DE3145987C2 - "Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Strömungsvektoren in Gasströmungen" - Google Patents

Abstract

Zur Bestimmung eines beliebig im Raum stehenden Strömungsvektors (c / ↑ →) nach Betrag und Größe werden in dem Meßvolumen zwei Fokussierungsstellen (A, B) gebildet, an denen hindurchfliegende Teilchen Impulse erzeugen, deren zeitlicher Abstand von der Teilchengeschwindigkeit abhängt. Zur Erfassung eines beliebig im Raum stehenden Vektors (c / ↑ →) werden beide Strahlenpaare (1b, 2b; 1g, 2g) um die optische Achse (34) des Systems gedreht, so daß der Vektor (c / ↑ →) während einer ganzen Umdrehung einmal in der Ebene des ersten Strahlenpaares (1b, 2b) und einmal in der Ebene des zweiten Strahlenpaares (1g, 2g) liegt. Anhand der Winkel ( Θ), bei denen Meßergebnisse registriert werden, wird der Winkel ( Θ) der Vektorebene (35), in der der Vektor (c / ↑ →) liegt und der Winkel ( β) des Vektors (c) innerhalb der Vektorebene (35) ermittelt. Außerdem wird der Betrag des Vektors (c / ↑ →) anhand der Meßergebnisse bestimmt.

Description

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bestimmt wird, wobei Φ der Schwenkwinkei der Vektorebene (35) um die optische Achse (34), φ,, der Schwenkwinkel, bei dem an den Umsetzern (31, 32) des ersten Strahlenpaares Durchgangssignale auftreten und φ_β der Schwenkwinkel, bei dem an den Umsetzern (3Γ, 32') des zweiten Strahlenpaares Durchgangssignale auftreten, sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel ß des gesuchten Vektors (c) innerhalb der Vektorebene durch die Beziehung zeichnet, daß der Betrag des Vektors (c) durch die Beziehung

1*1=

COS-

bestimmt wird, wobei C₄ und c_g jeweils die einander betragsmäßig gleichen Größen der an den Umsetzern (31, 32) bzw. (31', 32') für das ers^e bzw. das zweite Strahlenpaar bei den Schwenkwinkeln φ_ί bzw. φ_β gemessenen Geschwindigkeiten sind.

6. Vorrichtung zur Messung der Strömungsvektoren in Gasströmungen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden AnSprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Strahlerzeugungssysteme (12, 13, 15, 17, 19; 12, 14, 15', 17,19) vorgesehen sind, von denen jedes ein Strahlenpaar (Ig, 2g; 16,26) aus parallelen Strahlen erzeugt, daß die Ebene, in der die Strahlen eines Strahlenpaares (Ig, 2g) liegen, unter einem spitzen Winkel (2y) zu der Ebene verläuft, in der die Strahlen des anderen Strahlenpaares (16, 26) liegen, und daß eine Einrichtung (18) zum simultanen Drehen der Strahlenpaare (Ig, 2g, 16, 26) um eine gemeinsame Achse (34) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl eines Lasers (10) in einem dichroitischen Strahlenteiler (12) in zwei Strahlen (g, 6) mit unterschiedlichen Farben aufgeteilt wird, daß diese beiden Strahlen einem Polarisations-Strahlteiler (17) zugeführt werden, der eine Aufteilung jedes Strahles (g, 6) in zwei parallele, unterschiedlich polarisierte Strahlen (Ig, 2g; 16. 26) durchführt, daß die insgesamt vier Strahlen mit Abständen von der optischen Achse (34) über ein Bilddrehprisma (18) und eine Sammeloptik (19) paarweise auf die beiden Fokussierungsstellen (A, B) gerichtet werden und daß ein auf die Fokussierungsstellen (A, B) gerichtetes Linsensystem eine -iie. Strahlenpaar. (29, 30; 29', 30') voneinander trennende und auf unterschiedliche Auswerteeinricblungen (31, 32, 33; 31'. 32', 33') leitende Einrichtung (22, 23; 24 bis 28; 24' bis 28') aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Strahlen (Ig, 16), von denen jeder einein der Strahlenpaare angehört, in dem Bilddrehprisma (18) einen gemeinsamen Durchmesser des Bilddrehprismas schneiden.

■
sin

? = arctg

tgy

bestimmt wird, wobei y die Größe des halben Winkels zwischen den Strahlenpaaren (16, 26; Ig, 2g) darstellt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennDie Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsvektoren in Gasströmungen durch Ermittlung des Geschwindigkeitsbetrages und der Richtung von in einer Strömung enthaltenen optisch erfaßbaren Teilchen, bei welchem die parallelen Strahlen eines ersten Strahlenpaares an zwei dicht nebeneinanderliegenden ersten Fokussierungsstellen fokussiert und die Fokussierungsstellen auf zwei ersten photoelektrischen Umsetzern abgebildet werden. Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE-AS 2449358) werden in einem Strömungskanal zwei Fokussierungsstellen dicht hintereinander angeordnet und die diese Fokussierungsstellen nacheinander passierenden Teilchen werden auf photoelektrischen Umsetzern abgebildet. Ein Teilchen, das die erste Fokussierungsstelle

passiert, erzeugt einen Startfmpuls und anschließend beim Passieren der zweiten Fokussierungsstelle einen Stopimpuls. Aus dem zeitlichen Abstand von Startimpuls und Stopimpuls kann die Teilchengeschwindigkeit ermittelt werden. Die Strömungsrichtung ergibt sich aus der Richtung, in der die beiden Fokussieningsstellen im Strömungskanal hintereinander angeordnet sind. Diese Richtung kann verändert werden, so daß Strömungsvektoren mit unterschiedlichen Richtungen erfaßt werden können. Grundsätzlich gut jedoch für das bekannte Verfahren, daß nur diejenigen Komponenten von Strömungsvektoren gemessen werden, die "in der Ebene liegen, die senkrecht zur optischen Achse des Systems verläuft. Diese Ebene muß durch eine Meßreihe ermittelt werden. Die in Achsrichtung verlaufende Komponente kann nicht bestimmt werden. Dennoch handelt es sich bei dem bekannten Verfahren nur um ein Zwei-Komponenten-Geschwindigkeitsmeßverfahren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren derart weiterzubilden, daß die Bestimmung der in Achsrichtung verlaufenden iComponente der Strömungsvektoren zusätzlich möglich ist, so daß Strömungsvektoren vollständig nach Betrag und Richtung erfaßt werden können, ohne daß bei einem solchen Drei-Komponenten-Meßverfahren für die Messungen ein wesentlich größerer Zeitaufwand als bei dem Zwei-Komponentenverfahren benötigt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß

a) ein zweites Strahlenpaar aus ebenfalls parallel zueinander verlaufenden Strahlen unter einem Winkel zu dem ersten Strahlenpaar auf die ersten Fokussierungsstellen gerichtet und dort fokussiert wird,

b) die Fokussierungsstellen des zweiten Strahlenpaares auf zwei zweiten photoelektrischen Umsetzern abgebildet werden,

c) die beiden Strahlenpaare gemeinsam um eine optische Achse herum verschwenkt werden, die durch eine der beiden Fokussierungsstellen hindurchgeht und in der Ebene der zugehörigen Strahlen der beiden Strahlenpaare verläuft.

d) diejenigen Schwenkwinkel gemessen werden, bei denen für jedes Strahlenpaar an den Umsetzern Signale auftreten, die den Durchgang von Teilchen durch die beiden Fokussierungsstellen des Strahlenpaares angeben, und

e) aus den gemessenen Schwenkwinkeln für beide Strahlenpaare und dem gemessenen Häufigkeiiswert der Vektor der Teilchengeschwindigkeit nach Richtung und Betrag bestimmt wird.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß ein beliebig im Räume stehender Vektor erfaßt werden kann, wenn zunächst, eine Ebene bestimmt wird, in der der Vektor liegt, und wenn β der Winkel des Vektors innerhalb dieser Ebene sowie der Betrag des Vektors ermittelt werden. Dieses Prinzip wird dadurch realisiert, daß zwei Meßeinrichtungen der eingangs geschilderten bekannten Art zusammengefaßt werden und daß mit jeder dieser Meßeinrichtungen unabhängig voneinander Richtung und Betrag derjenigen Komponente des Geschwindigkeitsvektors gemessen werden, die in der Ebene senkrecht zur jeweiligen Strahlenrichtung liegt. Im Gegensatz zu dem Aufbau der bekannten Meßeinrichtung, bei der dii Strahlen in Richtung der optischen Achse des Systems verlaufen, sind die beiden Strahlenpaare nach der Erfindung unter einem Winkel zur optischen Achse geneigt und sie werden jeweils auf zwei Stellen,.die das Meßvolumen definieren, fokussiert. Die Fokussierungsstellen sind in Wirklichkeit nicht punktförmig, sondern zylinderförmig. Ihre Erstreckung in Richtung der StrahlacBsen entspricht etwa dem doppelten Abstand der Strahlen. Die Ebenen, die durch die Einzelstrahlen des jeweiligen Strahlenpaares aufgespannt werden, schneiden sich entlang einer Geraden (Schnittgeraden). Beim Verschwenken der beiden Strahlenpaare um die optische Achse herum wird diese Gerade, die senkrecht zu der optischen Achse verläuft und durch eine der Fokussierungsstellen hindurchgeht, ebenfalls verschwenkt. Bei einer Schwenkung bleibt also der an der einen Fokussierungsstelle liegende Punkt der Schnittgeraden unverändert. Diesen Punkt der Schnittgeraden, durch den die optische Achse hindurchgeht, kann man als Nullpunkt des Meßsystems betrachten. ^:

Da, wie oben dargelegt, die Fokussierungsstellen nicht punktförmig., sondern zylinderförmig sind, werden in der Auswerteschaltung nicht nur diejenigp-v Teilchen erfaßt, die durch zwei Punkte hindurchgehen, süii^em praktisch alle Teilchen, die innerhalb eines bestimmten Längenabschnittes durch die Strahlen eines Strahlenpaares hindurchgehen. Erfaßt werden also diejenigen Teilchen, die sich in der Ebene eines Strahlenpaares bewegen. Durch Verschwenken der Strahlenpaare um die optische Achse, werden die Ebenen der Strahlenpaare ebenfalls geschwenkt. Wenn dabei eine der Ebenen eine solche Schwenkstellung erreicht, daß der betrcffende Vektor von ihr erfaßt wird, dann wird an den Umsetzern der Durchgang von Teilchen in dieser Ebene signalisiert.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß mit zwei Suchmessungen, die in einem einzigen Suchlauf der Strahlenpaare durchgeführt werden, der Strömungsvektor im Bereich des Meßvolumens bestimmt werden kann. Dies geschieht, indem die Strahlenpaare um die optische Achse herum geschwenkt bzw. gedreht werden, bis die Unisetzy des einen Strahlenpaares einen Durchgang von Teilchen signalisieren. Anschließend werden die Strahlenpaare weitevgedreht, bis die Umsetzer des anderen Strahlenpaares einen Durchgang von Teilchen registrieren. Aus den beiden Schwenkwiakeln, bei denen jeweils Durchgänge von Teilchen registriert worden sind, läßt sich einerseits diejenige Vektorebene bestimmen, in der die optische Achse und der gesuchte Vektor gemeinsam liegen, und andererseits auch der Winkel, den der gesuchte Vektor in bezug auf die optische Achse innerhalb der genannten Ebene einnimmt. Der Betrag des Vektors kann anhand der genannten Winkel und der gemessenen Durchgangshäufigkeiten ermittelt werden. Für die exakte Bestimmung der drei Komponenten eines beliebig im Räume stehenden Vektors werden also nur zwei Suchmessungen benötigt, deren Resultate in einem einzigen Suchlauf erhalten weiden.

Vorzugsweise verlaufen die mit der optischen Achse in einer Ebene liegenden Strahlen der beiden Strahlenpaare unter gleichen Winkeln y zu der optischen Achse. Zwar ist es prinzipiell möglich, beide Strahlenpaare mit unterschiedlichen Ausrichtungen zur optischen Achse des Systems zu versehen und beispielsweis; das eine Strahlenpaar parallel zur optischen Achse und das andere Strahlenpaar unter einem Winkel hierzu verlaufen zu lassen, jedoch ist die Auflösungsgenauigkeit größer, wenn beide Strahlenpaare auf unterschiedlichen Seiten der optischen Achse liegen.

Aus Gründen der Symmetrie und der einfacheren Berechnung sind vorzugsweise die Winkel γ für beide

Strahlenpaare, die auf entgegengesetzten Seiten der optischen Achse angeordnet sind, einander gleich.

Hierbei ergibt sich der Vorteil, daß diejenige Ebene (Vektorebene), in der die optische Achse und der gesuchte Vektor Hegen, durch die Beziehung

Φ =

bestimmt wird, wobei Φ der Schwenkwinkel der Vektorebene um die optische Achse, φ» der Schwenkwinkel, bei dem an den Umsetzern des ersten Strahlenpaares Durchgangssignale auftreten, und φ_β der Schwenkwinkel, bei dem an den Umsetzern des zweiten Strahlenpaares Durchgangssignale auftreten, sind.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei Strahlerzeugungssysteme vorgesehen sind, von denen jedes ein Strahlenpaar aus parallelen Strahlen steht. Um die durch die anderen Laserlinien und die unvollständige Farbtrennung verursachte Störstrahlung auszuschließen, ist im Strahlengang des Strahles g ein Laserlinienfilter 13 und im Strahlengang des Strahles b einen Laserlinienfilter 14 angeordnet. Diese Filter 13 und 14 lassen jeweils ausschließlich Licht der betreffenden Farbe durch.

Das zunächst linear-polarisierte Laserlicht wird durch y/4-Plättchen 15 bzw. 15' in zirkular-polarisiertes Licht umgewandelt. Hierdurch wird eine leistungsgleiche Aufteilung der Strahlen durch den Poiarisations-Strahlteüer 17 gewährleistet. Zwischen den //«!-Plättchen 15, 15' und dem Polarisations-Strahlteiler 17 ist ein schräger Umlenkspiegel 16 mit zwei Bohrungen für den Durchtritt der Strahlen g und b angeordnet. Durch die Bohrungen gelangen die verschiedenfarbigen Strahlen b und g zu dem Polarisations-Strahlteiler 17, der die beiden Strahlen h und g in zwei zueinander senkrecht polari-

erzcugi, daß die Ebene, in der die Strahlen eines Strahlen- sicrtc Strahlen \g, 2g bzw. \k. 2k aufteilt. Dies ist in

paares liegen, unter einem spitzen Winkel zu der Ebene verläuft, in der die Strahlen des anderen Strahlenpaares liegen, und daß eine Einrichtung zum simultanen Drehen der Strahlenpaare um eine gemeinsame Achse vorgesehen ist. Durch das Drehen der Strahlenpaare wird erreicht, daß bei einer ganzen Umdrehung die Ebene jedes Strahlenpaares einmal mit dem gesuchten Vektor zusammenfällt. Dadurch wird die Vektorebene bestimmt und gleichzeitig auch der Winkel des Vektors in der Vektorebene.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, daß der mehrfarbige Strahl eines Lasers in einem dichroitischen Strahlenteiler in zwei Strahlen mit unterschiedlichen Farben aufgeteilt wird, daß diese beiden Strahlen einem Polarisationsstrahlteiler zugeführt werden, der eine Aufteilung jedes Strahles in zwei parallele, unterschiedlich polarisierte Strahlen durchführt, daß die insgesamt vier Strahlen mit Abständen von der optischen Achse über ein Bilddrehprisma und eine Sammeloptik paarweise auf die beiden Fokussierungsstellen gelenkt werden und daß ein auf die Fokussierungsstellen gerichtetes Linsensystem eine die Strahlenpaare voneinander trennende und auf unterschiedliche Auswerteeinrichtungen leitende Einrichtung aufweist.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Strahlenverlaufs der Meßvorrichtung zur Bestimmung von Strömungsvektoren.

Fig. 2 eine Teilansicht aus Richtung des Pfeiles II der Fig. 1.

Fig;. 3 eine perspektivische Darstellung der Strahlenverläufe im Meßvolumen,

Fi g. 4 eine vergrößerte Darstellung des Meßvolumens und

Fig, 5 eine graphische Darstellung des Meßwinkels 2φ in Abhängigkeit von dem Winkel β des Vektors innerhalb der Vektorebene.

Gemäß Fig. 1 sendet ein Argon-Ionen-Laser 10 einen gebündelten Lichtstrahl aus, der in einer (nicht dargestellten) Aufweitungsoptik aufgeweitet und über eine Linse 11 auf einen dichroitischen Strahlenteiler 12 geleitet wird. Der Strahlenteiler 12 spaltet den aus mehreren Farben bestehenden Laserstrahl in zwei parallele Strahlen b und g auf, von denen der Strahl g aus grünem Licht und der Strahl b aus blauem Licht be-Fig. 2 dargestellt, wobei die Polarisationseinrichtung senkrecht zur Zeichenebene durch drei kleine Kreise und die Polarisationsrichtung in der Zeichenebene durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet ist. Das senkrecht zur Zeichenebene schwingende Licht tritt ungehindert durch den Polarisations-Strahlteiler 17 hindurch, während der parallel schwingende Anteil gemäß Fig. 2 jeweils aus der Zeichenebene heraus nach oben abgelenkt wird.

Die so erzeugten vier Laserstrahlen Ig. 2g und Ib, 2b mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften gelangen über ein Bilddrehprisma 18. z. B. ein Pechanprisma. zu einer Linse 19, von der sie auf daü Meßvolumen fokussiert werden. Das Meßvolumen befindet sich im Innern eines Strömungskanals 20. der in einer Seitenwand ein

J5 Fenster 21 aufweist, durch das die vier Strahlen hindurchtreten. Die Fokussierungsstellen A und B. die nachfolgend noch erläutert werden, kennzeichnen das Meßvolumen.

Mit dem grünen Strahlenpaar \g. 2g und dem blauen Strahlenpaar 1 b. 2b kann jeweils unabhängig voneinander eine Geschwindigkeitsmessung nach dem zwei Fokus-Verfahren durchgeführt werden. Die in dem Strömungskanal 20 herrschende Gasströmung enthält kleine Teilchen, die an den Fokussierungsstellen A, B beleuchtet werden und das auftreffende Licht streuen. Das von den Teilchen abgehende Licht läuft durch die Linse 19. das Bilddrehprisma 18 und den Polarisations-Strahlteiler 17 zurück bis zum Umlenkspiegel 16. Hier wird das Streulicht von den das Meßvolumen erzeugenden Laserstrahlen getrennt und auf einen dichroitischen Spiegel 22 reflektiert. Dieser läßt den blauen Lichtanteil bs durch und reflektiert den grünen Lichtanteil gs. Der blaue Lichtanteil bs wird über einen Spiegel 23 und eine Linse 24 auf ein Mikroskopobjektiv 25

geleitet, hinter dem eine Blende 26 zur räumlichen Filterung des Streulichtes angeordnet ist. Das durch die Blende 26 hindurchgehende Licht, das zwei unterschiedliche Polarisationsanteile enthält, wird über ein Farbfilter 27, das nur blaues Licht durchläßt, auf ein Rochon- Prisma 28 geleitet, das die senkrecht zueinander polarisierten Lichtanteile in zwei Strahlen 29, 30 aufteilt. Der Strahl 29 wird einem photoelektrischen Umsetzer 31 und der Strahl 30 einem photoelektrischen Umsetzer 32 zugeführt. Der Umsetzer 32 erzeugt jeweils einen photoelektrischen Impuls, wenn an der Fokussierungsstelle A (Fig. 3) Streulicht von einem Teilchen reflektiert wird und der Umsetzer 31 erzeugt einen Impuls, wenn an der Fokussierungsstelle B von einem Teilchen Licht

reflektiert wird. Die Signale der Umsetzer 31, 32 werden einer Auswerteschaltung 33 zugeführt, die einen Impuls erzeugt, dessen Amplitude dem zeitlichen Abstand der beiden Impulse der Umsetzer 32 und 31 proportional ist, wenn diese Impulse innerhalb einer vorgegebenen Zeit aufeinander folgen. Die Amplitude am Ausgang der Auswerteschaltung 33 ist somit der Teilchengeschwindigkeit {wischen den Fokussierungsstellen A und B umgekehrt proportional.

Die Elemente 24 bis 33, die oben Tür den Strahlen· gang des blauen Lichts bs beschrieben worden sind, sind in gleicher Weise in dem Strahlengang des grünen Lichts gs enthalten und dort jeweils mit einem Strich gekennzeichnet. Diese Elemente 24' bis 33' entsprechen jeweils den Elementen 24 bis 33, jedoch mit der Ausnähme, daß das Farbfilter 27' ausschließlich grünes Licht durchläßt, während das Farbfilter 27 blaues Licht durchläßt.

Jn Fig. 3 ist der Strahlengang zwischen der Linse !9 und den Fokussierungsstellen A und B perspektivisch M dargestellt. Man erkennt die unterschiedlich polarisierten grünen Strahlen Ig, 2g und die unterschiedlich polarisierten blauen Strahlen \b, 2b. Die parallelen grünen Strahlen Ig, 2g gehen durch den oberen Bereich der Linse 19 hindurch und die parallelen blauen Strahlen IA, 2b durch den unteren Bereich der Linse. Die Durchtrittsstellen der Strahlen Ig und \b liegen auf einem gemeinsamen Durchmesser der Linse 19, während die Durchtrittsstellen der Strahlen 2g und 2b seitlich mit gleichen Abständen neben den Strahlen Ig und Xb κ verlauf:n. Durch den Mittelpunkt der Linse 19 und durch die Fokussierungsstelle A der Strahlen Ig und \b geht die optische Achse 34 des Systems hindurch. Die Strahlen Ig und \b liegen also in einer Ebene mit der optischen Achse 34. Sie konvergieren jeweils unter einem Winkel y zur optischen Achse und schneiden sich in der Fokussierungsstelle A.

Die Strahlen 2g und 2b bilden ebenfalls einen Winkel γ zu einer Parallelen zur optischen Achse 34 und sie schneiden sich in der Fokussierungsstelle B. die von der Fokussierungsstelle A einen Abstand entlang der .V₁-Achse hat- Die x_t-Achse verläuft rechtwinklig zur optischen Achse 34 und spannt mit dieser die als »Vektorebene« bezeichnete Ebene 35 auf. Im folgenden sei angenommen, daß der von der Fokussierungsstelle A ausgehende Vektor c in der Vektorebene 35 verläuft und mit der x,-Achse einen Winkel β einschließt. Dieser Vektor ί ist nach Betrag und Richtung zu messen.

Vor der weiteren Erläuterung der Wirkungsweise seien die Fokussierungsstellen A und B gemäß Fig. 4 betrachtet. Ein Teilchen, das in Richtung des Pfeiles 36 die Fokussierungsstelle A passiert, wird an der Fokussierungsstelle B -nachfolgend nicht nur dann registriert, wenn es sich.exakt entlang der X₁-Achse bewegt, sondern bereits dann; wenn es überhaupt eine Komponente in Richtung der χ,-Achse hat. Es wurde schon erwähnt, daß die Fokussierungsstellen A und B nicht punktförmig, sondern linienförmig oder zylindrisch sind. Das Teilchen,' das sich gemäß Pfeil 36 bewegt, erzeugt also an der Fokussierungsstelle B ebenfalls ein Lichtsignal·, dessen:zeitlicher Abstand von dem Lichtsignal, das an der Fokussierungsstelle, A erzeugt worden ist, der: Bewegungskomponente in Richtung der x· -Achse proportional ist. Voraussetzung ist nur, daß das Teilchen, das den Lichtstrahl 1 g durchquert hat, den Lichtstrahl 2g ebenfalls durchquert. Dies bedeutet, daß das Teilchen, um ein Meßergebnis zu erzielen, sich in der Ebene der Strahlen Ig, 2g bewegen muß.

Ein beliebig im Räume stehender Vektor c im Meßvolumen kann von den Strahlenpaaren Ig, 2g bzw. 16, 2b dann erfaßt werden, wenn die. Ebene des betreffenden Strahlenpaares so gelegt wird, daß sich der Vektor c in ihr befindet. Dies wird dadurch erreicht, daß das Bilddrehprisma 18 um die optische Achse 34 herum gedreht wird. Hierdurch dreht sich das gesamte in Fig. 3 dargestellte Strahlensystem um die optische Achse 34. Der Drehwinkel ist mit φ bezeichnet. Bei der Drehung des Drehprismas 18 wandern die Durchtrittspunkte der Strahlenpaare am Rand der Linse 19 auf einer Kreisbahn. Die Fokussierungsstelle A bleibt dabei in Ruhe.

Wenn gemäß Fig. 3 die Strahlenpaare im Uhrzeigersinn gedreht werden, verändert sich die Schnittlinie, an der die Ebene des Strahlenpaares Ig, 2g die Vektorebene 35 schneidet. In gleicher Weise verändert sich die Schnittlinie, in der die Ebene des Strahlenpaares \b, 2b die Vektorebene 35 schneidet. Die beiden Schnittlinien, die nach wie vor durch die Fokussierungsstelle A hindurchgehen, drehen sich und wandern in entgegengesetzte Richtungen. Dabei ergibt sich zunächst der Zustand, in dem die Ebene der Strahlen \b. 2b eine solche Richtung hat, daß der Vektor c in ihr verläuft. Wenn dies der Fall ist, wird an der Auswerteschaltung 33 des blauen Systems ein Durchgangssignal angezeigt. Wird das Bilddrehprisma 18 weitergedreht, so ergibt sich irgendwann ein Zustand, in dem der Vektor c in der Ebene der Strahlen Ig, 2g liegt. Wenn dies der Fall ist, wird an der Auswerteschaltung 33' des grünen Systems ein Durchgangssignal angezeigt. Aus den betreffenden Winkeln φ, und ψ₆, bei denen in dem grünen bzw. in dem blauen System ein Meßwert angezeigt wird, und aus der Größe der angezeigten Meßwerte kann der Geschwindigkeitsvektor c bestimmt werden. Die Bestimmung des Vektors geschieht wie folgt:

Es sei angenommen, daß der Vektor c im Punkte A beliebig irgendwie im Räume steht. Durch Drehung des Bilddrehprismas 18 um die optische Achse 34 wird während einer vollen Umdrehung einmal ein Zustand erreicht, in dem der Vektor c in der Ebene der grünen Strahlen Ig, 2g liegt und einmal ein Zustand, in dem der Vektor c in der Ebene der blauen Strahlen \b, 2b liegt. Diese beiden Winkel sind mit Φ, bzw. φ,, bezeichnet. Der Nullpunkt der Winkelmessung ist an dem Bilddrehprisma 18 beliebig markiert. Die betreffenden Winkel φ, und ψ₆, bei denen an den Auswerteschaltungen 33' bzw. 33 Signale auftreten, werden abgelesen und anhand dieser Winkel wird nach der Beziehung

Φ =

Φ,+Φι,

der Winkel Φ der Bezugsebene 35 bestimmt, in der der gesuchte Vektor c liegt. '■·,:.

Durch diese Messung erhält man aber nicht nur den Winkel Φ, sondern gleichzeitig den Winkel ß, den der Vektor δ in der Bezugsebene 35 mit der .r, -Achse einschließt. Dieser Winkel errechnet sich zu

sin

Φι—φ*

β = arc tg -Ferner gilt |c|cos0=

„***=*> cos ^i' worin c, und c„ die an den Auswerteschaltungen 33'

bzw. 30 abgelesenen Meßwerte sind, die von der Größe des Vektors c abhängig sind. Diese Meßwerte c₃ und c_b sind einander gleich.

Der Winkel y, den die Strahlenpaare Ig, Ig und \b, 2b jeweils zur optischen Achse 34 bilden, ist in der Praxis begrenzt. Mit sphärisch geschliffenen Optiken läßt sich ein Winkel y von etwa 6,5° mit vertretbarem Aufwand realisieren. In Fig. 5 ist der Verlauf des Winkel φ,-φ_ό als Funktion des Winkels β bei einem Winkel y von 6,5° dargestellt. Man erkennt, daß diese Kurve annähernd linear verläuft, so daß auch bei kleinen Winkeln β noch gut meßbare Winkeldifferenzen φ, — φ,, erhalten werden.

Die Genauigkeit der Winkelmessung nach dem zwei Fokus-Meßverfahren hängt im wesentlichen von der Zahl der gemessenen Meßereignisse und dem Turbulenzgrad der Strömung ab. Bei kleinen Turbulenzen ( < 5 %) beträgt die Meßuwjicherheit 0,1 bis 0,2° und bei großen Turbulenzen (> 10%) 0,3 bis 0,5°. Hieraus ergeben sich für die Unsicherheit bei der Bestimmung des Winkels β bei kleinen Turbulenzen 0,4 bis 0,7° und bei großen Turbulenzen 1 bis 2°. Bei den bekannten optischen Verfahren sind unter den gleichen Voraussetzungen (d.h. kompaktes Meßgerät, ein gemeinsames Objektiv, Rückwärtsstreuung) die auftretenden Meßunsicherheiten um

ίο ein Vielfaches größer.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei Strömungsuntersuchungen vielfältige Anwendung finden. So ist beispielsweise erstmalig die Möglichkeit gegeben, bei Turbomaschinen die bisher nicht erfaßbaren Radialkomponenten der Strömungsgeschwindigkeiten in den Laufrädern zu messen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung der Strömungsvektoren

in Gasströmungen durch Ermittlung des Geschwindigkeitsbetrages und der Richtung von in einer Strömung enthaltenen optisch erfaßbaren Teilchen, bei welchem die parallelen Strahlen eines ersten Strahlenpaares (16,26) an zwei dicht nebeneinanderliegenden ersten Fokussierungsstellen (A, B) fokussiert und ι ο die Fokussierungsstellen auf zwei ersten photoelektrischcn Umsetzern (31, 32) abgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein zweites Strahlenpaar (Ig, 2g) aus ebenfalls parallel zueinander verlaufenden Strahlen unter is einem Winkel (2y) zu dem ersten Strahlenpaar (16, 26) auf die Fokussierungsstellen (A, B) gerichtet und dort fokussiert wird,

b) die Fokussierungsstellen (A, B) des zweiten StrabJcüpaares (1 g, 2g) auf zwei zweiten photoelektrischen Umsetzern (31% 32') abgebildet werden,

c) die beiden Strahlenpaare (16, 26; Ig, 2g) gemeinsam um eine optische Achse (34) herum verschwenkt werden, .die durch eine der beiden Fokussierungsstellen (A) hindurchgeht und in der Ebene der zugehörigen Strahlen (1 g, 16) der beiden Strahlenpaare verläuft.

d) diejenigen Schwenkwinkel (φ,,, φ_β) gemessen werden, bei denen für jedes Strahlenpaar an den Umsetzen (31, 32; 31', 32') Signale auftreten, die den Durchgang von Teilchen durch die beiden FokussiemngsstelWn (A, B) dieses Strahlenpaares angeben, und

e) aus den gemessenen Schwckwinkeln (φ,,, φ_β) für beide Strahlenpaare und den gemessenen Häufigkeitswert der Vektor (c) der Teilchengeschwindigkeit nach Richtung und Betrag bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der optischen Achse (34) in einer Ebene liegenden Strahlen (Ig. 16) unter gleichen Winkeln (λ) zu der optischen Achse verlaufen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diejenige Ebene (Vektorebene), in der die optische Achse (34) und der gesuchte Vektor (c) liegen, durch die Beziehung