DE10037331C1

DE10037331C1 - Einrichtung zur lokalen Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten

Info

Publication number: DE10037331C1
Application number: DE2000137331
Authority: DE
Inventors: Sven Eckert; Willy Witke; Gunter Gerbeth
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2000-07-29
Filing date: 2000-07-29
Publication date: 2002-01-17
Anticipated expiration: 2020-07-30

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten vorzuschlagen, die auch in nichttransparenten Fluiden einsetzbar ist und keinen Einschränkungen bei kleinen Geschwindigkeitswerten, turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen, hohen Temperaturen und der Richtung der Strömung unterliegt. DOLLAR A Die Erfindung beinhaltet, dass das Sensorelement flexibel ausgeführt und im Bereich der Wandung des das Fluid umhüllenden Gefäßes in einem starren Hüllrohr (6) einseitig fest eingespannt ist, dass außerhalb des Fluids eine Lichtquelle (7), ein Optokoppler (8) sowie ein optisches Messsystem (9) angeordnet sind, dass das Sensorelement als Bündel aus mindestens drei in axialer Richtung parallel ausgerichteter Lichtleitfasern besteht, die mit einem Mantel (3) verbunden sind und dass die Lichtleitfasern als Referenzfaser (2) in der Mitte des Bündels und als Messfasern (4) im gleichen radialen Abstand von der Referenzfaser (2) am Rande des Bündels angeordnet sind. DOLLAR A Vorteilhaft werden die Lichtquelle (7) als Laser, das optische Messsystem (9) als Photodiode und die Lichtleitfasern als Monomodefasern in Form von Quarzglas ausgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur lokalen Messung von Geschwindigkeiten strömender Gase oder Flüssigkeiten. Besonderes Anwendungsgebiet ist der Einsatz in nichtransparenten Fluiden, zum Beispiel in Flüssigmetallen.

Die Erfindung geht aus von Messeinrichtungen, bei denen der Sensor aus elastischem Material besteht und direkt im strömenden Medium positioniert wird. Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit wird dabei auf eine Quantifizierung der elastischen Verformung des Sensors zurückgeführt, die der Sensor im Falle einer Anströmung erfährt. Gemessen wird somit die auf den Sensor wirkende Kraft des strömenden Mediums, die wiederum in definierter Weise von dessen Anströmgeschwindigkeit abhängt.

Es sind bereits faseroptische Sensoren bekannt, die aus einem langgestreckten Lichtleitkörper bestehen, (DE 32 30 615 A1; DE 39 39 573 A1), der an einem Ende fest eingespannt und mit einer Lichtquelle verbunden ist. Das andere Ende, versehen mit einer Lichtaustrittsstelle, kann sich dagegen frei innerhalb der Strömung bewegen. An der Wandung des Fluidbehälters gegenüber der Lichtaustrittsstelle sind entweder feste Lichtleitfasern (DE 32 30 615 A1) oder ein Positionsdetektor (DE 39 39 573 A1) angebracht. Die empfangenen Lichtstärken erlauben Rückschlüsse auf die von der Strömungsgeschwindigkeit abhängige Auslenkung des freien Faserendes aus seiner Ruhelage. Diese Messeinrichtungen sind nicht geeignet für den Einsatz in nichttransparenten Fluiden.

Eine andere Gruppe von Messeinrichtungen ist derart konzipiert, dass innerhalb einer elastischen Sondenspitze ein dünner, am vordersten Punkt der Sondenspitze fest verbundener und gleichzeitig in das Innere des Sondenkörpers gerichteter Stab angebracht ist, dessen Auslenkung ein Maß für die Verformung der Sondenspitze darstellt. Diese Auslenkung kann mittels piezoelektrischer Biegesensoren (DE 41 29 199 A1) oder optischer Methoden (DE 197 04 499 A1) erfasst werden. Zugleich weisen diese Messeinrichtungen aber einige, wesentliche Nachteile auf. Im Falle piezoelektrischer Biegesensoren ist der Aufbau des Sensors, der direkt in das strömende Fluid eingebracht wird, relativ komplex. Dies erhöht die Störanfälligkeit des Sensors und erschwert eine Miniaturisierung des Messkopfes. Ein stabiler, störungsfreier Einsatz dieser Messeinrichtung in Flüssigmetallschmelzen ist insbesondere bei höheren Temperaturen problematisch.

Die Messeinrichtung mit optischer Methode bringt signifikante Einschränkungen hinsichtlich einer Minimierung des Messvolumens in Richtung der Sensorachse, einer ausreichenden Empfindlichkeit im Bereich sehr kleiner Geschwindigkeitswerte sowie bei der Analyse des dynamischen Verhaltens und damit seinem Einsatz zur Untersuchung turbulenter Geschwindigkeitsschwankungen mit sich.

Außerdem ist ein faseroptischer Sensor zur Kraftmessung bekannt (DE 44 10 463 A1). Mittels Lichtwellenleiter wird das obere Ende eines Biegebalkens beleuchtet, sowie das reflektierte Licht aufgenommen. Mit dieser technischen Lösung sind keine zufriedenstellenden Messgenauigkeiten zu erzielen und zudem keine Aussagen über die Richtung der Auslenkung möglich. Außerdem ist die Kapselung des Lichtwellenleiterendes und der Abtaststelle für einen Einsatz des Sensors in Flüssigkeiten nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten vorzuschlagen, die auch in nichttransparenten Fluiden einsetzbar ist und keinen Einschränkungen bei kleinen Geschwindigkeitswerten, turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen, hohen Temperaturen und der Richtung der Strömung unterliegt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in den Patentansprüchen dargelegten Merkmalen gelöst. Das geschieht konzeptionell dadurch, dass ein Lichtleitkörper in Form eines speziell angeordneten Bündels optischer Fasern als sensitives Element der Messeinrichtung eingesetzt wird.

Wird ein ursprünglich gerades Stück eines geraden Stabes der Länge l mit zylindrischer Querschnittsfläche, dessen Achse parallel zur z-Achse ausgerichtet sei, unter Einwirkung eines Momentes M_x deformiert, kommt es zu einer Dehnung von Linien an der konvexen Staboberseite und einer gleichzeitigen Kompression von Linien an der konkaven Stabunterseite. Es existiert eine sogenannte neutrale Fläche, in der weder Dehnung noch Kompression auftritt, und die in diesem konkreten Fall in der Ebene y = 0 verläuft und die Stabmittelachse enthält. Die Längenänderung einer im Stab parallel zur Mittelachse verlaufenden Faser infolge der Deformation ergibt sich aus folgender Gleichung:

Dabei bezeichnet y die Distanz von der Stabmittelachse in y-Richtung, d. h. den senkrechten Abstand von der neutralen Fläche, R den Krümmungsradius der neutralen Fläche und l die ursprüngliche Länge der Faser vor der Biegung.

Für den Krümmungsradius R gilt näherungsweise folgende Beziehung

mit dem Drehmoment M, dem Elastizitätsmodul des Stabes E und dem Flächenträgheitsmoment I.

Die Kraftwirkung einer Strömung auf einen Zylinder (pro Längeneinheit) berechnet sich aus dem Widerstandsbeiwert C_w, der Dichte der Flüssigkeit ρ_l, dem Zylinderradius r und der Strömungsgeschwindigkeit v wie folgt

F = C_wρ₁rv² (3)

Unter der Einbeziehung der entsprechenden Relation für das Flächenträgheitsmoment I läßt sich nun eine Formel für die Längenänderung dl in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit ν angeben:

Die Bestimmung dieser Längenänderung als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist nun als meßtechnische Aufgabe zu lösen.

In der vorliegenden Erfindung wird eine zylindrische Anordnung mehrerer parallel verlaufender Monomodefasern als Sensor verwendet. Monomodefasern sind durch einen sehr geringen, in der Größenordnung der Lichtwellenlänge liegenden Kerndurchmesser gekennzeichnet. Dies läßt nur die Ausbreitung einer Mode innerhalb der Faser zu, d. h. die Lichtwelle wird auf einen einzigen Laufweg gezwungen.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 zwei Ausführungsformen des als Sensor fungierenden Faserbündels und

Fig. 2 ein Schema der Messapparatur.

Es werden Monomodefasern in zylindrischer Anordnung verwendet. Eine Faser ist exakt in der Mitte des Bündelquerschnitts angeordnet und wirkt somit als neutrale Faser 2, die bei einer Biegung keinerlei Längenänderung erfährt. Diese neutrale Faser 2 ist von einem Mantel 3 vorzugsweise gleichen Materials umgeben. Die Verwendung von Quarzglas als Material für die faseroptischen Lichtwellenleiter und das Mantelmaterial erlaubt prinzipiell einen Einsatz des Sensors auch in Fluiden hoher Temperatur. Auf dem Glasmantel sind in konzentrischer Form weitere Lichtleitfasern, hier zur Anwendung als Messfasern 4 angebracht und in axialer Richtung mit dem (inneren) Mantel 3 fest verbunden. Das gesamte Bündel besitzt eine endliche Länge, nach der die Fasern abgeschnitten und an den Enden 5 poliert sind. Abgesehen von der sensitiven Sensorspitze 1 ist das Faserbündel in ein stabiles Hüllrohr 6 eingepasst. Als Lichtquelle 7 wird vorzugsweise ein Laser verwendet, dessen monochromatisches, kohärentes Licht mit Hilfe eines Optokopplers 8 jeweils auf Mess- 4 und Referenzfaser 2 aufgeteilt wird. Das reflektierte Licht wird ebenfalls mittels Optokoppler 8 überlagert und an ein optisches Messsystem 9, hier eine Photodiode, zur Auswertung des Interferenzmusters übertragen.

In die optischen Monomodefasern wird kohärentes Licht eingekoppelt, das sich innerhalb des faseroptischen Lichtwellenleiters ausbreitet und am anderen Ende 5 der optischen Faser reflektiert wird. Dazu ist das Ende 5 der optischen Faser mit einer geeigneten Schicht (z. B. Titan oder Silber) zu bedampfen, um den Reflektionskoeffizienten zu erhöhen. Aufgrund der durch die Deformation des Faserbündels hervorgerufenen Längenänderung der einzelnen Fasern ändert sich der optische Weg des Lichtes in dieser Glasfaser. Dies hat eine Änderung der Phase des optischen Feldes zur Folge, die nachfolgend prinzipiell mit der Anordnung eines Interferometers nachgewiesen werden kann. Dazu wird das reflektierte Lichtsignal der einzelnen, auf dem äußeren Mantel angeordneten Messfasern 4 mit dem Lichtstrahl überlagert, der sich innerhalb der neutralen Faser 2 ausgebreitet hat. Die Messgröße ist der durch die Deformation des Faserbündels hervorgerufene Gangunterschied der Lichtwege, welcher zur Bestimmung des Betrages der Geschwindigkeit senkrecht zur Sensorachse herangezogen wird. Eine Information über den Anströmwinkel in der Ebene senkrecht zur Sensorachse und damit die Richtung der Geschwindigkeit erhält man aus der Bestimmung der Fasern mit der größten auftretenden Längenänderung. Das Auflösungsvermögen des Sensors hinsichtlich der Richtung aber auch des Betrages der Geschwindigkeit resultiert somit aus der Anzahl der auf dem äußeren Mantel angeordneten Fasern.

Eine vereinfachte Anordnung des Faserbündels und damit verbunden auch eine schnellere und einfachere Auswertung der Messung ist möglich, wenn man davon ausgehen kann, dass die für die Gültigkeit der Gleichung (1) gemachten Annahmen im Anwendungsfall streng erfüllt sind. Im Falle der geraden Biegung eines idealen Kreiszylinders reicht eine Messung der Dehnung an zwei Stellen auf dem Zylindermantel aus, um die maximale Dehnung (Maß für den Betrag des Geschwindigkeitsvektors) sowie die Lage der neutralen Fläche (senkrecht zur Richtung des Geschwindigkeitsvektors) zu bestimmen. Dazu muß der Winkel der Verbindungslinien der Mittelpunkte von neutraler Faser 2 und Messfasern 4 bekannt sein, z. B. kann ein rechter Winkel von 90° gewählt werden. Ausgehend von Gleichung (1) gilt dann folgende Beziehung:

Der Winkel α zwischen Meßfaser und der neutralen Fläche läßt sich nun wie folgt berechnen:

und Gleichung (5) liefert schließlich die maximale Dehnung dl_max als Maß für den Betrag der Geschwindigkeit.

Darüberhinaus sind auch weitere Sensorausführungen, beispielsweise mit vier Messfasern 4, denkbar. Die in Fig. 1b gezeigte Anordnung stellt die notwendige Minimalkonfiguration dar, um den Betrag und die Richtung der Strömungsgeschwindigkeit in der Ebene senkrecht zur Sensorachse messen zu können.

Aus Gleichung (4) wird ersichtlich, dass die Wahl der geometrischen Parameter Radius r und Länge l des elastischen Faserbündels die Größenordnung der zu erwartenden Längenänderung der Fasern stark beeinflusst. Damit bieten sich durch eine gezielte Dimensionierung der sensitiven Sensorspitze entsprechende Möglichkeiten zur Fertigung von Sonden für verschiedene Geschwindigkeitsmessbereiche.

Die Werte der Geschwindigkeit sind aus den Messungen der optischen Wegänderung aufgrund der Verformung der Glasfasern durch die Strömungswirkung zu ermitteln. Dazu wird vorzugsweise das Verfahren einer vorherigen Kalibrierung des Sensors unter definierten Strömungsbedingungen angewandt. Eine direkte Berechnung der Geschwindigkeit mittels Gleichung (4) hat den Nachteil, dass deren Gültigkeit einige vereinfachende Annahmen voraussetzt. Ein Rückgriff auf diese Verfahrensweise ist jedoch immer möglich, falls eine vorherige Kalibrierung des Sensors nicht oder nur mit unvertretbar hohem Aufwand möglich sein sollte.

Claims

1. Einrichtung zur lokalen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten in Fluiden, bestehend aus einem in das Fluid hineinragenden, biegeflexiblen Sensorelement, welches im Bereich der Wandung des das Fluid umhüllenden Gefäßes in einem starren Hüllrohr einseitig fixiert ist und außerhalb der Strömung befindlichen Kom ponenten zur Signalgewinnung und -verarbeitung, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement als Bündel aus mindestens drei in axialer Richtung parallel ausgerichteten Lichtleitfasern besteht, die mit einem Mantel (3) verbunden sind, dass die Lichtleitfasern als Referenzfaser (2) in der Mitte des Bündels und als Messfasern (4) im gleichen radialen Abstand von der Referenzfaser (2) am Rande des Bündels angeordnet sind und dass die Lichtleitfasern über einen außerhalb des Fluids befindlichen Optokoppler (8) mit einer ebenfalls außerhalb der Strö mung angeordneten Lichtquelle (7) und einem optischen Messsystem (9) verbun den sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (7) als Laser ausgeführt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Messsystem (9) als Photodiode ausgeführt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtleitfasern Monomodefasern eingesetzt werden.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfasern und der Mantel (3) aus gleichem Material, vorzugsweise aus Quarzglas, gefertigt sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Lichtleitfasern (5) poliert und mit einer gut reflektierenden Beschichtung versehen sind.