DE3510387A1

DE3510387A1 - Zonen-anemometer

Info

Publication number: DE3510387A1
Application number: DE19853510387
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-03-22
Filing date: 1985-03-22
Publication date: 1986-10-02

Description

Beschreibung
Zur Messung der Geschwindigkeit strömender Flüssigkeiten und Gase sind zahlreiche Verfahren so gut bekannt, daß sie hier nicht alle aufgeführt und beschrieben zu werden brauchen. Nur auf eines der bekannten Meßverfahren soll kurz eingegangen werden, da seine Meßmethode dem der Erfindung zugrunde liegenden sehr ähnlich ist, das jedoch gegenüber letzterem einen unvergleichlich viel höheren Aufwand erfordert. Es handelt sich um das sogenannte Zweistrahl-Doppler-Anemometer. Bild 1 zeigt das Meßprinzip. Zwei kohärente Laserlichtbündel werden so überlagert, daß sie im Meßvolumen ein stehendes Interferenzfeld mit äquidistanten Interferenzebenen liefern. Die Zahl der Interferenzebenen pro Länge ist g = «2 sin m). Hierbei ist 2 die Wellenlänge des Laserlichtes und 2 oder Winkel unter dem sich die Laserlichtbündel kreuzen. - Man sieht sofort, daß in der Praxis g nur etwa zwischen 2 und 3 2 veränderbar ist. - Bewegen sich in der Strömung vorhandene Streuteilchen mit der Geschwindigkeit v senkrecht zu diesen Ebenen, so werden sie abwechselnd beleuchtet und nicht beleuchtet. Ein in Vorwärtsstreurichtung stehender Fotoempfänger empfängt daher eine "Aufleuchtfrequenz" f = v/g. Da die Streuteilchen statistisch verteilt das Meßvolumen passieren, ist dem Fotoempfänger eine geeignete elektronische Schaltung nachgeschaltet, die es gestattet, die »Aufleuchtfrequenz" herauszufiltern, z.B. ein Lock-in Verstärker. Die Anzeige erfolgt mit einem üblichen Frequenzmesser. Es sei darauf hingewiesen, daß der Zahlenwert der gemessenen Frequenz nicht unmittelbar mit dem Zahlenwert der zu messenden Geschwindigkeit in einer üblichen Einheit (z.B. m/s) übereinstimmt.
Gegenstand der Erfindung ist das "Lichtzonen-Anemometer". Bei diesem werden im Meßvolumen periodisch abwechselnde helle und dunkle Ebenen, die Licht zonen" nicht durch Interferenz zweier kohärenter Laserlichtbündel, sondern auf verschiedene unten beschriebene sehr viel einfachere und dadurch erheblich preiswertere Weisen erzeugt. Außerdem kann die Zahl der Lichtzonen pro Länge und damit die "Aufleuchtfrequenz" sehr einfach so an den gewünschten Meßbereich der Strömungsgeschwindigkeiten angepaßt werden, daß der zur Anzeige dienende Frequenzmesser bis auf einen dezimalen Faktor einen Zahlenwert anzeigt, der mit demjenigen der Strömungsgeschwindigkeit in einer geeigneten Einheit,z.B. m/s, übereinstimmt.
Schließlich können ebenso einfach Korrekturfaktoren für verschiedene Strömungsprofile in Rohren berücksichtigt werden, so daß die Anzeige direkt für Volumenstrom-Messungen in einer passenden Einheit kalibrierbar ist. Durch einfaches Umschalten eines digitalen Frequenzmessers auf Periodenzählung ist das Gerät deshalb auch unmittelbar als Volumenmesser benutzbar. Wird darüber hinaus z.B. die Meßdauer z.B. in Kraftfahrzeugen an eine gefahrene Strecke gekoppelt, beispielsweise durch Tor-lmpulse von einem elektronischen Kilometerzähler, so kann sehr einfach der Kraftstoffverbrauch pro Strecke angezeigt werden.
Die periodischen Lichtzonen (Bild 2) können auf verschiedene Weise erzeugt werden. In einem bereits reali- sierten Gerät zur Messung des Volumenstromes von Leitungswasser (Bild 3) wird ein Strichgitter in ein durchsichtiges Glasrohr projiziert. Das Strichgitter mit geeigneter Zahl von Strichen pro Länge ist als Diapositiv realisiert. Es kann dadurch sehr einfach ausgewechselt werden, wodurch Änderungen des Meßbereiches sowie Berücksichtigung von Korrekturfaktoren sehr leicht möglich sind. - Bei dem Prototyp des Gerätes wurden auf Anhieb relative Meßfehler unter 2% erzielt.
Eine andere Möglichkeit zur Realisierung der Lichtzonen ist einfaches Aufbringen äquidistanter lichtundurchlässiger Streifen auf einem durchsichtigen Rohr (Bild 4), z.B. durch Lack, und Beleuchtung mit parallelem oder diffusem Licht. Auf weitere Möglichkeiten, z.B. äquidistant angeordnete tumineszensdioden, entsprechend am Rohr angebrachte Lichtleiter oder ähnliches sei hier nur hingewiesen. Alle Anordnungen sind wesentlich preiswerter -als zwei kohärente Laserstrahlen und, wie oben gezeigt, bezüglich der Anzeige viel flexibler.
Es sei noch darauPhingewiesen, daß, wie bei der Doppler-Anemometrie, das Meßverfahren auf durchsichtige, Streuteilchen enthaltende Medien beschränkt ist. Bei Leitungswasser reicht bereits die natürliche Trübung aus, was auch bei vielen anderen Stoffen der Fall ist.
Gegebenenfalls können'aber auch Streuteilchen in bekannter Weise beigemischt werden, z.B. in Form von Luftblasen, Schwebeteilchen oder Farbstoffen. Schließlich ist klar, daß der Wellenlängenbereich des verwendeten Lichtes dem Transmisssionsspektrum des zu messenden Mediums angepaßt werden kann. Außerdem kann statt Licht Ultraschall verwendet werden, wobei der Fotoempfänger durch einen Schallempfänger zu ersetzen ist.
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Claims

Patentansprüche 1. Lichtzonen-Anemometer zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Streuzentren enthaltenden Medien unter Verwendung von Licht, dessen Spektrum dem Transmissionsspektrum des zu messenden Mediums angepaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß senkrecht zur Strömungsrichtung abwechselnd helle und dunkle Zonen auf andere Weise als durch Überlagerung zweier kohärenter Lichtbündel erzeugt werden, so daß Streuzentren in der Flüssigkeit bei Bewegung durch die Lichtzonen abwechselnd beleuchtet oder nicht beleuchtet werden , was von einem Fotoempfänger registriert wird, und wobei die Grundfrequenz der Lichtwechsel direkt der Zahl der hellen und dunklen Zonenpaare pro Länge und der mittleren Strömungsgeschwindigkeit proportional ist.
2. Lichtzonen-Anemometer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtzonen durch Projektion eines Strichgitters in ein transparentes, die Strömung führendes Rohr erzeugt werden.
3. Lichtzonen-Anemometer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtzonen durch lichtundurchlässige äquidistante Streifen auf der Wandung eines transparenten, die Strömung führenden Rohres und durch seitliche Beleuchtung mit Licht erzeugt werden.
4. Lichtzonen-Anemometer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtzonen durch eine Reihe äquidistanter Lumineszenzdioden oder anderer Lichtquellen parallel zur Strömungsrichtung erzeugt werden.
5. Lichtzonen-Anemometer gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Zonenpaare pro Länge so gewählt ist, daß ein angeschlossener Frequenzmesser direkt die Strömungsgeschwindigkeit in m/s oder einer anderen zweckmäßigen Einheit anzeigt.
6. Lichtzonen-Anemometer gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbereich durch einfaches Wechseln des Strichgitters, z.B. in einem Diapositiv-Halter, geändert werden kann.
7. Lichtzonen-Anemometer gemäß einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom vom -Frequenzmesser direkt in einer zweckmäßigen Einheit angezeigt wird, wobei theoretisch oder empirisch ermittelte Strömungsprofile im Rohr durch geeignete Wahl der Lichtzonenpaare pro Länge einkalibriert werden können.
8. Lichtzonen-Anemometer gemäß einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtzonen mit einer geeigneten Optik nur in einem kleinen Teilvolumen der Strömung scharf abgebildet werden, so daß das Meßsignal nur aus diesem Teilvolumen stammt.
9. Lichtzonen-Anemometer gemäß Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß statt des Frequenzmessers ein Periodenzähler angeschlossen ist, so daß direkt das Gesamtvolumen in der vorgegebenen Meßzeit angezeigt wird.
10. Lichtzonen-Anemometer gemäß Anspruch 1 bis 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Periodenzähler durch eine andere Meßgröße eingeschaltet und gestoppt wird,z.B im Kraftfahrzeug durch zwei Torimpulse zu Beginn und Ende einer bestimmten Strecke, so daß direkt das Volumen pro Strecke angezeigt wird.
11. Zonen-Anemometer gemäß Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß statt Lichtzonen Ultraschallzonen und statt des Lichtempfängers ein Schallempfänger verwendet wird.