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verfahren und Vorrichtung zur Messung von Geschwindigkeits
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komponenten mit Hilfe der relativen Laser-Doppler-Anemometrie Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Geschwindigkeitskomponenten
mit Hilfe der relativen Laser-Doppler-Anemometrie der im Oberbegriff der Ansprüche
1 und 3 angegebenen Art.
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Optisch und dadurch mechanisch störungsfrei wirkende Geschwindigkeitsmeßvorrichtungen
der Laser-Doppler-Anemometrie snd bekannt. Ein Hauptanwendungsgebiet finden sie
in der Strömungsmeßtechnik.
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Ursprüngliche und grundlegende Beschreibungen der Eigenschaften und
Möglichkeiten des Verfahrens erschienen in der Literatur seit 1964.
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Yeh und Cummings (Phys. Rev. Letters, Vol. 12, Febr. 1964, pp.
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150 - 153) gaben erstmals das Prinzip des Verfahrens an. Das an bewegten,
optisch streuenden Partikeln gestreute kohärente Laserlicht wurde in einer definierten
Streurichtung empfangen. Zur physikalischen Darstellung seiner Frequenzänderung
zfD durch den Dopplereffekt in Folge der Partikelbewegung wird es mit einem Anteil
des ursprünglichen, nicht dopplerverschobenen Laserlichts vor dem optoelektronischen
Empfänger zur Interferenz gebracht. Dabei entstehende, vom Empfänger zeitlich auflösbare
Intensitätsschwebungen des Interferenz feldes weisen die Frequenz fD auf, welche
linear proportional zu einer bestimmten Geschwindigkeitskomponente der Partikelbewegung
ist.
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Sind die Partikel klein genug, um von einem strömenden Fluid annahernd
schlupffrei mitgeführt zu werden, so mißt man mit der Partikelgeschwindigkeit die
Strömungsgeschwindigkeit. Jedoch können die Streupartikel auch Bestandteil fester,
bewegter Oberflächen ausgedehnter Körper sein.
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Wesentliche Vorteile des Verfahrens liegen in ihrer Eichfreiheit,
ihrer physikalisch exakt definierten Richtungsempfindlichkeit, ihres großen erfaßbaren
Geschwindigkeitsbereichs und im Entfall einer mechanischen Beeinflussung der Fluidströmung
durch eine Sonde.
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Eine Möglichkeit der Messung des Richtungssinns der erfaßten Geschwindigkeitskomponente
ergibt sich durch das Mittel der Frequenzverschiebung (DE-OS 17 98 076.6, US-PS
3,649,125).
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Durch verschiedenartige physikalische Mittel, heute überwiegend Braggzellen,
wird mindestens einem der interferierenden Lichtanteile eine zusätzliche und bekannte
Frequenzverschiebung ZfO aufgeprägt. Dies führt dazu, daß als Meßfrequenz b5 = o£D
+ ofo gemessen wird. Dann ist beispielsweise bei auf < afO die gemessene Geschwindigkeitskomponente
negativ, bei sf ) auf, positiv und bei df = afO ist sie gleich null.
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Somit sind auch die Vorzeichen der Geschwindigkeit meßbar.
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Anordnungen zur gleichzeitigen Messung mehrerer Geschwindigkeitskomponenten
eines Streupartikels lassen sich durch entsprechend mehrere optische Einstrahlrichtungen
auf den Meßort realisieren. Die entstehenden Frequenzgemische im Streulicht können
durch farboptische, polarisationsoptische oder durch elektronische Mittel in der
Signalverarbeitungskette in die den jeweiligen Geschwindigkeitskomponenten zugeordneten
Signalfrequenzen aufgespalten werden.
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Eine Auswahl aus der Vielzahl der Möglichkeiten optischer Laser-Doppler-Anordnungen
sowie die wesentlichen Grundlagen der Laser-Doppler-Anemometrie sind in dem Buch
von Durst, Melling und Whitelaw (Principles and Practice of Laser-Doppier Anemometry,
New York, Academic Press) zu finden.
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Im Verlauf der Entwicklung hat sich eine spezielle optische Anordnung
als besonders praktikabel erwiesen und findet heute in der überwiegenden Mehrzahl
aller Fälle und kommerziellen Geräte ihre Anwendung. Dies ist das Mehrstrahl- oder
Doppler-Differenzverfahren (DE-PS 1 673 403.5, sowie B. Lehmann: Geschwindigkeitsmessung
mit Laser-Doppler-Verfahren, Wiss. Berichte AEG-Telefunken,41 (1968), 3, Seiten
141 - 145). Hiervon geht die Erfindung aus. Dabei wird aus mehreren Richtungen gleichzeitig
Laserlicht auf den Meßort eingestrahlt, wobei jedoch auf eine optische Mischung
des Streulichtes mit einem Anteil des ursprünglichen ungestörten Laserlichtes verzichtet
wird. Vielmehr wird die Interferenz der aus den unterschiedlichen Einstrahlrichtungen
herrührenden Streulichtfelder untereinander ausgenutzt. Sie führt zu Schwebungsfrequenzen
der resultierenden Intensität, die für je ein Paar der eingestrahlten Lichtbündel
einen noch einfacheren Zusammenhang mit einer Geschwindigkeitskomponente aufweisen
als bei der Vergleichsstrahlanordnung von Yeh und Cummings.
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Für den ebenen Fall einer Zweistrahlordnung gilt
Dabei ist xO die im allgemeinen sehr genau bekannte Lichtwel-0 lenlänge des ursprünglichen
Laserlichts. oCist der leicht und genau meßbare Kreuzungswinkel der beiden Einstrahlrichtungen.
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Die zur Meßfrequenz linear proportionale Geschwindigkeitskomponente
u steht senkrecht auf der Winkelhalbierenden von und liegt in der Ebene der beiden
Einstrahlrichtungen. bfO ist die bereits erwähnte und im allgemeinen konstant gehaltene
Frequenzverschiebung.
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Gleichung (1) drückt unter anderem den Vorteil der Mehrstrahlanordnung
aus, daß die Meßfrequenz af von der Empfangsrichtung unabhängig ist. Dieser Sachverhalt
wird oft durch das reelle "Interferenzstreifensystem" erklärt, welches im Schnittbereich
der
eingestrahlten Lichtbündel nachweisbar ist. Diese Erklärung besitzt jedoch keine
Allgemeingültigkeit.
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Von der ebenen Doppler-Differenzanordnung ausgehend, ist es denkbar,
durch Hinzufügen einer dritten Einstrahlrichtung auf den Meßpunkt ein Mehrkomponentensystem
zu schaffen. Jede mögliche Paarung der eingestrahlten Teillichtbündel liefert dabei
ein Zweistrahlsystem für die Messung einer Geschwindigkeitskomponente. Für die Trennung
der den einzelnen Komponenten zugeordneten Signale finden farbselektive oder polarisationsoptische
Optiken Verwendung, die die Mehrfarbigkeit beispielsweise des Argon-Laserlichts
bzw. den Polarisationszustand des Laserlichts ausnutzen.
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Eine nichtkomplanare Dreistrahlanordnung bietet so grundsätzlich die
Möglichkeit der gleichzeitigen Messung dreier nichtkomplanarer Geschwindigkeitskomponenten.
Ein wesentliches Kriterium für entsprechende, praktikable und transportable optische
Meßköpfe ist jedoch, daß möglichst alle auf den Meßort eingestrahlten Lichtbündel
aus nur einem Meßkopf austreten.
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Demzufolge gilt, daß nur Winkel begrenzter Größe der Einstrahlrichtungen
untereinander realisierbar sind. Das bedeutet wiederum, daß die Richtungsauflösung
der meßbaren Komponenten begrenzt ist. Zwei zu messende Komponenten lassen sich
dabei noch in einen rechten Winkel zueinander bringen, jedoch wird eine dritte zu
messende Komponente mit den beiden anderen nur einen Winkel bilden, der erheblich
kleiner als 900 sein wird.
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Der Idealfall, daß alle drei Geschwindigkeitskomponenten senkrecht
aufeinander stehen, ist also mit einem einzigen optischen Meßkopf nicht zu realisieren.
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Eine indirekte Lösung dieses Problems wird durch ein Gerät der Firma
TSI Deutschland Inc., Schmiedstr. 3, 5100 Aachen angeboten (siehe "3-Component,
On-Axis LDV System, Technische Information). Es werden unterschiedliche Frequenzverschiebungen
der
einzelnen Strahlenpaare zur Vorzeichen- und Nullpunktdetektion
bewirkt. Die Frequenzverschiebungen werden so ausgelegt, daß die Messung einer dritten
Geschwindigkeitskomponente in Richtung auf den optischen Meßkopf simuliert wird.
Diese Richtung entsteht dabei scheinbar durch Drehen der Richtung dieser Komponente
in Folge einer geeigneten Frequenzverschiebung. Ein Nachteil dieser Lösung liegt
in einem wesentlich erhöhten Aufwand für die zusätzlich notwendige Frequenzverschiebevorrichtung
und für die Signalerfassung.
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Schließlich wird in der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung
P 31 06 025.0 ein Verfahren beschrieben, bei welchem durch zueinander entgegengesetzte
Einstrahlung zweier Laserlichtbündel auf einen Meßpunkt mit Mitteln der absoluten
Laser-Doppler-Anemometrie zwei Geschwindigkeitskomponenten gleichzeitig gemessen
werden. Absolute Laser-Doppler-Anemometrie bedeutet, daß aus dem empfangenen Streulicht
nur die absolute dopplerverschobene Lichtfrequenz empfangen und als Meßsignal einer
weiteren Frequenzanalyse zugeführt wird. Die erwähnte optische Mischung verschiedener
Streulichtkomponenten zur Erzeugung einer Schwebungsfrequenz als Meßfrequenz, wie
in der relativen Laser-Doppler-Anemometrie, erfolgt hierbei nicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
der eingangs angegebenen Art aufzuzeigen, mit denen die meßtechnische Erfassung
der in der Laser-Doppler-Anemometrie bisher nur sehr schwer zugänglichen Geschwindigkeitskomponente
ermöglicht wird, die parallel zu der Hauptachse des optischen Strahlteilerkopfes
ausgerichtet ist; beim bekannten Doppler-Differenzverfahren oder Zweistrahlverfahren
ist dies also die Richtung der Winkelhalbierenden der beiden Binstrahlrichtungen.
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Erfindungsgemäß wird dies bei dem Verfahren der angegebenen Art durch
die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 1 erreicht. Eines der beiden Teillichtbündel
wird wieder rückgeführt und bildet damit das mitte Teillichtbündel. Durch die zu
einem der beiden ursprünglichen Teillichtbündel koaxial entgegengesetzt ausgerichtete
Rückführung wird die Messung der anderen, um 900 zur ersten Geschwindigkeitskomponente
stehenden zweiten Geschwindigkeitskomponente möglich. Damit wird auch die Geschwindigkeitskomponente
parallel zu der bisher meßtechnisch nur schwer zugänglichen Hauptachsenrichtung
des üblicherweise verwendeten optischen Strahlteilerkopfes meßbar. Es ist aber auch
möglich, das dritte Teillichtbündel durch eine zusätzliche Strahlteilung aus dem
ursprünglichen Laserlichtbündel zu bilden und koaxial entgegengesetzt zu einem der
beiden ursprünglichen Teillichtbündel einzustrahlen. Dieses dritte Teillichtbündel
kann also den Streuort durchlaufen haben, muß es aber nicht.
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Die Merkmale des Anspruches 2 dienen dazu, um neben der Frequenzverschiebung
die Detektierung des Nullpunktes und des Vorzeichens der nach der optischen Rückführung
zusätzlich meßbaren Geschwindigkeitskomponente sowie die Trennung der ihr zugeordneten
Signalfrequenz von den Signalfrequenzen der anderen Geschwindigkeitskomponenten
zu ermöglichen.
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Die Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art kennzeichnet sich erfindungsgemäß
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 3. Damit wird mit sehr einfachen,
zu den bekannten Mehrstrahlanordnungen zusätzlichen optischen Mitteln ein Mehrkomponentensystem
für mindestens zwei Komponenten geschaffen.
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Die so meßbaren Geschwindigkeitskomponenten stehen nicht nur senkrecht
aufeinander, sondern Bne Geschwindigke itskomponente ist dabei noch in Richtung
der optischen Hauptachse des Strahlteilerkopfes ausgerichtet.
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Die gemäß Anspruch 4 beschriebenen optischen Mittel können in einfacher
Weise aus Spiegeln, Hohlspiegeln, eine Kombination aus optischen Linsen, Prismen
und spiegelnden Flächen usw.
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bestehen.
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Es ist möglich, gemäß Anspruch 5 auch zusätzlich einen weiteren opto-elektronischen
Empfänger neben dem ersten Empfänger einzusetzen, um die beiden Geschwindigkeitskomponenten
mit je einem Empfänger zu messen. Es ist aber auch möglich, hier nur einen einzigen
optischen Empfänger einzusetzen und nachfolgend eine Signaltrennung vorzunehmen.
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Die Merkmale des Anspruches 6 sind bei Benutzung von mehrfarbigem
Laserlicht im Strahlengang sinnvoll, da sie nicht nur eine Farbtrennung der optischen
Signale für die zu messenden Geschwindigkeitskomponenten ermöglichen, sondern zusätzlich
eine Blockierung des koaxial zurückgeführten Laserlichts vor dem Wiedereintritt
durch den optischen Strahlteibrkopf in den Laserresonator bewirken, wodurch eine
nachteilige Beeinflussung des Laservorganges vermieden wird.
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Die Merkmale des Anspruches 7 dienen nicht nur zur Frequenzverschiebung,
sondern auch Detektierung des Nullpunktes und des Vorzeichens der nach deroptischen
Rückführung zusätzlich meßbaren Geschwindigkeitskomponente sowie der Trennung der
ihr zugeordneten Signalfrequenz mn der Signalfrequenz der anderen Geschwindigkeitskomponente.
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Die Merkmale des Anspruches 8 verbessern die "Sichtbarkeit" der Streulichtinterferenzen.
Ihre Einhaltung ist für eine optimale Wirkungsweise des Meßverfahrens erforderlich.
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Die Erfindung soll weiter am Fall einer ebenen Zweikomponentenanordnung
erläutert werden. Zur Messung einer Geschwindigkeitskomponente dienen zunächst zwei
kohärente Teillichtbündel, die
sich in der bekannten Weise unter
dem Winkel idam Meßort, welcher das Streuobjekt einschließt. Die damit meßbare erste
Geschwindigkeitskomponente steht senkrecht auf der Winkelhalbierenden von drund
liegt in der Ebene der beiden Einstrahlrichtungen. Erfindungsgemäß wird nun eines
der beiden Teillichtbündel nach Hindurchtritt durch den Meßort mittels eines Spiegels
oder einer Kombination aus spiegelnden und brechenden Optiken koaxial und entgegengesetzt
zu sich selbst in den Meßort zurückgeführt, so daß dieses zurückgeführte Teillichtbündel
mit dem anderen originalen Teillichtbündel ein zweites Paar von Teillichtbündeln
bildet. Dieses Paar bildet miteinander den Winkel , r dessen Winkelhalbierende senkrecht
auf der Winkelhalbierenden von ldsteht. Demzufolge liegt die durch dieses Strahlenpaar
erfaßte Geschwindigkeitskomponente parallel zur Winkelhalbierenden von ;der beiden
Original-Teillichtbündel, ist also auf den optischen Strahlteilerkopf ausgerichtet,
aus dem diese austreten und der häufig gleichzeitig als optischer Meßkopf fungiert.
Diese Richtung ist es jedoch, deren Komponente bei den bisher praktizierten Verfahren
zur Mehrkomponentenmessung meßtechnisch nicht zugänglich war.
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Welches der beiden Original-Teillichtbündel optisch zurückgeführt
wird, ist grundsätzlich frei wählbar. Jedoch mehr als ein Teillichtbündel zurückzuführen,
ist nicht sinnvoll, da der Geschwindigkeitsvektor dann überbestimmt wäre. Es muß
jedoch nicht unbedingt eines der Teillichtbündel in sich selbst zurückgeführt werden,
sondern es kann auch durch geeignete optische Mittel in den Strahlengang des anderen
Teillichtbündels koaxial und entgegengesetzt gerichtet zurückgeführt werden. Schließlich
kann auch ein Teillichtbündel, das vorher nicht die Funktion eines Original-Teillichtbündels
der Meßvorrichtung erfüllte, in eines der Original-Teillichtbündel zurückgeführt
werden.
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Eine künstliche Frequenzverschiebung-df zwischen den beiden eingestrahlten
Original-Teillichtbündeln wirkt sich sowohl für das Strahlenpaar mit dem Schnittwinkel
als auch für das mit dem Winkel d2 aus. Sie transponiert die Dopplerdifferenzfrequenzen
dfD1 und ÇfD2, die aus beiden Lichtbündelpaaren resultieren, in die Bereiche der
Meßfrequenzen l 4f = ED1 Çfo und zf2 = AfD2 AfO. Eine weitere Vorrichtung zur Frequenzverschiebung
im Strahlengang des optisch zurückgeführten Teillichtbündels kann dabei die Möglichkeiten
der Signaltrennung für die beiden Geschwindigkeitskomponenten durch Vergrößerung
des Abstandes der Signalfrequenzen erweitern.
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Zwei physikalische Einflüsse sind bei einer derartigen Meßanordnung
zu beachten: Das zu einem der Teillichtbundel koaxial und entgegengesetzt optisch
zurückgeführte Teillichtbündel kann durch die Optik des Strahlteilerkopfes zurück
in den Laserresonator gelangen. Durch Wechselwirkung mit dem Lasermedium kann dies
zu störenden Instabilitäten des Laserprozesses führen. Zur Abhilfe können wiederum
optische Farbfiglter oder polarisationsoptische Filter dienen. Wird zum Beispiel
die Polarisationsrichtung des optisch zurückgeführten Lichtbündels um 90° gedreht,
so kann sein Licht durch ein hierzu mit 900 gekreuztes Polarisationsfilter vor dem
Rückwärtseinfall in den Laserresonator blockiert werden. Derartige farb- oder polarisationsoptische
Filterungen lassen sich besser realisieren, wenn ein Teillichtbündel nicht in sich
selbst sondern in den Strahlengang des anderen Teillichtbündels zurückgeführt wird.
Dies ist möglich, wenn beispielsweise verschiedenfarbige Lichtbündel verwendet werden,
wobei die Blockierung des Original-Teillichtbündels durch ein Filter seiner eigenen
Farbe vermieden wird.
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Weiterhin bedeutet die angegebene Strahlführung einen erheblichen
optischen Weglängenunterschied der Teillichtbündel vom Laser bis zum Meßort bzw.
vom Laser über die optische Rückführung zurück zum Meßort. Laserlicht eines Lasers,
der in mehreren axialen Moden schwingt, verliert durch derartige optische Wegdifferenzen
im allgemeinen seine Fähigkeiten, mit hinreichend großer Intensitätsmodulation (angelsächsisch:
"visibility" der Interferenzen) zu interferieren. Dies ist jedoch nicht der Fall,
wenn die optische Weglängendifferenz ein gerades Vielfaches der Resonatorlänge des
Lasers ist. Diese relativ leicht zu realisierende Bedingung garantiert maximale
Sichtbarkeit" der für die Messung ausgenutzten Interferenzen.
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Das bisher beschriebene Verfahren und die Vorrichtungen ermöglichen
die gleichzeitige Messung zweier Geschwindigkeitskomponenten, die senkrecht aufeinander
stehen und in der Ebene der beiden Original- und des zurückgeführten Teillichtbündels
liegen. Durch ein geeignet ausgerichtetes drittes Original-Teillichtbündel, wie
es bei bisherigen Zweikomponentensystemen bereits verwendet wird, läßt sich das
beschriebene Zweikomponenten-Meßverfahren leicht zu einem Dreikomponentenverfahren
ergänzen. Umgekehrt kann ein zum Stand der Technik zählendes Zweikomponentensystem
durch die Zusatzmaßnahme der optischen Rückführung eines Teillichtbündels mit relativ
geringen optischen Mitteln zu einem Dreikomponentensystem mit idealer, annähernd
rechtwinkliger Komponentenorientierung erweitert werden.
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Dabei kann ein dritter optoelektronischer Empfänger für die dritte
Geschwindigkeitskomponente erforderlich werden, wenn eine optische Signaltrennung
durch farb- oder polarisationsoptische Maßnahmen erfolgt. Es ist aber auch die Verwendung
nur eines Empfängers möglich, wenn die Signaltrennung innerhalb der elektronischen
Meßkette hinter dem Empfänger und ggf. vorbereitet durch geeignete Frequenzverschiebungen
erfolgt.
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Die Erfindung wird anhand schematisierter Ausführungsbeispiele weiter
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung, Fig. 2
eine vergrößerte Darstellung des Strahlengangs im Bereich des Meßpunktes, Fig. 3
eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung, Fig. 4 eine dritte Ausführungsform
der Vorrichtung und Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung.
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Von einem vor eine nicht dargestellte Laserlichtquelle gesetzten Strahlteilerkopf
1, der häufig gleichzeitig als optischer Meßkopf ausgelegt wird, gehen zwei Teillichtbündel
2 und 2 aus, die aus Kohärenzgründen durch Strahlteilung aus einem einzigen Laserlichtbündel
erzeugt werden. Vereinfachend werden diese Teillichtbündel in der Literatur häufig
als "Teilstrahlen" bezeichnet. Beide Teillichtbündel 2 und 2 schneiden sich unter
einem Winkel d, und bestrahlen in ihrem Schnittbereich, dem Meßort, ein optisches
Streuobjekt 3, z. B. ein bewegtes Streuteilchen.
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Dabei entstehen zwei optische Streulichtfelder, deren Lichtfrequenzen
f51 und f52 gegenüber der ursprünglichen Frequenz f0 in Folge der Teilchenbewegung
dopplerverschoben sind. Beide Streulichtfelder interferieren miteinander und liefern
durch optische Mischung eine Schwebungsfrequenz dfg, die hier als Dopplerdifferenzfrequenz
fD1 bezeichnet und mit einem optoelektronischen Empfänger 4 detektiert wird. Die
Dopplerdifferenzfrequenz steht mit einer Geschwindigkeitskomponente 5(u) der Teilchengeschwindigkeit
in folgendem Zusammenhang:
Die durch Messung von dfD1 bestimmbare Geschwindigkeitskomponente
5 (u) steht senkrecht auf der Winkelhalbierenden 6 des Schnittwinkels d der Teillichtbündel
2 und 2'.
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Diese bekannten Teillichtbündel 2, 2' werden durch ein weiteres Teillichtbündel
2" ergänzt, welches ebenfalls auf den besagten Schnittbereich mit dem Streuobjekt
3 ausgerichtet ist. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Mehrkomponentenverfahren
zeichnet sich das neue Verfahren jedoch dadurch aus, daß das Teillichtbündel 2"
koaxial und entgegengesetzt zu einem der beiden Teillichtbündel 2 oder 2 ausgerichtet
ist und gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 aus einem der beiden durch koaxial
entgegengerichtete optische Rückführung erzeugt wird.
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Dies kann beispielsweise durch spiegelnde und/oder brechende optische
Mittel 7, insbesondere einen Spiegel, realisiert werden.
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In dem dargestellten Fall bildet das optisch zurückgeführte Teillichtbündel
2" mit dem Teillichtbündel 2 eine weitere Doppler-Differenzanordnung mit dem Winkel
oL 2, mit der die Geschwindigkeitskomponente 5 (v) meßbar ist, die senkrecht auf
der Winkelhalbierenden 6' des Winkels steht und deren zugeordnete Meßfrequenz dfD2
beispielsweise mit dem optischen Empfänger 4 detektiert wird.
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Die so gleichzeitig mit der Geschwindigkeitskomponente 5 meßbare Geschwindigkeitskomponente
5 zeichnet sich dadurch aus, daß sie zumeist parallel zur optischen Hauptachse des
optischen Strahlteilerkopfes 1 ausgerichtet ist. Die optische Hauptachse ist im
allgemeinen parallel oder identisch mit der Winkelhalbierenden 6 des Winkels 41.
.Die Messung gerade dieser Geschwindigkeitskomponente 5 stellt ein für die Laser-Doppler-Anemometrie
bisher nur schwer lösbares Problem dar. Sofern die optische und örtliche Zugänglichkeit
des Meßortes gewährleistet ist, kann dieses Problem nunmehr mit relativ geringem
zusätzlichem Aufwand in der beschriebenen Weise gelöst werden.
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Bis auf einen nicht vermeidbaren optischen Weglängenunterschied ist
die Bedingung der Kohärenz der Teillichtbündel 2, 2' und 2" gewährleistet, da sie
alle aus einem Laserlichtbündel durch Strahlteilung erzeugt werden.
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Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 nur schematisch dargestellten, tatsächlich
aber mit endlichem Querschnitt versehenen Teillichtbündel 2 und 2', welche bei ausgeführten
technischen Lösungen zumeist einzeln auf den Meßort fokussiert werden.
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Dadurch wird die Lichtintensität im optisch erfaßten Meßort erhöht
und sein Volumen verkleinert.
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Dementsprechend müssen die optischen Mittel 7 das sie erreichende
divergente Teillichtbündel im Verlauf der optischen Rückführung wiederum als Teillichtbündel
2" auf den Meßort fokussieren. Dies kann beispielsweise - wie dargestellt - mit
einem Hohlspiegel geeigneter Brennweite oder einer geeigneten Kombination aus optischen
Linsen, Prismen und spiegelnden Flächen erfolgen.
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Fig. 3 zeigt eine ähnlich aufgebaute Vorrichtung. Jedoch wird hier
das Teillichtbündel 2 -nicht durch optische Rückführung eines der Teillichtbündel
2 oder 2' in sich selbst erzeugt.
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Vielmehr wird mittels spiegelnder und brechender Mittel 7 und 7 das
Teillichtbündel 2 als Teillichtbündel 2'' koaxial und entgegengesetzt gerichtet
zum Teillichtbündel 2' auf den Meßort mit dem Streuobjekt 3 ausgerichtet. Dies erleichtert
Maßnahmen, die der Trennung der Signale für die Geschwindigkeitskomponenten 5 und
5' durch Einbringung von Filtern oder Mitteln zur Frequenzverschiebung in den zurückgeführten
Strahlengang dienen.
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Enthält beispielsweise das ursprüngliche Laserlicht einen blauen und
einen grünen Anteil, so können die Signale auf folgende Weise getrennt werden: Das
Teillichtbündel 2 enthält beide Farben. Durch ein Blaufilter 8 wird das grüne Licht
aus dem Teillichtbündel 2 elimiminiert. Die Geschwindigkeitskomponente 5 wird dann
allein durch das blaue Licht der Teillichtbündel 2 und 2' erfaßt, das entsprechende
Streulicht gelangt durch einen Blaufilter 8' in den optischen Empfänger 4, z. B.
einen Empfänger. Nach dem Durchgang durch den Meßort wird das Teillichtbündel 2
im Verlauf seiner koaxialen Rückführung mit dem Grünfilter 9 gefiltert. Das Teillichtbündel
2'' ist somit grün und erfaßt mit dem grünen Anteil des Teillichtbündels 2 die Geschwindigkeitskomponente
5'. Das zugehörige Streulichtsignal gelangt durch ein Grünfilter 9', zu dem weiteren
optoelektronischen Empfänger 4'. Damit ist die Signaltrennung vollzogen.
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Durch die Farbfilter 8 und 9 wird jedoch zusätzlich erreicht, daß
die koaxial ineinander geführten Teillichtbündel noch vor einem rückwärts gerichteten
Eintritt in den Strahlteilerkopf 1 blockiert werden. Es kann somit keine Lichtintensität
zurück in den Laserresonator gelangen, dessen optische Betriebsstabilität sonst
gestört werden könnte. Anstelle der Farbfilter 8, 8', 9, 9' können auch geeignet
orientierte Polarisationsfilter zur Signaltrennung und Intensitätsblockierung verwendet
werden.
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Die verschiedenen Farbfilter entsprechen dabei unter 900 gekreuzten
Polarisationsfiltern und das zweifarbige Teillichtbündel 2 entspricht einem Lichtbündel,
dessen Polarisationsrichtung zu den beiden Polarisationsfiltern um 450 gekreuzt
ist. Das ursprüngliche Laserlicht kann dann natürlich einfarbig sein.
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Fig. 4 zeigt, daß bei der Strahlführung nach Fig. 3 besonders einfach
auch Mittel zur Frequenzverschiebung 10 und 10', die für sich zum Stand der Technik
gehören, eingesetzt werden können.
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Dabei ist es von wesentlichem Vorteil, daß beispielsweise durch das
Mittel 10'die Frequenz des koaxial zurückgeführten Teillichtbündels 2'' nochmals
und unabhängig von einer Frequenzverschiebung verändern kann, die möglicherweise
bereits dem Teillichtbündel 2 durch die Mittel 10 aufgeprägt wurde. Solche Frequenzverschiebungen
dienen nicht nur der Vorzeichen- und Nullpunktdetektion der gemessenen Geschwindigkeitskomponenten.
Sie können auch der Signaltrennung dienen, indem durch Frequenzverschiebung die
Meßfrequenzen mit hinreichend großem Frequenzabstand untereinander versehen werden.
Das dann mit nur einem Empfänger detektierbare Frequenzgemisch kann anschließend
durch elektronische Filterung in die einzelnen Signalfrequenzen zerlegt werden.
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Fig. 5 zeigt schließlich die Möglichkeit, daß eine Mehrkomponentenmessung
mit den entsprechend vorteilhaft gerichteten Komponenten auch erreicht wird, wenn
das zu einem der Original- Teillichtbündel koaxiale und entgegengerichtete Teillichtbündel
2" nicht aus einem der Original-Teillichtbündel 2 oder 2' resultiert.
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Es kann auch durch zusätzliche Strahlteilung erzeugt werden, um dann
als Teillichtbündel 2" zu fungieren. Eine solche Anordnung ist jedoch weniger praktikabel,
insbesondere wird die Einhaltung der Kohärenzbedingung für die Teillichtbündel schwieriger.
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Schließlich sei erwähnt, daß die erfindungsgemäße Lösung durch koaxiale
optische Rückführung eines Liditbündels auf ein bewegtes Meßobjekt auch im allgemeineren
Fall der Vergleichsstrahlenanordnung, wie sie von Yeh und Cummings beschrieben wurde,
die Möglichkeit für die gleichzeitige Messung von zwei Geschwindigkeitskomponenten
liefert.
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In Verbindung mit dem Doppler-Differenzverfahren oder Mehrstrahlverfahren,
wie es den Fig. 1 bis-5 zugrunde liegt, bietet die erfindungsgemäße Lösung jedoch
besonders praktikable Möglichkeiten der gleichzeitigen Messung mehrerer Komponenten
mit einer besonders günstigen Richtungsorientierung.
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Bezugszeichenliste: 1 = Strahlteilerkopf 2, 2', 2" = rückgeführtes
Teillichtbündel 3 = Streuobjekt 4, 4' = Strahlendetektor 5, 5' = Geschwindigkeitskomponente
6, 6' = Winkelhalbierende 7, 7' = optische Mittel 8, 8' = Blaufilter 9, 9' = Grünfilter
10, 10' = Mittel zur Frequenzverschiebung