WO2009062708A1

WO2009062708A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen des durchflusses einer strömenden flüssigkeit

Info

Publication number: WO2009062708A1
Application number: PCT/EP2008/009579
Authority: WO
Inventors: Christophe Verjus; Philippe Renevey; Victor Neumann
Original assignee: Digmesa Ag
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2008-11-13
Publication date: 2009-05-22
Also published as: RU2010123872A; DE102007054186B4; TWI461658B; DE102007054186A1; JP2011503591A; RU2491514C2; CA2704822A1; KR101557878B1; KR20100088682A; CN101910802B; EP2212656B1; EP2212656A1; JP5336503B2; US8451436B2; CA2704822C; CN101910802A; PL2212656T3; TW200936990A; ES2410030T3; CL2008003402A1

Abstract

Um mit minimalem technischen und insbesondere apparativen Aufwand den Durchfluss einer Flüssigkeitsströmung in einem Rohr mit hoher Präzision zu bestimmen, sieht die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Durchflusses einer Flüssigkeitsströmung vor, bei dem verfahrensmäßig vorgesehen ist, dass die Flüssigkeit mittels eines optischen Erwärmungsstrahls erwärmt wird, der Erwärmungsort von einem optischen Detektions-Strahl durchstrahlt wird, wobei die optischen Achsen von Erwärmungs- und Detektions- Strahl zumindest am Erwärmungsort übereinstimmen, und der Detektions-Strahl mittels eines Detektor-Arrays aufgenommen wird und die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass die Einrichtung zur Erwärmung eines inneren Bereichs der eines abgegrenzten inneren Bereichs der Flüssigkeit und eine den Strahl des Laser führende optische Anordnung derart angeordnet sind, dass ein Messstrahl den erwärmten Bereich am absoluten Ort seiner Erwärmung durchstrahlt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Durchflusses einer strömenden Flüssigkeit

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Durchflusses einer strömenden Flüssigkeit.

Gattungsgemäße Verfahren und Vorrichtungen sind in unterschiedlicher Ausgestaltung bekannt.

So ist es bekannt die Ablenkung eines - schmalen - Laser- Strahls durch eine - anderweitig - erwärmte Zone eines Fluids zu messen, um so auf die Geschwindigkeit des Fluids rückzuschließen.

Alternativ ist es bekannt, mittels einer gegebenenfalls op- tischen Detektoranordnung stromab einer, gegebenenfalls ebenfalls optisch erzeugten Erwärmungsstelle über die Laufzeit eines kurzzeitig erwärmten Bereichs von der Erwärmungsstelle zur Messstelle die Strömungsgewindigkeit eines Fluids zu messen.

BESTÄTIGUNGSKOPIE 198041 Nachteilig ist, dass hier zwei örtlich getrennte Arbeitsorte und -einrichtungen notwendig sind, zum einen zum Erwärmen, zum anderen zur Detektion der Erwärmung. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfah- ren und eine verbesserte Vorrichtung zum Bestimmen des

Durchflusses einer strömenden Flüssigkeit unter Vermeidung der oben genannten Nachteile zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einem Verfah- ren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die

Flüssigkeit mittels eines optischen Erwärmungsstrahls erwärmt wird, der Erwärmungsort von einem optischen Detekti- ons-Strahl durchstrahlt wird, wobei die optischen Achsen von Erwärmungs- und Detektions-Strahl zumindest am Erwär- mungsort übereinstimmen, und der Detektions-Strahl mittels eines Detektor-Arrays aufgenommen wird.

Zur Lösung der genannten Aufgabe sieht die Erfindung weiterhin eine gattungsgemäße Vorrichtung vor, bei der die Einrichtung zur Erwärmung eines inneren Bereichs der eines abgegrenzten inneren Bereichs der Flüssigkeit und eine den Strahl des Laser führende optische Anordnung derart angeordnet sind, dass ein Messstrahl den erwärmten Bereich am absoluten^' Ort seiner Erwärmung durchstrahlt.

Durchfluss bezeichnet eine für diesen charakteristische Größe, wie Durchflussrate, -geschwindigkeit, Volumendurch- fluss oder dergleichen. Durch eine teilweise Absorption eines optischen Strahls, wie eines Laserstrahls, in der Flüs- sigkeit, insbesondere in Wasser, dessen Absorptionkoeffizient 0,46 irf¹ bei einer Wellenlänge von 970 nm ist wird in der erwärmten Region thermisch eine Linse induziert. Die Linse und insbesondere ihre flussinduzierten Eigenschaften werden zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit gemessen. Die Messung erfolgt mittels des nicht-absorbierten Lichts des gleichen Laserstrahls, so dass Anregungs- und Messstrahl zusammenfallen. Das Verfahren ist ein nicht- invasives, kontaktloses thermisches Messverfahren der wärmeinduzierten Modifikationen der optischen Eigenschaften des erwärmten Fluids. Die Messung erfolgt am gleichen absoluten Ort wie das Erwärmen: Erwärmungs- und Messort koinzi- dieren also im Raum oder sind räumlich überlagert. Die De- tektion des Laserstrahls erfolgt durch ein Detektor-Array mit mehreren Einzeldetektoren (mindestens zwei), wobei gleichzeitig mehrere Einzeldetektoren Licht des auftreffenden Lichtstrahles erfassen. Dieser kann, abgesehen von der Zerstreuung durch die wärmeinduzierte thermische Linse in der Flüssigkeit zusätzlich durch eine außerhalb des Rohres vor dem Detektor-Array angeordnete optische Linse oder eine Gruppe von optischen Linsen aufgeweitet werden. Hierdurch können verschiedene Eigenschaften des Erwärmungsbereichs und nicht nur sein Versatz (Bewegung) , sondern auch seine Deformation, d.h. Formänderung in der erwärmten Zone er- fasst werden, die durch die Fließbewegung bedingt ist. Erfindungsgemäß wird also nicht lediglich global durch Ablenkung des Lichtstrahls der Brechungsindex der induzierten thermischen Linse bestimmt, sondern eine globale Messung über einen größeren Bereich und damit ihrer flussinduzier- ten Eigenschaften, insbesondere Verformungen vorgenommen. Die Flüssigkeit wird mittels eines optischen Strahls (berührungslos) erwärmt, wobei insbesondere der die Flüssigkeit erwärmende Strahl mit seinem durch diese hindurchge- lassenen Licht detektiert wird.

Gemäß bevorzugten Ausgestaltungen ist vorgesehen, dass der Erwärmungs- und der Detektor-Strahl von der gleichen Strah- lungs-Quelle ausgestrahlt werden oder dass der Erwärmungs- und der Detektor-Strahl von verschiedenen Strahlungs- Quellen ausgestrahlt werden. In letzterem Fall können die Strahlungs-Quellen gleiche oder unterschiedliche Frequenz- bereiche aufweisen. Die Erzeugung von Erwärmungs- und De- tektionsstrahl mittels Lichtquelle kann durch Aufteilung des Strahls, Filterung über unterschiedliche optische Filter und/oder unterschiedliche Aufweitung über unterschiedliche Abbildungsoptiken erfolgen.

Demgemäß kann die Einrichtung zur Erwärmung eines Bereichs der Flüssigkeit ebenfalls eine Strahlungs- oder Lichtquelle, wie ein Laser sein, der mit der Messlichtquelle übereinstimmt, wobei insbesondere die Strahlfühung auch derart ist, dass Erwärmungs- und Detektionsstrahl der gleiche sind, also keine Aufspaltung der Strahlen einer Strahlungsoder Lichtquelle erfolgt.

In bevorzugter Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der Detektions-Strahl einen größeren mittleren Durchmesser als der Erwärmungs-Strahl hat.

Der optische Strahl kann ins Innere des Rohres und damit der Flüssigkeitsströmung oder auch außerhalb des Rohres fo- kussiert sein oder aber dieser als Parallelstrahl durchtreten.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass durch das Detektor-Array mehrere zeitlich auf- einander folgende Messungen durchgeführt werden. Zeitlich aufeinander folgende Messungen können, wenn, wie dies in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen ist, die Lichtquelle ein modulierter oder ein gepulster Laser ist, innerhalb ei- nes Laserpulses durchgeführt werden. Hierdurch kann die durch die Strömungsgeschwindigkeit beeinflusste zeitliche Entwicklung der Erwärmung im Erwärmungsbereich detektiert werden.

Während grundsätzlich vorgesehen sein kann, dass die Detek- tion mittels eines linearen Detektor-Arrays erfolgt, wobei die Ausrichtung eines linearen Detektor-Arrays dann in Strömungsrichtung vorgesehen ist, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung vor, dass die Detektion mittels eines flächigen (zweidimensionalen) Detektor-Arrays erfolgt.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass der Durchfluss aus einem empfangenen Profil des opti- sehen Strahls bestimmt wird, wobei insbesondere statistische Momente der empfangenen Signale bestimmt werden, wie Mittelwert, Varianz, Schiefe und/oder Kurtosis und die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Bestimmung des Abfalls statistischer Momente bestimmt wird. Jedes bestimmte (statistische) Moment ist mit einem unterschiedlichen Merkmal der Strahlform, damit der Form der thermischen Linse und damit der Strömungsgeschwindigkeit verbunden. Alternativ zu Strömungswerten aus dem exponentiellen Verhalten statistischer Momente über die Zeit kann eine Phasenverschiebung der statistischen Momente bei einer gegebenen Laseranregungsfrequenz bestimmt werden. So kann vorgesehen sein, dass die Verschiebung des Mittelwerts der Position des optischen Strahls als Maß für den Durchfluss bestimmt wird und/oder dass die Reduzierung der Varianz des optischen Strahls mit dem Durchfluss bestimmt wird. Andere bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sehen vor, dass der optische Strahl intensitätsmoduliert wird und die Phasenverschiebung der Modulation bestimmt wird, dass der op- tische Strahl mit mehreren Frequenzen moduliert wird und/oder dass der optische Strahl stochastisch moduliert wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutern sind. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Gesamtübersicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2.1 bis 2.7 verschiedene Ausgestaltungen der die strömende Flüssigkeit durchstrahlenden optischen Erwärmungsund Detektionsstrahlen, teils als Parallelstrahl, teils fokussiert;

Fig. 3.1, 3.2 zwei Ausgestaltungen der Erfindung mit verschiedenen Strahlungsquellen für den Erwärmungsund den Detektionsstrahl, wobei diese in Fig. 3.1 als Parallel- strahl durchtreten und in Fig.

3.2 auf einem Bereich innerhalb Flüssigkeit fokussiert sind;

Fig. 4 eine Darstellung der Quer- Schnittsverhältnisse von Mess- und Heizstrahl, wenn diese nicht übereinstimmen; Fig. 5 die Entwicklung der Verteilungskurve des Messstrahls für verschiedene Zeiten in Strömungsrichtung;

Fig. 6.1 die Darstellung des Mittelwerts für verschiedene Durchflussraten (in ml/min) ;

Fig. 6.2 Darstellung der Standardabweichung für verschiedene Strömunsfahrten (in ml/min) ; und

Fig. 7 eine Darstellung der Veränderung der Phasenbeziehung zwischen Ausgangsmodulation und empfangener optischer Strahlung.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist eine optische An- Ordnung 2, dieser vorgeordnet eine Laserelektronik 3, eine Verstärkeranordnung 4, eine elektronische Auswerteeinrichtung 5 sowie eine Schnittstellenanordnung 6 auf. Weiterhin ist eine Spannungsversorgung 7 für die einzelnen elektrischen und elektronischen Teile vorgesehen.

Durch die optische Anwendung 2 führt ein eine Flüssigkeit 8 führendes Rohr 2.1 mit zumindest im Messbereich für den Messstrahl 2.3 transparenten Wandungen 2.1.1, beispielsweise aus Glas.

Die optische Anordnung weist einen Laser 2.2 als optische Lichtquelle auf, der beispielsweise mit einer Wellenlänge von 970 ± 15 nm und mit einer Leistung von 100 mW betrieben wird. Der optische Strahl 2.3 oder Laserstrahl wird durch eine erste Linse 2.4 parallelisiert, durchstrahlt das Rohr 2.1 und fällt auf ein Detektor-Array 2.5 mit einer Mehrzahl von Einzeldetektoren. Das Detektor-Array 2.5 ist mit einem elektronischen Verstärker 4.1 verbunden.

Die Lasersteuerung 3 weist einen Modulator 3.1 und einen Lasertreiber 3.2 zur Steuerung des Lasers 2.2 auf.

Dem Verstärker 4.1 ist in der Auswerteeinrichtung 5 ein

Analogdigitalwandler 5.1 sowie ein Rechner oder Prozessor, vorzugsweise in der Form eines Digitalprozessors 5.2 nachgeordnet. Eine Schnittstelle dient zur Ausgabe der berechneten Daten auf eine Anzeige, einem Speichermedium und/oder einem Drucker zur Abstimmung der Lasersteuerung sowie der Auswertesteuerung und gegebenenfalls zur Rückkopplung bzw. Regelung des Laserbetriebs sind Steuerleitungen 9.1, 9.2 vorgesehen.

Die in der Fig. 2.1 dargestellte optische Anordnung entspricht der der Fig. 1 und weist eine Linse 2.2 zur Paral- lelisierung des optischen Strahls auf, der als Parallelstrahl das Rohr 2.1 und damit die durch dieses geführte Flüssigkeit 8 durchstrahlt. Die Strömungsrichtung der Flüs- sigkeit ist durch den Fall S angegeben.

Bei der Ausgestaltung der Fig. 2.2 ist vor dem Rohr 2.1 eine weitere Linse 2.6 vorgesehen, die den Strahl 2.2 im Inneren der Flüssigkeit 8 fokussiert, wobei diese aus der Flüssigkeit divergent austritt und auf das Detektor-Array 2.5 auftrifft. Bei der Ausgestaltung der Fig. 2.3 ist zusätzlich zu den beiden Linsen 2.4 und 2.6 auf der dem Laser 2.2 abgewandten Seite des Rohres 2.1 eine weitere Linse 2.7 vorgesehen, die den Strahl 2.2 weiter aufweitet.

Die Ausgestaltung der Fig. 2.4 weicht von der der Fig. 2.2 und 2.3 davon ab, dass die Fokussierung des Lichtstrahls durch die Linse 2.6 laserseitig vor dem Rohr 2.1 erfolgt.

Dem entspricht die Ausgestaltung der Fig. 2.5, wobei auch hier wieder auf der dem Laser 2.2 abgewandten Seite des Rohres 2.1 eine Aufweitung durch eine Linse 2.7 erfolgt.

Während bei der Ausgestaltung der Fig. 2.2 und 2.3 der Fo- kus im Inneren der Flüssigkeit, aber auf der dem Laser 2.2 zugewandten Seite relativ zur Symmetrieachse liegt, liegt er bei der Ausgestaltung der Fig. 2.6 von der Symmetrieachse aus gesehen auf der dem Laser abgewandten und dem Foto- Array, 2.7 zugewandten Seite innerhalb der Flüssigkeit.

Die Ausgestaltung der Fig. 2.7 weist wiederum, wie die der Fig. 2.1 ein Parallelstrahl auf, der allerdings entsprechend den Ausgestaltungen der Fig. 2.5, 2.6 durch eine Linse 2.7 auf der dem Laser abgewandten Seite vor dem Detek- tor-Array 2.5 aufgeweitet wird.

Bei der beschriebenen Ausgestaltung der Fig. 1 und 2.1 bis 2.7 wird von einem optischen Strahl oder Laserstrahl ausgegangen, der sowohl die im Rohr 2.1 strömende Flüssigkeit 8 erwärmt als auch die durch die Erwärmung gebildete optische Linse und deren durch die Strömung beeinflusste Gestalt de- tektiert, also sowohl als Heiz- als auch als Messstrahl dient. Die Fig. 3.1 und 3.2 zeigen zu den Ausgestaltungen der Fig. 2.1 bis 2.7 alternative Ausgestaltungen mit zwei verschiedenen Strahlungs- oder. Lichtquellen 2.2, 2.8 für den Detek- tionsstrahl 2.3 bzw. den Erwärmungsstrahl 2.10. Die Anordnung und der Aufbau für den Detektionsstrahl 2.3 entspricht den Ausgestaltungen der Fig. 3.1, 3.2 jeweils der Ausgestaltungen der Fig. 2.1 und 2.2, so dass zur Beschreibung grundsätzlich auf diese verwiesen werden kann. Gleiche Tei- Ie werden mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es ist eine Strahlungsquelle 2.2 für den Detektionsstrahl 2.3 vorgesehen. In Strahlungsrichtung hinter dieser ist eine Sammellinse 2.4 angeordnet, die bei beiden Ausgestaltungen der Fig. 3.1, 3.2 den Detektionsstrahl 2.3 parallelisiert . In Abweichung und Ergänzung von den Ausgestaltungen der Fig.

2.1, 2.2 tritt dieser anschließend, bevor er durch das Rohr 2.1 und die durch dieses fließende Flüssigkeit 8 hindurchtritt durch einen unter 45° zur Strahlrichtung angestellten teildurchlässigen Spiegel 2.11 hindurch. Der Detektions- strahl tritt bei der Ausgestaltung der Fig. 3.1 als Parallelstrahl durch das Rohr 2.1 und durch dieses schäumende Flüssigkeit 8 hindurch und trifft anschließend auf das De- tektorarray 2.5.

Bei der Ausgestaltung der Fig. 3.2 wird der Detektionsstrahl 2.3 nach Hindurchtreten durch den teildurchlässigen Spiegel 2.11 mittels der Sammellinse 2.6 in das Innere des Rohres 2.1 und damit das Innere der dieses durchströmenden Flüssigkeit 8 fokussiert und trifft als divergenter Strahl auf das Detektorarray 2.5. Frequenz und Leistung des Detektionsstrahls sind so gewählt, dass dieser keine wesentliche Erwärmung der Flüssigkeit 8 bewirkt.

Hierzu ist eine zweite Strahlungs- oder Lichtquelle 2.8 vorgesehen, die einen Erwärmungsstrahl 2.10 aussendet. Dieser tritt zunächst durch eine Sammelliste 2.9 und wird durch diese ähnlich wie der Strahl 2.3 durch die Sammellinse 2.4 parallelisiert . Er trifft dann auf die dem Rohr 2.1 zugewandte Seite des teildurchlässigen Spiegels 2.11, wird an diesem gespiegelt und damit um 90° abgelenkt, so dass nach Spiegelung seine optische Achse mit der des Detektionsstrahls 2.3 übereinstimmt. Der Erwärmungsstrahl 2.10 tritt bei der Ausgestaltung der Fig. 3.2 ebenfalls durch die Sammellinse 2.6 und wird im Inneren der Flüssigkeit 8 fokussiert, während er bei der Ausgestaltung der Fig. 3.1 in diese als Parallelstrahl eintritt.

Während zur Vereinfachung in den Fig. 3.1 und 3.2 die Strahlen 2.3 und 2.10 nach Spiegelung mit übereinstimmender Querschnittsabmessung und Strahlenführung dargestellt sind, können diese abweichen, wie in Fig. 4 dargestellt und im Folgenden beschrieben.

Darüber hinaus ist es auch möglich ggf. den Detektions- strahl als Parallelstrahl durch die Flüssigkeit hindurchtreten zu lassen, den Erwärmungsstrahl 2.10 aber ins Innere derselben zu fokussieren oder umgekehrt, d.h. den Erwärmungsstrahl als Parallelstrahl durch die Flüssigkeit hin- durchtreten zu lassen und den Detektionsstrahl ins Innere oder in einer weiteren in den Fig. 2.3 bis 2.6 dargestellten Weise zu fokussieren. Hierbei ist dann ggf. der teildurchlässige Spiegel 2.11 hinter der Sammellinse 2.6 ange¬

ll ordnet und diese je nach gewünschter Strahlfokussierung entweder im Strahlengang des Detektionsstrahl 2.3 oder des Strahlengangs des Erwärmungsstrahls 2.10. Darüber hinaus sind weiterhin die Ausgestaltungen der Fig. 2.3, 2.5 bis 2.7, d.h. eine Zerstreuungslinse 2.7 für den Detektionsstrahl nach Durchtritt desselben durch das Rohr 2.1 und die Flüssigkeit 8 bei der Ausgestaltung 2 verschiedenen Strahlungsquellen für Detektionsstrahl 2.3 und Erwärmungsstrahl 2.8 möglich.

Die Ausgestaltung der Fig. 4 sieht zwei Strahlen und zwar neben dem Messstrahl 2.3 einen separaten Heizstrahl 2.3.1 vor. Wesentlich ist, dass letzterer einen Durchmesser aufweist, der nicht größer als der des Messstrahles 2.3, also gleich oder kleiner ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind Messstrahl 2.3 und Heizstrahl 2.3.1 koaxial geführt. Sie können von unterschiedlichen Lichtquellen oder aber von einer Lichtquelle stammen und in der entsprechenden Weise auf den dargestellten optischen Pfad eingefädelt sein.

Bei dem Laser 2.2 handelt es sich um einen modulierten oder gepulsten Laser, so dass der Laserstrahl ein modulierter oder gepulster Laserstrahl 2.3 ist.

Durch das Vorsehen eines Detektor-Arrays 2.5 mit mehreren Einzeldetektoren, wobei das Detektor-Array 2.5 ein lineares oder ein flächiges Detektor-Array sein kann, wird nicht lediglich die lokale Ablenkung des Laserstrahls durch die Linse festgestellt, sondern hierdurch können durch die mehreren Einzeldetektoren die globalen Eigenschaften der durch die Erwärmung gebildeten thermischen Linse bestimmt werden. Es werden mehrere Messungen über die Zeit - innerhalb eines Laserpulses - vorgenommen, so dass das Zeitverhalten der Entwicklung der thermischen Linse erfasst werden kann, welches wesentlich durch die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmt wird. Zur genaueren Bestimmung des Strömungsverhaltens werden mittels der Auswerteeinrichtung 4 statistische Auswertungen der empfangenen Signale vorgenommen, insbesondere die Bestimmung des ersten Moments als Mittelwert, des zweiten Moments als Varianz, des dritten Moments als statistische Schiefe sowie des vierten Moments als Kurtosis oder Wölbung.

Durch die Einstrahlung von Lichtenergie, insbesondere Laserenergie in die Flüssigkeit 8 erfolgt eine lokale Erhöhung der Temperatur, die in direkter Beziehung zur Laserin- tensität steht und zu einer nicht gleichmäßigen Verteilung der Temperatur in der Flüssigkeit führt. Hierdurch wird der Effekt einer thermischen Linse induziert, welche den Lichtstrahl beeinflusst und damit das von der Detektoranordnung aufgenommene Intensitäts- oder Leistungsprofil modifiziert. Durch die Strömung der Flüssigkeit ändert sich die Ternpera- turverteilung und demgemäß auch das Profil der empfangenen Lichtleistung. Diese Änderung in Verbindung mit der Lasersteuerung wird genutzt, um Strömungseigenschaften der strömenden Flüssigkeit zu bestimmen.

Bei nicht strömender Flüssigkeit ist das Intensitäts- oder Leistungsprofil der empfangenen Strahlung symmetrisch und der Effekt der thermischen Linse besteht in einer Reduzierung .der Breite des Intensitätsprofils (wobei allerdings auch in Abhängigkeit von der physikalischen Konfiguration des Systems und der Laserfokussierung eine Verbreiterung des Laserstrahls erfolgen kann) . Wenn die Flüssigkeit strömt, ist das Temperaturprofil nicht mehr symmetrisch. Hieraus ergibt sich, dass, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, die Intensitätsverteilung des Lasers von der Position bei ruhender Flüssigkeit abweicht und nicht symmetrisch wird. Diese Abweichungen werden erfindungsgemäß zur Bestimmung von Charakteristika oder Eigenschaften der Flüssigkeitsströmung, wie Durchflussrate oder Volumenstrom herangezogen, wobei Fließgeschwindigkeit und Durchflussrate über den Durchmesser des Rohrs direkt miteinander in Verbindung stehen.

Bei Pulsmodulation des Lasers werden während eines Pulses Messungen vorgenommen und die empfangenen Signale verarbeitet. Dauer und Frequenz der Pulse werden vorzugsweise an Zeitkonstanten des Systems angepasst. Diese Konstanten hän- gen von der physikalischen Konfiguration des Systems, wie Abstand zwischen den Teilen, von der Fokussierung des Laserstrahls und dem Bereich der zu bestimmenden Flussrate ab. Da die Temperatur sich erhöht, wenn der Laser eingeschaltet ist, ändert sich das empfangene Leistungs- oder Intensitätsprofil des Laserstrahls mit der Zeit. Diese Änderung ist von der Geschwindigkeit des Fluids im System und damit der Durchflussrate abhängig. Es wurde festgestellt, dass die Änderung der mittleren Position oder des Positions-Mittelwerts der Laserintensitätverteilung und deren Breite (Standardabweichung) in Beziehung zur Strömungsgeschwindigkeit stehen. Demgemäß können aufgrund der durch die einzelnen in Strömungsrichtung aufeinander folgenden Detektorelemente des Detektor-Arrays empfangenen Lichtintensität in üblicher Weise (örtlicher) Mittelwert und Stan- dardabweichung der empfangenen Lichtintensität bestimmt werden. Wie den Fig. 6.1 und 6.2 zu entnehmen ist, zeigen diese einen exponentiellen Zerfall und ähnliches Zeitverhalten. Momente höherer Ordner, wie Schiefe und Kurtosis können ebenfalls bestimmt werden und stehen ebenfalls in Beziehung zur Durchflussrate. Derartige Werte bilden ein Beispiel für eine Projektion erhaltener Daten auf einen Daten-Unterraum, wodurch unterschiedliche Beiträge in Signalen separiert werden können und die Bestimmung der Durchflussrate so derart verbessert werden kann.

Wie die Zeichnungen zeigen, kann der Mittelwert beispielsweise durch ein Modell in der Form μ(t) = α₀ + α-e ^"t/τ oder auch μ(t) = γ + ∑ßitanh(αit) angenähert werden, wobei das letztere Modell eine bessere Konvergenz aufweisen und die Empfindlichkeit hinsichtlich der Anfangsbedingungen gegenüber dem exponentiellen Modell reduziert ist.

Die Parameter in den Modellformeln sind an die Durchflussraten anzupassen, wobei neben linearen auch nicht lineare Modelle herangezogen werden können.

Der für eine gepulste Anregung des Lasers entwickelte Algorithmus legt eine exponentielle Antwort des Systems nahe. In der Filtertheorie entspricht eine solche Antwort einem auto-regressiven Modell erster Ordnung. Es wurde festgestellt, dass die Zeitkonstante des exponentiellen Modells, welche die Entwicklung der Mittelwert-Position darstellt, in enger Beziehung zur Durchflussrate steht. Unter der Annahme, dass sich das System wie ein auto-regressiver Filter erster Ordnung verhält, wird die Phase der Antwort mit der Durchflussrate variieren. Wird daher die Ausgangslaserleistung mit einer Kosinusfunktion geändert und die Phasenverschiebung zwischen der empfangenen mittleren Laser- leistungs-Position (oder Momente höherer Ordnung) und dem modulierten Ausgangssignal bestimmt, so kann auch hierdurch die Durchflussrate gewonnen werden. Wird der Durchfluss durch eine Pumpe gepumpten Flüssigkeit bestimmt und liegt die Pumpfrequenz nahe der Modulationsfrequenz, so können Probleme auftreten. Diese können dadurch überwunden werden, dass der Laser mit zwei unterschiedlichen Frequenzen moduliert wird und die Durchflussrate aus beiden bestimmt wird, wobei das empfangene Signal um jede Frequenz herum gefil- tert wird. Eine andere Lösung kann darin bestehen, die störenden Wechselwirkungen zu detektieren und die Modulationsfrequenz zu ändern. Weiterhin können durch eine Hauptkompo- nentenanalyse (Principle Component Analysis - PCA) die verschiedenen Moden der Schwingungen im Sensor getrennt wer- den.

Die Änderung der Phasenverschiebung mit der Geschwindigkeit ist in der Fig. 7 dargestellt.

Es ist vorteilhaft, mehrere Modulationsfrequenzen zur Modulation des Lasers einzusetzen, wodurch der zu überwachende Bereich der Durchflussraten vergrößert werden kann. Beispielsweise ist die Auflösung bei geringen Durchflussraten von typischerweise 0 bis β Milliliter pro Minute (bei einem Rohrinnendurchmesser von 4mm) bei einer niedrigen Modulationsfrequenz von beispielsweise 10 Hz besser, während mit einer höheren Modulationsfrequenz von beispielsweise 80 Hz der Messbereich auf bis zu 25 Milliliter pro Minute erweitert werden kann.

Während bei einem gepulsten Laser die zeitliche Information der empfangenen Signale zur Bestimmung der Durchflussrate herangezogen werden, werden bei Modulation der Ausgangsin- tensität des Lasers sowohl die zeitliche als auch die Frequenzantwort bei ausgewählten Frequenzen herangezogen. Um den gesamten Zeit-Frequenz-Bereich zu nutzen, kann sto- chastisch das Rauschen zur Steuerung des Lasers herangezogen werden (beispielsweise weißes Rauschen, gegebenenfalls gefiltert) . Hierdurch kann ein weiterer Frequenzbereich abgedeckt werden. Durch Bestimmung der Antwort des Systems und damit der Übertragungsfunktion kann eine Beziehung zwischen dieser und der Durchflussrate hergestellt werden.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 optische Anordnung

2. 1 Rohr

2. 1.1 Wandungen

2. 2 Laser

2. 3 optischer Strahl

2. 3.1 Heizstrahl

2. 4 Linse

2. 5 Detektor-Array

2. 6 Linse

2. 7 Linse

2. 8 Strahlungs- oder Lichtquelle

2. 9 Sammelliste

2. 10 Erwärmungsstrahl

2. 11 Spiegel

3 Laserelektronik

3. 1 Modulator

3. 2 Lasertreiber

4 Verstärkeranordnung

4. 1 Verstärker

5 Auswerteeinrichtung

5. 1 Analogdigitalwandler

5. 2 Digitalprozessor

25 6 Schnittstellenanordnung

7 Spannungs Versorgung

8 Flüssigkeit

9.1, 9.2 Steuerleitungen

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Bestimmen des Durchflusses einer Flüssigkeit,

- wobei die Flüssigkeit mittels eines optischen- Erwärmungsstrahls erwärmt wird,

- der Erwärmungsort von einem optischen Detektions- Strahl durchstrahlt wird,

— wobei die optischen Achsen von Erwärmungs- und Detektions-Strahl zumindest am Erwärmungsort übereinstimmen, und

- der Detektions-Strahl mittels eines Detektor-Arrays aufgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwärmungs- und der Detektor-Strahl von der glei- chen Strahlungs-Quelle ausgestrahlt werden.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwärmungs- und der Detektor-Strahl von verschiedenen Strahlungs-Quellen ausgestrahlt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektions-Strahl einen größeren mittleren Durchmesser als der Erwärmungs-Strahl hat.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der optische Strahl oder die

Laserstrahlen auf einen Bereich im Inneren der Flüssigkeit fokussiert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass der oder die die Flüssigkeit durchtretenden Strahlen Parallelstrahlen sind.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Strahlen modu- lierte optische Strahlen sind.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Detektor-Array mehrere zeitlich aufeinander folgende Messungen durch- geführt werden.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere zeitlich aufeinander folgende Messungen während eines Lichtpulses durchgeführt wer- den, wodurch der zeitliche Verlauf des refraktiven Indexes des Erwärmungsbereichs in der Flüssigkeit bestimmt wird.

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10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion mittels eines linearen Detektor-Arrays erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion mittels eines flächigen (zweidimensionalen) Detektor-Arrays erfolgt.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der Durchfluss aus einem empfangenen Profil des optischen Strahls bestimmt wird.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Bestimmung des Abfalls statistischer Momente bestimmt wird.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statistische Momente der empfangenen Signale bestimmt werden, wie Mittelwert, Varianz, Schiefe und/oder Kurtosis.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung des Mittelwerts der Position des optischen Strahls als Maß für den Durchfluss bestimmt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifizierung der Varianz des opti- sehen Strahls mit dem Durchfluss bestimmt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Strahl intensitätsmo-

20 duliert wird und die Phasenverschiebung der Modulation und der Messung bestimmt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Strahl mit mehreren Frequenzen moduliert wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Strahl stochastisch modu- liert wird.

20. Vorrichtung zum Bestimmen des Durchflusses einer Flüssigkeit mit einem die Flüssigkeit (8) führenden Rohr (2.1) mit einer für eine Messstrahlung (2.3) zumindest teilweise transparenten Wandung (2.1.1), einer Einrichtung zum Erwärmen zumindest eines Bereichs im Inneren der Flüssigkeit (8), einem Laser (2.2) zur Erzeugung einer Messstrahlung und einem Detektor-Array (2.5) zum Empfangen der Messstrahlung sowie einer elektronischen Auswerteeinrichtung (5) , dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erwärmung eines abgegrenzten inneren Bereichs der Flüssigkeit (8) und eine den Strahl (2.3) des Laser (2.2) führende optische Anordnung (2.4, 2.6) derart angeordnet sind, dass ein Messstrahl (2.3) den erwärmten Bereich am absoluten Ort seiner Erwärmung durchstrahlt .

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erwärmung der strömenden Flüs- sigkeit ein Laser (2.2) ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der den Messstrahl (2.3) erzeugende La-

21 ser (2.2) die Einrichtung zur Erwärmung der Flüssigkeit ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (2.4, 2.6) derart ist, dass der optische Strahl (2.3) nicht-aufgespalten durch die Flüssigkeit (8) gerichtet wird.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, gekenn- zeichnet durch eine Fokussierlinse (2.6) zum Fokussieren des Laserstrahls ins Innere der Flüssigkeitsströmung ( 8 ) .

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, gekenn- zeichnet durch eine Linse (2.4) zur Parallelisierung und zum Durchstrahlen der Flüssigkeit (8) mittels eines Parallelstrahls .

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Laser (2.2) modulierte Laser sind.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung mehrerer zeitlich aufeinander folgender Messungen ausgebildet ist.

28. Vorrichtung nach den Ansprüchen 26 und 27, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung mehrerer auf- einander folgender Messungen während eines Laserpulses ausgebildet ist.

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29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektor-Array (2.5) ein lineares Detektor-Array ist.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektor-Array (2.5) flä- chig/zwei-dimensional ist.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung zur Bestimmung statistischer Momente der empfangenen Signale, wie Mittelwert, Varianz, statistische Schiefe und/oder Kurtosis ausgebildet ist.

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