DE2739676B2 - Laser-Anemometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Laser-Anemometer der im Oberbegriff des Anspruchs I angegebenen Gattung.

Ein Laser-Anemometer ibt ein Gerät zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen, bei dem eine Beleuchtung durch eine Quelle kohärenter Strahlungen, vorzugsweise mittels eines Lasers erfolgt Gemäß einer Version eines solchen Anemometers wird die Laser-Strahlung in der Weise modifiziert, daß eine Reihe von hellen und dunklen Streifen innerhalb des Bereiches des Gases erzeugt wird, dessen Strömung zu bestimmen ist. Der Durchtritt von Panikeln zwischen benachbarten

>o 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 uhd demgemäß die Geschwindigkeit des Gases daraus berechnet werden kann.

Diese Technik hat sich dort als erfolgreich erwiesen, wo ein relativ unbehinderter Zugang zu einem großen Gasvolumen möglich ist. Schwierigkeiten ergaben sich dort, wo nur ein geringes Volumen verfügbar war, in dem die Gasströmung zu messen war. Es wurde daher die Technik einer Zwei-Punkt-Laser-Anemometrie entwickelt, auf die sich auch die Erfindung bezieht Hierbei wird der vom Laser herrührende Strahl in zwei Teilstrahlen aufgespalten, die zwei Flecken innerhalb der Gasströmung beleuchten, die in einem sehr kleinen Abstand voneinander liegen. Das von diesen Recken ausgehende Licht wird dann gemessen und durch statistische Berechnungen wird die Zeit bestimmt, die

» die Partikel benötigen, um von einem Flecken nach dem anderen zu gelangen.

Durch eine optische Bilddrehvorrichtung können die beiden Lichtflecken veranlaßt werden, sich gleichzeitig zu bewegen, ohne daß der Laser oder die Detektoren sich räumlich bewegen müßten, wodurch es möglich wird, die Geschwindigkeit, die jeweils in der Linienverbindung der beiden Recken bestimmt wird, in allen Richtungen in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse zu messen.

Ein derartiges Laser-Anemometer mit Bilddrehvorrichiung. von dem die Erfindung ausgeht, ist in der DE-OS 24 49 359 beschrieben. Hierbei ist der als Rochon-Prisma ausgebildete Strahlteiler als Bilddrehvorrichtung ausgebildet und mechanisch mit einer Zwei-Loch-Blende gekoppelt, die vor den Photodelektoren angeordnet sind, so daß die die Flecken erzeugenden Strahlen von dem Strahlteiler gedreht werden, während die von den Flecken ausgehenden Strahlen von der Blende gedreht werden.

Dies setzt eine äußerst präzise Synchronisation der beiden Bilddrehvorrichtungen voraus, die nur sehr schwierig und unter Einhaltung geringster Toleranzen zu erreichen ist

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein

^M Laser-Anemometer der angegebenen Gattung dadurch zu verbessern und zu vereinfachen, daß auf die Synchronisation zweier Bilddrehvorrichtungen verzichtet werden kann, wobei trotzdem eine Messung der Gasgeschwindigkeit in beliebigen Richtungen in der

Ebene senkrecht zur Strahlachse möglich ist.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs I angegebenen Merkmale. Dadurch, daß die Bilddrehvorrichtung sowohl von den die Flecken erzeugenden Strahlen als auch von den von den Flecken ausgehenden Strahlen durchlaufen wird, ist eine starre Synchronisation der Drehbewegung gewährleistet, und es ergibt sich ein äußerst einfacher

und robuster, und damit sehr betriebssicherer Aufbau.

Es können verschiedene Mittel vorgesehen werden, um das Bild zu drehen. Vorzugsweise wird jedoch ein 45° Abbe Prisma benutzt.

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 Rächen der Bilddrehvof richtung, 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 zeigt

F i g. 1 eine vereinfachte schematische Ansicht der optischen Auslegungeines Laser-Anemometers,

Fi g. 2 eine Schnittansicht durch die Bilddrehvorrichtung nach F i g. 1 und ein Tunneldiagraimi» dieser Vorrichtung.

Die Vorrichtung nach Fi g. 1 weist einen Laser 10 auf, der nach dem Ausführungsbeispiel ein 15 MW HENE-Gaslaser ist, der monochromatisches Licht der Wellenlänge 6328 A erzeugt Der gebändelte Strahl U des Lasers wird vor den Spiegeln 12 und 13 reflektiert und durch eine Konditionierungslinse 14 und einen akustooptischen Schalter 15 geschickt, bevor eine Reflexion am Spiegel 16 erfolgt, wonach der Strahl in den Strahlteiler 17 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 Strahfen 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 Für diese Vorrichtung können bekannte Reflexions- und/oder Refraktionsanordnungen Verwendung 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 Bilddrehvorrichturg 22 austreten, treten dann in eine Fokussierungslinse

ίο 31 ein, die jeden Strahl 19 und 20 in den Punkler 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 Ausführungsform besitzen sie einen Abstand von 664 μίτι. Im Beirieb fallen diese Flecken 32 und 33 in das Gasvolumen, dessen Bewegungsparameier bestimmt werden sollen. Das Gas führt Partikel mit und es ist klar, daß .'ann, wenn einer dieser Partikel einen oder beide Flecket: 37 und 33 trifft, eine Lichtzerstreuung bewirkt wird.

Dieses zurückgestreute Licht kehrt anfänglich längs einem Kreispfad zurück, der koaxial mit dem Pfad ist dem er d:irch die Beleuchtungsstrahlen 23 und 24 folgte, jedoch liegt er außerhalb davon, und dann erfolgt ein Durchtritt durch die Fokussierungslinse 31 und durch die Bilddrehvorrichtung 27. Nach Verlassen dieser Vorrichtung treten die Strahlen um die Außenseite des Spiegeis 21 herum, wobei der Umfang des Spiegels als Rückkehranschlag dient.

Die zurückkehrenden Strahlen gelangen dann zu Fokussierungspunkten 34 und 35 in der Ebene der Stoppplatte 36. Diese Platte 36 besitzt Öffnungen, die mit den Lagen der Fokussierungspunkte 34 und 35 übereinstimmen, und diese Öffnungen sind so dimensioniert, daß das Obersprechen 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 25 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

so und 39 zu bilden. Diese werden so angeordnet daß sie die Bildflächen von Faseroptiken 40 und 41 bilden. Außerdem ist an dieser Stelle eine Begrenzungsplatte angeordnet.

Die Lichtleiter sind so angeordnet, daß das Licht an eine geeignete Stell·,· getragen wird, um da:, 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 jewvils 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 hindurchtaufen. Durch Bestimmung der Laufzeit zwischen den beiden Durchtfilten 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 dem jeweiligen Gasvolumen körperlich bewegt wird. Dies ist jedoch aufwendig und die Benutzung der Bilddrehvorrichtung 27 schafft die Möglichkeil, 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 I.agc 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 s inneren Totalreflexion 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 SO des Prismas 51 und der

ίο austretende Strahl tritt in Normalrichtung in diese Oberfläche 50 des 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. Es 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

jo mit der Erfindung anwendbar, möglicherweise mit unterschiedlichem Lrfolg. 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 Polarisierungsrichtung 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Laser-Anemometer mit einer Quelle für kohärente Strahlung, einem Strahlteiler, der den Strahl dieser Quelle in zwei Teilstrahler aufteilt, mit einer Optik zur Fokussierung dieser beiden Teilstrahlen auf zwei benachbarte Leuchtflecke in der Abtastebene innerhalb der Strömung des zu messenden Gases, mit zwei Photodetektoren, die jeweils die von einem Reck ausgehende Strahlung messen, und mit einer optischen Bilddreh vorrichtung im gemeinsamen Strahlengang der die beiden Flecken erzeugenden Teilstrahlen, zum Drehen der Lage der beiden Flecken um eine Achse senkrecht zur Fokussierungsebene, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilddrehvorrichtung (27) zwischen dem Strahlteiler (17) und der Fokussierungsebene derart angeordnet ist, daß sie vor den Strahlen, die die Flecken (32, 33) erzeugen, in der einen Richtung und von den Strahlen, die von den Flecken (32,33) ausgehen, in der entgegengesetzten Richtung durchsetzt wird.

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

3. Lase-Anemometer 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. Laser-Ancnometer nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strfhlabschnitt (23, 24) und die entsprechende nach dem jeweiligen Photodetektor (42, 43) zuriickkfSrende Strahlung durch unterschiedliche Abschnitte der Bilddrehvorrichtung (27) zurückläuft.

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

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

8. Laser-Anemometer nach Anspruch I, 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. Laser-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Faseroptik-Lichtleiter (40, 41) die zurückgeworfene Strahlung auf die Photodetektoren (32,33) richten.

10. Laser-Anemometer nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodetektoren (42, 43) aus Photovervielfachern bestehen.