DE2739676A1

DE2739676A1 - Vorrichtung zur laser-anemometrie

Info

Publication number: DE2739676A1
Application number: DE19772739676
Authority: DE
Inventors: Anthony Eric Smart
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1976-09-04
Filing date: 1977-09-02
Publication date: 1978-07-20
Also published as: IT1087701B; US4125778A; GB1542420A; DE2739676C3; JPS5337079A; JPS5736543B2; DE2739676B2; FR2363800B1; FR2363800A1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach Dipl.-Ing. Günther Koch 2739676 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 ■ Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 2. September 1977

Unser Zeichen: l6 003 - K/Nu

Anmelder:

Rolls-Royce Limited 65 Buckingham Gate London, SWlE 6AT England

Bezeichnung:

Vorrichtung zur Laser-Anemometrie

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Laser-Anemometrie·

Unter "Laser-Anemooetrie" versteht man eine Technik, gemäß welcher ein Gas, dessen Strömungsparameter gemessen werden sollen, durch eine Quelle kohärenter Strahlung beleuchtet wird, normalerweise durch einm Laser. Es gibt zwei Grundversionen dieser Technik, wobei in einem Falle die Laserstrahlung in der Weise modifiziert wird, daß eine Reihe von hellen und dunklen Streifen innerhalb des Bereiches des Gases erzeugt wird, dessen Strömung zu bestimmen ist. Der Durchtritt von Partikeln zwischen benachbarten hellen Abschnitten des Streifenmusters kann dann durch das von diesen Partikeln ausgestreute Licht bestimmt werden, da die Zeit, die die Partikel benötigen, um von einem Streifen nach dem anderen zu gelangen, bestimmt werden kann und weil die Geschwindigkeit der Partikel und demgemäß die Geschwindigkeit des Gases daraus berechnet werden kann.

Diese Technik hat sich als erfolgreich erwiesen, und zwar insbesondere dort, wo man einen relativ unbehinderten Zugang zu einem großen verfügbaren Gasvolumen hatte. Schwierigkeiten ergaben sich jedoch dort, wo die Zugänglichkeit nur beschränkt war und wo nur ein geringes Volumen verfügbar war, in dem die Gasströmung zu messen war. Daher wurde die Technik einer Zwei-Punkt-Laser-Anemometrie entwickelt. Hierbei wird der vom Laser herrührende Strahl in zwei Abschnitte aufgespalten, die benutzt werden, um zwei Flecken innerhalb der Gasströmung zu beleuchten, und diese Flecken sind dabei nur durch einen sehr kleinen Abstand voneinander getrennt. Das von diesen Flecken zurückgeworfene Licht wird dann gemessen und durch statistische Techniken wird

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die Zeit bestimmt, die die Partikel benötigen, um von einem Flecken nach dem anderen zu gelangen. Derartige Vorrichtungen können bequem dort benutzt werden, wo es nur erforderlich ist, die Gasgeschwindigkeit in einer speziellen Richtung zu bestimmen. Diese Richtung ist dabei die Richtung, welche durch die Linienverbindung der beiden Flecken bestimmt wird. Wenn es jedoch erforderlich ist, eine vollkommenere Beschreibung der Geschwindigkeiten in anderen Richtungen zu liefern, hat es sich bisher als notwendig erwiesen, entweder eine Relativbewegung zwischen dem Gas und der Meßvorrichtung vorzusehen oder ein kompliziertes und relativ ungenaues Gestänge zwischen der die beiden Flecken erzeugenden Vorrichtung und den Vorrichtungen vorzusehen, die deren Intensitäten messen, so daß beide gemeinsam gedreht werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine relativ einfache Anordnung zu schaffen, durch welche die beiden Lichtflecken und die Empfängerflächen veranlaßt werden, sich gleichzeitig zu bewegen, ohne daß der Laser oder die Detektoren sich räumlich bewegen müßten.

Gemäß der Erfindung weist die Vorrichtung zur Laser-Anemometrie folgende Bauteile auf: eine Strahlungsquelle zur Erzeugung kohärenter Strahlung, einen Strahlteiler zur Aufteilung des von der Strahlungsquelle gelieferten Strahles in zwei Strahlabschnitte, eine Fokussiervorrichtung, welche die beiden Strahlabschnitte auf zwei benachbarten Punkten fokussiert, zwei Photodetektoren, die die von dem einen Funkt ausgehende Strahlung messen, wobei eine Bilddrehvorrichtung zwischen dem Strahlteiler und den Punkten derart vorgesehen ist, daß er eine gleichzeitige Wirkung

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sowohl auf die die Punkte erzeugenden Strahlen als auch auf die von den Punkten zerstreute Strahlung ausübt, die auf die Detektoren fällt.

Es können verschiedene Mittel vorgesehen werden, um das Bild zu drehen.
Prisma benutzt.

Bild zu drehen. Vorzugsweise wird jedoch ein 45° Abbe

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung laufen die beiden Strahlabschnitte und die ausgestreute Strahlung nach den Photodetektoren längs paralleler Pfade zurück, und zwar über unterschiedliche Flächen der Bilddrehvorrichtung, und es ist ein Spiegel vorgesehen, der unterschiedlich die beiden Strahlabschnitte und die zerstreute Strahlung ablenkt, so daß eine Trennung erfolgt.

Die Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter Beleuchtung ist vorzugsweise ein Laser, der monochromatisches Licht erzeugt.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Ansicht der optischen Auslegung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansieht durch die Bilddrehvorrichtung nach Fig. 1 und ein Tunneldiagramm dieser Vorrichtung.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 weist einen Laser 10 auf, der

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nach dem Ausführungsbeispiel ein 15 HW HE NE-Gaslaser ist, der monochromatisches Licht der Wellenlänge 6328 A erzeugt. Der gebündelte Strahl 11 des Lasers wird von den
Spiegeln 12 und 13 reflektiert und durch eine Konditionierungslinse 14 und einen akusto-optischen Schalter 15 geschickt, bevor eine Reflexion am Spiegel 16 erfolgt, wonach der Strahl in den Strahlteiler 1? gelangt. Der Strahlteiler 17 kann von irgendeiner herkömmlichen Bauart sein
und gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist es ein Wollaston-Prisma, das den einzigen Strahl in zwei Strahlen aufteilt, welche unterschiedliche Polarisationen besitzen. Im vorliegenden Fall treten die beiden Strahlen 19 und 20 aus dem Strahlteiler nur schwach voneinander divergierend aus und nehmen im wesentlichen das gleiche Raumvolumen ein. In dem dargestellten Diagramm ist die Divergenz übertrieben stark gezeichnet, um das Prinzip zu erläutern.

Dann treten die beiden Strahlen 19 und 20 durch eine Primärfokussierungslinse 21, die aus den beiden Strahlen zwei Brennpunkte in der Ebene 22 bildet. In dem Diagramm sind
die Pfade der Lichtstrahlen beträchtlich verändert, um die Arbeitsweise des Systems anschaulich zu machen. Es ist jedoch klar, daß die beiden durch die Linse 21 erzeugten
Brennpunkte als Gegenstände wirken, deren Bild durch das
weiter unten beschriebene System projiziert werden kann.

Die Strahlen 23 und 24 der beiden Brennpunkte in der Ebene 22 werden dann beide von einem weiteren Spiegel 25 nach
einer Meniskuslinse 26 und einer Bilddrehvorrichtung 27
reflektiert. Tür diese Vorrichtung können bekannte Reflexions- oder/und Refraktionsanordnungen Verwendung

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finden. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird jedoch ein 45° Abbe Prisma benutzt. Es ist bekannt, daß die Wirkung des Prismas 27 darin besteht, die hindurchtretenden Lichtstrahlen um einen Betrag zu versetzen, der sich gemäß der Winkelbeziehung zwischen der Lage der Vorrichtung und einer neutralen Lage ändert, und die Winkelversetzung findet um die Achse der Vorrichtung statt.

Die Vorrichtung 27 ist, obgleich sie planparallele Platten besitzt, einer sphärischen Aberration unterworfen. Infolgedessen ist die Meniskuslinse 26 in den Lichtpfad durch die Vorrichtung 27 eingeführt, und zwar derart, daß eine Korrektur dieser Aberration erfolgt.

Die Vorrichtung 27 wird von einem koaxial zur Vorrichtung angeordneten Zahnkranz 28 getragen, der von einem Motor 30 über ein Ritzel 29 gedreht wird, und daher kann die Versetzung der Strahlen wie unten beschrieben verändert werden.

Die Strahlen 23 und 24, die aus der Bilddrehvorrichtung 22 austreten, treten dann in eine Fokussierungslinse 3"¹ ein, die Jeden Strahl 19 und 20 in den Punkten 32 und 33 fokussiert. Obgleich hier von Fokussierungspunkten gesprochen wird, ist natürlich zu berücksichtigen, daß diese "Punkte" endliche Abmessungen besitzen und daher besser als "Fleck" bezeichnet werden können. Diese Flecke sind mit engem Abstand zueinander angeordnet und bei dieser Ausführungeform besitzen sie einen Abstand von 664 /um. Im Betrieb fallen diese Flecken 32 und 33 in das Gasvolumen, dessen Bewegungeparameter bestimmt werden sollen. Das Gas führt Partikel mit und es ist klar, daß dann, wenn einer dieser

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Partikel einen oder beide Flecken 32 und 33 trifft, eine LichtZerstreuung bewirkt wird.

Dieses zurückgestreute Licht kehrt anfänglich längs einem ELreispfad zurück, der koaxial mit dem Pfad ist, dem er durch die Beleuchtungsstrahlen 23 und 24 folgte, jedoch liegt er außerhalb davon,und dann erfolgt ein Durchtritt durch die Fokussierungslinse y\ und durch die Bilddrehvorrichtung 27. Nach Verlassen dieser Vorrichtung treten die Strahlen um die Außenseite des Spiegels 21 herum, wobei der Umfang des Spiegels als Rückkehranschlag dient.

Die zurückkehrenden Strahl en gelangen dann zu Fokussierungspunkten 34 und 35 in der Ebene der Stoppplatte 36. Diese Platte 36 besitzt Öffnungen, die mit den Lagen der Fokueeierungspunkte 34 und 35 übereinstimmen, und diese Offnungen sind so dimensioniert, daß das Übersprechen zwischen den beiden Lichtstrahlen vermindert und so weit wie möglich die Größe der empfangenen Flächen der Punkte 32 und 33 begrenzt wird. Daraus ergibt sich, daß zusätzliche Anschläge an anderen Stellen des Systems erforderlichenfalls angeordnet werden können.

Die Strahlen treffen dann eine weitere Fokussierungslinsenanordnung 37« Bis zum Durchtreten durch den Spiegel werden die zurückgeführten Strahlen in ähnlicher Weise wie die Beleuchtungsstrahlen durch die gleiche Optik wie die anderen beeinflußt. Die Fokussierungslinse 30 bringt jedoch die beiden zurückgeworfenen Strahlen dazu, getrennte Fokussierungspunkte 38 und 39 zu bilden. Diese werden so angeordnet, daß sie die Bildflächen von Faseroptiken 40 und 41 bilden. Außerdem ist an dieser Stelle eine

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Begrenzungsplatte angeordnet.

Die Lichtleiter sind so angeordnet, daß das Licht an eine geeignete Stelle getragen wird, um das zurückgeworfene Licht einem Photovervielfacher 42 bzw. 43 als Eingang zuzuführen. Die Lichtleiter bestehen aus normalen Faseroptiken mit geringem Verlust und ihr einziger Zweck besteht darin, die relativ großen Photovervielfacher in geeigneter Weise so anordnen zu können, daß sie durch die Strahlen beaufschlagt werden.

Die Photovervielfacher sind so angeordnet, daß sie elektrische Ausgänge liefern, die die scheinbare Helligkeit der Punkte 32 und 33 anzeigen. Diese Helligkeit steigt jeweils dann an, wenn ein Partikel durch einen der Punkte hindurchläuft. Durch geeignete statistische Operationen, die in Verbindung mit einem Computer 44 vorgenommen werden können, ist es möglich, jene Partikel zu bestimmen, die aufeinanderfolgend durch die Punkte 32 und 33 hindurchlaufen. Durch Bestimmung der Laufzeit zwischen den beiden Durchtritten kann die Geschwindigkeit der Gasströmung in Richtung der die beiden Punkte verbindenden Linie bestimmt werden.

Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß die Vorrichtung eine Möglichkeit schafft, die Gasströmungsgeschwindigkeit zwischen zwei Punkten zu bestimmen. Es wäre jedoch vorteilhaft, wenn auch die Geschwindigkeiten in anderen Richtungen bestimmt werden könnten. Dies könnte natürlich dadurch bewirkt werden, daß die gesamte Vorrichtung gegenüber den jeweiligen Gasvolumen körperlich bewegt wird. Dies ist jedoch aufwendig und die Benutzung der

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Bilddrehvorrichtung 27 schafft die Möglichkeit, die relative Lage der Punkte 32 und 33 allein durch Drehung der Vorrichtung 27 durch den Motor 30 zu verändern. Wie bekannt, besteht die Wirkung einer solchen Vorrichtung 27 darin, den Ausgangslichtstrahl um die Achse der Vorrichtung mit einer Winkelgeschwindigkeit zu drehen, die zweimal so groß ist wie die Winkelgeschwindigkeit der Vorrichtung selbst. Daher können durch richtige Ausrichtung des optischen Systems die Punkte 32 und 33 so angeordnet werden, daß sie im gleichen Abstand von der Achse der Vorrichtung 27 liegen und auf einem gemeinsamen Kreis um diese Achse umlaufen, wenn die Vorrichtung 27 gedreht wird. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, die Geschwindigkeit des Gases in jeder Richtung in einer Ebene normal zur Achse der Vorrichtung 27 zu messen. Weil das zurückgeworfene Licht längs eines Pfades durch die Einrichtung 27 zurückkehrt, der parallel zu dem der Beleuchtungsstrahlen liegt, ergibt sich, daß dann, wenn dieses Licht auf die Photovervielfacher bei einer Einstellung der Einrichtung 27 auftrifft, diese Beziehungen für alle Drehungen der Vorrichtung aufrechterhalten werden, so daß keine Notwendigkeit besteht, irgendetwas anderes zu drehen als die Vorrichtung 27, wodurch die Vorrichtung in die Lage versetzt wird, die Gasgeschwindigkeit in unterschiedlichen Richtungen zu messen.

Fig. 2 zeigt in schraffiertem Abschnitt einen Schnitt des Prisma, das die Vorrichtung 27 bildet. Der Pfad eines axialen Strahles durch die Vorrichtung ist durch die strichpunktierte Linie 45 dargestellt, und es ist ersichtlich, daß dieser Strahl normal durch die Oberfläche 46 des ersten Prisma 47 einfällt und einer inneren Totelreflexion

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an den Oberflächen 48 und 49 dieses Prismas unterworfen wird und in Normalrichtung durch die Oberfläche 48 austritt. Parallel zu dieser Oberfläche und in geringem Abstand hierzu befindet sich die Oberfläche 50 des Prismas 51 und der austretende Strahl tritt in Normalrichtung in diese Oberfläche 50 äes Prismas 51 ein und wird an der Oberfläche einer inneren Totalreflexion unterworfen und tritt wiederum in Normalrichtung durch die Oberfläche 53 aus. Hier tritt er in ein drittes Prisma 54 ein, welches ein Spiegelbild des Prismas 47 darstellt, und der Lichtpfad durch dieses Prisma ist exakt entgegengesetzt zu jenem im Prisma 47, d. h. der Lichtstrahl tritt in Normalrichtung durch die Oberfläche 55 ein, wird von den Oberflächen 56 und 55 total reflektiert und tritt in Normalrichtung durch die Oberfläche 57 aus.

Strichliert ist in Fig. 2 ein Tunneldiagramm des Prisma dargestellt. Ein solches Diagramm ist für den Fachmann eindeutig und braucht nicht näher erläutert zu werden. Ee soll nur darauf hingewiesen werden, daß alle optischen Eigenschaften des Prisma gleich sind denen eines parallelflächigen Glasblocks.

Die speziell benutzte Vorrichtung besitzt eine Reihe von Vorteilen gegenüber Alternativen, jedoch sind auch andere bekannte Bilddrehvorrichtungen in Verbindung mit der Erfindung anwendbar, möglicherweise mit unterschiedlichem Erfolg. Obgleich es natürlich unmöglich ist, genau zu spezifizieren, welche Vorrichtungen besonders geeignet sind (dies hängt unter anderem von der Genauigkeit der Herstellung und den mechanischen Eigenschaften ab), wird angenommen , daß die Vorrichtung wenigstens nicht in Polarisie-

rungsrichtung des ausgesandten Strahles empfindlich sein sollte und auch nicht einer Vignettierung unterworfen werden sollte und es sollten auch keine Verzerrungen sagittaler oder tangentialer Art erzeugt werden oder andere bedeutende Aberrationen, welche eine Verzerrungswirkung ausüben, die von der Wirkung eines parallelflächigen Blockes abweicht.

Die im einzelnen beschriebene Auslegung des Prisma könnte geändert werden, und es könnten auch andere kohärente Strahlungsquellen anstelle des beschriebenen Laser-Gerätes Anwendung finden.

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Claims

273957S

Patentansprüche

MJ Vorrichtung zur Laser-Anemometrie mit einer Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter Strahlung, mit einem Strahlteiler, der den Strahl dieser Strahlquelle in zwei Abschnitte aufteilt, mit einer Fokussierungsvorrichtung zur Fokussierung dieser beiden Strahlabschnitte auf zwei benachbarten Flecken und mit zwei Photodetektoren, die die von einem Fleck ausgehende Strahlung messen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bilddrehvorrichtung (27) zwischen dem Strahlteiler (17) und den Flecken (32, 33) derart angeordnet ist, daß er eine gleichzeitige Wirkung auf beide Strahlen (23, 24) besitzt, die die Flecken (32, 33) erzeugen, und außerdem auf die von den Flecken ausgehende Strahlung, die auf den Fhotodetektor (42, 43) fällt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilddrehvorrichtung aus einem 45° Abbe Prisma (27) besteht.

3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meniskuslinse (26) im Strahlpfad so angeordnet ist, daß die sphärische Aberration korrigiert wird, die durch das Prisma (27) erzeugt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strahlabschnitt (23, 24) und die entsprechende nach dem jeweiligen Photodetektor (42, 43) zurückkehrende Strahlung durch unterschiedliche Abschnitte der Bilddrehvorrichtung (27) zurückläuft.

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5- Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiegel (25) vorgesehen ist, der unterschiedlich die beiden Strahlabschnitte (23, 24) und die zurückgeworfene Strahlung reflektiert, um diese zu teilen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (25) die beiden Strahlabschnitte (23, 24) auf die Bilddrehvorrichtung (27) richtet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zurückgeworfene Strahlung an der Außenseite des Spiegels (25) vorbeiläuft.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungsvorrichtung eine erste Linse (21) aufweist, die einen ersten Brennpunkt der beiden Strahlabschnitte (19« 20) erzeugt, und daß weiter eine zweite Linse (31) vorgesehen ist, die ein projiziertes Bild der beiden Brennpunkte liefert, die die Flecken (32, 33) bilden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Faseroptik-Lichtleiter (40, 41) die zurückgeworfene Strahlung auf die Fhotodetektoren (32, 33) richten.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fhotodetektoren (42, 43) aus Photovervielfachern bestehen.

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