DE4426956C2 - Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit einer Strömung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit einer mit lichtreflektierenden Partikeln geimpften Strömung, wobei die in einem Lichtschnitt befindlichen Partikel mit monochromatischem Licht beleuchtet werden, wobei die Doppler-verschobene Frequenz des von den Partikeln seitlich aus dem Lichtschnitt reflektierten Lichts bestimmt wird und wobei die Geschwindigkeit der Strömung aus der Doppler- verschobenen Frequenz ermittelt wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens mit einem einen Laserstrahl abgebenden Laser, mit einer den Laserstrahl aufweitenden Lichtschnittoptik und mit einer Analyseanordnung für die Doppler-verschobene Frequenz des seitlich aus dem Lichtschnitt reflektierten Laserlichts.

Verfahren, die zur Messung einer Geschwindigkeit den Dopplereffekt ausnutzen, werden auch als Doppler-Velozimetrie oder bei Verwendung von Laserlicht als Laser-Doppler- Velozimetrie bezeichnet.

Es sind verschiedene Verfahren der eingangs beschriebenen Art bekannt, die sich im wesentlichen darin unterscheiden, wie die Doppler-verschobene Frequenz des von den Partikeln reflektierten Lichts bestimmt wird. Herkömmlich erfolgt dies mit Hilfe eines Spektrographen oder einer Interferenzanordnung, durch die das reflektierte Licht mit lichtunverschobener Frequenz zur Interferenz gebracht wird. Bei diesen beiden Varianten ist die lokale Auflösung bei der Geschwindigkeitsbestimmung jedoch nur gering. Für das gesamte zu einer Zeit analysierte reflektierte Licht wird nur eine (mittlere) Doppler-verschobene Frequenz bestimmt.

Ein verbessertes Verfahren der eingangs beschriebenen Art ist aus der US-PS 4 919 536 bekannt. Danach weist die Analyseanordnung für die Doppler-verschobene Frequenz des seitlich aus dem Lichtschnitt reflektierten Laserlichts eine einen Teil des Lichtschnitts auf einen zweidimensionalen Videodetektor abbildende Abbildungsoptik auf, wobei in einer Bildebene der Abbildungsoptik ein zweidimensionales Filter angeordnet ist. Dieses Filter weist eine scharfe Absorptions­ linie auf, die eine ortsabhängige Helligkeitsmodulation des reflektierten Laserlichts ergibt. In dunklen Bereichen ist die Doppler-verschobene Frequenz des reflektierten Laserlichts mit der Frequenz der Absorptionslinie identisch und damit exakt bestimmt. Hierbei wird eine sehr große lokale Auflösung erreicht.

Bei allen Verfahren der Laser-Doppler-Velozimetrie ist es erforderlich, die Frequenz des monochromatischen Lichts, mit dem die Partikel in dem Lichtschnitt beleuchtet werden, genau zu kennen. Zur Lösung dieses Problems ist bislang versucht worden, die Laserfrequenz des das monochromatische Licht abgebenden Lasers zu stabilisieren. Hierzu wird häufig ein enormer technischer Aufwand betrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesbezüglich einen alternativen Lösungsweg aufzuzeigen.

Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird dies bei einem eingangs beschriebenen Verfahren dadurch erreicht, daß die Frequenz des monochromatischen Lichts, mit dem die Partikel in dem Lichtschnitt beleuchtet werden, laufend bestimmt wird und daß diese Frequenz der jeweiligen Ermittlung der Geschwindigkeit der Strömung aus der Doppler-verschobenen Frequenz zugrunde gelegt wird. Durch die laufende Bestimmung der unverschobenen Frequenz wird ein Referenzwert für die Auswertung der Doppler-verschobenen Frequenz gewonnen. Dieses Verfahren ist völlig unabhängig von der Stabilität der Laserfrequenz, die insbesondere bei großtechnischen Anwendungen, wie sie in den Windkanälen auftreten, stark schwanken kann. Darüber hinaus wird erstmals die Verwendung intensitätsstarker Pulslaser bei der Laser-Doppler-Velozimetrie möglich. Die Laserfrequenz von Pulslaser weist in der Regel eine erhebliche Streuung auf, die sie für herkömmliche Dopplerverfahren ungeeignet macht.

In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Lösung der Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch erreicht, daß die Frequenz des monochromatischen Lichts, mit dem die Partikel in dem Lichtschnitt beleuchtet werden, laufend bestimmt wird und daß nur dann, wenn diese Frequenz innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs um eine vorgegebene Sollfrequenz liegt, die Geschwindigkeit der Strömung aus der Doppler-verschobenen Frequenz ermittelt wird. Hiermit ist der Vorteil verbunden, daß gegenüber herkömmlichen Dopplerverfahren keine Eingriffe in die Ermittlung der Geschwindigkeit der Strömung aus der Doppler-verschobenen Frequenz erforderlich ist. Vielmehr wird die Ermittlung der Geschwindigkeit nur auf solche Zeiträume beschränkt, in denen die unverschobene Frequenz des monochromatischen Lichts den jeweiligen Genauigkeitsanforderungen entsprechend ausreichend genau mit der vorgegebenen Sollfrequenz zusammenfällt. Bereits damit werden dieselben Vorteile wie oben erreicht.

Die erfindungsgemäßen Verfahren sind mit verschiedenen Vorrichtungen durchführbar. Einige dieser Vorrichtungen zeichnen sich jedoch durch besondere Vorteile aus. So ist eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art im einfachsten Fall erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in dem Laserstrahl ein Filter angeordnet ist, das nur Licht einer bestimmten Frequenz durchläßt. Bei dieser Frequenz handelt es sich um die angestrebte Sollfrequenz. Während der Zeiträume, in denen der Laser die Sollfrequenz verfehlt, werden so überhaupt keine Partikel in dem Lichtschnitt beleuchtet.

Geeignete Filter, die nur Licht einer bestimmten Frequenz durchlassen, sind dem Fachmann bekannt. Ein solches Filter wird beispielsweise in der US-PS 5 029 999 beschrieben. Dabei wird die Absorptionslinie eines Absorptionsfilters magnetisch in zwei dicht nebeneinander angeordnete Absorptionslinien aufgespaltet, wodurch eine scharf begrenzte Permissionslinie entsteht. Einfachere Filter, die nur Licht einer bestimmten Frequenz durchlassen, basieren auf der Anwendung von Beugungs- oder Interferenzphänomenen.

Besonders weitreichende Anwendungsmöglichkeiten weist eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art auf, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß in dem Laserstrahl ein Strahlteiler angeordnet ist, der einen Teil des Laserstrahls einer weiteren Analyseanordnung für die Frequenz des Laserstrahls zuführt. Dabei kann die weitere Analyseanordnung ein den Strahlteiler in Abhängigkeit von seiner Frequenz beugendes oder ein den Laserstrahl mit sich selbst zur Interferenz bringendes Bauteil aufweisen, um die Frequenzbestimmung zu ermöglichen.

Um eine besonders hohe lokale Auflösung der Geschwindigkeit der Strömung zu erreichen, kann die Analyseanordnung der Vorrichtung weiterhin eine einen Teil des Lichtschnitts auf einen zweidimensionalen Videodetektor abbildende Abbildungsoptik aufweisen, dem ein elektronischer Bildspeicher nachgeordnet ist, wobei in einer Bildebene der Abbildungsoptik ein zweidimensionales Filter angeordnet ist, das nur Licht einer bestimmten Frequenz durchläßt oder absorbiert. Hierbei handelt es sich um die Übertragung der aus der US-PS 4 919 536 bekannten Merkmale auf die Erfindung. Ein jedoch auch im Hinblick auf diese Entgegenhaltung neues Merkmal ist darin zu sehen, daß das zweidimensionale Filter alternativ eine scharfe Permissionslinie aufweist, d. h. nur Licht einer bestimmten Frequenz durchläßt. Solche Filter sind wie bereits oben erwähnt grundsätzlich aus der US-PS 5 029 999 bekannt.

Um die Zuordnung der ermittelten Geschwindigkeiten zu bestimmten Bereichen der Strömung zu erleichtern, kann auf der optischen Achse der Abbildungsoptik vor dem zweidimensionalen Filter ein Strahlteiler angeordnet sein, mittels dessen der Teil des Lichtschnitts auch direkt auf einen Videodetektor abbildbar ist. Derselbe Effekt wäre dadurch erreichbar, daß das zweidimensionale Filter zeitweilig aus dem Strahlengang der Abbildungsoptik entfernt wird oder in seiner Filterwirkung abschaltbar ausgebildet ist.

Um die Auswertung der Doppler-verschobenen Frequenz für die Geschwindigkeit der Strömung auf die Zeiträume zu beschränken, in denen die unverschobene Frequenz ausreichend mit der vorgegebenen Sollfrequenz zusammenfällt, kann der Videodetektor eine Videokamera mit einem freitriggerbaren Verschluß sein, wobei die weitere Analyseanordnung das den Verschluß triggernde Signal abgibt. Hierbei versteht sich, daß die weitere Analyseanordnung für die unverschobene Frequenz des Laserstrahls das triggernde Signal genau dann abgibt, wenn die Laserfrequenz die vorgegebene Sollfrequenz einhält.

Für eine Berücksichtigung der jeweiligen unverschobenen Laserfrequenz bei der Auswertung der Doppler-verschobenen Frequenz kann der elektronische Bildspeicher neben dem Inhalt des Videodetektors die jeweils zugehörige mit der weiteren Analyseanordnung bestimmte Frequenz des Laserstrahls abspeichern. Falls die Vorrichtung zusätzlich zur Aufnahme ungefilterter Bilder der Strömung vorgesehen ist, ist der Bildspeicher auch für diese vorzusehen. In diesem Fall umfaßt ein vollständiger Satz von Daten in dem Bildspeicher die unverschobene Frequenz des Laserstrahls, ein gefiltertes Bild eines Teils des Lichtschnitts, aus dem sich die Doppler­ verschobene Frequenz ergibt, und ein ungefiltertes Bild desselben Teils des Lichtschnitts.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigt die Figur eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens im Einsatz.

Ein Profil 1 wird in Richtung eines Pfeils 2 von einer Strömung angeströmt. Die Vorrichtung 3 dient zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Strömung im Bereich eines Lichtschnitts 4. Der Lichtschnitt 4 weist bei geringer Dicke eine im wesentlichen zweidimensionale Ausdehnung auf. In dem Lichtschnitt 4 werden lichtreflektierende Partikel, mit denen die Strömung geimpft ist, die jedoch hier ob ihrer geringen Größe nicht dargestellt sind, mit monochromatischem Licht 5 beleuchtet. Das monochromatische Licht 5 stammt von einem Laser 6, dessen Laserstrahl 7 mit einer Zylinderlinse 8 in einer Querrichtung aufgeweitet wird. Anschließend wird der aufgeweitete Laserstrahl 7 noch von einem Spiegel 9 umgelenkt. Die Zylinderlinse 8 und der Spiegel 9 bilden eine Lichtschnittoptik 8, 9. Ein Teil des Laserstrahls 7 wird zwischen dem Laser 6 und der Zylinderlinse 8 durch einen Strahlteiler 10 auf eine Linse 11 gelenkt, in deren hinteren Brennpunkt ein Ende eines Lichtleiters 12 angeordnet ist. Der Lichtleiter 12 führt zu einer Analyseanordnung 13, in der die Frequenz des Laserstrahls 7 bestimmt wird. Für die Erfindung kommt es auf die Art der Bestimmung der Frequenz im einzelnen nicht an. Es reicht aus, wenn entweder feststellbar ist, ob die Frequenz des Laserstrahls 7 in einen vorgegebenen Toleranzbereich um eine vorgegebene Sollfrequenz fällt, oder die Analyseanordnung 13 die Frequenz quantitativ ausgibt.

Zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Strömung in einem Teil 14 des Lichtschnitts 4 ist eine weitere Analyseanordnung 15 vorgesehen. Diese dient zur Bestimmung der Doppler-verschobenen Frequenz des Lichts, das von den in dem Teil 14 befindlichen Partikeln seitlich aus dem Lichtschnitt 4 reflektiert wird. Hierzu ist ein zweidimensionales Filter 16 vorgesehen, das Licht einer bestimmten Doppler-verschobenen Frequenz absorbiert, wobei es eine scharfe Absorptionslinie aufweist. Das Filter 16 ist in einer Bildebene 17 einer aus zwei Linsen 18 und 19 bestehenden Abbildungsoptik 18, 19 angeordnet. Hinter der Abbildungsoptik 18, 19 befindet sich senkrecht zu deren optischer Achse 20 ausgerichtet ein zweidimensionaler Videodetektor 21, auf den die Abbildungsoptik 18, 19 den Teil 14 des Lichtschnitts 4 abbildet. Das von dem Filter 16 gefilterte Bild des Teils 14 auf dem Videodetektor 21 ist dort dunkel, wo die Doppler-verschobene Frequenz des von den Partikeln reflektierten Lichts mit der Absorptionsfrequenz des Filters 16 zusammenfällt, und ansonsten hell. Dieses Bild wird aus dem Videodetektor 21 in einen Rechner 22 zur späteren Auswertung ausgelesen.

Hierbei kann ein Ausgangssignal 23 der Analyseanordnung 13 für die unverschobene Frequenz des Laserstrahls 7 auf zwei verschiedene Weisen Berücksichtigung finden. Wenn das Ausgangssignal 23 anzeigt, ob der Laser 6 eine vorgegebene Sollfrequenz einhält, kann es zum Freischalten und Sperren des Videodetektors 21 oder des Rechners 22 verwendet werden. D. h. das Signal 23 sperrt die Bestimmung bzw. Auswertung der Doppler­ verschobenen Frequenz des reflektierten Lichts immer dann, wenn der Laser 6 von der vorgegebenen Sollfrequenz abweicht. Wenn das Ausgangssignal hingegen den quantitativen Wert der Frequenz des Laserstrahls 7 umfaßt, kann dieser mit dem zeitlich zugehörigen Inhalt des Videodetektors in dem Rechner 22 abgespeichert werden, um später bei der Auswertung Berücksichtigung zu finden.

Die eigentliche Bestimmung der Geschwindigkeit der Strömung in dem Teil 14 des Lichtschnitts 4 aufgrund der Dopplerverschiebung der Frequenz des Laserstrahls 7 gehört zum Wissen des Fachmanns und bedarf hier keiner näheren Erläuterung.

Claims (9)

1. Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit einer mit lichtreflektierenden Partikel geimpften Strömung, wobei die in einem Lichtschnitt befindlichen Partikel mit monochromatischem Licht beleuchtet werden, wobei die Doppler-verschobene Frequenz des von den Partikeln seitlich aus dem Lichtschnitt reflektierten Lichts bestimmt wird und wobei die Geschwindigkeit der Strömung aus der Doppler-verschobenen Frequenz ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des monochromatischen Lichts (5), mit dem die Partikel in dem Lichtschnitt (4) beleuchtet werden, laufend bestimmt wird und daß diese Frequenz der jeweiligen Ermittlung der Geschwindigkeit der Strömung aus der Doppler-verschobenen Frequenz zugrundegelegt wird.

2. Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit einer mit lichtreflektierenden Partikel geimpften Strömung, wobei die in einem Lichtschnitt befindlichen Partikel mit monochromatischem Licht beleuchtet werden., wobei die Doppler-verschobene Frequenz des von den Partikeln seitlich aus dem Lichtschnitt reflektierten Lichts bestimmt wird und wobei die Geschwindigkeit der Strömung aus der Doppler-verschobenen Frequenz ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des monochromatischen Lichts (5), mit dem die Partikel in dem Lichtschnitt (4) beleuchtet werden, laufend bestimmt wird und daß nur dann, wenn diese Frequenz innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs um eine vorgegebene Sollfrequenz liegt die Geschwindigkeit der Strömung aus der Doppler-verschobenen Frequenz ermittelt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem einen Laserstrahl (7) abgebenden Laser (6), mit einer den Laserstrahl (7) aufweitenden Lichtschnittoptik (8, 9) und mit einer Analyseanordnung (15) für die Doppler-verschobene Frequenz des seitlich aus dem Lichtschnitt (4) reflektierten Laserlichts, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Laserstrahl (7) ein Filter angeordnet ist, das nur Licht einer bestimmten A Frequenz durchläßt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem einen Laserstrahl (7) abgebenden Laser (6), mit einer den Laserstrahl (7) aufweitenden Lichtschnittoptik (8, 9) und mit einer ersten Analyseanordnung (15) für die Doppler- verschobene Frequenz des seitlich aus dem Lichtschnitt reflektierten Laserlichts, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Laserstrahl (7) ein Strahlteiler (10) angeordnet ist, der einen Teil des Laserstrahls (7) einer zweiten Analyseanordnung (13) für die Frequenz des Laserstrahls (7) zuführt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Analyseanordnung (13) ein den Laserstrahl (7) in Abhängigkeit von seiner Frequenz beugendes oder den Laserstrahl (7) mit sich selbst zur Interferenz bringendes Bauteil aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Analyseanordnung (15) eine einen Teil (14) des Lichtschnitts (4) auf einen zweidimensionalen Videodetektor (21) abbildende Abbildungsoptik (18, 19) aufweist, dem ein elektronischer Bildspeicher (22) nachgeordnet ist, wobei in einer Bildebene (17) der Abbildungsoptik ein zweidimensionales Filter (16) angeordnet ist, das nur Licht einer bestimmten Frequenz durchläßt oder absorbiert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der optischen Achse (20) der Abbildungsoptik (18, 19) vor dem zweidimensionalen Filter (16) ein Strahlteiler angeordnet ist, mittels dessen der eine Teil (14) des Lichtschnitts (4) auch direkt auf einen Videodetektor (21) abbildbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Videodetektor (21) eine Videokamera mit einem frei triggerbaren Verschluß ist, wobei die zweite Analyseanordnung (13) das den Verschluß triggernde Signal abgibt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Bildspeicher (22) neben dem Inhalt des Videodetektors (21) die jeweils zugehörige mit der zweiten Analyseanordnung (13) bestimmte Frequenz des Laserstrahls (7) abspeichert.