WO2011138437A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der strömungsgeschwindigkeit mittels eines plasmas - Google Patents

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Bernd Pfingsten
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Definitions

  • the other measuring methods must either contain particles in the air or the air flow is influenced or even disturbed by introduced measuring probes, which can lead to measured value distortions.
  • the object with respect to the method is achieved in that by means of at least one focused laser beam in the beam focus, a plasma is formed in the fluid and occurring in the plasma formation acoustic and / or optical effects are detected and from this the flow velocity is determined.
  • the laser-generated plasma represents a practically ideal point source for sound or radiation emission.
  • the flow is in no way affected or disturbed, since it is not necessary to introduce any objects in the flowing medium. Due to the short time characteristic of the plasma generated by a short pulse laser, which in the case of air a typical
  • Life span in the range of some 10 ns, are very accurate measurements, especially time measurements in the sound propagation enabled.
  • the invention enables a measurement accuracy of better than one per thousand.
  • a short-pulse laser beam is irradiated by means of a focusing lens in a measuring space in which the fluid to be measured flows.
  • the focal point of the focused laser beam is set up at a sufficiently great distance from the edge of the measuring space, so that a
  • Suitable laser radiation may preferably be provided by means of a miniaturized pulsed solid-state laser, which preferably has a pulse power in the range of several megawatts.
  • each supersonic speed range may be assigned a particular set of detectors, thereby enabling speed determination.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides, insbesondere von Luft, unter Verwendung von Laserstrahlen (14), wobei mittels mindestens eines im Fluidstrom fokussierten Laserstrahlimpulses (14) im Strahlenfokus (18) ein Plasma gebildet wird und die bei der Plasmabildung auftretenden akustischen (26) und/oder optischen (42) Effekte erfasst werden und daraus die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides bestimmt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit mittels eines Plasmas
VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen
Patentanmeldung Nr. 10 2010 019 811.0, eingereicht am 6. Mai 2010, deren Inhalt hierin durch Referenz inkorporiert wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der
Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden, insbesondere von Gasen und eine
Verwendung einer derartigen Vorrichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In der Strömungsmesstechnik werden für die Bestimmung der
Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden allgemein und insbesondere von Gasen wie Luft, unterschiedliche Messverfahren eingesetzt. Ein besonders einfaches Messgerät stellt dabei das Flügelrad-Anemometer dar. Weit verbreitet sind auch sogenannte thermische Strömungssensoren wie das Heißfilm-Anemometer oder onstant- Temperatur- Anemometer.
Aufwendigere Verfahren nutzen Laserstrahlen, wie z.B. bei der sogenannten „Particle Image Velocimetry". Dabei werden die Geschwindigkeit und die Richtung von mitgeführten Partikeln mittels der rückbestreuten Laserstrahlung bestimmt. Die Strömung wird dazu in einer Ebene kurzzeitig belichtet. Aus dem Vergleich zweier Aufnahmen kann die Verschiebung der einzelnen Partikel festgestellt werden, wobei diese Information dann für die Berechnung der Geschwindigkeitsfelder verwendbar ist.
Auch bei der sogenannten Laser-Doppler-Anemometrie wird die Streuung der Laserstrahlung durch die in der Luftströmung vorhandenen Partikel zur Messung der Luftgeschwindigkeit verwendet. Besonders aufwendige Messtechniken stellen sog. Lidar- Verfahren dar, die zur Turbulenzmessung entwickelt wurden. Hierbei wird die an Aerosolen oder
Molekülen durch Streuung zurückgestreute Kurzpuls-Laserstrahlung detektiert.
Ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet der Strömungsmesstechnik ist die Geschwindigkeitsmessung bei Flugzeugen, wo bisher hauptsächlich das sogenannte Pitot-Messprinzip eingesetzt wird, bei dem ein Pitot-Rohr im Luftstrom angeordnet ist. Aufgrund dieses Messprinzips in Verbindung mit der exponierten Lage des Pitot- Rohrs abstehend von der Außenwand eines Flugzeuges ist dieses allerdings anfällig für Schmutz, Insekten, Wasser und Vereisung, was zur Messfehlern bzw. auch zum totalen Ausfall der Geschwindigkeitsmessung führen kann. Auf derartige Fehler bzw. Ausfälle sind nachweislich bereits mehrere größere Flugzeugabstürze
zurückzuführen.
Pitot-Rohre kommen auch bei schnellfahrenden Kraftfahrzeugen zum Einsatz, wenn ein Geschwindigkeitsmesswert benötigt wird, der von der Reifendrehzahl
unabhängig ist.
Abgesehen von der sehr aufwendigen Messtechnik eines direkt detektierenden Lidar- Systems müssen bei den anderen Messverfahren entweder Partikel in der Luft vorhanden sein oder die Luftströmung wird durch eingebrachte Messsonden in irgendeiner Weise beeinflusst oder sogar gestört, was zu Messwertverfälschungen führen kann.
ZUSAMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit einem geringen baulichen Aufwand und einer geringen Störungsanfälligkeit die
Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides, insbesondere einer Luftströmung, genau zu bestimmen, ohne dass es erforderlich ist, dass in der Strömung Partikel vorhanden sind oder dass eine die Strömung störende Messsonde eingebracht werden muss.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, dass mittels mindestens eines fokussierten Laserstrahls im Strahlenfokus ein Plasma im Fluid gebildet wird und die bei der Plasmabildung auftretenden akustischen und/oder optischen Effekte erfasst werden und daraus die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Messung der
Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides, umfassend mindestens einen Impulslaser hoher Impulsleistung mit einer Fokussiereinrichtung zur Erzeugung eines
Strahlenfokus im Fluid sowie eines Plasmas im Strahlenfokus, ferner umfassend mindestens eine Detektoreinrichtung zur Erfassung von bei der Plasmabildung auftretenden akustischen und/oder optischen Effekte, sowie eine Kontrolleinheit zur Ansteuerung des Impulslasers sowie zur Erfassung und Analyse der Signale der mindestens einen Detektoreinrichtung sowie zur Bestimmung der
Strömungsgeschwindigkeit aus den erfassten Signalen.
Durch die Erzeugung mindestens eines fokussierten Laserstrahlimpulses können im Fokuspunkt Intensitäten von einigen zehn Gigawatt/cm erzeugt werden. Dies hat zur Folge, dass im Fluid im unmittelbaren Nahbereich des Fokuspunktes ein Plasma entsteht, welches sich nun direkt im strömenden Fluid befindet, d.h. dass es Teil des Fluides und akustisch wie optisch leicht detektierbar ist. Die Einwirkung des strömenden Fluides auf das Plasma bzw. auf Wechselwirkung des Plasmas mit dem Fluid gestattet es nun, mittels des Plasmas die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides relativ zum Detektor zu messen.
Das Laser-generierte Plasma repräsentiert eine praktisch ideale Punktquelle für Schall- oder Strahlungsemission. Die Strömung wird dabei in keiner Weise beeinflusst oder gestört, da es nicht erforderlich ist, irgendwelche Objekte in das strömende Medium einzubringen. Durch die kurze Zeitcharakteristik des durch einen Kurzpulslaser erzeugten Plasmas, welches im Falle von Luft eine typische
Lebensdauer im Bereich von einigen 10 ns hat, werden sehr genaue Messungen, insbesondere Zeitmessungen bei der Schallausbreitung, ermöglicht. Die Erfindung ermöglicht eine Messgenauigkeit von besser als einem Promille.
Zur Erzeugung des Laserimpulses wird ein Kurzpuls-Laserstrahl mittels einer Fokussierlinse in einen Messraum eingestrahlt, in dem das zu messende Fluid strömt. Der Fokuspunkt des fokussierten Laserstrahles wird dabei in einer hinreichend großen Entfernung vom Rand des Messraumes eingerichtet, so dass eine
Beeinflussung des strömenden Fluides durch Randeffekte weitgehend oder ganz vermieden werden kann. Geeignete Laserstrahlung kann vorzugsweise mittels eines miniaturisierten gepulsten Festkörperlasers bereit gestellt werden, der vorzugsweise eine Pulsleistung im Bereich von mehreren Megawatt aufweist. Solche
Pulsleistungen ergeben sich bei einem Laser mit einer Pulslänge im Bereich von wenigen Nanosekunden und Pulsenergien von mehreren Millijoule. Wird ein solcher Laserstrahl fokussiert, so lassen sich die eingangs erwähnten Intensitäten im Bereich von einigen zehn Gigawatt/cm2 im Fokus erzielen, wodurch im Fokuspunkt das Plasma entsteht. Das Plasma erzeugt einen Schallimpuls und generiert somit eine ideale punktförmige Schallquelle.. Die Erfindung ermöglicht also eine
Geschwindigkeitsmessung unabhängig vom Vorhandensein irgendwelcher Partikel und eignet sich insbesondere zur Geschwindigkeitsmessung von strömender Luft.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Laserpuls bzw. der Plasmapuls als Startimpuls verwendet, und der Stopimpuls wird von einem Schallsensor, z. B. einem Mikrofon, bereitgestellt, welches eine möglichst hohe Grenzfrequenz im Bereich von mindestens 20 kHz aufweist. Der Stopimpuls kann dabei mit einer Genauigkeit von besser als 1 μ8 definiert werden. Mittels eines Zeitmesssystems lässt sich somit die Laufzeit der akustischen Wellenfront vom Ausgangsort Plasma bis zum
Schalldetektor sehr genau bestimmen. Aufgrund des sogenannten Mitnahmeeffektes (d. h. Addition der Vektoren der Schallgeschwindigkeit und der
Strömungsgeschwindigkeit) bei der Schallausbreitung in einem mit einer bestimmten Geschwindigkeit strömenden gasförmigen oder flüssigen Medium kann auf diese Weise die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums gemessen werden. Wird beispielsweise der Schalldetektor im Falle von Luft, in Strömungsrichtung betrachtet, vor dem Plasma seitlich angeordnet, und beträgt der Abstand zwischen der Plasma- Schallquelle und dem Detektor beispielsweise etwa 0,5m, so beträgt die Laufzeit des Schallimpulses mehrere Millisekunden schon bei relativ geringen
Strömungsgeschwindigkeiten von weniger als 0,2 Mach. Das Verfahren ist geeignet, sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten bis in den Bereich der
Schallgeschwindigkeit mit einer großen Genauigkeit zu messen. Die Erfindung eignet sich also vor allem zur Geschwindigkeitsmessung in Gasen, vor allem Luft. Eine besonders bevorzugte Anwendung ist die
Geschwindigkeitsmessung von Luftfahrzeugen zum Ersatz der bisher verwendeten mit Pitot-Messröhren ausgestatteten Geschwindigkeitsmessern.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der bei der
Plasmabildung entstehende Schallimpuls erfasst und aus dem Zeitraum zwischen Laserimpuls und erfasstem Schallimpuls die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides bestimmt. Mithin wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit des bei der Plasmabildung entstehenden kräftigen akustischen Impulses gemessen, indem der kurze Laserimpuls mit einer Genauigkeit von weniger als 1 ns den Startimpuls gibt und ein an einer geeigneten Stelle am Rand des Messraumes angebrachter Schalldetektor,
insbesondere ein Mikrofon oder Drucksensor, den ankommenden Schallimpuls aufnimmt. Die Zeit zwischen dem Startimpuls und dem gemessenen Schallimpuls, der am Mikrofon aufgenommen wird, ist ein Maß für die
Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des akustischen Impulses ist nun von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluides abhängig und somit lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit aus den vorgegebenen festen Entfernungen (vom Fokuspunkt bis zum Mikrofon) und der gemessenen Zeitdifferenz bestimmen. Dabei ist es von Vorteil, dass die Schallgeschwindigkeit nicht vom Luftdruck und auch nicht von der Luftfeuchte abhängt, so dass das Messverfahren auch in großen Höhen und in Wolken bei der Anwendung als Geschwindigkeitsmessgerät eines Luftfahrzeugs anwendbar ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Schallimpuls an mehreren stromab des Strahlfokus angeordneten Erfassungspunkten erfasst und daraus die Strömungsgeschwindigkeit im Überschallbereich bestimmt. In diesem Falle, im Überschallbereich, bildet sich der sog. Machsche Kegel aus, wobei für den Öffnungswinkel des Kegels die Beziehung gilt: sin = c/v, mit der
Schallgeschwindigkeit c und der Strömungsgeschwindigkeit v. Dabei verringert sich der Öffnungswinkel des Machschen Kegels, wenn die Strömungsgeschwindigkeit größer wird. Bei kleineren Strömungsgeschwindigkeiten, d. h. größeren
Öffnungs winkeln des Kegels, trifft der Kegelmantel auf diejenigen Schalldetektoren, welche am nächsten zum Fokuspunkt (dem Plasma) angeordnet sind. Je größer die Strömungsgeschwindigkeit ist, desto kleiner wird der Öffnungswinkel, und der Kegelmantel trifft auf die Schalldetektoren, welche weiter stromab angeordnet sind. Die weiter stromauf angeordneten Detektoren erhalten dann kein Signal. Somit kann, entsprechend der Anzahl und dem Abstand der Schalldetektoren, jedem Überschall- Geschwindigkeitsbereich ein bestimmter Satz von Detektoren zugeordnet werden, wodurch die Geschwindigkeitsbestimmung ermöglicht wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform wird die
Temperatur des Fluides gemessen und die Strömungsgeschwindigkeit unter
Berücksichtigung der Fluidtemperatur bestimmt, da die Schallgeschwindigkeit von der Temperatur des Fluides abhängig ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausfuhrungsform sieht vor, dass der bei der Plasmabildung entstehende Schallimpuls an zwei in Strömungsrichtung voneinander beabstandeten Stellen erfasst wird und aufgrund der gemessenen
Laufzeitunterschiede die Strömungsgeschwindigkeit im Unterschallbereich bestimmt wird. Besonders bevorzugt ist es, wenn die beiden Mikrophone im gleichen Abstand stromauf- bzw. stromabwärts vom Laserfokus installiert sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass der bei der Plasmabildung entstehende Schallimpuls erfasst und einer akustischen
Frequenzanalyse unterzogen wird und aus der Frequenzverschiebung aufgrund des Dopplereffektes die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird. Dazu wird wiederum mit einem Messmikrofon der akustische Impuls erfasst und einem
Frequenzanalysator zugeführt. Aus der gemessenen Frequenzverschiebung lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit dann berechnen.
Um ein optimales Signal-zu-Rausch- Verhältnis zu erhalten, kann hierbei
vorteilhafterweise auch ein sogenanntes Lock-in- Verfahren angewandt werden, also eine phasenempfindliche Detektionsmethode, die im Fall von periodischen Signalen erhebliche Vorteile bringt. Dazu wird vorzugsweise für eine bestimmte Messzeit, beispielsweise 10 sek., eine Folge von Laserimpulsen mit einer
Pulswiederholungsrate im Bereich von 10 Hz bis 1.000 Hz erzeugt.
Eine alternative vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass der bei der Plasmabildung entstehende optische Impuls erfasst und einer Spektralanalyse unterzogen wird und aus der Frequenzverschiebung aufgrund des Dopplereffektes die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird. Dazu wird das optische Signal mittels eines in oder hinter der Wandung des Messraumes angebrachten optischen
Linsensystems erfasst und beispielsweise über eine optische Faser einem
Spektrometer zugeführt. Aufgrund der mittels diskreter Fouriertransformation bestimmten Frequenzverschiebung lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides bestimmen, denn beispielsweise bei einer Strömungsgeschwindigkeit (z.B. einer Fluggeschwindigkeit) von 360 km/h ergibt sich bei einer Laserwellenlänge von 1 μιη eine Frequenzverschiebung im Bereich von ca. einem GHz, was mit hoher Genauigkeit erfasst werden kann.
Es sei ausdrücklich betont, dass gemäß Weiterbildungen des Erfindungsgedankens mehrere der oben beschriebenen Messprinzipien gekoppelt werden können, um die Messgenauigkeit oder die Betriebssicherheit zu erhöhen. So kann beispielsweise sowohl der bei der Plasmabildung entstehende Schallimpuls als auch der optische Impuls gemessen werden.
Auch ist es möglich, mehrere der einzelnen Ausbildungen aufgrund des gleichen physikalischen Prinzips zu kombinieren. So kann eine Geschwindigkeitsdetektion aufgrund der Laufzeitdifferenz zwischen dem erzeugten Impuls und einer Messstelle gekoppelt werden mit dem Bestimmungsprinzip aufgrund der Laufzeitdifferenz zwischen zwei akustischen Sensoren. Oder die Anordnung zur akustischen Erfassung des Plasmaimpulses im Unterschallbereich wird mit dem System für den
Überschallbereich kombiniert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung umfasst eine
Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides mindestens einen Impulslaser hoher Impulsleistung mit einer Fokussiereinrichtung zur Erzeugung eines Strahlenfokus im Fluid sowie eines Plasmas im Strahlenfokus, ferner mindestens eine Detektoreinrichtung zur Erfassung von bei der Plasmabildung auftretenden akustischen und/oder optischen Effekte, sowie eine Kontrolleinheit zur Ansteuerung des Impulslasers sowie zur Erfassung und Analyse der Signale der mindestens einen Detektoreinrichtung sowie zur Bestimmung der
Strömungsgeschwindigkeit aus den erfassten Signalen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Gleiche
Bezugszeichen in verschiedenen Darstellungen bezeichnen dabei gleiche Bauteile. Dabei zeigt:
Figur 1 : eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der
Erfindung zur Geschwindigkeitsmessung in einem Gas mit akustischen Detektoren für den Unterschallbereich;
Figur 2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung zur Geschwindigkeitsmessung in einem Gas mit akustischen Detektoren für den Überschallbereich;
Figur 3 : eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der
Erfindung zur Geschwindigkeitsmessung in einem Gas mit einem optischen Detektor;
Figur 4: ein Diagramm, das eine Frequenzverschiebung bei einer akustischen
Messung darstellt, und
Figur 5 : ein Diagramm, das diskrete Fouriertransformationen zweier
akustischer Spektren darstellt. DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die in Figur 1 dargestellte erste Ausführung der Erfindung 10a umfasst einen Kurzpulslaser 12, der vorzugsweise als Festkörperlaser 12, besonders bevorzugt als Nd:YAG-Laser ausgebildet ist, dessen Laserstrahl 14 in einen Gas-durchströmten Messraum 15 gerichtet ist und mittels einer im Bereich der Messraumwandung 16 angeordneten Fokussierlinse 17 in einem Strahlenfokus 18 gebündelt ist. Bei Verwendung einer Laserwellenlänge von ca. 1064 nm ist es aufgrund der starken Fokussierung möglich, bereits ca. 2m hinter dem Plasma Lasersicherheit zu erreichen. Alternativ kann bei Verwendung einer Wellenlänge im sog. augensicheren Bereich, insbesondere bei ca. 1500 nm eine um 6 Größenordnungen stärkere
Strahlung verwendet werden bzw. es lässt sich praktisch im Nahbereich des Plasmas Lasersicherheit erreichen.
Der Strahlenfokus 18 liegt dabei ausreichend entfernt von der Messraumwandung 16, um Randeffekte zu vermeiden. Der Messraum 15 wird in der mit 20 bezeichneten Richtung von einem Gas durchströmt. Das Gas, dessen Geschwindigkeit gemessen wird, ist vorzugsweise Luft.
Der Kurzpulslaser 12 hat bevorzugt eine Pulsleistung im Bereich von 1 bis 10 MW mit einer Pulslänge im Bereich von 1 bis 10 ns, so dass im Strahlenfokus 18 eine Intensität im Bereich von 10 bis 100 GW/cm2 entsteht. Dadurch bildet sich in Folge eines Laserimpulses in der unmittelbaren Umgebung des Strahlenfokus 18 ein Plasma im Messraum 15 aus. Das Plasma generiert eine punktförmige Schallquelle. Ein akustischer Detektor 22, vorzugsweise ein Drucksensor oder Messmikrofon, erfasst den ankommenden Schallimpuls 26 und leitet diesen einer Kontrolleinheit 28 zu.
Am Kurzpulslaser 12 ist ferner eine Fotodiode 30 angebracht, welche den
Laserimpuls 14 detektiert und das Signal ebenfalls der Kontrolleinheit 28 zuführt. Alternativ kann auch ein entsprechendes elektronisches Impulssignal direkt am Kurzpulslaser 12 abgegriffen werden. Die Kontrolleinheit 28 umfasst einen Zeit-zuAmplituden-Konverter (time-to-amplitude-converter) oder ein anderes Zeitmesssystem, an dessen Starteingang das Signal der Fotodiode 30 oder eines anderen elektronischen Impulssignals des Lasers an dessen Stoppeingang das Signal eines akustischen Detektors 22 anliegt, so dass die Zeit zwischen dem Start- und dem Stoppimpuls gemessen wird. Da die Entfernung zwischen dem Strahlfokus 18 und dem akustischen Detektor 22 definiert ist, kann aufgrund der gemessenen Zeitdifferenz die Strömungsgeschwindigkeit im Messraum 20 berechnet und ein entsprechendes Geschwindigkeitssignal 31 ausgegeben werden. Ferner ist vorzugsweise ein Temperatursensor 32 vorgesehen, dessen Signal ebenfalls der Kontrolleinheit 28 zugeführt wird und mittels dessen die Temperatur des Gases im Messraum 20 gemessen wird. Da die Schallgeschwindigkeit von der Temperatur des Gases abhängig ist, kann über die Temperaturmessung eine Korrektur der aus der Zeitdifferenz bestimmten Geschwindigkeit vorgenommen werden. Die
Schallgeschwindigkeit ist gemäß folgender Formel abhängig von der Temperatur: c = 331 ,5 * V(l + T/273,15)
Der akustische Detektor 22 ist vorzugsweise ein Drucksensor, um sehr kurze Signale im Mikrosekundenbereich erfassen zu können.
Ferner kann ein zweiter akustischer Detektor 24 vorgesehen sein, der in
Strömungsrichtung 20 gegenüber dem ersten akustischen Detektor 22 versetzt ist, so dass aus der Zeitdifferenz zwischen den Signalen der beiden Detektoren 22, 24 die Strömungsgeschwindigkeit des Gases ermittelbar ist. Sofern die beiden Detektoren 22, 24 in jeweils gleicher Entfernung stromauf bzw. stromab des Fokuspunktes 18 angeordnet sind, besteht bei stehendem Gas (keine Strömungsgeschwindigkeit) kein Laufzeitunterschied zwischen des Signalen der beiden Detektoren 22, 24. Jede Strömung bewirkt also eine auswertbare Zeitdifferenz zwischen den Signalen beider Detektoren 22, 24.
Alternativ kann der akustische Detektor 22 (und/oder der Detektor 24) als Mikrofon ausgebildet sein, in welchem Fall die Kontrolleinheit 28 einen akustischen
Frequenzanalysator umfasst, um das Frequenzspektrum des Mikrofonsignals mittels einer diskreten Fouriertransformation zu erfassen, und daraus die Doppler- Frequenzverschiebung zu ermitteln. Aus der Frequenzverschiebung f läßt sich die Geschwindigkeit v mittels der Relation f = f0 * (l/ (l-v/c)) bestimmen (c ist die Schallgeschwindigkeit; f0 ist Frequenz bei Geschwindigkeit 0). In Figur 4 ist ein Beispiel dargestellt.
Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform 1 Ob, die sich von der
Ausführungsform gemäß Figur 1 dadurch unterscheidet, dass stromab des
Fokuspunktes 18 eine Reihe von akustischen oder druckempfindlichen Sensoren 34 angeordnet ist, die mit der Kontrolleinheit 28 verbunden sind. Dabei fließt die strömende Luft 20 von rechts nach links und trifft auf die punktförmige Plasma- Schallquelle im Fokuspunkt 18. Es bildet sich der Machsche Kegel aus, wobei für den Öffnungswinkel des Kegels die Beziehung gilt: sin α = c/v, mit der
Schallgeschwindigkeit c und der Strömungsgeschwindigkeit v. An der
Messraumwandung 16, welche parallel zur Strömungsrichtung 20 verläuft, sind strömungsabwärts, d. h. hinter der Plasma-Schallquelle 18, mehrere Schallsensoren 34 in einer Linie hintereinander angeordnet, welche so eingebaut sind, dass die Luftströmung nicht beeinflusst wird. Bei kleineren Überschall- Strömungsgeschwindigkeiten, d. h. größeren Öffnungswinkeln des Kegels, trifft der Kegelmantel 37 auf diejenigen Schalldetektoren, welche am weitesten rechts angeordnet sind. Je größer die Strömungsgeschwindigkeit ist, desto kleiner wird der Öffnungswinkel a, und der Kegelmantel 37 trifft auf die Schalldetektoren 34a, welche, in Strömungsrichtung gesehen, stromab, d. h. in der Abbildung weiter links, angeordnet sind. Die stromauf angeordneten Detektoren 34b erhalten dann kein Signal. Somit kann, entsprechend der Anzahl und dem Abstand der Schalldetektoren 34, jedem Überschall-Geschwindigkeitsbereich ein bestimmter Satz von Detektoren 34a zugeordnet werden, wodurch die Geschwindigkeitsbestimmung im
Überschallbereich ermöglicht wird. Die Ausführungsformen der beiden Figuren 1 und 2 bzw. die jeweiligen Anordnungen der Detektoren 22, 24, 34 können auch bevorzugt kombiniert werden, um eine Geschwindigkeitsmessung im Unter- und Überschallbereich zu erreichen. Figur 3 zeigt eine zweite alternative Ausführungsform 10c zur Signalerfassung mittels eines optischen Detektors 40, dessen Signal der Kontrolleinheit 28 zugeführt wird. Das im Fokuspunkt 18 gebildete Plasma sendet elektromagnetische Strahlung 42 unter anderem auf den optischen Detektor 40. In der Kontrolleinheit 28 erfolgt eine Analyse des optischen Signals. In einer Ausführungsform umfasst die
Kontrolleinheit 28 eine Wellenlängen-Messeinheit, die den Schwerpunkt des optischen Spektrums der erfassten Strahlung 42 bestimmt und mit dem gespeicherten Wert bei keinerlei Strömung des Gases misst. Da das Plasma vom Fokuspunkt 18 mit der Gasströmung mitgerissen wird, erfolgt demnach eine Relativbewegung des Plasmas in Strömungsrichtung 20 relativ zum optischen Detektor 40 so dass aufgrund des Dopplereffektes eine Frequenzverschiebung des Strahlungsspektrums gemessen wird. Ferner ist ein Temperatursensor 32 vorgesehen, dessen Signal ebenfalls der Kontrolleinheit 28 zugeführt wird und mittels dessen die Temperatur des Gases im Messraum 20 gemessen wird. Mittels der weiter oben genannten Formel wird die Schallgeschwindigkeit anhand der gemessenen Fluidtemperatur korrigiert.
Alternativ oder zusätzlich kann die Kontrolleinheit 28 eine Spektrometereinheit umfassen, wodurch die Wellenlängenverschiebung der Spektrallinien gegenüber dem strömungsfreien Zustand im Messraum 15 bestimmbar ist.
Es sei angemerkt, dass bei allen Fällen des Durchtritts von optischer Strahlung durch die Messraumwandung 16 entsprechende, nicht dargestellte optische Fenster vorgesehen sind, um die Fluidströmung im Messraum abzugrenzen vom Raum mit den Messapparaturen.
Figur 4 zeigt zwei Diagramme, wobei ein mittels diskreter Fouriertransformation erhaltenes akustisches Frequenzspektrum 50 bei Geschwindigkeit null gestrichelt und ein Frequenzspektrum 52 bei einer Strömungsgeschwindigkeit größer null dargestellt sind. Die Kurven enthalten ein Maximum sowie mehrere kleinere symmetrisch dazu angeordnete Seitenmaxima, die Artefakte sind und von sog.
„Aliasingeffekten" stammen. Das Frequenzspektrum 52 ist gegenüber dem
Frequenzspektrum 50 gespreizt in Richtung einer höheren Frequenz, die einer stromab (mittels des Detektors 22 in Figur 1 gemessenen) höheren
Strömungsgeschwindigkeit entspricht.
Figur 5 zeigt zwei Diagramme mittels diskreter Fouriertransformationen erhaltener Frequenzspektren 54, 56, wobei das gestrichelt dargestellte Frequenzspektrum 56 das Signal bei einer Strömungsgeschwindkeit größer null darstellt. Die
Strömungsgeschwindigkeit v läßt sich mittels der Gleichung v = c * (1- fo/f) bestimmen, wobei c die Schallgeschwindigkeit, f0 die Frequenz bei einer
Geschwindigkeit null und f die gemessene Frequenz sind.

Claims

ANSPRÜCHE
Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides, insbesondere eines Gases, unter Verwendung von Laserstrahlung (14), dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines im Fluidsstrom fokussierten Laserstrahlimpulses (14) im Strahlenfokus (18) ein Plasma gebildet wird und die bei der Plasmabildung auftretenden akustischen (26) und/oder optischen (42) Effekte erfasst werden und daraus die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Plasmabildung entstehende Schallimpuls (26) erfasst wird und aus dem Zeitraum zwischen Laserimpuls (14) und erfasstem Schallimpuls (26) die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallimpuls (26) an mehreren stromab des Strahlenfokus angeordneten Erfassungspunkten (34) erfasst wird und daraus die Strömungsgeschwindigkeit im
Überschallbereich bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Fluides gemessen (32) wird und die Strömungsgeschwindigkeit unter
Berücksichtigung der Fluidtemperatur bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Plasmabildung entstehende Schallimpuls (26) an zwei in Strömungsrichtung voneinander beabstandeten Stellen (22, 24) erfasst wird und aufgrund des gemessenen Laufzeitunterschiedes die Strömungsgeschwindigkeit im
Unterschallbereich bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der bei der
Plasmabildung entstehende Schallimpuls (26) erfasst und einer
Frequenzanalyse unterzogen wird und aus der Frequenzverschiebung aufgrund des Dopplereffektes die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folge von Laserstrahlimpulsen (14) erzeugt wird und die entstehenden Schallimpulse (26) einer Frequenz- und Phasenanalyse unterzogen werden aufgrund der die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der bei der
Plasmabildung entstehende optische Impuls (42) erfasst und einer
Spektralanalyse unterzogen wird und aus der Frequenzverschiebung aufgrund des Dopplereffektes die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der beanspruchten Erfassungsmethoden zeitgleich angewandt werden und aus den jeweils bestimmten Werte der Strömungsgeschwindigkeit eine Wert mit verbesserter Genauigkeit bestimmt wird.
10. Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides,
umfassend mindestens einen Impulslaser (12) mit einer Fokussiereinrichtung (17) zur Erzeugung eines Strahlenfokus (18) im Fluid sowie eines Plasmas im Strahlenfokus (18), ferner umfassend mindestens eine Detektoreinrichtung (22,
24„ 34, 40) zur Erfassung von bei der Plasmabildung auftretenden akustischen und/oder optischen Effekte, sowie eine Kontrolleinheit (28) zur Ansteuerung des Impulslasers (12) sowie zur Erfassung und Analyse der Signale der mindestens einen Detektoreinrichtung (22, 24„ 34, 40) sowie zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit aus den erfassten Signalen.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens einen Schalldetektor (22, 24, 34) umfasst. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in
Strömungsrichtung stromab des Fokuspunktes mehrere Schalldetektoren (34) hintereinander angeordnet sind, wobei auf der Grundlage des
stromaufwärtigsten ein Signal erfassenden Schalldetektors (34a) die
Strömungsgeschwindigkeit im Überschallbereich bestimmbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens einen Temperatursensor (32) umfasst.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens einen optischen Detektor (40) umfasst.
15. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14 zur
Geschwindigkeitsmessung eines Luftfahrzeugs oder eines Kraftfahrzeugs.
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