DD141073A1 - Laser-doppler-geschwindigkeitsmesser - Google Patents

Description

Laser - Doppler - Geschwindigkeitsmesser

An?#e ndungen© biet der Erfindung!

Die Erfindung betrifft einen Lae©r ~ Doppler ~ Geschwindigkeitsmesser zum Messen der Geschwindigkeit oder der Surfeulena in strömenden Medien, wobei die Bewegung kleinster Partikel, die in gasförmigen, flüssigen oder festes Medien mit der Strömung mitgeführt werden, an einer definierten Meßstelle (Meßvolumen) in einer odor mehreren Koordinaten« richtungen erfaßt

Charakteristik der bekannten technischen' Lösungen

Bekannte Laser - Doppler - Geschwindigkeitsmesser (DD - Anm» WP G01S/201 462) eraeugen durch Kreuzung kohärenter Lichtbündel am Ort ihrer Durchdringung ein System äquidistanter Interferenalinien« Der meßte ohni sch, nutzbare Raum dieser Erscheinung wird als Meßvolumen bezeichnet« Er. hat in der Regel die Form eines Rotationsellipsoids» Partikel_t die von einem bewegten Medium durch das Meßvolumen transportiert v/erden, geben moduliertes Streulicht ab, dessen Frequenz; von der Geschwindigkeit dee Mediums abhängt» Die dabei erzeugten 'Lichtsignale werden mittels fotoelektrischer Elemente in elektrische Signale umgewandelt j die elektronisch in Meßwerte für Weg, Geschwindigkeit oder davon abgeleitet© Größen werden«

Bei dem bekannten Geschwindigkeitsmesser bildet eine sammelnde Optik die in einem Strahlenteiler liegende Pupille in das Meßvolumen ab, wobei u* a· die Zahl der im Meßvolumen wirksamen Interferenzebenen § für alle Größen optimiert werden· Dieser Geschwindigkeitsmesser beschränkt sich auf die Projektion kreisförmiger Lichtbündelquerschnitte·

Ein Nachteil des Geschwindigkeitsmessers besteht darin, daß bei hohen Partikelraten infolge von Überlagerungen der von den einzelnen Partikeln ausgesandten Signale Schwierigkeiten bei deren Auswertung auftreten« Zur Auflösung und Verarbeitung der entstehenden Signale wären besondere Auswerteverfahren notwendig»

Insbesondere bei der Messung band- oder drahtförmiger Objekte sind die Meßvolumina zu klein, so daß diese Objekte infolge Schwingungen oder schlängelnder Bewegungen leicht das Meßvolumen verlassen und damit kontinuierliche präzise Geschwindigkeitsmessungen nicht möglich sind·

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß für Meßvolumina mit dem üblichen kreisrunden Querschnitt, die zum Beispiel zur Erzeugung einer Mindestzahl von Interferenzstreifen geweitet werden müssen, ein leistungsstarker Laser als Beleuchtungsquelle notwendig ist und ein hoher Energieverbrauch auftritt·

Ziel -der_Erfindungj__

Der Zweck der Erfindung besteht darin, die Uachteile des Standes der Technik zu beseitigen und die Zuverlässigkeit der Messungen auch bei hohen Partikelraten zu gewährleisten«,

«. 3 » * Darlegung _ dea^^Wesens^dgr^J^^iadung^

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Laser - Doppler - Geschwindigkeitsmesser durch be~ sondere Ausgestaltung des Meßvolumens die Meßgenauigkeit zu erhöhen und dessen Anwendungsbereich zu erweitern« Erfindungsgemäß wii^d diese Aufgabe bei einem Laser ~ Doppler - Geschwindigkeitsmesser dadurch gelöst, daß im Strahlengang zwischen dem Laser und dem Meßvolumen dieses Meßvolumen in oder quer zur Meßrichtung deformierende, optische Elemente angeordnet sind*

Vorteilhaft ist, daß diese optischen Elemente eine Zylinderoptik umfassen* Die optischen Elemente können auch Prismen beinhalten·

Zur Anwendung bei hohen Partikelraten wird der ursprünglich verwendete Kreisquerschnitt des Meßvolumens unter Beibehaltung der optimalen Zahl en Interferenzebenen in einen elliptischen Querschnitt mit den Halbachsenlängen a und b verändert mit dem Vorteilj daß eine Signalverbesserung durch eine Verringerung der an der Signalerzeugung beteiligten Partikel erzielt wird» Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der beleuchtete Querschnitt so gestaltet wird, daß er dort liegt, wo die Partikel transportiert werden« Diese Deformation des Meßvolumens hat ferner die vorteilhafte \firkung, daß die Helligkeit im Meßvolumen erhöht wird, ohne einen stärkeren Laser zu verwenden«, Für die Signale tritt ein Energiegewinn im Verhältnis der Ellipsenhalbachsen b/a auf_o Durch das verkleinerte Meßvolumen wird ferner das Auflösungsvermögen in der gewünschten Richtung erhöht* Bei der Anwendung zur Geschwindigkeitsmessung draht- oder bandförmiger Objekte wird durch eine Deformation quer zur Verschieberichtung dieser Objekte erreicht, daß diese stets das Meßvolumen durchlaufen und somit jederzeit meßtechnisch erfaßt werden»

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Jji der zugehörigen Zeichnung zeigen

Pig· 1 den Strahlengang eines Geschwindigkeitsmessers, Pig, 2 den Strahlengang eines Geschwindigkeitsmessers

senkrecht zur Ebene nach Fig· 1,

Pig« 3 den_Strahlengang eines weiteren Geschwindigkeitsmessers, Pig* 4 die Querschnitte von Laserbündeln hinter einer

deformierenden Optik,

Pig· 5 den Querschnitt eines Meßvolumens und

Pig· 6 eine geänderte Anordnung nach Pig· 3#

In den Pig· t und 2 ist der Strahlengang eines Laser - Doppler - Geschwindigkeitsmessers für hohe Partikelraten und für die Messung in einer Komponente in zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen dargestellt« Der Geschwindigkeitsmesser umfaßt einen Laser 1 als Lichtquelle, einen Kollimator 2 und ein Beugungsgitter 3 oder einen Strahlteiler (nicht dargestellt) zur Erzeugung zweier interferenzfähiger Strahlenbündel 4 und 5· Ein dem Beugungsgitter nachgeordnetes sammelndes System 6 bildet die Ebene des Beugungsgitters 3 in die Ebene 7, in der das Meßvolumen (Meßstelle) B liegt, ab«

Der Kollimator 2 umfaßt eine aus Zylinderlinsen bestehende Zylinderoptik· Anstelle der Zylinderoptik können auch geeignete Prismen angewendet Werden, welche die Strahlenbündel deformieren· Das Beugungsgitter 3 bzw· der Strahlteiler erfüllen Teilerfunktionen* Hierbei werden ein Strahlenbündel 0· Ordnung 5 und zwei Strahlenbündel t· Ordnung 4 und 4* erzeugt, wobei das Strahlenbündel 4^f an einer Blende 9 des optischen Systems 6 ausgeblendet wird, weil es zur Abbildung nicht benötigt wird. Im Kr8uzungsraum der Strahlenbündel 4

und 5 "befindet sich das optisch wirksame Meßvolumen 8, welches die zu vermessenden Partikel durchlaufen» Diese Partikel werden vom Strahlenbündel 5 getroffen, wobei das an ihnen gestreute Licht mit dem Strahlenbündel 4 interferierte Diese optischen Signale werden fotoalektrischen Empfängern 10 zugeleitet und in auswertbare elektrische Signale umgewandelt*

Der Kollimator 2 bildet gemäß Figa 2 den Quer«= schnitt des den Laser 1 verlassenden Lichtbündels 11 ζ« B* mit einem Abbildungsmaßstab Js t/e auf das Beugungsgitter 3 ab« In der Ebene der Fig* 1 betrage auf Grund der Zylinderoptik des Kollimators 2 der Abbildungsmaßstab | a c» Das auf das Beugungsgitter treffende Lichtbündel 11 hat somit einen deformierten, nämlich einen Ellipsenquerschnitt mit einem Achsen«=»

verhältnis a/b = c « Dieses Verhältnis tritt auch im Querschnitt des'Meßvolumens 8 in der Ebene 7 auf» Gegenüber einem kreisförmigen, undeformierten Quer-= schnitt in.der Ebene 7 verringert sich bei dem .ellip« tischen Querschnitt ebenfalls der notwendige Energiebedarf zur Ausleuchtung des Meßvolumens 8 um den

ρ Faktor c » Man kann aleo mit einem leistungsschwächeren Laser 1 arbeiten©

In Fig* 3 ist der Strahlengang eines Zwei-Komponenten ·» Geschwindigkeitsmessers dargestellt, der euch für hohe Partikelraten geeignet ist» Si© besteht ebenfalls aus einem Laser 1, einem Beugungsgitter 12 und abbildender und den Strahlengang deformierender Optik* Das den Laser 1 verlassende Lichtbündel 11 durchläuft das Beugungsgitter 12« Hinter dem Gitter entstehen gebeugte Strahlenbündel 13, 14 und 15 0· Ordnung, -5-1« Ordnung und -1» Ordnung und in einer dazu senkrechten Ebene Strahlenbündel +1_e Ordnung (Fig* 4) und «1« Ordnung (nicht dargestellt)·

Dabei dienen die Strahlenbündel 0· Ordnung zur Beleuchtung und die Bündel +1· Ordnung 14 und 16 zur Referenz· An Blenden 17 werden die nicht benötigten Strahlenbündel -1· Ordnung ausgeblendet· Zwei vorgesehene Objektive 18 und 19 sammeln die gebeugten Strahlenbündel 13, 14, 16 und bilden die Ebene des Beugungsgitters 12 in die Ebene 7 ab, in der sich das Meßvolumen 8 befindet· Zwischen den Objektiven 18 und sind aus Zylinderlinsen bestehende, die Strahlenbündel 13, 14, 16 deformierende optische Systeme 20, 21 (x-Achse) und 22, 23 (z-Achse) angeordnet·

Pig· 5 zeigt die Veränderung des Meßvolumens 8 in der Ebene 7· Die das Meßvolumen 8 durchlaufenden Strahlenbündel 13, 14 und 16 (Pig· 3) treffen auf fotoelektrische Empfänger 24 und 25, deren elektrische Ausgangssignale in einem nichtdargestellten Auswertegerät weiterverarbeitet werden·

Bei der in Pig« 6 dargestellten Anordnung ist im Strahlengang zwischen dem Meßvolumen 5 und einem fotoelektrischen Empfänger 27 eine Linse 26 vorgesehen, mit welcher lediglich das durch die das Meßvolumen durchquerenden Partikel erzeugte Streulieht auf den fotoelektrischen Empfänger 27 abgebildet wird.

Claims (1)

1« Laser - Doppler - Geschwindigkeitsmesser, mit einem Laser, einer Einrichtung zur Erzeugung von zueinander kohärenten Teilstrahlenbündeln und austauschbaren optischen Mitteln, um die !Teilstrahlenbündel jeweils an gleicher Meßstelle zur Interferenz zu bringen, wobei sum Erzeugen der Seilstrahlenbündel ein Beugungsgitter oder ein Strahlteiler im Laserstrahlengang angeordnet ist, und daß als austauschbare optische Mittel dem Beugungsgitter oder dem Strahlteiler Kombinationen optischer Bauelemente naehgeordnet sind, die die Teilstrahlengäng© jeweils unter unterschiedlichen Winkeln an der Meßstell© zusammentreffen lassen, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise im Strahlengang zwischen dem Laser und einem Meßvolumen in oder quer zur Meßrichtung deformierende, optische Bauelemente angeordnet sind©

Zo Laser » Doppler » Geschwindigkeitsmesser nach Punkt 1· dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente eine Zylinderoptik umfassen«

3«. Laser -» Doppler « Geschwindigkeitsmesser nach Punkt 1 dadurch gekennzeichnet» daß die optischen Elemente Prismen umfassen©

Hierzu ^.„...Seifen Zeichnunqen