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Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit
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lichtstreuender Objekte, wie Moleküle, kleine Partikel od. dgl.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit
Iichtstreuender Objekte, wie Moleküle, kleinen Partikeln od. dgl., wobei ein Lichtstrahl
mindestens eines Lasers auf ein Meßzentrum gerichtet und durch dort vorhandene Objekte
gestreut wird und wobei gestreutes Licht mittels mindestens eines Detektors aufgenommen
wird sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit lichtstreuender Objekte,
wie Moleküle, kleine Partikel od. dgl. in einem Meßzentrum, mit mindestens einem
Laser, mindestens einer auf das Meßzentrum fokussierenden Abbildungsoptik, mindestens
einer vom Meßzentrum aus gestreutes Licht auf jeweils einen Detektor fokussierenden
und ausblenden Abbi I dungsopt i k .
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Derartige Verfahren und Vorrichtungen dienen zur Messung der Geschwindigkeit
beispielsweise streuender Partikel5 die von einem strömenden Medium mitgeführt werden.
Bei kleinen Teilchen unterscheidet sich die Teilchengeschwindigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit
nur um einen geringen Betrag, so daß die Strömungsgeschwindigkeit en sich bestimmt
werden kann. Mittels so scher Verfahren kann auch die Oberflächengeschwindigkeit
bewegter Körper bestimmt werden. Gattungsgemäße Verfahren und Vorrichtungen werden
beispielsweise zu Strömungsmessungen in Verbren nungsmotoren oder Wi ndgeschwi ndi
gkei tsmessungen über große Abstände hin eingesetzt.
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Zur Bestimmung der Geschwindigkeit von Streutei I chen, strömenden
Medien und zur Bestimmung der Geschwindigkeit bewegter sonstiger Objekte werden
im allgemeinen Lichtschrankenverfahren und Laser-Doppler-Anemometrie-Verfahren eingesellztv
Bei einem Zwei strahl -laser-Doppler-Verfahren werden zwei Laserstrahlen gleicher
Wellen länge auf das Meßzentrum fokussiert5 von wo aus durch die streuenden Objekte
Lichtwellen ausgesandt werden Die bewegten streuenden Objekte sehen dabei die beiden
auftreffenden Lichtstrahlen, die im Ruhesystem gleiche Frequenz aufweisen, mit unterschiedlicher
Frequenz.
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Hierdurch ergibt sich eine niederfrequente Modulation der Streustrahlen
in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Lichtteilchen. Die Strsustrahlen werden
von Fotodetektoren aufgefangen und fuhren zu einem entsprechenden Signal, dessen
Frequenz proportional der Geschwindliglkeit bzw. einer bevorzugten Geschwindigkeitskomponente
der bewegten Teil -chen ist. Dieses Verfahren arbeitet an sich zufriedenstellend,
erfordert aber einen hohen konstruktiven Aufwand, der intensitätsverlust bedeutet
und Fehler bewirken kann.
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Es sei noch erwähnt, daß weiterhin ein Referenzetrah - Verfahren bekannt
ist, bei dem das von einem Meßstrahl herrührende gestreute Licht mit
einem
ungestreuten Referenzstrahl derselben Wellenlänge überlagert und detektiert wird,
wobei die sich ergebende Signalfrequenz zur Bestimmung der Teilchengeschwindigkeit
dient. Nachteilig ist hier allerdings ein sehrschlechtes Signal - Rausch-Verhältnis,
da die Anpassung der Streulichtintensität an die Intensität des Referenzstrahles
schwierig ist. In einem weiteren Verfahren wird unter verschiedenen Richtungen gestreutes
Licht zur Überlagerung gebracht, wodurch wieder über ein Fotodetektor die Geschwindigkeit
der streuenden Teilchen bestimmbar ist. Auch dieses Verfahren weist ein schlechtes
Signal -Rausch-Verhältnis auf da nur enge Detektoröffnungen verwendet werden können,
um die für die Detektion erforderliche räumliche Kohärenz der detektierten Strahlung
zu gewährleisten.
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Der Erfindung liegt daher.die Aufgabe zugrunde,- ein Verfahren zu
schaffen, das in einfacher und bequemer Weise eine zuverlässige Geschwindigkeitsmessung
ohne großen Aufwand ermöglicht. Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mittels eines Verfahrens
zur Bestimmung der Geschwindigkeit lichtstreuender Objekte dadurch gelöst, daß mindestens
ein in das Meßzentrum geführter und dort gestreuter Laserstrahl aus Licht mindestens
zweier verschiedener Wellenlängen besteht. Erfindungsgemäße Vorrichtungen sind dadurch
gekennzeichnet, daß einerseits bei mindestens zwei Lasern eine Abbildungsoptik zur
Überlagerung von den Lasern ausgehender Lichtstrahlen in einen einzigen StrahL vorgesehen
ist, wobei die Laser dann grundsätzlich Einfarben-Laser sein 5 rah,l können, deren
Lichtstrahlen in einemuberlagert werden, und/oder daß mehrere Laser Einfarben-Laser
sind, deren Strahlen durch die Abbildungsoptik zu einem einzigen Strahl vereinigt
werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß das Licht mindestens zweier verschiedener Wellenlängen eine im wesentlichen
übereinstimmende räumliche Intensitätsverteilung aufweist.
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Hierdurch wird gewährleistet, daß das vom Meßzentrum herrührende Streulicht
für alle Streueffekte intensitätsmäßig ausreichend und gleichmäßig angepaßt ist.
Hierdurch ergibt sich ein optimales Signal -Rausch-Verhäl2-nis. Kern des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist also, daß nicht mehr zwei einen verschiedenen geometrischen Weg durchlaufende,
insbesondere unter verschiedenen Winkeln auf das Steuzentrum auftreffende, bzw.
von diesem fortgestreute Strahlen zur Überlagerung gebracht werden, sondern daß
ein Lichtstrahl eines Zweifarbenlasers mit zwei verschiedenen Wellenlängen auf das
Streuzentrum fokussiert wird und in eine Richtung gestreutes Licht von einem Detektor
zur Bestimmung einer Geschwindigkeitskomponente empfangen wird, ohne daß Strahlteiler
od. dgl. vorzusehen wären. Es ist zwar schon bekannt, zur Bestimmung von zwei Geschwi
ndigkeitskomponenten streuender Teilchen Licht zweier ,verschi edener Wellenlängen
aufzuspalten, im Zweistrahiverfåhren auf das Streuzentrum zu richten und mittels
zweier Detektoren aufzufangen. Hierbei werden aber vor den beiden Detektoren jeweils
Filter angeordnet, die lediglich eine der Grundwellenlängen hindurchlassen, so daß
hier schlicht eine Verdopplung des Zweistrahl-Verfahrens angewandt wird und die
einzelnen Geschwindigkei tskomponenten aus der Überlagerung verschiedener Wege durchlaufender
Strahlen gleicher Grundausgangswel lenlänge bestimmt wird, nicht'aber aus Licht
verschiedener Wellenlänge, das einen gleichen Weg durchlaufen hat. D emgegenüber
müssen auch beim erfindungsgemäßen Verfahren grundsätzlich, insbesondere mit einem
Zweifarben-Meßstrahl keine Filter vorgesehen sein und haben, falls sie vor den Detektoren
vorgesehen werden, eine prinzipiell andere Funktion, nämlich einem anderen Detektor
zuzuordnende und dort detektierte Farben auszub 1 enden.
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Während gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen sein kann, daß bei Einsatz eines Mehrfarbenlasers mit mehr als zwei Wellenlängen
unerwünschte Wellenlängen vor dem Meßzentrum ausgeblendet werden ist eine äußerst
bevorzugte Ausgestaltung gekennzeichnet, durch den Einsatz eines Zweifarbenlasers.
Grundsätzlich
ist bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
in Rei!nform vorgesehen, daß das Streulicht ungefiltert direkt in den Detektor eintritt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch mit bekannten Verfahren kombiniert
werden. In diesem Falle sollen gemeinsam nur die beiden Wel lenlängenkomponenten
eines gleichen Strahl es mittels eines Detektors aufgenommen werden, während gegebenenfalls
andere Wellenkomponenten, die an sich dem bekannten Verfahren zugeordnet sind, vom
dem erfindungsgemäßen Verfahren zuzuordnenden Empfänger nicht aufgenommen werden
sollen. In diesem Falle kann auch vorgesehen sein, daß Licht unerwünschter Wellenlängen
vor dem Detektor ausgefiltert wird.
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Die beiden Wel lenlängenkomponenten des erfindungsgemäßen Verfahrens
treten aber durch einen solchen Filter ungefiltert hindurch.
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Bei einer stationären Bewegung können mehre Geschwindigkeitskomponenten
dadurch bestimmt werden, daß der Empfänger bewegt wird und mehrere Messungen in
verschiedenen Empfängerstellungen durchgeführt werden.. Zur Bestimmung mehrerer
Ge schwindigkeitskomponenten istaber gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen,
daß das Streulicht mittels mindestens zweier unter einem endlichen Winkel zueinander
ausgerichteter Detektoren gefangen wird. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist
vorgesehen daß in zwei genau entgegengesetzten Richtungen, also unter einem gegenseitigen
Winkel von 180° gestreutes Licht in den Detektoren aufgenommen wird. Hierdurch wird
erreicht, daß die gemessenen Geschwindi gkeitskomponenten zueinander senkrecht stehende
Komponenten sind.
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Gemäß einerweiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß
der Laserstrahl unter einem endlichen Winkel zu einer vorgegebenen Symmetrieachse
auf das Meßzentrum gerichtet wird und gestreutes Licht unter einer
Richtung
detektiert wird, die zum Lichtstrahl bezüglich der Symmetrieachse symmetrisch liegt.
Hierdurch kann die Geschwindigkeitskomponente entlang der Symmetrieachse bestimmt
werden, was mit dem bekannten Verfahren bis auf das Referenzstrahl-Verfahren nicht
möglich war. Es ist also mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich die genannte
Komponente mit einem hohen Signal -Rausch-Verhältnis zu bestimmen, während beim
Referenzstrahl Verfahren das Signal-Rausch-Verhältnis grundsätzlich schlecht ist.
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Gemäß einer konkreten Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit einem an sich bekannten Zweisitrahl-Verfahren kann vorgesehen sein, daß der
Lichtstrahl eines mehr als Zweifarbenlasers, insbesondere eines-Dreifarbenlasers,
in mindestens zwei Strahikomponenten aufgespaltet wird, daß aus der einen Strahlkoponente
bis auf eine Wellenlänge (Farbe) alle anderen Wellenlängen ausgeblendet werden,
daß beide Strahlkomponenten auf das Meßzentrum fokussiert werden und gestreutes
Licht von mindestens zwei Detektoren aufgefangen wird, wobei vor mindestens einem
Detektor durch ein Filter alle Wellenlängen bis auf die eine Wellenlänge der einen
Strahlkoponente ausgefiltert werden und in den anderen Detektor lediglich zwei Wellenlängen
der anderen Strahlkompone'thindurch gelassen werden5 die von der ersten Wellenlänge
verschieden sind.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht
vor5 daß die Abbildungsoptiken derart angeordnet sind, daß in relativ zueinander
entgegengesetzten Richtungen vom Meßzentrum gestreutes Licht jeweils in die Detektoren
fällt. Diese konstruktive Ausgestaltung ermöglicht die Bestimmung von zueinander
senkrecht stehenden Geschwindigkeitskomponenten Wenn weiterhin die Vorrichtung derart
auf -gebaut ist, daß mindestens einer der Detektoren und seine zugehörige Abbi ldungsoptik
derart angeordnet sind, daß sie einen Streustrahl empfangen,
der
symmetrisch zum Lichtstrahl relativ zu einer Vorzugsrichtung gerichtet ist, so kann
eine Geschwindigkeitskomponente in bevorzugter Richtung gemessen werden. Durch das
erfindungsgemäße Verfahren können Geschwindigkeitskomponenten-M essungen grundsätzlich
in beliebigen Richtungen, insbesondere auch in Rück strahlrichtung vorgenommen werden.
Dies ist wichtig, da bei vielen Messungen nur bestimmte Beobachtungsfenster zum
zu messenden Medium gegeben sind und insbesondere bei Windgeschwindigkeitsmessungen
in großer Höhe die Messung in weitgehender Rückstreuung die einzige Möglichkeit
ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt: Figur 1 Eine erste,
Grund-Ausführungsform der Erfindung; Figur 2 ein bei der Ausführungsform der Fig.
1 erhaltenes Signal am Ausgang des Detektors nach Hochpaßfilterung; Figur 3 - eine
besondere Ausführungsform der Erfindung zur Bestimmung zweier Geschwindigkeitskomponenten,
aus denen eine entlang einer Vorzugsrichtung liegt; Figur 4 eíne Ausführungsform
der Erfindung zur Bestimmung einer Geschwind i gk eitskomponente mit simultaner
Bestimmung einer anderen Geschwindigkeitskomponente in an sich bekannter Weise;
und Figur 5 eine weitere bevorzugte Ausführungsform Bei dem in Figur 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Geschwindigkeit u von im einzelnen nicht
dargesteliten Partikeln in einem Meßzentrum 10 bestimmt. Hierzu ist ein Zweifarbenlaser
12 vorgesehen, der Licht mit zwei Farben der Wellenlängen > 1 und
in
2 in der Richtung 1 1 aussendet. Es ist eine Sammellinse 14 zur weitgehenden Fokussierung
des Lichtstrahls 16, auf das Meßzentrum 10 im Strahl gang des Lichtstrahls 10 angeordnet.
Im Meßzentrum 10 wird von den dort vorhandenen Teilchen Licht grundsätzlich in allen
Richtungen und insbesondere elastisch gestreut. In im wesentlichen der Streuchrichtung
I 2 wird Streulicht 18 von einem Detektor 20 nach Fokussierung mittels einer Sammellinse
22 auf diesemDetektor 20 aufgefangen. Aufgrund der Bewegungsgeschwindigkeit u der
Teilchen sehen die Teilchen einerseits in der Frequenz gegenüber den Ausgangsfrequenzen
des Lasers verschobenes Licht wobei die Frequenzverschiebung eine Funktion der Geschwindigkeit
der Teilchen ist, andererseits sieht der Fotoempfänger ebenfalls Licht mit verschobenen
Frequenzen gegenüber der Frequenzen des von den Teilchen gestreuten Lichts in einem
mit den jeweils streuenden Teilchen verbundenen Bezugssystem, ebenfalls als FunkffDn
der Tei lchengeschwindigkeit u. Aufgrund der Kleiheit der Teilchengeschwindigkeit
u gegenüber der Lichtgeschwindigkeit ergibt sich eine Überl agerungsfrequenz; die
vom Detektor auflösbar ist und an seinem Ausgang ein Signal mit einer Frequenz bedingt,
die der Geschwindigkeit der Streuobjekte oder Streupartikel proportional ist, wobei
ein solches Signal nach Hochpaßfilterung in der Fig. 2 dargestellt ist. Aus diesem
Signal kann in an sich bekannter Weise die Frequenz und nach einmal vorher vorgenommener
Normierung, bei -spielsweise mittels herkömmlicher Methoden die Geschwindigkeit
der Teilchen bestimmt werden. Wenn von Geschwindigkeit der Teilchen die Rede ist,
so wird eigentlich die Geschwiridigkeitskomponente der Streuteilchen gemessen, die
einerseits in der Ebene des Lichtstrahls 16 und der Richtung des detektierten Streustrahlanteils
18 liegt (Richtung I
und andererseits senkrecht zur Winkelhalbierenden
dieser Richtungen 115 12, verläuft. Die tatsächliche Geschwindigkeit der Teilchen
nach Bedarf und Richtung kann dadurch erhalten werden, daß mit dem Detektor 20 aus
drei verschiedenen Streurichtungen Messungen vorgenommen werden, die nicht in einer
gemeinsamen Ebene liegen. Genauso gut können drei verschiedene Detektoren in verschiedenen,
ebenfalls nicht koplanaren Richtung vorgesehen sein.
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Eine solche Bestimmung zweier verschieden gerichteter Geschwindigr
keitskomponenten der Teilchen ist in der Fig. 3 dargestellt, wobei die dortige Darstellung
noch eine Besonderheit aufweist. Grundsätzlich ist es aufgrund der lntensitätsverhältnisse
zwischen direktem Lichtstrahl 16 und.gestreutem Strahl 18 schwierig bzw. unmöglich
die Geschwindigkeitskomponente von Teilchen in Richtung des Lichtstrahls 16 zu bestimmen.
Soll die Geschwindigkeitskomponente u3 in erfindungsgemäßer Weise bestimmt werden
(Fig. 3) so wird das Licht eines Mehrfarbenlasers 32 über ein Umlenkprisma 33 und
gegebenenfalls - soweit der Laser mehr als zwei Wellenlängen aufweist - einen optischen
Bandfilter 35 für die interessierenden Wellenlängen ;;t 1 und 2 sowie schließlich
mittels einer Linse 34 unter einem endlichen Winkel zur Geschwindigkeitsrichtung
u3 auf das Meßzentrum- 10 fokussiert.
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Zur Bestimmung der Geschwindigkeitskomponenten.u1 und u3 sind zwei
Detektoren 30 und 40 r vorgesehen, auf die die Streustrahlung aus dem Meßzentrum
10 mittels der Linse 42 sowie über eine Maske 44 und eine Blende 46 bzw. mittels
der Linse 34, über eine Maske.44', durch eine Linse 42' sowie über eine Blende 46'
fokussiert. Bei der Anordnung der Fig. 4 werden durch die Detektoren 40, 40' Streustrahlen
detektiert, die vom Meßzentrum 10 in genau entgegengesetzte Richtungen, also unter
180° zueinander gestreut werden. Durch die Messung dieser
unter
180° zueinander gestreuter Streustrahlen 38 und 38' werden Geschwindigkeitskomponenten
ul und u3 bestimmt, die zueinander senkrecht stehen. Dies ergibt sich jeweils gerade
daraus, daß die Geschwindigkeitskomponente durch ein Detektor gemessen wird, die
in der Ebene des Lichtstrahls 36 und des gestreuten Strahl es 38 bzw. 38' liegt
und zur Winkelhalbierenden der Strahlen senkrecht steht.
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Das erfindungsgemäße Meßverfahren kann mit bekannten Meßverfahren
kombiniert werden. In der Fig. 4 ist ein Mehrfarbenlaser 52 dargestellt, dessen
Strahl 56 über einen Strahlteiler 53 in zwei Strahlkomponenten 56' und 56' aufgespalten
wird. Insofern handelt es sich im Prinzip um ein Zweistrahl-Laser-Doppler-Anemometer.
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Gegenüber der an sich bekannten Anordnung weist aber die Strahl -komponente
56' im dargestellten Ausführungsbeispiel Licht dreier Wellenlängen # # und # auf,
während die 1' 2 3 Strahlkomponente 56" aufgrunddes Durchgangs durch ein optisches
Bandfilter 55 nur, noch die Wellenlänge Lambda 1 aufweist.
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Beide Strahlkomponenten 56' und 56'' werden mittels der Sammellinse
54 auf das Meßzentrum 10 fokussiert und von den dort vorhandenen Partikeln wird
das eingestrahlte Licht dann in schon erläuterter Weise gestreut. Die Geschwindigkeitskomponenten
u1 und u werden dann durch die Detektoren 60 und 60' gemessen, von denen Streulicht
58 bzw. 58' über Masken 64, Linsen 62 sowie Blenden 66 bzw. Maske 64', Linse 62'
und Blende 66' empfangen wird. Dabei ist zu beachten, daß vor dem Detektor 60 zwischen
Linse 62 und Blende 66 noch ein Filter 68 angeordnet ist, das lediglich Licht,der'Grundwellenlänge
#1 durchläßt, während vor dem Detektor 60' ein Filter 68' angeordnet ist, das lediglich
Licht der Grundwellen längen ;t 2 und
#3 durchläßt, aber Licht
der Grundwellenlänge ;t Ä ausfiltert. Der Detektor 60 mißt also zur Bestimmung der
Geschwindigkeitskompo nente u1 in herkömmlicher Zweistrahl-Meßmethode die durch
Überlagerung der Wellenlänge ;41 1 in den beiden Strahlkoponenten 56' und 56t '
durch die Teilchen-im Streuzentrum 10 gesehene Schwebungsfrequenz, während der Detektor
60' zur Bestimmung der Geschwindigkeitskomponente uk lediglich Licht der beiden
Wellenlängen X 2, 3 der Strahlkoponente 56' alleine empfängt, also entsprechend
des erfi ndungsgemäßen Einstrah-Zweifarben-Verfahrens arbeitet. Der Detektor 60
empfängt also ein Signal, das dem eines herkömmlichen Zweistrahl-Systems entspricht,
während der Detektor 60' ein erfindungsgemäßes Signal empfängt.
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Die Fig. 5 zeigt zwei weitere äußerst bevorzugte Merkmale der Erfindung.
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Nur diese sollen im folgenden herausgestellt werden, während auf Einzelheiten
nicht weiter eingegangen wird, diese vielmehr grundsätzlich vorher beschriebenen
Ausgestaltungen entsprechen. Zunächst wird bei der Ausgestaltung der Fig. 5 der
einzelne ins Meßzentrum 10 gerichtete Lichtstrahl 76 mit den Wellenlängen # 1' #
2 durch zwei Einfarbenlaser 1' 2 71, 72 durch eine Abbildungsoptik 73 an geeignet
angeordneten Prismen erzeugt wird, indem die Einzelstrahlen der Laser 71, 72 überlagert
werden. Ein ins Streuzentrum gerichteter erfindungsgemäßer Meßstrahl mit mehr als
einer Farbe oder Wellenlänge kann also durch einen entsprechenden Mehrfarbe nlaser
oder Überlagerung der Einzel strahlen mehrerer Laser erzeugt werden, Weiterhin zeigt
die Fig. 5 die gleichzeitige Messung dreier Geschwindigkeitskomponenten u1, u2,
u3 eines bewegten Mediums mittels dreier Detektoren 81, 82, 83, so daß hierdurch
die momentane Gesamtgeschwindigkeit des Mediums gemessen werden kann und nicht en
nur einzelne Komponenten bzw. zeitlich versetzte Messung/sämtlicher Komponenten.
Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere bei Messungen nicht stationärer Strömungen
vorteilhaft.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den
Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in
beiiebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen
Ausführungsformen wesentlich sein.
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