WO2008022628A2

WO2008022628A2 - Geschwindigkeitsverteilungen eines durch einen rohrquerschnitt strömenden fluids

Info

Publication number: WO2008022628A2
Application number: PCT/DE2007/001474
Authority: WO
Inventors: Thomas Lederer; Gudrun Wendt; Peter Nicolaus Mathies; Helmut TÖBBEN; Michael Dues; Ulrich Müller
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, dieses vertreten durch den Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2008-02-28
Also published as: DE102006039489B3; WO2008022628A3

Abstract

Ein Verfahren zur Messung von Geschwindigkeitsverteilungen eines durch einen Rohrquerschnitt strömenden, Licht streuenden Fluids, bei dem mittels wenigstens eines außerhalb eines Rohres (1, 26, 39) mit einer Rohrmittelachse (8) angeordneten Laser-Doppler-Anemometers (LDA-Messsonde) an einer Mehrzahl an über den Rohrquerschnitt verteilt angeordneten Messpunkten (10, 15, 18, 32) jeweils wenigstens zwei unabhängige Geschwindigkeitskomponenten (w, vx, vy) der Strömung gemessen werden, lässt sich verbessern, wenn die Geschwindigkeitskomponenten (w, vx, vy) für jeden Messpunkt (10, 15, 18, 32) in Bezug auf ein raumfestes Koordinatensystem (7) gemessen werden, dessen eine Achse (z) mit der Rohrmittelachse (8) zusammenfällt oder zu dieser parallel verschoben ist und dessen beiden anderen Achsen in der Ebene des Rohrquerschnittes liegen, und dass jeweils aus den beiden in der Ebene des Rohrquerschnittes liegenden Geschwindigkeitskomponenten (vx, vy) radiale und tangentiale Geschwindigkeitskomponenten berechnet werden. Ferner wird eine Messanordnung zum Durchführen des Verfahrens vorgestellt.

Description

Verfahren zur Messung von Geschwindigkeitsverteilungen eines durch einen Rohrquerschnitt strömenden Fluids und Messanordnung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Geschwindigkeitsverteilungen eines durch einen Rohrquerschnitt strömenden, Licht streuenden Fluids, bei dem mittels wenigstens eines außerhalb eines Rohres mit einer Rohrmittelachse angeordneten Laser-Doppler-Anemometers (LDA) an einer Mehrzahl an über den Rohrquerschnitt verteilt angeordneten Messpunkten jeweils wenigstens zwei unabhängige Geschwindigkeitskomponenten der Strömung gemessen werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Messanordnung zur Durchführung eines der Verfahren zur Messung von Geschwindigkeitsverteilungen eines durch einen Rohrquerschnitt strömenden, Licht streuenden Fluids.

Die Menge eines durch ein Rohr transportierten Fluids (Flüssigkeiten, Gase) wird mit Durchfluss- und Volumenmessgeräten erfasst. Ein weit verbreitetes Durch- fluss- und Volumenmessgerät ist der Turbinenradzähler. Hierbei handelt es sich um ein Messgerät, das in die Rohrleitung eingesetzt und von dem Fluid durchströmt wird. Das durchströmende Fluid treibt ein Turbinenrad mit Turbinenschaufeln, dessen Achse mit der Rohrmittelachse zusammenfällt, an. Die Winkelgeschwindigkeit des Turbinenrades ist ein Maß für die durch den Turbinenradzähler hindurch transportierte Menge des Fluids.

Die Strömung eines Fluids durch ein Rohrleitungssystem lässt sich unterteilen in die Primärströmung einerseits und die Sekundärströmung andererseits. Die Primärströmung wird charakterisiert durch die Geschwindigkeit des Fluids parallel zur Rohrmittelachse. Sie ist verantwortlich für die durch einen Rohrquerschnitt trans- portierte Fluidmenge. Die Sekundärströmung wird charakterisiert durch Geschwindigkeitskomponenten des Fluids in einer Ebene senkrecht zur Rohrmit- telachse. Diese Geschwindigkeit kann durch eine radiale und eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente charakterisiert werden. Die tangentiale Geschwindigkeitskomponente ist ein Maß für den sog. Drall der Strömung. Da für den Transport des Fluids durch die Rohrleitung allein die axiale Geschwindigkeitskomponen- te maßgeblich ist, trägt die Sekundärströmung nicht zum transportierten Volumen bei.

Liegt das Interesse darauf, das durch ein Rohrleitungssystem transportierte Volumen eines Fluids zu bestimmen, stellt die Sekundärströmung eine unerwünschte Störung des Geschwindigkeitsprofils dar. Sekundärströmungen werden insbesondere durch Rohrleitungskonfigurationen wie Krümmer, Sammler oder Regelarmaturen verursacht. Solche Störungen des Geschwindigkeitsprofils wirken sich nachteilig auf die Messgenauigkeit herkömmlicher Durchfluss- und Volumenmessgeräte aus und werden allgemein mit Installationseffekt bezeichnet.

Im Falle eines Turbinenradzählers können durch den sog. Drall, d.h. die Rotation der Strömung senkrecht zur Rohrmittelachse, sowohl zu hohe als auch zu niedrige Messwerte angezeigt werden, je nachdem, ob der Drall in Drehrichtung des Turbinenrades oder entgegengesetzt hierzu orientiert ist. Der Messfehler beträgt bei herkömmlichen Turbinenradzählem einige Prozent. Ein Messfehler in dieser Größenordnung hat große wirtschaftliche Auswirkungen auf den gesamten Handel mit Flüssigkeiten und Gasen, da jährlich sehr große Gas- und Flüssigkeitsmengen gehandelt werden.

Zur Reduzierung der Sekundärströmung werden Strömungsgleichrichter in die Rohrleitung eingesetzt. Bekannte Ausführungsformen sind beispielsweise der E- toile-Gleichrichter, Zanker-Gleichrichter oder Rohrbündel-Gleichrichter. Mit Hilfe solcher Strömungsgleichrichter ist es zwar möglich, die Sekundärströmung effektiv zu reduzieren. Sie haben jedoch nachteilige Auswirkungen auf die Primärströ- mung. Zum einen wirken sie als Widerstand auf die Strömung, da sie direkt in die Strömung eingesetzt werden und damit die Primärströmung reduzieren. Zum anderen verursachen sie eine Störung der axialen Geschwindigkeitsverteilung über den Rohrleitungsquerschπitt. Solche Störungen im axialen Geschwindigkeitsprofil können wiederum zu Fehlern herkömmlicher Messgeräte führen.

Aufgrund der großen wirtschaftlichen Bedeutung an einer Reduzierung der Mes- sungenauigkeiten herkömmlicher Durchfluss- und Volumenmessgeräte, sind berührungslose Messverfahren entwickelt worden, die Aufschluss über die Geschwindigkeitsverteilungen über den Rohrleitungsquerschnitt geben. Berührungsloses Messverfahren meint in diesem Zusammenhang, dass die verwendeten Messeinrichtungen keinen direkten Kontakt mit dem strömenden Fluid haben. Die genaueren Kenntnisse über die Geschwindigkeitsverteilungen können zur Messung des Fluiddurchflusses selbst oder zum Kalibrieren herkömmlicher Durchfluss- und Volumenmessgeräte benutzt werden.

Bei ausreichend transparenten und mit Licht streuenden Teilchen versehenen FIu- ids bietet sich ein optisches Messverfahren an. Ein optisches Messverfahren zur Messung von Geschwindigkeitsprofilen ist bei Wendt, Mickan, Kramer und Dopheide, "Systematic investigation of pipe flows and installation effects using laser Doppler anemometry - Part I., Profile measurements downstream of several pipe configurations and flow conditioners" in Flow Meas. Instrum., Vol. 7, No. 3,4, pp. 141-149, 1996, beschrieben. Bei dem dort vorgestellten Messverfahren werden die axiale und tangentiale Geschwindigkeitskomponente mit Hilfe der Laser- Doppler-Anemometry (LDA) an mehreren Messpunkten innerhalb eines Rohrleitungsquerschnitts bestimmt. Hierzu wird in ein Rohrleitungssystem ein Rohrsegment eingesetzt, das über den Umfang verteilt acht planparallele Glasplatten in gleichmäßigen Abständen angeordnet sind. Um dieses Rohrleitungssegment herum sind zwei LDAs (LDA-Messsonden) für eine zweidimensionale Messung des Strömungsprofils auf einem um das Rohrleitungssegment herum drehbaren Mechanismus diagonal zueinander angeordnet. Dabei bilden die optischen Achsen der LDA-Messsonden .einen Winkel von 45° bzw. -45° mit der Rohrmittelachse. Die LDA-Messsonden können mittels zweier Elektromotoren synchron derart bewegt werden, dass der Laserfokus entlang einer Traverse durch einen Rohrleitungsquerschnitt bewegt wird. Nachdem entlang einer Traverse eine Mehrzahl an Messungen durchgeführt worden sind, wird der Rotationsarm um das Rohrseg- ment gedreht, bis die LDA-Messsonden durch das nächste Fensterpaar Messungen entlang einer neuen Traverse vornehmen können. Auf diese Weise werden entlang von vier Traversen Messungen des Strömungsprofils ermöglicht.

Dieses Messverfahren erfordert einen hohen gerätetechnischen Aufwand. Die Justage der LDA-Messsonden und die Positionierung um das Rohrleitungssegment herum sind sehr zeitaufwendig. Zudem erfasst dieses Messverfahren nicht den gesamten Rohrleitungsquerschnitt, sondern ist auf eine geringe Anzahl an Traversen beschränkt. Da jede LDA-Messsonde mindestens zwei Laserstrahlen aufweist, die mit einem gewissen Winkel durch die Glasplatten in die Rohrleitung fokussiert werden, ist die Anzahl an Beobachtungsfenstem um die Rohrleitung begrenzt, so dass durch eine zunehmende Anzahl an Beobachtungsfenstern keine größere Erfassung des Rohrleitungsquerschnitts möglich ist. Da Strömungsprofile je nach Rohrleitungskonfiguration große Unsymmetrien aufweisen können, bleibt der Aussagegehalt dieser Messungen beschränkt.

Aufgabe dieser Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Messung von Geschwindigkeitsverteilungen bereitzustellen, mit dem insbesondere die Geschwindigkeitsverteilungen über nahezu den gesamten Rohrleitungsquerschnitt auf einfache Art und im industriellen Einsatz ermöglicht wird. Ferner ist es Aufgabe dieser Erfindung, eine Messanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitzustellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein eingangs erwähntes Verfahren da- durch gelöst, dass die Geschwindigkeitskomponenten für jeden Messpunkt in Bezug auf ein raumfestes Koordinatensystem gemessen werden, dessen eine Achse mit der Rohrmittelachse zusammenfällt und zu dieser parallel verschoben ist, und dass jeweils aus den beiden in der Ebene des Rohrquerschnittes liegenden Geschwindigkeitskomponenten radiale und tangentiale Geschwindigkeitskomponen- ten berechnet werden.

Die radialen und tangentialen Geschwindigkeitskomponenten können beispielsweise auf Kreislinien um die Rohrmittelachse bezogen sein. Das erfiπdungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von dem herkömmlichen LDA-Verfahren dadurch, dass nicht Geschwindigkeitskomponenten in Bezug auf ein lokales Koordinatensystem gemessen und aus ihnen gegebenenfalls radiale und/oder tangentiale Geschwindigkeiten berechnet werden, sondern Geschwindigkeitskomponenten in Bezug auf ein raumfestes Koordinatensystem. Bei den radialen und tangentialen Geschwindigkeitskomponenten handelt es sich um solche in Bezug auf ein Polarkoordinatensystem, bei dem es sich um ein lokales Koordinatensystem handelt. Lokale Koordinatensysteme zeichnen sich dadurch aus, dass sich bei ihnen die Orientierung der Koordinatenachsen lokal ändert. Da das herkömmliche LDA-Verfahren ein lokales Koordinatensystem verwendet, das sich um die Rohrmittelachse dreht, ist es erforderlich, die LDA-Messsonden zusammen mit diesem Koordinatensystem um das Rohrsegment zu drehen. Diese aufwendige Positionierung vermeidet das erfindungsgemäße Verfahren, indem ein raum- festes Koordinatensystem gewählt wird und die Geschwindigkeitskomponenten in Bezug auf dieses System gemessen werden. Das Ausrichten, der wenigstens einen LDA-Messsonde erfolgt durch lineares Verschieben der LDA-Messsonde entlang der raumfesten Koordinatenachsen. Auf diese Weise bleibt der Winkel der durch die planparallelen Fenster hindurch tretenden Laserstrahlen immer gleich. Verzerrungen durch variierende Einfallwinkel der Laserstrahlen werden so vermieden.

Das vollständige Erfassen des Rohrquerschnitts macht das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet, bei der Optimierung von Durchfluss- und VoIu- menstrom-Messgeräten eingesetzt zu werden, da es unempfindlich gegenüber unsymmetrischen Geschwindigkeitsverteilungen und Drall ist. Zudem kann es zur Optimierung von strömungskonditionierenden Bauelementen, wie z.B. Gleichrichtern und Düsen, eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist aufgrund des geringen gerätetechnischen Aufwandes und des dadurch sehr geringen erforderlichen Platzbedarfes zur Vor- Ort-Kalibrierung von konventionellen Durchfluss- und Volumenmessgeräten bzw. Sensoren besonders geeignet. Es kann zudem als Gebrauchs- und Kontrollnormal eingesetzt werden.

Im Gegensatz zum bekannten Verfahren steht die optische Achse der LDA- Messsonden beim erfindungsgemäßen Verfahren senkrecht auf einem Fenster, so dass die Laserstrahlen einer LDA-Messsonde gleiche Wegstrecken durch das Fenster zurücklegen. Dies vereinfacht die Strahlverfolgungsrechnung, die erforderlich ist, um die Positionierung der LDA-Messsonden, ausgehend von einem vorgegebenen Messpunkt innerhalb der Rohrleitung, zu berechnen. Ferner wer- den die bekannten Probleme aufgrund stark unterschiedlicher Strahlwege der beiden Laserstrahlen in den Randgebieten des Rohres erheblich reduziert. Dies erleichtert zum einen die Messungen in den Randgebieten des Rohres; zum anderen werden Messunsicherheiten in diesen Randgebieten, die beispielsweise durch eine Verzerrung des Interferenzmusters in dem Messpunkt herrühren, reduziert.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich zudem durch eine erhebliche Reduzierung des Messaufwandes und der benötigten Messzeit sowie eine einfache Automatisierbarkeit aus.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit eine vollständige und schnelle Erfassung der axialen Geschwindigkeitsverteilung über den gesamten Rohrquerschnitt ohne Umbau der Messsonde in Bezug zur Rohrmittelachse sowie die vollständige Erfassung der Sekundärströmung durch nur einmaligen Umbau der Messsonde möglich. Die deutliche Reduzierung des Messaufwandes und der Messzeit sind für den Einsatz im industriellen Umfeld von besonderer Bedeutung. Beispielsweise lassen sich die tatsächlichen Strömungsverhältnisse der Primär- und Sekundärströmung auf Prüfständen zur Kalibrierung von konventionellen Durchfluss- und Mengen-Messgeräten, z. B. Wasserzähler und Teilgeräte von Wärmezählern) und in realen industriellen Anlagen mit minimiertem Aufwand und unter industrienahen Bedingungen erfassen.

Das Ansteuern der einzelnen Messpunkte in dem Rohrleitungssystem sowie die Berechnungen der radialen und tangentialen Komponenten lassen sich besonders einfach gestalten, wenn als raumfestes Koordinatensystem ein kartesisches Koordinatensystem definiert wird, dessen eine Achse mit der Rohrmittelachse zusammenfällt. Bei dem kartesischen Koordinatensystem handelt es sich um ein orthogonales Koordinatensystem, bei dem aufgrund der Orthogonalität der einzelnen Komponenten viele Rechnungen erheblich vereinfacht werden können.

In einer Ausführungsform werden die Geschwindigkeitsverteilungen für die einzelnen Geschwindigkeitskomponenten, im Falle eines kartesischen Koordinatensystems beispielsweise die X-, Y- und Z-Komponenten, nacheinander gemessen. Dies hat den Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit einer einzelnen LDA-Messsonde auskommt.

Eine denkbare Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dabei wie folgt erläutert werden: Als raumfestes Koordinatensystem sei ein kartesisches Koordinatensystem definiert, dessen Z-Achse mit der Rohrmittelachse zusammenfällt und dessen X-Achse horizontal und dessen Y-Achse vertikal in einer Rohrquerschnittsebene liegen, die senkrecht zur Rohrmittelachse definiert ist. Zunächst wird für jeden vordefinierten Messpunkt die Z-Komponente der Geschwindigkeit durch seitliche Positionierung der LDA-Messsonde gemessen, d.h. die optische Achse der LDA-Messsonde liegt parallel zur X-Achse. Die Verschiebung der Messsonde erfolgt dabei in horizontaler und vertikaler Richtung, ohne dass die Messsonde entlang um den Rohrumfang gedreht wird.

Anschließend erfolgt die Messung der Geschwindigkeitsverteilung in vertikaler Richtung, d.h. die Geschwindigkeitsverteilung der Y-Komponente. Die seitliche Messsondenposition wird bei der Messung dieser Geschwindigkeitsverteilung aufrechterhalten. Um die Y-Komponente der Geschwindigkeitsverteilung erfassen zu können, wird die LDA-Messsonde um 90° um dessen optische Achse gedreht. Durch dieses Drehen wird auch das Interferenzmuster im Messpunkt um 90° gedreht und somit die mittels der LDA-Messsonde zu messende Komponente der Geschwindigkeitsverteilung. Durch Verschieben der Messsonde in horizontaler und vertikaler Richtung wird so die Y-Komponente der Geschwindigkeitsverteilung für alle Messpunkte gemessen.

Anschließend wird die Position der Messsonde um 90° um die Rohrmittelachse nach oben oder unten gedreht. Durch diese Drehung kann die horizontale Geschwindigkeitsverteilung, d.h. die Verteilung in X-Richtung, gemessen werden, weil das Interferenzmuster im Messpunkt ebenfalls um 90° gedreht worden ist. Damit das Messverfahren durchgeführt werden kann, muss ein zweites planparalleles Fenster, das um 90° zum ersten planparallelen Fenster um die Rohrleitung angeordnet ist, vorhanden sein. Erfolgt die LDA-Messung im Rückstreuverfahren, d.h. die von den Licht streuenden Partikeln in dem Fluid zurückgestreute Strahlung wird gemessen, kommt das erfindungsgemäße Verfahren mit lediglich zwei Fenstern aus, über die die Laserstrahlung in die Rohrleitung eingekoppelt und das zu messende zurückgestreute Licht ausgekoppelt wird. Wird im Vorwärtsstreuver- fahren gemessen, sind lediglich vier Fenster erforderlich, die paarweise diagonal um die Rohrleitung angeordnet sind._.

In einer weiteren Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren mit zwei LDA-Messsonden durchgeführt. Hierdurch können zwei Geschwindigkeitskompo- nenten gleichzeitig gemessen werden, wodurch die gesamte Messzeit um mindestens ein Drittel reduziert werden kann.

Zweckmäßig erfolgt die Messung durch ein Glasrohr, da Glas gute mechanische und optische Eigenschaften aufweist. Bei ultraviolettem Laserlicht und/oder Streu- licht ist Quarzglas besonders gut geeignet, da es im ultravioletten Lichtspektrum eine gute Transmission aufweist. Zudem weist Quarzglas einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, so dass sich Temperaturschwankungen nur gering auf die optischen Eigenschaften der Messanordnung auswirken.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Rohr zusätzlich von dem Fluid umgeben. Durch das umgebende Fluid wird das Rohr druckentlastet, so dass mit dünneren Rohren einerseits auszukommen ist und andererseits optische Verzerrungen des Interferenzmusters aufgrund von Spannungen in dem Rohr vermieden werden. Ein dünnes Rohr hat zudem vorteilhafte optische Eigenschaften, da der Einfluss eines von dem Fluid verschiedenen Brechungsindex mit der Stärke der Rohrwandung abnimmt. Das umgebene Fluid, das den gleichen Brechungsindex wie das strömende Fluid aufweist, dient zudem der Anpassung des Brechungsin- dexes und damit der Reduzierung optischer Abbildungsfehler. Insgesamt kann dadurch die Messung genauer erfolgen und die Strahlverfolgungsrechnung vereinfacht werden.

Zweckmäßig erfolgt die Messung automatisiert. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Positionierung der wenigstens einen LDA-Messsonde mittels eines Computers erfolgt, der auch die Aufnahme und Auswertung der Messungen übernimmt. Zweckmäßig ist es auch, wenn die Geschwindigkeitsverteilungen auf eine Ausgabeeinheit, beispielsweise einen Monitor oder einen Ausdruck, ausgegeben werden, um sie auszuwerten.

Die Positionen der wenigstens einen LDA-Messsonde zur Fokussierung in die unterschiedlichen Messpunkte werden vorzugsweise durch Strahlverfolgungsrechnung iterativ ermittelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Bestimmung des Durchflusses selbst verwendet werden. Sowohl bei ungestörten als auch bei gestörten Strö- mungszuständen bieten sich Netzmessungen, Ein- oder Mehrpunktmessungen (arithmetische Verfahren) an. Für die Bestimmung des Durchflusses wird die axiale Geschwindigkeitsverteilung integriert. Die Integration kann anhand ausgezeich- neter Messpunkte eines an die speziellen Strömungsverhältnisse angepassten Messrasters erfolgen. Dies bietet sich beispielsweise an, wenn aus der gesamten axialen Geschwindigkeitsverteilung ersichtlich ist, dass keine größeren Unsym- metrien vorhanden sind. Dann kann die Integration auf aussagekräftige und insbesondere symmetrisch zueinander angeordnete Messpunkte beschränkt werden, ohne dass das Gesamtergebnis große Fehler oder Messunsicherheiten aufweist.

Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß durch eine Messanordnung zur Durchführung eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 - 11 gelöst mit einer Mess- kammer, die zwei Halteflansche zur Aufnahme eines transparenten Rohres, zwei Anschlussflansche zum Anschluss des Rohres an ein Rohrleitungssystem und wenigstens zwei planparallele Fenster aufweist, deren Normalen senkrecht zur Rohrmittelachse und in einem Winkel zwischen 0° und 180° zueinander um das Rohr angeordnet sind, mit wenigstens einer LDA-Messsonde zur Messung einer Geschwindigkeitskomponente einer Strömung, einer Positioniereinrichtung zum wenigstens zweidimensionalen Verschieben der LDA-Messsonde in eine Ebene senkrecht zur Rohrmittelachse und einer Auswerteeinrichtung zum Berechnen der tangentialen und radialen Geschwindigkeitskomponenten aus den Ausgangssig- nalen der LDA-Messsonde.

Die erfindungsgemäße Messanordnung zeichnet sich durch einen einfachen und geringen gerätetechnischen Aufbau aus. Sie eignet sich dadurch besonders zur Vorortkalibrierung von herkömmlichen Durchfluss- und Volumenmessgeräten.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Rohr ein Glasrohr, beispielsweise ein Quarzglasrohr, wenn ultraviolettes Laser- und/oder Streulicht benutzt wird.

In einer besonderen Ausführungsform sind zwei Fenster vorgesehen, deren Nor- malen einen rechten Winkel zueinander bilden. Dadurch werden zwei

Geschwindigkeitskomponenten, die senkrecht zueinander sind, bestimmt. Die

Wahl eines rechtwinkligen Koordinatensystems vereinfacht zudem die

Rechnungen.

In einer weiteren Ausführungsform sind vier Fenster vorgesehen, von denen je- weils zwei Fenster parallel zueinander auf gegenüberliegenden Seiten des Rohres angeordnet sind. Diese Ausführungsform bietet sich an, wenn die wenigstens eine

LDA-Messsonde im Vorwärtsstreuverfahren arbeitet.

In einer kostengünstigen Ausführungsform ist genau eine LDA-Messsonde, ein Strahlteiler und eine Umlenkoptik (z. B. Umleπkspiegel oder Lichtleiter) vorgesehen, die angeordnet sind, um die Laserstrahlen der LDA-Messsonde durch die beiden nicht parallel zueinander angeordneten Fenster in die Messkammer einzu- koppeln. Die Kosten für eine zweite LDA-Messsonde entfallen somit. Zweckmäßig erfolgt das Umspülen des Rohres von dem Fluid durch ein Bypass- System, das in der Messkammer vorgesehen ist.

In einer besonderen Ausführungsform weist die Messanordnung wenigstens eine LDA-Messsonde mit einem Neodym-YAG-Laser auf. In einer anderen Ausführungsform kann die Messanordnung wenigstens eine LDA-Messsonde mit einem Diodenlaser aufweisen.

Zweckmäßig wird die wenigstens eine LDA-Messsonde mittels motorangetriebener Verschiebetische verschoben. Die Verschiebetische können beispielsweise durch elektrische Linearmotoren angetrieben werden. Elektrische Linearmotoren bieten sich an, da sie eine sehr genaue Ansteuerung ermöglichen. Zudem eignen sie sich besonders für die Ansteuerung durch einen Computer, was die Automati- sierung des Messverfahrens bzw. der Messanordnung begünstigt.

In einer besonderen Ausführungsform ist die Messanordnung modular aufgebaut. Ein modularer Aufbau ermöglicht die einfache Reparatur einerseits sowie die Anpassung an unterschiedliche Rohrquerschnitte andererseits. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass Rohre mit unterschiedlichen Rohrdurchmessern in die Messanordnung eingesetzt werden können, um eine lücken- und versatzlose Anpassung an unterschiedliche Rohrdurchmesser vornehmen zu können. Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn die Messanordnung zur Vor-Ort-Kalibrierung von Durchfluss- und Volumenmessgeräten verwendet werden soll.

Die Erfindung wird anhand der in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch ein Rohr mit benachbarten Fenstern;

Figur 2 einen Querschnitt durch das Rohr aus Figur 1 ;

Figur 3 eine geschnittene Teilansicht durch ein Rohr mit einem benachbarten Fenster;

Figur 4 eine weitere geschnittene Teilansicht durch ein Rohr mit benachbartem Fenster;

Figur 5 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Messanordnung.

In Figur 1 ist ein Rohr 1 einer erfiπdungsgemäßen Messanordnung dargestellt. Das Rohr 1 ist versatz- und lückenlos in ein Rohrleitungssystem eingesetzt. Hierzu weist es denselben Innendurchmesser wie das Rohrleitungssystem auf, damit die Strömung im Inneren 2 des Rohres 1 durch den Einsatz des Rohres 1 nicht ge- stört wird. Die Strömung wird durch ein strömendes Fluid, hier eine Flüssigkeit, hervorgerufen. Die Flüssigkeit strömt in positiver Z-Richtung, d.h. in der Figur von oben nach unten. Bei der Flüssigkeit handelt es sich um eine Licht streuende Flüssigkeit oder der Flüssigkeit sind Licht streuende Partikel zugesetzt. Das Rohr 1 ist aus Quarzglas hergestellt. Links und rechts neben dem Rohr 1 sind zwei planparallele Glasfenster 3 parallel zur Längsachse des Rohres 1 angeordnet. Die Fenster haben eine quadratische Querschnittsfläche und sind ebenfalls aus Quarzglas hergestellt. Selbstverständlich sind auch Fenster mit anderen Querschnittsflächen, beispielsweise kreisförmige oder ovale, geeignet. Die größte Ausdehnung der Fenster 3, hier also die Länge einer Seitenkante, ist deutlich größer als der Durchmesser des Rohres 1. Hierdurch ist es möglich, die gesamte Querschnittsfläche messtechnisch zu erfassen. Die Fenster 3 sind mit einem geringen Abstand 4 von der Außenwand 5 des Rohres 1 angeordnet. Durch den Abstand 4 bildet sich um das Rohr 1 herum eine Kammer 6, durch die die Flüssigkeit mittels eines Bypass-Systems (vgl. Figur 5) hindurchgeführt werden kann. Die Flüssigkeit in der Kammer 6 bewirkt zum einen, dass das Rohr 1 druckentlastet ist, da innerhalb und außerhalb des Rohres 1 dasselbe Gas unter vergleichbaren hydrodynamischen Verhältnissen strömt. Die Flüssigkeit in der Kammer 6 bewirkt einerseits die Anpassung der Brechungsindizes. Andererseits werden durch die Druckentlastung Spannungen in dem Rohr 1 vermieden, die sich nachteilig auf die optischen Eigenschaften des Rohres 1 auswirken können.

In der Figur 1 ist ein raumfestes Koordinatensystem 7 mit den Achsen X, Y und Z definiert. Die Z-Achse fällt mit der Rohrmittelachse 8 zusammen. Die X- und die Y- Achse spannen eine Ebene auf, die senkrecht zur Z-Achse angeordnet ist. In der X-, Y-Ebene liegt die Querschnittsebene 9, in der die Geschwindigkeitsverteilungen der Strömung gemessen werden sollen. Bei dem Koordinatensystem 7 handelt es sich um ein kartesisches Koordinatensystem.

In der Querschnittsebene 9 ist eine Mehrzahl an Messpunkten beliebig vorgegeben. Von diesen Messpunkten ist ein Messpunkt 10 beispielhaft gezeigt. In diesen Messpunkt 10 sind zwei Laserstrahlen 11 eines Lasers, beispielsweise eines Ne- odym-YAG-Lasers, fokussiert. Die Laserstrahlen 11 kommen von einem LDA, dessen optische Achse 12 als Symmetrieachse zwischen den Laserstrahlen 11 definiert ist.

Die Laserstrahlen 11 interferieren in dem Messpunkt 10 miteinander. Das Interferenzstreifenmuster liegt in der durch die Laserstrahlen 11 aufgespannten Ebene senkrecht zur optischen Ebene 12, in diesem Fall also parallel zur Rohrmittelachse 8. Mit einer LDA-Messsonde kann die Geschwindigkeit eines reflektierenden Teils in Richtung des Interferenzstreifenmusters, also senkrecht zu den Interferenzstreifen, bestimmt werden. Im vorliegenden Fall ist es die axiale Geschwindigkeitskomponente w. Damit die Bestimmung der Geschwindigkeit w richtungsab- hängig, d.h. positiv in Richtung Z-Achse und negativ in negativer Z-Richtung bestimmt werden kann, weist die LDA-Messsonde einen akusto-optischen Modulator, im vorliegenden Fall eine Bragg-Zelle, auf. Die Positionierung der LDA-Messsonde derart, dass die Laserstrahlen 11 genau innerhalb des Messpunkts 10 miteinander interferieren, um dort die axiale Geschwindigkeit w der Strömung zu messen, erfolgt über eine geeignete dreidimensionale Strahlverfolgungsrechnung, die mit einer Rückwärtsrechnung arbeitet. Bei dieser Strahlverfolgungsrechnung wird der auszumessende Messpunkt 10 vorgegeben, und mit Hilfe eines iterativen Verfahrens werden die Laserstrahlen unter Beachtung optischer Gesetze zurückverfolgt, um so die Position der LDA- Messsonde bzw. die Koordinaten der für die Verschiebung der LDA-Messsonde eingesetzten motorgesteuerten Verschiebetische zu bestimmen.

Die über die Querschnittsebene 9 vorgegebenen Messpunkte werden hinsichtlich der axialen Geschwindigkeitskomponente w ausgemessen. Hierzu wird für jeden einzelnen Messpunkt 10 die richtige LDA-Position bestimmt. Die Verschiebung der LDA-Messsonde erfolgt nur in X- und Y-Richtung. Ein Verkippen der optischen Achse 12 der LDA-Messsonde ist im Gegensatz zu herkömmlichen optischen Messverfahren nicht erforderlich.

Die LDA-Messsonde arbeitet im Vorwärtsstreuverfahren. Hierzu ist ein zweites, parallel angeordnetes Fenster auf der gegenüberliegenden Seite des Rohres 1 erforderlich. Selbstverständlich kann die LDA-Messsonde auch im Rückstreuverfahren eingesetzt werden. Dann könnte auf eines der Fenster 3 verzichtet werden, da das Einkoppeln der Laserstrahlen 11 und das Auskoppeln der Streustrahlung durch ein und dasselbe Fenster erfolgen würden.

In Figur 2 ist das Rohr 1 aus Figur 1 im Querschnitt dargestellt. Es ist zu erkennen, dass vier Fenster 3 um das Rohr 1 angeordnet sind. Jeweils zwei Fenster 3 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Rohres 1 parallel zueinander angeordnet. Die Z-Achse zeigt aus der Figurenebene heraus.

Die Laserstrahlen 13 werden durch dasselbe Fenster 3 wie in Figur 1 in die Strömung eingekoppelt. Es ist jedoch zu erkennen, dass die LDA-Messsonde in diesem Fall um 90° um dessen optische Achse 12 im Gegensatz zu Figur 1 gedreht worden ist. Hierdurch ist es möglich, mit Hilfe derselben LDA-Messsonde ohne Verkippen der optischen Achse 12 neben der axialen Geschwindigkeitskomponente w zusätzlich die Geschwindigkeitskomponente v_y zu messen.

Um die Geschwindigkeitskomponente V_x zu messen, wird die optische Achse 12 um 90° um die Z-Achse in die Position 14 gedreht, so dass dessen Laserstrahlen 15 von unten (oder oben) in den Messpunkt 15 fokussiert werden. Auch zur Bestimmung der Geschwindigkeitskomponenten V_x über sämtliche Messvolumina 15 in der Querschnittsebene 9 ist lediglich eine zweidimensionale lineare Verschiebung der LDA-Messsonde in der XY-Ebene erforderlich. Ein Verkippen der opti- sehen Achse 12 findet nicht statt.

In Figur 3 ist der Verlauf eines Laserstrahls 16 für die Messung der axialen Geschwindigkeitskomponente w unter Beachtung der optischen Brechungsgesetze dargestellt. Bei Betrachtung der Winkel ist zu beachten, dass die Laserstrahlen 16 in die Schnittebenen projiziert worden sind, so dass die Winkel nicht die tatsächlichen Winkel wiedergeben.

Im oberen Teil der Figur 3 ist eine Teildraufsicht gezeigt, mit der Achse 17 als Symmetrieachse. Im unteren Teil der Figur 3 ist eine Teilquerschnittsansicht mit dem Laserstrahl 16 dargestellt, mit der Achse 18 als Symmetrieachse. Die Laserstrahlen 16 werden in den Messpunkt 18 fokussiert, um in diesem Messpunkt 18 die axiale Geschwindigkeitskomponente w zu bestimmen.

Die Laserstrahlen 16 werden über das Fenster 19 eingekoppelt. Das Fenster 19 weist eine äußere Oberfläche 20 und eine innere Oberfläche 21 auf.

Die Umgebung 22 hat einen kleineren Brechungsindex als das Fenster 19. Aus diesem Grunde erfolgt die Brechung des Laserstrahls 16 an der äußeren Oberfläche 20 des Fensters 19 zur Fensternormalen 23 hin. In der Kammer 24 befindet sich das gasförmige Fluid, das auch im Rohrinneren 25 vorhanden ist. Das Fluid hat einen kleineren Brechungsindex als das Fenster 19. Aus diesem Grunde erfolgt die Brechung der an der inneren Oberfläche 21 des Fensters 19 von der normalen 23 weg. Das Rohr 26 hat einen größeren Brechungsindex als das Fluid. Aus diesem Grunde erfolgt die Brechung an der äußeren Oberfläche 27 des Rohres 26 zur Rohrnormalen 28 hin. An der inneren Oberfläche 29 des Rohres 26 erfolgt wiederum eine Brechung von der Normalen 30 des Rohres 26 weg, da der Brechungsindex des Fluids größer als der Brechungsindex des Rohres 26 ist (auf- grund der Projektion in die Schnittebene nicht zu erkennen).

In Figur 4 ist eine Querschnitt-Teilansicht für die Messung einer in der Querschnittsebene liegenden Geschwindigkeitskomponente dargestellt. Die Achse 31 ist Symmetrieachse, auf der der Messpunkt 32 liegt. Die Figur 4 lässt erkennen, wie der Laserstrahl 33 aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes an den einzelnen Grenzflächen 33, 34, 35, 36 gebrochen wird.

In Figur 5 ist eine Messkammer 37 einer erfindungsgemäßen Messanordnung dargestellt. Nicht dargestellt sind die LDA-Messsonden sowie die Positionierein- richtungen.

Die Messkammer 37 weist zwei Anschlussflansche 38 auf, mit der die Messkammer 37 an ein Rohrleitungssystem angeschlossen werden kann.

Die Messkammer 37 weist ein Glasrohr 39 mit variierbarem Durchmesser auf. Das Glasrohr 39 wird an seinen Enden jeweils durch einen Halteflansch 40 gehalten. Die Halteflansche 40 für das Glasrohr 39 sind an den Durchmesser des Glasrohres 39 anpassbar. Durch den variierbaren Durchmesser des Glasrohres 39 kann das Glasrohr 39 bzgl. des Innendurchmessers an das Rohrleitungssystem ange- passt werden, so dass ein axialer und radialer Versatz vermieden wird. Die Messkammer 37 weist vier Schächte 41 auf, die im gleichmäßigen Abstand um das Glasrohr 39 herum angeordnet sind. An den äußeren Enden der Schächte 41 sind planparallele Schauglasplatten angebracht, die von geeigneten Flanschen 43 gehalten werden. Die Schauglasplatten dienen zum Einkoppeln der Laserstrahlen und zum Auskoppeln der gestreuten Strahlung mit den Messinformationen.

Um das Glasrohr 39 herum ist eine Kammer 44 angeordnet, die über ein Bypass- System 45 mit dem Rohrleitungssystem in Verbindung steht. Für eine sichere Verbindung sind in den Anschluss- und Halteflanschen 38, 40 Bohrungen 46 vorgesehen, durch die geeignete Schrauben geführt werden können. Es ist auch möglich, dass die Bohrungen bzw. ein Teil der Bohrungen mit Gewinden versehen sind.

Die Messkammer besteht abgesehen von den Glasbauteilen zweckmäßig aus einem geeigneten Metall, vorzugsweise aus Edelstahl oder eloxiertem Aluminium.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung von Geschwindigkeitsverteilungen eines durch ei- nen Rohrquerschnitt strömenden, Licht streuenden Fluids, bei dem mittels wenigstens eines außerhalb eines Rohres (1 , 26, 39) mit einer Rohrmittelachse (8) angeordneten Laser-Doppler-Anemometers (LDA-Messsonde) an einer Mehrzahl an über den Rohrquerschnitt verteilt angeordneten Messpunkten (10, 15, 18, 32) jeweils wenigstens zwei unabhängige Ge- schwindigkeitskomponenten (w, V_x, v_y) der Strömung gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitskomponenten (w, V_x, Vy) für jeden Messpunkt (10, 15, 18, 32) in Bezug auf ein raumfestes Koordinatensystem (7) gemessen werden, dessen eine Achse (z) mit der Rohrmittelachse (8) zusammenfällt oder zu dieser parallel verschoben ist und dessen beiden anderen Achsen in der Ebene des Rohrquerschnittes liegen, und dass jeweils aus den beiden in der Ebene des Rohrquerschnittes liegenden Geschwindigkeitskomponenten (v_x, v_y) radiale und tangentiale Geschwindigkeitskomponenten berechnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als raumfestes Koordinatensystem (7) ein kartesisches Koordinatensystem definiert wird, dessen eine Achse (z) mit der Rohrmittelachse (8) zusammenfällt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach- einander die Geschwindigkeitsverteilungen für die einzelnen Geschwindigkeitskomponenten (w, V_x, Vy) gemessen werden.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer zweiten LDA-Messsonde zwei Geschwindigkeitskomponenten (w, v_x, Vy) gleichzeitig gemessen werden.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Rohr (1 , 26, 39) ein Glasrohr gewählt wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung durch wenigstens zwei zueinander senkrecht angeordnete, planparallele Fenster (3, 42) erfolgt, die um das

Rohr (1, 26, 39) angeordnet sind.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (1, 26, 39) von dem Fluid umgeben wird.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung automatisiert erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitsverteilungen auf einer

Ausgabeeinheit ausgegeben werden.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung im Rückstreuverfahren erfolgt.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung im Vorwärtsstreuverfahren erfolgt.

12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der wenigstens einen LDA- Messsonde zur Fokussierung in die unterschiedlichen Messpunkte durch Strahlverfolgungsrechnung iterativ ermittelt werden.

13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Geschwindigkeitskomponenten (w) zur Bestimmung des Volumenstromes addiert werden.

14. Messanordnung zur Durchführung eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13 mit einer Messkammer (37), die zwei Halteflansche (40) zur Aufnahme eines transparenten Rohres (1 , 26, 39), zwei Anschlussflansche (38) zum Anschluss des Rohres (1, 26, 39) an ein Rohrleitungssystem und wenigstens zwei planparallele Fenster (3, 42) aufweist, deren Normalen senkrecht zur Rohrmittelachse (8) und in einem Winkel zwischen 0° und

180° zueinander um das Rohr (1 , 26, 39) angeordnet sind, mit wenigstens einer LDA-Messsonde zur Messung einer Geschwindigkeitskomponente (w, V_x, Vy) einer Strömung, einer Positioniereinrichtung zum wenigstens zweidimensionalen Verschieben der LDA-Messsonde in einer Ebene senkrecht zur Rohrmittelachse (8) und einer Auswerteeinrichtung zum Berechnen der tangentialen und radialen Geschwindigkeitskomponenten aus den Ausgangssignalen der LDA-Messsonde.

15. Messanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (1 , 26, 39) ein Glasrohr ist.

16. Messanordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Fenster (3, 42) vorgesehen sind, deren Normalen (23) einen rechten Winkel zueinander bilden.

17. Messanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass vier Fenster (3, 42) vorgesehen sind, von denen jeweils zwei Fenster (3, 42) parallel zueinander auf gegenüberliegenden Seiten des Rohres (1 , 26, 39) angeordnet sind.

18. Messanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, gekennzeichnet durch genau eine LDA-Messeinrichtung, einen Strahlteiler und eine Umlenkoptik, die angeordnet sind, um die Laserstrahlen (11 , 16) der LDA- Messeinrichtung durch die beiden nicht parallel zueinander angeordneten

Fenster (3, 42) in die Messkammer (37) einzukoppeln.

19. Messanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (37) ein Bypass-System (45) aufweist, durch das das Rohr (1 , 26, 39) mit dem Fluid aus dem Rohrleitungssystem umspült wird.

20. Messanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung wenigstens eine LDA-Messeinrichtung mit einem Neodym-YAG-Laser aufweist.

21. Messanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung wenigstens eine LDA-Messeinrichtung mit einem Diodenlaser aufweist.

22. Messanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine LDA-Messeinrichtung motorangetriebener Verschiebetische verschiebbar ist.

23. Messanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung modular aufgebaut ist.

24. Messanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrdurchmesser variierbar sind.