DE3516035A1

DE3516035A1 - Verfahren und anordnung zur photoelektrischen stroemungsmessung von gasfoermigen medien

Info

Publication number: DE3516035A1
Application number: DE19853516035
Authority: DE
Inventors: Nebojsa Dipl.-Phys. 4630 Bochum Cvetkovic
Original assignee: PIPELINE ENGINEERING GES fur
Current assignee: PIPELINE ENGINEERING GES fur
Priority date: 1985-05-04
Filing date: 1985-05-04
Publication date: 1986-11-06

Description

Verfahren und Anordnung zur photoelektrischen
Strömungsmessung von gasförmigen Medien Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur photoelektrischen Strömungsmessung von gasförmigen Medien, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums über einen repräsentativen Querschnitt einer Rohrmeßstrecke nach dem Laser-Doppler--Prinzip gemessen und unter Verwendung eines Rechners ausgewertet wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Zur Bestimmung von Massenflüssen gasförmiger Medien werden in der Gas industrie derzeit überwiegend Turbinenradgaszähler oder Blendenmeßgeräte verwendet. Bei beiden Gerätegattungen lassen sich in der Praxis Meßfehler von t 1% selbst bei extrem engen Fertigungstoleranzen nicht unterschreiten. Dies liegt vor allem daran, daß ein zu messendes Geschwindigkeitsfeld bereits durch den Meßaufnehmer selbst gestört wird.
Angesichts der bei der Gasverteilung, -versorgung und insbesondere beim Gastransport zu erfassenden extrem hohen Gasmengen erhält das Problem der Verringerung des Fehlerbereichs bei der Volumen- und Massenflußmessung eine erhebliche volkswirtschaftliche Bedeutung.
In der Zeitschrift "gwf-Gas/Erdgas", 1984, Heft 4, SS 179-185 ist ein Laser-Doppler-Verfahren der eingangs genannten Art zur Durchflußmessung beschrieben, das eine Präzisionsmessung im Durchflußbereich von 64-2500 m3/h im Normzustand ermöglichen soll. Um die Meßfehler auf etwa 0,2% zu begrenzen, ist die bekannte Meßanordnung als Zweikanal-Anemometer zur simultanen Messung von zwei Geschwindigkeitskomponenten in der Austrittsfläche einer besonders gestalteten Meßdüse ausgebildet. Die beiden Geschwindigkeitsmessungen finden jeweils unter 45C gegen die Hauptströmungsrichtung versetzt statt, und zwar mit Hilfe von zueinander orthogonal angeordneten Strahlbündelpaaren. Die Strahlaufteilung erfolgt mit Hilfe optischer Strahlaufteiler. Das von in dem Strömungsmedium mitgeführten Teil chen gestreute Licht wird auf der der Einfallseite gegenüberliegenden Seite aufgefangen und in einer zweikanaligen elek tronischen Signalverarbeitungskette zur Gewinnung eines Geschwindigkeitssignals verarbeitet. Die Netzmessung in der Düse, d.h. die Verschiebung des Schnittvolumens, geschieht durch Traversierung des gesamten Laser-Doppler-Anemometers relativ zur Düse mit einem in den drei Raumrichtungen positionierbaren XYZ-Verschiebetisch. Nach dem bisherigen Entwicklungsstand sind sowohl der apparative als auch der betriebliche Aufwand für eine einzige Durchflußmeßstelle erheblich.
Hier greift die Erfindung ein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe einer besonderen Entwicklung eines Einstrahlmusters der Laserstrahlbündel in die Rohrmeßstrecke die Meßaufnahme und die Signalauswertung zu vereinfachen und dadurch den betrieblichen und apparativen Aufwand bei der Präzisionsmessung von Gas-Massenströmen herabzusetzen.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Laserstrahlbündel durch ein mit konstanter Geschwindigkeit bewegtes Beugungsgitter geleitet und in wenigstens zwei Teilstrahlbündel mit unterschiedlichen Lichtfrequenzen aufgespalten wird, daß die Teilstrahlbündel danach durch eine Einstrahloptik kollimiert und unter Fokussierung auf ein Volumenelement im Medium unter einem vorgegebenen Schnittwinkel in die Rohrmeßstrecke eingestrahlt werden; daß nach Umwandlung des die Detektoranordnung erreichenden Lichts in eine elektrische Signalfrequenz und Vergleich mit einer Referenzfrequenz die Dopplerverschie bung an dem Volumenelement und daraus die Geschwindigkeit des Mediums in dem Volumenelement bestimmt werden; daß die Geschwindigkeitsbestimmung für mehrere über den Querschnitt der Rohrmeßstrecken verteilte Volumenelemente wiederholt wird, wobei die in die Rohrmeßstrecke eingestrahlten Teilstrahlbündel auf unterschiedliche Volumenelemente fokussiert werden; und daß die Dichte des gasförmigen Mediums gemessen und mit der Strömungsgeschwindigkeit zur Bestimmung des Massenflusses multipliziert wird.
Mit diesem Verfahren läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit des jeweiligen Schnittvolumenelements der beiden Strahlenbündel mit der für Laser-Doppler-Anemometer charakteristischen hohen Meßgenauigkeit von ca. +0,1% bestimmen. Die wiederholte Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich anderer Schnittvolumen der beiden Teilstrahlbündel ergibt ein Geschwindigkeitsprofil, dessen Integration nach geeigneter Mittelwertbildung die für den zu erfassenden Meßstreckenquerschnitt maßgebliche Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Der Massenfluß des gasförmigen Mediums ist das Produkt aus den Meßwerten der Geschwindigkeit, der Dichte und dem konstanten 32 Rohrquerschnitt (kg/s = m/s.kg/m .m ). Die erfindungsgemäß vorgesehene Methode der Strahlaufspaltung durch Beugung und Ausnutzung der Beugungsbilder erster Ordnung vereinfacht die Signalverarbeitung bei der Auswertung und macht die Meßwerte unabhänggig vom llf-Rauschen photoelektrischer Wandler und Verstärkereingänge.
Vorzugsweise erfolgt die Aufspaltung des Laserstrahlbündels in zwei Lateralkoordinaten, wobei ein ungebeugtes Teilstrahlbün del mit der Emissionsfrequenz des Laserlichts als gemeinsames Referenzstrahlbündel für beide Lateralkoordinaten verwendet wird. Die simultane Messung von zwei Geschwindigkeitskomponenten erfolgt daher bei der Erfindung mit Hilfe von nur drei Teilstrahlbündeln, deren Licht in einer festen Phasenbeziehung steht. Bei der Signalauswertung werden zur Bestimmung der beiden Geschwindigkeitskomponenten aber nur die Differenzfrequenzen zwischen dem in jeder Lateral komponente gebeugten Licht und dem Referenzlicht benötigt. Redundant ist daher die Beziehung zwischen dem gestreuten Licht der in beiden Lateralkomponenten gebeugten Lichtstrahlen untereinander, und diese Information kann sowohl zur Erleichterung der Kalibrierung als auch zu Kontrollzwecken bei der elektronischen Auswertung herangezogen werden. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt daher in der genaueren und zuverlässigen Unterscheidung der beiden lateralen Geschwindigkeitskomponenten.
Bei der Auswertung werden beide Geschwindigkeitskomponenten in elektrische Drehfeldsignale umgewandelt und in einem Rechner zur Bestimmung der Effektivgeschwindigkeit geeignet verarbeitet.
Vor dem Eintritt in die Rohrmeßstrecke wird das Licht in allen für die Geschwindigkeitsmessung verwendeten Teilstrahlbündeln zirkular polarisiert. Hierdurch werden Depolarisationseffekte an optischen Durchtrittsflächen im wesentlichen eliminiert.
Die Einbeziehung der Empfangsoptik in die Einstrahl- bzw.
Sendeoptik durch Auffangen des gestreuten und dopplerverschobenen Lichts entgegen der Einstrahlrichtung verringert wesentlich den apparativen und betriebsmäßigen Aufwand bei der Lageänderung des jeweils im Teilstrahlenfokus liegenden Volumenelements. Zur Abtastung des repräsentativen Querschnitts der Rohrmeßstrecke genügt die schrittweise Bewegung einer einzigen Komponente der Einstrahloptik. Das mit dieser kombinierte Empfangssystem ändert dabei die optische Geometrie analog mit der Einstrahloptik, so daß die grundsätzlichen optischen Sende- und Empfangscharakteristiken im Verhältnis zueinander gleich bleiben. Zur Abtastung des repräsentativen Querschnitts der Rohrmeßstrecke können die in letztere eingestrahlten Teilstrahlbündel um eine zur Rohrachse parallele Schwenkachse gemeinsam verschwenkt werden. Dies führt zu einem Verschwenken des Schnittvolumenelements entlang einer Teilkreiskurve innerhalb einer Radialscheibe des Rohrquerschnitts. Andererseits kann das Volumenelement, auf das die Teilstrahlen fokussiert werden, auch quer zur Hauptströmungsrichtung des Mediums entlang einer Sehne im wesentlichen geradlinig verschoben werden.
Die Dichtemessung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Mach--Zehnder- oder Gitter-Interferometers, dessen Licht aus dem für die Geschwindigkeitsmessung notwendigen Laserlicht ausgekoppelt werden kann.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Schnittwinkel zwischen dem Referenzstrahlbündel und dem wenigstens einen, um die Bewegungsfrequenz des Beugungsgitters frequenzverschobenen Teilstrahlbündel in Abhängigkeit von dem Mediendruck eingestellt wird. Auf diese Weise ist eine zuverlässige Präzisionsmessung auch dann möglich, wenn das Verfahren bzw. die zugehörige Meßanordnung bei stark unterschiedlichen Mediendrücken und entsprechend unterschiedlicher Dichte der von der Gasströmung mitgeführten Streuteilchen eingesetzt wird. Anstelle des Mediendrucks wird vorzugsweise das für die Strömungsmessung verwendete Dichtemeßsignal zur kontinuierlichen oder schrittweisen Steuerung des Schnittwinkels und damit zur Kompensation des Einflusses von ausgeprägten Druckunterschieden verwendet.
Eine besonders hohe Intensität des Empfangssignals, d.h. des empfangenen dopplerverschobenen Lichts, läßt sich in Weiterbildung der Erfindung dadurch erreichen, daß von dem Volumenelement vorwärtsgestreutes Licht in den Empfangsstrahlengang reflektiert und zusätzlich zum rückwärtsgestreuten Licht über den Empfangsstrahlengang der Detektoranordnung zugeführt wird.
Ausgehend von einer Anordnung zur Strömungsmessung von gasförmigen Medien in einer wenigstens teilweise lichtdurchlässigen Rohrmeßstrecke, bei der wenigstens zwei Laser-Lichtstrahlbündel über eine Einstrahloptik auf ein Volumenelement des Mediums in der Rohrmeßstrecke fokussierbar sind, von dem Volumenelement gestreutes und dopplerverschobenes Licht über eine Empfangsoptik auffangbar und zu einer Detektoreinrichtung übertragbar ist und das von der Detektoreinrichtung empfangene, die Dopplerverschiebung darstellende Signal unter Verwendung eines Rechners in ein der Strömungsgeschwindigkeit des bestrahlten Volumenelements des Mediums entsprechendes Meßsignal umgewandelt wird, wobei eine Scannereinrichtung zur Abtastung eines repräsentativen Querschnitts der Rohrmeßstrecke durch Änderung der Lage des Volumenelements vorgesehen ist, sieht die Erfindung vor, daß im Emissionsstrahlengang eines Lasers wenigstens eine ein mit voreingestellter Geschwindigkeit bewegtes wirksames Beugungsgitter aufweisende Beugungsgittereinrichtung zum Aufspalten des Laserlichts in ein ungebeugtes Teilstrahlbündel und ein in der ersten Ordnung gebeugtes Teilstrahlbündel angeordnet ist, daß die aufgespaltenen Teilstrahlbündel durch die Einstrahloptik entlang getrennter optischer Achsen geführt sind, daß die Einstrahloptik ein Kollimatorsystem zum Kollimieren der in die Rohrmeßstrecke eingestrahlten Teilstrahlbündel entlang ihrer jeweiligen optischen Achsen und optische Mittel zum Auffangen eines von dem Volumenelement rückgestreuten Lichtkegels aufweist und daß ein Dichtemeßgerät zum Messen der Dichte des gasförmigen Mediums vorgesehen ist, dessen Meßsignal zusätzlich zu dem der Strömungsgeschwindigkeit entsprechenden Meßsignal zur Bestimmung des Massenflusses des gasförmigen Mediums dem Rechner zuführbar ist.
Die Beugungsgittereinrichtung ist in bevorzugter Ausführung ein akusto-optischer Deflektor mit einem Oszillator, dessen Frequenz der Laserlichtfrequenz in dem dem Beugungsbild erster Ordnung entsprechenden Teilstrahlbündel überlagert wird.
In dem Strahlengang des ungebeugten Teilstrahlbündels ist ein zweiter akusto-optischer Deflektor in solcher Anordnung vorgesehen, daß seine Beugungsrichtung zu derjenigen des ersten akusto-optischen Deflektors orthogonal verläuft, so daß die Aufspaltung des Laserstrahls in zwei Lateralkoordinaten erfolgt, wobei das den zweiten Deflektor ungebeugt verlassende Laserstrahlbündel als gemeinsames Referenzstrahlbündel für beide Lateralkoordinaten vorgesehen ist.
In der Auswerteeinrichtung werden die Signalfrequenzen zunächst rein analog und daher mit hoher Genauigkeit in proportionale Drehfeldsignale umgesetzt. Das Ausfiltern von Störsignalen ist mit Hilfe von einfachen bekannten Filtern problemlos möglich. Das Umsetzen von Drehfeldsignalen in die von einem Digitalrechner unmittelbar verarbeitbaren Digitalsignale ist ebenfalls mit geringem Aufwand und hoher Genauigkeit möglich.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in Prinzipdarstellung veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung zum photoelektrischen Messen des Massenflusses von gasförmigen Medien; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Scanners zum Einstrahlen kollimierter Lichtstrahlbündel in eine Rohrmeßstrecke und zum Fokussieren der Lichtstrahlbündel unter einem vorgegebenen Schnittwinkel auf ein Volumenelement (Schnittvolumen) des Mediums Fig. 3A eine schematische Draufsicht auf eine optische Fläche im Strahlengang von drei bei der Dopplermessung verwendeten Teilstrahlbündeln in einem orthogonalen Koordinatensystem zur simultanen Messung von zwei Geschwindigkeitskomponenten x und y; Fig. 3B eine schematische Darstellung der Geschwindigkeit v und der beiden zugehörigen orthogonalen Geschwindigkeitskomponenten x und y eines in der Strömung des Mediums mitbewegten Teilchens; und Fig. 4 ein Blockschaltbild der bei der Massenflußmeßanordnung gemäß Fig. 1 verwendeten Auswerteeinrichtung.
Im folgenden werden anhand der Schemadarstellung gemäß Fig. 1 das Verfahren und das Anordnungsprinzip zur Messung des Massenflusses von gasförmigen Medien erläutert.
Von einem Laser 1 emittiertes Licht der Frequenz30 wird über einen teildurchlässigen Spiegel 2 in zwei Strahlenbündel aufgeteilt, von denen eines die Lichtquelle für einen optischen Geschwindigkeitsmeßaufnehmer und ein anderes die Lichtquelle für ein Mach-Zehnder- oder Gitter-Interferometer bildet. Letzteres ist in der Prinzipdarstellung gemäß Fig. 1 nur durch ein durch die Rohrmeßstrecke fallendes Meßstrahlbündel, ein Referenzstrahlbündel und einen photoelektrischen Detektor 40 angedeutet. Aufbau und Funktionsweise des hier zur Dichtemessung des gasförmigen Mediums verwendeten Mach-Zehnder- oder Gitter-Interferometers sind bekannt und brauchen daher nicht erläutert zu werden.
Das Laserlicht des Geschwindigkeitsaufnehmers wird hinter dem teildurchlässigen Spiegel 2 mit Hilfe eines optischen Systems 3 strahlaufgeweitet und danach von einem akusto-optischen Deflektor 4 in ein ungebeugtes Bild und ein Beugungsbild erster Ordnung aufgespalten. In Fig. 1 ist die Strahlaufspaltung in Richtung der X-Koordinate, d.h. der Hauptströmungsrichtung des Strömungsmediums schematisch dargestellt. Der zugehörige akusto-optsichen Deflektor 4 ist in ausgezogenen Linien x dargestellt. Ein weiterer, in Fig. 1 gestrichelt dargestellter akusto-optischer Deflektor 4 spaltet das einfallende Lasery strahlbündel auf in ein ungebeugtes Teilstrahlbündel und ein in Fig. 1 nicht dargestelltes, in Richtung der Y-Koordinate gebeugtes Teilstrahlbündel. Die nachfolgend beschriebenen optischen Elemente des Geschwindigkeitsmeßaufnehmers sind für beide Lateralkoordinaten identisch.
Aus Gründen der Vereinfachung der Darstellung sind die beiden zur X-Lateralkoordinate gehörigen Teilstrahlbündel am Ausgang des Modulaters 4x in gleicher Weise gebeugt gezeigt. Tatsächlich wird nur das eine Tilstrahlbündel31 entsprechend der ersten Beugungsordnung gebeugt, während das Teilstrahlbündel 90 der nullten Beugungsordnung ungebeugt und unabgelenkt durch den akusto-optischen Deflektor 4x durchtritt. Die beiden Teilstrahlbündel V 0 und 91 sind senkrecht zueinander polarisiert. Das Licht des in der ersten Ordnung gebeugten Teilstrahlbündels 91 ist um die Frequenz des akusto-optischen Deflektors 4x frequenzverschoben, d.h.
9 0+9T wobei 90 die Emissionsfrequenz des Lasers 1 ist. Die durch die Beugung hervorgerufene Änderung der Polarisationsrichtung wird mit Hilfe einer im Strahlengang des gebeugten Teilstrahlbündels 91 angeordneten A/2-Platte auf diejenige des ungebeugten Lichts zurückgestellt. Diese Rückdrehung der Polarisationsrichtung geschieht vorzugsweise vor Eintritt der beiden Teilstrahlbündel 90 und 91 in das erste optische Linsensystem, damit die optischen Verluste der Teilstrahlbündel in den Linsensystemen stets gleich bleiben.
Die beiden Teilstrahlbündel werden sodann durch geeignete Teleskope bzw. Linsensysteme 5 und 6 und gegebenenfalls über geeignete Strahlumlenker (in Fig. 1 nicht dargestellt) durch ein in der Wand einer Rohrmeßstrecke 7 angeordnetes lichtdurchlässiges Fenster 8 geleitet und unter einem Schnittwinkel ob auf ein Volumenelement 10 (Fig. 2) fokussiert. Vor dem Eintritt in die Rohrmeßstrecke 7 wird das Licht in allen Teilstrahlbündeln durch eine /4-Platte zirkular polarisiert, um die Depolarisationseffekte vor allem am Lichtdurchtrittsfenster 8 unwirksam zu machen. Die zirkulare Polarisation des Lichts in den in Fig. 1 dargestellten Teilstrahlbündeln ist hinter dem optischen System 6 in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet.
Die in Fig. 1 schematisch durch die optischen Systeme 5 und 6 veranschaulichte Einstrahloptik ist so ausgebildet, daß sie die Strahlen jedes Teilstrahlbündels #0 bzw. #1 kollimiert, also parallel richtet, und die Kollimation der eingestrahlten Teilstrahlbündel auch bei Änderung des Schnittwinkels oCbeibehält. Diese Strahlenkollimation ist wichtig zur definierten Erfassung der effektiven Dopplerverschiebung im Schnittvolumenelement 10 und damit zur weiter unten beschriebenen Geschwindigkeitsmessung im Zuge der Auswertung.
Das im Volumenelement 10 befindliche Strömungsmedium wirkt als statistisches Gitter und streut das an den in der Gasströmung mitgeführten Teilchen dopplerverschobene Licht nach allen Richtungen. Die Streustrahlung wird von den der Rohrmeßstrecke 7 benachbarten Komponenten der Einstrahloptik durch das Fenster 8 aufgefangen. An dem dem Fenster 8 gegenüberliegenden Wandabschnitt der Rohrmeßstrecke 7 ist ein Reflektor 9 angeordnet, der von dem Schnittvolumen 10 vorwärtsgestreutes Licht durch das Fenster 8 in den Empfangsstrahlengang reflektiert.
In den Empfangsstrahlengang, der in die Einstrahloptik einbezogen ist, wird daher sowohl das vom Volumenelement 10 rückwärtsgestreute Licht als auch das vorwärtsgestreute und vom Reflektor 9 reflektierte Licht eingekoppelt, wodurch eine hohe auswertbare Lichtintensität erreicht wird.
Das durch das Fenster 8 aus der Rohrmeßstrecke 7 austretende, dopplerverschobene Streulicht wird durch das optische System 6 im wesentlichen entgegen der Einstrahlrichtung zurückgeführt und über geeignete optische Elemente 12, 13, 14 und 15 auf eine Detektoranordnung 16 fokussiert. Eine im Empfangsstrahlengang vor dem Detektor 16 angeordnete Blende 17 dient der Beseitigung unerwünschten Streulichtes.
Die Photodetektoranordnung 16 wandelt die optischen Lichtsignale in analoge elektrische Signalfrequenzen um, die in einer Auswerteeinrichtung 20 in der weiter unten anhand der Fig. 4 beschriebenen Weise in der Geschwindigkeit des gemessenen Volumenelements 10 entsprechende Drehfeldsignale umgesetzt werden. Die den akusto-optischen Deflektoren bzw. Modulatoren 4 und 4 zugeordneten Oszillatoren 44x und 44 sind x y y mit der Auswerteeinrichtung 20 verbunden und geben die Oszillatorfrequenzen als Referenzfrequenzen an die Auswerteeinrichtung.
Der für die Interferenzstrahlendichte im Medium des Volumenelements 10 maßgebliche Schnittwinkel zuläßt sich zur Anpassung der Anordnung gemäß Fig. 1 an stark unterschiedliche Mediendrücke durch Verschiebung des Deflektors 4 in Richtung der optischen Achse, also in Richtung des Doppelpfeils 18, und/oder durch Brennweitenänderung bzw. Verschiebung einer oder mehrerer Komponenten des optischen Systems 5 in Richtung des Doppelpfeils 19 verstellen. Diese Verstellung des Schnittwinkels wird vorzugsweise in Abhängigkeit von dem für die Strömungsmessung ohnehin gebrauchten Dichtesignal des Detektors 40 gesteuert. Die Steuerung kann entweder kontinuierlich oder bei Über- oder Unterschreiten vorgegebener Grenzwerte des Dichtesignals über in der Zeichnung nicht dargestellte Stellglieder in Stufen auf den Deflektor 4 und/oder das optische System 5 wirksam gemacht werden.
In Fig. 2 ist neben einer Querschnittsansicht der Rohrmeßstrecke 7 schematisch eine durch zwei Reflektoren 30 und 31 gebildete Scanner-Einrichtung dargestellt. Der als Hohlspiegel ausgebildete Reflektor 31 strahlt die Teilstrahlbündel durch das Fenster 8 in die Rohrmeßstrecke 7 ein und fokussiert sie dabei auf das Schnittvolumen 10 der kollimierten Teilstrahlen.
Durch Verschwenken des Hohlspiegels 31 um eine zur Rohrachse parllel verlaufende Lagerachse 32, d.h. in Richtung des Doppelpfeils 33, verschiebt sich das Schnittvolumenelement 10 je nach Schwenkrichtung im Rohrquerschnitt entlang einer gekrümmten Bahn nach oben oder nach unten, so daß verschiedene Netzpunkte abgetastet werden können. Der Abstand des Schnittvolumenelements 10 vom Fenster 8 bzw. von dem an der Rohrrückseite angeordneten Reflektor 9 kann beispielsweise durch Änderung der wirksamen Brennweite der Einstrahloptik oder auch durch Verschiebung des optischen Reflexionselements 30 in Richtung des Doppelpfeils 34 geändert werden. In alternativer Ausführung kann jedoch auch die gesamte Einstrahloptik zusammen mit den optischen Komponenten 30 und 31 relativ zur Rohrmeßstrecke 7 nach oben und unten bzw. rechts und links verschoben werden.
Der in Fig. 2 als dem Fenster 8 nächstes optisches Element dargestellte Hohlspiegel 31 fängt das durch das Fenster 8 ausgekoppelte Streulicht des Volumenelements 10 auf und richtet es über den Reflektor 30 in den Empfangsstrahlengang und auf die in Fig. 1 dargestellte Detektoranordnung 16. In der Ansicht gemäß Fig. 2 ist das Teilstrahlbündel #2 des in der zweiten Lateralrichtung Y gebeugten Lichts gezeigt. Das ungebeugte Licht des Teilstrahlst0 dient beiden Lateralkomponenten als Referenzstrahlbündel.
Fig. 3A zeigt als schematische Schnittansicht das Lagemuster der bei der Erfindung zur Messung in zwei Orthogonalrichtungen X und Y verwendeten drei Teilstrahlbündel. Wie zu sehen ist, sind in dem beschriebenen Beispiel die beiden Teilstrahlbündel #1 und #2 in zueinander orthogonalen Richtungen (X, Y) gegenüber dem gemeinsamen Bezugsstrahlbündel0 des ungebeugten Laserlichts versetzt. Mit Hilfe der drei Teilstrahlbündel können im Kreuzstrahlverfahren die beiden Geschwindigkeitskomponeten x und y eines mit der Geschwindigkeit v strömenden Teilchens sehr genau gemessen werden. Die Einstrahlung der Teilstrahlbündel Vow 91 und92 kann aber auch so gewählt werden, daß die Messung von zwei Geschwindigkeitskomponenten unter einem vorgegebenen Winkel gegen die Hauptströmungsrichtung erfolgt.
Die in Fig. 4 als Blockschaltbild dargestellte Auswerteeinrichtung 20 dient der Erfassung und Umsetzung der über die Detektoranordnung 16 in der Regel über einen Photomultiplier 21 zugeführten Geschwindigkeitsmeßwerte, der Dichtemeßwerte des Dichtemeßgeräts und zur Berechnung der zugehörigen Masseflußwerte.
Wie oben gesagt, wird das Licht der beiden zu einer Lateralkoordinate gehörigen Teilstrahlbündel in seiner Frequenz dopplerverschoben. Die Dopplerverschiebung wirkt sich je nach Richtung des einfallenden Strahls zur Bewegungsrichtung des Gases entweder frequenzerhöhend oder -erniedrigend aus. Bei Symmetrierung des Schnittwinkels der beiden Teilstrahlbündel quer zur Bewegungsrichtung ergeben sich folgende Frequenzzusammenhänge: (vor Dopplerverschiebung) (nach Dopplerverschiebung) (nach Dopplerverschiebung) Hierbei bedeuten: 0 O = Laserfrequenz ç T = Oszillatorfrequenz des Deflektors 4x x 9 x = Dopplerverschiebung durch Medienbex wegung in der X-Meßkoordinate Bei Umwandlung der optischen Frequenzen in elektrische Signalfrequenzen werden die den beiden Teilstrahlbündeln zugeordneten dopplerverschobenen Frequenzen subtrahiert, so daß sich für die Signalfrequenz #s folgendes ergibt: Diese Signalfrequenz "s wird durch ein Bandfilter 22 geleitet, das für Frequenzen im möglichen Frequenzband der Signalfrequenzen durchlässig ist, nieder- oder höherfrequente Störsignale aber sperrt. Die am Ausgang des Bandpasses 22 erscheinende Signalfrequenz wird für die beiden Meßkoordinaten X und Y in verschiedenen Kanälen 23x und 23y verarbeitet. Erläutert wird der X-Kanal 23 . Die Verarbeitung im Y-Kanal ist entx sprechend.
Die Signalfrequenz Ss wird in einem Mischer 231 mit der Oszillatorfrequenz 9 gemischt. Am Ausgang des Mischers erscheint das Sinussignal der doppelten Dopplerfrequenz; die durch den Deflektor 4x eingeführte Trägerfrequenz3, verschwindet. Die Oszillatorfrequenz wird außerdem über ein Laufzeitglied 230 um eine Halbperiode verzögert und einer weiteren Mischstufe 232 zugeführt; auch die Signalfrequenz wird an die Mischstufe 232 angelegt. Am Ausgang des Mischers 232 erscheint das Cosinussignal der zweifachen Dopplerfrequenz. Jeweils den Sinus- und Cosinusausgängen nachgeschaltete Tiefpässe 233 und 234 sperren die in einem anderen Frequenzband liegenden Signalfrequenzen der anderen Lateralkomponente der Signalfrequenzen, die im Y-Kanal verarbeitet und mit der dem Deflektor 4 zugeordneten Oszillatorfrequenz gemischt y werden.
Die Sinus- und Kosinussignale bilden für die Dopplerverschiebung kennzeichnende Drehfeldsignale, die sowohl an einen Drehfeldumlaufzähler 24 als auch an einen Arc-Tan-Rechner 25 angelegt werden. Der Drehfeldumlaufzähler zählt die jeweils vollen Umläufe nx, während der Arc-Tan-Rechner 25 die der jeweiligen Winkelstellung entsprechenden Zwischenwerte berechnet.
Umläufe und Zwischenwerte werden einem Transientenrekorder 26 und von dort einem Prozeßrechner 27 zugeführt. Der Rechner erhält zusätzlich die simultan gemessenen Dichtemeßwerte. Aus einer Multiplikation der Werte des Geschwindigkeitsprofils mit der Dichte und dem Querschnitt der Rohrmeßstrecke 7 ergibt sich ein exaktes Maß für die pro Zeiteinheit durch die Rohrmeßstrecke fließende Gasmasse.

Claims

PATENTANSPRtiCHE 1. Verfahren zur photoelektrischen Strömungsmessung von gasförmigen Medien, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums über einen repräsentativen Querschnitt einer Rohrmeßstrecke nach dem Laser-Doppler-Prinzip gemessen und unter Verwendung eines Rechners ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserstrahlbündel durch ein mit konstanter Geschwindigkeit bewegtes Beugungsgitter geleitet und in wenigstens zwei Teilstrahlbündel mit unterschiedlichen Lichtfrequenzen aufgespalten wird; daß die Teilstrahlbündel danach durch eine Einstrahloptik kollimiert und unter Fokussierung auf ein Volumenelement im Medium unter einem vorgegebenen Schnittwinkel (oc) in die Rohrmeßstrecke eingestrahlt werden; daß von dem im Volumenelement befindlichen, als statistisches Gitter wirkenden Medium gestreutes und dopplerverschobenes Licht entgegen der Einstrahlrichtung über die Einstrahloptik aufgefangen und einer Detektoranordnung zugeführt wird; daß nach Umwandlung des die Detektoranordnung erreichenden Lichts in eine elektrische Signalfrequenz und Vergleich mit einer Referenzfrequenz die Dopplerverschiebung an dem Volumenelement und daraus die Geschwindigkeit des Mediums in dem Volumenelement bestimmt werden; daß die Geschwindigkeitsbestimmung für mehrere über den Querschnitt der Rohrmeßstrecke verteilte Volumenelemente wiederholt wird, wobei die in die Rohrmeßstrecke eingestrahlten Teilstrahlbündel auf unterschiedliche Volumenelemente fokussiert werden; und daß die Dichte des gasförmigen Mediums gemessen und mit der Strömungsgeschwindigkeit zur Bestimmung des Massenflusses multipliziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufspaltung des Laserstrahlbündels (wo) in zwei Lateralkoordinaten erfolgt, wobei ein ungebeugtes Teilstrahlbündel mit der Emissionsfrequenz des Laserlichts als gemeinsames Referenzstrahlbündel für beide Lateralkoordinaten verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittwinkel () zwischen dem Referenzstrahlbündel und und und dem wenigstens einen, um die Bewegungsfrequenz (YT ) des Beugungsgitters frequenzverschobenen Teilstrahlbündel (91) in Abhängigkeit von dem Mediendruck eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittwinkel (oC) ) zwischen dem Referenzstrahlbündel (30) und dem wenigstens einen, um die Bewegungsfrequenz (9T) ) des Beugungsgitters frequenzverschobenen Teilstrahlbündel (3 ) in Abhängigkeit von dem Dichtesignal gesteuert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittwinkel (oC) durch Verschiebung des Beugungsgitters in Richtung der Strahlachse des ungebeugten Teilstrahlbündels verstellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht aller Teilstrahlen vor deren Einstrahlen in die Rohrmeßstrecke zirkular polarisiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Beugungsgitter ein akusto-optischer Deflektor verwendet wird
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtastung des repräsentativen Querschnitts der Rohrmeßstrecke die in letztere eingestrahlten Teilstrahlbündel um eine zur Rohrachse parallele Schwenkachse gemeinsam verschwenkt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumenelement, auf das die Teilstrahlbündel fokussiert werden, zur Abtastung des repräsentativen Querschnitts der Rohrmeßstrecke quer zur Hauptströmungsrichtung des Mediums verschoben wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Volumenelement vorwärtsgestreutes Licht in den Empfangs strahlengang reflektiert und zusätzlich zum rückwärtsgestreuten Licht über den Empfangs strahlen gang der Detektoranordnung zugeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dichtemessung ein Mach-Zehnder- oder Gitter-Interferometer verwendet wird, dessen Licht aus dem Laserlicht ausgekoppelt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Detektorsignal abgeleitete Signalfrequenz mit der Referenzfrequenz und der um A/2 phasenverschobenen Referenzfrequenz gemischt und in ein Drehfeldsignal umgewandelt wird, das nach Größe und Richtung der Dopplerfrequenz des am statistischen Gitter des Mediums gestreuten Lichts der Teilstrahlbündel proportional ist, und daß die Drehfeldsignale von einem Transientenrecorder aufgezeichnet und in einem diesem nachgeschalteten Rechner ausgewertet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rechner sowohl die Geschwindigkeitssignale als auch die Dichtesignale laufend zugeführt werden.

14. Anordnung zur Strömungsmessung von gasförmigen Medien in einer wenigstens teilweise lichtdurchlässigen Rohrmeßstrecke, bei der wenigstens zwei Laser-Lichtstrahlbündel über eine Einstrahloptik auf ein Volumenelement des Mediums in der Rohrmeßstrecke fokussierbar sind, von dem Volumenelement gestreutes und dopplerverschobenes Licht über eine Empfangsoptik auffangbar und zu einer Detektoreinrichtung übertragbar ist und das von der Detektoreinrichtung empfangene, die Dopplerverschiebung darstellende Signal unter Verwendung eines Rechners in ein der Strömungsgeschwindigkeit des bestrahlten Volumenelements des Mediums entsprechendes Meßsignal umgewandelt wird, wobei eine Scannereinrichtung zur Abtastung eines repräsentativen Querschnitts der Rohrmeßstrecke durch Änderung der Lage des Volumenelements vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Emissionsstrahlengang eines Lasers (1) wenigstens eine ein mit voreingestellter Geschwindigkeit (9T) bewegtes wirksames Beugungsgitter aufweisende Beugungsgittereinrichtung (4x, 4y) zum Aufspalten des Laserlichts in ein ungebeugtes Teilstrahlbündel (Vg) und ein in der ersten Ordnung gebeugtes Teilstrahlbündel (V1; 2) angeordnet ist, daß die aufgespaltenen Teilstrahlbündel durch die Einstrahloptik (5,6; 30, 31) entlang getrennter optischer Achsen geführt sind, daß die Einstrahloptik ein Kollimatorsystem zum Kollimieren der in die Rohrmeßstrecke (7) eingestrahlten Teilstrahlbündel entlang ihrer jeweiligen optischen Achsen und optische Mittel (z.B.

31) zum Auffangen eines von dem Volumenelement (10) rückgestreuten Lichtkegels aufweist und daß ein Dichtemeßgerät (40) zum Messen der Dichte des gasförmigen Mediums vorgesehen ist, dessen Meßsignal zusätzlich zu dem der Strömungsgeschwindigkeit entsprechenden Meßsignal zur Bestimmung des Massenflusses des gasförmigen Mediums dem Rechner (27) zuführbar ist.

15. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsgittereinrichtung einen akusto-optischen Deflektor (4) mit einem Oszillator (44) aufweist, dessen Frequenz (N?) T der Laserlichtfrequenz (So) in dem dem Beugungsbild erster Ordnung entsprechenden Teilstrahlbündel (9 2) überlagert wird.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang des ungebeugten Teilstrahlbündels ein zweiter akusto-optischer Deflektor (4y) in solcher Anordnung vorgesehen ist, daß seine Beugungsrichtung (Y) zu derjenigen des ersten akusto-optischen Deflektors (4x) orthogonal verläuft, so daß die Aufspaltung des Laserstrahls in zwei Lateralkoordinaten erfolgt, wobei das den zweiten Deflektor ungebeugt verlassende Laserstrahlbündel als gemeinsames Referenzstrahlbündel für beide Lateralkoordinaten vorgesehen ist.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (18, 19) zur Änderung des Schnittwinkels (Oc) zwischen einem gebeugten Teilstrahlbündel und dem ungebeugten Referenzstrahlbündel (90) vorgesehen sind.

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (18, 19) zur Änderung des Schnittwinkels (ct) mit dem Dichtemeßgerät (40) gekoppelt und in Abhängigkeit vom Dichtesignal steuerbar sind.

19. Anordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung des Schnittwinkels (o() eine Vorrichtung (18) zur Verschiebung des wenigstens einen Beugungsgitters (4) in Richtung der optischen Achse des aus dem Beugungsgitter ungebeugt austretenden Teilstrahlbündels (90) vorgesehen ist.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lageänderung des Volumenelements (10) des Mediums in der Rohrmeßstrecke (7) wenigstens eine Komponente (31) der Einstrahloptik (5, 6) relativ zur Rohrmeßstrecke (7) verschiebbar und/oder verschwenkbar gelagert ist.

21. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Lichteinfallseite gegenüberliegenden Innenwand der Rohrmeßstrecke (7) eine Reflexionsfläche (9) angeordnet ist, die so ausgebildet ist, daß sie von dem Volumenelement (10) vorwärtsgestreutes Licht in den Empfangsstrahlengang der Empfangsoptik (6, 12, 13, 14, 15) reflektiert.

22. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des aus dem Beugungsgitter (4) austretenden gebeugten Teilstrahlbündels (#1) eineN2--Platte angeordnet ist, welche die Polarisationsrichtung des gebeugten Teilstrahlbündels an diejenige des ungebeugten Referenzstrahlbündels (90) ) anpaßt.

28. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang aller Teilstrahlbündel (#0,#1,#2) eine #/4-Platte zur Zirkularpolarisation des in die Rohrmeßstrecke (7) einzustrahlenden Lichts angeordnet ist.

24. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Dichte des Mediums ein Mach-Zehnder- oder Gitter-Interferometer vorgesehen ist, dessen Licht aus dem vom Laser (1) emittierten Licht ausgekoppelt ist.

25. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein den aufgefangenen Kegel des dopplerverschobenen Lichts auf einen photoelektrischen Detektor (16) fokussierendes optisches System (13.. .15) vorgesehen ist, daß dem Detektor eine Auswerteeinrichtung (20) nachgeschaltet ist, die aus der die Dopplerverschiebung enthaltenden Signalfrequenz (9s) ein Drehfeldsignal erzeugt, das nach Größe und Richtung der Dopplerfrequenz (9) des am statistischen Gitter des Mediums gestreuten Lichts proportional ist, und daß die Drehfeldsignale einem Transientenrecorder (26) und dem Rechner (27) zuführbar sind.

26. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (20) eine mit dem Detektorausgang und dem Oszillator (44) des akusto-optischen Deflektors (4) verbundene erste Mischstufe (231) zur Erzeugung eines Sinussignals und eine mit dem Detektorausgang und über eins 2-Laufzeitglied (230) mit dem Oszillator (44) verbundene zweite Mischstufe (232) zur Erzeugung eines Cosinussignals aufweist.

27. Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehfeldumlaufzähler (24) und ein arc.tan.-Rechner (25) in Parallelschaltung mit den beiden Mischstufen (231, 232) verbunden und ausgangsseitig an den Transientenrecorder (26) angeschaltet sind.

28. Anordnung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Mischstufe (231, 232) ein Tiefpaß (233, 234) nachgeschaltet ist, dessen Grenzfrequenz an die maximale Dopplerfrequenz angepaßt ist.

29. Anordnung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennte Kanäle (23x, 23y) zur Entwicklung der Drehfeldsignale für die beiden Lateralkoordinaten (X, Y) vorgesehen sind und daß die Mischstufen (231, 232) in Jedem Kanal mit dem Oszillator (44x oder 44y) des zugehörigen Deflektors (4x oder 4y) verbunden sind.

30. Anordnung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektoreinrichtung (16, 21) ein für die Signalfrequenz (#s) durchlässiger Bandpaß (22) nachgeschaltet ist.