Mass für die Strömungsgeschwindigkeit
durch Kenntnis des Betrages der Frequenzverschiebung des ungestreuten Strahles bestimmbar5
und das Vorzeichen durch Kenntnis der Lage der Strömungs-Dopplerfrequenz zur Verschiebungsfrequenz
des ungestreuten Strahles. Die Kenntnis der Grösse der Verschiebungsfrequenz des
ungestreuten Strahles erübrigt sich, wenn der Betrag der Verschiebungsfrequenz des
ungestreuten Strahles gleich der der Strörwungs-Dopplerfrequenz gefacht wird, was
leicht dadurch geprüft werden kann, dass die Differenzfrequenz Null wird. Der gemessene,
der Summe aus Verscbiebungsfrequenz und Strömungs-Dopplerfrequenz gleiche Wert braucht
dann nur halbiert zu werden.
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Eine andere, riesstechnisch einfachere Art der Durchführung des Verfahrens
nach der Erfindung besteht demgegenüber darin, dass der ungestreute Strahl geteilt
wird, und einmal ohne Frequenzverschiebung mit einem gestreuten Strahl an einem
ersten photoelektrischen Element, und einmal mit Frequenzverschiebung an einem zweiten
photoelektrischen Element gemischt wird. Dann ergibt die Frequenz an dem ersten
photoelektrischen Element das Mass für die Strömungsgeschwindigkeit, und die Frequenz
am zweiten photoelektrischen Element das Mass für die Strömungsrichtung.
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Zur Mischung am ersten und zweiten photoelektrischen Element kann
entweder ein einziger, in zwei Teilstrahlen gespaltener Streustrahl verwendet werden,
oder jeweils ein besonderer Streustrahl. Die Tatsache, dass bei der zweiten Methode
die beiden Streustrahlen unterschiedliche Doppler-Verschiebungen aufweisen, ist
messtechnisch unerheblich, da es ja bei einem Streustrahl nur auf das Vorzeichen
ankommt. Andererseits ergibt sich aber bei der zweiten Methode der Vorteil höherer
Lichtstärke.
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Technisch besonders einfach zu realisieren ist das erfindungsgemässe
Verfahren dadurch, dass die Frequenzverschiebung des ungestreuten Strahles durch
eine periodische Frequenzmodulation erzeugt wird, insbesondere durch Doppler-Verseniebung
der Frequenz mittels Reflexion an einem zeitlich nach einer Dreiecks-Funktion bewegten
Körper, beispielsweise einem piezoelektrisch gesteuerten Spiegel, oder auch durch
entsprechende Modulation in einem elektrooptischen Kristall, wobei dann die nach
der Mischung mit dem gestreuten Strahl entstehende Summen- und Differenzfrequenz
in Abhängigkeit von der das modulierende Element betätigenden, also die Modulation
bewirkenden Funktion identifiziert wird. Im Falle der Modulation mittels des piezoelektrisch
nach einer Dreiecks-Funktion'gesteuerten Spiegels heisst das, dass die Summen- und
die Differenzfrequenz in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des bewegten Spiegels
identifiziert wird. Die Identifizierung kann beispielsweise
durch
eine in Abhängigkeit von der positiven oder negativen Neigung der Tangente der das
modulierende Element betätigenden Funktion gesteuerte Torschaltung erfolgen.
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Die Grösse der durch die Modulation des ungestreu-ten Strahles erzeugten
Frequenzverschiebung kann in einer zweckmssigen Ausführung der Erfindung vorteilhafterweise
automatisch durch einen auf das modulierende Element wirkenden Regelkreis auf die
Grössenoranung der durch die Strömungsgeschwindigkeit erzeugten Doppler-Frequenz
geregelt werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend
anhand von Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen. Hierbei zeigt: Fig. 1
eine Messanordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens mit einem
in Richtung des ungestreuten, zu modulierenden Strahls bewegten Spiegel, Fig. 2
eine Dreiecks-Bewegungsfunktion des Spiegels mit den daraus resultierenden Frequenzverschiebungen
einzelner Strahlen bzw. der Mischfrequenz derselben, und Fig. 3 schematisch die
Lage einzelner Spektrallinien.
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In Fig. 1 wird der Strahl eines Lasers 1 mittels einer Linse 4 auf
ein mindestens ein Streuteilchen enthaltendes Raumelement 2 eines durch den Geschwindigkeitsvektor
v charakterisierten
strömenden Mediums fokussiert. Es ergeben sich
danit ein durchgehender ungestreuter Lichtstrahl R und gestreute Lichtstrahlen S.
Eine Linse 3 ist den Lichtstrahlen R, S so zugeordnet, dass die zueinander divergenten
Strahlen R, S kollidiert werden, das heisst, das Raumelement 2 liegt im Brennpunkt
der Linse 3. Die Brennebenen der Linsen 3 und 4 schneiden sich also am Orte der
Messung im Raumelement 2.
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In dem die Linse verlassenden Bündel paralleler Strahlen R, S sind
nun eine Lochblende 6 und dahinter schräg eine planparallele Glasplatte 5 angeordnet.
Die Blende 6 sonaert den ungestreuten Strahl R und die Streustrahlen S1 und S2 aus
dem Strahlenbündel R, S aus. Die Durchlassöffnungen der Blende 6 sind derart angeordnet,
dass der Winkel zwischen der Strömungsrichtung v und der Richtung des ungestreuten
Strahles R gleich 2 minus der Hälfte des Winkels 6 zwischen 2 dem ungestreuten Strahl
R und dem in die Platte eintretenden Streustrahl S1 ist, so dass also R und S1 symmetrisch
zum Lot auf die Strömungsrichtung v liegen. Die optische Achse der Linse 3 fällt
mit der genannten Syrnmetrieachse zusammen.
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Dann wird bei einer kohärenten Mischung der Strahlen R, S als Mass
rür die Strömungsgeschwindigkeit v eine Doppler-Frequenz
(# = Wellenlänge des Laserlichtes im Vakuum, n=Brechungsindex des strömenden Mediums)
gemessen.
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Der in die Platte 5 eintretende ungestreute Strahl R wird auf der
der Linse 3 abgewandten Seite der Platte teilweise reflektiert, so dass er insoweit,
mit der Bezeichnung R1, unter Hin- und Herreflexion in der Platte 5 weiterläuft;
tzur Blende 15: der andere Teil des Strahles R tritt aus der PlaW taus.
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Der Strahl R1 wird zum Eintrittsort des Streustrahls in die Platte
5 geleitet. Die Platte 5 ist nicht oder nur schwach verspiegelt, so dass eine Dämpfung
der Intensität des Strahles R1 zwecks Anpassung an die Intensität des Streustrahles
S1 erreicht wird. Zusätzlich kann zu diesem Zweck im Strahl R zwischen Linse 3 und
Platte 5 noch ein (nicht gezeichnetes) vorzugsweise einstellbares Graufilter vorgesehen
werden. Die überlagerten Strahlen R1 und tpurch die Blende 1 fallen nach Austritt
aus der Platte 51 u eine Photodiode 9.
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Der vor der ersten Reflexion an der Rückseite der Platte 5 aus dieser
ausgetretene Teil des Strahles R läuft bis zu einem ortsfesten Spiegel 16, weiter
zu einem halbdurchlässigen Spiegel 7, von diesem zu dem in der eingezeichneten Richtung
z hin und her bewegbaren Spiegel 8, und von diesem unter der Bezeichnung R2 zurück
zum halbdurchlässigen Spiegel (Strahlenteiler) 7, an welchem er reflektiert wird,
um nun zusammen mit einem anderen, unmittelbar von der Linse 3 kommenden Streustrahl
S2 zur Photodiode 10 zu laufen.
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Wenn der ungestreute Strahl die Frequenz S0, der gestreute Strahl
S1 die Frequenz GA , der gestreute Strahl
die Frequenz # J, &>i<
und der durch den bewegbaren Spiegel 8 frequenzmodulierte Strahl R2 die Frequenz
# # # hat, so entstehen an der Diode 9 ein sinusoider Strom der Frequenz und s und
an der Diode 10 sinusoide Ströme der Frequenzen @@@ - @@@ und @@ + @@@ . Diese Frequenzen
werden in einem Spektralanalysator 11 herkömmlicher Bauart gemessen.
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Der Spiegel 8 kann beispielsweise durch elektrisch angeregte Bariumtitanatschwinger
bewegt werden. Die elektrische Anregung erfolgt durch einen Generator einer Dreiecks
funktion 12, degausserdem auch Signale an den Umkehrpunkten der Funktion abgibt.
Die Tangente der Dreiecksfunktion bzw. die Bewegungsgeschwinaigkeit des Spiegels
wird durch einen durch eine strichlierte Verbindung mit dem Ausgang der Diode 9
angedeuteten Regelkreis 13 so gesteuert, dass die Frequenzverschiebung des Strahles
R2, also ##, in der Grössenordnung der von der Strömungsgeschwindigkeit v abhängigen
Doppler--requenzverschiebung des Streustrahles S, also liegt.
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Schliesslich ist in Fig. 1 noch eine Torschaltung 14 in der Verbindung
des Ausganges der Diode 10 mit dem Eingang des Frequenzdiskrirninators 11 angedeutet.
Diese wird von den Signalen an den Umkehrpunkten der Dreiecks funktion aus dem die
Spiegelbewegung steuernden funktionsgenerator 12 derart betätigt, dass nur für die
Zeiten des Anstiegs, oder nur
für die Zeiten des Abfalles der Dreiecksfunktion
Signale aus der Diode 10 in den Frequenzdiskriminator 11 einlangen können.
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Die sich durch die gezeichnete Anordnung in Fig. 1 ergebenden elektrischen
Verhältnisse sind in Fig. 2 angedeutet: In Bild a) ist die zeitlich dreiecksförmige
Bewegung des Spiegels 8 in der z-Richtung dargestellt. Damit ergibt sich beispielsweise
für den Zeitabschnitt II der negativen Tangente der Dreiecksfunktion für den ungestreuten,
vom Spiegel 8 frequenzmodulierten Strahl R2 eine Frequenz erhöhung auf # + ##, und
für die Zeitabschnitte I,III eine Frequenzerniedrigung auf # - ##. Dies ist in Bild
b) angedeutet.
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0 A In Bild c) ist die um die der Strömungsgeschwindigkeit v eines
Streuteilchens im Raumelement 2 des strömenden Mediums proportionale Doppler-Frequenz
## erniedrigte Frequenz # - ## des Streustrahles S2angedeutet.
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Die durch Mischung der Strahlen R2 und S2 an der Diode 10 entstehenden
Frequenzen sind in Bild d) dargestellt. Dabei ist, wie in den Bildern b) und c),
angenommen, dass ## gleich ## gemacht worden ist. Dann wird an der Diode 10 im Zeitabschnitt
II die Frequenz ##+## = 2## 9 und in den Zeitabschnitten I,III die Frequenz O gemessen.
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Wenn nun ## sein Vorzeichen ändert, also die Frequenz des Streustrahles
S2 auf # + ## erhöht wird, wird im Zeitabschnitt II die Frequenz 0 gemessen, und
in den Zeitabschnitten I,III eine Frequenz der Grösse @@ + @@ = 2##. Bei Bezug auf
die Bewegungsrichtung des modulierenden Spiegels haben also die zugeordneten Frequenzlinien
ihre Lage vertauscht.
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Eine Identifizierung der gemessenen Frequenzen bezüglich der Bewegungsrichtung
des Spiegels gelingt durch die oben beschriebene Steuerung der Torschaltung 14.
Danit wird beispielsweise nur die Frequenz ## + ##(im Zeitabschnitt II) gemessen.
Aendert tas sein Vorzeichen, und gegebenenfalls auch seinen Betrag, in ##', so erscheint
die nunmehr gemessene Frequenz ##+##' kleiner als die Frequenz ##, die beispielsweise
durch Messung bei Abdeckung des Strahles leicht bestimmbar ist. Diese Verhältnisse
sind in Fig. 3 angedeutet.
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Wenn nur mit einer einzigen Diode, in Fig. 1 also nur mit den Strahlen
S2, R2 und der Diode 10 gemessen werden soll, so.ergibt sich der Betrag Aw als Mass
für die Strömungsgeschwindigkeit leicht durch Abgleich der Dirferenz-Frequenz ##
- ## auf Null (wie in Fig. 2d) dargestellt), und Halbierung der für ##### - 2##
gemessenen Frequenz.
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Eine möglichst grosse Frequenzverschiebung bei einer gegebenen Strömungsgeschwindigkeit
v wird hier und auch in dem oben dargestellten Beispiel durch den Strahl S1 dann
gemessen, wenn der Winke1möglichst gross gemacht wird.
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Durch Umsetzen der gemessenen Frequenzen ## + ## und ## in analoge
Spannungen und Vergleich derselben in einem Komparator lässt sich in einfacher Weise
ein essgerät herstellen, das neben der Strömungsgeschwindigkeit des zu untere suchenden
strömenden Mediums auch die Strömungsrichtung anzeigt.