DE2430664A1

DE2430664A1 - Laser-doppler-anemometer

Info

Publication number: DE2430664A1
Application number: DE2430664A
Authority: DE
Inventors: John Fitzgerald; Walter Dr Ing Puschert; Arno Dipl Ing Wiericks
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1974-06-26
Filing date: 1974-06-26
Publication date: 1976-01-22

Description

"Laser-Doppler-Anemometer" Die Erfindung bezieht sich auf ein Laser-Doppler-Anemometer, wobei ein von einer kohärenten Lichtquelle, bevorzugt einem Laser, erzeugter Lichtstrahl über ein optisches System einem zu untersuchenden Medium zugeführt wird.
Derartige Anordnungen sind in verschiedenen Ausführungen bekannt, deren eine anhand der Fig. 1 beschrieben wird. Eine Laser-Quelle 1, z. B vom He-Ne-Typ, erzeugt einen Laser-Strahl F, der über einen Strahlenteiler 2 und eine Linse 3 in das zu untersuchende Medium 4 gelangt. Das austretende Streulicht gelangt über eine Optik 5 auf einen Fotovervielfacher 6. Die Arbeitsweise einer solchen Vorrichtung ist die folgende. In dem Medium, also einer Flüssigkeit oder einem Gas, befindliche Partikel haben die gleiche Eigengeschwindigkeit wie das sie umgebende Medium. An diesen Partikeln wird der Laser-Strahl gestreut. Dieses Streulicht enthält zugleich auch die Geschwindigkeitsinformation, nämlich eine Frequenzverschiebung (Doppler-Effekt), die der Geschwindigkeit des Mediums proportional ist. Diese Frequenzverschiebung läßt sich in bekannter Weise messen und aus ihr wiederum die Stromungsgeschwindigkeit des Mediums ermitteln.
Diese bekannten Anordnungen benötigen eine komplizierte und kostspielige Meßelektronik.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Laser-Doppler-Anemometer der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß es mit einer einfachen und daher auch billigen Meßelektronik verwendbar ist. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß zwei Laser-Strahlen unterschiedlicher Frequenzen vorgesehen sind, die über die Optik in dem zu untersuchenden Medium überlagert werden, und daß Mittel zur Variation der Frequenzdifferenz und Mittel zur Erkennung der Frequenzdifferenz vorgesehen sind.
Anhand der Fig. 2 wird die Erfindung näher beschrieben.
Zwei Laser-Strahlen F11 und F1, werden mittels einer Optik 3 in dem zu untersuchenden Medium 4 überlagert. Dieses bewegt sich beispielsweise mit einer Geschwindigkeit vxt in Pfeilrichtung.
Bringt man nämlich die zwei Laser-Strahlen mit den Frequenzen f11 und - zur Interferenz, so werden die Maxima und inima des entstehenden Interferenzbildes mit einer Geschwindigkeit Vi, wobei durch einen Aufpunkt im Interferenzfeld hindurchwandern.
Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit und f1f111 die Frequenzdifferenz f1'-f111 . Die Richtung der Geschwindigkeit vi ist bei Verwendung eines He-He-Lasers, einer typischen Frequenzdifferenz £1s1n von 300 NHz und einem Winkel cc von 20 Grad nur um den vernachlässigbaren Winkel von 5 . 10-5 Grad von der x-Richtung verschieden.
Die durch Streuteilchen im zu untersuchenden Medium erzeugte Dopplerfrequenz überlagert sich der Lichtfrequenz, so daß die z. B. mit Hilfe eines Fotovervielfachers detektierbare Differenzfrequenz dann sein wird.
Wird nun die Frequenzdifferenz #f1'1" derart gewählt, daß bzw.
ist, so ist die Differenzfrequenz fD s Zweckmäßigerweise wird man #v derart wählen, daß diese Differenzfrequenz fD" mit möglichst einfachen Mitteln gemessen werden kann. Ein Spezialfall kann dabei auch sein, daß = = O gewählt wird, so daß die Differenzfrequenz fD" gleich Null ist.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß auch Messungen im Überschallbereich möglich sind.
Zur Erzeugung der erforderlichen variablen Differenzfrequenz #f1'1" der Laser-Strahlen sind bekannte -Verfahren, wie z.B.
Beugung des Lichtes an fortlaufenden Schallwellen (Bragg-Reflexion) oder Anwendung des Zeeman- oder Stark-Effektes geeignet. Es sei hier bemerkt, daß anstelle der Laser-Strahlen auch andere monochromatische Lichtstrahlen, wie z. B. von Quecksilberdampf-Lampen, verwendbar sind.
Ein mögliches einfaches Meßverfahren wird im folgenden anhand der Fig. 3 beschrieben.
Ein aus einem Detektor 6 stammendes Signal S (Impulse der Frequenz fD,) wird zunächst durch eine frequenzunabhängige Begrenzerschaltung 7 geleitet, um Amplitudenschwankungen für die weitere Verarbeitung auszuschließen. Es folgt ein Filter 8 (oder ein Diskriminator), welches auf eine bestimmte Frequenz f0 abgestimmt ist. Die Bandbreite des Filters ist einstellbar, die Impulse werden nach Durchlaufen des Filters in einem Demodulator 9 demoduliert und einem Spitzen-Detektor 10 zugeführt. ist die Frequenz fD, des Signals S gleich der Mittenfrequenz des Filters fO so ergibt sich am Ausgang des Demodulators 9 ein impulsförmiges Gleichspannungssignal mit einer Pulsdauer von z. B s Us (abhängig von der geometrischen Anordnung).
Der Spitzen-Detektor 10 formt aus dieser Impulsspannung eine Gleichspannung, die dem Spitzenwert der demodulierten Spannung entspricht. Die Decay-rate des Spitzen-Detektors ist einstellbar. Mit Hilfe einer Anzeigeeinheit ii kann diese Spannung angezeigt werden. Zur Erzeugung der notwendigen Frequenzdifferenz f11111 wird im folgenden der Zeeman-Effekt benutzt (Frequenzaufspaltung mit Hilfe eines magnetischen Feldes).
Einem Stromgenerator 12 ist ein einstellbarer Strom I entnehmbar, mit dessen Hilfe ein magnetisches Feld erzeugt wird.
Die hierdurch hervorgerufene Frequenzaufspaltung bewirkt, daß die Geschwindigkeit vi und damit die Frequenz fD" variiert wird.
Zur Ermittlung der unbekannten Geschwindigkeit Vxt wird der Strom I solange variiert, bis eine Anzeige an einer Anzeigeeinheit 11 zu sehen ist. Durch Verkleinern der Bandbreite des Filters 8 kann nun die Einstellung des Stromes genauer erfolgen. Bei maximaler Anzeige gilt dann: fD" = fO. Für diesen Fall gilt der Zusammenhang zwischen erkannter Frequenz fDll = fo , dem gemessenen Strom I und der unbekannten Geschwindigkeit vxt : Die Konstanten k1 und k2 sind Apparatekonstanten. Die Zweideutigkeit, die dadurch entsteht, daß die Geschwindigkeitsdifferenz bzw. Frequenzdifferenz nur betragsmäßig erfaßt werden kann, wird umgangen, wenn die Stromeinstellung derart erfolgt, daß bei der Abstimmung der Strom stetig verkleinert wird; dann gilt folgende Beziehung: f0 = k1 .1 - k2 Aus dieser Gleichung kann vXt errechnet werden. Im Spezialfall kann f0 auch gleich Null gewählt werden. Diese geschilderte Messung von "Hand" kann auch durch eine Suchlaufautomatik ersetzt werden, dergestalt, daß der Stromgenerator 12, gesteuert von einer Suchlaufautomatik 13, den Strom I, ausgehend vom Maximalwert, stetig verkleinert. Die Suchautomatik stoppt die Stromveränderung dann, wenn der Spitzen-Detektor ein Signal an die Suchlaufautomatik abgibt, d. h. dann, wenn = = fO geworden ist.
Patentansprüche:

Claims

Patentansprüche: o Laser-Doppler-Anemometer, wobei ein von einer Laser-Quelle erzeugter Laser-Strahl über ein optisches System einem zu untersuchenden Medium zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Laser-Strahlen (F11 , F1") unterschiedlicher Frequenzen vorgesehen sind, die über die Optik (3) in dem zu untersuchenden Medium (4) überlagert werden, und daß Mittel zur Variation der Frequenzdifferenz und Mittel zur Erkennung der Frequenzdifferenz vorgesehen sind.
2. Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser He-Ne-Laser sind.
3. Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser durch Hg-Dampflampen ersetzt sind.
4. Anemometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzaufspaltung mittels des Zeeman-Effektes oder Stark-Effektes erfolgt.
5. Anemometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Frequenzdifferenz ein elektrisches Filter oder ein Diskriminator, ein Demodulator und ein Spitzen-Detektor vorgesehen sind
6. Anemometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des variablen magnetischen Feldes (bei Stark-Effekt: des elektrischen Feldes) ein einstellbarer Stromgenerator (12) (bei Stark-Effekt: Spannungsgenerator) vorgesehen ist.
7. Anemometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Stromgenerators (Spannungsgenerators) eine Suchlaufautomatik (13) vorgesehen ist.

L e e r s e i t e