EP1110093A2 - Verfahren und vorrichtung zur nichtinvasiven messung der geschwindigkeit eines gases oder einer flüssigkeit - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur nichtinvasiven messung der geschwindigkeit eines gases oder einer flüssigkeit

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EP1110093A2
EP1110093A2 EP99960692A EP99960692A EP1110093A2 EP 1110093 A2 EP1110093 A2 EP 1110093A2 EP 99960692 A EP99960692 A EP 99960692A EP 99960692 A EP99960692 A EP 99960692A EP 1110093 A2 EP1110093 A2 EP 1110093A2
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EP
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luminescence
molecules
atoms
gas
liquid
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EP99960692A
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Inventor
Martin NÄGELE
Wilfried Staude
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Individual
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/18—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/708—Measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G01F1/7086—Measuring the time taken to traverse a fixed distance using optical detecting arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N9/00—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity
    • G01N9/24—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity by observing the transmission of wave or particle radiation through the material
    • G—PHYSICS
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/001—Full-field flow measurement, e.g. determining flow velocity and direction in a whole region at the same time, flow visualisation

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for the non-invasive measurement of the speed of a gas or a liquid at an examination site.
  • Previously known optical measuring methods can be divided into two classes.
  • the class of double anemometers in which light is elastically scattered on particles introduced into the medium to be examined (gas or liquid) if there are too few naturally present particles, therefore also called invasive, ie no real excitation in the medium takes place, and the class of measurement methods in which no additional particles are introduced is therefore designated as non-invasive, in which an excitation is generated in the medium and the subsequent luminescence is evaluated.
  • the direct evaluation of laser-induced luminescence for measuring velocities in gases is described, for example, in US Pat. Nos. 5,002,389 by T. Benser and 4,483,614 by T. Rogers. In the known methods, a laser pulse is used to excite the gas.
  • the typical decay times of the luminescence triggered in this way are in the range from a few nano to microseconds. This means that the measuring methods can only be used to a limited extent for flows at low speeds.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method and a device with which even lower velocities of a gas or a liquid can be measured.
  • this object is achieved by a method for the non-invasive measurement of the speed of a gas or a liquid at an examination location, with the following steps:
  • a first device for focusing a first pulsed light beam from the light source in an examination location
  • a second device for projecting a second pulsed light beam from the light source into a spatial area after a time interval ⁇ t
  • a third device for detecting luminescence in the spatial area and determining the coordinates of the examination site and the occurrence of luminescence (luminescence cloud) in an image field and
  • a processing device connected to the third device for calculating the speed of the gas or the liquid on the basis of the distance s between the examination site and the center of the luminescence cloud and the time interval ⁇ t.
  • the direction of the speed is additionally calculated. This gives the speed vector.
  • the density of the gas or the liquid is determined on the basis of the intensity of the characteristic luminescence.
  • the density is proportional to the intensity of the luminescence.
  • the characteristic luminescence is additionally detected over time and the density of the gas or liquid is determined on the basis of the time course of the characteristic luminescence.
  • the characteristic luminescence is additionally detected spectrally selectively and the relative concentrations of the atoms and / or molecules involved are determined on the basis of the relative intensities of the various luminescence spectral lines.
  • a more precise analysis of the spectral distribution of the luminescence can also be used to draw conclusions about the temperature and collisions with other molecules at the site of the excitation.
  • the characteristic luminescence is preferably only detected during a fixed time interval ⁇ ti after the selective lifting. This leads to an improvement in the signal-to-noise ratio. According to a further special embodiment of the invention it can be provided that the speed of air is determined.
  • a plasma is generated briefly by the lifting according to step a).
  • N 2 molecules are preferably raised by the plasma generation and these relax after a short time into the metastable state A 3 ⁇ + U , furthermore in step b) the N 2 molecules of the A 3 ⁇ + U state raised to the B Tl g state and the luminescence of the B Il g state is detected in step c).
  • the third device comprises a camera.
  • the camera is a CCD camera, possibly with an image intensifier.
  • the third device comprises two crossed PSDs (Position Sensitive Device).
  • the signal from the two detectors corresponds directly to the transverse coordinates of the luminescence cloud.
  • the third device is spectrally selective.
  • the invention is based on the surprising finding that by dividing the excitation process into two steps (a) and b)), which can take place in a time interval ⁇ t that is greater than the typical decay times of the luminescence, speed measurements can also be carried out on slower gases or Liquids can be made. This is possible because the metastable states have a lifespan in the range of milliseconds compared to the previous luminescence time of 10 to a few 100 nanoseconds.
  • the method can be used in particular to measure the air speed in front of a flying aircraft, the vortex wake around and behind an aircraft, and gas / liquid speeds with high spatial resolution without influencing the flow -b- conditions and of flow conditions on flow-around elements with high spatial resolution can be used.
  • the method according to the invention offers in a special embodiment the possibility of additionally determining the density and / or composition of the medium at the examination site.
  • 1 schematically shows luminescence of atoms and / or molecules (luminescence cloud) after excitation by a light source
  • Fig. 2 schematically shows a special embodiment of the device according to the invention.
  • reference numeral 1 denotes a focused first pulsed light beam.
  • This focused light beam 1 comes from a light source 6 in the form of a laser, the exit beam of which is focused by a first device 5 in the form of an optical system in an examination location 2 (see also FIG. 2).
  • the same optical system is also used to generate a non-focused second pulsed light beam 4 from the light source 6 and to receive luminescent light and forward it to a device 7 for detecting luminescence in the form of a camera (see FIG. 2).
  • a system controller 8 is used to control the process sequences, i.e. in particular the time sequence of the emission of the first and second pulsed light beams and the subsequent detection of luminescence.
  • the central feature of the method according to the invention is the division of the excitation process into two stages, which are triggered by a (first or second) pulsed light beam 1 and 4 and follow one another in a variable time.
  • the spatial resolution of the method results from the sharply focused light beam 1 of the first laser pulse.
  • the relatively high intensity achieved in this way which in particular can also lead to a short-term plasma generation, permits the excitation of the gas or the liquid in such a way that atoms and / or molecules remain in metastable states after the immediately following relaxation cascade. These metastable states are typically reached a few 10 to a few 100 nanoseconds after the first exciting laser pulse of the first laser beam 1.
  • This laser beam 4 is emitted in time and space in such a way that it finds a still sufficient density of metastable states and radiates through the spatial area containing the presumed instantaneous location of the atoms and / or molecules.
  • a set time interval ⁇ t between the first (stimulating) light beam 1 and the second (interrogating) light beam 4 of, for example, two milliseconds the sample medium moves 20 mm further at 10 m / s, which can be measured very well even at greater distances.
  • the second (interrogating) light beam 4 selectively excites only the metastable states. Due to the subsequent relaxation with the emission of luminescence, the region with metastable states (luminescence cloud 3) clearly stands out against the background.
  • This luminescent light is imaged by the first device 5 into the third device 7, where it is recorded by an imaging system (camera).
  • the imaging system can optionally be equipped with one or more spectrally selective elements or channels in order to enable the composition of the medium at the excitation site by querying different characteristic luminescent transitions of different molecules.

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Abstract

Verfahren zur nichtinvasiven Messung der Geschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit an einem Untersuchungsort, mit den folgenden Schritten: i) Anheben von in dem Gas oder der Flüssigkeit vorhandenen Atomen und/oder Molekülen in einen angeregten Atom- bzw. Molekülzustand mittels eines im Untersuchungsort fokussierten ersten gepulsten Lichtstrahls einer Lichtquelle; j) nach einem Zeitintervall DELTA t, das mindestens so gross gewählt ist, dass die angeregten Atome und/oder Moleküle durch Relaxation in metastabile Zustände zurückgekehrt sind, selektives Anheben der in den metastabilen Zuständen befindlichen Atome und/oder Moleküle in einen angeregten Atom- bzw. Molekülzustand mittels eines den Untersuchungsort und den vermuteten momentanen Aufenthaltsort der Atome und/oder Moleküle enthaltenden Raumbereiches durchstrahlenden, gegenüber dem ersten Lichtstrahl intensitätsschwächeren zweiten gepulsten Lichtstrahls der Lichtquelle, so dass eine charakteristische Lumineszenz erzeugt wird; k) Detektieren der charakteristischen Lumineszenz der selektiv angeregten Atome und/oder Moleküle und Bestimmen der Koordinaten des Untersuchungsortes und des Aufretens von Lumineszenz (Lumineszenz-Wolke) in einem Bildfeld; und l) Berechnen der Geschwindigkeit v des Gases oder Flüssigkeit anhand der Entfernung s zwischen dem Untersuchungsort und dem Mittelpunkt der Lumineszenz-Wolke sowie des Zeitintervalls DELTA t wie folgt: v = s/ DELTA t.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR NICHΗNVASIVEN MESSUNG DER GESCHWINDIGKEIT EINES GASES ODER EINER FLÜSSIGKEIT
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Messung der Geschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit an einem Untersuchungsort.
Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit in Gasen und Flüssigkeiten an körperlich nicht zugänglichen Orten stellt eine in weiten Teilen der Naturwissenschaften und der Technik interessierende Aufgabe dar. Die Untersuchungen an Strömungsfeldern um und in technische(n) Systeme(n) hilft dabei, wichtige Informationen zur Optimierung dieser Systeme zu gewinnen. Auch im Bereich der Untersuchung der Atmosphäre ist die Frage nach der Strömungsgeschwindigkeit an nicht körperlich zugänglichen Orten sehr wichtig. Im Bereich von Luft- und Raumfahrt ist die Information von fundamentaler Wichtigkeit für die Betriebssicherheit der Systeme.
Bisher bekannte optische Meßverfahren lassen sich in zwei Klassen aufteilen. Die Klasse der Doppier- Anemometer, bei welchen Licht an im Falle einer zu geringen Anzahl von natürlich vorhandenen Partikeln in das zu untersuchende Medium (Gas oder Flüssigkeit) eingebrachten Partikeln, daher auch als invasiv bezeichnet, elastisch gestreut wird, d.h. keine reale Anregung im Medium stattfindet, und die Klasse der Meßmethoden, bei der keine zusätzlichen Partikeln eingebracht werden, daher als nichtinvasiv bezeichnet, bei welchen eine Anregung im Medium erzeugt und die nachfolgende Lumineszenz ausgewertet wird. Die direkte Auswertung laserinduzierter Lumineszenz zur Messung von Geschwindigkeiten in Gasen ist z.B. in den US-Patenten 5,002,389 von T. Benser und 4,483,614 von T. Rogers beschrieben. Bei den bekannten Verfahren wird ein Laserpuls zur Anregung des Gases eingesetzt. Die typischen Abklingzeiten der so ausgelösten Lumineszenz liegen im Bereich von einigen Nano- bis Mikrosekunden. Damit sind die Meßverfahren nur bedingt für Strömungen geringer Geschwindigkeit einsetzbar. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen auch geringere Geschwindigkeiten eines Gases oder einer Flüssigkeit gemessen werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur nichtinvasiven Messung der Geschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit an einem Untersuchungsort, mit den folgenden Schritten:
a) Anheben von in dem Gas oder der Flüssigkeit vorhandenen Atomen und/oder Molekülen in einen angeregten Atom- bzw. Molekülzustand mittels eines im Untersuchungsort fokussierten ersten gepulsten Lichtstrahls einer Lichtquelle,
b) nach einem Zeitintervall Δt, das mindestens so groß gewählt ist, daß die angeregten Atome und/oder Moleküle durch Relaxation in metastabile Zustände zurückgekehrt sind, selektives Anheben der in den metastabilen Zuständen befindlichen Atome und/oder Moleküle in einen angeregten Atom- bzw. Molekülzustand mittels eines den Untersuchungsort und den vermuteten momentanen Aufenthaltsort der Atome und/oder Moleküle enthaltenden Raumbereiches durchstrahlenden, gegenüber dem ersten Lichtstrahl intensitätsschwächeren zweiten gepulsten Lichtstrahls der Lichtquelle, so daß eine charakteristische Lumineszenz erzeugt wird,
c) Detektieren der charakteristischen Lumineszenz der selektiv angeregten Atome und/oder Moleküle und Bestimmen der Koordinaten des Untersuchungsortes und des Auftretens von Lumineszenz (Lumineszenz- Wolke) in einem Bildfeld, und
d) Berechnen der Geschwindigkeit v des Gases oder Flüssigkeit anhand der Entfernung s zwischen dem Untersuchungsort und dem Mittelpunkt der Lumineszenz- Wolke sowie des Zeitintervalls Δt wie folgt:
v = s/Δt.
Diese Aufgabe wird zudem bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß sie umfaßt - eine Lichtquelle zur Erzeugung von gepulsten Lichtstrahlen,
- eine erste Einrichtung zur Fokussierung eines ersten gepulsten Lichtstrahls der Lichtquelle in einem Untersuchungsort, eine zweite Einrichtung zur Projektion eines zweiten gepulsten Lichtstrahls der Lichtquelle in einen Raumbereich nach einem Zeitintervall Δt,
- eine dritte Einrichtung zur Detektion von Lumineszenz in dem Raumbereich und Bestimmung der Koordinaten des Untersuchungsortes und des Auftretens von Lumineszenz (Lumineszenz- Wolke) in einem Bildfeld und
- eine mit der dritten Einrichtung verbundene Verarbeitungseinrichtung zur Berechnung der Geschwindigkeit des Gases oder der Flüssigkeit anhand der Entfernung s zwischen dem Untersuchungsort und dem Mittelpunkt der Lumineszenz- Wolke sowie des Zeitintervalls Δt.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, daß zusätzlich die Richtung der Geschwindigkeit berechnet wird. Damit erhält man den Geschwindigkeitsvektor.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausflihrungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Dichte des Gases oder der Flüssigkeit anhand der Intensität der charakteristischen Lumineszenz bestimmt wird. Die Dichte ist dabei proportional zur Intensität der Lumineszenz.
Ferner kann vorgesehen sein, daß die charakteristische Lumineszenz zusätzlich zeitlich de- tektiert und die Dichte des Gases oder der Flüssigkeit anhand des zeitlichen Verlaufes der charakteristischen Lumineszenz bestimmt wird.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausfuhrungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die charakteristische Lumineszenz zusätzlich spektralselektiv detektiert wird und anhand der relativen Intensitäten der verschiedenen Lumineszenzspektrallinien die relativen Konzentrationen der beteiligten Atome und/oder Moleküle bestimmt werden. Durch genauere Analyse der spektralen Verteilung der Lumineszenz lassen sich auch Rückschlüsse auf die Temperatur und Stöße mit anderen Molekülen am Ort der Anregung ziehen.
Vorzugsweise wird die charakteristische Lumineszenz nur während eines festen Zeitintervalls Δti nach dem selektiven Anheben detektiert. Die führt zu einer Verbesserung des Signal- Rausch-Verhältnisses. Gemäß einer weiteren besonderen Ausflihrungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Geschwindigkeit von Luft bestimmt wird.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, daß durch das Anheben gemäß Schritt a) kurzzeitig ein Plasma erzeugt wird.
Weiterhin kann dabei auch vorgesehen sein, daß durch die Plasmaerzeugung vorzugsweise N2-Moleküle angehoben werden und diese nach kurzer Zeit in den metastabilen Zustand A3Σ+ U relaxieren, ferner in dem Schritt b) die N2-Moleküle von dem A3Σ+ U-Zustand in den B Tlg-Zustand angehoben und in Schritt c) die Lumineszenz des B Ilg-Zustands detektiert wird.
Bei der Vorrichtung kann vorgesehen sein, daß die dritte Einrichtung eine Kamera umfaßt.
Weiterhin kann vorgesehen sein, daß die Kamera eine CCD-Kamera ggf. mit Bildverstärker ist.
Entsprechend einer besonderen Ausführungsform der Vorrichtung umfaßt die dritte Einrichtung zwei gekreuzt angeordnete PSDs (Position Sensitive Device). In diesem Fall entspricht das Signal der beiden Detektoren direkt den transversalen Koordinaten der Lumineszenz- Wolke.
Schließlich kann auch vorgesehen sein, daß die dritte Einrichtung spektral selektiv ist.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß durch die Aufteilung des Anregungsprozesses in zwei Schritten (a) und b)), die in einem Zeitintervall Δt erfolgen kann, das größer als die typischen Abklingzeiten der Lumineszenz ist, Geschwindigkeitsmessungen auch an langsameren Gasen bzw. Flüssigkeiten vorgenommen werden können. Dies wird dadurch möglich, daß die metastabilen Zustände eine Lebensdauer im Bereich von Millisekunden gegenüber der vorangehenden Lumineszenzzeit von 10 bis einigen 100 Nanosekunden aufweisen. Das Verfahren kann insbesondere zur Messung der Luftgeschwindigkeit vor einem fliegenden Flugzeug, der Wirbelschleppe um und hinter einem Flugzeug, von Gas- /Flüssigkeitsgeschwindigkeiten mit hoher Ortsauflösung ohne Beeinflussung der Strömungs- -b- verhältnisse und von Strömungsverhältnissen an umströmten Elementen mit hoher Ortsauflösung verwendet werden. Darüber hinaus bietet das erfindungsgemäße Verfahren in einer besonderen Ausflihrungsform die Möglichkeit, zusätzlich die Dichte und/oder Zusammensetzung des Mediums am Untersuchungsort zu bestimmen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachstehenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel anhand der schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:
Fig. 1 schematisch Lumineszenz von Atomen und/oder Molekülen (Lumineszenz- Wolke) nach Anregung durch eine Lichtquelle; und
Fig. 2 schematisch eine besondere Ausflihrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In Fig. 1 kennzeichnet Bezugszeichen 1 einen fokussierten ersten gepulsten Lichtstrahl. Dieser fokussierte Lichtstrahl 1 stammt von einer Lichtquelle 6 in Form eines Lasers, dessen Austrittsstrahl von einer ersten Einrichtung 5 in Form eines optischen Systems in einem Untersuchungsort 2 fokussiert wird (siehe auch Fig. 2). Dasselbe optische System dient auch zur Erzeugung eines nichtfokussierten zweiten gepulsten Lichtstrahls 4 der Lichtquelle 6 und zum Empfang von Lumineszenzlicht und Weiterleitung an eine Einrichtung 7 zur Detektion von Lumineszenz in Form einer Kamera (siehe Fig. 2). Eine Systemsteuerung 8 dient zur Steuerung der Verfahrensabläufe, d.h. insbesondere der zeitlichen Abfolge der Aussendung der ersten und zweiten gepulsten Lichtstrahlen sowie der nachfolgenden Detektion von Lumineszenz.
Zentrales Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahren ist die Aufteilung des Anregungsproze- ses in zwei Stufen, die ausgelöst durch je einen (ersten bzw. zweiten) gepulsten Lichtstrahl 1 und 4, zeitlich variabel aufeinanderfolgen. Die Ortsauflösung des Verfahrens ergibt sich durch den scharf fokussierten Lichtstrahl 1 des ersten Laserimpulses. Die so erreichte relativ hohe Intensität, welche insbesondere auch zu einer kurzzeitigen Plasmaerzeugung führen kann, erlaubt die Anregung des Gases bzw. der Flüssigkeit derart, daß Atome und/oder Moleküle nach der unmittelbar folgenden Relaxationskaskade in metastabilen Zuständen verbleiben. Diese metastabilen Zustände sind typischerweise einige 10 bis einige 100 Nanosekunden nach dem ersten anregenden Laserimpuls des ersten Laserstrahls 1 erreicht. Die bei diesem Prozeß abgestrahlte Lumineszenz wird im Gegensatz zu den oben beschriebenen bekannten Verfahren hier nicht weiter ausgewertet, da das angeregte Medium (Gas oder Flüssigkeit) in 100 Nanosekunden bei einer typischen Geschwindigkeit von 10 m/s nur einen Weg von einem Mikrometer zurückgelegt hat, was aus größerer Entfernung mit Sicherheit nicht ausgewertet werden kann. Daher wird die zurückbleibende Wolke metastabiler Zustände, auch Lumineszenz-Wolke 3 genannt, deren Lebensdauer im Bereich einiger Millisekunden bis Sekunden liegen kann, nach einem einstellbaren Zeitintervall Δt durch einen zweiten Laserimpuls des zweiten Lichtstrahls 4 abgefragt. Dieser Laserstrahl 4 wird zeitlich und räumlich so ausgesendet, daß er eine noch ausreichende Dichte metastabiler Zustände vorfindet und den den vermuteten momentanen Aufenthaltsort der Atome und/oder Moleküle enthaltenden Raumbereich durchstrahlt. Bei einem eingestellten Zeitintervall Δt zwischen dem ersten (anregenden) Lichtstrahl 1 und dem zweiten (abfragenden) Lichtstrahl 4 von z.B. zwei Millisekunden bewegt sich das Beispielsmedium bei 10 m/s 20 mm weiter, was auch auf größere Entfernungen sehr gut meßtechnisch zu erfassen ist.
Der zweite (abfragende) Lichtstrahl 4 regt selektiv nur die metastabilen Zustände an. Durch die darauffolgende Relaxation unter Abstrahlung von Lumineszenz zeichnet sich die Region mit metastabilen Zuständen (Lumineszenz- Wolke 3) deutlich vor dem Hintergrund ab. Dieses Lumineszenzlicht wird durch die erste Einrichtung 5 in die dritte Einrichtung 7 abgebildet, wo es durch ein bildgebendes System (Kamera) aufgezeichnet wird. Das bildgebende System kann wahlweise mit einem oder mehreren spektralselektiven Elementen oder Kanälen ausgerüstet werden, um die Zusammensetzung des Mediums am Ort der Anregung durch Abfragung unterschiedlicher charakteristischer lumineszierender Übergänge unterschiedlicher Moleküle zu ermöglichen.
B ezugszeichenliste
1 fokussierter Lichtstrahl
2 Untersuchungsort
3 Lumineszenz- Wolke
4 unfokussierter Lichtstrahl
5 erste und zweite Einrichtung
6 Lichtquelle
7 dritte Einrichtung
8 Systemsteuerung
s Entfernung zwischen Untersuchungsort und Mittelpunkt der Lumineszenz- Wolke
Δt Zeitintervall
Δtt Zeitintervall v Geschwindigkeit

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur nichtinvasiven Messung der Geschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit an einem Untersuchungsort, mit den folgenden Schritten:
e) Anheben von in dem Gas oder der Flüssigkeit vorhandenen Atomen und/oder Molekülen in einen angeregten Atom- bzw. Molekülzustand mittels eines im Untersuchungsort fokussierten ersten gepulsten Lichtstrahls einer Lichtquelle,
f) nach einem Zeitintervall Δt, das mindestens so groß gewählt ist, daß die angeregten Atome und/oder Moleküle durch Relaxation in metastabile Zustände zurückgekehrt sind, selektives Anheben der in den metastabilen Zuständen befindlichen Atome und/oder Moleküle in einen angeregten Atom- bzw. Molekülzustand mittels eines den Untersuchungsort und den vermuteten momentanen Aufenthaltsort der Atome und/oder Moleküle enthaltenden Raumbereiches durchstrahlenden, gegenüber dem ersten Lichtstrahl intensitätsschwächeren zweiten gepulsten Lichtstrahls der Lichtquelle, so daß eine charakteristische Lumineszenz erzeugt wird,
g) Detektieren der charakteristischen Lumineszenz der selektiv angeregten Atome und/oder Moleküle und Bestimmen der Koordinaten des Untersuchungsortes und des Auftretens von Lumineszenz (Lumineszenz- Wolke) in einem Bildfeld, und
h) Berechnen der Geschwindigkeit v des Gases oder Flüssigkeit anhand der Entfernung s zwischen dem Untersuchungsort und dem Mittelpunkt der Lumineszenz- Wolke sowie des Zeitintervalls Δt wie folgt:
v = s/Δt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Richtung der Geschwindigkeit berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des Gases oder der Flüssigkeit anhand der Intensität der charakteristischen Lumineszenz bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristische Lumineszenz zusätzlich zeitlich detektiert und die Dichte des Gases oder der Flüssigkeit anhand des zeitlichen Verlaufes der charakteristischen Lumineszenz bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristische Lumineszenz zusätzlich spektralselektiv detektiert wird und anhand der relativen Intensitäten der verschiedenen Lumineszenzspektrallinien die relativen Konzentrationen der beteiligten Atome und/oder Moleküle bestimmt werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristische Lumineszenz nur während eines festen Zeitintervalls Δt] nach dem selektiven Anheben detektiert wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit von Luft bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Anheben gemäß Schritt a) kurzzeitig ein Plasma erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Plasmaerzeugung vorzugsweise N2-Moleküle angehoben werden und diese nach kurzer Zeit in den metastabilen Zustand A3Σ+ U relaxieren, ferner in dem Schritt b) die N2-Moleküle von dem A3Σ+ U- Zustand in den B πg-Zustand angehoben und in Schritt c) die Lumineszenz des B πg- Zustands detektiert wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laser als Lichtquelle verwendet wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit:
einer Lichtquelle(ό) zur Erzeugung von gepulsten Lichtstrahlen, - einer ersten Einrichtung (5) zur Fokussierung eines ersten gepulsten Lichtstrahls (1) der Lichtquelle in einem Untersuchungsort,
- einer zweiten Einrichtung (5) zur Projektion eines zweiten gepulsten Lichtstrahls (4) der Lichtquelle in einen Raumbereich nach einem Zeitintervall Δt,
- einer dritten Einrichtung (7) zur Detektion von Lumineszenz in dem Raumbereich und Bestimmung der Koordinaten des Untersuchungsortes und des Auftretens von Lumineszenz (Lumineszenz- Wolke 3) in einem Bildfeld und
- einer mit der dritten Einrichtung (7) verbundenen Verarbeitungseinrichtung zur Berechnung der Geschwindigkeit des Gases oder der Flüssigkeit anhand der Entfernung s zwischen dem Untersuchungsort und dem Mittelpunkt der Lumineszenz- Wolke sowie des Zeitintervalls Δt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (7) eine Kamera umfaßt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera eine CCD- Kamera ggf. mit Bildverstärker ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (7) zwei gekreuzt angeordnete PSDs (Position Sensitive Device) umfaßt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (7) spektralselektiv ist.
EP99960692A 1998-07-04 1999-07-05 Verfahren und vorrichtung zur nichtinvasiven messung der geschwindigkeit eines gases oder einer flüssigkeit Withdrawn EP1110093A2 (de)

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PCT/DE1999/002123 WO2000003249A2 (de) 1998-07-04 1999-07-05 Verfahren und vorrichtung zur nichtinvasiven messung der geschwindigkeit eines gases oder einer flüssigkeit

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EP (1) EP1110093A2 (de)
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