DE3340479A1

DE3340479A1 - Verfahren zur messung der stroemungsgeschwindigkeit in einem wasserstroemungsmodul

Info

Publication number: DE3340479A1
Application number: DE19833340479
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Kawaguchi Saitama Hasegawa; Yasuo Yokohama Kanagawa Hirose
Original assignee: Nippon Furnace Co Ltd
Current assignee: Nippon Furnace Co Ltd
Priority date: 1982-11-10
Filing date: 1983-11-09
Publication date: 1984-05-10
Anticipated expiration: 2003-11-10
Also published as: GB2129550B; GB2129550A; DE3340479C2; US4543834A; JPS5987369A; GB8330046D0; JPS633263B2

Description

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Beschreibung

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messuny der Strömungsgeschwindigkeit von Wasser an einem vorgegebenen Punkt in einem Strömungsfeld, das berührungslos in einem Modul zur Untersuchung der Wasserströmung durchgeführt wird.

Bis jetzt sind zur Messung der Geschwindigkeit in einer Vorrichtung zur Untersuchung der Wasserströmung Verfahren verfügbar, die von einem Pitotschen Rohr und von einer elektrischen Messung Gebrauch machen, wobei ausgenutzt wird, daß die Größe des elektrischen Stromes,der durch einen Sensor (bestehend aus einem elektrischen Draht)fließt, sich in dem Verhältnis ändert, wie sich die Wärme, die vom Sensor aufgenommen wird, mit der Änderung der Strömungsgeschwindigkeit ändert. Bei diesen herkömmlichen Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit ist es unvermeidlich, das Pitotsche Rohr bzw. den Sensor in das Strömungsfeld einzubauen, wodurch die Wasserströmung von dem Weg abweicht, den sie normalerweise nehmen würde, wenn das Pitotsche Rohr und der Sensor nicht in diesem Strömungsfeld eingebaut wären.Das Pitotsche Rohr kann außerdem nicht in einem eng begrenzten Strömungsfeld eingebaut werden. Dieser Nachteil gilt auch für den Sensor, der für das elektrische Meßverfahren benutzt wird, weil der Sensor eine stabile Halterung benötigt, die Schwingungen widersteht. Außerdem kann bei beiden diskutierten Meßverfahren die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit nicht in Form von numerischen Werten erfaßt werden, die an einem Meßinstrument angezeigt werden, und kann auch nicht durch eine optische Beobachtung grob abgeschätzt werden. Natürlich ist es unter diesen gegenwärtigen Bedingungen nicht möglich, das Slröniuncjs-

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feld gleichzeitig optisch zu beobachten und die Strömungsgeschwindigkeit zu messen.

Die vorhandenen herkömmlichen Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in einer Vorrichtung zur Untersuchung der Wasserströmung können keine genauen Geschwindigkeitsmessungen liefern, weil sie die Geschwindigkeit nicht berührungslos messen können. In einem Strömunasfeld, das eine Reaktion und einen Wärmeübergang erfährt,

wie z.B. bei einer Verbrennung (da die Flüssigkeit sich ausdehnt und die Viskosität abnimmt},reicht es nicht aus, nur die Konzentrationsänderung aufzuzeichnen. Wenn nicht die Geschwindigkeit bestimmt wird, kann die tatsächliche Verbrennung nicht genau vorausbestimmt werden. In dieser Hinsicht ist es wichtig und auch wünschenswert, die Strömungsgeschwindigkeit genau zu messen, wenn das Wasserströmungsmodul als ein zuverlässiger Simulator der tatsächlichen Phänomene dienen soll.

Ziel dieser Erfindung ist die Erfüllung der oben genannten Anforderung. Deshalb ist ein Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren zu liefern, das die genaue Messung der Strömungsgeschwindigkeit an einem vorgegebenen Punkt in einem Strömungsfeld ermöglicht, das berührungslos in einem Wasserströmungsmodul durchgeführt wird.

Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß ein Rohr, das einer Wassertank und eine Druckwasseranlage verbindet, mit einer Blende versehen wird, die wenigstens eine öffnung von nicht mehr als drei mm Durchmesser aufweist, damit ein Entgasungsvorgang auftreten kann, der durch den lokalen Druckabfall

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des Druckwassers bei dessen Durchtritt durch diese Bohrung verursacht wird, wodurch ein großes Volumen von kleinen gleichmäßigen Luftblasen in dieser Strömung erzeugt wird, die in diesem Wassertank ein Strömungsfeld erzeugen, daß dieses Strömungsfeld mit Licht, das durch einen Spalt ausgeblendet wird, beleuchtet wird, wodurch diese Strömung in einem vorgegebenen Querschnitt aufgrund der unregelmäßigen Lichtreflektion der Luftblasen sichtbar gemacht wird, daß diese unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen mit einer Fernsehkamera fotografiert werden und auf dem Bildschirm eines Fernsehmonitors dargestellt werden, daß Veränderungen der dargestellten,unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen mittels zweier Fotosensoren, an zwei dicht benachbarten Punkten auf dem bereits erwähnten Bildschirm angebracht, gemessen werden, daß ein Zeitintervall, in dem sich diese unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen zwischen diesen beiden benachbarten Punkten verändern, auf der Basis von Korrelationsfunktionen bestimmt wird, und daß die Strömungsgeschwindigkeit aus diesem Zeitintervall, das die Ansammlung dieser Luftblasen zur Bewegung von einem zum anderen der . bereits erwähnten Fotosensoren benötigt, berechnet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend eingehend hinsichtlich der typischen Geräte zur Durchführung dieser Erfindung beschrieben.

Figur 1 ist eine schematische Zeichnung der optischen Anordnung für das Wasserströmungsmodul,

die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzt wird. Diese optische Anordnung besteht im wesentlichen aus einem Wassertankmodul 1 (später einfach als Wassertank bezeichnet) zur Erzeugung eines Strömungsfeldes, einer Flüssigkeitsversorgungseinheit 2 zur Lieferung einer Flüssigkeit (Wasser), die Luftblasen 4 enthält und

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beispielsweise durch den Boden des Wassertanks dem Wassertank 1 zugeführt wird, und einer Lichtquelle 3 für die Beleuchtung des im Wassertank befindlichen Strömungsfeldes mit schlitzförmig ausgeblendetem Licht 5. In dieser optischen Anordnung wird die Flüssigkeit, die durch den Boden des" Wassertanks 1 einfließt und ein Strömungsfeld im Wassertank 1 erzeugt, durch die Austrittsöffnung 6 an der Oberkante des Wassertanks 1 herausgeführt und durch ein (nicht gezeigtes) Wasserrohr abgelassen. Da das verbrauchte Wasser keine Fremdpartikel außer Luftblasen enthält und die Luftblasen, außer einem kleinen Teil, erneut im Wasser gelöst werden, kann das verbrauchte Wasser, das wie oben beschrieben abgelassen wurde, gefahrlos in einem unveränderten Zustand in einen in der Nähe befindlichen Abfluß eingeleitet werden. Auf Wunsch kann das verbrauchte Wasser in unverändertem Zustand wieder verwendet werden. Die Flüssigkeit kann von oben in den Wassertank 1 zugeführt werden und durch den Boden abgelassen werden; oder sie kann seitlich durch eine Wand in den Wassertank 1 eingeleitet werden.

Die Flüssigkeitsversorgungseinheit 2, die Wasser zu dem bereits erwähnten Wassertank 1 liefert, enthält die Druckwasseranlage, die nicht gezeigt ist, und eine Blende 9, die in das Rohr 8 eingesetzt ist, das die Druckwasseranlage und die Eintrittsöffnung 7 des Wassertanks 1 verbindet. Der Entgasungsvorgang, der durch einen lokalen Druckabfall des Druckwassers während dessen Durchgang durch die Blende 9 auftritt, bewirkt, daß die im Wasser gelöste und unter Druck transportierte Luft in Form von Luftblasen 4 in der Flüssigkeit austritt. Derart wird die Flüssigkeit, die ein großes Volumen von Luftblasen enthält, in den Wassertank 1 geliefert.

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Die Blende 9 hat mindestens eine kleine Bohrung von nicht mehr als 3 mm Durchmesser. Der Durchmesser dieser kleinen Bohrung in der Blende ist mit dem Durchmesser und der Gleichförmigkeit der Luftblasen 4 verknüpft, die wie oben beschrieben erzeugt werden. Wenn der Durchmesser dieser Bohrung 3 mm übersteigt, werden die Luftblasen 4 ungleichförmig, wodurch genaue oder quantitative Messungen undurchführbar werden. Im allgemeinen liegen, wenn die Luftblasen als Indikator benutzt werden, die Durchmesser der Luftblasen, die für den Zweck der Sichtbarmachung der Strömung optimal sind, hinsichtlich der Abschätzung des möglichen Fehlers, der durch die geringe Fähigkeit der Luftblasen, der Strömung zu folgen und durch den Auftrieb der Luftblasen verursacht wird, wunschenswerterwei.se in dem Bereich von 0,06 bis 0,2 mm. Wenn die Bedingungen, die notwendig sind, um ein zu frühes Auflösen der Luftblasen 4 im Wasser zu verhindern, berücksichtigt werden, ist ein Durchmesser in der Nähe von 0,1 mm wünschenswert. Entsprechend de η Ergebnissen der Experimente(figur 3), die von den Erfindern bei der Suche nach einer Beziehung zwischen dem Durchmesser der Bohrung und den Proportionen der Teilchendurchmesser der erzeugten Luftblasen 4 durchgeführt wurden, ist festzustellen, daß, wenn die Bohrung

einen Durchmesser von 3 mm aufweist, die Luftblasen, die einen Durchmesser von nicht mehr als 0,2 mm aufweisen und die optimal für die Sichtbarmachung der Strömung sind, über 70 % aller erzeugten Luftblasen betragen und diese Luftblasen einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,113 mm und eine im allgemeinen qute Gleichförmigkeit aufweisen, und daß, wenn die Bohrung einen Durchmesser von 4 mm aufweist, die Luftblasen, die einen Durchmesser von nicht mehr

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als 0,2 mm besitzen, etwa 30 % aller Luftblasen betragen und nur geringe Gleichförmigkeit aufweisen.

Die Ergebnisse des Experiments zeigen, daß der wünschenswerte Durchmesser der Bohrung bei oder unter 1,5 mm liegt und daß der optimale Durchmesser zwischen 0,8 mm und 0,5 mm liegt. Der Grund für den unteren Grenzwert von 0,5 mm für den Durchmesser der Bohrung liegt darin, daß eine Bohrung die einen kleineren Durchmesser aufweist, möglicherweise durch Schmutz in der Flüssigkeit verstopft werden kann und an der gleichmäßigen Erzeugung der Luftblasen gehindert wird.Wenn ein Luftfilter, das den Schmutz aus der Flüssigkeit vollständig entfernt, stromaufwärts eingebaut ist, kann die Bohrung einen kleineren Durchmesser als 0,5 mm aufweisen. Entsprechend den Ergebnissen von Figur 3 ist festzustellen, daß, wenn der Durchmesser der Bohrung auf 0,8 mm

2 festgelegt ist und der Wasserdruck bei 9 kg / cm liegt, die erzeugten Luftblasen 4 einen Durchmesser im Bereich von 0,0781 bis 0,2106 mm aufweisen. Diese Durchmesserverteilung wird durch die Auswertung einer fotografischen Vergrößerung mittels eines Mikroskopes bestätigt. In diesem Falle besitzen die Luftblasen einen durchschnittlichen Durchmesser von ungefähr 0,1 mm, der als der optimale Durchmesser für die Sichtbarmachung der Strömung bezeichnet werden kann. Eine gewünschte Zunahme des Strömungsvolumen der

Luftblasen kann durch eine Vergrößerung der Anzahl der Bohrungen in der Blende 9 erreicht werden. Diese zusätzlichen Bohrungen dienen außerdem dazu, die Konstanz der Anzahl von Luftblasen in der Strömung zu gewährleisten.

In dieser Ausführung besteht der Wassertank 1 aus einem lichtdurchlässigen Material, v/ie z.B. Acrylharz oder Glas

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in Form eines rechtwinkligen Zylinders, der einen quadratischen Querschnitt aufweist. Der Wassertank ist an der Oberkante mit einer Entleerungsöffnung und am Boden mit einer Eintrittsöffnung 7 versehen. Wenn beabsichtigt ist, den Wassertank 1 als ο in Wasserströmungsinodul z.B. einer Düse oder eines Brenners

zu benutzen, dann dient er nur als ein Gefäß für die Ausbildung eines Strömungsfeldes. Wenn es beabsichtigt ist, die Strömung einer Flüssigkeit innerhalb eines Ofens sichtbar zu machen, dann wird der Wassertank 1 selbst als Teil dieser Vorrichtung benutzt. Somit ist die Form des Wassertanks 1 nicht auf die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform beschränkt. Der Wassertank 1 kann die Form einer runden Röhre oder eines Winkelrohrs oder jede andere Form aufweisen, die für den Zweck,für den der Wassertank benutzt wird, geeignet ist. Weiterhin ist die Eintrittsöffnung 7, die sich am Boden des Wassertanks 1 befindet, allgemein an ein Modul zur Erzeugung eines zu beobachtenden Strömungsfeldes, z.B. an ein Düsen- oder Brennermodul angepaßt. Wird eine solche Vorrichtung getrennt von der Eintrittsöffnung 7 in dem Wassertank 1 eingebaut, dann bleibt die Strömung, die aus der Eintrittsöffnung 7 ausströmt, unbeeinflußt. In der vorliegenden Ausführungsform sind ein Brennerdüsenmodul 10 und ein Brennerrohrmodul 11 eingebaut. Zur Untersuchung der Bedingung, unter der sich ein Brennstoff mit Luft vermischt, und nur Messung der Mengenverhältnisse beider Fluids, wird gleichzeitig eine Flüssigkeit mit Luftblasen 4 (Brennstoff simulierend) durch das Brennerdüsenmodul 10 und eine Flüssigkeit ohne Luftblasen (Luft simulierend) durch den Umfang als Brennerdüsenmodul eingespritzt, so daß sich beide Flüssigkeiten

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im Brennerrohrmodul 11 vermischen können. Natürlich gibt es keinen Grund, die Anzahl der Eintrittsöffnungen 7 und deren Positionen auf die in der Zeichnung gezeigten zu beschränken. Das Modul zur Untersuchung der Wasserströmung kann beispielsweise den Einbau einer Mehrzahl von Brennern in einem Ofen erfordern, wenn der Einfluß der Anordnung solcher Brenner auf die Warmeverteilung mit Hilfe des Moduls zur Untersuchung der Wasserströmung untersucht werden soll. Da alle Wände des Wassertanks 1 in der vorliegenden Ausführungsform aus lichtdurchlässigem Material bestehen, bildet die Wand selbst, die gegenüber dem menschlichen Beobachter oder dem Beobachtungsinstrument liegt, ein Beobachtungsfenster und die Seite gegenüber der schlitzförmigen Lichtquelle 3 ein Fenster für das einfallende Licht. Nicht alle Wände des Wassertanks 1 müssen aus lichtdurchlässigem Material gefertigt sein. Der Wassertank 1 erfüllt seinen Zweck insofern, als wenigstens die Seiten, die als Beobachtungsfenster dienen/und das Fenster für das einfallende Licht aus solchem Material gefertigt sind. Das Beobachtungsfenster und das Fenster für das einfallende Licht erlauben das Auftreten der unregelmäßigen Lichtreflektion dann unter den besten Bedingungen, wenn sie so angeordnet sind, daß sie mit der Richtung des einfallenden Lichtes 5, das schlitzförmig ausgeblendet ist, einen Winkel im Bereich von 90 bis 145° bilden. Somit müssen diese Fenster in diesen Positionen eingebaut sein, um ihre Aufgaben zu erfüllen. Wenn der Wassertank 1 in Form einer runden Röhre ausgebildet ist, muß der Teil der runden Wand, der einem Winkel von 90 bis 145° des gesamten Umfangs seines Querschnitts entspricht, aus lichtdurchlässigem Material ge-

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fertigt sein, um die Funktion des Wassertanks 1 zu gewährleisten. Wenn die Wände des Wassertanks 1 außer denen, die als Beobachtungsfenster und Fenster für das einfallende Licht dienen, aus einem Material gefertigt sind, das Licht absorbieren kann, wird die Beobachtung der Luftblasen vereinfacht,.weil die Luftblasen durch die unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen deutlicher werden, ohne daß die Beleuchtung in dem Beobachtungsraum vermindert werden muß. Das lichtabsorbierende Material kann für diesen Zweck eine schwarze Beschichtung sein, die auf die Innenseiten der zuvor erwähnten Wände des Wassertanks 1 aufgebracht wird. Wenn der Zustand des Strömungsfeldes in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung, nämlich im Querschnitt des Wassertanks 1 beobachtet wird, fällt der Bereich von 90 bis 145° bezüglich des Lichtes 5, das schlitzförmig ausgeblendet ist und das Strömungsfeld transversal passiert, in die Richtung des Deckels des Wassertanks 1. In diesem Fall muß der Beobachter von oben in den Wassertank 1 sehen jund das Beobachtungsinstrument muß oberhalb des Wassertanks 1 angeordnet sein.

Als schlitzförmige Lichtquelle 3, die das Licht 5 in den Wassertank 1 projiziert, kann jedes der bekannten verfügbaren Mittel für diesen Zweck benutzt werden. Um schlitzförmig ausgeblendetes Licht zu erhalten, kann z.B. eine Platte, die einen Schlitz enthält, in einen Diaprojektor eingesetzt werden. In diesem Fall erlaubt die Vorbereitung mehrerer Platten, die einen Schlitz in unterschiedlichen Richtungen enthalten, dem projezierten Licht 5, das schlitzförmig ausgeblendet ist, die Strömung im gewünschten Querschnitt zu passieren. Wenn das Licht 5, das schlitzförmig ausgeblendet ist, auf die Luftblasen 4 fällt, wird es unregelmäßig reflektiert. Die unregelmäßig reflek-

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tierten Lichtstrahlen sind so beschaffen, daß sie am besten in einem Bereich von 90 bis 145° bezüglich der Richtung des einfallenden Lichtes beobachtet werden.

Wenn die Luftblasen 4 hinreichend kleine und gleichförmige Durchmesser aufweisen, wird angenommen, daß die Intensität der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen der Anzahl der Luftblasen in einem Einheitsvolumen der Strömung, nämlich der Dichte der Luftblasen, direkt proportional ist. Dies bedeutet, daß die Intensität der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen der Konzentration entspricht.

Während des unter Druck stattfindenden Übergangs der Flüssigkeit von der Druckwasseranlage zum Wassertank 1 entwickelt sich die in der Flüssigkeit gelöste Luft aufgrund des Entgasungsvorgangs, der durch den lokalen Druckabfall der unter Druck stehenden Flüssigkeit bei deren Durchgang durch die Bohrung entsteht, zuerst in gedrängter Anordnung in Form von kleine^gleichmäßigen Luftblasen, die optimal für die Sichtbarmachung der Strömung sind. Der Teil der Flüssigkeit, der diese kleinen gleichmäßigen Luftblasen in gedrängter Form enthält, bewirkt im Wassertank 1 das gewünschte Strömungsfeld. Wenn das Licht 5, das schlitzförmig ausgeblendet ist, in das Strömungsfeld projiziert wird, wird es durch die Luftblasen unregelmäßig reflektiert. Die so in der Strömung enthaltenen Luftblasen 4 erscheinen deshalb deutlich in Form von Lichtpunkten, wie es in Figur 4 dargestellt ist. Damit ist die Strömung sichtbar gemacht. In diesem Fall wird angenommen, daß die Intensität der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen direkt proportional der Zahl der Luftblasen in einem Einheitsvolumen der Strömung, nämlich der Dichte

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der Luftblasen proportional ist. Da diese Tatsache einschließt, daß die Intensität der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen der Konzentration direkt proportional ist, kann die Dichteverteilung der Luftblasen in der Strömung, nämlich die Konzentrationen Form der Intensität der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen optisch beobachtet werden.

Die Strömung im Wassertank 1 wird, wie in Figur 2 dargestellt ist, mittels einer Fernsehkamera 20, die vor dem Wassertank angeordnet ist, fotografiert und auf dem Bildschirm eines Fernsehmonitors 21 angezeigt. Dann wird die Konzentrationsänderung oder die Änderung der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen in einem vorgegebenen Punkt auf dem Bildschirm mittels eines Fotosensors 22, der auf dem Bildschirm angebracht ist, gemessen und in Form eines elektrischen Signals, wie z. B. einer Potentialdifferenzänderung, beobachtet.

Obwohl die Flüssigkeitsströmung durch Luftblasen 4 als Indikator sichtbar gemacht verden kann, ist es nicht möglich, eine spezielle Luftblase 4 aus der Ansammlung zahlreicher Luftblasen zu selektieren und die Zeit zu messen, die diese Luftblase zum Zurücklegen der vorgeschriebenen Distanz L benötigt. In dem Strömungsfeld jedoch, das durch den Teil der Flüssigkeit erzeugt wird, der kleine gleichmäßige Luftblasen in gedrängter Form enthält, erscheint der Bewegungsvorgang einer Ansammlung von in einer bestimmten Konzentration vorliegenden Luftblasen als Konzentrationsänderung an einem vorgegebenen Beobachtungspunkt. Der Bewegungsvorgang der Luftblasenansammlung erscheint an einem anderen,dicht benachbarten Punkt als eine Konzentrationsänderung, die eine sehr ähnliche Wellenform aufweist.

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Diese Beobachtungen haben die Erfinder zu der Erkenntnis geführt, daß die Zeit, die die Luftblasenansammlung für die Bewegung über die Distanz zwischen diesen beiden dicht benachbarten Punkten benötigt, als ein Zeitintervall in der Konzentrationsänderung zwischen diesen beiden Punkten aufgefaßt werden kann.

Deshalb wird ein weiterer Photosensor 23 auf dem Bildschirm des Fernsehmonitors 21 so angebracht, daß Konzentrationsänderungen, nämlich Änderungen in den unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen an zwei dicht benachbarten Punkten gemessen werden. Die Photosensoren 22, 23 übersetzen die optischen Signale in elektrische Signale. In der vorliegenden Ausführungsform werden Photodioden als Photosensoren benutzt. Es gibt auch andere Ausführungen von Photosensoren.

Die momentanen Konzentrationsänderungen, die mittels

dieser Photosensoren 22, 23 in elektrische Signale umgesetzt wurden, durchlaufen ein Filter 24, um die im Bildschirm des Fernsehmonitors 21 benutzten Abtastsignale herauszufiltern, und werden dann in einen Kleinrechner 25 eingegeben. In dem Kleinrechner 25 werden das Zeitintervall und die maximale Laufzeit in der Konzentrationsänderung, die an den Meßpunkten auftreten, mit dem Verfahren der Korrelationsfunktionen berechnet. Wie oben aufgezeigt wurde, sind die Konzentrationsänderungen, die an zwei benachbarten Meßpunkten auftreten, wie in Figur 5 dargestellt, ähnlich zueinander. Diese an den betreffenden Meßpunkten auftretenden Konzentrationsänderungen werden statistisch verarbeitet, um die charakteristischen Spitzen zu finden. Dann wird die maximale Laufzeit t auf der Grundlage dieser charakteristischen Spitzen berechnet. Wenn einmal die maximale Laufzeit, nämlich die Zeit At herausge-

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funden ist, die die Luftblasenansammlung für die Bewegung über die Distanz zwischen den beiden Photosensoren 22, 23 benötigt, ist die Geschwindigkeit schnell nach Maßgabe der Formel ν =ÄL/At gegeben, weil der Abstand Al zwischen den beiden Photosensoren 22, 23 vorher festgelegt wurde.

Die so in dem Kleinrechner 25 berechnete Geschwindigkeit wird in die Anzeige 26 eingegeben, an der der gemessene Geschwindigkeitswert auf dem Schirm der Anzeige 2G angezeigt, wird. Weiterhin wird an einem XY-Plotter 27, der die nach — einander gemessenen Werte in ein XY Koordinatensystem einzeichnet, die Geschwindigkeitsänderung zweidimensional angezeigt. An einem Drucker 28 werden diese Änderungen als numerische Werte ausgedruckt.

Die Messung der Helligkeit der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen auf dem Bildschirm des Fernsehmonitors 21 muß so durchgeführt werden, daß der Monitor so eingestellt bleibt, daß der minimale Wert des Meßbereichs von z.B. ungefähr 3 mV gerade in dem dunkelsten Teil der gesamten Meßzone auftreten kann und der maximale Wert des Meßbereichs in dem hellsten Teil auftreten kann. Die Meßpositionen können dadurch geändert werden, daß die Photosensoren 22, 23 auf dem Bildschirm des Fernsehmonitors 21 bewegt werden. Die fotografische Aufnahmeposition kann gut dadurch geändert werden, daß die Fernsehkamera mittels eines Vorschubs (nicht gezeigt) bewegt wird, während die Photosensoren 22, 23 an ihren ursprünglichen Positionen bleiben, weil der Mittelteil des Bildschirms stabilere und größere Helligkeit als die Randzone aufweist. Die Messung der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen muß

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nicht immer gleichzeitig mit der Erzeugung des Strömungsfeldes im Wassertank 1 geschehen. Wenn das im Wassertank 1 erzeugte Strömungsfeld mittels einer Fernsehkamera 20 fotografiert wird, können die so fotografierten Aufnahmen des Strömungsfeldes mit einem Videogerät, das in der Zeichnung nicht gezeigt ist, aufgezeichnet werden. Dann kann die gewünschte Geschwindigkeitsmessung später durchgeführt werden, wobei die aufgezeichneten Bilder auf dem Fernsehmonitor 21 abgespielt werden. Gerade wenn das Strömungsfeld eng begrenzt und kompliziert ist, erlaubt die fotografische Aufnahme unter Benutzung einer Zoom-Linse die verlangte relative Verkleinerung der Photosensoren 22, 23 und eine zuverlässige Messung.

Es wird aus der vorangegangenen Beschreibung deutlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren die Messung der Strömungsgeschwindigkeit dadurch bewirkt, daß das Strömungsfeld in einem Wassertank erzeugt wird mit einer Flüssigkeit, die in gedrängter Form kleine gleichförmige Luftblasen enthält, daß Licht, das schlitzförmig ausgeblendet ist, in das Strömungsfeld projiziert wird, wodurch die Strömung in einem vorgegebenen Querschnitt aufgrund der unregelmäßigen Lichtreflektion der Luftblasen sichtbar gemacht wird, und daß gleichzeitig die unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen mit einer Fernsehkamera fotografiert werden und daß sie auf dem Bildschirm eines Fernsehmonitors angezeigt werden, daß die Änderungen der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen in zwei benachbarten Punkten mit zwei Photosensoren auf dem zuvor erwähnten Bildschirm gemessen werden, daß das Zeitintervall der Änderung der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen in zwei benachbarten Punkten mit Hilfe von Korrelationsfunktionen bestimmt wird,und daß die Geschwindigkeit¹, aus dem Zeitintervall berechnet wird,

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das sich aus der Zeit ergibt, die die Luftblasenansammlung zur Bewegung längs der Strecke zwischen den zuvor
erwähnten beiden Photosensoren benötigt. Somit ist dieses Verfahren imstande, berührungslos die Geschwindigkeit
exakt zu messen. Mit anderen Worten, durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Geschwindigkeitsmessung exakt
erfolgen, weil kein Sensor innerhalb des Strömungsfeldes
eingebaut ist und folglich nichts die Strömung stört.

Da das Strömungsfeld durch eine Flüssig-

keit gebildet wird, die vor der tatsächlichen Geschwindigkeitsmessung Luftblasen enthält und das Licht, das
schlitzförmig ausgeblendet ist, in das Strömungsfeld
projiziert wird, um die Strömung in einem vorgegebenen
Querschnitt sichtbar zu machen, kann mit dem vorliegenden Meßverfahren darüber hinaus die optische Beobachtung der
Strömungsgeschwindigkeit und die qualitative Messung dos
Zustandes des Strömungsfeldes zur gleichen Zeit durchgeführt werden, wie die Geschwindigkeit mit dem Meßinstrument gemessen wird. Außerdem kann die Konzentrationsänderung über das gesamte Strömungsfeld aufgrund der Änderung der unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen sichtbar gemacht werden. Da das erfindungsgemäße Verfahren einen
Aufbau mit einer Fernsehkamera benutzt, mit der das Strömungsfeld fotografiert wird, dann auf einem Fernsehmonitor angezeigt wird und danach einer Messung mit zwei Photosensoren unterworfen wird, ist dieses Verfahren weiterhin imstande, jeden gewünschten Abschnitt des Strömungsfeldes in jeder gewünschten Vergrößerung zu messen. Wenn die Bilder des Strömungsfeldes wie oben beschrieben fotografiert und mit einem Videogerät aufgezeichnet werden,erlaubt das
erfindungsgemäße Verfahren die Geschwindigkeitsmessung
beliebig später durchzuführen, ohne das irgend ein Experiment mit einer tatsächlichen Strömung notwendig ist.

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- 18 Kurzbeschreibung der Zeichnungen:

Figur 1 ist eine schematische Zeichnung, die eine Betrachtungseinheit in einem Wasserströmungsmodul gemäß der Erfindung,

nämlich ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens der Messung der Strömungsgeschwindigkeit darstellt. Figur 2 ist eine schematische Zeichnung, die eine Geschwindigkeitsmesseinheit des Gerätes aus Figur 1 darstellt. Figur 3 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Experimentes zeigt, das durchgeführt wurde, um eine Beziehung zwischen dem Bohrungsdurchmesser und den Proportionen der Luftblasendurchmesser zu finden.

Figur 4 ist eine erklärende Zeichnung, die das sichtbargemachte Strömungsfeld darstellt.

Figur 5 ist ein Diagramm, das die Zustandsänderung der Konzentration zeigt, wie sie mittels der Photosensoren des Gerätes aus Figur 2 gemessen wird.

In den Zeichnungen bezeichnet 1 den Modulwassertank, 4 die Luftblasen, 5 das Licht, das schlitzförmig ausgeblendet ist, 8 ein Rohr, 9 eine Blende, 20 eine Fernsehkamera, 21 einen Fernsehmonitor, 22 und 23 je einen Photosensor, 24 ein Filter und 2 5 einen Kleinrechner.

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Claims

FÜR 1 Nippon Furnace Kogyo Kaisha, Ltd. Tokyo, Japan Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Wasserströmungsmodul Patentansprüche;

1.j Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Modul zur Untersuchung der Wasserströmung, dadurch gekennzeichnet,

daß komprimiertes Wasser in einen Wassertank durch eine Blende geleitet wird, die wenigstens eine Öffnung von nicht mehr als 3 mm Durchmesser aufweist, wodurch ein Entgasungsvorgang eintritt, der durch den lokalen Druckabfall des Wassers bei dessen Durchtritt durch diese

Öffnung verursacht wird, und der ein großes Volumen von kleinen gleichmäßigen Luftblasen in dieser Strömung erzeugt, die in diesem Wassertank ein Strömungsfeld bilden,

daß dieses Strömungsfeld mit Licht, das durch einen Spalt ausgeblendet wird, beleuchtet wird, wodurch dieses Strömungsfeld in einem vorgegebenen Querschnitt aufgrund der unregelmäßigen Lichtreflektion der Luftblasen sichtbar gemacht wird, und

daß die Zeit, während welcher die Ansammlung dieser Luftblasen eine vorgegebene Wegstrecke durchläuft, optisch bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen mit einer Fernsehkamera fotografiert und auf dem Bildschirm eines Fernsehmonitors dargestellt werden, und

daß Änderungen an den dargestellten, unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen mittels zweier Photosensoren an zwei dicht benachbarten Punkten auf dem Bildschirm gemessen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitintervall, in dem sich diese unregelmäßig reflektierten Lichtstrahlen zwischen diesen beiden benachbarten Punkten verändern, auf der Basis von Korrelationsfunktionen bestimmt wird, und

daß die Strömungsgeschwindigkeit aus diesem Zeitintervall, welches diese Ansammlung von Luftblasen auf ihrem Wege von einem zum anderen Photosensor benötigt, berechnet wird.

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