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Dokumentenidentifikation DE3347092C2 05.11.1987
Titel Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit einer zeitlich periodischen Strömung eines Strömungsmittels nach Betrag und Richtung
Anmelder MTU Motoren- und Turbinen-Union München GmbH, 8000 München, DE
Erfinder Hofmann, Jörg, Dipl.-Ing., 8000 München, DE;
Ding, Kurt, Dipl.-Phys., 8900 Augsburg, DE
DE-Anmeldedatum 24.12.1983
DE-Aktenzeichen 3347092
Offenlegungstag 18.07.1985
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 05.11.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.11.1987
IPC-Hauptklasse G01P 5/20
IPC-Nebenklasse G01P 5/22   G01P 3/80   
Zusammenfassung Verfahren zur optischen Messung einer zeitlich periodischen Strömung eines Fluids, in dem sich Streuteilchen befinden, durch Erfassen der Laufzeiten der Teilchen, über eine Meßstrecke zwischen zwei Lichtstrahlen, wobei die Strömungsperiode in Meßfenster unterteilt wird, die Teilchenlaufzeiten und ihre Verteilung in jedem Meßfenster erfaßt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit einer zeitlich periodischen Strömung eines Strömungsmittels nach Betrag und Richtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannt ist das Laser-Zweistrahlverfahren, eine optische Methode in einer Vorrichtung zur Messung der Strömungsfaktoren in Gasströmungen durch Ermittlung von in der Strömung vorhandenen optisch erfaßbaren Teilchen mit photoelektrischen Umsetzern für Startimpulse und Stopimpulse sowie ein Zeit-/Pulshöhenumsetzer, der an einen Mehrkanalanalysator angeschlossen ist, der mehrere Amplitudenfilter mit nachgeschalteten Integratoren oder Zählern enthält und eine die Integratoren oder Zähler zyklisch abfragende Abtastvorrichtung aufweist.

Eine die beiden Teilstrahlen durchquerendes Teilchen erzeugt durch sein Streulicht den Start- und den Stopimpuls, deren zeitlicher Abstand das Maß für die Geschwindigkeit des Teilchens und damit der Strömung ist (DE-AS 24 49 358).

Da die Teilchen nur im zeitlichen Mittel eine bestimmte Richtung und Geschwindigkeit einnehmen und weil nicht jedes Signal von einem einzigen Teilchen ausgeht, das die Meßstrecke - also Start- und Stopstrahl - durchlaufen hat, erfolgt die Auswertung der Meßdaten statistisch. Es entsteht dabei eine Verteilungskurve mit einer mittleren Teilchenlaufzeit, die von einem "weißen Rauschen" unkorrelierter Start-Stop-Ereignisse überlagert wird (Fig. 1). Die größte Ereignishäufigkeit ist in dieser Kurve deutlich als Spitze (peak) erkennbar.

In dem bekannten Meßsystem (DE-AS 24 49 358) geht man davon aus, daß die Strömungsverhältnisse am Meßort während der Durchführung einer Einzelmessung unverändert blieben. Deshalb und weil die Messungen stets an den gleichen Stellen vorgenommen werden, enthält man dort eine quasi stationäre Messung.

Die Annahme, daß, wenigstens im Mittel gesehen, die Strömungsverhältnisse bei jeder Messung an der immer gleichen Stelle unverändert bleiben, ist jedoch sehr problematisch. Eine solche Meßwerterfassung auf quasi stationärem und rein statistischem Wege hat deshalb nur begrenzten Aussagewert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung für das optische Messen einer zeitlich periodischen Strömung eines mit Streuteilchen beladenen Fluids zu schaffen, welche, aufbauend auf der Zweitstrahlenmethode, eine Möglichkeit schafft zur Erfassung auch sich ändernder Teilchenmengen und Teilchenraten in den einzelnen Meßfenstern und für jeden Winkelschritt getrennt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 enthalten. In den Unteransprüchen sind weitere Merkmale der Vorrichtung aufgeführt.

Der wesentlichste Vorteil der Erfindung ist die Erfassung räumlicher und zeitlicher Variationen der Streuteilchenraten.

Ein besonderer Vorteil der Vorrichtung liegt darin, daß sie auf einfache Weise in Zusammenhang mit schaufelbestückten, drehenden Anordnungen angewandt werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet auch eine genaue Untersuchung des teilchenbeladenen Fluidstroms hinsichtlich nicht nur des Betrages der Geschwindigkeit sondern auch ihrer Richtung und Turbulenz. Die statistische Auswertung erfolgt bei der Erfindung in einer elektronischen Auswerteschaltung, bevorzugt in Form eines integrierten Schaltkreises (single- chip), in einem kleinen Computer oder mit Hilfe eines Mikroprozessors. Das Beziehen der Häufigkeit der Start- Stop-Ereignisse auf die Startereigniszahl kann als "Normierung" in der Art eines Eichvorganges angesehen werden. Eine solche "Normierung" ist notwendig um die unvermeidlichen zeitlichen und räumlichen Schwankungen der Teilchengeschwindigkeit auszugleichen. Durch einfaches Festlegen einer Meßzeit in jeder Meßposition kann eine auf die Startereigniszahl bezogene Ermittlung einer Häufung von Signalen nicht erfolgen.

Die Auswerte-Elektronik ist nach dem Prinzip ausgelegt, für jedes Meßfenster getrennt die Startereignisse zu zählen, um nach Abschluß einer Messung die Zahl der korrelierten Start-Stop-Ereignisse mit der zugehörigen Zahl der Start-Ereignisse ins Verhältnis zu setzen. Dies hat den Vorteil, daß sichergestellt ist, daß die Messung erst dann beendet wird, wenn in jedem Meßfenster die geforderte Mindestzahl von Start-Ereignissen stattgefunden hat, zum anderen werden nur so Messungen in verschiedenen Winkelpositionen vergleichbar.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Auswerte-Elektronik wird also sowohl eine definierte Versuchsbeendigung als auch eine separate Start-Ereignis-Zählung möglich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese sind in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Kurve der Ereignishäufigkeit (Passieren eines Lichtstrahls), verteilt über die Laufzeit,

Fig. 2 das Bewegen eines Stop-Strahls in definierten Winkelschritten um einen Start-Strahl herum,

Fig. 3 Ereignishäufigkeit, verteilt über die Laufzeiten bei bestimmten Winkelpositionen,

Fig. 4 die Integration der Laufzeitverteilungen aus Fig. 3,

Fig. 5 die Anwendung der Erfindung bei einem schaufelbestückten Rotor,

Fig. 6 einen Strahlengang, gesehen in Radialrichtung zum Rotor,

Fig. 7 einen Strahlengang, gesehen im Längsschnitt durch einen Radialverdichter,

Fig. 8 die Auswerte-Elektronik mit ihren Ein- und Ausgängen und

Fig. 9 das Blockschaltbild einer ausgeführten Auswerte-Elektronik.

Die Ereignishäufigkeit ist in Fig. 1 über der Zeit aufgetragen.

Bei der Erfindung wird der Stopstrahl 1 in diskreten Winkelschritten α um den zentralen Startstrahl 2 herumgeführt (Fig. 2). Auf diese Weise werden Häufigkeitsverteilungen über die Laufzeit in der jeweiligen Winkelposition gewonnen (Fig. 3) und es läßt sich leicht erkennen, wo eine Häufigkeit vorliegt und wo nicht (Rauschen).

Auf diese Weise läßt sich die Strömungsrichtung bestimmen. Start- und Stopstrahl sind dann in Hauptströmungsrichtung ausgerichtet, wenn auf eine bestimmte Anzahl Startimpulse die maximale Anzahl von korrelierten Start- Stop-Impulsen kommt. Nur dann durchquert nämlich die größte Zahl der Teilchen, die den Start-Strahl passiert haben, anschließend auch den Stop-Strahl und sie löst die jeweiligen Ereignisse aus. Die Teilchen sind mit 3 bezeichnet.

Mit Zählern wird die Summe der Startereignisse ermittelt. Die korrelierten Start-Stop-Ereignisse werden über Summation der Ereignisverteilung erhalten und mit den Startereignissen normiert (ins Verhältnis gesetzt). So entsteht in Abhängigkeit von der jeweiligen Winkelposition eine Verteilung, deren Mittelwert (peak) den mittleren Strömungswinkel angibt.

Turbulenzen lassen sich dadurch ermitteln, daß z. B. in Fig. 3 die Breite der Häufigkeitsverteilung ausgewertet wird.

Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung ist bei drehenden Anordnungen, wie mit Schaufeln 4 bestückte Rotoren 5, insbesondere von Verdichtern oder Turbinen.

Auch für Kolben-Motoren oder -pumpen ist die Erfindung geeignet.

Wie Fig. 5 zeigt (Drehrichtung ist im Pfeil oben angegeben = Uhrzeigersinn), sind in jedem Schaufelkanal 6, der durch Schaufelwände seitlich begrenzt wird, eine Anzahl Meßfenster 7, z. B. drei, vorgesehen.

Die Zuordnung der Lichtstrahlen 1, 2 des Zweistrahlströmungsmessers (optischer Meßkopf) zum Schaufelkanal 6 bzw. Meßfenster 7 ist in Fig. 6 und eine andere in Fig. 7 dargestellt.

Beide Lichtstrahlen werden von einem Gas-Laser erzeugt, der bevorzugt von einer Triggerschaltung einer Steuerelektronik (nicht dargestellt) elektronisch ausgeblendet wird, wenn eine Schaufel 4 vor dem Strahlenaustritt des Lasers erscheint. Anstelle der elektronischen Steuerschaltung kann auch eine mechanisch-elektrische Ausblendung vorgesehen werden. Der Strahlendurchmesser liegt bevorzugt im Bereich einiger Mikrometer. Auch der Strahlenabstand a kann sehr gering gewählt werden (a = Meßstrecke) bevorzugt etwa 10-3 m. Mit Hilfe derartiger Laser sind feinste Streuteilchen, wie Staubteilchen, noch leicht erfaßbar. Sobald sie einen Strahl passieren, lösen sie als Ergebnis einen Meßimpuls aus, der als Startsignal einem Eingang 9 der Auswerte-Elektronik 8 (Fig. 8) zugeführt wird. Auf der gleichen Eingangsschiene (Bus) liegt die zugehörige Meßfensternummer am Eingang 10. Ein anderer Eingang 11 liefert als festeinzustellende Größe die Mindeststartereigniszahl. Ein Ausgang 12 der Auswerte-Schaltung 8 liefert ein Signal zur Beendigung der Messung. Ein Ausgang 13 liefert die Zählerstände der Startereignisse zur Aufnahme in einen Rechner.

Die Inhalte der Zähler 14 werden angezeigt (in Fig. 9) z. B. in LED's oder LCD's 15 und über die Komparatoren 16 mit der Mindestereigniszahl vom Eingang 11 verglichen. Die UND-verknüpften Ausgänge der Komparatoren bilden das Signal 12 zur Beendigung der Messung.

Sowohl in den Ausführungsbeispielen der Fig. 6 als auch der Fig. 7 werden zwei Teilstrahlen eines Dauerlichts, z. B. Dauerstrich-Lasers, im Abstand a voneinander durch das zu messende Strömungsvolumen gesandt, z. B. in Fig. 6 über die Strecke 6 = Schaufelabstand bei der Anwendung Axial- Verdichter oder etwa zwischen zwei Diffusorwänden im Bereich eines Radialverdichters der Fig. 7. Die Strecke 6 kann deshalb auch als Tiefenausdehnung der Teilstrahlen bezeichnet werden. Beide Teilstrahlen werden quer von den Teilchen, die in der Strömung vorhanden sind, durchströmt und jeder Teilstrahl kann um seine Achse um den Winkel α gedreht werden. Die Geschwindigkeit der Teilchen ergibt sich aus dem Strahlabstand der Teilstrahlen geteilt durch die Zeit, die ein Teilchen auf diesem Wege benötigt. Während in dem Beispiel der Fig. 6 die Teilchen zwischen den Schaufeln 4 hindurch etwa parallel zur Achse des Verdichters hindurchströmen, strömen beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 die Teilchen gemäß Pfeil links unten ein, durchqueren den Raum zwischen den Laufschaufeln 4 im Rotor 5 und werden von diesem nach außen geschleudert in den Diffusorabschnitt mit den Kanälen 6. Parallele Lichtstrahlen 1 und 2 von der Lichtquelle, wie Laser, treten in den Radialverdichter durch Fenster ein, vorher umgelenkt durch den Spiegel 20, welcher gehäusefest am Verdichter angeordnet ist. Während das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 die Auswerteelektronik als einbaufähige Einheit 8 wiedergibt, ist ihr Blockschaltbild im wesentlichen der Fig. 9 zu entnehmen. Nicht mehr dargestellt aus Platzgründen ist der sich unten an die Schnittstelle 17 anschließende Rechner 18.

Wenn sich der Rotor 5 mit den Schaufeln 4 an dem räumlich feststehenden Meß- und Erfassungssystem (Optik/Elektronik) vorbeidreht, werden die Ereigniszahlen aus den zeitlich periodischen Meßfenstern der Strömung zwischen den Schaufeln 4 entsprechend der Anzahl an Meßfenstern nacheinander erfaßt, diesen zugeordnet und in Speichern 19 abgespeichert für die Auswertung in der Einheit 8 .


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit einer zeitlich periodischen Strömung nach Betrag und Richtung, wobei die Strömungsperiode in Meßfenster unterteilt ist und im Strömungsmittel optisch erfaßbare Teilchen vorhanden sind, mit einer Lichtquelle und einem nachgeschalteten Strahlenteiler zum Erzeugen zweier Teilstrahlen, einem Startstrahl und einem Stopstrahl, die an zwei dicht nebeneinander liegenden Stellen im Strömungsmittel fokusiert werden und der Stopstrahl in vorbestimmten diskreten Winkelschritten um den Startstrahl herumführbar ist und daß beim Durchgang der Teilchen durch die beiden Fokussierungsstellen Lichtimpulse erzeugt werden, die auf getrennte Detektoren geleitet werden, welche Start-/ und Stopimpulse erzeugen und an einem Mehrkanalanalysator angeschlossen sind, der nachgeschaltete Integratoren oder Zähler enthält und daß eine die Integratoren oder Zähler zyklisch abfragende Abtastvorrichtung vorgesehen ist, die auch die Start-/ und Stopereignisse korreliert, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Meßfenster separate Zähler zugeordnet sind, die die Häufigkeit der Startereignisse und der korrelierten Start-/Stopereignisse nach Winkelschritten getrennt erfassen und daß nach Abschluß der Messung in jeder Winkelstellung die Zahl der korrelierten Start-/Stopereignisse für das jeweilige Meßfenster in einem Rechner (18) zu der zugehörigen Zahl der Start-Ereignisse ins Verhältnis gesetzt wird.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Meßfenster ein eigener Datenspeicher angeordnet ist und die Auswerteelektronik (8) eine den Meßfenstern entsprechende gleiche Anzahl von Zählern (14), gegebenenfalls Anzeigen (15) und Komparatoren (16) enthält.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik eine Schnittstelle (17) zur Erfassung der Zählerstände aller Zähler (14) beim Ausgang (13) aufweist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik einen Ausgang (12) zur Abgabe eines Signals aufweist, zur Beendigung der Messung, wenn in jedem Meßfenster eine vorgegebene Mindestzahl von Startereignissen vorliegt.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingang (11) der Auswerteelektronik mit einer fest einzustellenden Größe beaufschlagt ist, die die Mindeststartereigniszahl beinhaltet.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Eingang (10) der Auswerteelektronik der als Adressenbus dient, die zugehörige Meßfensternummer liegt.






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