EP4281787A1 - Verfahren zur bestimmung zumindest einer geschwindigkeitskomponente einer fluidströmung - Google Patents

Verfahren zur bestimmung zumindest einer geschwindigkeitskomponente einer fluidströmung

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EP4281787A1
EP4281787A1 EP22700866.1A EP22700866A EP4281787A1 EP 4281787 A1 EP4281787 A1 EP 4281787A1 EP 22700866 A EP22700866 A EP 22700866A EP 4281787 A1 EP4281787 A1 EP 4281787A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
partial beam
scattered light
light signal
optical path
doppler
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22700866.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Günter WEDL
Christian Jordan
Bahram HADDADI
Michael Harasek
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Wien
Original Assignee
Technische Universitaet Wien
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Wien filed Critical Technische Universitaet Wien
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Pending legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • 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
    • G01P5/26—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 direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave
    • 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
    • G01N21/65—Raman scattering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B8/48—Diagnostic techniques
    • A61B8/488—Diagnostic techniques involving Doppler signals
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2230/00—Measuring physical parameters of the user
    • A61H2230/25—Blood flowrate, e.g. by Doppler effect
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • G01N2021/392—Measuring reradiation, e.g. fluorescence, backscatter
    • G—PHYSICS
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N2021/4704—Angular selective
    • G01N2021/4709—Backscatter

Definitions

  • the invention relates to a method for determining at least one velocity component of a fluid flow, in particular a method for laser Doppler anemometry.
  • the invention also relates to a device for determining at least one velocity component of a fluid flow, in particular a device for laser Doppler anemometry or a laser Doppler anemometer.
  • Laser Doppler anemometry is an important non-contact optical measuring method for determining velocity components in fluid flows. This is based on the determination of the Doppler shift of the frequency of the incident light that strikes a moving object.
  • Single-beam laser Doppler systems, two-beam laser Doppler systems and multi-beam laser Doppler systems are known. With the two-beam laser Doppler system, two excitation beams are crossed in a measuring volume, the resulting Doppler-shifted scattered light is recorded and evaluated. More than one pair of beams can be used to detect more than one velocity component.
  • GB 2 213 018 B shows an LDA for 3D speed measurement based on polarization angle measurement.
  • a laser beam is directed onto a beam splitter via an output module.
  • the two beams converge on a measurement volume.
  • Means are provided to adjust the position of the output module and beam splitter to in turn adjust the position at which the two beams converge.
  • Scattered light is recorded via a spatially offset receiving window and fed to a photomultiplier. Reference measurements are necessary to determine the velocity components.
  • the AT 520087 A4 shows a combination of an LDA with a Raman spectrometer.
  • the object of the present invention is to alleviate or eliminate at least some disadvantages of the prior art. to avoid .
  • This object is achieved by a method for determining at least one velocity component of a fluid flow, in particular for laser Doppler anemometry, the method having at least the following steps:
  • Detecting a Doppler-shifted first partial beam scattered light signal which was scattered back by tracer particles in the fluid flow in the overlapping region, at least in sections following the first optical path; - Detecting a Doppler-shifted solid angle scattered light signal, which was scattered by the tracer particles in the overlapping area in a path that is at least different from the first optical path and from the second optical path.
  • a device for determining at least one velocity component of a fluid flow having:
  • a light source arrangement for providing at least a first and a second partial beam
  • an optical directing device for directing the first partial beam along a first optical path and the second partial beam along a second optical path onto an overlapping region within a fluid flow, so that the first optical path and the second optical path intersect in the overlapping region;
  • a (first) partial beam detector which is arranged to detect a Doppler-shifted first partial beam scattered light signal, which was scattered back by tracer particles in the fluid flow in the overlapping region, at least in sections following the first optical path;
  • solid angle detector or solid angle scattered light detector, which is arranged to detect a Doppler-shifted solid angle scattered light signal from the tracer particles in the overlapping region in at least one of the first optical path and the second optical path different path was scattered .
  • the solid angle scattered light signal contains a speed-dependent, characteristic Doppler frequency, which depends on the angle between the partial beams or from the angle between the partial beams and the object to be measured (ie the tracer particles). By detecting the solid angle scattered light signal, in particular the frequency of the solid angle scattered light signal, the overall speed of the tracer particles and thus the flow can be determined.
  • the partial beam scattered light signals also contain speed-dependent, characteristic Doppler frequencies that are directly proportional to the speed of the particles in the respective beam axis and to the angle of movement of the tracer particles relative to the respective Jet axis are dependent on the total speed of the flow.
  • the absolute value of a velocity component of the tracer particles or of the flow in the overlapping area can be determined.
  • the absolute value of a speed component can be determined with the first partial beam detector and the solid angle detector.
  • no frequency shift, no additional measurement openings and no reference measurements are necessary for this.
  • redundancy and thus improved accuracy can be achieved by detecting the Doppler-shifted solid-angle scatter signal and the first Doppler-shifted partial-beam scatter signal (and preferably further Doppler-shifted partial-beam scatter signals).
  • the sense of direction of the movement can also be determined without a frequency shift.
  • the tracer particles in the fluid flow are understood to mean, for example, solid particles, liquid droplets and gas bubbles.
  • the first and second partial beams preferably have the same frequency and/or are coherent, in particular when they impinge on the superimposition area.
  • the provision of at least a first partial beam and a second partial beam preferably comprises: providing a light beam; and/or dividing the light beam into at least the first partial beam and the second partial beam, in particular with a first beam splitter.
  • the light source arrangement preferably has a light source for providing a light beam and/or a first beam splitter for splitting the light beam into the first partial beam and the second partial beam.
  • the light source is preferably a coherent light source, in particular a laser.
  • the first optical path and the second optical path each extend from the first beam splitter to the superimposition region.
  • the first optical path and the second optical path are preferably different outside the overlapping area.
  • the fluid flow is in particular a liquid flow and/or a gas flow and/or a particle flow.
  • the velocity component of the fluid flow in the overlapping area which is a measurement volume or represents a focus point.
  • the first optical path is partially different from the second optical path. The first partial beam and the second partial beam enclose an angle between one another when they arrive at the superposition volume.
  • a filter can be provided to separate the respective Doppler-shifted component from the remaining scattered light, in particular to separate the Doppler-shifted component from the remaining scattered light (an analysis scattered light) of the solid-angle scattered light signal.
  • the solid angle detector and/or the first partial beam detector can be a photomultiplier, a photodiode or another sensor suitable for frequency and/or wavelength measurement.
  • the solid-angle scattered light signal is preferably a scattered light signal that was scattered back by the tracer particles in the overlapping region into the path that differs from the first and second optical path.
  • the scattered in the path different from the first and second solid angle scattered light signal is scattered in particular in a space different from the first and second path.
  • the method preferably has the step: adding tracer particles to the fluid flow, if necessary.
  • the path of the solid angle scattered light signal preferably lies at least partially between the first and the second optical path when they meet the overlap region.
  • the device is preferably set up to carry out the method according to the invention, for which purpose a control and data acquisition unit can be provided in particular.
  • the method further comprises:
  • first (partial) velocity component in particular a first relative velocity component of the fluid flow in the overlapping region from the first partial beam scattered light signal (in particular in the beam direction of the first partial beam);
  • the total speed V can, for example. from the measured frequency f d of the Doppler-shifted solid angle scattered light signal using formula 1 ( 1 ) be determined, where 0 S is the angle between the first and the second partial beam (more generally: between the first and third partial beam or the second and third partial beam, see below) and X is the wavelength of the first and second partial beam.
  • - optionally determining a second (partial) velocity component of the fluid flow in the overlapping region from the second partial beam scattered light signal; - Optionally determining a second direction of movement of the second velocity component of the fluid flow in the overlapping area from the second velocity component and the total velocity component.
  • the first scattered light signal from the partial beam and the second scattered light signal from the partial beam are (at least) detected by the same detector.
  • the detector can detect light in the beam path of the light beam before the light beam is divided into the first and second partial beams.
  • the first beam splitter is provided as a detector beam splitter, which leads the first and the second Doppler-shifted partial beam scattered light signal to the detector. It can also be provided that the first beam splitter leads the first and the second Doppler-shifted partial beam scattered light signal to the detector.
  • all partial beam scattered light signals can be detected with a single detector.
  • the first partial beam scattered light signal and preferably the second partial beam scattered light signal is detected using the self-mixing effect, ie. H . using self-mixing interferometry.
  • the first partial beam scattered light signal and preferably the second partial beam scattered light signal is fed back into the light source, in particular a laser cavity of the light source, interfering with the internal optical field of the light source, and detected.
  • the detection can take place in the light source and/or on an opening of the light source facing away from the exit opening for the light beam.
  • the light source is a laser with an open laser cavity.
  • the first partial beam scattered light signal for detection is removed from the first optical path and is detected by a first partial beam detector and preferably the second partial beam scattered light signal for detection by second optical path is discharged and is detected by a second partial beam detector.
  • the first partial beam scattered light signal and the second partial beam scattered light signal can be easily detected, or. a distinction between the two signals is easily possible.
  • detector beam splitters can be provided in the respective optical path, which divert the respective partial beam scattered light signal from the respective optical path for detection.
  • the first partial beam and the second partial beam are focused on the overlapping area with an optical element (so that the first optical path and the second optical path intersect in the overlapping area) and the Doppler-shifted solid-angle scattered light signal is collimated with the same optical element . It is thus possible to achieve both the transmission of the partial beams and the reception of the scattered light signals with just one optic.
  • the optical element is preferably a mirror, in particular a concave mirror.
  • the first and second partial beams can be focused from a section in which they run essentially collinear onto the overlapping area, while the solid angle scattered light signal scattered in the path different from the first and second optical path is collimated by the optical element.
  • the detection of the Doppler-shifted first partial beam scattered light signal and optionally the detection of the Doppler-shifted second partial beam scattered light signal and/or the Doppler-shifted second partial beam scattered light signal comprises at least measuring the frequency of the respective scattered light signal.
  • the method also has:
  • the result of this is that only the frequency which corresponds to the respective partial beam and which is obtained is detected Information can be assigned to the physical beams and thus the direction of the tracer particles is known relative to the respective partial beam.
  • the second partial beam is interrupted in particular independently of an influence on the first partial beam and/or the first partial beam is interrupted in particular independently of an influence on the second partial beam.
  • the first partial beam is not interrupted during the detection of the Doppler-shifted second partial beam scattered light signal, and vice versa.
  • the first and second partial beams can be uninterrupted, ie both partial beams can impinge on the superimposition area.
  • the method includes several cycles.
  • steps a), b) and/or c) are each carried out repeatedly: a) detecting the Doppler-shifted solid angle scattered light signal, while the first and second partial beams radiate onto the superposition volume; b) detecting the Doppler-shifted first partial beam scattered light signal while the first partial beam is radiating onto the superposition volume and the second partial beam is interrupted; c) detecting the Doppler-shifted second partial beam scattered light signal, while the first partial beam is interrupted and the second partial beam is radiating onto the superposition volume. Any order can be provided.
  • steps a), b) and c) is preferably repeated.
  • at least one of the velocity components or the overall velocity can be determined for a large number of tracer particles. In the swarm, the tracer particles essentially have the same velocity information as the flow, so the velocity information of the flow can be determined very accurately.
  • a light beam or first and second partial beam used with the same wavelength.
  • the method also has:
  • all three velocity components of the flow can be determined.
  • the respective partial beam scattered light signal described preferred from management variants can also be used for the third partial beam or.
  • a third partial beam scattered light signal can be provided.
  • the first, second and third partial beams preferably have the same wavelength, in particular when impinging on the overlapping area.
  • the path of the solid-angle scattered light signal preferably lies essentially within a cone spanned by the first, second, and optionally third optical path (starting from the superimposition region), with the tip of the cone in particular being formed by the superimposition region.
  • the method also has:
  • the method preferably also has:
  • the Doppler-shifted solid angle scattered light signal can be measured while only the first and second partial beams are incident on the superimposition area, and the overall speed can be determined in a simple manner.
  • the first or the second partial beam can also be interrupted during the detection of the Doppler-shifted solid angle scattered light signal.
  • the first or the second partial beam can also be interrupted during the detection of the Doppler-shifted solid angle scattered light signal.
  • the measuring cycle can be shortened.
  • the different partial beam scattered light signals have different frequencies since the tracer particles in the fluid flow usually do not move at the same speed in all directions. Therefore, a simultaneous detection and evaluation of the partial beam scattered light signals is possible. Under certain circumstances, the information is then missing as to which frequency corresponds to which coordinate/which partial beam - this can be obtained by covering a partial beam.
  • the following steps are preferably carried out repeatedly: a) detecting the Doppler-shifted solid-angle scattered light signal while the first and second partial beams radiate onto the superimposition volume and the third partial beam is interrupted; b) detecting the Doppler-shifted first and preferably second partial beam scattered light signal, while the first and second partial beams radiate onto the superimposition volume and the third partial beam is interrupted; c) detecting the Doppler-shifted second and third sub-beam scattered light signal while the first sub-beam is interrupted and the second and third sub-beam radiates onto the superposition volume; d) and optionally: detecting the Doppler-shifted first and third part-beam scattered light signal, during which the second part-beam is interrupted and the first and third part-beam radiates onto the superposition volume.
  • steps a), b), c) and preferably d) is preferably repeated.
  • the steps are performed in the same order in each cycle, e.g. always in the order a ) , then b ) , then c ) , then d) (and then again from the beginning ) .
  • the detection of the first partial beam scattered light signal comprises the determination of an amplitude of the first partial beam scattered light signal
  • the detection of the second partial beam scattered light signal comprises the determination of an amplitude of the second partial beam scattered light signal
  • the detection of the third partial beam scattered light signal comprises determining an amplitude of the third partial beam scattered light signal.
  • an angle at which the first partial beam and the second partial beam intersect in the overlapping area is different from an angle at which the second partial beam and the third partial beam intersect in the overlapping area, and preferably the angle at which the first partial beam and the third partial beam intersect in the overlapping area, is different from an angle at which the first partial beam and the second partial beam intersect in the overlapping area, and preferably the angle at which the second partial beam and the third partial beam intersect in the overlapping area, is different from the angle at which the first partial beam and the third partial beam intersect in the overlapping area.
  • the direction of movement of the fluid per coordinate is determined via the amplitude level: if no partial beam is covered, all three amplitudes of the corresponding partial beam scattered light signals are obtained with approximately the same amplitude level.
  • This uniform distribution of the amplitude heights depends on the beam preparation of the partial beams - should, for example, a partial beam be more intense, e.g. by selecting a specific beam splitter (cf. beam splitter 104, Fig. 1 below) (e.g. an 80:20 beam splitter instead a 50:50 beam splitter), the amplitudes of the partial beam scattered light signals will no longer be the same.)
  • a specific beam splitter e.g. an 80:20 beam splitter instead a 50:50 beam splitter
  • an amplitude higher than the corresponding reference amplitude is obtained for the corresponding coordinate in the direction towards the radiation source and an amplitude lower than the corresponding reference amplitude in the direction away from the radiation source. If there is no change in direction in the coordinate axis, the amplitude is the same as the reference amplitude. This behavior is the same for all partial beam scattered light signals, which means that the direction of movement of the corresponding coordinate can be determined depending on the covered beam.
  • Solid angle scattered light signal into a Doppler-shifted solid angle scattered light signal, which has the Doppler-shifted component of the solid angle scattered light signal, and an analysis scattered light signal.
  • the laser spectrum or Analysis scattered light cleaned with a Doppler-shifted component can be used in particular for further analyses, such as temperature determination, fluorescence and/or Raman spectroscopy.
  • the chemical composition of the fluid flow can also be determined.
  • the solid angle scattered light signal is preferably directed by the optical element (in particular collimated and) onto the filter element.
  • the intensity, in particular the amplitude, of the Doppler-shifted solid angle scattered light signal, the analysis scattered light signal, the first, the second and/or the third partial beam scattered light signal can be measured.
  • a calibration can be carried out first.
  • the first, the second and preferably the third optical path do not run through the filter element.
  • the excitation light beam can be very strong compared to other signals, such as the Raman spectrum, and would pass through e.g. Lenses new signals , eg .
  • Raman signals of the lenses which can overlay the spectra of interest for analytical spectroscopy, such as in Raman or fluorescence spectroscopy.
  • the optical element e.g. a converging lens for focusing the scattered light, in particular the partial beam scattered light signals and the solid angle scattered light signal, is used, and the Doppler-shifted solid angle scattered light signal is reflected through the filter element and all other light frequencies are transmitted.
  • the analysis scattered light signal is made available without interference from lenses.
  • the method also has:
  • a spectrum or characteristic value of the fluid flow from the analysis scattered light signal for example a Raman spectrum or a fluorescence spectrum.
  • the temperature can be determined.
  • information about the chemical species contained can be obtained from the Raman spectrum.
  • the method includes in particular the step:
  • the first and the second and the third partial beam preferably have the same frequency, in particular when impinging on the overlapping area, and are preferably coherent.
  • the provision of at least a first partial beam and a second partial beam and a third partial beam preferably comprises: providing a light beam; and dividing the light beam into at least the first partial beam and the second partial beam, in particular with a first beam splitter; Splitting the first partial beam into at least the first partial beam and the third partial beam, in particular with a second beam splitter.
  • the first partial beam and the third partial beam enclose in particular an angle between one another when they arrive at the superposition volume.
  • the second partial beam and the third partial beam enclose in particular an angle between one another when they arrive at the superposition volume.
  • the solid angle preferably lies at least partially between the first and the second and the third optical path when they meet the overlapping area.
  • 0 S can also be the angle between the first and the third partial beam or between the second and the third partial beam.
  • X can also be the wavelength of the third partial beam.
  • first partial beam scattered light signal and the second partial beam scattered light signal and the third partial beam scattered light signal are (at least) detected by the same detector.
  • the first partial beam scattered light signal and the second partial beam scattered light signal and preferably the third partial beam scattered light signal are detected using the self-mixing effect, d. H . using self-mixing interferometry.
  • the first partial beam scattered light signal and the second partial beam scattered light signal and the third partial beam scattered light signal are fed back into the light source, in particular a laser cavity of the light source, interfering with the internal optical field of the light source, and detected.
  • the first partial beam scattered light signal is removed from the first optical path for detection and is detected by a first partial beam detector and preferably the second partial beam scattered light signal is removed for detection from the second optical path and detected by a second partial beam detector and preferably the third partial beam scattered light signal for detection is removed from the third optical path and is detected by a third partial beam detector.
  • first partial beam and the second partial beam and the third partial beam are focused on the overlapping area with an optical element (so that the first optical path and the second optical path and the third optical path cross in the overlapping area) and with the same optical Element collimates the Doppler-shifted solid angle scattered light signal.
  • the method also has: - Interrupting the first sub-beam while detecting the Doppler-shifted second and third sub-beam scattered light signals
  • the second partial beam is interrupted, in particular, independently of any influence on the first and third partial beams
  • the first partial beam is interrupted, in particular, independently of any influence on the second and third partial beams
  • the third partial beam is interrupted, in particular, independently of any influence on the first and second partial beams .
  • the first sub-beam is interrupted during the detection of the Doppler-shifted second and third sub-beam scattered light signal , etc.
  • the first or the second or the third partial beam can be uninterrupted, ie two partial beams can strike the superimposition area.
  • the method includes several cycles.
  • steps a) to f) are carried out repeatedly: a) detecting the Doppler-shifted solid-angle scattered light signal while the first and second partial beams radiate onto the superposition volume, while the third partial beam is interrupted; b) detecting the Doppler-shifted first and second partial beam scattered light signal, while the first and second partial beam radiate onto the superposition volume and the third partial beam is interrupted; c) detecting the Doppler-shifted solid-angle scattered light signal while the third and second partial beams radiate onto the superposition volume, while the first partial beam is interrupted; d) detecting the Doppler-shifted third and second partial beam scattered light signal, while the third and second partial beam radiates onto the superposition volume and the first partial beam is interrupted; e) Detecting the Doppler-shifted solid angle scattered light signal while the third and the first partial beam are incident on the Overlapping volumes radiate while the second partial beam is interrupted; f) detecting the Doppler-shifted third and first partial beam scattered light signal, while the third and first partial beam radiates
  • the method advantageously includes a step for determining the absolute direction of movement by evaluating the amplitudes of the scattered light signals at the solid angle detector, the angles of the first, second and third partial beams being different from one another and one of the first, second and third partial beams being blocked alternately.
  • the light source arrangement is for providing a third partial beam
  • the optical directing device for directing the third partial beam along a third optical path onto the overlapping region, so that the third optical path crosses the first optical path and the second optical path in the overlapping region, the path into which the detected Doppler-shifted solid-angle scattered light signal scatters was , further differs from the third optical path .
  • the device in particular the light source arrangement, preferably has a second beam splitter, with which the third partial beam is split off from the light beam, from the first partial beam and/or from the second partial beam (furthermore).
  • the third optical path is in particular partially different from the first and the second optical path.
  • the angle between the first and the second partial beam, between the second and the third partial beam, and between the third and the first partial beam preferably lies in each case at the same angle when they strike the superimposed area.
  • the device has:
  • the first partial beam, the second partial beam and optionally the third partial beam are focused crossing the overlapping area and with which the Doppler-shifted solid angle scattered light signal is focused.
  • a single receiving and transmitting optics can be sufficient.
  • the first, the second and / or the third partial beam scattered light signal are focused or from the optical element. directed along the respective optical path.
  • the optical element is preferably a lens, in particular a converging lens.
  • the device has a filter element with which a scattered solid angle light signal scattered along the path different from the first, second and preferably third optical path is converted into a Doppler-shifted solid angle scattered light signal that contains the Doppler-shifted component of the solid angle scattered light signal has, and an analysis scattered light signal is divided.
  • the filter element is preferably arranged at least partially between the first, second and preferably third partial beam.
  • a converging lens is preferably provided, with which the Doppler-shifted solid-angle scattered light signal is focused onto a detector after the filter element.
  • first partial beam, the second partial beam and optionally the third partial beam run past the filter element.
  • D. H it is advantageous if the first partial beam, the second partial beam and the third partial beam are not filtered or filtered by the filter element. to be influenced .
  • the first, second and third partial beam scattered light signal are preferably detected unfiltered.
  • the device has:
  • a second shutter with which the second partial beam (particularly independently of the other partial beams) can be interrupted;
  • a third shutter with which the third partial beam (particularly independently of the other partial beams) can be interrupted.
  • the first shutter is preferably arranged in the first optical path at a point where the first optical path differs from the second and preferably third optical path.
  • the second closure is preferred located in the second optical path at a location where the second optical path differs from the first and preferably third optical path.
  • the third shutter is preferably arranged in the third optical path at a point at which the third optical path differs from the first and preferably second optical path. D. H .
  • the first shutter is preferably arranged in the first optical path, but not in the second and third optical path.
  • the second shutter is preferably arranged in the second optical path, but not in the first and third optical path.
  • the third shutter is preferably arranged in the third optical path, but not in the first and second optical path.
  • the device preferably has a further beam splitter which is arranged in the beam path of the light beam between the light source and the first beam splitter.
  • the first and preferably the second and/or third partial beam scattered light signal is fed to the partial beam detector with the additional beam splitter.
  • all partial beam scattered light signals can be detected with a single detector.
  • the device advantageously has at least one further first beam splitter in the first optical path in order to guide the first scattered light partial beam signal to a first scattered light partial beam detector.
  • the device preferably has a further second beam splitter in the second optical path in order to guide the second scattered light partial beam signal to a second scattered light partial beam detector.
  • the device preferably has a further third beam splitter in the third optical path in order to guide the third partial beam scattered light signal to a third partial beam scattered light detector.
  • the light source arrangement preferably has a light source for providing a light beam and a second beam splitter for splitting the light beam into the first partial beam and the third partial beam.
  • the first optical path and the second optical path each extend from the first beam splitter to the overlap region, and the first optical path and the third optical path each extend from second beam splitter to the overlap area.
  • the first optical path and the second optical path and the third optical path are different outside the overlapping area.
  • the first optical path is partially different from the second optical path and from the third optical path.
  • Fig. 1 schematically shows a preferred embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 2 schematically shows a section of the same device as FIG. 1 from a different perspective .
  • Fig. 3 schematically shows a further preferred embodiment of the device according to the invention.
  • Fig. 4 schematically illustrates the evaluation of the Doppler-shifted solid angle scattered light signal with the included angle between two partial beams 0 S and with the angle between partial beams and the coordinate axis 0 C .
  • Fig. 5 schematically illustrates the evaluation of the Doppler-shifted partial beam scattered light signal with the angle dependency to the coordinate axis 0 ⁇ .
  • Fig. 6 shows under (b) a measured scattered light signal on a detector with different angles of incidence (0 s i , 0 s 2 , 0 s 3 ) and under (a) with partially covered excitation beams.
  • Fig. 1 schematically shows a preferred embodiment of the device 1 for determining at least one velocity component of a fluid flow, in particular for laser Doppler anemometry.
  • Fig. 2 shows a section of the same embodiment of the device 1 as in FIG. 1 from a different perspective, essentially in a section from the direction Z marked with an arrow.
  • the device 1 has a light source arrangement 2 for providing a first partial beam 105A, a second partial beam 105B and a third Partial beam 105C on .
  • the light source arrangement has a light source 101, in particular a laser, which emits a light beam 102. With a first beam splitter 104 and a second beam splitter 103, the light beam is divided into the first partial beam 105A, the second partial beam 105B and the third partial beam 105C.
  • An optical directing device 3 directs the first partial beam 105A along a first optical path 4A, the second partial beam 105B along a second optical path 4B and the third partial beam 105C along a third optical path 4C onto an overlay region 5 within the fluid flow, so that the first optical path 4A, the second optical path 4B and the third optical path 4C cross in the overlapping area. Equally, the first partial beam 105A, the second partial beam 105B and the third partial beam 105C cross in the overlapping area 5 (if the respective partial beams 105A, 105B, 105C are not interrupted).
  • the aiming device 3 has an optical element 106, in particular a mirror.
  • a first shutter 114A for interrupting the first partial beam 105A is provided in the first optical path 4A
  • a third shutter 114C for interrupting the third partial beam 105C is provided in the third optical path 4C.
  • Tracer particles 107 are provided in the fluid flow.
  • the first partial beam 105A, second partial beam 105B and third partial beam 105C (or a subset of the three partial beams 105A, 105B, 105C, provided that one or more of the partial beams 105A, 105B, 105C with the each closure 114A, 114B, 114C is/are interrupted) are at least partially scattered by the tracer particle 107 as a scattered light signal.
  • a portion of the scattered light signal follows the first optical path 4A as a first partial beam scattered light signal 109A, a portion follows the second optical path 4B and a second partial beam scattered light signal 109B Share back along the third optical path 4C as the third sub-beam scattered light signal 109C.
  • a portion of the scattered light is scattered as a solid angle scattered light signal 108 along a path 6 which differs from the first, second and third optical paths 105A, 105B, 105C.
  • the path 6 lies within a cone spanned by the first, second and third optical paths 105A, 105B, 105C, with the overlap region 5 lying at the apex of the cone.
  • the first, second and third partial beam scattered light signal 109A, 109B, 109C follow the respective first, second and third optical path 4A, 4B, 4C via the optical element 106 back.
  • the first scattered light signal 109A and the second scattered light signal 109B are combined by the first beam splitter 104 onto an optical path.
  • the first and/or second and/or third partial beam scattered light signal 109A, 109B, 109C (depending on whether one of the optical paths 4A, 4B, 4C is interrupted) can be guided to the partial beam detector 113 and detected by it will .
  • the first and/or second and/or third partial beam scattered light signal 109A, 109B, 109C is fed into the light source 101 and then detected using the self-mixing effect with the partial beam detector 113'.
  • the or the sub-beam detector(s) 113, 113' are arranged to detect the Doppler-shifted first sub-beam scattered light signal 109A, the Doppler-shifted second sub-beam scattered light signal 109B and the Doppler-shifted third sub-beam scattered light signal 109C, which correspond to the respective optical Path 4A, 4B, 4C following were backscattered by tracer particles 107 in the overlapping area 5.
  • the solid angle scattered light signal 108 is collimated by the optical element 106 and directed onto the filter element 110 . As shown in particular in FIG. 2 it can be seen that the first, second and third partial beams 105A, 105B, 105C pass the filter element 110 .
  • the filter element 110 divides the solid angle scattered light signal 108 into a Doppler-shifted solid angle scattered light signal 116 and an analysis scattered light signal 115 . Specifically, the filter element 110 reflects the Doppler-shifted portion of the Solid angle scattered light signal 108 and directs the Doppler-shifted solid angle scattered light signal 116 to a converging lens 111, which focuses the Doppler-shifted solid angle scattered light signal 116 onto a solid angle detector 112.
  • the filter element 110 transmits the analysis scattered light 115, which represents the portion of the solid angle scattered light signal 108 cleaned from the laser spectrum.
  • the analysis scattered light 115 can be used for further analysis, for example. Temperature measurement, Raman or fluorescence spectroscopy can be used.
  • the solid angle detector 112 is thus arranged to detect the Doppler-shifted solid angle scattered light signal 116, which was scattered by the tracer particles 107 in the overlapping region 5 into the path 6 different from the first, second and third optical path 4A, 4B, 4C.
  • Fig. 3 shows a further preferred embodiment of the device 1 .
  • the embodiment differs from that in FIG. 1 shown mainly in the arrangement of the partial beam detectors.
  • a first detector beam splitter 301A is provided in the first optical path 4A between the first and the second beam splitter 104, 103 and the superimposition region 5, in particular between the first and the second beam splitter 104, 103 and the first shutter 114A.
  • the first detector beam splitter 301A With the first detector beam splitter 301A, the first partial beam scattered light signal 109A is guided to a first partial beam detector 304A, with which the first (Doppler-shifted) partial beam scattered light signal 109A is detected.
  • a second detector beam splitter 301B is provided in the second optical path 4B between the first and the second beam splitter 104, 103 and the superimposition region 5, in particular between the first and the second beam splitter 104, 103 and the second shutter 114B.
  • the second detector beam splitter 301B With the second detector beam splitter 301B, the second partial beam scattered light signal 109B is guided to a second partial beam detector 304B, with which the second partial beam scattered light signal 109B is detected.
  • a third detector beam splitter 301C is provided in the third optical path 4C between the second beam splitter 103 and the superimposition region 5, in particular between the second beam splitter 103 and the third shutter 114C.
  • the third partial beam scattered light signal 109C becomes a third partial beam Out detector 304C, with which the third partial beam scattered light signal 109C is detected.
  • the three partial beam scattered light signals 109A, 109B, 109C can each be detected with their own partial beam detector 304A, 304B, 304C.
  • FIGS. 4 and 5 illustrate the evaluation of the Doppler-shifted scattered light signals.
  • FIG. 4 illustrates the evaluation of the Doppler-shifted solid angle scattered light signal 116 and the determination of the overall speed.
  • the second partial beam 105B and the third partial beam 105C are provided, or three partial beams are provided, one of the partial beams, for example the third partial beam 105C, being interrupted for the determination of the overall speed.
  • the Doppler-shifted solid-angle scatter signal 116 which is essentially the Doppler-shifted component of the solid-angle scatter signal 108, is then detected by the detector 112.
  • 0 S is the angle between the first partial beam and the optical axis (angle of incidence) and X is the wavelength of the first partial beam.
  • f d is the frequency of the Doppler-shifted solid angle scattered light signal 116 measured at the solid angle detector 112 .
  • the total speed V can be calculated using formula (5) are calculated, where 0 C is the angle of incidence between the first partial beam 105A and 105A respectively. the second partial beam 105B or the third sub-beam 105C and a coordinate axis.
  • FIG. 5 illustrates the evaluation of the Doppler-shifted partial beam scattered light signal 105A, 105B, 105C.
  • the other two partial beams 105A, 105B, 105C can be interrupted during this time.
  • the partial beam 105i hits the tracer particle 107 at an angle 0 ⁇ relative to the coordinate axis Partial beam detector detected, wherein one (or more) partial beam detector 113, 113 'can be provided, which can detect the partial beam scattered light signals 109A, 109B, 109C of all optical paths 4A, 4B, 4C, and / or one respectively a first, second and third partial beam detector 304A, 304B, 304C assigned to one of the optical paths 4A, 4B, 4C can detect the respective scattered light partial beam signal 109i.
  • the respective velocity component can be calculated using formula (6) be calculated, with the angle of movement 0 ⁇ (formula (7) ) between the coordinate axis and the direction of movement of the tracer particle 107.
  • f is ⁇ the frequency of the respective Doppler-shifted partial beam scattered light signal 109i.
  • the directions of movement relative to a respective partial beam 105i can be determined by alternately blocking the individual partial beams 105A, 105B, 105C. This also results in an unambiguous association between the frequency and the partial beam if only one partial beam is blocked at a time.
  • FIG. 6 shows the scattered light signal measured at the solid angle detector 112, the angles 0 s 1 , 0 s 2 , 0 s 3 of the excitation beams being different from one another. This creates three different and therefore distinguishable frequencies.
  • the amplitude information under (b) contains the particle concentration (which may require calibration), but no directional information.
  • Graphs (4) and (5) show the signals of a rotating disc clockwise and counterclockwise, with the same speed in both directions. If a partial beam 105i is now covered, not only the general coordinate movement (x, y, z) can be determined, but also the direction of movement along the coordinate via the amplitude height ( Figure 6 (a) left: counterclockwise rotation, Figure 6 ( a ) right : clockwise rotation) .
  • Graph (1) and graph (3) show the clockwise and counter-clockwise movement of a rotating disc
  • graph (2) shows the movement in the direction normal to the measuring device, which did not change.
  • the speed is calculated as already described, the direction can be determined via the amplitude level (although calibration may be necessary).
  • the detected signals can be evaluated in several ways. In addition to the methods already described, information can also be obtained from the signal amplitude.
  • angles 0S between the partial beams 105A, 105B, 105C are of the same size, a signal with a frequency is only obtained at the solid angle detector 112, with which the amplitude now only contains the information on the particle quantity. However, a calibration may be necessary to evaluate this information.
  • amplitude heights serve as a reference without interrupting a partial beam. If, for example, the first partial beam is covered, one obtains for the corresponding coordinate for the movement of the fluid/tracer particle in the direction towards the radiation source an amplitude which is higher than the corresponding reference amplitude and in the direction away from the radiation source an amplitude which is lower than the corresponding reference amplitudes is . As in Fig. 6 can be seen, only a slight increase occurs, in return to the attenuation is much more pronounced (in Fig.
  • the amplitude is the same as the reference amplitude if there is no change in direction in the coordinate axis. This is the case for the rotating disc used in measuring the signals in Figure 6: in the x and y axes there are pronounced amplitude changes according to the direction of rotation of the disc, while the amplitude in the z direction does not change.

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung zumindest einer Geschwindigkeitskomponente einer Fluidströmung, insbesondere zur Laser-Doppler-Anemometrie, wobei das Verfahren zumindest die Schritte aufweist: - Bereitstellen zumindest eines ersten Teilstrahls (105A) und eines zweiten Teilstrahls (105B); - Richten des ersten Teilstrahls (105A) entlang eines ersten optischen Pfades (4A) und des zweiten Teilstrahls (105B) entlang eines zweiten optischen Pfades (4B) auf einen Überlagerungsbereich (5) innerhalb der Fluidströmung, sodass sich der erste optische Pfad (4A) und der zweite optische Pfad (4B) im Überlagerungsbereich (5) kreuzen; - Detektieren eines doppler-verschobenen ersten Teilstrahl- StreulichtSignals (109A), das von Tracer-Partikeln (107) in der Fluidströmung im Überlagerungsbereich (5) zumindest abschnittsweise dem ersten optischen Pfad (4A) folgend zurückgestreut wurde; - Detektieren eines doppler-verschobenen Raumwinkel-Streulichtsignals (116), das von den Tracer-Partikeln (107) im Überlagerungsbereich (5) in einen zumindest vom ersten optischen Pfad (4A) und vom zweiten optischen Pfad (4B) verschiedenen Pfad (6) gestreut wurde. Weiters eine entsprechende Vorrichtung (1).

Description

Verfahren zur Bestimmung zumindest einer Geschwindigkeits- komponente einer Fluidströmung
Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Bestimmung zumindest einer Geschwindigkeitskomponente einer Fluidströmung, insbesondere ein Verfahren zur Laser-Doppler-Anemometrie . Weiters betri f ft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung zumindest einer Geschwindigkeitskomponente einer Fluidströmung, insbesondere eine Vorrichtung zur Laser-Doppler-Anemometrie bzw . ein Laser-Doppler-Anemometer .
Die Charakterisierung von Prozessströmen, insbesondere die 3-di- mensionale Charakterisierung, hat eine große Bedeutung für die Industrie , die Medi zin und in Labors . Ein bedeutendes berührungsloses optisches Messverfahren zur Bestimmung von Geschwin- digkeitskomponenten in Fluidströmungen ist die Laser-Doppler- Anemometrie ( LDA; auch : Laser-Doppler-Velocimetry, LDV) . Diese beruht auf der Bestimmung der Dopplerverschiebung der Frequenz des eingestrahlten Lichts , welches auf ein bewegtes Obj ekt tri f ft . Dabei sind Einstrahl-Laser-Doppler-Systeme , Zweistrahl- Laser-Dopplersysteme und Mehrstrahl-Laser-Dopplersysteme bekannt . Beim Zweistrahl-Laser-Dopplersystem werden zwei Erregerstrahlen in einem Messvolumen gekreuzt , das entstehende dopplerverschobene Streulicht wird erfasst und ausgewertet . Um mehr als eine Geschwindigkeitskomponente zu erfassen, kann mehr als ein Strahlenpaar verwendet werden . Hierfür sind j edoch mehrere verschiedene Laserwellenlängen oder eine Frequenzmanipulation mit bspw . einer Bragg-Zelle notwendig . Dies macht aufwändige Systeme notwendig . Weiters können auch mehrere im Raum verteilte Sensoren vorgesehen sein, wobei j edoch mehrere Messöf fnungen notwendig sind . Weiters benötigen manche Systeme einen Polarisator .
Die GB 2 213 018 B zeigt ein LDA zur 3D-Geschwindigkeitsmessung auf Basis der Polarisationswinkelmessung . Dabei wird ein Laserstrahl über ein Ausgabemodul auf einen Strahlteiler gerichtet . Die beiden Strahlen konvergieren auf ein Messvolumen . Es sind Einrichtungen vorgesehen, um die Position des Ausgabemoduls und des Strahlteilers zu verstellen, um wiederum die Position einzustellen, auf die die beiden Strahlen konvergieren . Streulicht wird über ein räumlich versetztes Empfangs fenster aufgenommen und einem Photoelektronenverviel facher zugeführt . Zur Bestimmung der Geschwindigkeitskomponenten sind Referenzmessungen notwendig .
Die DE 39 37 851 Al zeigt ein LDA-Verf ahren, bei dem die Messung unter Verwendung eines als Frequenzschieber dienenden Ultraschall-Lichtdeflektors durchgeführt wird .
Weiters zeigt die AT 520087 A4 eine Kombination eines LDA mit einem Raman-Spektrometer .
Die im Stand der Technik bekannten Verfahren erlauben j edoch nicht die vollständige Charakterisierung zumindest einer Ge- schwindigkeitskomponente auf konstruktiv einfache Weise oder ohne vorherige Kalibrierung oder Vergleichsmessungen zu bestimmen .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, zumindest einzelne Nachteile des Stands der Technik zu lindern bzw . zu vermeiden . Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, auf einfache Weise eine Bestimmung des Absolutwerts einer Geschwindigkeitskomponente einer Strömung zu ermöglichen und/oder die Genauigkeit einer entsprechenden Messung zu verbessern .
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung zumindest einer Geschwindigkeitskomponente einer Fluidströmung, insbesondere zur Laser-Doppler-Anemometrie , wobei das Verfahren zumindest die Schritte aufweist :
- Bereitstellen zumindest eines ersten Teilstrahls und eines zweiten Teilstrahls ;
- Richten des ersten Teilstrahls entlang eines ersten optischen Pfades und des zweiten Teilstrahls entlang eines zweiten optischen Pfades auf einen Uberlagerungsbereich innerhalb der Fluidströmung, sodass sich der erste optische Pfad und der zweite optische Pfad im Uberlagerungsbereich kreuzen;
- Detektieren eines doppler-verschobenen ersten Teilstrahl- Streulichtsignals , das von Tracer-Partikeln in der Fluidströmung im Uberlagerungsbereich zumindest abschnittsweise dem ersten optischen Pfad folgend zurückgestreut wurde ; - Detektieren eines doppler-verschobenen Raumwinkel-Streulichtsignals , das von den Tracer-Partikeln im Überlagerungsbereich in einen zumindest vom ersten optischen Pfad und vom zweiten optischen Pfad verschiedenen Pfad gestreut wurde .
Weiters wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung zumindest einer Geschwindigkeitskomponente einer Fluidströmung, insbesondere zur Laser-Doppler-Anemometrie , aufweisend :
- eine Lichtquellenanordnung zum Bereitstellen zumindest eines ersten und eines zweiten Teilstrahls ;
- eine optische Richtvorrichtung zum Richten des ersten Teilstrahls entlang eines ersten optischen Pfades und des zweiten Teilstrahls entlang eines zweiten optischen Pfades auf einen Überlagerungsbereich innerhalb einer Fluidströmung, sodass sich der erste optische Pfad und der zweite optische Pfad im Überlagerungsbereich kreuzen;
- einen ( ersten) Teilstrahl-Detektor, der angeordnet ist zum Detektieren eines doppler-verschobenen ersten Teilstrahl-Streulichtsignals , das von Tracer-Partikeln in der Fluidströmung im Überlagerungsbereich zumindest abschnittsweise dem ersten optischen Pfad folgend zurückgestreut wurde ;
- einen Raumwinkel-Detektor (bzw . Raumwinkel-Streulicht-Detektor ) , der angeordnet ist zum Detektieren eines doppler-verschobenen Raumwinkel-Streulichtsignals , das von den Tracer-Partikeln im Überlagerungsbereich in einen zumindest vom ersten optischen Pfad und vom zweiten optischen Pfad verschiedenen Pfad gestreut wurde .
Das Raumwinkel-Streulichtsignal enthält eine geschwindigkeitsabhängige , charakteristische Dopplerf requenz , welche vom Winkel zwischen den Teilstrahlen abhängt bzw . vom Winkel zwischen den Teilstrahlen und dem Messobj ekt ( d . h . den Tracer-Partikeln) . Durch Detektion des Raumwinkel-Streulichtsignals , insbesondere der Frequenz des Raumwinkel-Streulichtsignals , kann die Gesamtgeschwindigkeit der Tracer-Partikeln und somit der Strömung bestimmt werden . Die Teilstrahl-Streulichtsignale enthalten ebenfalls geschwindigkeitsabhängige , charakteristische Dopplerfrequenzen, die direkt proportional zur Geschwindigkeit der Partikel in der j eweiligen Strahlachse sind und über die Winkel der Bewegung der Tracer-Partikel relativ zur j eweiligen Strahlenachse von der Gesamtgeschwindigkeit der Strömung abhängig sind . Somit kann durch Detektion sowohl des Raumwinkel- Streulichtsignals als auch des ersten Teilstrahl-Streulichtsignals zumindest der Absolutwert einer Geschwindigkeitskomponente der Tracer-Partikel bzw . der Strömung im Überlagerungsbereich bestimmt werden . Gleichermaßen kann mit dem ersten Teilstrahl- Detektor und dem Raumwinkel-Detektor der Absolutwert einer Ge- schwindigkeitskomponente bestimmt werden . Dafür sind insbesondere keine Frequenzverschiebung, keine zusätzlichen Messöf fnungen und keine Referenzmessungen notwendig . Weiters kann durch die Detektion des doppler-verschobenen Raumwinkel-Streusignals und des ersten doppler-verschobenen Teilstrahl-Streusignal (und bevorzugt weiterer doppler-verschobener Teilstrahl-Streusignale ) eine Redundanz und somit eine verbesserte Genauigkeit erzielt werden . Weiters kann ohne Frequenzverschub auch der Richtungssinn der Bewegung festgestellt werden .
Unter den Tracer-Partikeln in der Fluidströmung werden beispielsweise Feststof f-Partikel , Flüssigkeitströpf chen und Gasblasen verstanden .
Der erste und der zweite Teilstrahl weisen vorzugsweise , insbesondere beim Auftref fen auf den Uberlagerungsbereich, die gleiche Frequenz auf und/oder sind kohärent . Bevorzugt umfasst das Bereitstellen zumindest eines ersten Teilstrahls und eines zweiten Teilstrahls : Bereitstellen eines Lichtstrahls ; und/oder Aufteilen des Lichtstrahls in zumindest den ersten Teilstrahl und den zweiten Teilstrahl , insbesondere mit einem ersten Strahlteiler . Gleichermaßen weist die Lichtquellenanordnung vorzugsweise eine Lichtquelle zum Bereitstellen eines Lichtstrahls und/oder einen ersten Strahlteiler zum Aufteilen des Lichtstrahls in den ersten Teilstrahl und den zweiten Teilstrahl auf . Die Lichtquelle ist vorzugsweise eine kohärente Lichtquelle , insbesondere ein Laser . Insbesondere erstrecken sich der erste optische Pfad und der zweite optische Pfad j eweils vom ersten Strahlteiler zum Uberlagerungsbereich . Vorzugsweise sind der erste optische Pfad und der zweite optische Pfad außerhalb des Uberlagerungsbereichs verschieden .
Die Fluidströmung ist insbesondere eine Flüssigkeitsströmung und/oder eine Gasströmung und/oder eine Partikelströmung . Insbesondere wird die Geschwindigkeitskomponente der Fluidströmung im Überlagerungsbereich, der ein Messvolumen bzw . einen Fokuspunkt darstellt , bestimmt . Der erste optische Pfad ist insbesondere vom zweiten optischen Pfad teilweise verschieden . Der erste Teilstrahl und der zweite Teilstrahl schließen beim Eintref fen auf das Überlagerungsvolumen einen Winkel zwischen einander ein .
Es kann insbesondere ein Filter vorgesehen sein, um den j eweiligen doppler-verschobenen Anteil vom restlichen Streulicht zu trennen, insbesondere um vom Raumwinkel-Streulichtsignal den doppler-verschobenen Anteil vom restlichen Streulicht ( einem Analyse-Streulicht ) zu trennen . Der Raumwinkel-Detektor und/oder der erste Teilstrahl-Detektor kann ein Photomultiplier, eine Photodiode oder ein anderer für Frequenz- und/oder Wellenlängenmessung geeigneter Sensor sein .
Vorzugsweise ist das Raumwinkel-Streulichtsignal ein Streulichtsignal , das von den Tracer-Partikeln im Überlagerungsbereich in den vom ersten und zweiten optischen Pfad verschiedenen Pfad zurückgestreut wurde . Das in den vom ersten und zweiten verschiedenen Pfad gestreute Raumwinkel-Streulichtsignal wird insbesondere in einen vom ersten und zweiten Pfad verschiedenen Raum gestreut . Das Verfahren weist vorzugsweise den Schritt auf : Hinzufügen von Tracer-Partikeln zur Fluidströmung, falls nötig . Der Pfad des Raumwinkel-Streulichtsignals liegt vorzugsweise zumindest teilweise zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Pfad, wenn diese auf den Überlagerungsbereich tref fen .
Vorzugsweise ist die Vorrichtung dazu eingerichtet , das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, wofür insbesondere eine Kontroll- und Datenerfassungseinheit vorgesehen sein kann .
Es ist bevorzugt , wenn das Verfahren weiters aufweist :
- Bestimmen einer ersten ( Teil- ) Geschwindigkeitskomponente ( insbesondere einer ersten relativen Geschwindigkeitskomponente ) der Fluidströmung im Überlagerungsbereich aus dem ersten Teilstrahl- Streulichtsignal ( insbesondere in Strahlenrichtung des ersten Teilstrahls ) ;
- Bestimmen einer Gesamtgeschwindigkeit ( insbesondere einer absoluten Gesamtgeschwindigkeit ) der Fluidströmung im Überlagerungsbereich aus dem doppler-verschobenen Raumwinkel- Streulichtsignal ;
- Bestimmen einer ersten Bewegungsrichtung der ersten Geschwin- digkeitskomponente der Fluidströmung im Überlagerungsbereich aus der ersten Geschwindigkeitskomponente und der Gesamtgeschwindigkeit .
Die Gesamtgeschwindigkeit V kann bspw . aus der gemessenen Frequenz fd des doppler-verschobenen Raumwinkel-Streulichtsignals mittels Fo rme 1 ( 1 ) bestimmt werden, wobei 0S der Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Teilstrahl ( allgemeiner auch : zwischen dem ersten und dritten Teilstrahl bzw . dem zweiten und dritten Teilstrahl , siehe unten) und X die Wellenlänge des ersten und zweiten Teilstrahls ist . Die Geschwindigkeitskomponente v± ( i=l , 2 , 3 ) in Strahlenachse des i-ten Teilstrahls kann bspw . aus der gemessenen Frequenz f± ( i=l , 2 , 3 ) des doppler-verschobenen i-ten Teilstrahl-Streulichtsignals mittels Formel ( 2 ) bestimmt werden, wobei X die Wellenlänge des i-ten Teilstrahl ist und 0i der Winkel zwischen der Strahlenachse des i-ten Teilstrahls und einer Koordinatenachse der Fluidströmung, insbesondere des Strömungskanals , ist . Der Richtungswinkel 0± der Teilge- schwindigkeit berechnet sich ( siehe Formel ( 3 ) ) aus der Gesamtgeschwindigkeit und der gemessenen Frequenz f± des Teilstrahl- Streulichtsignals .
Es ist vorteilhaft , wenn das Verfahren weiters aufweist :
- Detektieren eines doppler-verschobenen zweiten Teilstrahl- Streulichtsignals , das von den Tracer-Partikeln im Überlagerungsbereich zumindest abschnittsweise dem zweiten optischen Pfad folgend zurückgestreut wurde ;
- optional Bestimmen einer zweiten ( Teil- ) Geschwindigkeitskomponente der Fluidströmung im Überlagerungsbereich aus dem zweiten Teilstrahl-Streulichtsignal ; - optional Bestimmen einer zweiten Bewegungsrichtung der zweiten Geschwindigkeitskomponente der Fluidströmung im Überlagerungsbereich aus der zweiten Geschwindigkeitskomponente und der Gesamt- geschwindigkeitskomponente .
Somit ist es möglich, auch eine zweite Geschwindigkeitskomponente zu bestimmen . Die im Zusammenhang mit dem doppler-verscho- benen ersten Teilstrahl-Streulichtsignal beschriebenen Aus führungsvarianten können auch für das zweite Teilstrahl-Streulichtsignal vorgesehen sein .
Es ist bevorzugt , wenn das erste Teilstrahl-Streulichtsignal und das zweite Teilstrahl-Streulichtsignal ( zumindest ) von demselben Detektor detektiert werden . Der Detektor kann insbesondere Licht im Strahlengang des Lichtstrahls detektieren, bevor der Lichtstrahl in den ersten und zweiten Teilstrahl aufgeteilt wird . Insbesondere ist der erste Strahlteiler als Detektor-Strahlteiler vorgesehen, der das erste und das zweite doppler-verschobene Teilstrahl-Streulichtsignal zum Detektor führt . Es kann auch vorgesehen sein, dass der erste Strahlteiler das erste und das zweite doppler-verschobene Teilstrahl-Streulichtsignal zum Detektor führt . Somit können alle Teilstrahl-Streulichtsignale mit einem einzigen Detektor detektiert werden .
In einer bevorzugten Ausführungs form wird das erste Teilstrahl- Streulichtsignal und vorzugsweise das zweite Teilstrahl-Streulichtsignal unter Ausnutzung des Sel f-Mixing-Ef f ekts detektiert , d . h . mittels Sel f-Mixing- Interf erometrie . Insbesondere wird das erste Teilstrahl-Streulichtsignal und vorzugsweise das zweite Teilstrahl-Streulichtsignal in die Lichtquelle , insbesondere eine Laserkavität der Lichtquelle , zurückgeführt , wobei es mit dem internen optischen Feld der Lichtquelle interferiert , und detektiert . Die Detektion kann in der Lichtquelle und/oder auf einer der Austrittsöf fnung für den Lichtstrahl abgewandten Öf fnung der Lichtquelle erfolgen . Vorzugsweise ist die Lichtquelle ein Laser mit einer of fenen Laserkavität .
Es ist vorteilhaft , wenn das erste Teilstrahl-Streulichtsignal zum Detektieren vom ersten optischen Pfad abgeführt wird und von einem ersten Teilstrahl-Detektor detektiert wird und vorzugsweise das zweite Teilstrahl-Streulichtsignal zum Detektieren vom zweiten optischen Pfad abgeführt wird und von einem zweiten Teilstrahl-Detektor detektiert wird . Somit können das erste Teilstrahl-Streulichtsignal und das zweite Teilstrahl-Streulichtsignal auf einfache Weise detektiert werden, bzw . eine Unterscheidung zwischen den beiden Signalen ist einfach möglich . Hierfür können im j eweiligen optischen Pfad Detektor-Strahlteiler vorgesehen sein, die das j eweilige Teilstrahl-Streulichtsignal zum Detektieren vom j eweiligen optischen Pfad abführt .
Es ist bevorzugt , wenn der erste Teilstrahl und der zweite Teilstrahl mit einem optischen Element auf den Uberlagerungsbereich fokussiert werden ( sodass sich der erste optische Pfad und der zweite optische Pfad im Uberlagerungsbereich kreuzen) und mit demselben optischen Element das doppler-verschobene Raumwinkel- Streulichtsignal kollimiert . Somit ist es möglich, mit nur einer Optik sowohl das Aussenden der Teilstrahlen als auch das Empfangen der Streulichtsignale zu erzielen . Das optische Element ist vorzugsweise ein Spiegel , insbesondere ein Hohlspiegel . Somit können beispielsweise der erste und der zweite Teilstrahl von einem Abschnitt , in dem Sie im Wesentlichen kollinear verlaufen, auf den Uberlagerungsbereich fokussiert werden, während das in den vom ersten und zweiten optischen Pfad verschiedenen Pfad gestreute Raumwinkel-Streulichtsignal vom optischen Element kollimiert wird .
In einer bevorzugten Ausführungsvariante umfasst das Detektieren des doppler-verschobenen ersten Teilstrahl-Streulichtsignals und optional das Detektieren des doppler-verschobenen zweiten Teilstrahl-Streulichtsignals und/oder des doppler-verschobenen zweiten Teilstrahl-Streulichtsignals zumindest das Messen der Frequenz des j eweiligen Streulichtsignals .
In einer vorteilhaften Aus führungsvariante weist das Verfahren weiters auf :
- Unterbrechen des zweiten Teilstrahls während des Detektierens des doppler-verschobenen ersten Teilstrahl-Streulichtsignals ;
- optional Unterbrechen des ersten Teilstrahls während des Detektierens des doppler-verschobenen zweiten Teilstrahl-Streulichtsignals .
Dadurch wird erzielt , dass nur die dem j eweiligen Teilstrahl korrespondierende Frequenz detektiert wird, die gewonnen Informationen den physischen Strahlen zugeordnet werden können und somit die Richtung der Tracer-Partikel relativ zum j eweiligen Teilstrahl bekannt ist . Das Unterbrechen des zweiten Teilstrahls erfolgt insbesondere unabhängig von einer Beeinflussung des ersten Teilstrahls und/oder das Unterbrechen des ersten Teilstrahls erfolgt insbesondere unabhängig von einer Beeinflussung des zweiten Teilstrahls . D . h . , der erste Teilstrahl ist nicht unterbrochen während des Detektierens des doppler-verscho- benen zweiten Teilstrahl-Streulichtsignals , und umgekehrt . Bei der Detektion des Raumwinkel-Streulichtsignals können der erste und der zweite Teilstrahl ununterbrochen sein, also beide Teilstrahlen auf den Uberlagerungsbereich auftref fen . Insbesondere umfasst das Verfahren mehrere Zyklen . Dabei werden die folgenden Schritte a ) , b ) und/oder c ) j eweils wiederholt durchgeführt : a ) Detektieren des doppler-verschobenen Raumwinkel-Streulichtsignals , während der erste und der zweite Teilstrahl auf das Uberlagerungsvolumen strahlen; b ) Detektieren des doppler-verschobenen ersten Teilstrahl-Streulichtsignals , während der erste Teilstrahl auf das Uberlagerungsvolumen strahlt und der zweite Teilstrahl unterbrochen ist ; c ) Detektieren des doppler-verschobenen zweiten Teilstrahl- Streulichtsignals , während der erste Teilstrahl unterbrochen ist und der zweite Teilstrahl auf das Uberlagerungsvolumen strahlt . Es kann eine beliebige Reihenfolge vorgesehen sein . Jeder der Schritte a ) , b ) und c ) wird vorzugsweise wiederholt . Somit kann für eine Viel zahl von Tracer-Partikeln j eweils zumindest eine der Geschwindigkeitskomponenten oder die Gesamtgeschwindigkeit bestimmt werden . Im Schwarm weisen die Tracer-Partikel im Wesentlichen dieselben Geschwindigkeitsinformationen wie die Strömung auf , sodass die Geschwindigkeitsinformationen der Strömung sehr genau bestimmt werden können . Bevorzugt wird bei allen Schritten a ) , b ) und c ) ein Lichtstrahl bzw . erster und zweiter Teilstrahl mit derselben Wellenlänge verwendet .
In einer bevorzugten Ausführungs form weist das Verfahren weiters auf :
- Bereitstellen eines dritten Teilstrahls (wobei insbesondere der Lichtstrahl weiters in einen dritten Teilstrahl aufgeteilt wird) ;
- Richten des dritten Teilstrahls entlang eines dritten optischen Pfades auf den Uberlagerungsbereich, sodass der dritte optische Pfad den ersten optischen Pfad und den zweiten optischen Pfad im Überlagerungsbereich kreuzt , wobei der Pfad, in den das detektierte doppler-verschobenem Raumwinkel-Streulichtsignal gestreut wurde , weiters vom dritten optischen Pfad verschieden ist .
Somit können alle drei Geschwindigkeitskomponenten der Strömung bestimmt werden . Die im Bezug mit dem ersten und/oder zweiten Teilstrahl bzw . dem j eweiligen Teilstrahl-Streulichtsignal beschriebenen bevorzugten Aus führungsvarianten können auch für den dritten Teilstrahl bzw . ein dritte Teilstrahl-Streulichtsignal vorgesehen sein . Der erste , zweite und dritte Teilstrahl haben vorzugsweise dieselbe Wellenlänge , insbesondere beim Auftref fen auf den Überlagerungsbereich . Vorzugsweise liegt der Pfad des Raumwinkel-Streulichtsignals im Wesentlichen innerhalb eines vom ersten, zweiten, und optional dritten optischen Pfad ( ausgehend vom Überlagerungsbereich) auf gespannten Kegels , wobei insbesondere die Spitze des Kegels vom Überlagerungsbereich gebildet wird . Durch die Bestimmung des Raumwinkel-Streulichtsignals als auch der drei Teilstrahl-Streulichtsignale kann die Strömung vollständig charakterisiert und alle Geschwindigkeitskomponenten sowie die Gesamtgeschwindigkeit erfasst werden .
Vorteilhafterweise weist das Verfahren weiters auf :
- Unterbrechen des dritten Teilstrahls während des Detektierens des doppler-verschobenen ersten Teilstrahl-Streulichtsignals ;
- optional Unterbrechen des dritten Teilstrahls während des Detektierens des doppler-verschobenen zweiten Teilstrahl-Streulichtsignals .
Somit kann auf einfache Weise nachvoll zogen werden, von welchem Teilstrahl das j eweilige Teilstrahl-Streulichtsignal kommt .
Vorzugsweise weist das Verfahren weiters auf :
- Unterbrechen des dritten Teilstrahls während des Detektierens des doppler-verschobenen Raumwinkel-Streulichtsignals .
Somit kann die Messung des doppler-verschobenen Raumwinkel- Streulichtsignals erfolgen, während nur der erste und der zweite Teilstrahl auf den Überlagerungsbereich eintref fen, und die Gesamtgeschwindigkeit kann auf einfach Weise bestimmt werden . Alternativ oder zusätzlich kann während des Detektierens des doppler-verschobenen Raumwinkel-Streulichtsignals auch der erste o- der der zweite Teilstrahl unterbrochen werden . Vorzugsweise ist bei der Detektion eines j eweiligen doppler-verschobenen Teilstrahl-Streulichtsignal immer nur ein Teilstrahl unterbrochen, also bei der Detektion des ersten und zweiten Teilstrahl-Streulichtsignals ist der dritte Teilstrahl unterbrochen, usw . Auf diese Weise kann der Mess zyklus verkürzt werden . Es ist zu erwarten, dass die unterschiedlichen Teilstrahl-Streulichtsignale unterschiedliche Frequenzen haben, da sich die Tracer-Partikel in der Fluidströmung üblicherweise nicht in alle Richtungen gleich schnell bewegen . Daher ist eine gleichzeitige Erfassung und Auswertung der Teilstrahl-Streulichtsignale möglich . Unter Umständen fehlt dann die Information, welche Frequenz welcher Koordinate/welchem Teilstrahl entspricht - diese kann durch Abdecken eines Teilstrahls erhalten werden .
Es ist vorteilhaft , wenn das Verfahren weiters aufweist :
- Detektieren eines doppler-verschobenen dritten Teilstrahl- Streulichtsignals , das von den Tracer-Partikeln im Uberlage- rungsbereich zumindest abschnittsweise dem dritten optischen Pfad folgend zurückgestreut wurde ;
- optional Unterbrechen des ersten Teilstrahls und/oder des zweiten Teilstrahls während des Detektierens des dritten Teilstrahl-Streulichtsignals .
Vorzugsweise werden die folgenden Schritte wiederholt durchgeführt : a ) Detektieren des doppler-verschobenen Raumwinkel-Streulichtsignals , während der erste und der zweite Teilstrahl auf das Uberlagerungsvolumen strahlen und der dritte Teilstrahl unterbrochen ist ; b ) Detektieren des doppler-verschobenen ersten und vorzugsweise zweiten Teilstrahl-Streulichtsignals , während der erste und zweite Teilstrahl auf das Uberlagerungsvolumen strahlt und der dritte Teilstrahl unterbrochen ist ; c ) Detektieren des doppler-verschobenen zweiten und dritten Teilstrahl-Streulichtsignals , während der erste Teilstrahl unterbrochen ist und der zweite und dritte Teilstrahl auf das Uberlagerungsvolumen strahlt ; d) und optional : Detektieren des doppler-verschobenen ersten und dritten Teilstrahl-Streulichtsignals , während der der zweite Teilstrahl unterbrochen ist und der erste und dritte Teilstrahl auf das Uberlagerungsvolumen strahlt . Es kann eine beliebige Reihenfolge vorgesehen sein . Jeder der Schritte a ) , b ) , c ) und vorzugsweise d) wird vorzugsweise wiederholt . Vorzugsweise werden die Schritte in j edem Zyklus in derselben Reihenfolge durchgeführt , bspw . immer in der Reihenfolge a ) , dann b ) , dann c ) , dann d) (und anschließend wieder von vorne ) . Bevorzugt wird bei allen Schritten a ) , b ) , c ) und d) ein Lichtstrahl bzw . erster und zweiter Teilstrahl mit derselben Wellenlänge verwendet , d . h . die Frequenz der j eweiligen Strahlen wird nicht moduliert .
Es ist vorteilhaft , wenn das Verfahren weiter aufweist :
- das Detektieren des ersten Teilstrahl-Streulichtsignals das Bestimmen einer Amplitude des ersten Teilstrahl-Streulichtsignals umfasst ;
- vorzugsweise das Detektieren des zweiten Teilstrahl-Streulichtsignals das Bestimmen einer Amplitude des zweiten Teilstrahl-Streulichtsignals umfasst ;
- vorzugsweise das Detektieren des dritten Teilstrahl-Streulichtsignals das Bestimmen einer Amplitude des dritten Teilstrahl-Streulichtsignals umfasst .
Es ist vorteilhaft , wenn ein Winkel , unter dem sich der erste Teilstrahl und der zweite Teilstrahl im Überlagerungsbereich kreuzen, verschieden ist von einem Winkel , unter dem sich der zweite Teilstrahl und der dritte Teilstrahl im Überlagerungsbereich kreuzen, und vorzugsweise der Winkel , unter dem sich der erste Teilstrahl und der dritte Teilstrahl im Überlagerungsbereich kreuzen, verschieden ist von einem Winkel , unter dem sich der erste Teilstrahl und der zweite Teilstrahl im Überlagerungsbereich kreuzen, und vorzugsweise der Winkel , unter dem sich der zweite Teilstrahl und der dritte Teilstrahl im Überlagerungsbereich kreuzen, verschieden ist von dem Winkel , unter dem sich erste Teilstrahl und der dritte Teilstrahl im Überlagerungsbereich kreuzen . Mit den unterschiedlichen Winkeln können die Teilstrahl- Streulichtsignale vereinzelt werden, da dies bei gleicher Geschwindigkeit zu unterschiedlichen Signalen führt . Je stärker die Winkel voneinander unterschiedlich sind, umso mehr unterscheidet sich die Frequenz der einzelnen Signale und umso besser können diese einzeln dargestellt werden . Dies dient in erster Linie dazu, dass , wenn die Teilgeschwindigkeiten sehr ähnlich sind, die Signale sicher voneinander unterschieden werden können .
Es ist vorteilhaft , wenn das Verfahren weiter aufweist :
- Bestimmen der absoluten Bewegungsrichtung der Fluid-Strömung im Überlagerungsbereich zumindest aus der Amplitude des ersten Teilstrahl-Streulichtsignals , vorzugsweise aus der Amplitude des zweiten Teilstrahl-Streulichtsignals und vorzugsweise aus der Amplitude des dritten Teilstrahl-Streulichtsignals .
Die Bewegungsrichtungsbestimmung des Fluids j e Koordinate erfolgt über die Amplitudenhöhe : wenn kein Teilstrahl abgedeckt ist , erhält man alle drei Amplituden der entsprechenden Teilstrahl-Streulichtsignalen mit annähernd gleicher Amplitudenhöhe . ( Diese Gleichverteilung der Amplitudenhöhen ist abhängig von der Strahlaufbereitung der Teilstrahlen - sollte zum Beispiel ein Teilstrahl intensiver sein durch z . B . die Wahl eines bestimmten Strahlteilers (vgl . Strahlteiler 104 , Fig . 1 weiter unten) (beispielsweise eines 80 : 20 Strahlteilers statt eines 50 : 50 Strahlteilers ) , werden die Amplituden der Teilstrahl-Streulichtsignale nicht mehr gleich hoch sein . ) Diese Amplitudenhöhen dienen als Referenz . Wenn der erste Teilstrahl abgedeckt ist , erhält man für die korrespondierende Koordinate in die Richtung zur Strahlenquelle eine Amplitude die höher als die entsprechende Referenzamplitude ist und in die Richtung von der Strahlenquelle weg eine Amplitude die niedriger als die entsprechende Referenzamplituden ist . Wenn es zu keiner Richtungsänderung in der Koordinatenachse kommt , ist die Amplitude gleich hoch wie die Referenzamplitude . Dieses Verhalten ist für allen Teilstrahl- Streulichtsignale gleich, wodurch j e nach abgedecktem Strahl die Bewegungsrichtung der entsprechenden Koordinate bestimmt werden kann .
Die im Stand der Technik bekannten Verfahren sehen keine dezidierte Auskopplung von ( spektral aufbereitetem) Licht für Analysezwecke vor . Es ist daher weiters eine Aufgabe der Erfindung, Licht für Analysezwecke vorzusehen . Dafür ist es vorteilhaft , wenn das Verfahren weiters aufweist :
- Aufteilen, insbesondere mit einem Filterelement , eines in den vom ersten optischen Pfad, vom zweiten optischen Pfad und optional vom dritten optischen Pfad verschiedenen Pfad gestreuten Raumwinkel-Streulichtsignals in ein doppler-verschobenes Raumwinkel-Streulichtsignal , das den doppler-verschobenen Anteil des Raumwinkel-Streulichtsignals aufweist , und ein Analyse-Streu- lichtsignal . Das vom Laserspektrum bzw . doppler-verschobenen Anteil gereinigte Analyse-Streulicht kann insbesondere für weitere Analysen, wie zum Beispiel Temperaturbestimmung, Fluores zenz- und/oder Raman-Spektroskopie verwendet werden . Somit kann beispielsweise auch die chemische Zusammensetzung der Fluidströmung bestimmt werden . Bevorzugt wird das Raumwinkel-Streulichtsignal vom optischen Element ( insbesondere kollimiert und) auf das Filterelement gerichtet . Beim Aufteilen wird bspw . das Analyse- Streusignal vom Filterelement transmittiert und das doppler-ver- schobene Raumwinkel-Streulichtsignal vom Filterelement zur Detektion reflektiert . Weiters kann, um eine Partikelkonzentration der Fluid-Strömung zu bestimmen, die Intensität , insbesondere die Amplitude , des doppler-verschobenen Raumwinkel-Streulichtsignals , des Analyse-Streulichtsignals , des ersten, des zweiten und/oder des dritten Teilstrahl-Streulichtsignals gemessen werden . Hierfür kann zuerst eine Kalibrierung durchgeführt werden . Vorteilhafterweise verlaufen der erste , der zweite und vorzugsweise der dritte optische Pfad nicht durch das Filterelement . Der Erregerlichtstrahl kann sehr stark im Vergleich zu anderen Signalen sein, wie zum Beispiel dem Raman-Spektrum, und würde beim Durchtritt durch bspw . Linsen neue Signale , bspw . Raman- Signale der Linsen, erzeugen, die die für analytische Spektroskopie interessanten Spektren, wie zum Beispiel bei der Raman- oder Fluores zenz-Spektroskopie überlagern können . Vorteilhafterweise wird somit nur das optische Element , bspw . eine Sammellinse zur Fokussierung des Streulichts , insbesondere der Teilstrahl-Streulichtsignale und des Raumwinkel-Streulichtsignals , verwendet , und durch das Filterelement das doppler-verschobene Raumwinkel-Streulichtsignal reflektiert und alle anderen Lichtfrequenzen transmittiert . Vorteilhafterweise wird das Analyse- Streulichtsignal ohne Störeinflüsse von Linsen zur Verfügung gestellt .
Vorteilhafterweise weist das Verfahren weiters auf :
- Bestimmung eines Spektrums oder charakteristischen Kennwerts der Fluidströmung aus dem Analyse-Streulichtsignal , beispielsweise ein Raman-Spektrum oder ein Fluores zenz-Spektrum . Als weiteres Beispiel kann die Temperatur bestimmt werden . Insbesondere aus dem Raman-Spektrum kann die Information über die enthaltenen chemischen Spezies gewonnen werden .
Das Verfahren umfasst insbesondere den Schritt :
- Verwenden eines Verschlusssystems zur eindeutigen Zuordnung der detektierten Teilstrahl-Streulichtsignale und Erzeugung von multiplen, seriellen Zweistrahl-Laser-Dopplersystemen am Raumwinkel-Detektor .
Der erste und der zweite und der dritte Teilstrahl weisen vorzugsweise , insbesondere beim Auftref fen auf den Überlagerungsbereich, die gleiche Frequenz auf und sind vorzugsweise kohärent . Bevorzugt umfasst das Bereitstellen zumindest eines ersten Teilstrahls und eines zweiten Teilstrahls und eines dritten Teilstrahls : Bereitstellen eines Lichtstrahls ; und Aufteilen des Lichtstrahls in zumindest den ersten Teilstrahl und den zweiten Teilstrahl , insbesondere mit einem ersten Strahlteiler ; Aufteilen des ersten Teilstrahls in zumindest den ersten Teilstrahl und den dritten Teilstrahl , insbesondere mit einem zweiten Strahlteiler .
Der erste Teilstrahl und der dritte Teilstrahl schließen beim Eintref fen auf das Überlagerungsvolumen insbesondere einen Winkel zwischen einander ein . Der zweite Teilstrahl und der dritte Teilstrahl schließen beim Eintref fen auf das Überlagerungsvolumen insbesondere einen Winkel zwischen einander ein .
Der Raumwinkel liegt vorzugsweise zumindest teilweise zwischen dem ersten und dem zweiten und dem dritten optischen Pfad, wenn diese auf den Überlagerungsbereich tref fen . 0S kann auch der Winkel zwischen dem ersten und dem dritten Teilstrahl oder zwischen dem zweiten und dem dritten Teilstrahl sein . X kann auch die Wellenlänge des dritten Teilstrahls sein .
Es ist vorteilhaft , wenn das Verfahren weiters aufweist :
- Bestimmen einer dritten Geschwindigkeitskomponente der Fluidströmung im Überlagerungsbereich aus dem zweiten Teilstrahl- Streulichtsignal ;
- Bestimmen einer dritten Bewegungsrichtung der dritten Ge- schwindigkeitskomponente der Fluidströmung im Überlagerungsbereich aus der dritten Geschwindigkeitskomponente und der Gesamtgeschwindigkeitskomponente .
Es ist bevorzugt , wenn das erste Teilstrahl-Streulichtsignal und das zweite Teilstrahl-Streulichtsignal und das dritte Teilstrahl-Streulichtsignal ( zumindest ) von demselben Detektor de- tektiert werden .
In einer bevorzugten Ausführungs form wird das erste Teilstrahl- Streulichtsignal und das zweite Teilstrahl-Streulichtsignal und vorzugsweise das dritte Teilstrahl-Streulichtsignal unter Ausnutzung des Sel f-Mixing-Ef fekts detektiert , d . h . mittels Sel f- Mixing- Interf erometrie . Insbesondere wird das erste Teilstrahl- Streulichtsignal und das zweite Teilstrahl-Streulichtsignal und das dritte Teilstrahl-Streulichtsignal in die Lichtquelle , insbesondere eine Laserkavität der Lichtquelle , zurückgeführt , wobei es mit dem internen optischen Feld der Lichtquelle interferiert , und detektiert .
Es ist vorteilhaft , wenn das erste Teilstrahl-Streulichtsignal zum Detektieren vom ersten optischen Pfad abgeführt wird und von einem ersten Teilstrahl-Detektor detektiert wird und vorzugsweise das zweite Teilstrahl-Streulichtsignal zum Detektieren vom zweiten optischen Pfad abgeführt wird und von einem zweiten Teilstrahl-Detektor detektiert wird und vorzugsweise das dritte Teilstrahl-Streulichtsignal zum Detektieren vom dritten optischen Pfad abgeführt wird und von einem dritten Teilstrahl-Detektor detektiert wird .
Es ist bevorzugt , wenn der erste Teilstrahl und der zweite Teilstrahl und der dritte Teilstrahl mit einem optischen Element auf den Überlagerungsbereich fokussiert werden ( sodass sich der erste optische Pfad und der zweite optische Pfad und der dritte optische Pfad im Überlagerungsbereich kreuzen) und mit demselben optischen Element das doppler-verschobene Raumwinkel-Streulichtsignal kollimiert .
In einer vorteilhaften Aus führungsvariante weist das Verfahren weiters auf : - Unterbrechen des ersten Teilstrahls während des Detektierens des doppler-verschobenen zweiten und dritten Teilstrahl-Streulichtsignals
- Unterbrechen des zweiten Teilstrahls während des Detektierens des doppler-verschobenen ersten und dritten Teilstrahl-Streulichtsignals ;
- Unterbrechen des dritten Teilstrahls während des Detektierens des doppler-verschobenen ersten und zweiten Teilstrahl-Streulichtsignals .
Das Unterbrechen des zweiten Teilstrahls erfolgt insbesondere unabhängig von einer Beeinflussung des ersten und dritten Teilstrahls und das Unterbrechen des ersten Teilstrahls erfolgt insbesondere unabhängig von einer Beeinflussung des zweiten und dritten Teilstrahls und das Unterbrechen des dritten Teilstrahls erfolgt insbesondere unabhängig von einer Beeinflussung des ersten und zweiten Teilstrahls . D . h . , der erste Teilstrahl ist unterbrochen während des Detektierens des doppler-verschobenen zweiten und dritten Teilstrahl-Streulichtsignals , etc . Bei der Detektion des Raumwinkel-Streulichtsignals können der erste oder der zweite oder der dritte Teilstrahl ununterbrochen sein, also j e zwei Teilstrahlen auf den Uberlagerungsbereich auftref fen . Insbesondere umfasst das Verfahren mehrere Zyklen . Dabei werden die folgenden Schritte a) bis f ) wiederholt durchgeführt : a ) Detektieren des doppler-verschobenen Raumwinkel-Streulichtsignals , während der erste und der zweite Teilstrahl auf das Uberlagerungsvolumen strahlen, während der dritte Teilstrahl unterbrochen ist ; b ) Detektieren des doppler-verschobenen ersten und zweiten Teilstrahl-Streulichtsignals , während der erste und zweite Teilstrahl auf das Uberlagerungsvolumen strahlt und der dritte Teilstrahl unterbrochen ist ; c ) Detektieren des doppler-verschobenen Raumwinkel-Streulichtsignals , während der dritte und der zweite Teilstrahl auf das Uberlagerungsvolumen strahlen, während der erste Teilstrahl unterbrochen ist ; d) Detektieren des doppler-verschobenen dritten und zweiten Teilstrahl-Streulichtsignals , während der dritte und zweite Teilstrahl auf das Uberlagerungsvolumen strahlt und der erste Teilstrahl unterbrochen ist ; e ) Detektieren des doppler-verschobenen Raumwinkel-Streulichtsignals , während der dritte und der erste Teilstrahl auf das Überlagerungsvolumen strahlen, während der zweite Teilstrahl unterbrochen ist ; f ) Detektieren des doppler-verschobenen dritten und erste Teilstrahl-Streulichtsignals , während der dritte und erste Teilstrahl auf das Überlagerungsvolumen strahlt und der zweite Teilstrahl unterbrochen ist .
Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren einen Schritt zur Bestimmung der absoluten Bewegungsrichtung durch Auswertung der Amplituden der Streulichtsignale am Raumwinkel-Detektor, wobei die Winkel des ersten, zweiten und dritten Teilstrahls zueinander unterschiedlich sind und j eweils einer des ersten, zweiten und dritten Teilstrahls abwechselnd geblockt wird .
Bezugnehmend auf die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es vorteilhaft , wenn
- die Lichtquellenanordnung zum Bereitstellen eines dritten Teilstrahls ist ; und
- die optische Richtvorrichtung zum Richten des dritten Teilstrahls entlang eines dritten optischen Pfads auf den Überlagerungsbereich ist , sodass der dritte optische Pfad den ersten optischen Pfad und den zweiten optischen Pfad im Überlagerungsbereich kreuzt , wobei der Pfad, in den das detektierte dopplerverschobene Raumwinkel-Streulichtsignal gestreut wurde , weiters vom dritten optischen Pfad verschieden ist .
Vorzugsweise weist die Vorrichtung, insbesondere die Lichtquellenanordnung, einen zweiten Strahlteiler auf , mit dem vom Lichtstrahl , vom ersten Teilstrahl und/oder vom zweiten Teilstrahl (weiters ) der dritte Teilstrahl abgespalten wird . Der dritte optische Pfad ist insbesondere teilweise verschieden vom ersten und vom zweiten optischen Pfad . Vorzugsweise liegt zwischen dem ersten und dem zweiten Teilstrahl , zwischen dem zweiten und dem dritten Teilstrahl , und zwischen dem dritten und dem ersten Teilstrahl beim Auftref fen auf den Überlagerungsbereich j eweils der gleiche Winkel .
In einer bevorzugten Ausführungs form weist die Vorrichtung auf :
- ein optisches Element , mit dem der erste Teilstrahl , der zweite Teilstrahl und optional der dritte Teilstrahl kreuzend auf den Überlagerungsbereich fokussiert werden und mit dem das doppler-verschobene Raumwinkel-Streulichtsignal fokussiert wird . Somit kann eine einzige Empfangs- und Sendeoptik ausreichend sein . Vorzugsweise werden auch das erste , das zweite und/oder das dritte Teilstrahl-Streulichtsignal vom optischen Element fokussiert bzw . entlang des j eweiligen optischen Pfades gerichtet . Das optische Element ist vorzugsweise eine Linse , insbesondere eine Sammellinse .
Es ist bevorzugt , wenn die Vorrichtung ein Filterelement aufweist , mit dem ein entlang des vom ersten, zweiten und vorzugsweise dritten optischen Pfad verschiedenen Pfad gestreutes Raumwinkel-Streulichtsignal in ein doppler-verschobenes Raumwinkel- Streulichtsignal , das den doppler-verschobenen Anteil des Raumwinkel-Streulichtsignals aufweist , und ein Analyse-Streulichtsignal aufgeteilt wird . Bevorzugt ist das Filterelement zumindest teilweise zwischen dem ersten, zweiten und vorzugsweise dritten Teilstrahl angeordnet . Vorzugsweise ist eine Sammellinse vorgesehen, mit der das doppler-verschobene Raumwinkel-Streulichtsignal nach dem Filterelement auf einen Detektor fokussiert wird .
Es ist vorteilhaft , wenn der erste Teilstrahl , der zweite Teilstrahl und optional der dritte Teilstrahl an dem Filterelement vorbei verlaufen . D . h . es ist vorteilhaft , wenn der erste Teilstrahl , der zweite Teilstrahl und der dritte Teilstrahl von dem Filterelement nicht gefiltert bzw . beeinflusst werden . Vorzugsweise werden das erste , zweite und dritte Teilstrahl-Streulichtsignal ungefiltert detektiert .
In einer bevorzugten Ausführungs form weist die Vorrichtung auf :
- einen ersten Verschluss , mit dem der erste Teilstrahl ( insbesondere unabhängig von den anderen Teilstrahlen) unterbrochen werden kann;
- optional einen zweiten Verschluss , mit dem der zweite Teilstrahl ( insbesondere unabhängig von den anderen Teilstrahlen) unterbrochen werden kann;
- optional einen dritten Verschluss , mit dem der dritte Teilstrahl ( insbesondere unabhängig von den anderen Teilstrahlen) unterbrochen werden kann . Der erste Verschluss ist bevorzugt im ersten optischen Pfad an einer Stelle , an der sich der erste optische Pfad vom zweiten und vorzugsweise dritten optischen Pfad unterscheidet , angeordnet . Der zweite Verschluss ist bevorzugt im zweiten optischen Pfad an einer Stelle , an der sich der zweite optische Pfad vom ersten und vorzugsweise dritten optischen Pfad unterscheidet , angeordnet . Der dritte Verschluss ist bevorzugt im dritten optischen Pfad an einer Stelle , an der sich der dritte optische Pfad vom ersten und vorzugsweise zweiten optischen Pfad unterscheidet, angeordnet . D . h . , bevorzugt ist der erste Verschluss im ersten optischen Pfad, j edoch nicht im zweiten und dritten optischen Pfad angeordnet . Der zweite Verschluss ist bevorzugt im zweiten, j edoch nicht im ersten und dritten optischen Pfad angeordnet . Der dritte Verschluss ist bevorzugt im dritten, j edoch nicht im ersten und zweiten optischen Pfad angeordnet . Mit den Verschlüssen können somit die optischen Pfade einzeln blockiert werden und die Zuordnung von Erregerstrahl und Frequenz wird vereinfacht .
Vorzugsweise weist die Vorrichtung einen weiteren Strahlteiler auf , der im Strahlengang des Lichtstrahls zwischen Lichtquelle und dem ersten Strahlteiler angeordnet ist . Mit dem weiteren Strahlteiler wird das erste , und vorzugsweise das zweite und/oder dritte Teilstrahl-Streulichtsignal dem Teilstrahl-Detektor zugeführt . Somit können mit einem einzelnen Detektor alle Teilstrahl-Streulichtsignale erfasst werden .
Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung zumindest einen weiteren ersten Strahlteiler im ersten optischen Pfad auf , um das erste Teilstrahl-Streulichtsignal zu einem ersten Teilstrahl- Streulichtdetektor zu führen . Vorzugsweise weist die Vorrichtung einen weiteren zweiten Strahlteiler im zweiten optischen Pfad auf , um das zweite Teilstrahl-Streulichtsignal zu einem zweiten Teilstrahl-Streulichtdetektor zu führen . Vorzugsweise weist die Vorrichtung einen weiteren dritten Strahlteiler im dritten optischen Pfad auf , um das dritte Teilstrahl-Streulichtsignal zu einem dritten Teilstrahl-Streulichtdetektor zu führen .
Weiters weist die Lichtquellenanordnung vorzugsweise eine Lichtquelle zum Bereitstellen eines Lichtstrahls und einen zweiten Strahlteiler zum Aufteilen des Lichtstrahls in den ersten Teilstrahl und den dritten Teilstrahl auf . Insbesondere erstrecken sich der erste optische Pfad und der zweite optische Pfad j eweils vom ersten Strahlteiler zum Überlagerungsbereich und der erste optische Pfad und der dritte optische Pfad j eweils vom zweiten Strahlteiler zum Überlagerungsbereich . Vorzugsweise sind der erste optische Pfad und der zweite optische Pfad und der dritte optische Pfad außerhalb des Überlagerungsbereichs verschieden . Der erste optische Pfad ist insbesondere vom zweiten optischen Pfad und vom dritten optischen Pfad teilweise verschieden .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in den Figuren gezeigten bevorzugten Aus führungs formen näher erläutert .
Fig . 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vorrichtung .
Fig . 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt derselben Vorrichtung wie Fig . 1 aus einer anderen Perspektive .
Fig . 3 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vorrichtung .
Fig . 4 veranschaulicht schematisch die Auswertung des dopplerverschobenen Raumwinkel-Streulichtsignals mit eingeschlossenem Winkel zwischen zwei Teilstrahlen 0S und mit Winkel zwischen Teilstrahlen und Koordinatenachse 0C .
Fig . 5 veranschaulicht schematisch die Auswertung des dopplerverschobenen Teilstrahl-Streulichtsignals mit der Winkelabhängigkeit zur Koordinantenachse 0± .
Fig . 6 zeigt unter (b ) ein gemessenes Streulichtsignal an einem Detektor mit unterschiedlichen Einstrahlwinkeln ( 0si, 0S2 , 0S3 ) und unter ( a ) mit teilweise abgedeckten Erregerstrahlen .
Fig . 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Aus führungs form der Vorrichtung 1 zur Bestimmung zumindest einer Geschwindigkeitskomponente einer Fluidströmung, insbesondere zur Laser-Doppler- Anemometrie . Fig . 2 zeigt einen Ausschnitt derselben Aus führungs form der Vorrichtung 1 wie Fig . 1 aus einer anderen Perspektive , im Wesentlichen in einem Schnitt aus der mit einem Pfeil bezeichneten Richtung Z . Die Vorrichtung 1 weist eine Lichtquellenanordnung 2 zum Bereitstellen eines ersten Teilstrahl 105A, eines zweiten Teilstrahls 105B und eines dritten Teilstrahls 105C auf . Die Lichtquellenanordnung weist eine Lichtquelle 101 , insbesondere einen Laser, auf , die einen Lichtstrahl 102 emittiert . Mit einem ersten Strahlteiler 104 und einem zweiten Strahlteiler 103 wird der Lichtstrahl in den ersten Teilstrahl 105A, den zweiten Teilstrahl 105B und den dritten Teilstrahl 105C aufgeteilt .
Mit einer optischen Richtvorrichtung 3 wird der erste Teilstrahl 105A entlang eines ersten optischen Pfades 4A, der zweite Teilstrahl 105B entlang eines zweiten optischen Pfades 4B und der dritte Teilstrahl 105C entlang eines dritten optischen Pfades 4C auf einen Überlagerungsbereich 5 innerhalb der Fluidströmung gerichtet , sodass sich der erste optische Pfad 4A, der zweite optische Pfad 4B und der dritte optische Pfad 4C im Überlagerungsbereich kreuzen . Gleichermaßen kreuzen sich somit der erste Teilstrahl 105A, der zweite Teilstrahl 105B und der dritte Teilstrahl 105C im Überlagerungsbereich 5 ( sofern die j eweiligen Teilstrahl 105A, 105B, 105C nicht unterbrochen sind) . Um den ersten, zweiten und dritten Teilstrahl 105A, 105B, 105C auf den Überlagerungsbereich 5 zu fokussieren, weist die Richtvorrichtung 3 ein optisches Element 106 , insbesondere einen Spiegel auf .
Im ersten optischen Pfad 4A ist ein erster Verschluss 114A zum Unterbrechen des ersten Teilstrahls 105A, im zweiten optischen Pfad 4B ein zweiter Verschluss 114B zum Unterbrechen des zweiten Teilstrahls 105B und im dritten optischen Pfad 4C ein dritter Verschluss 114C zum Unterbrechen des dritten Teilstrahl 105C vorgesehen .
In der Fluidströmung sind Tracer-Partikel 107 vorgesehen . Der im Überlagerungsbereich 5 auf ein Tracer-Partikel 107 tref fende erste Teilstrahl 105A, zweite Teilstrahl 105B und dritte Teilstrahl 105C (bzw . eine Untermenge der drei Teilstrahlen 105A, 105B, 105C, sofern einer oder mehrere der Teilstrahlen 105A, 105B, 105C mit dem j eweiligen Verschluss 114A, 114B, 114C unterbrochen ist/ sind) werden vom Tracer-Partikel 107 zumindest teilweise als Streulichtsignal gestreut . Ein Anteil des Streulichtsignals folgt als erstes Teilstrahl-Streulichtsignal 109A dem ersten optischen Pfad 4A, ein Anteil als zweites Teilstrahl- Streulichtsignal 109B dem zweiten optischen Pfad 4B und ein Anteil als drittes Teilstrahl-Streulichtsignal 109C dem dritten optischen Pfad 4C entlang zurück . Weiters wird ein Anteil des Streulichts als Raumwinkel-Streulichtsignal 108 einem Pfad 6 entlang gestreut , der vom ersten, zweiten und dritten optischen Pfad 105A, 105B, 105C verschieden ist . Im Wesentlichen liegt der Pfad 6 innerhalb eines vom ersten, zweiten und dritten optischen Pfad 105A, 105B, 105C auf gespannten Kegels , wobei der Überlagerungsbereich 5 an der Spitze des Kegels liegt .
Das erste , zweite und dritte Teilstrahl-Streulichtsignal 109A, 109B, 109C folgen über das optische Element 106 dem j eweiligen ersten, zweiten und dritten optischen Pfad 4A, 4B, 4C zurück . Dabei werden das erste Teilstrahl-Streulichtsignal 109A und das zweite Teilstrahl-Streulichtsignal 109B vom ersten Strahlteiler 104 auf einen optischen Pfad zusammengeführt . Vom zweiten Strahlteiler 103 kann das erste und/oder zweite und/oder dritte Teilstrahl-Streulichtsignal 109A, 109B, 109C ( j e nachdem, ob einer der optischen Pfad 4A, 4B, 4C unterbrochen ist ) zum Teilstrahl-Detektor 113 geführt und von diesem detektiert werden . Zusätzlich oder alternativ werden, das erste und/oder zweite und/oder dritte Teilstrahl-Streulichtsignal 109A, 109B, 109C in die Lichtquelle 101 geführt und anschließend unter Ausnutzung des Sel f-Mixing-Ef f ekts mit dem Teilstrahl-Detektor 113 ' detektiert .
Somit ist der bzw . sind die Teilstrahl-Detektor ( en) 113 , 113 ' angeordnet zum Detektieren des doppler-verschobenen ersten Teilstrahl-Streulichtsignals 109A, des doppler-verschobenen zweiten Teilstrahl-Streulichtsignals 109B und des doppler-verschobenen dritten Teilstrahl-Streulichtsignals 109C, die dem j eweiligen optischen Pfad 4A, 4B, 4C folgend von Tracer-Partikeln 107 im Überlagerungsbereich 5 zurückgestreut wurden .
Das Raumwinkel-Streulichtsignal 108 wird vom optischen Element 106 kollimiert und auf das Filterelement 110 gerichtet . Wie insbesondere in Fig . 2 zu sehen ist , verlaufen der erste , zweite und dritte Teilstrahl 105A, 105B, 105C am Filterelement 110 vorbei . Das Filterelement 110 teilt das Raumwinkel-Streulichtsignal 108 in ein doppler-verschobenes Raumwinkel-Streulichtsignal 116 und ein Analyse-Streulichtsignal 115 auf . Im Konkreten reflektiert das Filterelement 110 den doppler-verschobenen Anteil des Raumwinkel-Streulichtsignals 108 und lenkt das doppler-verscho- bene Raumwinkel-Streulichtsignal 116 auf eine Sammellinse 111 , die das doppler-verschobene Raumwinkel-Streulichtsignal 116 auf einen Raumwinkel-Detektor 112 fokussiert . Weiters transmittiert das Filterelement 110 das Analyse-Streulicht 115 , das den vom Laser-Spektrum gereinigten Anteil des Raumwinkel-Streulichtsignals 108 darstellt . Das Analyse-Streulicht 115 kann für weitere Analysen, bspw . Temperaturmessung, Raman- oder Fluores zenz- Spektroskopie verwendet werden .
Der Raumwinkel-Detektor 112 ist somit angeordnet zum Detektieren des doppler-verschobenen Raumwinkel-Streulichtsignals 116 , das von den Tracer-Partikeln 107 im Überlagerungsbereich 5 in den vom ersten, zweiten und dritten optischen Pfad 4A, 4B, 4C verschiedenen Pfad 6 gestreut wurde .
Fig . 3 zeigt eine weitere bevorzugte Aus führungs form der Vorrichtung 1 . Die Aus führungs form unterscheidet sich von der in Fig . 1 gezeigten hauptsächlich in der Anordnung der Teilstrahl- Detektoren . Im ersten optischen Pfad 4A ist zwischen dem ersten und dem zweiten Strahlteiler 104 , 103 und dem Überlagerungsbereich 5 , insbesondere zwischen dem ersten und dem zweiten Strahlteiler 104 , 103 und dem ersten Verschluss 114A, ein erster Detektor-Strahlteiler 301A vorgesehen . Mit dem ersten Detektor- Strahlteiler 301A wird das erste Teilstrahl-Streulichtsignal 109A zu einem ersten Teilstrahl-Detektor 304A geführt , mit dem das erste ( doppler-verschobene ) Teilstrahl-Streulichtsignal 109A detektiert wird . Im zweiten optischen Pfad 4B ist zwischen dem ersten und dem zweiten Strahlteiler 104 , 103 und dem Überlagerungsbereich 5 , insbesondere zwischen dem ersten und dem zweiten Strahlteiler 104 , 103 und dem zweiten Verschluss 114B, ein zweiter Detektor-Strahlteiler 301B vorgesehen . Mit dem zweiten Detektor-Strahlteiler 301B wird das zweite Teilstrahl-Streulichtsignal 109B zu einem zweiten Teilstrahl-Detektor 304B geführt , mit dem das zweiten Teilstrahl-Streulichtsignal 109B detektiert wird . Im dritten optischen Pfad 4C ist zwischen dem zweiten Strahlteiler 103 und dem Überlagerungsbereich 5 , insbesondere zwischen dem zweiten Strahlteiler 103 und dem dritten Verschluss 114 C, ein dritter Detektor-Strahlteiler 301C vorgesehen . Mit dem dritten Detektor-Strahlteiler 301C wird das dritte Teilstrahl-Streulichtsignal 109C zu einem dritten Teilstrahl- Detektor 304C geführt , mit dem das dritte Teilstrahl-Streulichtsignal 109C detektiert wird . Somit können die drei Teilstrahl- Streulichtsignale 109A, 109B, 109C mit einem j eweils eigenen Teilstrahl-Detektor 304A, 304B, 304C detektiert werden .
Die Figuren 4 und 5 veranschaulichen die Auswertung der dopplerverschobenen Streulichtsignale . Insbesondere veranschaulicht die Figur 4 die Auswertung des doppler-verschobenen Raumwinkel- Streulichtsignal 116 und die Bestimmung der Gesamtgeschwindigkeit . In der gezeigten Aus führung sind entweder nur zwei Teilstrahlen 105i , nämlich der erste Teilstrahl 105A und der zweite Teilstrahl 105B bzw . der erste Teilstrahl 105A und der dritte Teilstrahl 105C bzw . der zweite Teilstrahl 105B und der dritte Teilstrahl 105C vorgesehen, oder es sind drei Teilstrahlen vorgesehen, wobei einer der Teilstrahlen, beispielsweise der dritte Teilstrahl 105C, für die Bestimmung der Gesamtgeschwindigkeit unterbrochen wird . Ein Anteil des Streulichtsignals , das von den Tracer-Partikeln 107 im Überlagerungsbereich 5 gestreut wird, wird als Raumwinkel-Streulichtsignal 108 in den Raum/Pfad 6 gestreut . Wie im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 erläutert , wird anschließend das doppler-verschobene Raumwinkel-Streusignal 116 , das im Wesentlichen der doppler-verschobene Anteil des Raumwinkel-Streusignals 108 ist , vom Detektor 112 detektiert .
Durch die Detektion des doppler-verschobenen Raumwinkel-Streusignals 116 kann die Gesamtgeschwindigkeit V mittels Formel ( 4 ) v = > ( 4)
2stn8s bestimmt werden, wobei 0S der Winkel zwischen dem ersten Teilstrahl und der optischen Achse ist (Einstrahlwinkel ) und X die Wellenlänge des ersten Teilstrahls ist . fd ist die am Raumwinkel- Detektor 112 gemessene Frequenz des doppler-verschobenen Raumwinkel-Streulichtsignals 116 . Alternativ kann die Gesamtgeschwindigkeit V mittels Formel ( 5 ) berechnet werden, wobei 0C der Einfallswinkel zwischen dem ersten Teilstrahl 105A bzw . dem zweiten Teilstrahl 105B bzw . dem dritten Teilstrahl 105C und einer Koordinatenachse ist . Fig. 5 veranschaulicht die Auswertung der doppler-verschobenen Teilstrahl-Streulichtsignals 105A, 105B, 105C. Einer der Teilstrahlen 105A, 105B, 105C, wobei der jeweilige Teilstrahl in Fig. 5 mit 105i bezeichnet ist, trifft in Fig. 5 auf das Tracer- Partikel 107. Die beiden anderen der Teilstrahlen 105A, 105B, 105C können währenddessen unterbrochen sein. Der Teilstrahl 105i trifft unter dem Winkel 0± relativ zur Koordinatenachse auf das Tracer-Partikel 107. Das entlang des optischen Pfads 4i des Teilstrahls 105i zurückgestreute jeweilige Teilstrahl-Streulichtsignal 109i (also das jeweilige der Teilstrahl-Streulichtsignale 109A, 109B, 109C) wird vom Teilstrahl-Detektor detek- tiert, wobei ein (oder mehrere) Teilstrahl-Detektor 113, 113' vorgesehen sein kann, der die Teilstrahl-Streulichtsignale 109A, 109B, 109C aller optischen Pfade 4A, 4B, 4C detektieren kann, und/oder ein jeweils einem der optischen Pfade 4A, 4B, 4C jeweils zugeordneter erster, zweiter und dritter Teilstrahl-Detektor 304A, 304B, 304C das jeweilige Teilstrahl-Streulichtsignal 109i detektieren kann. Die jeweilige Geschwindigkeitskomponente kann mittels Formel (6) berechnet werden, mit dem Winkel der Bewegung 0± (Formel (7) ) zwischen der Koordinatenachse und der Bewegungsrichtung des Tracer-Partikels 107. Dabei ist f± die Frequenz des jeweiligen doppler-verschobenen Teilstrahl-Streulichtsignals 109i. Durch abwechselndes Blockieren der einzelnen Teilstrahlen 105A, 105B, 105C können die Bewegungsrichtungen relativ zu jeweils einem Teilstrahl 105i ermittelt werden. Hierbei ergibt sich auch eine eindeutige Zuordnung zwischen Frequenz und Teilstrahl, wenn immer nur ein Teilstrahl blockiert wird.
Fig. 6 zeigt das gemessene Streulichtsignal am Raumwinkel-Detektor 112 wobei die Winkel 0si, 0S2, 0S3 der Erregerstrahlen unterschiedlich zueinander sind. Dadurch entstehen drei verschiedene und damit unterscheidbare Frequenzen. Die Amplitudeninformation unter (b) enthält die Partikelkonzentration (wobei eine Kalibrierung erforderlich sein kann) , jedoch keine Richtungsinformation. Die Graphen (4) und (5) zeigen die Signale einer sich drehenden Scheibe in und gegen Uhrzeigersinn, wobei die Geschwindigkeit in beide Richtungen gleich war . Wenn nun ein Teilstrahl 105i abgedeckt wird, kann nicht nur die generelle Koordinatenbewegung (x, y, z ) , sondern über die Amplitudenhöhe auch die Bewegungsrichtung entlang der Koordinate bestimmt werden ( Figur 6 ( a ) links : Drehung gegen den Uhrzeigersinn, Figur 6 ( a ) rechts : Drehung im Uhrzeigersinn) . Graph ( 1 ) und Graph ( 3 ) zeigen dabei die Bewegung einer sich drehenden Scheibe in und gegen Uhrzeigersinn, Graph ( 2 ) zeigt die Bewegung in die Richtung normal zum Messgerät , welche sich nicht änderte . Die Geschwindigkeit wird wie bereits beschrieben berechnet , die Richtung kann über die Amplitudenhöhe bestimmt werden (wobei eine Kalibrierung erforderlich sein kann) .
Die detektierten Signale können auf mehreren Arten ausgewertet werden . Zusätzlich zu den bereits beschriebenen Methoden, können Informationen auch aus der Signalamplitude erhalten werden .
Durch unterschiedliche Winkel 0S ( 0si, 0S2 , 0S3 ) zwischen den Teilstrahlenstrahlen 105A, 105B, 105C erhält man drei verschiedene Signale mit unterschiedlichen Frequenzen am Raumwinkel-Detektor 112 (vgl . Fig . 6b ) . Bei Abdecken von einem Teilstrahl wird nur mehr ein Signal mit einer Frequenz am Raumlicht-Detektor 112 de- tektiert (vgl . Fig . 6a ) . Die der Streulichtintensität proportionale (u . a . abhängig von Partikelkonzentration) Amplitude dieses Signals ist j e nach Richtung unterschiedlich groß (vgl . Figur 6 a ) . Sollten die Winkel 0S zwischen den Teilstrahlen 105A, 105B, 105C gleich groß sein, erhält man nur mehr ein Signal mit einer Frequenz am Raumwinkel-Detektor 112 , mit welchen in der Amplitude nur mehr die Information der Partikelmenge enthalten ist . Zur Auswertung dieser Informationen kann j edoch eine Kalibrierung notwendig sein .
Wie weiter oben bereits beschrieben, dienen Amplitudenhöhen ohne Unterbrechung eines Teilstrahls als Referenz . Wenn beispielsweise der erste Teilstrahl abgedeckt ist , erhält man für die korrespondierende Koordinate für die Bewegung des Fluids/Tracer- Partikel in die Richtung zur Strahlenquelle eine Amplitude die höher als die entsprechende Referenzamplitude und in die Richtung von der Strahlenquelle weg eine Amplitude die niedriger als die entsprechende Referenzamplituden ist . Wie in Fig . 6 zu erkennen ist , tritt nur eine schwache Erhöhung auf , im Gegenzug dazu ist die Abschwächung wesentlich stärker ausgeprägt (in Fig. 6 (1) bzw. (3) : Abschwächung ca. 10 dB, Erhöhung ca. 5 dB im Vergleich zur Referenzamplitude - zu beachten ist: die Erhöhung in (1) korreliert mit der Referenz (4) und die Erhöhung in (3) korreliert mit der Referenz (5) , da es sich um jeweils unterschiedliche Drehrichtungen handelt - entsprechend korreliert die Abschwächung (1) mit Referenz (5) und Abschwächung (3) mit Referenz ( 4 ) ) .
Wie ebenfalls bereits weiter oben beschrieben, ist die Amplitude gleich hoch wie die Referenzamplitude, wenn es zu keiner Richtungsänderung in der Koordinatenachse kommt. Dies ist der Fall bei der drehenden Scheibe, die bei der Messung der Signale in Fig. 6 verwendet wurde: in x- und y-Achse gibt es ausgeprägte Amplitudenänderungen entsprechend der Drehrichtung der Scheibe, während sich die Amplitude in z-Richtung nicht verändert.

Claims

29 Ansprüche :
1. Verfahren zur Bestimmung zumindest einer Geschwindigkeitskomponente einer Fluidströmung, insbesondere zur Laser-Doppler- Anemometrie, wobei das Verfahren zumindest die Schritte aufweist:
- Bereitstellen zumindest eines ersten Teilstrahls (105A) und eines zweiten Teilstrahls (105B) ;
- Richten des ersten Teilstrahls (105A) entlang eines ersten optischen Pfades (4A) und des zweiten Teilstrahls (105B) entlang eines zweiten optischen Pfades (4B) auf einen Überlagerungsbereich (5) innerhalb der Fluidströmung, sodass sich der erste optische Pfad (4A) und der zweite optische Pfad (4B) im Überlagerungsbereich (5) kreuzen;
- Detektieren eines doppler-verschobenen ersten Teilstrahl- Streulichtsignals (109A) , das von Tracer-Partikeln (107) in der Fluidströmung im Überlagerungsbereich (7) zumindest abschnittsweise dem ersten optischen Pfad (4A) folgend zurückgestreut wurde ;
- Detektieren eines doppler-verschobenen Raumwinkel-Streulichtsignals (116) , das von den Tracer-Partikeln (107) im Überlagerungsbereich (5) in einen zumindest vom ersten optischen Pfad (4A) und vom zweiten optischen Pfad (4B) verschiedenen Pfad (6) gestreut wurde.
2. Verfahren nach Anspruch 1, weiters aufweisend:
- Bestimmen einer ersten Geschwindigkeitskomponente der Fluidströmung im Überlagerungsbereich (5) aus dem doppler-verschobenen ersten Teilstrahl-Streulichtsignal (109A) ;
- Bestimmen einer Gesamtgeschwindigkeit der Fluidströmung im Überlagerungsbereich (5) aus dem doppler-verschobenen Raumwinkel-Streulichtsignal (116) ;
- Bestimmen einer ersten Bewegungsrichtung der ersten Geschwin- digkeitskomponente der Fluidströmung im Überlagerungsbereich (5) aus der ersten Geschwindigkeitskomponente und der Gesamtgeschwindigkeit .
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiters aufweisend : 30
- Detektieren eines doppler-verschobenen zweiten Teilstrahl- Streulichtsignals (109B) , das von den Tracer-Partikeln im Überlagerungsbereich (5) zumindest abschnittsweise dem zweiten optischen Pfad (4B) folgend zurückgestreut wurde;
- optional Bestimmen einer zweiten Geschwindigkeitskomponente der Fluidströmung im Überlagerungsbereich (5) aus dem dopplerverschobenen zweiten Teilstrahl-Streulichtsignal (4G) ;
- optional Bestimmen einer zweiten Bewegungsrichtung der zweiten Geschwindigkeitskomponente der Fluidströmung im Überlagerungsbereich (5) aus der zweiten Geschwindigkeitskomponente und der Gesamtgeschwindigkeit .
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das doppler-verschobene erste Teilstrahl-Streulichtsignal (109A) und das doppler-verschobene zweite Teilstrahl-Streulichtsignal (109B) von demselben Detektor (113, 113') detektiert werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei das doppler-verschobene erste Teilstrahl-Streulichtsignal (109A) zum Detektieren vom ersten optischen Pfad (4A) abgeführt wird und von einem ersten Teilstrahl-Detektor (304A) detektiert wird und das doppler-verschobene zweite Teilstrahl-Streulichtsignal (304B) zum Detektieren vom zweiten optischen Pfad (4B) abgeführt wird und von einem zweiten Teilstrahl-Detektor (304B) detektiert wird .
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Teilstrahl (105A) und der zweite Teilstrahl (105B) mit einem optischen Element (106) auf den Überlagerungsbereich (5) fokussiert werden und mit demselben optischen Element (106) das doppler-verschobene Raumwinkel-Streulichtsignal (116) gesammelt wird .
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Detektieren des doppler-verschobenen ersten Teilstrahl-Streulichtsignals (109A) und optional das Detektieren des dopplerverschobenem Raumwinkel-Streulichtsignal (116) und/oder des doppler-verschobenen zweiten Teilstrahl-Streulichtsignals (109B) zumindest das Messen der Frequenz des jeweiligen Streulichtsignals (109A, 116, 109B) umfasst.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiters aufweisend :
- Unterbrechen des zweiten Teilstrahls (105B) während des Detek- tierens des doppler-verschobenen ersten Teilstrahl-Streulichtsignals ( 109A) ;
- optional Unterbrechen des ersten Teilstrahls (105A) während des Detektierens des doppler-verschobenen zweiten Teilstrahl- Streulichtsignals (109B) .
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiters aufweisend :
- Bereitstellen eines dritten Teilstrahls (105C) ;
- Richten des dritten Teilstrahls (105C) entlang eines dritten optischen Pfades (4C) auf den Uberlagerungsbereich (5) , sodass der dritte optische Pfad (4C) den ersten optischen Pfad (4A) und den zweiten optischen Pfad (4B) im Uberlagerungsbereich (5) kreuzt, wobei der Pfad (6) , in den das detektierte doppler-ver- schobenem Raumwinkel-Streulichtsignal (116) gestreut wurde, weiters vom dritten optischen Pfad (4C) verschieden ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, weiters aufweisend:
- Unterbrechen des dritten Teilstrahls (105C) während des Detektierens des doppler-verschobenen ersten Teilstrahl-Streulichtsignals ( 109A) ;
- optional Unterbrechen des dritten Teilstrahls (105C) während des Detektierens des doppler-verschobenen zweiten Teilstrahl- Streulichtsignals (109B) .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, weiters aufweisend :
- Unterbrechen des dritten Teilstrahls (105C) während des Detektierens des doppler-verschobenen Raumwinkel-Streulichtsignals (116) .
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, weiters aufweisend :
- Detektieren eines doppler-verschobenen dritten Teilstrahl- Streulichtsignals (109C) , das von den Tracer-Partikeln (107) im Uberlagerungsbereich (5) zumindest abschnittsweise dem dritten optischen Pfad (4C) folgend zurückgestreut wurde; - optional Unterbrechen des ersten Teilstrahls (105A) und/oder des zweiten Teilstrahls (105B) während des Detektierens des dritten Teilstrahl-Streulichtsignals (109C) .
13. Verfahren nach Anspruch 8 oder einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei
- das Detektieren des ersten Teilstrahl-Streulichtsignals (109A) das Bestimmen einer Amplitude des ersten Teilstrahl-Streulichtsignals (109A) umfasst;
- vorzugsweise das Detektieren des zweiten Teilstrahl-Streulichtsignals (109B) das Bestimmen einer Amplitude des zweiten Teilstrahl-Streulichtsignals (109B) umfasst;
- vorzugsweise das Detektieren des dritten Teilstrahl-Streulichtsignals (109C) das Bestimmen einer Amplitude des dritten Teilstrahl-Streulichtsignals (109C) umfasst.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei ein Winkel, unter dem sich der erste Teilstrahl (105A) und der zweite Teilstrahl (105B) im Uberlagerungsbereich kreuzen, verschieden ist von einem Winkel, unter dem sich der zweite Teilstrahl (105B) und der dritte Teilstrahl (105C) im Uberlagerungsbereich kreuzen, und vorzugsweise der Winkel, unter dem sich der erste Teilstrahl (105A) und der dritte Teilstrahl (105C) im Uberlagerungsbereich kreuzen, verschieden ist von einem Winkel, unter dem sich der erste Teilstrahl (105A) und der zweite Teilstrahl (105B) im Uberlagerungsbereich kreuzen, und vorzugsweise der Winkel, unter dem sich der zweiten Teilstrahl (105B) und der dritte Teilstrahl (105C) im Uberlagerungsbereich kreuzen, verschieden ist von dem Winkel, unter dem sich erste Teilstrahl (105A) und der dritte Teilstrahl (105C) im Uberlagerungsbereich kreuzen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 und 14, wobei das Verfahren umfasst:
- Bestimmen ein absoluten Bewegungsrichtung der Fluid-Strömung im Uberlagerungsbereich zumindest aus der Amplitude des ersten Teilstrahl-Streulichtsignals (109A) , vorzugsweise aus der Amplitude des zweiten Teilstrahl-Streulichtsignals (109B) und vorzugsweise aus der Amplitude des dritten Teilstrahl-Streulichtsignals (109C) . 33
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiters aufweisend :
- Aufteilen, insbesondere mit einem Filterelement (110) , eines in den vom ersten optischen Pfad, vom zweiten optischen Pfad und optional vom dritten optischen Pfad (4C) verschiedenen Pfad (6) gestreuten Raumwinkel-Streulichtsignals (108) in ein dopplerverschobenes Raumwinkel-Streulichtsignal (116) , das den dopplerverschobenen Anteil des Raumwinkel-Streulichtsignals (108) aufweist, und ein Analyse-Streulichtsignal (115) .
17. Verfahren nach Anspruch 16, weiters aufweisend:
- Bestimmung eines Spektrums oder charakteristischen Kennwerts der Fluidströmung aus dem Analyse-Streulichtsignal (115) , insbesondere ein Raman-Spektrum und/oder ein Fluoreszenz-Spektrum.
18. Vorrichtung (1) zur Bestimmung zumindest einer Geschwindig- keitskomponente einer Fluidströmung, insbesondere zur Laser- Doppler-Anemometrie, aufweisend:
- eine Lichtquellenanordnung (2) zum Bereitstellen zumindest eines ersten Teilstrahls (105A) und eines zweiten Teilstrahls (105B) ;
- eine optische Richtvorrichtung (3) zum Richten des ersten Teilstrahls (105A) entlang eines ersten optischen Pfades (4A) und des zweiten Teilstrahls (105B) entlang eines zweiten optischen Pfades (4B) auf einen Überlagerungsbereich (5) innerhalb einer Fluidströmung, sodass sich der erste optische Pfad (4A) und der zweite optische Pfad (4B) im Überlagerungsbereich (5) kreuzen;
- einen Teilstrahl-Detektor (113, 113', 304A) , der angeordnet ist zum Detektieren eines doppler-verschobenen ersten Teilstrahl-Streulichtsignals (109A) , das von Tracer-Partikeln (107) in der Fluidströmung im Überlagerungsbereich (5) zumindest abschnittsweise dem ersten optischen Pfad (4A) folgend zurückgestreut wurde;
- einen Raumwinkel-Detektor (112) , der angeordnet ist zum Detektieren eines doppler-verschobenen Raumwinkel-Streulichtsignals (116) , das von den Tracer-Partikeln (107) im Überlagerungsbereich (5) in einen zumindest vom ersten optischen Pfad (4A) und vom zweiten optischen Pfad (4B) verschiedenen Pfad (6) gestreut wurde . 34
19. Vorrichtung (1) nach Anspruch 18, wobei
- die Lichtquellenanordnung (2) zum Bereitstellen eines dritten Teilstrahls (105C) ist; und
- die optische Richtvorrichtung (3) zum Richten des dritten Teilstrahls (105C) entlang eines dritten optischen Pfads (4C) auf den Überlagerungsbereich (5) ist, sodass der dritte optische Pfad (4C) den ersten optischen Pfad (105A) und den zweiten optischen Pfad (105B) im Überlagerungsbereich (5) kreuzt, wobei der Pfad (6) , in den das detektierte doppler-verschobene Raumwinkel- Streulichtsignal (116) gestreut wurde, weiters vom dritten optischen Pfad (4C) verschieden ist.
20. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei die optische Richtvorrichtung (3) aufweist:
- ein optisches Element (106) , mit dem der erste Teilstrahl (105A) , der zweite Teilstrahl (105B) und optional der dritte Teilstrahl (105C) kreuzend auf den Überlagerungsbereich (5) fokussiert werden und mit dem das doppler-verschobene Raumwinkel- Streulichtsignal (116) fokussiert wird.
21. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, aufweisend ein Filterelement (110) , mit dem ein in den zumindest vom ersten optischen Pfad (4A) , vom zweiten optischen Pfad (4B) und optional vom dritten optischen Pfad (4C) verschiedenen Pfad (6) gestreutes Raumwinkel-Streulichtsignal (108) in ein doppler-ver- schobenes Raumwinkel-Streulichtsignal (116) , das den dopplerverschobenen Anteil des Raumwinkel-Streulichtsignals (108) aufweist, und ein Analyse-Streulichtsignal (115) aufgeteilt wird.
22. Vorrichtung (1) nach Anspruch 21, wobei der erste Teilstrahl (105A) , der zweite Teilstrahl (105B) und optional der dritte Teilstrahl (105C) an dem Filterelement (110) vorbei verlaufen.
23. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 22, aufweisend :
- einen ersten Verschluss (114A) , mit dem der erste Teilstrahl (105A) unterbrochen werden kann;
- optional einen zweiten Verschluss (114B) , mit dem der zweite Teilstrahl (105B) unterbrochen werden kann;
- optional einen dritten Verschluss (114C) , mit dem der dritte Teilstrahl (105C) unterbrochen werden kann.
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