DE3518800C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen Messung dreier Geschwindigkeitskomponenten mit Methoden der Laser- Doppler-Anemometrie unter Verwendung zweier kontinuierlich emittierender Laser zur Erzeugung von drei verschiedenfarbige Interferenzstreifensystemen in einem Meßvolumen.

Bei vielen Strömungsuntersuchungen ist die gleichzeitige Messung aller drei Komponenten der Strömungsgeschwindigkeit von Interesse. Für die meisten Strömungen ist z. B. die Schubspannung eine der wichtigsten Kenngrößen, die nur durch gleichzeitige Erfassung aller drei Komponenten des Geschwindigkeitsvektors ermittelt werden kann. In der Laser-Doppler-Anemometrie, in der kleine Teilchen als Indikatoren für die Strömungsgeschwindigkeit ver­ wendet werden, bedeutet dies, daß entweder alle drei Geschwin­ digkeitskomponenten jedes einzelnen Teilchens oder drei Kom­ ponenten verschiedener Teilchen, die in kurzen Zeiten aufein­ anderfolgen, aufgenommen werden müssen. Die zulässige Dauer des Zeitintervalls hängt dabei von der Zeitskala der Turbulenz in der Strömung ab. Sie liegt z. B. bei Überschallströmungen im Bereich weniger Mikrosekunden.

Die Laser-Doppler-Anemometrie, welche die Grundlage der hier beschriebenen Erfindung ist, wird gelegentlich auch als Doppler- Differenz-Verfahren oder Streifenanemometrie bezeichnet (B. Lehmann, H. J. Pfeifer, H. D. vom Stein, DE-OS 16 73 403).

Der Grund hierfür ist, daß gleichzeitig zwei Teilstrahlen eines Lasers auf das sich bewegende Objekt ge­ richtet werden, dessen Geschwindigkeit gemessen werden soll.

Wegen des unterschiedlichen Winkels erfahren die beiden Strahlen leicht unterschiedliche Dopplerverschiebungen bei der Streuung und es wird die Differenz der Verschiebungen als Maß der Ge­ schwindigkeit verwendet. Eine äquivalente Erklärung geht davon aus, daß die beiden Teilstrahlen ein Interferenzstreifenmuster in ihrem Überlagerungsgebiet erzeugen, und daß ein Objekt, welches dieses Streifensystem durchquert, abwechselnd hell und dunkel erscheint und damit ein moduliertes Streulichtsignal abgibt, dessen Frequenz proportional zur Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu den Interferenzstreifen ist. Im einfachen Falle ist ein solches Streifenanemometer also nur in der Lage eine einzige Geschwindigkeitskomponente zu erfassen.

In der Vergangenheit wurden mehrere optische Anordnungen be­ schrieben, welches es erlauben, mit Methoden der Laser-Doppler- Anemometrie drei Geschwindigkeitskomponenten gleichzeitig zu erfassen. Sie alle sind Erweiterungen von Zwei-Komponenten- Verfahren, die mit zwei verschiedenen Farben eines Argon-Ionen- Lasers arbeiten. Für diese Zwei-Komponenten-Verfahren werden die beiden starken Emissionslinien bei den Wellenlängen 488 nm und 515 nm ausgefiltert und hiermit werden im Meßvolumen zwei Interferenzstreifensysteme erzeugt, wobei die verschiedenfarbigen Streifen unter einem großen Winkel, im allgemeinen 90 Grad, gegeneinander angeordnet sind. Die Ausfilterung sowohl bei der Erzeugung des Interferenzstreifensystems als auch beim Empfang des Streulichtes erfolgt entweder mit dichroischen Farbteilern, mit Interferenzfiltern oder mit Dispersionselementen.

Die bestehenden Drei-Komponenten-Systeme können in eine Reihe von Kategorien eingeteilt werden. In der ersten wird einfach eine dritte Linie des Argon-Ionen-Lasers benutzt, um ein drittes Interferenzstreifensystem zu erzeugen, dessen Orientierung gegenüber den beiden anderen einen großen Winkel aufweist (W. J. Yanta, A Three Dimensional Laser Doppler Velocimeter for Use in Wind Tunnels, ICIASF"79 Record, IEEE Publication 79 CH 1500-8 AE, pp. 294-301, 1979). Dieses Verfahren leidet unter zwei Nachteilen. Zum einen hat die drittstärkste Linie des Argon-Lasers eine wesentlich geringere Leistung als die beiden genannten Linien. Zum anderen liegt diese Linie mit einer Wellenlänge von 477 nm nur um 11 nm von der Linie mit 488 nm getrennt. Dichroische Elemente können eine Trennung der beiden Linien nicht mehr vornehmen, Interferenzfilter sind in diesem Falle mit großen Verlusten behaftet und Dis­ persionselemente benötigen bei so geringem Linienabstand große optische Wege und verursachen damit Instabilitäten der gesamten Anordnung. Die gleiche Feststellung gilt für die Argon-Laser- Linie bei 497 nm, die beinahe genau so stark ist.

Die zweite Anordnung zur gleichzeitigen Messung dreier Komponenten benützt nur die zwei stärksten Linien des Argon-Ionen-Lasers. Zusätzlich zu den vier Strahlen des zugrundeliegenden Zwei- Komponentensystems wird ein fünfter Teilstrahl entweder bei der Wellenlänge 488 nm oder 515 nm in das Meßvolumen eingestrahlt ("LDV System 9100-11 for Three Component Measurement", Firmen­ schrift der Firma TSI, Inc. 500 Cardington Road, St. Paul, Minnesota 55 164, USA). Er erzeugt ein drittes Streifensystem längs der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen. Die Signal­ trennung erfolgt hier auf elektronischem Wege. Ein beträchtlicher Nachteil dieser Anordnung ist, daß aus physikalischen Gründen in einem der Interferenzstreifensysteme der Interferenzstreifen­ abstand extrem klein sein muß, z. B. 1-2 µm, weil er sonst im dritten System zu groß wird. Wegen dieses kleinen Streifenab­ standes ist das Verfahren nur für sehr niedrige Geschwindigkeiten geeignet, in keinem Falle jedoch für Geschwindigkeiten über 100 m/s.

In einem dritten System für Drei-Komponenten-Messungen werden ebenfalls zwei Farben eines Argon-Ionen-Lasers verwendet. Mit einer dieser Farben werden zwei zueinander senkrechte Streifen­ systeme erzeugt, die verschieden polarisiert sind. Die dritte Komponente wird mit der zweiten Farbe erfaßt ("Laser Doppler Anemometry", Seiten 44 und 45, Firmenschrift der Firma DISA Elektronik A/S, Mileparken 22, 2740 Skovlunde, Dänemark). Trennung zweier Komponenten mit Hilfe der Polarisation ist jedoch nur möglich, wenn die Partikel die Polarisationsrichtung bei der Streuung nich verändern. Dies ist aber sehr häufig der Fall, so daß ein Übersprechen der zwei Messungen im allgemeinen nicht auszuschließen ist.

Ein ähnlicher Aufbau benutzt ebenfalls eine Farbe zur Messung zweier Komponenten. Hier erzeugen zwei Bragg-Zellen mit unter­ schiedlicher Betriebsfrequenz gleichzeitig die Strahltrennung in vier Teilstrahlen und eine unterschiedliche Bewegungsge­ schwindigkeit der entstehenden, nahezu senkrecht zueinander an­ geordneten Interferenzstreifen im Meßvolumen (F. L. Heltsley, F. L. Crosswy and D. Brayton, Transonic Wing/Store Flow Field Measurement Using a Laser Velocimeter, Technical Report AEDC-TR-80-54, 1980, Arnold Engineering Development Center, Arnold Air Force Station, Tennessee 37389, USA). Die Trennung der beiden Geschwindigkeitskomponenten erfolgt wiederum auf elek­ tronischem Wege. Die dritte Komponente wird hier ebenfalls mit der zweiten Farbe bestimmt. In Strömungen hoher Turbulenzen, die bei Störungsuntersuchungen die interessantesten sind, ist die Trennung der beiden zuerst genannten Signale schwierig und in vielen Fällen unmöglich.

Ein weiteres Verfahren erfaßt die dritte Komponente mit Hilfe des direkten Doppler-Effektes. Hierzu wird das von den Partikeln zurückgestreute Licht teilweise mit ursprünglichem Laserlicht überlagert. Die dabei entstehende Differenzfrequenz ist ein direktes Maß für die Geschwindigkeitskomponente entlang der Ausbreitungsrichtung der Strahlen. Dieses Verfahren arbeitet nur in Rückwärtssteuerung, ist deswegen auf kleine Geschwindig­ keiten beschränkt und kann nur große, träge Teilchen er­ fassen.

In der Patentschrift DE 31 06 025 C2 zeigt B. Lehmann, daß es ebenfalls möglich ist, mit dem direkten Doppler-Verfah­ ren nach Smeets drei Geschwindigkeitskomponenten gleich­ zeitig zu erfassen. Wesentliche Eigenschaften des Strei­ fenanemometers gehen dabei aber verloren, z. B. die Möglich­ keit, einzelne Partikel zu beobachten, in der energetisch günstigen Vorwärtsstreuung arbeiten zu können und die Ver­ wendungsmöglichkeit einfacher Laser mit geringer Kohärenz­ länge.

Schließlich ist ein Verfahren zu erwähnen, welches zwei Argon-Ionen-Laser benutzt. Einer davon erzeugt das übli­ che Zweifarben-System mit den Wellenlängen 488 nm und 515 nm, und der zweite erzeugt ein Interferenzstreifensystem mit der Wellenlänge 477 nm (A. Boutier, "Three Dimensional Laser Velocimetry: A Review", Proc. Second Intern. Symposium on Applications of Laser Anemometry to Fluid Mechanics, paper No. 10.5, 1984, Instituto Superior Tecnico, Mech. Engn. Dept., 1096 Lisboa codex, Portugal). Der Unterschied zum zuerst genannten Verfahren liegt darin, daß für das Zwei-Farben-System ein relativ schwacher und für die drit­ te Farbe ein starker Laser verwendet werden. Die obenge­ nannten Nachteile dieses Drei-Farben-Systems hinsichtlich des geringen Abstandes der Wellenlängen bleiben erhalten, zusätzlich jedoch ist der apparative Aufwand durch einen teuren Argon-Laser erheblich gestiegen. Als einziger Vor­ teil gegenüber dem zuerst genannten Verfahren ist zu ver­ merken, daß die Streulichtamplitude für alle drei Farben etwa gleich groß ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur gleichzeitigen Messung dreier Geschwindigkeitskomponenten mit Methoden der Laser-Doppler-Anemometrie der angegebenen Gattung derart zu verbessern, daß mit einem vergleichswei­ se sehr geringen Aufwand die Meßgenauigkeit wesentlich er­ höht werden kann und weitgehendst von der Größe der Ge­ schwindigkeit eines zu messenden strömenden Mediums abhängig wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeich­ nungsteil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Es wird somit die Möglichkeit geschaffen, zwei verschieden­ artige, kontinuierlich emittierende Laser zur Erzeugung dreier Interferenzstreifensysteme zu verwenden. Um alle Pro­ bleme zu vermeiden, die unter Zugrundelegung eines Argon- Ionen-Lasers damit verbunden sind, daß bei diesem Laser die Wellenlängen zu nahe beieinander liegen, wird erfindungsge­ mäß als dritte Farbe die Wellenlänge eines anderen Lasers (Farbstofflasers) verwendet, die beispielsweise bei ca. 600 nm liegen kann. Dieser weitere Laser wird mit einem Teil des Argon-Laserstrahls gepumpt, während der andere Teil der Ar­ gon-Laserstrahlung zur Erzeugung zweier verschiedenfarbiger Interferenzstreifensysteme im Meßvolumen verwendet wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich die Intensi­ tät aller drei Interferenzstreifensysteme im Meßvolumen einer­ seits sehr hoch einstellen, andererseits aber auch etwa gleich einstellen, so daß dann für alle drei Komponenten Streulichtsignale gleich hoher Qualität erzeugt werden. Ein Übersprechen von einem Signal auf das andere wird dadurch vollständig ausgeschlossen. Darüber hinaus ist auch der op­ tische Aufwand, trotz des Einsatzes eines zusätzlichen Lasers, vergleichsweise sehr gering bzw. sehr viel geringer als bei den bekannten Verfahren und es läßt sich schließlich auch die Anzahl der zu verwendenden optischen Elemente beträcht­ lich reduzieren.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 11.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur schematisch eine Anordnung zur Durch­ führung des Verfahrens mit Merkmalen nach der Erfindung zeigt.

Der Strahl 1 am Ausgang eines Argon-Lasers 2 mit einer Lei­ stung von mehr als 5 Watt in allen Farben wird auf eine Strahlteilerplatte 3 gerichtet. Diese läßt 80% der Laser­ leistung in Richtung auf den Farbstofflaser 4 durchtreten und lenkt die restlichen 20% in die Richtung des Zweikompo­ nentensystems 5. Das Zweikomponentensystem ist konventionel­ ler Art, d. h. es trennt die Linien bei den Wellenlängen 488 nm und 515 nm mit dichronischen Elementen. Hierdurch werden in das Meßvolumen 6 drei Strahlen 7 fokussiert. Davon hat ein Strahl die Wellenlänge 488 nm, der andere 515 nm und der dritte Strahl beide Wellenlängen gleichzeitig. Dadurch entstehen zwei verschiedenfarbige Interferenzstreifensyste­ me im Meßvolumen 6, die unter einem großen Winkel zueinan­ der orientiert sind.

Der aus dem Farbstofflaser 4 austretende gelbe Strahl mit der Wellenlänge von ca. 600 nm wird mit den Umlenkspiegeln 8 und 9 in ein konventionelle Einkomponentensystem 10 ein­ gespiegelt, welches zwei Teilstrahlen 11 gleicher Leistung erzeugt. Dadurch wird hier ein drittes Interferenzstreifensystem im Meßvolumen 6 erzeugt, dessen Orientierung gegenüber den beiden anderen eben­ falls einen großen Winkel aufweist.

An den Farbstofflaser wird nur die Anforderung gestellt, daß er eine Ausgangsleistung erzeugt. Andere Eigenschaften, wie Frequenz- oder Leistungsstabilität, sind nicht notwendig, so daß es sich um das einfachste Modell eines solchen Lasers handeln kann.

Bei der Erzeugung aller drei Interferenzstreifensysteme werden Bragg-Zellen verwendet, so daß für alle drei Komponenten auch das Vorzeichen der Geschwindigkeit erfaßt werden kann.

Wegen der großen Abstände der drei hier verwendeten Farben ist es ohne weiteres möglich, bei der Erfassung der Streulichtsignale die drei Geschwindigkeitskomponenten zu trennen. Für die blaue Farbe bei 488 nm und die grüne bei 515 nm wird hierzu jeweils ein ungeblocktes Interferenzfilter eingesetzt, während für die gelbe Farbe bei 600 nm sogar schon ein einfaches Kantenfilter genügt.

Claims (11)

1. Verfahren zur gleichzeitigen Messung dreier Geschwin­ digkeits-Komponenten mit Methoden der Laser-Doppler-Anemo­ metrie unter Verwendung zweier kontinuierlich emittieren­ der Laser zur Erzeugung von drei verschiedenfarbigen Inter­ ferenzstreifensystemen in einem Meßvolumen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die drei verschiedenfarbi­ gen Interferenzstreifensysteme im Meßvolumen mit wenigstens drei Laserstrahlen erzeugt werden, deren Wellenlängen sich voneinander um mindestens 25 nm unterscheiden und die un­ ter einem großen Winkel gegeneinander orientiert sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• a) das von einem ersten Laser (2) emittierte Licht (1) in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird,
• b) der eine Teilstrahl zur Erzeugung zweier verschiedenfar­ biger Interferenzstreifensysteme im Meßvolumen (6) ver­ wendet wird,
• c) der andere Teilstrahl zum Pumpen des zweien Lasers (4) verwendet wird, und
• d) das von dem zweiten Laser (4) emittierte Licht zur Er­ zeugung des dritten Interferenzstreifensystems im Meß­ volumen (6) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als erster Laser ein Argon- Ionen-Laser (2) und als zweiter Laser ein Farbstoff-Laser (4) verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung des La­ serlichts des ersten Lasers in zwei Teilstrahlen derart er­ folgt, daß diese unterschiedliche Leistung, vorzugsweise im Verhältnis von etwa 80 : 20 aufweisen, wobei der Teilstrahl mit dem größeren Leistungsniveau zum Pumpen des zweiten La­ sers (4) verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem einen Teilstrahl drei Strahlen (7) gebildet werden, von denen ein erster eine Wellenlänge von ca. 488 nm, von denen ein zweiter eine Wel­ lenlänge von ca. 515 nm und von denen der dritte Strahl bei­ de Wellenlängen von 488 nm und 515 nm gleichzeitig enthält.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die drei Strah­ len (7) unter einem großen Winkel zueinander orientiert in das Meßvolumen (6) hinein fokussiert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem zweiten La­ ser (4) emittierte Laserlichtstrahl eine Wellenlänge von ca. 600 nm aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aus dem Laserlichtstrahl des zwei­ ten Lasers (4) zwei Teilstrahlen (11) gleicher Leistung ge­ bildet werden und in das Meßvolumen (6) fokussiert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Erzeugung aller drei In­ terferenzstreifensysteme Bragg-Zellen verwendet werden.

10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Intensität für alle drei Interferenzstreifensysteme im Meßvolumen (6) gleich groß eingestellt wird.

11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Auswertung der aus dem Meßvolumen (6) erhaltenen Streulichtsignale zwei ungeblockte Interferenzfilter und ein einfaches Kantenfilter verwendet werden.