DE2449358A1 - Messeinrichtung zur messung von stroemungsgeschwindigkeiten - Google Patents

Description

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DR.-ING. VON KRElSLiR DR.-ING. SCHGNWALD

DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL.-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLÖPSCH DIPL.-ING. SELTING

KOLNI₁DEICHMANNHAUs

Sg-Is

Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V.
505 Porz-Wahn, Linder Höhe

Meßeinrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten durch Ermittlung der Geschwindigkeit von in der Strömung vorhandenen optisch erfaßbaren Teilchen, mit einer Lichtquelle, welche einen gebündelten Lichtstrahl auf einen Strahlenteiler wirft, und mit einem dem Strahlenteiler im Lichtweg naengeordneten Linsensystem, das die beiden in dem Strahlenteiler erzeugten Teilstrahlen in dem Meßvolumen an dicht nebeneinanderliegenden Stellen fokussiert, und mit einem fotoelektrischen Umsetzer, der über ein zweites Linsensystem auf das Meßvolumen gerichtet ist.

Bei der Messung der Strömungsgeschwindigkeit in Gasströmungen ist man vorwiegend auf Sonden angewiesen, die in die zu untersuchende Strömung hineinragen. Diese Sonden

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können die Strömung selbst, und damit die Meßgröße erheblich beeinflussen. Hinzu kommt, daß es - z.B. im Bereich der Turbomaschinen - Strömungsgebiete gibt, die mit Sonden im allgemeinen meßtechnisch nicht erfaßt werden können.

Es sind daher berührungslos arbeitende optische Meßverfahren entwickelt worden, die auf der Tatsache basieren, daß in jedem realen Fluid Staubteilchen enthalten sind, die im allgemeinen der wirklichen Strömung sehr genau folgen. Werden diese Teilchen von einer Lichtquelle angestrahlt, so senden sie nach allen Richtungen Streulicht aus. Werden Teilchen mit einer Größe zwischen etwa 0,1 und 1 ix mit einem gebündelten Laserstrahl angestrahlt, so überwiegt die in Richtung des einfallenden Laserstrahls gestreute Lichtintensität, die Vorwärtsstrahlung, bei weitem die in die entgegengesetzte Richtung gestreute Intensität, die Rückwärtsstrahlung. Das Intensitätsverhältnis liegt in der Größen-Ordnung von 10 .

Bei einem bekannten Verfahren zur optischen Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen, das im allgemeinen als "Laser-Doppler-Verfahren" bezeichnet wird, wird ein Laserstrahl auf ein Prisma gelenkt und in zwei parallele Teilstrahlen zerlegt. Die beiden Teilstrahlen werden von einer Sammellinse, deren Brennpunkt im Strömungskanal liegt, fokussiert und kommen so zur Überschneidung. Im Überschneidungsbereich entsteht ein Interferenzstreifenmuster, dessen helle und dunkle Bereiche parallel zur Winkelhalbierenden der beiden Teilstrahlen und senkrecht zu der Ebene der Teilstrahlen

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verlaufen. Durchfliegt ein in der Strömung befindliches Teilchen dieses Streifensystem, so wird es abwechselnd beleuchtet und verdunkelt. Ein Fotovervielfacher, der auf das Meßvolumen ausgerichtet ist, registriert dabei einen näherungsweise sinusförmigen Signalzug, dessen Maxima auf die hellen Streifen und dessen Minima auf die dunklen Streifen zurückzuführen sind. Die Signalfrequenz ergibt bei bekanntem Streifenabstand ein Maß für die Geschwindigkeitskomponente des Teilchens senkrecht zum Streifensystem. Die elektronische Auswertung der Signale ist nicht ganz einfach und erfordert größtenteils speziell für diese Aufgabe entwickelte Geräte, deren Frequenzauflösung jedoch nach oben hin auf etwa 50 MHz begrenzt ist.

Das Laser-Doppler-Verfahren hat außer dem Nachteil einer schwierigen Signalauswertung einen weiteren wesentlichen Nachteil, der gerade bei der Messung hoher Geschwindigkeiten in engen Strömungskanälen von Bedeutung ist. Und zwar liegt der Grund in der begrenzten Frequenzauflösung der Auswerteelektronik von etwa 50 MHz. Um diese Grenze einzuhalten, muß für die Messung hoher Geschwindigkeiten der Streifenabstand im Meßvolumen sehr groß gewählt werden. Das führt zu Meßvolumina mit einem Durchmesser in der Größenordnung von Millimetern und damit zu nahezu konstant verlaufender Intensitätsverteilung in der Umgebung des Meßvolumens in Richtung der Strahlenachse. Gerade bei der Messung in engen Strömungskanälen führt diese Tatsache dazu, daß die an den Kanalwänden auftretende Streustrahlung nur sehr mangelhaft durch die Beobachtungsoptik ausgeblendet werden kann, wodurch Messungen in Rückwärt sstreuung, wie sie in Turbomaschinen aus konstruktiven Gründen unumgänglich sind, in Wandnähe nahezu unmöglich werden.

Ein weiteres optisches Meßverfahren, das als "Laser-Zweistrahlverfahren" bekannt ist (DFVLR-Nachrichten, Heft 12, 1973, Seiten 506 bis 508), arbeitet ebenfalls mit einem Laserstrahl, der in einem Prisma in zwei Teilstrahlen aufgespalten wird. Diese Teilstrahlen laufen jedoch nicht parallel, sondern werden auf unterschiedlichen optischen Wegen, sich teilweise

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überschneidend, zu zwei einander dicht benachbarten Fokussierungsstellen im Strömungskanal gelenkt. Durchläuft ein Teilchen in der Strömung die Fokussierungsstellen, so verursacht es kurz hintereinander zwei Streulichtimpulse, die von einem Fotovervielfacher über eine Sammeloptik registriert werden. Der zeitliche Abstand der beiden Impulse ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit.

Da bei diesem Verfahren nur solche Teilchen auswertbare Impulspaare verursachen, die die beiden punktförmigen Fokussierungsstellen durchlaufen, werden nur solche Strömungsrichtungen registriert, die in Richtung der durch die beiden Fokussierungsstellen hindurchgehenden gedachten Geraden verlaufen. Damit ist dieses Verfahren für die Ermittlung von Betrag und Richtung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit geeignet. Doch mit den bisher bekannten Versuchsaufbauten sind Messungen nur in Strömungen mit niedriger Strömungstendenz ("C 10 %) möglich.

Außerdem kann man die Richtung der durch die Fokussierungsstellen hindurchgehenden Geraden durch Drehung des Strahlenteilers verändern und durch eine an dem zweiten Linsensystem vorgesehene Blende, die simultan mit der Drehung des Strahlenteilers verstellbar ist, eine Mitführung bewirken, so daß stets beide Fokussierungsstellen unabhängig von ihrer gegenseitigen Lage auf den fotoelektrischen Umsetzern abgebildet werden. Damit ist es möglich, die Richtung der durch die beiden Fokussierungsstellen hindurchgehenden Geraden im Strömungskanal zu ändern, so daß diejenige Richtung geändert wird, auf die das Strömungsmeßgerät anspricht, denn eine Auswertung findet nur in bezug auf solche Teilchen statt, die beide Fokussierungsstellen passieren. Zur Feststellung der Geschwindigkeits-

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verteilung muß man diejenigen Teilchen zählen, die von der ersten Fokussierungsstelle bis zur zweiten Fokussierungsstelle bestimmte Zeiten benötigen. Man erhält auf diese Weise die Geschwindigkeitsverteilung für eine bestimmte Richtung in der Strömung. Bei laminarer Strömung genügen zur Bestimmung des Geschwindigkeitsvektors wenige Messungen. Bei "turbulenter Strömung reicht dies jedoch nicht aus, da der Geschwindigkeitsvektor sowohl im Betrag als auch in seiner Richtung zeitlich schwankt. Für eine genaue Analyse der Strömung benötigt man daher eine große Zahl von Einzelmessungen. Zweckmäßigerweise geht man so vor, daß der VerstellwinkeliX des Strahlenteilers im Bereich der mittleren Strömungsrichtung in acht bis zehn Schritten verändert wird, und zu jeder Winkelposition bis zu tausend Messungen durchgeführt werden.

Die Durchführung derartig zahlreicher Messungen ist zeitraubend und kommt für praktische Untersuchungen an Strömungsmaschinen kaum in Frage, wenn man nicht besondere Hilfsmittel zur Verfügung hat, die das Ergebnis der statistischen Messung in übersichtlicher und geordneter Form präsentieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Zweistrahlverfahren weiterzuentwickeln, um mit ihm auch Messungen in turbulenten Strömungen vornehmen zu können, wie sie insbesondere im Bereich der Laufräder von Turbomaschinen vorkommen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, der derjenige fotoelektrische Umsetzer, der der in der Strömung vornliegenden Fokussierungsstelle zugeordnet ist, an

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einen einen Startimpuls erzeugenden ersten Impulsformer und der der hintenliegenden Fokussierungsstelle zugeordnete fotoelektrische Umsetzer an einen einen Stopimpuls erzeugenden zweiten Impulsformer angeschlossen ist, daß die Impulsformer mit einem Zeit/Pulshöhen-Umsetzer verbunden sind, dessen Ausgangsimpulse in ihrer Amplitude jeweils der Zeitspanne zwischen einem Startimpuls und einem Stopimpuls entsprechen, daß der Zeit/ Pulshöhen-Umsetzer an einen Mehrkanal-Analysator angeschlossen ist, der mehrere Amplitudenfilter mit nachgeschalteten Integratoren oder Zählern enthält, und daß eine die Integratoren oder Zähler zyklisch abfragende Abtastvorrichtung vorgesehen ist.

Die Erfindung bietet den Vorteil, daß hunderte oder tausende von Messungen in wenigen Minuten durchgeführt und in Form einer statistischen Verteilungskurve übersichtlich geordnet werden können.

Die Umwandlung von Impulslängen in Impulshöhen ist unter Verwendung eines Sägezahngenerators möglich. Die Pulshöhensignale, deren Amplitude der Zeitspanne des Durchlaufs eines Teilchens von der ersten Fokussierungsstelle bis zur zweiten Fokussierungsstelle entspricht, sind mit einem Analysator auswertbar. Ein solcher Analysator enthält eine Reihe von Amplitudenfiltern, die sämtlich mit denselben amplituden^/iodulierten Eingangsimpulsen beaufschlagt werden, und von denen dasjenige anspricht, in dessen Bereich die jeweilige Impulshöhe hineinfällt. Den Amplitudenfiltern können Integratoren oder Zähler nachgeschaltet sein, die über die Anzahl der Aktivierungen eines jeden Amplitudenfilters integrieren und

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damit die Häufigkeit speichern, in der ein bestimmtes Zeitintervall und damit eine bestimmte Teilchengeschwindigkeit registriert worden ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere für die Durchführung von Strömungsmessungen an laufenden Turbo-Maschinen. Bei einer Vorrichtung mit einer den Lichtstrahl unterbrechenden und nur auf ein Triggersignal kurzzeitig freigebenden Sperrvorrichtung ist zweckmäßigerweise ein von dem Laufrad der Turbo-Maschine gesteuerter Signalerzeuger zur Lieferung der Triggersignale vorgesehen. Während die von dem Laserstrahl getroffenen Teilchen nur relativ schwache Reflektionssignale aussenden, verursacht die Schaufel eine erheblich stärkere Lichtreflektion. Hierdurch könnten die angeschlossenen Fotodetektoren, die hochempfindlich sein müssen, überlastet werden. Die Sperrvorrichtung sorgt dafür, daß ein Lichtstrahl nur dann ausgesandt wird, wenn keine Schaufelreflektionen zu erwarten sind. Durch die im Lichtstrahl angeadnete Sperrvorrichtung vermeidet man aufwendige Uberlastsicherungen an den Fotoreflektoren, die außerordentlich schnell ansprechen müßten und verhindert das Auftreten von Störsignalen durch Reflektion an den Schaufeln. Als Sperrvorrichtung eignet sich z.B. eine Pockelszelle. Die Öffnungszeit der Pockelszelle wird so klein gewählt, daß die Messung in einem räumlich eng begrenzten Gebiet des Strömungskanals, also quasi-stationär, stattfindet.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert.

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Fig. 1 zeigt schematisch den mechanischen Aufbau eines nach dem Zweistrahl-Verfahren arbeitenden Meßgerätes mit den Detaildarstellungen des Strahlenganges bei IA und IB.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der an die fotoelektrischen Umsetzer angeschlossenen Auswerteelektronik nach der Erfindung.

Fig. 3 zeigt die Impulsverlaufe in der Auswerteelektronik über der Zeitachse aufgetragen.

Fig. 4 zeigt Oszillogramme der Häufigkeitsverteilungen der Geschwindigkeit in einem Meßpunkt bei verschiedenen Meßwinkeln in bezug auf die mittlere Strömungsrichtung.

Fig. 5 zeigt schematisch den Anschluß des Meßgerätes der Fig. 1 an das Gehäuse eines Axialverdichters zur Durchführung von Messungen an der laufenden Maschine, und

Fig. 6 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Schnitt entlang der Linie VI-VI der Fig. 5 mit eingezeichneten Strömungsvektoren.

Bei den in Fig. 1 dargestellten Vorrichtungen dient als Lichtquelle ein Laser 10, der einen scharf gebündelten Strahl 11 monochromatischen Lichtes aussendet. Der Strahl 11 geht durch eine Trigger-Optik 12 hindurch, die z.B. eine Pockelszelle enthält. Die Trigger-Optik wird durch elektrische Signale weitgehend trägheitsfrei geschaltet und ist imstande, den Lichtstrahl 11 zu unterbrechen und auf ein Trigger-Sig-

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nal hin für eine bestimmte festgesetzte Zeit-lang durchzulassen. Hinter der Trigger-Optik 12 befindet sich eine //^-Platte 13 und hinter dieser ist im Strahlengang ein Rochon-Prisma 14 angeordnet. Die λ /4-Platte bewirkt eine zirkuläre Polarisation, damit bei Drehung des Rochon-Prismas beide Strahlen gleichbleibende Intensität aufweisen.

Das Rochon-Prisma 14 ist in der Detai!darstellung IA vergrößert abgebildet. Es wirkt als Strahlenteiler und hat in seiner Gesamtheit etwa die Form eines Kubus, auf dessen eine Seite der Lichtstrahl 11 senkrecht auftrifft. Die Grenzfläche I5 zwischen den beiden Prismenhälften stellt sich in Seitenansicht als Diagonale des Kubus dar. Das Rochon-Prisma 14 wirkt als Strahlenteiler. Es erzeugt zwei Teilstrahlen 16, I7, von denen der eine Teilstrahl 16 die Verlängerung des einfallenden Lichtstrahls 11 bildet, während der andere Teilstrahl I7 unter einem Brechungswinkel hiozu verläuft.

Von einer im Strahlengang hinter dem Rochon-Prisma angeordneten Sammellinse 18 werden die beiden Teilstrahlen 16, 17 fokussiert. Die sich in dem Brennpunkt I5 kreuzenden Strahlachsen verlassen die Linse l8 parallel zueinander, während die in sich parallelen Strahlenbündel durch die Linse in ihrer zweiten Brennebene in 19und 20 fokussiert werden.

Die beiden Teilstrahlen, die in ihrer Gesamtheit in Fig. 1 schematisch mit der schraffierten Fläche 21 angedeutet sind, laufen durch die Mittelöffnung eines Lochspiegels 22 hindurch und werden von einem Linsensystem 23 großer Brennweite auf das eigentliche Meßvolumen 24 in den Strömungskanal 25 übertragen. Hier werden die Teilstrahlen 16 und I7 wieder fokussiert.

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Die Fokussierungsstellen sind mit 26 und 27 bezeichnet.

Diese Fokussierungsstellen 26 und 27 bilden eine Lichtschranke. Durchfliegt ein in der Strömung befindliches Teilchen eine dieser Fokussierungsstellen, so wird es kurzzeitig beleuchtet und sendet seinerseits einen Streuliciümpuls aus. Durchfliegt ein Teilchen beide Fokussierungsstellen, so erzeugt es zwei zeitlich aufeinanderfolgende Streulichtimpulse. Aus dem zeitlichen Abstand dieser Impulse (bei 300 m/s etwa 2 yus) folgt unmittelbar die Geschwindigkeitskomponente der Strömung in Richtung der durch die Fokussierungsstellen 26 und 27 hindurchgehenden gedachten Geraden. Diese Gerade liegt rechtwinklig zur Achse der Teilstrahlen. Ein Fotodetektor, der auf das Meßvolumen 24 ausgerichtet ist, registriert Doppelimpulse der geschilderten Art nur dann, wenn die Ebene, in der die beiden Teilstrahlen liegen, parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist. So kann durch Feststellung der Lage der Ebene auch die Richtung der Teilchengeschwindigkeit ermittelt werden. Die Winkelauflösung hängt vom Verhältnis Strahldurchmesser : Strahlabstand ab und beträgt bei 7 M Durchmesser und 350 /u Abstand etwa - 1°.

Um das Licht in den Strömungskanal 25 hineinzulassen, ist dieser mit einem planaren lichtdurchlässigen Fenster 28 ausgestattet. Durch dieses Fenster dringt auch das an den Fokussierungsstellen 26 und 27 erzeugte Streulicht nach außen, und zwar ebenfalls in Form von Teilstrahlen 29 und 30. Diese Teilstrahlen gehen durch das erste Linsensystem 23 hindurch, dessen Durchmesser so groß gewählt ist, daß außer den hinlaufenden Strahlen, die durch die öffnung des Lochspiegels 22 hindurchgehen,

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auch die zurücklaufenden Teilstrahlen 29, 30 mit gleicher Linsencharakteristik, jedoch in umgekehrter Richtung, und außerhalb des Mittelbereiches des Linsensystems, übertragen werden.

Die Teilstrahlen 29 und 30 treffen auf die Spiegelfläche des um 45 gegenüber der Strahlenachse schräggestellten Löchspiegels 22 und werden auf ein zweites Linsensystem 31, zweckmäßigerweise ein Mikroskopobjektiv, das sich im Brennpunkt des ersten Linsensystems 23 befindet, fokussiert,

Hinter dem Mikroskopobjektiv J>1 werden die Teilstrahlen wieder getrennt. Der Teilstrahl 32, der von der Fokussierungsstelle 26 herrührt, verläßt das Mikroskopobjektiv 31 koaxial", während der auf die Fokussierungsstelle 27 zurückgehende Teilstrahl unter einem Winkel zur Achse des Mikroskopobjektivs aus diesem austritt.

Hinter dem Mikroskopobjektiv 3I befindet sich eine Zweilochblende 34» die ein Mittelloch für den Strahl 32 und ein außermittiges Loch für den Durchgang des Strahles 33 aufweist.

Hinter dem Mittelloch der Zweilochblende 34 liegt ein schräggestellter Spiegel 36, der den Teilstrahl 32 etwa rechtwinklig zur Achse des Mikroskopobjektivs ablenkt und zu einem fotoelektrischen Umsetzer 37, beispielsweise einem Fotovervielfacher, leitet.

Der schräggestellte Spiegel 36 ist so klein, daß er den zweiten Teilstrahl 33 nicht erfaßt. Dieser geht an dem Spiegel 36 vorbei und trifft auf eine Sammellinse

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38. Hinter dieser befindet sich im Strahlengang eine weitere Linse 39 und dahinter ein weiterer schräggestellter Spiegel 40, der den Teilstrahl 33 auf einen weiteren fotoelektrischen Umsetzer 4l lenkt.

Der Umsetzer 37 erzeugt einen elektrischen Start-Impuls, während der Umsetzer 41 einen elektrischen Stop-Impuls erzeugt. Die Zeitdifferenz zwischen den beiden Impulsen wird zur Errechnung der Strömungsgeschwindigkeit benutzt,

Die erfindungsgemäße Auswertung bzw. Verarbeitung der Start- und Stop-Impulse ist in Fig. 2 anhand eines Blockschaltbildes dargestellt.

An den Ausgang des Umsetzers 37 für den Start-Impuls ist eine Impulsformerstufe 42 angeschlossen, die auf einen Eingangsimpuls hin einen Ausgangsimpuls von definierter Amplitude und Form erzeugt.

Auch dem fotoelektrischen Umsetzer 41 für die Stop-Signale ist ein Impulsformer 43 mit demselben Schaltverhalten nachgeschaltet. .

Die Ausgänge der beiden Impulsformer 42 und 43 sind an den Eingang eines Zeit/Pulshöhen-Umsetzers 44 gelegt. Dieser erzeugt einen Ausgangsimpuls,, dessen Impulshöhe von der Zeitdifferenz zwischen den Impulsen der Impulsformerstufen 42 und 43 abhängt. Die Wirkungsweise des Zeit/Pulshöhen-Umsetzers ist anhand des Impulsdiagramms der Fig. 3 dargestellt, wo die verschiedenen Spannungsverlaufe als Funktion der Zeit abgebildet sind. Der Startimpuls 45 des Impulsformers 42 setzt eine

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Spannung 47 in Gang, die nach Art einer Rampenfunktion zeitlich linear ansteigt. Der Stop-Impuls 46 des Impulsformers 4;5 begrenzt den Anstieg der Spannung 47 und hält diese auf einem konstanten Wert. Der daraufhin von dem Zeit/Pulshöhen-Umsetzer abgegebene Ausgangsimpuls 48 hat die Amplitude der End-Spannung 47. Diese ist umso größer, je größer das Zeitintervall zwischen den Impulsen 45 und 46 ist. Wird ein Startimpuls 45 erzeugt, ohne daß in einer bestimmten Zeitspanne ein Stop-Impuls 46 nachfolgt, so wird die Spannung 47, z.B. nach Erreichen ihres Maximalwertes, selbständig wieder gelöscht .

Der Ausgangsimpuls 48 gelangt an den Eingang eines Analog/Digital-Umsetzers 70, der die Impulshöhen in binärkodierte Signale umsetzt. Bei einer praktischen Ausführung wird ein bestimmter Amplitudenbereich,der einstellbar ist, zehnstellig aufgelöst, so daß der Amplitudenbereich in 1024 Inkremente aufgelöst ist. Der zehnstellige Amplitudenwert wird an Torschaltungen 71 weitergeleitet, von denen insgesamt 1024 Stück vorhanden sind, und von denen jede einem bestimmten Amplitudenwert bzw. Amplitudenintervall entspricht. Die Torschaltungen 71 stellen Impulsfilter dar, die einen Ausgangsimpuls mit Standardamplitude und Standardlänge abgeben, wenn die Amplitude des Eingangsimpulses 48 in demjenigen Amplitudenintervall liegt, auf das die entsprechende Torschaltung 71 anspricht. Die Amplitudenbereiche sämtlicher Torschaltungen Jl erfassen alle in Frage kommenden Amplituden, ohne sich gegenseitig zu überschneiden.

Jedem der Tore 7I ist ein Zähler oder Integrator 72

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nachgeschaltet, dessen Zählerstand jeweils die Summe · der über die zugehörige Torschaltung Jl zugeführten Impulse darstellt. Die Zähler 72 bilden das "Gedächtnis" eines jeden Amplitudenkanals. Ihre Ausgänge sind zyklisch abtastbar, was aus Gründen der Einfachheit in der Zeichnung mit dem Schalter 50 symbolisiert ist. In der Praxis erfolgt die zyklische Abfragung der einzelnen Kanäle elektronisch. Die Zählerstände werden dabei entweder seriell oder parallel an den Digital/ Analog-Umsetzer 73 abgegeben, der die Zählerstände in Spannungsamplituden umsetzt.

Der Digital/Analog-Umsetzer 73 kann mit einem Oszillographen 51 verbunden werden, dessen X-Spannung mit der Bewegung des Schaltarmes 50 synchronisiert ist. Die Y-Ablenkspannung wird von den Ausgängen der Integratoren 51 abgenommen. Auf diese Weise erhält man das Oszillogramm einer aus Punkten bestehenden Verteilungskurve. Die Anzahl der Punkte entspricht der Anzahl der Kanäle des Analysators 4ο,. Anstelle des Oszillographen kann beispielsweise auch ein mechanischer Schreiber oder ein Computer an den Analysator angeschlossen werden.

Der vorstehend beschriebene Analysator arbeitet digital. Es ist selbstverständlich auch möglich, im Rahmen der Erfindung andere Analysatoren zu verwenden. Insbesondere können auch rein analog arbeitende Analysatoren benutzt werden, bei denen die Amplitudenfilter beispielsweise aus Differenzverstärkern aufgebaut sind.

In dem in Fig. 1 dargestellten Zustand des optischen Systems, in dem die durch die Fokussierungsstellen 26

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und 27 hindurchgehende Gerade parallel zur Achse des Strömungskanals 25 liegt, kann man bei laminarer Strömung die Amplitude der Strömungsgeschwindigkeit sehr leicht ermitteln. Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht aber darin, daß auf einfache Weise auch Strömungen mit anderen Vektoren ermittelt werden können. Dreht man zu diesem Zweck das Rochon-Prisma 14 um die Achse des einfallenden Strahles 11 herum, so bleibt die Fokussierungsstelle 20 des durchgehenden Strahlenteiles erhalten, während die Fokussierungsstelle I9 sich um die Fokussierungsstelle 20 herum mitdreht. Die durch die beiden Fokussierungsstellen hindurchgehende Gerade verläuft nun unter einem Winkel zur Achse des Strömungskanals 25· Da die fotoelektrischen Umsetzer 37 ^und 4l optisch auf die Fokussierungsstellen ausgerichtet sind, muß die optische Ausrichtung mindestens eines Umsetzers sich ändern, wenn die Position einer Fokussierungsstelle sich geändert hat. Aus diesem Grunde ist simultan mit dem Rochon-Prisma 14 die Zwei lochblende 34 verdrehbar. Die Drehbewegungen dieser beiden Teile können über eine mechanische Kopplung synchronisiert sein, es ist jedoch im einfachsten Falle auch möglich, beide Teile entlang von Skalen von Hand um gleiche Winke lbe träge zu verdrehen.

In Fig. 4 ist die Analyse einer Strömung bei verschiedenen Verdrehungswinkeln θί abgebildet, so wie sie sich auf dem Bildschirm des Oszillographen 5I (Fig. 2) darstellt. Man geht zweckmäßigerweise so vor, daß man die Winkelstellung CX* der Ebene der beiden Teilstrahlen l6, I7 im Bereich der mittleren Strömungsrichtung in acht bis zehn Schritten'Verändert, und zu jeder Winkelposition εΧ. bis

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zu tausend Messungen durchführt. Die Anzahl der Messungen wird durch Zählen der Anzahl der Startimpulse in einem Zähler 52 registriert, der an den Impulsformer 42 angeschlossen ist und beispielsweise den Analysator 49 nach tausend Messungen abschaltet.

In Fig. 4 ist auf der Abszisse die Zeit eingetragen, die die Teilchen zum Durchlaufen des Abstandes zwischen den Fokussierungsstellen 26 und 27 im Meßvolumen benötigen. Die Ordinate gibt die Häufigkeit des jeweiligen Zeitereignisses an. Für jede Verteilung wurde die gleiche Anzahl von Startereignissen, d.h. in das Meßvolumen eintretenden Teilchen, zugrunde gelegt. Die Wahrscheinlichkeit, daß ein in das Meßvolumen eintretendes Teilchen beide Fokussierungsstellen trifft, ist in Richtung der mittleren Strömungsrichtung (füroC = 0 ) am größten. Das Maximum der Verteilung gibt die mittlere Geschwindigkeit an, während die Breite der Verteilung am Fuß den größten Geschwindigkeitsschwankungen entspricht.

Mit steigendem Winkel oi nimmt die Wahrscheinlichkeit, daß ein Teilchen beide Strahlen durchläuft, erwartungsgemäß rasch ab und ist im Falle von oC = 1,5° bereits nahezu 0. Wegen der Symmetrie des Vorganges erhält man gleiche Verteilungen bei den entsprechenden negativen Werten von Q^ . Durch Zusammenfügen ergeben sich so Häufigkeitsverteilungen in Abhängigkeit des Geschwindigkeitsbetrages bzw. der zugehörigen Zeit und der Geschwindigkeitsrichtung.

Für die Durchführung von 8.000 bis 10.000 Einzelmessungen zur Analysierung turbulenter Strömungen, benötigt man einschließlich der Ausgabe der Daten je nach Verschmutzung

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des Strömungsmediums ca. 3 bis 4 Minuten. Zur Erzielung einwandfreier Messungen müssen die Strömungsverhältnisse am Meßort während dieser Zeit im Mittel unverändert bleiben.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß sie für die Messung in laufenden Turbo-Maschinen hervorragend geeignet ist. Das Meßprinzip ist in Fig. 5 schematisch dargestellt. Gemessen werden soll die Strömungsverteilung in einem Axialverdichter. Die Welle des Axialverdichters ist mit 55 bezeichnet. Von ihr stehen radial die Schaufeln 56 ab, die in axialer Richtung schräggestellt sind.In der Wand 57 des Axialverdichters befindet sich ein planares Fenster 58» an das das in Fig. 1 dargestellte Gerät 59 angesetzt wird.

Da die von einem ruhenden Beobachter erkannte Laufradströmung instationär ist, ist eine Triggereinrichtung vorgesehen, die dafür sorgt, daß die Strömungsmessungen nach Art von Punktabtastungen in dem Bereich zwischen den Schaufeln durchgeführt werden, wobei in aufeinanderfolgenden Schaufelperioden die Messungen stets an den gleichen Stellen vorgenommen werden. Auf diese Weise erhält man einen quasi-stationären Meßvorgang.

Die Triggerung erfolgt mit einem berührungsloseη Schalter 60, der an der Gehäusewand des Axialverdichters angebracht ist und auf die Schaufeln selbst oder auf Markierungen 61 an den Schaufeln reagiert. Die Markierungen können beispielsweise Magnetstreifen sein. Immer dann, wenn eine Schaufel den Schalter 60 passiert, gibt dieser über Leitung 62 einen kurzen Impuls an die

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Triggeroptik 12 (Pig. 1) ab, und diese läßt für die Dauer des Impulses den Lichtstrahl 11 durch, während sie ihn in der übrigen Zeit blockiert. Zwischen den Schalter 60 und die Triggeroptik 12 kann ein einstellbares elektrisches Verzögerungsglied geschaltet sein. Auf diese Weise ist es möglich, zwischen zwei Schaufeln Messungen punktförmig vorzunehmen und dieselben Meßpunkte zyklisch zwischen allen vorbeilaufenden Schaufelpaaren abzutasten.

Durch Drehung des Rochon-Prismas 14 und der Zweilochblende 3^ können die Strömungsvektoren an allen Punkten zwischen den Schaufeln ermittelt werden.

Fig. 6 zeigt als Beispiel die Strömungsverteilung zwischen zwei Schaufeln eines Axialverdichters. Der Raum zwischen den Schaufeln ist in fünf Meßpunkte aufgelöst. Aufgetragen sind jeweils die Hauptströmungsrichtungen nach Betrag und Winkellage. Die Richtung der Anströmung ist mit 0 definiert. Man erkennt deutlich die Änderung der Hauptströmungsrichtung zwischen den Schaufeln bis auf maximal 14,7 ·

Durch Verschieben des Gerätes 59 radial zum Laufrad kann leicht die Tiefe verändert werden, in der die Messungen zwischen den Schaufeln erfolgen.

Das Meßintervall richtet sich nach der Schaufelfrequenz und nach der Zahl der Meßpunkte zwischen zwei Schaufeln. Bei zehn Meßpunkten muß das Meßintervall weniger als 1/10 der Schaufel'periode betragen, bei 10 kHz Schaufelfrequenz also weniger als 10 ns. Die Messung an dem jeweils gewählten Ort des Schaufelkanals wird nach jedem Radumlauf so lange wiederholt, bis für die Auswertung genügend Daten vorliegen.

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Claims (2)

1. Ansprüche

   V Ij Vorrichtung zur Messung der Strömungsvektoren in Gasströmungen durch Ermittlung der Geschwindigkeit und Richtung von in der Strömung vorhandenen optisch erfaßbaren Teilchen, mit einer Lichtquelle und einem nachgeschalteten Strahlenteiler sowie mit einem ersten Linsensystem, das die von dem Strahlenteiler ausgehenden beiden Teilstrahlen an zwei dicht nebeneinanderliegenden Stellen fokussiert und einem zweiten Linsensystem, welches die beiden Fokussierungsstellen getrennt auf zwei fotoelektrischen Umsetzern abbildet, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige fotoelektrische Umsetzer (37)* der der in der Strömung vornliegenden Fokussierungsstelle (26, 27) zugeordnet ist, an einen einen Startimpuls erzeugenden 'ersten !Impulsformer (42) und der der hintenliegenden zweiten Fokussierungsstelle zugeordnete fotoelektrische·· Umsetzer (4l) an einen einen Stopimpuls erzeugenden zweiten Impulsformer (43) angeschlossen . ist, daß die Impulsformer (42, 43) mit einem Zeit/ Pulshöhen-Umsetzer (44) verbunden sind, dessen Ausgangsimpulse (48) in ihrer Amplitude jeweils der Zeitspanne zwischen einem Startimpuls (45) und einem Stopimpuls (46) entsprechen, daß der Zeit/Pulshöhen-Umsetzer (44) an einen Mehrkanalanalysator (49) ange-• schlossen ist, der mehrere Amplitudenfilter (71) mit nächgeschalteten Integratoren oder Zählern (72) enthalt, und daß eine die Integratoren oder Zähler (72) zyklisch abfragende Abtastvorrichtung (50) vorgesehen ' ist. - - ■■...-■

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2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer den Lichtstrahl unterbrechenden und nur auf ein Triggersignal kurzzeitig freigebenden Sperrvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung von Strömungsmessungen an einer laufenden Turbo-Maschine ein von dem Laufrad der Turbo-Maschine gesteuerter Signalerzeuger (60) zur Lieferung der Triggersignale vorgesehen ist.

   j5. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Freigabezeit der Sperrvorrichtung (12) geringer ist als l/n der Schaufelfrequenz der Turbo-Maschine, wobei η die Anzahl der Intervalle ist, in die die Schaufelteilung aufgelöst ist.

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