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Kalibriereinrichtung für Vorwärtsstreu-LDA-Systeme

18.09.2013

Laser-Doppler-Anemometer (LDA) in Rückwärtsstreuanordnung werden in vielen Messeinrichtungen als Bezugsnormale eingesetzt. Eine alternative Kalibriermethode, die hier vorgestellt wird, erlaubt auch erstmals die Kalibrierung von LDAs in Vorwärtsstreurichtung mit kleinen Unsicherheiten.

Laser-Doppler-Anemometer (LDA) in Rückwärtsstreuanordnung werden in vielen Messeinrichtungen als Bezugsnormale eingesetzt. Eine alternative Kalibriermethode, die hier vorgestellt wird, erlaubt auch erstmals die Kalibrierung von LDAs in Vorwärtsstreurichtung mit kleinen Unsicherheiten.

Bei der Kalibrierung eines LDA-Messsystems ist die untere Grenze der Messunsicherheit durch die Unsicherheit der Darstellung und durch die Bestimmung der Geschwindigkeit mittels einer rotierenden Scheibe als Primärnormal gegeben. Während das Standard-Kalibrierverfahren die Mantelfläche eines Glaszylinders zur Darstellung der Geschwindigkeit nutzt, wird bei der hier verwendeten Differenzenmethode ein auf der Seitenfläche aufgebrachter Glasträger mit einer Matrix aus lithographisch gedruckten Streuteilchen verwendet. Mit Ortsunsicherheiten der Streuteilchen auf der Matrix von maximal 25 nm ist der relative Unsicherheitsbeitrag der kleinsten Abstandsdifferenz von 2 mm geringer als 10-5 und damit vergleichbar mit der Unsicherheit des Radius der Mantelfläche. Vorteilhaft ist die feste Anbringung der Matrix auf der Mantelfläche des Glaszylinders, die keine Korrektion der Exzentrizität der rotierenden Scheibe erfordert. Einschließlich der Unsicherheitsbeiträge zu Installationsfehlern (Höhenfehler/Winkelfehler) bei der Ausrichtung des LDA-Systems zur Glasscheibe und der Ausrichtung der Matrix kann die erweiterte Messunsicherheit für die Darstellung der Geschwindigkeit sowohl bei der Nutzung der Seitenfläche des Zylinders als auch der Mantelfläche mit Korrektion der Exzentrizität zu < 0,02 % abgeschätzt werden, siehe [1]. Mit der Messung auf der Seitenfläche steht erstmals eine Methode auch zur Kalibrierung von LDAs in Vorwärtsstreurichtung (z. B. Streustrahl-Referenzstrahl-LDAs) zur Verfügung.

Für die Weitergabe der Geschwindigkeit von der rotierenden Scheibe zum Geschwindigkeitsmesssignal des LDAs werden Streuteilchen von der Form eines Siemenssterns mit 16 Strahlen genutzt, siehe Bild 1.

Bild 1: Streuteilchen mit dem Durchmesser von 10 µm von der Form eines Siemenssterns.

Mit acht benutzten Streuteilchen (Siemenssternen) wird die erweiterte Unsicherheit des Mittelwertes des LDA-Streifenabstands mit der hier angewandten Methode geringer als 0,1 % und liegt damit unter der Unsicherheit des Streifenabstands innerhalb des Messvolumens der gängigen LDAs von 0,2 %.

Literatur:

[1] Strunck, V., Pape, N., Eggert, M., Weimann, T., Müller, H.: „Messunsicherheit der Geschwindigkeitsdarstellung zur LDA-Kalibrierung mit normierten Streuteilchen“, 21. Fachtagung, Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik (GALA' 2013), 3. - 5. September 2013, UniBw München, ISBN 978-3-9805613-9-6, Beitrag 8, S. 1 - 8

Ansprechpartner:

Volker Strunck, FB 1.4, AG 1.41, E-Mail: volker.strunck@ptb.de