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Laser-Doppler-Profilsensor zur hochaufgelösten Erfassung von Strömungsgeschwindigkeitsprofilen

17.10.2014

Die Ortsauflösung kommerzieller LDV-Systeme zur Messung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten in Gasen und Flüssigkeiten liegt im Bereich von 1 mm bis 10 mm und wird durch die Schnittvolumenlängen der sich kreuzenden Laserstrahlen vorgegeben. Im Rahmen eines Kooperationsprojektes des „Zentralen Innovationsprogrammes Mittelstand“ (ZIM) wurde nach einem  an der PTB entwickelten Verfahren ein kompaktes Profilsensor-Nachrüstmodul für bestehende LDV-Systeme realisiert, das Messungen von Geschwindigkeitsprofilen mit  einer Ortsauflösung von 0,3 % der Messvolumenlänge erlaubt.

Die Laser-Doppler-Velozimetrie (LDV) ermöglicht die berührungslose Messung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten in Gasen und Flüssigkeiten durch die Erfassung von in der Strömung mitgeführten Streuteilchen. Die Ortsauflösung kommerzieller LDV-Systeme ist dabei durch das ellipsiode Schnittvolumen zweier sich kreuzender Laserstrahlen gegeben. Einer prinzipiellen Verkleinerung dieses Messvolumens, dessen relevante Abmessung im Bereich von 1 bis 10 mm liegt, sind physikalische und anwendungsspezifische Grenzen gesetzt. Im Rahmen eines Kooperationsprojektes des „Zentralen Innovationsprogrammes Mittelstand“ (ZIM) wurde an der PTB ein kostengünstiger Nachrüst-Profilsensor für bestehende kommerzielle LDV-Systeme realisiert, der auf einem an der PTB entwickelten Verfahren beruht, das neben der Geschwindigkeit des Streuteilchens auch den Transitort des Teilchens durch das Messvolumen erfasst. Mit diesem Verfahren ist eine Ortsauflösung der Geschwindigkeitsprofile von 0,3 % der Messvolumenlänge möglich.

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. Eine Verkleinerung des Messvolumens – und damit eine Erhöhung der Ortsauflösung – über eine Änderung der Messgeometrie bzw. Messoptik ist aus Anwendungssicht häufig nicht möglich, da der Zugang zum Messort nicht ausreichend ortsnah erfolgen kann. Alternative Messtechniken wie Pitot-Drucksonden und Hitzdraht-Anemometer haben für die o.g. Anwendungsfälle die Nachteile, dass sie nicht rückwirkungsfrei sind, einen erschwerten Zugang zum Messort haben und aufwendiger Kalibrierung bedürfen.

In Zusammenarbeit mit der TU Dresden und den Firmen ILA GmbH und OPTOLUTION Messtechnik GmbH wurde deshalb Anfang des Jahres ein durch das BMWi gefördertes ZIM-Projekt gestartet. Ziel dieses Projektes ist die „Entwicklung von Sensorvarianten zur simultanen hochaufgelösten Orts- und Geschwindigkeitsmessung (Profilsensoren) für Laser-Doppler-Velozimeter (LDV)“.

Aufgabe der PTB innerhalb dieses Kooperationsprojektes ist die Entwicklung eines industrietauglichen, kostengünstigen und leicht zu adaptierenden Nachrüst-Sensormoduls (Bild 1) – inklusive der erforderlichen Signalverarbeitung. Neben den funktionalen Gesichtspunkten steht dabei die flexible Einsatzmöglichkeit und einfache Integration des Nachrüstmoduls in bereits bestehende Kreuzstrahl-LDV im Vordergrund.

Bild 1: Empfängermodul mit integrierter Duo-Photodiode und den beiden Low Noise-Vorverstärkern, Abmessungen: 3,8 cm x 3,0 cm x 7,5 cm (B x H x T) (links) und Frontansicht der Duo-PIN-Photodiode (rechts).

Die Geschwindigkeitsbestimmung der in der Strömung mitgeführten Streuteilchen erfolgt bei LDV-Systemen, die i. d. R. mit einer Empfangsdiode ausgestattet sind, über die Messung der erzeugten Doppler-Frequenzen. Die simultane Erfassung des Durchflugortes kann durch die Verwendung eines zweiten Detektors, der sich hinter dem Messvolumen in einem der beiden Kreuzstrahlen befindet, erreicht werden. Der Durchflugort des Teilchens lässt sich dann über die Erfassung der Phasendifferenz ∆φ zwischen den von den beiden Detektoren empfangenen Doppler-Signalen bestimmen.

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: stefan.oertel@ptb.de