DE2206520A1 - Verfahren zur eliminierung eines systematischen messfehlers bei optischen anemometern - Google Patents

Verfahren zur eliminierung eines systematischen messfehlers bei optischen anemometern

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Description

6/72
He.
220652Q
Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Verfahren zur Eliminierung eines systematischen Messfehlers bei optischen Anemometern
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Eliminierung eines systematischen Messfehlers bei optischen Anemometern, bei denen ein Messvolumen von mindestens einem von einer Laserlichtquelle erzeugten Lichtbündel beleuchtet wird.
Bei optischen Anemometern (Laser und angewandte Strahlentechnik: Nr.3, S. 15 ff., 1971), häufig auch mit Laser-Dopplersonden bezeichnet, tritt ein Messfehler auf, der seine Ursache in der Natur der Erzeugung des Beleuchtungs-Strahlenbündels hat:
Die Kaustik oder die Enveloppe des Strahlprofils eines Laserlichtbündels ist für den üblichen TEM - Mode ein Rotations-
00
hyperboloid, mit durch die Resonatorgeometrie des Lasers be-
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stimmten Oeffnungswinkel der Asymptoten, minimalen Fleckradius, Ort des minimalen Fleckradius'. Die Abbildung solcher Gauss'scher Moden durch shärische Linsen oder Spiegel liefert wiederum Gauss'sehe Moden, jedoch mit verändertem minimalem Fleckradius an anderer Stelle (Laser und angewandte Strahlentechnik Nr.1, S. 55 u. 56, 1970).
Bei optischen Anemometern hat man bislang dieser Tatsache wenig bzw. keine Bedeutung heigemessen, obwohl daraus Messfehler bis zu 5 % resultieren können. Derart hohe Messfehler sind jedoch für gewisse Anwendungen, z.B. Erfassung der Werkstückgeschwindigkeit in Stahlwerken"- dort werden Genauigkeiten besser als 0,5 % gefordert, nicht tragbar. Messfehler führte man vielmehr hauptsächlich auf Unzulänglichkeiten der Messwertverarbeitungseinrichtung oder auf das häufig sehr geringe Signal/Rauschverhältnis des Photodetektor-Ausgangssignal zurück.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Eliminierung von Messfehlern der genannten Art anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einem optischen Anemometer der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Ort minimalen Fleckradius des das Messvolumen beleuchtenden Laserlichtes mit dem Zentrum des Messvolumens zur Deckung gebracht wird.
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Auf diese Weise besitzt das einfallende Laserlicht, im Bereich des Messvolumens ebene Wellenfronten, die Ortsabhängigkeit der Frequenz des Dopplersignals in diesem Bereich verschwindet nahezu vollständig. Kleine Verschiebungen des Messobjektes, z.B. des Walzgutes, innerhalb des Fokussierungsvolumens liefern keine Frequenzänderung des Dopplersignals.
Anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen von Beleuchtungssystemen von optischen Anemometern wird die Erfindung näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Anemometers mit einem Beleuchtungssystem für Durchgangsmessungen,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines optischen Anemometers mit einem Beleuchtungssystem für Rückwärtsmessungen,
Fig. 3 ein Ausführungsbexspiel einer optischen Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung,
Fig. ^ ein weiteres Ausführungsbeispiel einer optischen Anordnung zur Durchführung des Verfahrens,
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Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung der Abhängigkeit des Messfehlers von den optischen Parametern des Beleuchtungssystems.
In Fig. 1 wird ein von einer Laserlichtquelle 1, z.B. ein HeNe-Laser, erzeugtes Lichtbündel 2 mittels eines Strahltellers j5» z.B. eine planparallele Platte oder ein Kostersches Prisma, in zwei Strahlenbündel 4 bzw. 5 aufgeteilt. Diese beiden Bündel treffen auf eine Linse 6 auf und werden auf das Messvolumen 7 fokussiert. Dort treten sie in Wechselwirkung mit streuenden Teilchen eines durch den Pfeil 8 angedeuteten Strömungsfeldes. Aus dem resultierenden Streufeld wird ein aus Referenz- und Streustrahlenbündel bestehendes Summenstrahlbündel 9 ausgeblendet und jnitttels einer weiteren Linse 10 auf einen Photodetektor 11, z.B. einen Photovervielfacher, fokussiert. An den Ausgang des Photodetektors 11 schliesst sich eine Messwertverarbeitungseinrichtung 12 an. In dieser Einrichtung wird aus dem Photodetektor-Ausgangssignal (Dopplersignal) ein der Geschwindigkeit der streuenden Teilchen entsprechendes Signal gewonnen. Derartige Messwertverarbeitungseinrichtungen sind beispielsweise aus der eingangs genannten Zeitschrift "Laser..." bekannt und werden aus diesem Grunde nicht näher erläutert.
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Der Ort minimalen Fleckradius1 w der auf die Linse 6 auf-
treffenden Strahlenbündel 4 und 5 ist mit 13 bzw. 14 bezeichnet. Dieser Ort weist einen Abstand ζ von der Linse 6 auf. Die Strahlenbündel 4 und 5 treffen in einem Abstand y von der optischen Achse der Linse 6 auf diese auf. Die Linse 6 hat die Brennweite f . Die für die Strahlenbündel
4 bzw. 5 wirksame (meridionale) Brennweite ist mit fM bezeichnet. Zwischen Linse 6 und Zentrum des Messvolumens 7 legen die Strahlenbündel 4' bzw. 51 einen Weg X zurück.
Wird nun im Falle der Anordnung gemäss Fig. 1 ζ annähernd gleich der wirksamen Brennweite f». der Linse 6 gewählt, so fällt der Ort minimalen Fleckradius1 der Strahlenbündel 41 und 51 mit dem Zentrum des Messvolumens 7 zusammen. Dieses Zur-Deckung-Bringen kann nun auf verschiedene Art und Weise bewerkstelligt werden;
Es wird der Abstand der Laserlichtquelle 1 von der die Fokussierung auf das Messvolumen 7 bewirkenden Linse 6 so eingestellt werden, dass die genannte Bedingung erfüllt ist (reelle Abstandsänderung).
Es wird der virtuelle Abstand zwischen der Laserlichtquelle 1 und der genannten Linse verändert, wodurch ebenfalls der Ort minimalen Fleckradius' des auf das Messvolumen auftreffenden Laserlichtes mit dem Zentrum des Messvolumens 7 zur Deckung gebracht werden kann.
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Es wird der Winkel zwischen der optischen Achse der Linse 6 und den auf diese auftreffenden Strahlenbündeln 4, 5» geändert, wodurch sich die von den Bündeln 4' bzw. 51 zurückgelegten Wege bis zum Zentrum des Messvolumens J ändern.
Der optimale Abstand ζ kann nun rechnerisch und experimentell genau bestimmt werden. Mit den Bezeichnungen der Fig. 1 gilt für ζ folgende Beziehung :
ι. f + fM '-ο - ν ,
worin λ die Wellenlänge des Laserlichtes bedeutet. Diese Beziehung ist dem Buch "Laser", Springer Verlag Berlin I969» S. 73, entnommen. Für dünne Linsen gilt nun t = fM· Deshalb muss in (I) der zweite Summand verschwinden, d.h. ζ = f„.
O M
Die Beziehung (I) gilt nur streng,wenn der halbe Oeffnungswinkel der Bündel 4' und 5f sehr klein ist (cos/>S 1). Im Falle grösserer Winkel/θ ist in (I) anstelle von t 6/cos zu setzen.
Bei üblichen Laserlichtquellen liegt der Ort minimalen Fleckradius' in der Regel an der Stelle des Austritts des Lichtbündels. Die Wellenlänge und der minimale Fleckradius ist den Datenblättern des Laser-Herstellers entnehmbar. Auf diese Weise lässt sich der optimale Abstand rechnerisch ermitteln.
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Die reelle Aenderung des Abstandes ζ kann unter den genannten Voraussetzungen leicht vorgenommen werden, indem der Abstand zwischen Laser und Linse 6 eingestellt wird.
Zur virtuellen Verschiebung schlägt die Erfindung eine aus einer konkaven Linse 15 und einer konvexen Linse 16 bestehende Anordnung vor (Fig. J5)· Durch Variation des Abstandes d zwischen beiden Linsen 15 und 16 lässt sich der Ort minimalen Fleckradius' nahezu beliebig verschieben. In einer Realisation einer Anordnung gemäss Fig. 3 mit einem HeNe-Laser, einer konkaven Linse mit der Brennweite f = - 70 mm, einer konvexen Linse mit der Brennweite f,/- = l40vmm und einem Abstand d = 70 ram liess sich der Ort minimalen Fleckradius' durch Aenderung von d um ± 10 mm um mehr als 2000 mm verschieben, wobei der Ort minimalen Fleckradius sogar in den Laser hinein oder auf die der Lichtaustrittsstelle abgewandten Seite des Lasers (virtuell) verschoben werden konnte. Mit dieser Anordnung ändert sich selbstverständlich der minimale Fleckradius w (typischer Wert für HeNe-Laser 0,3 mm). In dem betrachteten Fall betrug er 0,6 mm, variierte jedoch nur noch unwesentlich in Abhängigkeit von seinem Ort.
Die experimentelle Bestimmung des optimalen Abstandes ζ erfolgt auf die folgende V/eise: An die Stelle des (unbekannten) Strömungsfeldes wird eine Art Referenzströmung gebracht, de-
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ren Geschwindigkeit konstant ist und die eine geringe Ausdehnung (kleiner als 0,1 mm) in Richtung der optischen Achse der Linse 6 aufweist. Eine derartige Referenzströmung lässt sich beispielsweise durch eine rotierende diffus streünde Scheibe realisieren. Die Referenzströmung muss sich in der genannten Richtung verschieben lassen. Nach erfolgter Fokussierung der Linsen 6 und 10 wird die Lichtaustrittsstelle der Laserlichtquelle 1 - sofern an dieser Stelle das Lichtbündel minimalen Fleckradius aufweist - annähernd auf einen der wirksamen Brennweite der Linse 6 entsprechenden Abstand ζ gebracht. Beim Verschieben der Referenzströmung innerhalb des Fokussierungsbereiches (Grössenordnung 0,1-1 mm) darf sich dann die Frequenz des Dopplersignals nicht ändern.
Meist wird es nicht gelingen, die angegebenen Bedingungen einzuhalten. Insbesondere bei langbrennweitigen Linsen wird man daher die virtuelle Aenderung des Äbstandes gemäss Fig. 3 anwenden, d.h. die Linsen 15 und l6 werden zwischen Strahlenteiler 2 und Laserlichtquelle 1 angeordnet. Der Abstand d wird so eingestellt, dass sich beim Verschieben der Referenzströmung keine Frequenzänderung des Dopplersignals ergibt. Als Hilfsmittel hierzu kann die Lage des Ortes minimalen Fleckradius1 in Abhängigkeit von d in Form einer Tabelle oder einer graphischen Darstellung erfasst sein, die experimentell oder rechnerisch ermittelt worden sind. Dadurch wird die Justierung erheblich vereinfacht.
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Wie oben ausgeführt worden ist, besteht neben der Verschiebung der Laserlichtquelle 1 die Möglichkeit, den Einfallswinkel der auf die Linse 6 auftreffenden Strahlenbündel 4 bzw. 5 zu verändern. Diese Aenderung soll vorzugsweise symmetrisch erfolgen. Es ist vorteilhaft, hierzu einen besonders ausgebildeten Strahlenteiler, z.B. ein Koestersches Prisma zu verwenden. Derartige Prismen sind beispielsweise aus dem "ABC der Optik", Verlag Werner Dausien, Hanau, Main, bekannt. In Fig. 4 ist ein Beleuchtungssystem für optische Anemometer für Durchgangsmessungen unter Verwendung eines Koesterschen Prismas 2 beispielsweise dargestellt. Durch Aenderung des Einfallswinkel t< lassen sich symmetrisch zur Symmetrieachse des Prismas, die mit der optischen Achse der Linse 6 zusammenfällt die Einfallswinkel θ verändern.
Der optimale Einfallswinkel θ kann gernäss-nachstehender Beziehung ermittelt werden.
yo (P'2 - y2 o - fM)
tan θ =
In dieser Beziehung bedeutet y die Höhe der einfallenden Strahlenbündel 4 bzw. 5 über der optischen Achse der Linse 6, f die Brennweite der Linse 6, f„ die für die Strahlenbündel 4 bzw. 5 wirksame Brennweite. V ist der Beziehung (I) zu entnehmen, wenn dort t = t1 gesetzt wird.
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Zur experimentellen Bestimmung des optimalen Winkels θ wird auf ähnliche Weise wie bei der oben aufgeführten Verschiebungsmethode vorgegangen. Unter Zuhilfenahme eines verschieblichen Referenzströmung wird der Winkel solange verändert, bis sich beim Verschieben der Referenzströ· mung in Richtung der optischen Achse der Linse 6 keine Frequenzänderung des Dopplersignals mehr ergibt.
Selbstverständlich lassen sich Verschiebung der Laserlichtquelle 1 relativ zur Linse 6 bzw. deren virtuelle Verschiebung (Fig. 3) und die genannte Winkeländerung miteinander kombinieren.
In der graphischen Darstellung der Fig. 5 ist die Abhängigkeit zwischen dem Quotienten aus Abstand ζ und wirksamer Brennweite f» und relativem Messfehler Av/v aufgetragen. Dieser relative Messfehler entspricht einer Abweichung des Messobjektes in Richtung der optischen Achse de*· Linse 6 um die Ausdehnung des Messvolumens in dieser*Richtung. Streuende Teilchen, welche sich durch die Randzone des Messvolumens bewegen, liefern ein um diesen Fehler verschiedenes Doppiersignal als solche, welche sich durch das Zentrum des Messvolumens bewegen. Dem Diagramm liegt eine Messung bei einem Beleuchtungssystem zugrunde, bei dem eine dünne Linse mit f = 284.^6 = f„ = 285/^rwendet wurde, y betrug 20 mm.
O / M / "O
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Der Winkel θ betrug in diesem Fall 0°. Das Diagramm verdeutlicht weiterhin die Auswirkung einer Winkeländerung, wenn der Qotient ζ /fM vom Wert 1 abweicht. So liess sich ein Fehler Δν/r von 0,4 %, der bei ζ /f., auftrat durch eine Aenderung der Einfallsrichtung um θ = 1,3° vollständig eliminieren.
Das erfindungsgemässcVerfahren beschränkt sich selbstverständlich nicht auf Beleuchtungssy.steme gemäss Fig. 1. So ist in Fig. 2 ein Beleuchtungssystem für Rückwärtsmessung beispielsweise dargestellt, bei dem sich analog zum System gemäss Fig. 1 der systematische Messfehler durch das erfindungsgemässe Verfahren eliminieren lässt.
Dieses System besteht aus einer Laserlichtquelle 1, einem Strahlteiler Z>, der ebenfalls ein Koestersches Prisma sein kann, einer ersten Linse 6, welche die Fokussierung der beiden den Strahlteiler J5 verlassenden Strahlenbündel 4 bzw. 5 auf das Messvolumen 7 bewirkt. Das rückgestreute Licht gelangt nach Durchtritt durch die Linse 6 auf eine weitere Linse 17, wird mittels einer Blende 18 ausgeblendet und fällt in den Lichtdetektor 11. Eine derartige Anordnung wird häufig mit Interferenz- oder Fringe-System bezeichnet. Sie eignet sich besonders zur Messung der Geschwindigkeit von undurchsichtigen Objekten.
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Analog zu den Massnahmen bei einem Beleuchtungssystem für Durchgangsmessungen lässt sich bei einem solchen System der Messfehler durch reelle oder virtuelle Aenderung des Abstandes zwischen Laserlichtquelle und Linse 6 und/oder durch Aenderung des genannten Einfallswinkels θ eliminieren. Es ist weiterhin selbstverständlich, dass die erfindungsgemässen Massnahmen auch bei anderen, vergleichbaren Beleuchtungssystemen für optische Anemometer, insbesondere die in der
genannten Zeitschrift "Laser " Nr.3, S.16, Abb. 1 bis 3,
1971, beschriebenen Anordnungen, mit Vorteil zur Messfehlereliminierung angewandt werden gönnen.
Bei optischen Anemometern mit Beleuchtungssystemen, bei denen keine, eine Fokussierung auf das Messvolumen bewirkende Linse oder Spiegel vorgesehen ist (z.B. in Abb. 3 auf S. l6 der zitierten Literaturstelle), kann selbstverständlich der Messfehler durch das erfindungsgemäss ZurDeckungbringen des Ortes minimalen Fleckradius mit dem Messvolumen ebenfalls mit Vorteil durch Aenderung des Abstandes zwischen Laserlichtquelle und (in diesem Fall) dem Messvolumen eliminiert werden. In dem Fall des genannten Beleuchtungssystems sind zwischen Laserlichtquelle und Strahlenteiler (dort ein halbdurchlässiger Spiegel) zwei Linsen gemäss Fig. 3 vorzusehen. Durch Aenderung von dQ kann dann der virtuelle Abstand wie beschrieben verändert werden.
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Claims (1)

  1. - 13 - 6/72
    Patentansprüche
    1. Verfahren zur Eliminierung eines systematischen Messfehlers bei optischen Anemometern, bei denen ein Messvolumen von mindestens einem von einer Laserlichtquelle erzeugtenLichtbündel beleuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ort minimalen Fleckradius (w ) des das Messvolumen (7) beleuchtenden Laserlichtes annähernd mit dem Zentrum des Messvolumens (7) zur Deckung gebracht wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein auf das Messvolumen (7) auftreffendes Lichtbündel fokussiert wird.
    3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Laserlichtquelle (l) von der die Fokussierung bewirkenden Linse (6) verändert wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der reelle Abstand der Laserlichtquelle (1) von der Linse (6) verändert wird.
    5· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
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    - JA - β/72
    der virtuelle Abstand der Laserlichtquelle (l) vom Messvolumen (7) geändert wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus mindestens zwei Linsen (15,16) bestehende Anordnung zur virtuellen Abstandsänderung verwendet wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus mindestens einer konvexen Linse (16) und einer konkaven Linse (15) bestehende Anordnung verwendet wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, dass
    der virtuelle Abstand der Laserlichtquelle (l) von der Linse (6) verändert wird.
    9· Verfahren nach Anspruch 2 bis 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (z ) des Ortes (13,11O minimalen Fleckradius1 (w ) der auf die Linse (6) auftreffenden
    Lichtbündel (4,5) von dieser Linse annähernd gleich der für diese Lichtbündel wirksamen Brennweite (fM) dieser Linse (6) gewählt wird.
    10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel (θ) des auf die die Fokussierung bewirkenden Linse (o) auftreffenden Laserlichtes geändert wird.
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    - 15 - 6/72
    11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aenderung des Einfallswinkel (o) ein Koestersches Prisma (3) verwendet wird.
    12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aenderung des Einfallswinkels (©) symmetrisch zur optischen Achse der Linse (6), v/eiche die Fokussierung auf das Messvolumen (7) bewirkt, erfolgt.
    15. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Massnahmen:
    Reelle und/oder virtuelle Aenderung des Abstandes zwischen Laserlichtquelle (l) und einer die Fokussierung auf das Messvolumen (7) bewirkenden Linse (6),
    Aenderung des Einfallswinkels (e) der auf die genannte Linse (6) auftreffenden Lichtbündel (4,5).
    Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
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