DE4240769C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung mehrerer Geschwindigkeitskomponenten, insbesondere von Teilchen in Fluiden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung mehrerer Geschwindigkeitskomponenten insbesondere von Teilchen in Fluiden. Sie umfaßt auch zwei Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens, sowie ein elektro-optisches Modul für diese Vorrichtungen.

Der Prospekt epa-Aachen "Zweikomponenten Laser-Doppler-Velocimeter" oder die DE 34 21 341 A1 zeigen ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung. Ein polarisierter Laserstrahl wird in einer Pockels-Zelle zwischen zwei Polarisationszuständen umgeschaltet. Je nach Polarisationsrichtung wird dieser Laserstrahl in einem Polarisationsstrahlteiler umgelenkt oder durchgelassen. Die beiden sich ergebenden Arme des Meßaufbaus sind in ihren Elementen identisch. Der jeweilige Strahl eines Annes wird Ober einen Strahlteiler in einen Doppelstrahl aufgeteilt, der eine Ebene definierend als Kreuzstrahl in ein Meßvolumen eintritt. Die beiden sich aus den beiden Armen des Meßaufbaus ergebenden Ebenen stehen senkrecht aufeinander. Jedes Strahlenpaar gestattet die Ausbildung eines Interferenzmusters, wobei die beiden Interferenzmuster senkrecht aufeinander stehen. Tritt nun ein Teilchen durch das Meßvolumen, sind Geschwindigkeits-Komponenten senkrecht zur optischen Achse erfaßbar, da in Rück- oder Vorwärtsstreuung ein Detektor angeordnet ist. Durch den Einsatz einer Pockelszelle sind dabei allerdings hohe Schaltleistungen notwendig.

Wie weiter aus dem Prospekt und der DE 34 21 341 A1 hervorgeht, sind beide senkrecht zueinander stehenden Geschwindigkeits-Komponenten an ein und demselben Teilchen nur bei langsamen Teilchen erfaßbar, da eine Vielzahl von, z. B. acht, Fringedurchquerungen zur Erfassung der Geschwindigkeit in einer Dimension notwendig ist. Die erforderliche elektro-optische Umschaltung benötigt also hohe Schaltleistungen, um während der Flugzeit des zu messenden Teilchens den Wechsel der optischen Ebenen zu bewirken. Steht die hohe Schaltleistung nicht zur Verfügung, so kann es sein, daß die Geschwindigkeits-Komponenten verschiedener Teilchen gemessen werden.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei dem/der mit geringer Steuerleistung beide Geschwindigkeits- Komponenten an ein und demselben Teilchen bei beliebigen Teilchen-Geschwindigkeiten erfaßbar sind.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit den Gegenständen der Ansprüche 1, 8 oder 9.

Tragend dabei ist, daß eine schnelle Umschaltung in einem (Anspruch 1, 9) oder zwei (Anspruch 1, 8) Y-Koppler(n) in zwei (oder vier) Ausgangsstrahlen erfolgen kann und die Orientierung der Interferenzmuster nach Aufnahme jedes Meßwertes (sehr schnell) mit geringer Leistung gewechselt werden kann. Unterstützend wirkt die nahezu vollständige Führung der Licht-Meßstrahlen in Lichtwellenleitern, wie Faseroptiken; erst kurz vor dem Meßvolumen werden die Strahlen aus den Lichtwellenleitern ausgekoppelt. Dies kann mit (üblichen) Kollimatorlinsen oder GRIN-Linsen geschehen, die als Zylinder gestaltet sind und mit einer kontinuierlichen Veränderung des Brechungsindex eine parallele Ausrichtung der austretenden Strahlen gewähren (Anspruch 2).

Die Verwendung von Lichtwellenleitern und die Durchführung der Strahl-Umschaltung (Lichtleistungs-Umschaltung) mittels - durch Steuerschaltung angesteuerter - Y-Koppler ermöglicht eine sehr schnelle und verlustarme Umschaltung. Dadurch kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform je Taktschritt abwechselnd jeweils ein Meßwert für eine der beiden Geschwindigkeits-Komponenten ermittelt werden, womit eine exakte Geschwindigkeitsbestimmung eines einzigen Teilchens möglich ist, welches in den Meßschritten die einzelnen Fringes des jeweiligen Interferenzmusters durchfliegt. Sollte eine Geschwindigkeits-Komponente einmal nicht oder nicht gut zu erfassen sein, stört oder sperrt diese Erfassungsverzögerung die Erfassung der anderen Komponenten nicht.

Findet das Umschalten jew. nach Aufnahme eines Meßwerts statt, liegt die Frequenz des Taktsignals der Strahlumschaltung (Lichtleistungs-Umschaltung) in der Größenordnung der Frequenz des vom Detektor erhaltenen elektrischen Signals (Anspruch 3).

Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind in Ansprüchen 4 bis 7 hervorgehoben.

Anders als die vorliegende Erfindung, die aktive Y-Koppler verwendet, listet der Review-Artikel "Linear and Non-Linear Optical Fibre-Devices" von GOURE, J.P. et al. in Journal of Physics, Part D: Appl. Phys. Vol. 22,1989, Seiten 1791 bis 1805 unter einer großen Zahl von optischen Bauelementen passive Y-Koppler auf. Sie sollen für LAN-Netzwerke Anwendung finden. In DE 34 41 088 C2 werden - dem Kennzeichen des Anspruches 2 vergleichbar - GRIN-Linsen oder Kollimatorlinsen zur Parallelausrichtung von in ein Meßvolumen ausgekoppelten Strahlen. Hintergrund dieser Beschreibung ist die Verbesserung der Meßgenauigkeit bei der Erfassung einer einzigen Geschwindigkeitskomponente eines Partikels in einem Fluid.

Die gleichzeitige Erfassung mehrerer Geschwindigkeitskomponenten an einem einzigen Teilchen ist dieser Fundstelle nicht zu entnehmen.

Bei einer Vorrichtung (Anspruch 8, 9), mit der das Verfahren (Anspruch 1) vorteilhaft durchgeführt werden kann, gibt es zwei Vorschläge. Entweder werden zwei Strahlpaare über zwei Y-Koppler abgewechselt oder ein Strahlpaar wird ersetzt durch einen stetigen Lichtstrahl, der mit den anderen - sich abwechselnden - Lichtstrahlen des verbleibenden Paares die beiden verschieden orientierten Interferenzmuster bildet.

Durch die Verwendung von Y-Kopplern stehen schnelle Umschalter zur Verfügung, die schaltleistungsarm die in die Eingangs-Lichtwellenleiter eingespeiste Licht-Leistung (Lichtstrahlen) vollständig zwischen den Ausgangs-Lichtwellenleiterpaaren umschalten. Damit ist es insbesondere möglich, im Takt der Aufnahme der Meßwerte vom Detektor umzuschalten und so die zur Geschwindigkeitsbestimmung benötigten Meßwerte im Zeitmultiplex von einem einzigen Teilchen zu erhalten, so, daß es sich bei den aufgenommenen Meßwerten tatsächlich um die Geschwindigkeits-Komponenten eines einzelnen Teilchens handelt.

Zur Frequenzverschiebung können in den Strahlgängen elektro-optische Elemente vorgesehen werden (Anspruch 10). Die AD-Schaltungstechnik ist in Anspruch 11 näher umschrieben.

Besonders raumsparend zeigt sich das elektro-optische Modul (Anspruch 12) für die beschriebenen Vorrichtungen. Neben seiner kompakten Bauweise beseitigt dieses Modul auch eine Vielzahl von Abgleich- und Justierarbeiten, die aufgrund der Modulbauweise entfallen. Ein Laser-Doppler-Anemometer kann so einfach an eine bestimmte Aufgabe angepaßt werden, eben dadurch, daß bestimmte Module ausgetauscht werden.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild der optischen Elemente einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild der optischen Elemente einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit nur einem einzigen Y-Koppler,

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit optische Elemente enthaltenden Modulen und Sonden zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Gegenstandes in zwei Dimensionen,

Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit optische Elemente enthaltenden Modulen und Sonden zur Bestimmung der Ge­ schwindigkeit eines Gegenstandes in einer Dimension an verschiedenen Orten,

Fig. 5 ein Modul aus Fig. 3 mit wesentlichen optischen und elektrischen Elementen des dritten Ausführungsbeispiels zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Gegenstandes in zwei Dimensionen, und

Fig. 6 ein Modul aus Fig. 4 mit wesentlichen optischen und elektrischen Elementen des vierten Ausführungsbeispiels zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Gegenstandes in einer Dimension an verschiedenen Orten.

Die Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der optischen Elemente einer Vor­ richtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein Laser 1 strahlt einen monochromatischen Lichtstrahl 2 aus. Dieser wird in einem Strahlteiler 3 in zwei im wesentlichen gleichstarke Teilstrahlen 4 und 24 aufgeteilt, die schematisch als Striche angedeutet sind. Dabei handelt es sich üblicherweise um im wesentlichen parallele Lichtstrahlen 4 und 24. Diese werden im jeweiligen Arm 5 bzw. 25 der Vorrichtung in dort angeordneten Lichtwellenleitereinkoppler 6 bzw. 26 in Lichtwellenleiter 7 bzw. 27 einge­ koppelt. Dabei handelt es sich (insoweit) um eine gängige Strahlteilung. Im Zuge der Teilstrahlen 4, 24 kann - bei Bedarf - eine Frequenzverschiebung für eine Richtungsemp­ findlichkeit (am Meßpunkt) eingebaut werden.

Bei den Lichtwellenleitern 7 bzw. 27 kann es sich um Multimodelichtwellenleiter handeln. Vorzugsweise werden jedoch Monomodelichtwellenleiter, z. B. Stufenindexfasern mit ei­ nem wenige Mikrometer großen Kern verwendet.

Diese Lichtwellenleiter 7 bzw. 27 werden an einen Y-Koppler 8 bzw. 28 angeschlossen. Dabei handelt es sich um ein Bauteil, das eingangsseitig mit einem Eingangs-Lichtwel­ lenleiter 7 bzw. 27 beschaltet ist und der ausgangsseitig über zwei Ausgangs-Lichtwel­ lenleiter 9 und 19 bzw. 29 und 39 verfügt. Die Ausgangs-Lichtwellenleiter 9,19, 29 und 39 entsprechen im Aufbau vorzugsweise den Eingangs-Lichtwellenleitern 7 und 27.

Das über die Eingangs-Lichtwellenleiter 7 bzw. 27 in den jeweiligen Y-Koppler 8 bzw. 28 eingespeiste Licht wird nahezu vollständig in einen einzigen der beiden Ausgangs-Licht­ wellenleiter zum Beispiel 9 bzw. 29 geleitet. Die anderen beiden Ausgangs-Lichtwellen­ leiter 19 und 39 sind dann von nahezu keiner Lichtleistung beaufschlagt.

Solche Y-Koppler 8 und 28, die auch Brücken-Modulatoren (Y-balanced, bridge modula­ tors) genannt werden, sind aus einem länglichen LiNbO₃-Substrat aufgebaut und sind kommerziell für Eingangslichtleistungen (Impuls) bis zu 200 Milliwatt (Dauerleistung 1-2 mW) und Wellenlängen von 800, 1300 und 1500 nm erhältlich. Dabei ist es möglich neben Verzweigungen in zwei Lichtwellenleiter auch durch interne Kaskadierung der Über­ gänge Brücken-Umschaltungen auf mehr als zwei Lichtwellenleiter zu erhalten. Dies ist insbesondere für die Mehrpunkt-Laser-Doppler-Anemometrie (Mehrpunkt-LDA) vorteil­ haft, um eine Geschwindigkeits-Komponente an z. B. drei oder vier Orten zu messen.

Die beiden in diesem Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur zweidimensionalen LDA Licht führenden Ausgangs-Lichtwellenleiter 9 und 29 (als Beispiel) sind in einer durch die optische Achse 42 und die vorgegebenen Y-Richtung 43 aufgespannten Ebene 44 an­ geordnet. Das aus ihnen her austretende Laserlicht wird dann über eine in der Zeich­ nung nicht dargestellte Fokussieroptik auf ein Meßvolumen 45 gebündelt. Dort entsteht durch den zwischen den aus den Lichtwellenleitern 9 und 29 austretenden Strahlen be­ stehenden Winkel ein erstes Interferenzmuster. Ein durch das Meßvolumen tretendes Teilchen streut das es beaufschlagende Licht, woraus sich entsprechend der in Vor­ wärtsstreuung ergebenden Intensität auf einem Detektor 46 ein Meßwert für die Ge­ schwindigkeits-Komponente des Teilchens in Y-Richtung ermitteln läßt. Hierfür ist der Detektor 46 über eine Datenleitung 47 mit einer Steuer- und Auswerteschaltung 40 ver­ bunden.

Die Y-Koppler 8 und 28 sind nun über Steuerleitungen 10 und 30 an der Auswerte- und Steuerschaltung 40 angeschlossen. Durch ein entsprechendes Steuersignal werden beide Y-Koppler 8 und 28 synchron umgeschaltet, so daß das über die Eingangs-Licht­ wellenleiter 7 bzw. 27 in die Koppler 8 und 28 eingespeiste Licht nahezu vollständig in die anderen Ausgangs-Lichtwellenleiter 19 und 39 umschaltbar ist. Diese letzteren Aus­ gangs-Lichtwellenleiter 19 und 39 sind in einer durch die optische Achse 42 und die vor­ gegebenen X-Richtung 48 aufgespannten Ebene 49 angeordnet. Das aus ihnen heraus­ tretende Laserlicht wird dann über die in der Zeichnung nicht dargestellte Fokussieroptik auf das Meßvolumen 45 gebündelt. Dort entsteht durch den zwischen den aus den Lichtwellenleitern 19 und 39 austretenden Strahlen bestehenden Winkel ein zweites In­ terferenzmuster, weiches senkrecht zu dem oben genannten ersten Interferenzmuster steht. Damit ist es in analoger Weise möglich nun Meßwerte für die X-Komponente der Teilchengeschwindigkeit zu ermitteln.

Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung wird zuerst die eine Geschwindigkeits-Komponente ermittelt und anschließend die durch die Eingangs-Licht­ wellenleiter 7 und 27 eintretende Lichtleistung auf die jeweils anderen Ausgangs-Licht­ wellenleiter umgeleitet, um die andere Komponente zu messen.

Die Steuer- und Auswerteschaltung 40 kann einen Speicherbaustein und einen schnellen Schalter enthalten. Dann wird nach einem Taktschritt, d. h. der Aufnahme eines Meß­ wertes für die Geschindigkeitskomponente in einer Richtung, diese zwischengespeichert und beide Y-Koppler 8 und 28 schnell um geschaltet. Dann wird im nächsten Taktschritt ein Meßwert der Geschwindigkeits-Komponente in der anderen Richtung aufgenommen und anschließend erneut um geschaltet. Durch dieses Meßverfahren ist gewährleistet, daß für ein und dasselbe Teilchen für beide Geschwindigkeits-Komponenten im Zeitmul­ tiplex eine Vielzahl von Meßwerten erhoben werden können. Nach dem Erfassen von mehreren Meßwerten kann so eindeutig die Geschwindigkeit des beobachteten Teil­ chens deduziert werden.

Die in der Fig. 1 orthogonal aufeinanderstehenden Ebenen der Strahlenpaare können auch in einem beliebigen anderen Winkel zueinander angeordnet werden, um aus den dabei ermittelbaren Geschwindigkeits-Richtungen eine zweidimensionale Geschwindig­ keit zu ermitteln. Die Nicht-Orthogonalität muß nur bei der Berechnung der Geschwindig­ keit berücksichtigt werden.

Es ist günstig, in der Auswerteschaltung eine Sample- und Hold-Schaltung vorzusehen, so daß bei stark unterschiedlichen Geschwindigkeiten in den beiden beobachteten Richtungen Meßwerte für die eine schnelle Richtung im Takt des Umschaltens der Lichtleistung aufgenommen werden, wohingegen in der anderen Richtung ein Meßwert über mehrere Takte integriert wird. Dabei sind Taktverhältnisse von z. B. 1 zu 5 oder größer möglich.

Vorteilhafterweise wird der Meßwert durch einen schnellen Analog-Digital-Wandler direktgewandelt, wobei Schaltraten pro Kanal von 50MHz möglich sind.

Dabei liegt die Frequenz des Taktsignals der Leistungsumschaltung in der Größenord­ nung der Frequenz des vom Detektor erhaltenen elektrischen Signals.

Neben des in Fig. 1 dargestellten 4-Strahl Kreuzstrahlverfahrens ist es auch möglich eine Vorrichtung mit nur einem einzigen Y-Koppler 8 zu schaffen. Eine solche ist in Fig. 2 dar­ gestellt.

Die Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der optischen Elemente einer Vor­ richtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit nur einem einzigen Y-Koppler 8. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Arm 5 ist analog zu dem Arm 5 der Fig. 1 ausgestaltet. Der zweite Arm 55 hingegen ist anders ausgestaltet, da das in dem Lichtwellenleitereinkoppler 26 Licht durch einen Lichtwellen­ leiter 59 direkt zum Auskoppelpunkt geführt wird.

Die beiden jeweils wechselseitig mit Lichtleistung beschaltbaren Ausgangs-Lichtwellen­ leiter 9 und 19 werden vorzugsweise zusammen mit dem Lichtwellenleiter 59 in einer Ebene in einem Winkel von 120 Grad angeordnet, so daß sich bezüglich der Achse 42 ein gleichseitiges Dreieck mit den Eckpunkten der Faserenden ergibt. Dadurch besteht zwischen der besagten ersten und der zweiten Ebene ein Winkel von 120 Grad. Wenn nun über die Steuerleitung 10 der Y-Koppler 8 umgeschaltet wird wechselt die in dem einen Lichtwellenleiter-Paar 9 und 59 geführte Lichtleistung auf das zweite Lichtwellen­ leiter-Paar 19 und 59. Dabei ist der in dem Lichtwellenleiter 59 geführte Licht-Anteil an beiden Strahlenpaaren beteiligt. Vorzugsweise teilt auch hier der Strahlteiler 3 die Licht­ leistung gleichartig auf die beiden Lichtstrahlen 4 und 24 auf, so daß zwei unterschiedli­ che Meßwerte von in einem Winkel von 120 Grad zueinander stehenden Geschwindig­ keits-Komponenten erhoben werden können.

Natürlich sind auch andere Winkel möglich, jedoch bietet die beschriebene Ausführungsform die größte Empfindlichkeit.

Dabei ist vorteilhaft, daß die Y-Koppler 8 bzw. 28, die üblicherweise mit niedrigen Schaltleistungen in schnellen Schritten und hohem Takt umschaltbar sind, eine hohen Wirkungsgrad haben und daß die Führung der Lichtstrahlen in Lichtwellenleitern 7, 9, 19, 27, 29 und 39 eine verlustarme Ausbreitung im interessierenden Wellenlängenbereich von z. B. 800nm gestatten und gleichzeitig eine extrem kompakte Bauform ermöglichen. Denn anstelle einer großräumigen Linsenanordnung, wie sie die Fig. 1 andeutet, ist es auch möglich die Faserenden der Lichtwellenleiter 9, 19, 29, 39 und 59 in der gewünschten Weise dicht beieinander anzuordnen, so daß ein kleines Meßvolumen mit ho­ her Strahlintensität beaufschlagbar ist, was gleichzeitig die Aufnahme des Streusignals durch den Detektor 46 vereinfacht.

Die Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit solchen optische Elemente enthaltenden Modulen und Sonden zur Be­ stimmung der Geschwindigkeit eines Gegenstandes in zwei Dimensionen. Dabei kann es sich um die Geschwindigkeit einer rotierenden Scheibe, eines Teilchens in einem Fluid oder eines sonstigen Gegenstandes handeln.

Die Fig. 3 zeigt insbesondere die vorteilhafte Modulbauweise, die für verschiedene Anwendungen in einfacher Weise austauschbar sind. Die Lichtwellenleitereinkoppler 6 und 26 sind üblicherweise auf einer Bank fest einsetz- und justierbar. Die sich daran an­ schließenden Ausgangs-Lichtwellenleiter 7 und 27 werden in eine Fasersonde- Steuereinheit 60 eingespeist, die in Fig. 5 in einem Ausführungsbeispiel dargestellt ist.

Die Fig. 5 zeigt das Modul 60 aus Fig. 3 mit wesentlichen optischen und elektrischen Elementen des dritten Ausführungsbeispiels zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Gegenstandes in zwei Dimensionen. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dabei sind die Eingangs-Lichtwellenleiter 7′ und 27′ anders bezeichnet worden, da üblicherweise Steckverbinder verwendet werden, die eine Justage der Ver­ bindung zu den Y-Kopplern 8 und 28 überflüssig machen.

Ausgangsseitig umfaßt die Steuereinheit 60 die Ausgangs-Lichtwellenleiter 9, 19, 29 und 39 sowie einen Empfangs-Lichtwellenleiter 65, der zum Detektor 46 führt, bei dem es sich um eine Avalanche-Photodiode handeln kann. Die damit aufgenommen Meßwerte werden in der Auswerteeinrichtung 40 direkt gewandelt und über einen Datenbus 66 vor­ zugsweise in einen Rechner zur weiteren Verarbeitung und Speicherung weitergeleitet.

Die fünf Lichtwellenleiter 9, 19, 29, 39 und 65 werden über Steckkupplungen und einen Faserstrang 62 in eine LDA-Glasfasersonde 61 geleitet, in der diese Lichtwellenleiter in der zu Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Weise zur Durchführung des Kreuzstrahlverfahrens angeordnet werden. Dieses Modul enthält somit die für die Parallelisierung und Bünde­ lung des einfallenden Lichtes und die für die Sammlung des gestreuten Lichtes notwen­ digen Optiken, bei denen es sich zum einen insbesondere um sogenannte Stablinsen handeln kann, die auf die Faserenden direkt aufgesetzt werden können. Mit dem Be­ zugszeichen 63 sind dann die einfallenden kollimierten und gestreuten Strahlen bezeich­ net, die einen Gegenstand oder ein Teilchen 64 treffen bzw. von diesem gestreut wer­ den.

Die Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit weiteren optische Elemente enthaltenden Modulen und Sonden zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Gegenstandes in einer Dimension an verschie­ denen Orten. Diese sogenannte Mehrpunkt-Laser-Doppler-Anemometrie umfaßt meßseits zwei LDA-Glasfasersonden 61 und 71, die an räumlich verschiedenen Orten ange­ ordnet sind. Der Vorteil der modularen Bauweise tritt klar hervor, da die Module 61 und 71 baugleich sind und somit beliebig austauschbar und zu verschiedenen Zwecken ein­ setzbar sind. Die Faserstränge 72 und 73 sind an einer Steuereinheit 70 angeschaltet, die in Fig. 6 detailliert dargestellt ist.

Die Fig. 6 zeigt das Modul 70 aus Fig. 4 mit wesentlichen optischen und elektrischen Elementen des vierten Ausführungsbeispiels zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Gegenstandes in einer Dimension an verschiedenen Orten. Der optische Aufbau der Steuereinheit 70 ist im wesentlichen mit dem des Moduls 60 identisch.

Die Ausgangs-Lichtwellenleiter 9 und 29 sind in dem Sinne gekreuzt, daß nun die beiden ersten Ausgangs-Lichtwellenleiter 9 und 29 zusammen mit dem Empfangs-Lichtwellen­ leiter 65 einen Drei-Fasern-Anschlußpunkt bilden. Genauso bilden die Ausgangs-Licht­ wellenleiter 19 und 39 zusammen mit dem Empfangs-Lichtwellenleiter 75 einen zweiten solchen Anschlußpunkt.

Jeder dieser Anschlußpunkte ist, wie im Zusammenhang mit der Fig. 4 erwähnt an eine LDA-Glasfasersonde 61 bzw. 71 angeschlossen, mit denen an verschiedenen Orten eine Geschwindigkeitskomponente von Teilchen 64 erfaßt wird. Die Y-Koppler 8 und 28 be­ schalten nämlich in dem einen Schaltzustand das Modul 61 und in dem anderen Schalt­ zustand das Modul 71 mit dem Licht des Lasers 1, so daß nacheinander die Empfangs- Lichtwellenleiter 65 und 75 das an dem einen bzw. an dem anderen Ort gestreute Licht aufnehmen und in ein Prisma 67 zur Zusammenführung der Empfangs-Lichtwellenleiter 65 und 75 leiten. Das aus dem Prisma 67 austretende Licht wird auf den einzigen De­ tektor 46 geleitet, an dessen Ausgang im Zeitmultiplex das elektrische Signal des von ei­ nem Gegenstand oder Teilchen an verschiedenen Orten gestreuten Lichts bereit steht, in der Auswerteschaltung 40 oder nach der Wandlung in ein digitales Signal, z. B. durch einen 4-Bit-Direktwandler über einen Bus 66 in einer Rechnereinheit weiterverarbeitet zu werden. Neben einem Prisma 67 ist auch eine einfache die verschiedenen Empfangs- Lichtwellenleiter 65 und 75 bündelnde Einrichtung einsetzbar, die im einfachsten Falle aus einer auf den Detektor kollimierenden Linse bestehen kann.

Die in den kompakteren Ausführungsbeispielen dargestellte Ausführungsform benutzt das rückwärts-gestreute Signal. Natürlich ist auch die Ausnützung der Vorwärtsstreuung mit leicht veränderten Modulen möglich, insbesondere kann auch der das Fluid umfassende Raum in ein Modul integriert werden. Dabei ist, wie auch in den vorgestellten Ausführungsbeispielen wichtig, daß das Meßraumvolumen auf den Empfangs-Lichtwel­ lenleiter abgebildet wird, um eine hohe Empfindlichkeit der Apparatur zu erhalten.

Natürlich wird eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art vorteilhafterweise ebenfalls akusto-optische Elemente wie Bragg-Zellen umfassen, um mit Hilfe eines Mischers das Vorzeichen der Geschwindigkeit des Teilchens sicher bestimmen zu können. U.U. ist der Einsatz eines Raumfilters sinnvoll, um einen reineren Strahl zu erhalten.

Claims (12)

1. Verfahren zur Erfassung mehrerer Geschwindigkeitskomponenten, insbesondere von Teilchen in Fluiden, bei dem

• - ein Lichtstrahl in ein erstes Strahlenpaar, welches in einem in einer ersten Ebene (44) liegenden-Winkel zueinander in ein Meßvolumen eingeleitet wird, und in ein zweites Strahlenpaar zerlegt wird, welches in einem in einer zweiten Ebene (49) liegenden Winkel zueinander in das Meßvolumen eingeleitet wird,
• - der Lichtstrahl in zeitlicher Folge im Wesentlichen in nur eines der beiden Strahlenpaare geleitet wird,
• - über ein Detektorelement (46) die aus dem Meßvolumen tretende Strahlung erfaßt und über eine Steuer- und Auswerteschaltung (40) das Detektorsignal (47) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet,
• - daß mindestens ein - von der Steuer- und Auswerteschaltung (40) angesteuerter - Y-Koppler (8, 28) den Lichtstrahl in zwei schnell umschaltbare Ausgangs-Lichtstrahlen (9, 19; 29, 39) aufteilt, wobei die Umschaltung jeweils nach Erfassung eines Meßwertes erfolgt und
• - daß die Licht-Meßstrahlen nahezu vollständig in Lichtwellenleitern (6, 26; 7, 27; 9, 19; 29, 39), wie Faseroptiken, geführt werden, um erst kurz vor dem Meßvolumen aus den Lichtwellenleitern ausgekoppelt zu werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß GRIN-Linsen oder Kollimatorlinsen die Lichtstrahlen aus den Lichtwellenleitern (6, 26; 7, 27; 9, 19; 29, 39) auskoppeln, um eine parallele Ausrichtung der austretenden Strahlen zu erhalten.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Taktsignals der Strahlumschaltung in der Größenordnung der Frequenz des vom Detektor (46) erhaltenen elektrischen Signals liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Detektor (46) erhaltenen und einem der Strahlenpaare zuzuordnenden Signale abhängig von dem Taktsignal der Strahlumschaltung von einem Analog-Digital-Wandler in ein digitales Signal umgesetzt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

• (a) daß nur ein Y-Koppler (8) vorgesehen ist und
• (b) daß die beiden Strahlenpaare (9, 29; 19, 39) aus je einem Lichtstrahl eines umschaltbaren Lichtstrahlen-Paares und aus einem gemeinsamen Lichtstrahl (59) bestehen, wobei sich die beiden Ebenen (44, 49) in dem gemeinsamen Lichtstrahl (59) schneiden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Y-Koppler (8, 28) mit mindestens zwei Ausgangs-Lichtwellenleitern (9, 19; 29, 39) vorgesehen sind, wobei die mindestens zwei durch die Ausgangs-Lichtstrahlen gebildeten Ebenen (44, 49) in einem beliebigen Winkel zueinander stehend in einem räumlichen Abstand voneinander angeordnet sind (Multipoint).

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das von den verschiedenen Orten zurückgetreute Licht über jeweils einen Empfangs- Lichtwellenleiter (65, 75) und ein die Empfangs-Lichtwellenleiter zusammenführendes Element (67) auf den einzigen Detektor (46) abgebildet wird.

8. Vorrichtung zur Erfassung von Geschwindigkeiten, insbesondere von Teilchen- Geschwindigkeiten in Fluiden, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

• (a) mit einer kohärenten Lichtquelle (1), mit der ein Lichtstrahl (2) erzeugbar ist,
• (b) mit einer strahlteilenden Anordnung (3, 8, 28), mit der der Lichtstrahl (2) in ein erstes Strahlenpaar (9, 29) - welches in einem in einer ersten Ebene (44) liegenden Winkel zueinander in ein Meßvolumen (45) einleitbar ist - und in ein zweites Strahlenpaar (19, 39) - welches in einem in einer zweiten Ebene (49) liegenden Winkel zueinander in das Meßvolumen (45) einleitbar ist - zerlegbar ist,
• (c) wobei die Anordnung (3, 8, 28) Strahlumschaltmittel (8, 28) aufweist, mit denen der Lichtstrahl (2) in zeitlicher Folge im wesentlichen in nur eines der beiden Strahlenpaare (9, 29 oder 19, 39) leitbar ist,
• (d) mit einem Detektorelement (46), mit dem die aus dem Meßvolumen (45) tretende Strahlung erfaßbar ist, und
• (e) mit einer Steuer- und Auswerteschaltung (40), die mit dem Ausgang des Detektorelementes (46) verbunden ist und deren Steuerausgang mit den Steuereingangen der Strahlumschaltmittel (8, 28) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
• (f) daß die Strahlumschaltmittel (8, 28) aus mindestens zwei Y-Kopplern (8, 28) bestehen, wobei die aus einem Strahlteiler (3) der strahlteilenden Anordnung (3, 8, 28) heraustretenden Lichtstrahlen (4, 24) in Eingangs-Lichtwellenleiter (7, 27) eingekoppelt werden,
• (g) daß jeder der Eingangs-Lichtwellenleiter (7, 27) durch einen der Y-Koppler (8, 28) in zwei Ausgangs-Lichtwellenleiter (9, 29 und 19, 39) aufgeteilt wird, wobei die Ausgangs- Lichtwellenleiter (9, 19, 29, 39) derart angeordnet sind, daß ein dem ersten Y-Koppler (8) zugeordneter Ausgangs-Lichtwellenleiter (9 bzw. 19) und ein dem zweiten V-Koppler (28) zugeordneter Ausgangs-Lichtwellenleiter (29 bzw. 39) in einer Ebene (44, 49) angeordnet sind,
• (h) daß ein Steuersignal der Steuerelektronik (40) eine Strahlumschaltung des in jeden der Y-Koppler (8, 28) eintretenden Lichtstrahl (4, 24) auf jeweils nur einen der diesem zugeordneten Ausgangs- Lichtwellenleiter (9 oder 19; 19 oder 39) vornimmt.

9. Vorrichtung zur Erfassung von Geschwindigkeiten - insbesondere von Teilchengeschwindigkeiten - in fluiden zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

• (a) mit einer kohärenten Lichtquelle (1), mit welcher ein Lichtstrahl (2) erzeugbar ist;
• (b) mit einer Strahlteileranordnung (3, 8, 28), die den kohärenten Lichtstrahl (2) in ein erstes Strahlenpaar (9, 19) und einen zweiten Strahl (59) aufteilt, wobei das erste Strahlenpaar (9, 19) in einer Ebene (44) liegt und mit dem zweiten Strahl (59) in einem Meßvolumen (45) zum Schnitt gebracht wird;
• (c) mit einem Detektorelement (46), mit dem die austretende Strahlung erfaßbar ist;
• (d) mit einer Steuer- und Auswerteschaltung (40), die mit dem Ausgang des Detektors (46) verbunden ist und deren Steuerausgänge mit der strahlteilenden Anordnung (3, 8, 28) verbunden sind; dadurch gekennzeichnet,
• (e) daß die strahlteilende Anordnung (3, 8, 28) einen Eingangs-Strahlteiler (3) und einen diesem nachgeschalteten Y-Koppler (8) aufweist;
• (f) daß eine Strahlumschaltung (9; 19) im Y-Koppler (8) von der Steuerelektronik (40) mit einem Steuersignal veranlaßt wird und sich jeweils einer (9; 19) der umgeschalteten Strahlen (9, 19) mit dem zweiten Strahl (59) im Meßvolumen (45) schneidet;
• (g) daß nach dem Eingangs-Strahlteiler (3) bis vor dem Meßvolumen (45) die Strahlen in Lichtwellenleitern geführt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einem oder in beiden Strahlengangen (4, 24) frequenzverschiebende akusto-optische Elemente angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement (46) mit einem schnellen Analog-Digital-Wandler - insbesondere mit vorgeschalteter Sample/Hold-Schaltung - verbunden ist, mit dem das erhaltene Signal in Direktwandlung weiterverarbeitet ist.

12. Elektro-optisches Modul (60, 70) für eine Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 11 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

• (a) mit eingangsseitigen Anschlüssen für Eingangs- Lichtwellenleiter (7, 27), die an Y- Koppler (8, 28) anschließbar sind;
• (b) mit einem ausgangsseitigen Anschluß, an dem drei oder vier Ausgangs-Lichtwellenleiter (9, 19, 29, 39; 9, 19, 59) herausführbar und ein Empfangs-Lichtwellenleiter (65) anschließbar sind;
• (c) mit einem Detektorelement (46), auf den das vom Empfangs-Lichtwellenleiter (65, 75) geführte Licht abbildbar ist und
• (d) mit einer Auswerteschaltung (40) zum Verarbeiten des vom Detektor (46) aufgenommenen Signals und Ansteuern der Y-Koppler (8, 28).