Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Doppler-Global-Geschwindigkeitsfeldmessungen mit nur einer Kamera

03.11.2005

Mit einem neu entwickelten FSK (Frequency Shift Keying)-Verfahren kann die bei bisherigen Doppler-Global-Velocimeter (DGV)-Systemen erforderliche Referenz-kamera entfallen und die Messunsicherheit für die Geschwindigkeitsfeldmessung gegenüber konventionellen Systemen drastisch reduziert werden. Damit konnten bei reduziertem technischem Aufwand Ganzfeldmessungen instationärer Geschwindigkeitsfelder erstmals mit einer zeitlichen Auflösung von 0,5 s und einer Geschwindigkeitsauflösung von 0,1 m/s (bisher ca. 4 m/s) durchgeführt werden. Weiterhin wurden in einer Rohrströmung bereits Wirbelstrukturen mit Rotationsgeschwindigkeiten im Bereich von 0,3 m/s gemessen.

Die Doppler Global Velozimetrie ist ein spektroskopisches Verfahren zur Geschwindigkeitsfeldmessung, das auf dem Einsatz von Absorptionszellen für die Auswertung der Dopplerverschiebung von Streulicht aus der Lichtschnittebene einer zu untersuchenden Strömung beruht. Dabei setzt ein steilflankiges Absorptionsfilter Dopplerverschiebungen in Intensitätsänderungen des durch eine Absorptionszelle transmittierten Streulichts um. Um Einflüsse von Laserleistungsschwankungen und Inhomogenitäten innerhalb des Lichtschnitts zu vermeiden, wird das durch die Absorptionszelle transmittierte Streulicht auf das direkt empfangene Streulicht normiert. Hierzu sind zwei Kameras erforderlich, die als Mess- und Referenzkamera pixelgenau aufeinander ausgerichtet werden müssen. Notwendige Voraussetzungen für dieses Verfahren zur absoluten Geschwindigkeitsmessung sind die Frequenzstabilisierung der Laserquelle auf einen definierten Arbeitspunkt innerhalb der Absorptionslinie und die Kalibrierung der Absortionszellentransmission. Die größten Messunsicherheitsanteile entstehen bei den bisher realisierten DGV-Messsystemen durch unvermeidbare Pixeldejustagefehler, sowie durch Instabilitäten der Absorptionszelle und deren Kalibrierung. In der Literatur wird die Messunsicherheit bisher eingesetzter Systeme mit ca. 4 m/s abgeschätzt; nur mit aufwendig optimierten Systemen konnte bisher eine minimale Unsicherheit von 0,5 m/s erzielt werden.

Die Einsparung der Referenzkamera stellt ein großes Potenzial zur drastischen Reduzierung von Fehlereinflussgrößen dar, die zum Beispiel durch unvermeidbare Pixeldejustagefehler von Mess- und Referenzbild, Polarisationsabhängigkeiten bei der Intensitätsteilung in Referenz- und Messbildpfad, unterschiedliche Bildverzerrungen von Mess- und Referenzbild, etc. gegeben sind.

Mit dem in der PTB für die Doppler-Global-Velozimetrie entwickelten FSK (Frequency Shift Keying) -Verfahren kann nicht nur die bei bisherigen DGV-Systemen erforderliche Referenzkamera entfallen, sondern auch eine Selbstkalibrierung des Gesamtsystems einschließlich Absorptionszellentransmission während des Messvorgangs vorgenommen werden. Hierdurch ist es möglich, die Messunsicherheit gegenüber konventionellen Systemen drastisch zu reduzieren.

Bisher durchgeführte Messungen von Geschwindigkeitsfeldern belegen, dass mit der neuen FM/FSK-DGV-Technik bei geringerem technischen Aufwand und einer zeitlichen Auflösung von 0,5 s bereits eine Geschwindigkeitsauflösung von 0,1 m/s erreicht wird. Die Abbildung (Bild 1) zeigt das Ergebnis einer 3-Komponenten-Geschwindigkeitsfeldmessung in einem Rohr mit 20 cm Durchmesser, ca. 4 m hinter einem Doppelkrümmer. Man erhält eine deutlich verbesserte Geschwindigkeitsauflösung gegenüber den bisherigen Messungen mit einem konventionellen 2-Kamera-DGV-System. Im Gegensatz zu vorangegangenen Messungen mit einem konventionellen 2-Kamera-DGV-System, lassen sich mit dem neuen FM-FSK-DGV noch Wirbelstrukturen mit Rotationsgeschwindigkeiten von unter 0,3 m/s auflösen.

Messung eines drallbehafteten Rohrströmungsfeldes

Bild 1: Messung eines drallbehafteten Rohrströmungsfeldes

Ansprechpartner:

Harald Müller, FB 1.4, AG 1.41, E-mail: harald.mueller@ptb.de