DE3042622A1

DE3042622A1 - Verfahren und vorrichtung zur ueberwachung der geschwindigkeit bzw. vom durchsatz von stroemungen

Info

Publication number: DE3042622A1
Application number: DE19803042622
Authority: DE
Inventors: Reinhold 6093 Flörsheim Bolz; Werner 6000 Frankfurt Heinze; Harald Dipl.-Phys. Dr. 6054 Rodgau Schmalfuß; Günter Dipl.-Phys. Dr. 6242 Kronberg Seger
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1980-11-12
Filing date: 1980-11-12
Publication date: 1982-05-19
Also published as: DE3042622C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der
Geschwindigkeit bzw. vom Durchsatz von Strömungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Geschwindigkeit bzw. vom Durchsatz von Strömungen zweiphasiger Flüssigkeiten und Gasen sowie von Aerosolen nach dem Prinzip der Laser-Doppler-Anemometrie, bei der die in dem Streulicht von zwei an der Meßstelle zum Schnitt gebrachten kohärenten Teilstrahlen enthaltene Information über die Geschwindigkeit elektronisch ausgewertet wird.
Zur Messung bzw. zur Überwachung von Strömungsgeschwindigkeiten sind bereits verschiedene Methoden bekannt. Hierzu zählen unter anderem Auslaufmessung mittels Tropfenzähler und dergleichen, Verdrängungsmessung mittels Kolbenzähler und dergleichen, Trägheitskraftmessung durch Leitbleche und ähnliche Anordnungen, Drallmessung mittels Massenstrommesser, Wirkdruckmessung mittels Blenden, Normdüsen und dergleichen, Staudruckmessung durch Stausonden und Stauscheiben, Temperaturdifferenzmessung durch Thermosonden und Kalt leiter sowie Korrelationsverfahren. Ferner sind Messungen mit Ultraschall, Anregung der Strömung, Anregung von Wasserstoffatomen und durch Lösungs- oder Feststoffzusätze bekannt. Keines dieser Verfahren kann jedoch ohne weiteres zu Messungen in kleinen Rohrnennweiten ohne störende Rohreinbauten herangezogen werden. Sie sind für eine kontinuierliche Überwachung vorgegebener Geschwindigkeitsminima und -maxima sowie zur Überwachung des Durchsatzes von radioaktiven Prozeßströmen ebenfalls nicht geeignet.
Es ist bekannt, daß mit der Laser-Doppler-Anemometrie Strömungsgeschwindigkeiten gemessen werden können, wobei die in dem Streulicht von zwei an der Meßstelle zum Schnitt gebrachten kohärenten Teilstrahlen enthaltene Information ausgewertet wird. Vorrichtungen, die nach dem konventionellen Prinzip der Zweistrahl-Laser-Doppler-Anemometrie aufgebaut sind, haben jedoch den Nachteil, daß sie entweder störanfällig und wartungsproblematisch sind, weil Lichtquelle und Photoempfänger sich-nahe am Meßort befinden oder sie sind justieraufwendig und störanfällig, wenn Lichtquelle und Photoempfänger weiter vom Meßort entfernt sind, jedoch über konventionelle Strahlführung gelenkt werden. Mit bekannten Vorrichtungen dieser Art sind auch sicherheitstechnische Anforderungen schwer erfüllbar.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile bekannter Methoden und Vorrichtungen die Geschwindigkeitsüberwachung von Strömungen auch in kleinen Rohrnennweiten ohne störende Rohreinbauten auch bei Überdruck nahe Null Bar zu ermöglichen. Die Vorrich- tung sollte so aufgebaut sein, daß sie gegen ionisierende Strahlen unemprindlichist und möglichst keine Kontamination von einzelnen Bauteilen erfolgt. Ferner sollte die erfindungsgemäße Vorrichtung einfach zu warten sein, auch beim Einsatz in radioaktiven Bereichen eine quantitative Messung gewährleisten und den sicherheitstechnischen Anforderungen genügen.
Es hat sich nun gezeigt, daß sieh diese Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs genannten Art lösen läßt, wenn das Laserlicht vor der Strahlteilung in einen Einzelwellenleiter geführt wird und das Streulicht in einen Vielwellenleiter eingekoppelt und zum optischen Empfänger transportiert wird. Vorzugsweise werden bei der elektronischen Auswertung mindestens zwei Frequenzbereiche abgetrennt, intensitätsmäßig normiert und zeitlich aufintegriert.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zwischen der Laserlichtquelle und dem Strahlteiler ein Einzelwellenleiter vorgesehen und das Streulicht wird mittels eines Vielwellenleiters in den optischen Empfänger eingekoppelt und der optische Empfänger wird außerhalb des die Beleuchtungsoptik und den Strahlteiler einschließenden Meßtopfes angebracht. Vorzugsweise wird zur Lenkung des Streulichts im Meßkopf ein durchbohrter Reflektor im Strahlengang der beiden Teilstrahlen angeordnet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden zur Fokussierung der beiden Teilstrahlen und zur Aufnahme des Streulichts eine einzige Linse und zur Einkopplung des Streulichts in den Vielwellenleiter eine weitere Linse vorgesehen. Vorzugsweise sind in der Auswerteelektronik mindestens zwei Bandpaßfilter und Zeitintegrationsglieder vorhanden und mindeStens zwei Komparatoren vorgesehen, die einen Vergleich mit vorgegebenen Grenzwerten ermöglichen. Die bandpaßgefilterten Signale sind in Abhängigkeit von dem Gesamtsreulicht durch geregelte Verstärkung normierbar.
Die durch die vorliegende Erfindung erzielten Vorteile sind darin zu sehen, daß der- optische Meßkopf, Laser, Photoempfänger und Auswerteelektronik in weitem Rahmen beliebig, ohne Justierprobleme positioniert werden können.
Ferner enthält der optische Meßkopf nur passive Bauteile, die materialmäßig so ausgelegt werden können-, daß kein nennenswerter Verschleiß selbst in radioaktiver Umgehung auftritt. Die Bauteile Laser und-Elektronik, die einer Wartung und Instandsetzung bedürfen, können an problemlos zugänglichen Orten untergebracht werden. Da die Verb in bung nur über zwei dünne Lichtleitfasern erfolgt, die auf einer beliebigen Wegstrecke gasdicht mit der Umgebung vergossen werden können, sind auch sicherheitstechnische Probleme leicht lösbar. Die Signalauswertung ist im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren in einer kostengünstigen und kompakten Bauweise realisierbar. Das Photosignal kann im Bedarfsfall ohne Anderung der optischen Komponenten direkt zur quantitativen Messung verwendet werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnung näher erläutert.
In der schematiich dargestellten Ausführungsform wird der TEOO-Mode eines Dauerstrich-Lasers 1 (Gas- oder Festkörperlaser, Laserdiode) in einz an dessen Wellenlänge angepaßten Einzelwellenleiter 2 eingekoppelt. Das Licht wird dann durch die Linse 3 parallelisiert und im Strahlteilerll aufgeteilt. Im Strahlengang der beiden Teilstrahlen ist ein entsprechend dem Auftreffpunkt der beiden Teilstrahlen durchbohrter Spiegel 5 angeordnet. Die beiden Teilstrahlen werden durch die Linse 6 vereinigt, wobei genau am Kreuzungspunkt gemessen wird. Hierzu weist das das Strömungsmedium enthaltende Rohr 7 ein Fenster 8 auf. Der Streulichtkegel wird durch dieselbe Linse 6 aufgefangen und nach Ablenkung durch den Spiegel 5 mittels einer Linse 9 auf den Vielwellenleiter 10 fokussiert. Vor der Linse 9 kann auch eine Blende 11 vorhanden sein, um störendes Licht abzuhalten oder die Lichtmenge zu regeln. Der Vielwellenleiter 10 führt zum optischen Empfänger 12, der vorzugsweise eine Photo-Multiplayer, Photodiode bzw. eine Avalanche-Diode ist und außerhalb des Meßkopfes 13 angebracht wird. Die im Photoempfänger erzeugten elektrischen Signale werden in der Auswerteelektronik 14 in einem Verstärker 15 verstärkt und dann einer Frequenzfilterung durch mindestens zwei Bandpässe 16 unterworfen. Der Frequenzgang des Filters wird dabei durch die vorgegebenen Geschwindigkeitsminima und -maxima sowie die Strahlengeometrie am Meßort bestimmt. Das danach entstandene Signal wird durch einen variablen Verstärker 17 auf die Gesamtstreulichtleistung normiert und sodann in ein Integrationsglied 18 mit einstellbarer Integrationszeit geführt. Das Ergebnis wird über mindestens zwei Komparatoren 19 mit einem in die Schwellendiskriminatoren 20 vorgegebenen Wert verglichen. Zur Einregelung der Verstärker 17 ist ein Tiefpaßfilter 21, ein Integrator 22 und ein Regelglied 23 vorgesehen. Diese Regelschaltung ist vorteilhaft, falls zu viele oder zu wenige Streuteilchen im Strömungsmedium vorhanden sind. Das Regelglied ermöglicht die Eliminierung des Einflusses der einzelnen Teilchenkonzen- trationen. Tritt eine Über- oder Unterschreitung der vorgesehenen Strömungsgeschwindigkeit auf, die länger als eine vorwählbare Zeit andauert, so wird ein elektronischer Schaltimpuls erzeugt, der zur Ansteuerung von Warngeräten eingesetzt werden kann.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Überwachung der Geschwindigkeit bzw. vom Durchsatz von Strömungen zweiphasiger Flüssigkeiten und Gase sowie von Aerosolen nach dem Prinzip der Laser-Doppler-Anemometrie, bei der die in dem Streulicht von zwei an der Meßstelle zum Schnitt gebrachten kohärenten Teilstrahlen enthaltene Information über die Geschwindigkeit elektronisch ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserlicht vor der Strahlteilung in einem Einzelwellenleiter geführt wird und das Streulicht in einen Vielwellenleiter eingekoppelt und zum optischen Empfänger transportiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daPo bei der elektronischen Auswertung mindestens zwei Frequenzbereiche abgetrennt, intensitätsmäßig normiert und zeitlich aufintegriert werden.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, bestehend aus Beleuchtungs- und Beobachtungsoptik, Strahlteiler und Auswerteelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Laserlichtquelle (1) und dem Strahlteiler (4) ein Einzelwellenleiter (2) vorgesehen ist und das Streulicht mittels eines Vielwellenleiters (10) in den optischen Empfänger (12) eingekoppelt wird und daß der optische Empfänger (12) außerhalb des die Beleuchtungsoptik und den Strahlteiler (4) einschließenden Meßkopfes (13) angebracht ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lenkung des Streulichts im Meßkopf (13) ein durchbohrter Reflektor (5) im Strahlengang der beiden Teilstrahlen angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Lt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fokussierung der beiden Teilstrahlen und zur Aufnahme des Streulichts eine einzige Linse (6) und zur Einkopplung des Streulichts in den Vielwellenleiter (10) eine weitere Linse (9) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteelektronik (14) mindestens zwei Bandpaßfilter (16) und Zeitintegrationsglieder (18) vorhanden sind und daß mindestens zwei Komparatoren (19) vorgesehen sind, die einen Vergleich mit vorgegebenen Grenzwerten ermöglichen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche Lt bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bandpaßgefilterten Signale in Abhängigkeit von dem Gesamtstreulicht durch geregelte Verstärkung (17) normierbar sind.