03.11.2010
Durch den Einsatz neuer Verfahren konnte die Messunsicherheit in der Doppler-Global-Velocimetry zur Erfassung von Strömungsgeschwindigkeitsfeldern signifikant reduziert werden.
Optische Verfahren kommen in vielen Anwendungsbereichen der Strömungsmesstechnik zum Einsatz. Eines dieser Verfahren ist die Doppler-Global-Velocimetry (DGV), die eine Messung von dreikomponentigen Strömungsgeschwindigkeitsfeldern erlaubt. Hierzu wird eine Messebene über Laserlichtschnitte aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet und aus der Doppler-Frequenzverschiebung des Streulichts von der Strömung schlupflos folgenden Streupartikeln (Seeding) auf die Geschwindigkeit des Mediums geschlossen. Die Frequenzverschiebung wird dabei mithilfe einer Absorptionszelle als frequenzabhängiges Filter in Intensitätsänderungen des Streulichts umgewandelt (Bild 1). Konventionelle Systeme nutzen zwei Kameras, um die Intensität vor und nach der Absorptionszelle miteinander zu vergleichen. Durch unterschiedliches Verhalten beider Kameras, sowie durch änderungen der Filtercharakteristik, können hierbei jedoch systematische Messabweichungen von bis zu 5 m/s entstehen.
Bild 1: Prinzip der Doppler-Global-Velocimetry
Im Rahmen einer Dissertation wurde ein selbstkalibrierendes DGV-Verfahren entwickelt, welches nicht mit zwei Kameras das Licht vor und nach der Zelle, sondern mit einer einzigen Kamera Bildfolgen bei verschiedenen Laserfrequenzen aufnimmt. Der Vergleich nacheinander aufgenommener Intensitäten erlaubt hierbei nicht nur den Wegfall der Referenzkamera, sondern auch die simultane Aufnahme und Berücksichtigung der Filtercharakteristik während der Messung (Selbstkalibrierung). Durch Anwendung dieses Verfahrens konnten systematische Messabweichungen auf unter 0,2 m/s reduziert und das Geschwindigkeitsfeld in einer Rohrströmung mit dem von einem Doppelkrümmer verursachten Drall aufgenommen werden (Bild 2).
Bild 2: Rohrströmung hinter Doppelkrümmer
Insbesondere bei Messungen mit geringer Streulichtleistung und kurzen Belichtungszeiten steigt beim konventionellen DGV-Verfahren der systematische Einfluss einer unterschiedlichen Charakteristik beider Kameras, welcher sich nicht durch eine Mittelung über viele Bilder reduzieren lässt. Der wesentliche Vorteil des neuen Verfahrens ist, dass die systematische Unsicherheit hier unabhängig von den aufgenommenen Bildintensitäten ist. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, bei geringer Intensität über viele Bildzyklen zu messen. Mit diesem Verfahren wurden erstmals phasenaufgelöste DGV-Messungen des turbulenten Strömungsfeldes hinter einem quer angeströmten Zylinderstumpf mit einer schnellen CMOS-Kamera durchgeführt.
Somit konnte gezeigt werden, dass das entwickelte, frequenzumtastende Verfahren dreikomponentige DGV-Messungen mit niedriger systematischer Messabweichung auch in Anwendungen mit besonders niedriger Streulichtleistung, insbesondere bei hohen zu erzielenden Zeitauflösungen, erlaubt. Durch solche Messungen können die Analyse und das Verständnis komplexer Strömungsvorgänge unterstützt werden.
Ansprechpartner:
Michael Eggert, FB 1.4, AG 1.41, E-Mail: michael.eggert@ptb.de