DE2643616B2

DE2643616B2 - Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät

Info

Publication number: DE2643616B2
Application number: DE2643616A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.Rer.Nat. 8000 Muenchen Hartmann; Wolfgang 8021 Taufkirchen Siersch
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1976-09-28
Filing date: 1976-09-28
Publication date: 1978-09-28
Also published as: JPS5342872A; GB1572068A; US4201467A; FR2365802A1; DE2643616A1; DE2643616C3

Description

mittels der die beiden Lichtbünder auf je einen Photoempfänger konzentriert werden. Die Abbildungsvorrichtung weist vorzugsweise eine beiden Lichtbändern gemeinsame Linse auf, deren Brennpunkt in der Ebene der Photoempfänger liegt, wobei Maßnahmen zur Strahltrennung vorgesehen sind, um die beiden unterschiedlichen Strahlen auf die verschiedenen Photoempfänger zu richten. Die Maßnahmen zur Strahltrennung bestehen bevorzugt in der Anordnung wenigstens eines optischen Keiles in einem der beiden Strahlen zwischen Linse und Photoempfänger. Vorteilhafterweise ist ein zur optischen Achse symmetrisch angeordneter Doppelkeil vorgesehen, dessen Dachk;ante sich senkrecht zur optischen Achse und parallel zur Ebene der Lichtbänder erstreckt. Grundsätzlich sind auch andere Methoden der Strahltrennung möglich. Beispielsweise könnten für jedes Lichlband einzelne Zylinderlinsen analog den am Eintritt vorgesehenen Linsen vorgesehen sein.

Die beiden Photoempfänger sind zweckmäßig zu beiden Seiten der optischen Achse in der gleichen Ebene und unmittelbar benachbart angeordnet, so daß sich etwaige Umwelteinflüsse auf beide Photoempfänger gleichermaßen auswirken und somit nicht zu Störungen führen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Geschwindigkeitsmeßgerätes zur Messung der Geschwindigkeit von Rauchgasen in einem Kamin,

F i g. 1 a eine perspektivische Ansicht der Lichtbänder in der Meßstrecke,

F i g. 2 eine Ansicht nach Linie H-Il in Fig. 1,

F i g. 3 eine Ansicht nach Linie III-III in Fig. 1 und

Fig.4 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Gasgeschwindigkeitsmeßgerätes.

Nach Fig. 1 schickt ein Laser 18 einen feinen Lichtstrahl 47 über einen planen Umlenkspiegel 48 auf ein Kösterprisma 17, welches den auftreffenden Lichtstrahl in zwei parallel zueinander verlaufende, einen deutlichen Abstand voneinander aufweisende Teilstrahlen 19, 20 aufteilt. Nach den F i g. 1 und 2 durchlaufen die Lichtstrahlen 19, 20 ein Zylinderlinsensystem, welches aus einer ersten, relativ stark brechenden Zylinderlinse 21 und einer weiteren Zylinderlinse 22 mit größerer Brennweite und größerer Abmessung besteht. Die Zylinderlinsen 21,22 bilden ein afokales System, so daß der zunächst sehr feine Lichtstrahl 19 bzw. 20 gemäß Fig.2 zu einem im wesentlichen parallelen dünnen Lichtband 11 bzw. 12 aufgeweitet wird. Die beiden Lichtbänder 11, 12 treten durch eine seitliche öffnung 45 in einen Kamin 49 ein. Sie durchqueren die eigentliche Meßstrecke 23, durch welche von unten nach oben Absorptions- und Streuverluste hervorrufende Gas- und Rauchteilchen 13 mit einer mittleren Geschwindigkeit ^aufsteigen.

Auf der gegenüberliegenden Seite des Kamins 49 treten die Lichtbänder 11, 12 durch eine Öffnung 46 wieder aus dem Kamin 49 aus.

Um den Einfluß der Randzonen zu eliminieren, erstrecken sich von der Wand des Kamins 49 tunnelförmige Ansätze 50 nach innen bis zur eigentlichen Meßstrecke 23.

Die aus dem Kamin 49 austretenden Lichtbänder 11, 12 werden durch eine Abbildungsvorrichtung 24 auf je einen zugeordneten Photoempfänger 14 bzw. 15 konzentriert. Die Lichtablenkvorrichtung 24 besteht aus

einer Normallinse 26, deren Brennpunkt in der Ebene der Photoempfänger 14, 15 liegt. Ein auf der optischen Achse 27 angeordneter Doppelkeil 25 mit einer Dachkante 28 knickt die beiden konvergierenden Lichtbänder in der dargestellten Weise derart ab, daß das Lichtband 11 ausschließlich auf dem Photoempfänger 14 und das Lichtband 12 ausschließlich auf dem Photoempfänger 15 konzentriert wird.

Aus Fig.3 ist die Wirkung der Lin^e 26 und des üoppelkeils 25 in der Ansicht III-III in F i g. 1 ersichtlich.

Die beiden Photoempfänger 14, 15 sind an einen Korrelator 16 angeschlossen, welcher die Laufzeitdifferenz der beiden von den Photoempfängern 14, 15 aufgenommenen Signale untersucht. Wenn der Abstand der beiden Lichtbänder 11,12 innerhalb der Meßstrecke 23 mit a (Fig. la) bezeichnet wird und τ die Laufzeitdifferenz ist, stellt sich die Geschwindigkeit des Rauchgasstromes integriert über den Kaminquerschnitt bzw. den Querschnitt der Meßstrecke wie folgt dar:

v=^a. H)

Eini bevorzugtes Blockschaltbild eines für die Erfindung geeigneten Korrelators 16 ist in F i g. 4 im einzelnen dargestellt. Die Ausgangssignale der beiden Photozellen 14, 15 sind bis auf die Laufzeitdifferenz τ einander weitgehend ähnlich. Die Ausgangssignale lassen sich in zwei Anteile wie folgt trennen:

Λ', (f) = U₁ U) + η U), (2)

.V₂(O = UzU) + it U). (3|

Die Größe η (t) entspricht dabei der Grundtransmission des Gasstromes, während die Anteile lh (t) und Ui (t) die Konzentrationsschwankungen der durchziehenden Teilchenwolken beschreiben. Die Signalanteile Ui (t) und η (ι) unterscheiden sich erheblich in ihrem Zeitverhalten. Gegenüber U(t) kann der Grundpegel η ^praktisch als Gleichanteil betrachtet werden. Durch Einschaltung von Hochpässen 29, 30 in der aus F i g. 4 ersichtlichen Weise wird der Grundpegel n(t) abgetrennt, und die anschließende Korrelationsanalyse bezieht sich nur auf den Wechselanteil U₁ (t).

Nach F i g. 4 werden die Signale U\ (t) und U₂ (t) an Breitbandverstärker 32 bzw. 31 angelegt. Sie werden dort breitbandig vorverstärkt und in einem anschließenden Regelverstärker 33 bzw. 34 auf auswertbare Amplituden normiert.

Die Kreuzkorrelation kann in einfacher Weise als sogenannte Polaritäts-Korrelation mit Digitalimpulsen durchgeführt werden. Dazu werden die Analog-Signale zunächst in je einer Impulsformungsstufe 33 bzw. 36 auf 1 bit quantisiert. Das zeitlich vorlaufende Signal, welches von dem Photoempfänger 15 abgeleitet ist, wird anschließend in einem Schieberegister 37 verzögert. Die Taktfrequenz fund die Anzahl der Stufen N des Schieberegisters 37 sind auf die erwarteten Gasgeschwindigkeiten und damit die notwendigen Verzögerungszeiten abgestimmt. In den Stufen 35/36 wird also aus dem Analogsignal U,(t) ein Digitalsignal Ui'(t). Bei 1-bit-Quantisierung sind für das Digitalsignal Ui'(t) nur noch zwei Zustände möglich, die als 0 und 1 (oder + und —) bezeichnet werden können.

Aus dem Schieberegister 37 tritt also ein zeitlich verzögertes Signal Ui'(t— τ) aus. Dieses Signal und das unverzögerte Signal lh'(t) werden an die beiden Eingänge einer Logikschaltung 39 angelegt, die im

wesentlichen aus einem Exklusiv-ODER-Gatter 40 besteht. Das Gatter 40 untersucht den Zustand von zwei Digital-Signalen auf Gleichheit und gibt ein entsprechendes Ausgangssignal ab. Das Ausgangssignal hat dann ein Maximum, wenn die Verzögerung im Schieberegister gerade dem Laufzeitunlerschied zwischen beiden Signalen entspricht. Die Logikschaltung 39 enthält außerdem einen Maximumregler 41, der die Ausgangssignale des Exklusiv-ODER-Gatters 40 aufnimmt und einen Spannungs-Frequenzwandler 42 ansteuert. Dessen Ausgang ist dem Steuereingang 38 des Schieberegisters 37 zugeführt, wodurch ein Regelkreis geschlossen ist und die Verzögerungszeit des Schieberegisters 37 automatisch auf die vorliegende Laufzeitdifferenz eingestellt wird.

Die Geschwindigkeit kann nun wie folgt ermittelt werden:

Vcr/ügcniiiiis/L'it:

LaufzcildiiTcrcnz:

(4)

Im eingeregelten Zustand ist damit die Taktfrequenz , des Schieberegisters 37 ein direktes Maß für die vorliegende Rauchgasgeschwindigkeit ν gemäß folgen der Beziehung:

/■= r. (61

Bei einer Auslegung des Schieberegisters 37 mi vorzugsweise 480 Plätzen und einem Taktfrequenzbe reich von 360 Hz bis 360 kHz kann der für Rauchgas messungen interessante Geschwindigkeitsbereich vor 3 cm/sec bis 30 m/sec abgedeckt werden, wenn dei Abstand der Lichtbänder 11,12 40 mm beträgt.

Die Meßwertanzeige kann sowohl analog über dit Ausgangsspannung LJ des Maximumreglers an einen Meßinstrument 43 als auch digital über einen einfacher Frequenzzähler 44 am Ausgang des spannungsgesteuer ten Frequenzgenerators 42 erfolgen.

Hierzu 2 HIaIl Zcichnuncen

Claims

Patentansprüche:

1. Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät, bei dem sich entlang zweier Ebenen, welche nacheinander ^r, von dem zu messenden Medium durchströmt werden, jeweils ein Lichtstrahl erstreckt, der auf einen Photoempfänger gelenkt ist und bei dem die Ausgangssignale der beiden Photoempfänger einem Korrelator zugeführt sind, der die Laufzeitdifferenz ι ο der beiden Ausgangssignale ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl die Form eines in der Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung liegenden und in Strömungsrichtung dünnen Lichtbandes (11,12) besitzt. 1)

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtzerlegungsvorrichtung (17) das von einer Lichtquelle, insbesondere einem Laser (18), kommende Licht in zwei Teilstrahlen (19, 20) zerlegt.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtzerlegungsvorrichtung ein Kösterprisma(17)ist.

4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit ihren Achsen optisch parallel zur Gasstromrichtung liegende Zylinderlinsen (21, 22) in jedem der beiden Teilstrahlen (19, 20) angeordnet sind und diese zu flachen, übereinanderliegenden Lichtbändern (11,12) auseinanderziehen.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Strahlengang zwei Zylinderlinsen (21, 22) liegen, welche zusammen ein afokales System bilden.

6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an r> die Meßstrecke (23) eine optische Abbildungsvorrichtung (24) vorgesehen ist, mittels der die beiden Lichtbänder (11, 12) auf je einen Photoempfänger (14,15) konzentriert werden.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsvorrichtung (24) eine beiden Lichtbändern (U, 12) gemeinsame Linse (26) aufweist, deren Brennpunkt in der Ebene der Photoempfänger (14,15) liegt, und daß Maßnahmen zur Strahltrennung vorgesehen sind.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahmen zur Strahltrennung in der Anordnung wenigstens eines optischen Keiles (25) in einem der Strahlen zwischen der Linse (26) und den Photoempfängern (14,15) besteht.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur optischen Achse (27) symmetrisch angeordneter Doppelkeil (25) vorgesehen ist, dessen Dachkante (28) sich senkrecht zur optischen Achse (27) und parallel zur Ebene der Lichtbänder (11, 12) erstreckt.

10. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Photoempfänger (14, 15) symmetrisch zu beiden Seiten der optischen Achse (27) in der gleichen Ebene angeordnet sind.

11. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung in einem Kamin (49) von beiden Durchlaßöffnungen (45, 46) her tunnelartige Ansätze (50) in das Innere hineinragen.

Die Erfindung betrifft ein Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät, bei dem sich entlang zweier Ebenen, welche nacheinander von dem zu messender. Medium durchströmt werden, jeweils ein Lichtstrahl erstreckt, der auf einen Photoempfänger gelenkt ist und bei dem die Ausgangssignale der beiden Photoempfänger einem Korrelator zugeführt sind, der die Laufzeitdiffereuz der beiden Ausgangssignale ermittelt.

Ein derartiges Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät ist bereits bekannt (Opto-Electronics 4 (1972), Seiten 451—462). Bei diesem bekannten Gerät muß der zu messende Geschwindigkeitsvektor exakt von einem Lichtstrahl zum anderen weisen, da es nur dann zur Korrelation durch die in der Strömung mitgeführten Teilchen kommt. In der Praxis ist der Fall zeitkonstanter, laminarer Strömungen jedoch außerordentlich selten, so daß mit einem Gerät der bekannten Anordnung stets nur ein Ausschnitt aus dem Strömungsgeschehen erfaßt werden kann, was zu einem niedrigen Korrelatipnsgrad und damit zu langen Korrelationszeiten führt. Ändert der Geschwindigkeitsvektor im Laufe der Zeit nicht nur seine Richtung, sondern auch seinen Betrag, was der praktischen Situation entspricht, so wird eine Auswertung mit dieser bekannten Anordnung vielfach unmöglich.

Demgegenüber besteht das Ziel der vorliegenden Erfindung darin, ein Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem die Geschwindigkeitsmessung auch bei Schwankungen der Geschwindigkeitsrichtung und kurzzeitigen Änderungen des Geschwindigkeitsbetrages möglich ist und zudem integral über den gesamten Strömungsquerschnitt erfolgt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der Lichtstrahl die Form eines in der Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung liegenden und in Strömungsrichtung dünnen Lichtbandes besitzt. Aufgrund dieser Ausbildung werden sämtliche durch die dünnen Lichtbänder hindurch verlaufenden Teilchen des strömenden Mediums für die Modulation der beiden Transmissionssignale herangezogen.

Bevorzugt zerlegt eine Lichtzerlegungsvorrichtung das von einer Lichtquelle, insbesondere einem Laser, kommende Licht in zwei Teilstrahlen, was an sich bekannt ist (The Review of Scientific Instruments, Volume 41, No. 6, Juni 1970, Seite 843). Um eine hohe Meßgenauigkeit zu erzielen, ist es wichtig, daß ein sehr dünner Meßstrahl verwendet wird. Die Lichtzerlegungsvorrichtung ist zweckmäßigerweise ein Kösterprisma.

Eine besonders vorteilhafte praktische Ausführungsform ist so ausgebildet, daß mit ihren Achsen optisch parallel zur Gasstromrichtung liegende Zylinderlinsen in jedem der beiden Teilstrahlen angeordnet sind und diese zu flachen, übereinanderliegenden Lichtbändern auseinanderziehen. Auf diese Weise wird einerseits die erforderliche hohe Meßgenauigkeit erzielt, während andererseits eine Integration über den Gasstrom- bzw. Kaminquerschnitt stattfindet. Um beim Vorliegen von Geschwindigkeitsprofilen der Teilchen den Einfluß der Randzone zu eleminieren, können die Flansche in den Kamin hinein bis zur Durchstoßung der Randzone verlängert werden.

Bevorzugt liegen in jedem Strahlengang zwei Zylinderlinsen, welche zusammen ein afokales System bilden.

Im Anschluß an die Meßstrecke ist zweckmäßigerweise eine optische Abbildungsvorrichtung vorgesehen,