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Schnelle dreidimensionale Messung von Stömungsfeldern

An einem neuen Messplatz der PTB können Strömungsfelder in Rohrleitungssystemen mit Hilfe der Doppler-Global-Geschwindigkeitsmessung untersucht werden. Der Messplatz erlaubt die vollständige Bestimmung aller drei Geschwindigkeitskomponenten eines Strömungsfeldes bei gleichzeitig reduzierter Messzeit.

Darstellung eines gemessenen dreidimensionalen Strömungsgeschwindigkeitsfelds, das einen in der Rohrleitung erzeugten Drall in der Beaobachtungsebene darstellt Im oberen Teil des Bildes bezeichnet u die Axialgeschwindigkeit.

Die detaillierte Charakterisierung von Strömungsfeldern in Rohrleitungssystemen ist von großer wirtschaftlicher Bedeutung, beispielsweise bei der Übergabe und Abrechnung von Erdgas. Dabei hängt die Messabweichung von Gaszählern oft von der installationsbedingten Anströmung der Messgeräte ab. Sie kann in ungünstigen Fällen mehrere Prozent betragen.

Die PTB hat in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Köln, einen Messplatz zur Doppler-Global-Geschwindigkeitsmessung entwickelt. Laser-Doppler-Techniken bestimmen die Frequenzverschiebung von Laserlicht, das von Streuteilchen zurückgestreut wird, die sich in der Strömung mitbewegen, über den Dopplereffekt. Im Gegensatz zu konventionell eingesetzten Laser-Doppler-Anemometern, die diese Verschiebung über optische Schwebungsfrequenzen messen, wird bei der Doppler-Global-Geschwindigkeitsmessung die durch die Bewegung hervorgerufene Frequenzverschiebung auf der Flanke einer steilen Absorptionslinie in eine Intensitätsänderung gewandelt. Das gesamte Beobachtungsfeld wird durch eine Absorptionszelle hindurch auf eine CCD-Kamera abgebildet. Bei dem so erhaltenen Bild entspricht die örtliche Intensität der örtlich aufgelösten Geschwindigkeitsverteilung.

Der neue Messplatz erlaubt schnelle dreidimensionale Geschwindigkeitsmessungen unter Einschluss der radialen Komponente mit einer Ortsauflösung, die prinzipiell nur durch die Anzahl der Bildelemente der CCD-Kamera gegeben ist. Damit kann der Einfluss installationsbedingter Strömungsfelddeformationen auf die Anzeige von Gasdurchflussmessgeräten ermittelt und modelliert werden. Als mögliche weitere Anwendungen bieten sich genaue Gasdurchflussmessungen trotz beliebiger Vorstörungen an.

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