DE2712255A1

DE2712255A1 - Verfahren und einrichtung zur bestimmung der stroemungsgeschwindigkeit in einem stroemenden medium nach betrag und richtung

Info

Publication number: DE2712255A1
Application number: DE19772712255
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl Phys Dr Keller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-03-21
Filing date: 1977-03-21
Publication date: 1978-09-28
Also published as: US4206999A

Description

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Herr Dr. Andreas Keller, 81 Garmisoh-Partenkirchen Dr. Wiggerstr. 1

Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung dor Strömungsgeschwindigkeit in einem strömenden Medium nach Betrag und Richtung

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Die Erfindung befaßt sich mit einem neuartigen Verfahren und einer zugehörigen Einrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines strömenden Mediums nach Größe und Richtung.

Die Kenntnis des Strömungsverhaltens eines strömenden Mediums, insbesondere in der Nähe von umströmten Körpern, spielt in einer Vielzahl technischer und physikalischer Zusammenhänge eine wesentliche Rolle. Gleichwohl ist es bis heute nicht gelungen, ein einfaches Verfahren und eine einfache Einrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit strömender Medien zu schaffen, die es gestatten, die örtliche Strömungsgeschwindigkeit nach Größe und Richtung an einer bestimmten Steile im strömenden Medium rasch und einfach zu messen, um auf diese Weise durch mehrere Messungen gleicher Art das Geschwindigkeitsfeld des strömenden Mediums zu ermitteln. Es ist zwar bekannt, durch Staudruckrohre, die sich in verschiedene Richtungen drehen lassen, den Geschwindigkeitsvektor eines strömenden Mediums zu erfassen. Um aber den Geschwindigkeitsvektor im Raum messen zu können, müssen drei Komponenten des Geschwindigkeitsvektors bestimmt werden, wozu entsprechend viele Freiheitsgrade der Staurohr-Meßeinrichtung oder entsprechend viele Staurohre in den Komponentenrichtungen vorgesehen sein müssen. Für die Praxis ist das aber in den meisten Fällen zu aufwendig und in manchen Fällen überhaupt nicht durchführbar. Hinzu kommt, daß die in die Strömung eintauchenden Staurohre die Strömung selbst verfälschen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Verfahren und eine dazu gehörige Einrichtung zur Bestimmung

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der Strömungsgeschwindigkeit nach Größe und Richtung vorzuschlagen, die es erlauben, den Geschnindigkeitsvektor des strömenden Mediums an einer bestimmten Stelle ohne Störung der Strömung und in zwei oder sogar nur einem Meßschritt zu bestimmen.

Das Verfahren, mit dem erfindungsgeuiäß diese Aufgabe gelöst wird, sieht folgende Schritte vor:

a) Durchstrahlung des strömenden Mediums in einer ersten Richtung mit einem Laserstrahl von bestimmtem Querschnitt, der eine maximale Hauptabmessung aufweist;

b) Beobachtung einer bestimmten Stelle (MeÜvolumen) im Längsverlauf des Laserstrahles unter einer in einem bestimmten Winkel zur ersten Richtung gelegenen zweiten Richtung;

c) Messung der Impulsdauer von Streulichtimpulsen, die von das Meßvolumen durchsetzenden, im strömenden Medium enthaltenen Partikeln bestimmter Größe in der zweiten Richtung abgegeben werden, und

d) Drehen des Laserstrahlquerschnitts um die durch die erste Richtung bestimmte Drehachse solange, bis Streulichtimpulse maximaler Impulsdauer beobachtbar sind.

Die Erfindung nutzt zunächst die Erkenntnis aus, daß in jedem strömenden Medium Partikel, Keime, Gasbläschen, Schwebstoff teilchen od.dgl. enthalten sind, deren Größe im Bereich von wenigen /U liegen. Größe und Richtung der Bewegung dieser

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Teilchen stimmen mit der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums vollkommen überein. Teilchen, die das beobachtete Meüvoluraen durchsetzen, geben einen Streulichtimpuls ab, dessen Dauer von der Länge des im Meüvolumen durchmessenen Weges und der Geschwindigkeit des Teilchens abhängt. Die Beobachtung des Meßvolumens erfolgt mittels einer Empfangsoptik, wobei sich das Meßvolumen als Schnittfigur des Laserstrahls mit dem Strahlengang der Empfangsoptik darstellt. Die Größe des Meßvolumens ist daher bekannt. Durch die Wahl eines speziellen Laserstrahlquerschnittes, der nicht kreissymmetrisch sein darf, sondern eine maximale Hauptabmessung aufweist, ergeben sich unterschiedlich lange Verweilzeiten von Teilchen im Meßvolumen, je nach dem in welcher Richtung das Meßvolumen durchströmt wird. Dreht man den Laserquerschnitt so, daß die Durchströmungsrichtung parallel zur Richtung der maximalen Hauptabmessung verläuft, so erhält man eine maximale Verweilzeit der Teilchen im Meßvolumen und folglich ein Maximum der Impulsdauer der beobachteten Streulichtimpulse« Die Impulsbreite ist ein Maß für den Betrag der Strömungsgeschwindigkeit, die sich aus der Größe des bekannten Meßvolumens ermitteln läßt; die Richtung der Strömung ist aus der Lage der maximalen Hauptabmessung des Laserstrahlquerschnitts relativ zu einer vorher festgelegten Nullage zu erkennen.

Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens erhält man in einem einzigen MeUschritt bereits eine Aussage über Größe und Richtung der Strömung in der durch den Laserstrahl und die Strümungsrichtung gebildeten Ebene. Um nun die räumliche Lage des Geschwindigkeitsvektors zu ermitteln, kann so vorgegangen werden, daß nach der Beobachtung und Messung von Streu-

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1ichtimpulsen maximaler Impulsdauer die dubei eingehaltene Drehlage des Laserstrahlquerschnitts registriert wird, die Laserstrahlrichtung (erste Richtung) und die Beobachtungsrichtung (zweite Richtung) miteinander vertauscht werden und die Schritte b bis d des vorstehend genannten Verfahrens mit vertauschten ersten und zweiten Richtungen ausgeführt werden. Auf diese Weise erhält man erneut eine Aussage über die Strömungsrichtung und -geschwindigkeit in einer durch die ,Strömungsrichtung und den Laserstrahl gebildeten Ebene, so daß sich der Geschwindigkeitsvektor am Ort des Meßvolumens durch die Schnittlinie der beiden Ebenen bestimmen läßt·

Es ist jedoch in einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäüen Verfahrens möglich, in praktisch einem MelJschritt den Geschwindigkeitsvektor zu ermitteln» Hierbei wird so vorgegangen, daß die bestimmte Stelle (Meßvolumen) des Laserstrahls durch einen Beobachtungsquerschnitt beobachtet wird, der ebenfalls eine maximale Haupt— abmessung aufweist. Nach der Beobachtung von Streulichtim— pulsen maximaler Impulsdauer gemäß den vorstehend erläuterten Verfahrensschritten a bis d wird der Beobiichtungsquer— schnitt um die Beobachtungsachse (zweite Richtung) so lange gedreht, bis erneut Streulichtiinpulse maximaler Impulsdauer beobachtet werden. Auf diese Weise kann die räumliche Strö— roungsrichtung durch die Lage der maximalen Hauptabmessung des Laserstrahlquerschnitts und durch die Lage der maximalen Hauptabmessung des Beobachtungsquerschnitts, jeweils bezogen auf eine vorher festgelegte Nullage, ermittelt werden« Die Größe der Geschwindigkeit ergibt sich aus der Breite der gemessenen Streulichtimpulse.

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Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in einem strömenden Medium nach Betrag und Richtung ist gekennzeichnet durch einen Laser zur Beleuchtung eines abgegrenzten Meßvolumens in dem strömenden Medium, durch eine in einem bestimmten Winkel zur Laserstrahlrichtung angeordnete, auf das Meßvolumen ausgerichtete Empfangsoptik mit angeschlossenem Fotovervielfacher und einer dem Fotovervielfacher nachgeschalteten Einrichtung zur Messung der Impulsbreite der von dem Fotovervielfacher abgegebenen Impulse, und durch eine dem Laser zugeordnete, um die Laserstrahlachse drehbare Vorrichtung zur Bestimmung der Lage des Laserstrahlquerschnitts, die ein den Laserstrahlquerschnitt formendes Element umfaßt.

Eine Meßeinrichtung mit einem Laser und einer Enipfangsoptik mit daran angeschlossenem Fotovervielfacher zur Definition eines zu beobachtenden Meßvolumens in einem strömenden Medium ist bereits an sich bekannt (vgl. DT-GbmSen 7 527 Ο'ίθ und 7 5^7 084). Diese bekannte Einrichtung dient jedoch zur Bestimmung des sogenannten Kavitationskeimspektrums einer Flüssigkeit, wobei Anzahl und Größe der in der Flüssigkeit enthaltenen Kavitationskeime ermittelt werden, um dadurch eine Aussage über den Kavitationskeimgehalt und damit das Kavitationsverhalten der Flüssigkeit zu gewinnen. Die Verweilzeit der Keine im Meßvolumen, sprich die Impulsbreite der erhaltenen Streulichtimpulse, spielt bei dieser bekannten Meßeinrichtung keine Rolle.

Die Erfindung baut auf der Erkenntnis auf, daß das auch bei der bekannten Einrichtung notwendige Meßvolumen im Sinne des vorstehend geschilderten Verfahrens zur Messung von

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Strömungsrichtung und -geschwindigkeit des strömenden Mediums selbst herangezogen werden kann. Die mit der Einrichtung zur Bestimmung des sogenannten Kavitationskeinispektrums gewonnenen Erfahrungen haben gezeigt, daß es ohne Schwierigkeit iiiöglich ist, ein MeOvolumen bekannter Größe als Schnittfigur zwischen dem Laserstrahl und dem Strahlengang der Empfangsoptik in dem Medium zu bestimmen und das Meßvolumen so klein zu halten, daß sich zu jedem Zeitpunkt nur ein ein Streulicht abgebendes Teilchen im Meßvolumen befindet. Durch den Gedanken, den Laserstrahlquerschnitt so zu formen, daß er eine maximale Hauptabmessung hat, und weiterhin die Lage dieses Querschnitts um die Laserstrahlachse zu verdrehen, um die maximale Verweilzeit eines Teilchens im Meßvolumen zu bestimmen und daraus einen Rückschluß auf die Strömungsgeschwindigkeit zu ziehen, werden die Vorteile der bekannten Einrichtung zur Messung des Kavitationskeimspektrurns iiiif ein vollkommen neuartiges Meßverfahren zur Geschwindigkeitsmessung ausgedehnt.

Wie bereits vorstehend im Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert ist, erlaubt es die erfindungsgemäße Meßeinrichtung, in einem einzigen Meßschritt die Größe der Strömungsgeschwindigkeit sowie eine Ebene zu ermitteln, in der die Strömung stattfindet, d.h. also zwei Komponenten des Geschwindigkeitsvektors. Um auch die dritte Komponente, d.h. die räumliche Strömung zu erfassen, kann die Einrichtung so ausgestaltet sein, daß der Laser und die Einpfangscptik bezüglich ihrer gegenseitigen Lage austauschbar sind. Bei dieser Ausführung bleibt der Ort des Meßvolumens (am Schnittpunkt der Laserachse und der BeobachtunoSachse) erhalten; lediglich die Gestalt des Meßvolumens ist um den Winkel gedreht, den die Achsen miteinander bilden.

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In einer bevorzugten Ausführungsform, die alle drei Komponenten des Geschwindigkeitsvektors in einem einzigen Meßschritt zu erfassen gestattet, ist jedoch die Einrichtung so ausgebildet, daß die Empfangsoptik eine um die optische Achse der Empfangeoptik drehbare Spaltblende umfaßt, deren ürehstellung ablesbar und/oder abtastbar ist. \7ie vorstehend ebenfalls schon angegeben, bestimmt sich die Strömungsrichtung dann aus der Stellung des den Laserstrahlquerschnitt formenden Elements und der Spaltblende in Bezug auf vorher festgelegte Nullaßen.

Das vorstehend geschilderte erfindungsgenäüe Grundprinzip der Messung läßt sich durch der Empfangsoptik nnchgeschaltete Einrichtung so verfeinern, daß unmittelbar eine Aussage über Strömungsgeschwindigkeit und —richtung am Ort des Meßvolumens erhalten werden kann. So ist es zweckmäßig, der Einrichtung zur Messung der Impulsbreite einen Impulsbreitenanalysator zuzuordnen, um dadurch ein Impulsbreitenhistogramm zu erstellen. Aus diesem Impulsbreitenhistogramm läßt sich eine Aussage über die Geschwindigkeitsveiteilung gewinnen« Stellt sich das Impulsbreitenhistograiiim als scharfer Peak einer bestimmten Impulsbreite dar, so ist das ein Anzeichen für eine .laminare Strömung weitgehend konstanter Strömungsgeschwindigkeit und —richtung. Ergibt das Histogramm einen breiteren Verlauf, so deutet das auf Geschwindigkeitsschwankungen oder turbulente Strömungen hin, wobei anhand des Histogramms der Turbulenzgrad ermittelt werden kann.

Da in einem strömenden Medium Teilchen unterschiedlicher Größe enthalten sind, die dementsprechend Streulicht unter-

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. 4a.

schiedlicher Intensität abgeben, sind vom Fotovervielfacher abgegebene .Streulichtimpulse unterschiedlicher Höhe zu erwarten. Zwar hat die Impulshöhe an sich keinen Einfluß nuf die hier durchzuführende Messung, jedoch benötigt ein großes Teilchen vom Augenblick des Eintritts in das Meßvolumen bis zum vollständigen Verlassen des Meßvolumens eine längere Zeit als ein kleineres Teilchen gleicher Geschwindigkeit, so daß neben der größeren Impulshöhe auch eine größere Impulsbreite die Folge ist. Sollte sich daher zeigen, daß in dem zu beobachtenden Strömungsmedium größere Teilchen, die Fehler verursachen könnten, enthalten sind, so läßt sich die daraus resultierende Fehlerquelle einfach durch Einschaltung eines Einkanaldiskriminators beseitigen. Der Einkanaldiskritninutor wählt für die Messung nur Impulse einer bestimmten Impulshöhe oder eines eng begrenzten Impulshöhenbereiches aus, so daß sich ein eindeutiger Rückschluß aus der gemessenen Impulsbreite auf die Geschwindigkeit der Teilchen im Meßvolumen ziehen läßt. Sind die Streuteilchen im Vergleich zu den Abmessungen des Meßvolumens sehr klein, was z.B. für Rauchteilchen gilt, so kann auf die Berücksichtigung der Teilchengröße verzichtet werden.

In vielen Fällen ist es möglich, die Meßeinrichtung reliitiv zu dein strömenden Medium so anzuordnen, daß bereits durch die Verstellung des den Laserstrahlquerschnitt formenden Elements die Hauptebene der Strömung oder eine dazu nur geringfügig geneigte Ebene erfaßt werden kann, so daß bei der bevorzugten Einrichtung, die eine verdrehbare Spaltblende an der Empfangsoptik vorsieht, nur eine geringfügige Verdrehung zu erwarten ist, um die Hoiipteberie der Strömung definitiv zu erfassen. Sollte dies jedoch nicht möglich sein, so ist es von Vorteil, dem Impulsbreitenanalysator

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eine die Drehstellung der Spaltblende abtastende Einrichtung und eine Einrichtung zur Kompensation der Irapulsbreitenveränderungen vorzuschalten, die infolge der durch die Drehung der Spaltblende auftretenden Veränderungen des Meßvolumens bedingt sind, üa die Größe des Meilvolumens - in der Nullstellung der Spaltblende — bekannt ist und auch dessen Lage aus der Drehstellung des den Laserstrahlquerschnitt formenden Elements festliegt, läßt sich die infolge der Drehung der Spaltblende einstellende Veränderung der Gestalt des Meßvolumens vorherbestimmen und id Sinne einer Verkürzung oder Verlängerung der gemessenen Impulsbreiten berücksichtigen.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist weiterhin vorgesehen, in den Laserstrnhl einen Graukeil cder ein sonstiges unsymmetrisches Graufilter einzuschalten. Durch diese Vorkehrung erfährt der Streulichtinipuls eines das Meßvolumen durchsetzenden Teilchens je nach dessen Bewegungsrichtung eine Intensitätssteigerung oder —Schwächung über seine Breite, die sich als ansteigende oder abfallende Flanke äußert. Aus der Richtung dieses Gradienten läßt sich erkennen, in welcher Richtung das Teilchen das Meßvolumen durchsetzt hat. Das ist für solche Fälle von Bedeutung, in denen nicht von vornherein die Hauptrichtung der Strömung angenähert feststeht, beispielsweise wenn die Möglichkeit zu Rückströmungen od.dgl. an umströmten Körpern besteht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäOen Meßeinrichtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Meßvoluroens (stark vergrößert) und dessen Veränderung durch Drehen des den Laserstrahlquerschnitt formenden Elementes;

Fig. 3 eine scheraatische Darstellung des Meßvoluinens (stark vergrößert) und dessen Veränderung durch Verdrehen der der Empfangsoptik zugeordneten Spaltblende, und

Fig. k eine Streulichtimpulsfolge, die einer laminaren Strömung konstanter Geschwindigkeit entspricht und das daraus ermittelte Impulsbreitenhistograinm.

Die in Fig. i gezeigte Einrichtung besteht im wesentlichen aus einem Laser 1, einer Strahlaufweitungsoptik 2, einer Blende 3» einem Graufilter k zur Vergleichmäßigung der Lichtintensität des Laserstrahls über dessen Querschnitt und gegebenenfalls einem Kondensor 6 zur Strahlverengung. Weiterhin ist eine Empfangsoptik 7 vorgesehen, deren optische Achse unter 90° zur Laserstrahlachse steht und diese schneidet. Der Empfangsoptik 7 ist eine Spaltblende 8 nach— geordnet, durch die das Bild des am Ort des Schnittpunktes von optischer Achse und Laserstrahlachse gebildeten Meß— volumens einem Fotovervielfacher 9 zugeführt wird. Weitere elektronische Einrichtungen, die dem Fotovervielfacher 9 nachgeschaltet sind und die beispielsweise einen Einkanaldiskriininator zur Auswahl einer bestimmten Impulshöhe oder eines Irapulshöhenbereiches sowie einen Impulsbreitenanalysa-

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tor mit zugehörigen Anzeige- und Registriereinrichtungen umfassen, sind nicht dargestellt.

Der bis hierher geschilderte Aufbau der Meßeinrichtung entspricht im wesentlichen der Meßeinrichtung zur Ermittlung des Kavitationskeimspektrums (vgl. DT-GbmSen 7 527 048 und 7 527 084). Die Eignung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeit und -richtung des beobachteten strömenden Mediums erhält diese Einrichtung jedoch erst durch ein im Laserstrahlengang angeordnetes, um die Laserstrahlachse drehbares Element 5 in Gestalt einer Blende, die zur Formung des Laserstrahlquerschnittes dient. Diese Blende verleiht dem Laserstrahlquerschnitt eine Form, in der eine ausgeprägte maximale Hauptabmessung vorhanden ist. Diese Form ist am einfachsten flach rechteckig, sie kann jedoch auch elliptisch, rautenförmig, oval oder sonstwie länglich gestaltet sein.

Dem Element 5 ist außerdem ein zusammen mit ihm drehbarer Graukeil 5a vorgeschaltet, dessen Grauintensität vorzugsweise in der gleichen Richtung zu- oder abnimmt, in der die erwähnte Hauptabmessung der Öffnung der Blende 5 liegt.

Auch die Spaltblende 8, die der Empfangsoptik 7 zugeordnet ist, ist um die optische Achse drehbar und enthält - ebenso wie die Teile 5» 5a - eine Skala, aus der ihre Drehstellung abgelesen werden kann·

Um den Betrag der Geschwindigkeit ermitteln zu können, ist vor allem die Kenntnis der Abmessungen des Meßvolumens 10 (Fig. 2, 3) in Strömungsrichtung notwendig. Können die genauen Abmessungen des MeDvolumens 10 nicht direkt bestimmt

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werden, z.B. durch einen definierten Strahlengang, Ausmessung des Meßvolumens, optisches Vergrößern und Fotografieren des Meilvolumens, so ist nach abgeschlossener Justierung die Eichung der in Fig. 1 gezeigten Meßeinrichtung auf verschiedene Arten möglich. Beispielsweise kann die Meßeinrichtung mittels einer nach Größe und Richtung bekannten Strömung in einem Schleppkanal, in einem Kavitationsstand, in einem Windkanal od.dgl. geeicht werden. Über die bekannte Strömungsgeschwindigkeit und -richtung können aus der so gewonnenen Impulsdauer die genauen Abmessungen des Meßvolumens ermittelt werden.

Eine weitere Möglichkeit der Eichung besteht darin, Objekte bekannter Größe mit bekannter Geschwindigkeit in bekannter Richtung durch das Meßvolumen 10 zu bewegen. Hierzu eignet sich mit Vorteil eine Justiervorrichtung gemäß DT-Gbms 7 614 005, die im Zusammenhang mit der Meßeinrichtung zur Bestimmung des Kavitationskeimspektrums ebenfalls eingesetzt wird. Diese Vorrichtung beinhaltet im wesentlichen einen Ilalterahwen, in dem ein oder mehrere Drähte bekannter Dicke befestigt sind und der so angeordnet ist, daß die Drähte mit bekannter Geschwindigkeit und Richtung durch das Meßvolumen bewegt werden können« Aus der daraus gewonnenen Impulsdauer können wiederum die genauen Abmessungen des Meßvolumens rückgerechnet werden.

Eine dritte Möglichkeit der Eichung besteht darin, kleine Teilchen (z.B. Rauchpartikel in Gasen oder Latexteilchen bekannter Größe in Flüssigkeiten) aus einer Düse mit bekannter Geschwindigkeit und Richtung auszustoßen und das Meßvolumen 10 durchfliegen zu lassen. Aus der Breite der

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dadurch gewonnenen Streulichtirapulse kann wieder das MeIlvolumen errechnet werden.

Die Abuessungen des Meßvoluraens 10 müssen natürlich so klein sein, dali die Wahrscheinlichkeit, daß sich darin gleichzeitig mehr als ein erfaßbares Streuobjekt befindet, kleiner als ein bestimmter kleiner Prozentsatz (z.B. ^r) ^c/o) ist. Mit optischen Mitteln ist eine solche Abgrenzung bis zu Konzentrationen von 10 Teilchen pro cm ohne weiteres möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit der in Fig. 1 dargestellten Meßeinrichtung folgendermaßen ausgeführt:

Es sei angenommen, daß das zu untersuchende Medium mit laminarer Strömung gleichbleibender Geschwindigkeit in der Strömuni,srichtung 11 strömt (Fig. 2). Die in dem zu untersuchenden Medium enthaltenen Teilchen durchsetzen fortwährend das MoDvoiumen 10, das zunächst in der in Fig. 2 schwach ausgezogenen Nullstellung steht. Diese Neullstellung ist an der Skala der Teile 5» 5» ablesbar und durch die Dreheinstellung dieser Teile bestimmt. Daraus resultiert, daß die Teilchen das Meßvolumen 10 längs eines Weges durchsetzen, der sich auf den Querschnitt des Meßvoluniens 10 (Laserstrahlquerschnitt) als Impulsbreite 12 projiziert. Der Fotovervielfacher 9 gibt somit Impulse der Impulsbreite 12 ab. Wird nun der Laserstrahlquerschnitt mittels des Elements 5 in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise gedreht, so nähert sich die maximale Hauptabmessung des Rechtockquersclini tts, d.h. die Längsseite des Rechtecks, der Ströiuungsri clitung, bis sie dazu parallel verläuft. Das hat zur Folge, daß die Teilchen das Meßvolumen 10 längs eines Weges durchströmen, der sich auf den Laserstrahlquerschnitt als Impulsbreite 21 pro-

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jiziert, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel die Projektion der Länge des Rechteckquerschnittes entspricht. Dies äuliert sich in einer erheblichen Zunahme der Breite der vom Fotovervielfacher 9 abgegebenen Impulse, da nunmehr über die längere Verweilzeit der Teilchen im Mellvoluraen 10 Streulicht von der Empfangsoptik 7 beobachtet wird. Die neue Drehstellung des Elements 5 gibt somit die Lage der Ebene an, die die Strömungsrichtung mit der Laserstrahlachse bildet. Die Breite der vom Fotovervielfacher 9 abgegebenen Impulse (impulsbreite 21) ist ein Maß für den Betrag der Strömungsgeschwindigkeit. Die Anstiegsrichtung der schrägen Impulsflanke (Fig. 4), die auf Grund der in jtröraungsrichtung 11 zunehmenden Durchlässigkeit des Graukeiles 5a entsteht, gibt Auskunft über die Pfeilrichtung der Strömung.

Um nun die Lage der Strömungsrichtung in der bisher ermittelten Ebene festzustellen, wird die Spaltblende 8, die sich an dem Ort der Empfangsoptik befindet, an dem das Meüvolumen abgebildet wird, und deren Öffnungsbreite die Abmessung des MeiJvoluraens 10 in Laserstralilrichtung festlegt, so lange um die optische Achse gedreht, bis die vom Fotovervielfacher 9 abgegebenen Impulse eine maximale Breite bzw. das vom Impulsbreitenaualysator erstellte Impulsbreitenhistogramm ein scharfes Maximum erreicht. Da eine laminare Strömung mit konstanter Geschwindigkeit vorausgesetzt ist, werden nunmehr gleichbleibende Impulsbreiten, die sich in dem Impulsbreitenhistogramm als scharf begrenzter Peak abzeichnen, gemessen; die Abmessungen des Meüvolumens 10 in Strömungsrichtung 11 sind jetzt in Bezug auf die das Meßvolumen 10 durchsetzenden Teilchen konstant.

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Aus der Drehstellung der Spaltblende θ kann ,jetzt die Ebene abgelesen werden, die durch die Strömungsrichtung 11 und die optische Achse des Empfangssystems 7, 8 gebildet wird. Die Schnittlinie der beiden ermittelten Ebenen ergibt die Lage der Strömungsrichtung im Raum, die Impulsbreite der vom Fotovervielfacher 9 abgegebenen Impulse stellt ein Maß für die Größe der Strömungsgeschwindigkeit dar.

Durch die beschriebene Vorgangsweise können mit einer einzigen Meßeinstellung Strömungskennwerte störungsfrei und punktförmig erfaßt werden, die bei den bisher bekannten Meßverfahren und -einrichtungen nur mit einer Dreikomponentenmessung zu ermitteln sind.

In dem vorstehend geschilderten Ausführungsbeispiel ist der Anschaulichkeit halber von laminarer Strömung und von einem exakt rechteckförmigen Laserstrahlquerschnitt ausgegangen worden. Deshalb wurden Impulse mit konstanter Impulsbreite gemessen. Mißt man unterschiedliche Impulsbreiten, so ist das ein Zeichen für Geschwindigkeitsschwankungen oder für turbulente Strömung. Wertet man die vom Fotovervielfacher 9 abgegebenen Signale mit Hilfe eines geeigneten Meßsignal-Analysators aus, sr.B. durch Erstellung eines Iuipulsbreitenhistogramms, so kann daraus die Geschwindigkeitsverteilung, d.h. der Turbulenzgrad, ermittelt werden.

Die vorstehend geschilderte Meßeinrichtung kann mit der Meßeinrichtung zur Bestimmung des Kavitationskeimspektrums (DT-Gbms 7 527 084) kombiniert werden, so daß mit einer Einrichtung das Keimspektrum einer strömenden Flüssigkeit bzw. der Tröpfchen— oder Teilchengehalt eines strömenden Gases

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sowie gleichzeitig die Geschwindigkeit am Ort des MeUvolumens nach Betrag und Richtung geinessen werden können. Es ist sogar sinnvoll, diese Einrichtung bei keiraspektrumsinessungen bzw. Aerosolmessungen auch in Strömungen mit bekannten Kennwerten anzuwenden, da dann die Impulsbreiten— messung zur einfachen und genauen Bestimmung der Meßvolu— menabmessungen benutzt werden kann, die wiederum zur Bestimmung der Keim— bzw. Aerosolkonzentration benötigt werden,

Im JlahiiH'ii der Erfindung sind verschiedene Abwandlungen möglich; es i:;t z.B. denkbar, die Blende 5 und den Graukeil 5a zu einem einzigen Bauteil zusammenzufassen. Selbstverständlich kann anstelle eines linearen Graukeils 5a jedes sonstige (iraufilter verwendet werden, das die Lichtintensität über den Laserstrahlquerschnitt in bekannter Weise unsymmetrisch macht.

Es ist weiterhin denkbar, die Blende 5 und/oder den Graukeil 5a veränderbar zu machen, so daß nicht nur deren Drehstell uns, sondern auch deren Form und damit die Querschnittsform des Laserstrahles verändert weiden können.

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e e r s e ι t e

Claims

Ansprüche

1. !Verfahren zur Bestimmung der Ströinungsgesehwi ndigkoi t ^-' in einem strömenden Medium nach Betrag und Itichtung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

b) Beobachtung einer bestimmten Stelle (Meßvolumen) in Längsverlauf des Laserstrahles unter einer in einem bestimmten Winkel zur ersten Richtung gelegenen zweiten Richtung;

d) Drehen des Laserstrahlquerschnitts um die durch die erste Richtung bestimmte Drehachse so lange, bis Streulichtimpulse maximaler Impulsdauer beobachtbar sine¹.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Beobachtung und Messung von Streulichtimpulsen maximaler Impulsdauer die dabei eingehaltene Drehlage des Laserstrahlquerschnitts registriert wird, die Laserstrahlrichtung (erste Richtung) und die Beobachtungsrichtung (zweite Richtung) miteinander vertauscht werden und die Schritte b bis d mit vertauschten ersten und zweiten Richtungen ausgeführt werden«

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dall die bestimmte Stelle (Meilvoluinen) des Laserstrahles durch einen Beobachtungsquerschnitt mit einer maximalen Hauptabmessung beobachtet wird und nach der Beobachtung von Streul iehtira;>ulsen maximaler Impulsdauer der Beobachtungsquerschnitt um die Beobachtungsachse (zweite Richtung) so lange gedreht wird, bis erneut Streulichtimpulse maximaler Impulsdauer beobachtet werden.

^li, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dall nach der Beobachtung und Messung von Streulichtimpulsen die Laserstrahlrichtung (erste Richtung) um die Beobachtungsrichtung (zweite Richtung) als Drehachse so lange gedreht wird, bis erneut Streulichtimpulse maximaler Impulsdauer beobachtet werden.

5. Einrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in einem strömenden Medium nach Betrag und Richtung, gekennzeichnet durch einen Laser (l) zur Beleuchtung eines abgegrenzten Meßvolumens (lO) in dem strömenden Medium, durch eine in einem bestimmten Winkel zur Laserstrahlrichtung ungeordnete, auf das Meßvolumen (lO) ausgerichtete Empfangsoptik (7) mit angeschlossenem Fotovervielfacher (9) und einer dem Fotovervielfacher (9) nachgeschalteten Einrichtung zur Messung der Impulsbreite der von dem Fotovervielfacher (9) abgegebenen Impulse, und durch eine dem Laser (l) zugeordnete, um die Laserstrahlachse drehbare Vorrichtung zur Bestimmung der Lage des Laserstrahlquerschnittes, die ein den Laserstrahlquerschnitt formendes Element (5) umfaßt.

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6. Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Laser und die Empfangsoptik bezüglich ihrer gegenseitigen Lage austauschbar sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ernjifangsoptik eine um die optische Achse der Empfangsoptik drehbare Spaltblende (8) umfaßt, deren Drehstellung ablesbar und/oder abtastbar ist,

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Messung der Impulsbreite einen Impulsbreitenanalysator umfaßt.

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dall dem Impulsbreitenanalysator eine die Drehstellung der Spaltblende (8) abtastende Einrichtung und eine Einrichtung zur Kompensation der Impulsbreitenveränderungen, die infolge der durch die Drehung der Spaltblende (8) auftretenden Veränderungen des Meßvolumens bedingt sind, vorgeschaltet sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9_f dadurch gekennzeichnet, daß dem Fotovervielfacher ein Einkanaldis— kriminator nachgeschaltet ist, der der Einrichtung zur Messung der Impulsbreite nur Impulse eines bestimmten Impulshöhenbereiches weitergibt.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 "bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem den Laserstrahl formenden Element (5) ein Graufilter (5a) zugeordnet ist, dessen Grauintensität in einer bestimmten Bichtung, vorzugsweise in Richtung der maximalen Hauptabmessung des Laserstrahlquerschnitts, zu- oder abnimmt.

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