DE3042622C2

DE3042622C2 - Vorrichtung zur Überwachung der Geschwindigkeit und des Durchsatzes von Strömungen

Info

Publication number: DE3042622C2
Application number: DE19803042622
Authority: DE
Inventors: Reinhold 6093 Flörsheim Bolz; Werner 6000 Frankfurt Heinze; Harald Dipl.-Phys. Dr. 6054 Rodgau Schmalfuß; Günter Dipl.-Phys. Dr. 6242 Kronberg Seger
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1980-11-12
Filing date: 1980-11-12
Publication date: 1985-01-03
Also published as: DE3042622A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ueberwachung der Geschwindigkeit bzw. vom Durchsatz von Stroemungen zweiphasiger Fluessigkeiten und Gasen sowie von Aerosolen nach dem Prinzip der Laser-Doppler-Anemometrie, bei der die in dem Streulicht von zwei an der Messstelle zum Schnitt gebrachten kohaerenten Teilstrahlen enthaltene Information ueber die Geschwindigkeit elektronisch ausgewertet wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile bekannter Methoden und Vorrichtungen die Geschwindigkeitsueberwachung von Stroemungen auch in kleinen Rohrnennweiten ohne stoerende Rohreinbauten auch bei Ueberdruck nahe Null bar zu ermoeglichen. Die Vorrichtung sollte so aufgebaut sein, dass sie gegen ionisierende Strahlen unempfindlich ist und moeglichst keine Kontamination von einzelnen Bauteilen erfolgt. Ferner sollte sie einfach zu warten sein, auch beim Einsatz in radioaktiven Bereichen eine quantitative Messung gewaehrleisten und den sicherheitstechnischen Anforderungen genuegen. Diese Aufgabe laesst sich dadurch loesen, dass das Laserlicht vor der Strahlteilung in einen Einzelwellenleiter gefuehrt wird und das Streulicht in einen Vielwellenleiter eingekoppelt und zum optischen Empfaenger transportiert wird. ...U.S.W

Description

Die Erfindung betrifft ei;ic Von ^htung zur Überwachung der Geschwindigkeit und des Durchsatzes von Strömungen zweiphasiger Flüssigkt ien sowie von Gasen und Aerosolen, aufgebaut nach dem Prinzip des Laser-Doppler-Differenzverfahrens in Rückwärtsstreuung, bestehend aus einer Lichtquelle, einem optischen Meßkopf, einer Auswerteelektronik und einem optischen Empfänger, wobei Lichtleitfasern zur Ein- und Auskopplung des Beleuchtungslichts sowie des Rückwärts-Streulichts vorgesehen sind.

Es ist bekannt, daß mit der Laser-Doppler-Anemometrie Strömungsgeschwindigkeiten gemessen werden können, wobei die in dem Streulicht von zwei an der Meßstelle zum Schnitt gebrachten kohärenten Teilstrahlen enthaltene Information ausgewertet wird. Vorrichtungen, die nach dem konventionellen Prinzip der Zweistrahl-Laser-Doppler-Anemometrie aufgebaut sind, haben jedoch den Nachteil, daß sie entweder störanfällig und wartungsproblematisch sind, weil Lichtquelle und Photoempfänger sich nahe am Meßort befinden oder sie sind justieraufwendig und störanfällig, wenn Lichtquelle und Photoempfänger weiter vom Meßort entfernt sind, jedoch über konventionelle Strahlführung gelenkt werden. Mit bekannten Vorrichtungen dieser Art sind auch sicherheitstechnische Anforderungen schwer erfüllbar. Die Vereinigung der optischen Elemente eines Laser-Doppler-Anemometers, das mit Rückwärts-Streulicht arbeitet, zu einem Meßkopf, ist aus der DE-AS 23 23 593 bekannt. Ferner wird in »Review of Scientific Instruments«, Vol.51, Nr. 9, 1980. Seiten 1258 bis 1262. die Verwendung von Lichtleitern bei Laser-Doppler-Anemometrie am Laser und am optischen Empfänger beschrieben. Die eingesetzten Lichtleiter sind Vielwellenleiter, die zur Einkopplung des Beleuchtungslichts keine zufriedenstellenden Ergebnisse liefern. Außerdem handelt es sich um eine Homodync-Messung, bei der zur Beleuchtung das Licht der Faser ohne Aufspaltung auf die Meßstellc geschichtet

wird. Deshalb ist die Signalanalyse komplizierter und nicht so präzise wie bei einem Heterodyne-Verfahren, bei dem die Beleuchtungswelle aufgespalten und unter verschiedenem Winkel auf die Meßstelle gerichtet wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der die Geschwindigkeitsüberwachung berührungslos, einfach, genau und in Unabhängigkeit von Teilchenkonzentration durchgeführt werden kann. Die Vorrichtung sollte so aufgebaut

ίο sein, daß sie gegen ionisierende Strahlen unempfindlich ist und möglichst keine Kontamination von einzelnen Bauteilen erfolgt Ferner sollte die erfindungsgemäße Vorrichtung einfach zu warten sein, auch beim Einsatz in radioaktiven Bereichen eine quantitative Messung gewährleisten und den sicherheitstechnischen Anforderungen genügen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst. daß zur Einkopplung des Beleuchtungslichts ein Einzelwellenleiter und zur Auskopplung des Rückwärts-Streulichts ein Vielweitenleiter vorgesehen sind und daß in der Auswerteelektronik mindestens zwei Bandpaßfilter vorhanden sind, deren Signale in Abhängigkeit von dem Gesamtstreulicht durch geregelte Verstärkung nomierbar sind. Vorzugsweise sind in der Auswerteelektronik mindestens zwei Zeitintegratioasglieder und Komparatoren vorgesehen, die einen Vergleich mit vorgegebenen Grenzwerten ermöglichen.

Die durch die vorliegende Erfindung erzielten Vorteile sind darin zu sehen, daß der optische Meßkopf. Laser. Photoempfänger und Auswerteelekironik in weitem Rahmen beliebig, ohne Justierprobleme positionier; werden können. Ferner enthält der optische Meßkopf nur passive Bauteile, die materialmäßig so ausgelegt werden können, daß kein nennenswerter Verschleiß selbst in radioaktiver Umgebung auftritt. Die Bauteile Laser und Elektronik, die einer Wartung und Instandsetzung bedürfen, können an problemlos zugänglichen Orten untergebracht werden. Da die Verbindung nur übei zwei dünne Lichtleitfasern erfolgt, die auf einer beliebigen Wegstrecke gasdicht mit der Umgebung vergosser werden können, sind auch sicherheitstechnische Probleme leicht lösbar. Die Signalauswertung ist im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren in einer kostengünstigen und kompakten Bauweise realisierbar. Das Photosignal kann im Bedarfsfall ohne Änderung der optischen Komponenten direkt zur quantitativen Messung verwendet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnung näher erläutert.

In der schematisch dargestellten Ausführungsform wird der ΓΕοο-Mode eines Dauerstrich-Lasers 1 (Gasoder Festkörperlaser, Laserdiode) in einen an dessen Wellenlänge angepaßten Einzelwellenleiter 2 eingekoppelt. Das Licht wird dann durch die Linse 3 parallelisiert und im Strahlteiler 4 aufgeteilt. Im Strahlengang der beiden Teilstrahlen ist ein entsprechend dem Auftreffpunkt der beiden Teilstrahlen durchbohrter Spiegel 5 angeordnet. Die beiden Teilstrahlen werden durch die Linse 6 vereinigt, wobei genau am Kreuzungspunkt ge messen wird. Hierzu weist das das Strömungsmedium enthaltende Rohr 7 ein Fenster 8 auf. Der Streulichtkcgel wird durch dieselbe Linse 6 aufgefangen und nach Ablenkung durch den Spiegel 5 mittels einer Linse 9 auf den Vielwellenleiter 10 fokussiert. Vor der Linse 9 kann auch eine Blende 11 vorhanden sein, um störendes Licht abzuhalten oder die Lichtmenge zu regeln. Der Viclwcllcnleiter 10 führt zum optischen Empfänger 12 der vor

zugsweise ein Photo-Multiplier, eine Photodiode bzw. eine Avalanche-Diode ist und außerhalb des Meßkopfes

13 angebracht wird. Die im Photoempfänger erzeugten elektrischen Signale werden in der Auswerteelektronik

14 in einem Verstärker 15 verstärkt und dann einer Frequenzfilterung durch mindestens zwei Bandpässe 16 unterworfen. Der Frequenzgang des Filters wird dabei durch die vorgegebenen Geschwindigkeitsminima und -maxima sowie die Strahlengeometrie am Meßort bestimmt. Das danach entstandene Signal wird durch einen variablen Verstärker 17 auf die Gesamtstreulichtleistung normiert und sodann in ein Integrationsglied 18 mit einstellbarer Integrationszeit geführt. Das Ergebnis wird über mindestens zwei JComparatoren 19 mit einem durch die einstellbaren Schwellen 20 vorgegebenen Wert verglichen. Zur Einregelung der Verstärker 17 ist ein Tiefpsßfilter 21, ein Integrator 22 und ein Regelglied 23 vorgesehen. Diese Regelschaltung ist vorteilhaft, falls zu viele oder zu wenige Streuteilchen im Strömungsmedium vorhanden sind. Das Regelglied ermöglicht die Eliminierung des Einflusses der einzelnen Teilchenkonzentrationen. Tritt eine Über- oder Unterschreitung der vorgesehenen Strömungsgeschwindigkeit auf, die länger als eine vorwählbare Zeit andauert, so wird ein elektronischer Schaltimpuls erzeugt, der zur Ansteuerung von Warngeräten eingesetzt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

30

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55

bö

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Überwachung der Geschwindigkeit und des Durchsatzes von Strömungen zweiphasiger Flüssigkeiten sowie von Gasen und Aerosolen, aufgebaut nach dem Prinzip des Laser-Doppler-Differenzverfahrens in Rückwärtsstreuung, bestehend aus einer Lichtquelle, einem optischen Meßkopf, einer Auswerteelektronik und einem optischen Empfänger, wobei Lichtleitfasern zur Ein- und Auskopplung des Beleuchtungslichts sowie des Rückwärts-Streulichts vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkopplung des Beleuchtungslichts ein Einzelwellenleiter (2) und zur Auskopplung des Rückwärts-Streulichts ein Vielwellenleiter (10) vorgesehen sind und daß in der Auswerteelftktronik (14) mindestens zwei Bandpaßfilter (16) verbanden sind, deren Signale in Abhängigkeit von dem Gesamtstreulicht durch geregelte Verstärkung (17) normierbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteelektronik (14) mindestens zwei Zeitintegrationsglieder (18) und Komparatoren (19) vorgesehen sind, die- einen Vergleich mit vorgegebenen Grenzwerten ermöglichen.