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Laser-Doppler-Profilsensor zur hochaufgelösten Messung von Strömungsgeschwindigkeitsprofilen

29.06.2016

Die Arbeitsgruppe Strömungsmesstechnik hat Mitte dieses Jahres ein zweijähriges ZIM-Projekt, das in Kooperation mit der TU Dresden und den Firmen ILA GmbH und OPTOLUTION Messtechnik GmbH bearbeitet wurde, erfolgreich abgeschlossen. Ziel des Projektes war die „Entwicklung von Sensorvarianten zur simultanen hochaufgelösten Orts- und Geschwindigkeitsmessung (Profilsensoren) für Laser-Doppler-Velozimeter (LDV)“, wobei die Aufgabe der PTB in der Entwicklung eines industrietauglichen, kostengünstigen und leicht zu adaptierenden Nachrüst-Sensormoduls – inklusive der erforderlichen Signalverarbeitung – bestand. Neben den funktionalen Gesichtspunkten stand dabei die flexible Einsatzmöglichkeit und einfache Integration des Nachrüstmoduls in bereits bestehende Kreuzstrahl-LDV im Vordergrund.

Die Laser-Doppler-Velozimetrie ermöglicht die berührungslose Messung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten in Gasen und Flüssigkeiten über die Erfassung von in der Strömung mitgeführten Streuteilchen. Durchquert ein solches Streuteilchen den Bereich der beiden sich kreuzenden Laserstrahlen eines Laser-Doppler-Velozimeters, generiert es zwei dopplerverschobene Streulichtkomponenten, über deren Überlagerung (Doppler-Signal) die Geschwindigkeit des Teilchens bestimmt wird. Die Ortsauflösung kommerzieller LDV-Systeme ist daher durch den ellipsoiden Kreuzungsbereich (Messvolumen) der beiden Laserstrahlen gegeben und beträgt typischerweise 1 mm bis 10 mm. Einer prinzipiellen Verkleinerung dieses Messvolumens und damit einer Erhöhung der Ortsauflösung sind physikalische und anwendungsspezifische Grenzen gesetzt. Das hier vorgestellte Verfahren ermöglicht neben der Geschwindigkeit eines Teilchens auch den Transitort durch das Messvolumen zu ermitteln, wobei eine Ortsauflösung von 0,3 % der Messvolumenlänge erreicht wird. Bei diesem Referenzstrahl-Streustrahl (RS)-Verfahren wird im Gegensatz zum konventionellen LDV-Verfahren, das in der Regel mit einer (weitgehend beliebig positionierbaren) Empfangsdiode arbeitet, der Empfänger hinter dem Messvolumen in einem der beiden Kreuzstrahlen positioniert. Der Empfänger enthält zwei dicht beeinanderliegende Empfangsdioden, so dass zwei Dopplersignale detektiert werden, die  – abhängig vom Transitort des Teilchens durch das Messvolumen – eine Phasendifferenz aufweisen, über die die Ortsbestimmung bei dem Verfahren erfolgt.

Bei einer Vielzahl von Anwendungen, wie beispielsweise der Erforschung von Grenzschichtströmungen, der Turbulenz- und Wirbelentstehung in der Nähe von Oberflächen oder der Volumenstrombestimmung in Rohrleitungen, besteht der Bedarf einer höheren Ortsauflösung als sie mit momentan kommerziell erhältlichen LDV-Systemen möglich ist. Daher startete vor zwei Jahren in Zusammenarbeit mit der TU Dresden und den Firmen ILA GmbH und OPTOLUTION Messtechnik GmbH das durch das BMWi gefördertes ZIM-Kooperationsprojekt mit dem Ziel der „Entwicklung von Sensorvarianten zur simultanen hochaufgelösten Orts- und Geschwindigkeitsmessung (Profilsensoren) für Laser-Doppler-Velozimeter (LDV)“. Innerhalb des Projektes wurde von Seiten der PTB eine Profilsensorvariante basierend auf dem RS-Verfahren entwickelt, getestet und an die ILA GmbH transferiert. Dazu wurde zunächst ein Empfängermodul inklusive der Signalverarbeitung und Softwareauswertung implementiert. Ein weiterer Schwerpunkt war die Entwicklung und der Test von Strategien zur Geschwindigkeits- und Ortskalibrierung sowohl für Gase (Luft) als auch für Flüssigkeiten (Wasser). Abschließend wurden Testmessungen an Luft- und Wasserströmungsprofilen durchgeführt (siehe Bild 1).

 

Bild 1: Strömungsprofile einer Luftströmung (links) und einer Wasserströmung (rechts) in einem 1,5 mm Kanal. Die Ortsauflösung betrug 20 µm.

 

Die PTB-Profilsensorvariante dient als Nachrüstmodul für bereits bestehende LDV-Systeme und ermöglicht – in gewissen Grenzen – eine Variation der Messvolumenlänge und damit der Ortsauflösung über den Abstand des Empfängermoduls zum Kreuzungspunkt des LDV-Senders.

 

Literatur:

[1] M. Borys, V. Strunck, H. Müller, D. Dopheide: „Interferometrische Ortsauflösung der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Messvolumens eines Referenzstrahl-LDA“,     Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, GALA e.V. Aachen: Shaker (2000), ISBN 3-8265-7809-0, Beitrag 2.1-2.8

Ansprechpartner:

Stefan Oertel, FB 1.4, AG 1.41, E-Mail: Opens window for sending emailstefan.oertel(at)ptb.de