DE2449358B2 - Vorrichtung zur messung der stroemungsvektoren in gasstroemungen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine 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 beiden in dem Strahlenteiler erzeugten Teilstrahlen in dem Meßvolumen an zwei dicht nebeneinanderliegenden Stellen fokussiert, und mit einem zweiten Linsensystem, welches die beiden Fokussierungsstellen getrennt auf zwei fotoelektrischen Umsetzern abbildet. Bei der Messung der Strömungsgeschwindigkeit in Gasströmungen ist man vorwiegend auf Sonden angewiesen, die in die zu untersuchende Strömung hineinragen. Diese Sonden 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 allgemei

nen 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 μ 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 Größenordnung von 10².

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 Strömungskana! liegt, fokussiert und kommen so zur Überschneidung. Im Überschneidungsb^reich entsteht ein Interferenzstreifenmuster, dessen helle und dunkle Bereiche parallel zur Winkelhalbierenden der beiden Teilstrahlen und senkrecht ?u der Ebene der Teilstrahlen 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 Signals 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 Rückwärtsstreuung, 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 überschneidend, zu zwei einander dicht benachbarten Fokussierungsstellen im StrömurgskanaJ gelenkt Durchläuft ein Teilchen in der Strömung die Fokussierungsstellen, so verursacht es kurz hintereinander zwei 5 Streulichtimpulse, die von einem Fotovervielfacher über eine Sammeloptik registriert werden. Der zeitliche Abstand du/ 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 Ermittlurg von Betrag und Richtung der minieren Strömungsgeschwindigkeit geeignet Doch mit den bisher bekannten Versuchsaufbauten sind Messungen nur in Strömungen mit niedriger Strömungstendenz (< 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 gege:*eitigen 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 Geschwindigkeitsverteilung 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 reichi dies jedoch nicht aus. da der Geschwindigkeitsvektor sowohl im Betrag als auch in seiner Richtung zeitlich schwankt. Für ^₅ eine genaue Analyse der Strömung benötigt man daher eine große Zahl von Einzelmessungen. Zweckmäßigerweise geht man so vor, daß der Verstellwinkel χ des Strahlenteilers im Bereich der mittleren Strömui.gsrichtung 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, die Meßvorrichtung nach dem bekannten Zweistrahlverfahren weiterzuentwickeln, um mit ihr 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, daß derjenige fotoelektrische Umsetzer, der der in der Strömung vornliegenden Fokussierungszueeordnet ist, an einen einen Startimpuls erzeugenden ersten Impulsformer und der der hintenliegendea Fokussierungsstelle zugeordneten fotoeleKtrische Umsetzer an einen einen Stopimpuls erzeugenden zweiten Impulsformer angeschlossen ist, daß die Impulsformer mit einem Zeit/Pulshöhen-Umsetzer verbunden sind, dessen Ausgangaimpulse 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 angeordnet 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 amplitudeninodulierten Eingangumpulsen beaufschlagt werden, und von denen dasjenige anspricht in dessen Bereich die jeweilige Impulshöhe hineinfällt Den Amplitudenfihern können Integratoren oder Zähler nachgeschaltet sein, die über die Anzahl der Aktivierungen eines jeden Amplitudenfilters integrieren und 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 Lichtreflexion. Hierdurch könnten die angeschlossenen Fotodetektoren, die hochempfindlich sein müssen, überlastet werden. Die Sperrvorrichtung sorgt dafür, daß ein Lichtstrahl nur dann ausgesandt wird, wenn keine Schaufelreflexionen zu erwarten sind. Durch die im Lichtstrahl angeordnete Sperrvorrichtung vermeidet man aufwendige Überlastungssicherungen an den Fotoreflektoren, die außerordentlich schnell ansprechen müßten und verhindert das Auftreten von Störsignalen durch Reflexion 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.

F i g. 1 zeigt schematisch den mechanischen Aufbau eines nach dem Zweistrahl-Verfahren arbeitenden Meßgerätes mit den Detaildarstellungen des Strahlenganges bei Mund Iß.

F i g. 2 zeigt ein Blockschaltbild der an die fotoelektrischen Umsetzer angeschlossenen Auswerteelektronik

nach der Erfindung.

F i g. 3 zeigt die Impulsverläufe in der Auswerteelektronik über die Zeitachse aufgetragen.

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

F i g. 5 zeigt schematisch den Anschluß de? Meßgerätes der F i g. 1 an das Gehäuse eines Axialverdichters zur Durchführung von Messungen an der laufenden Maschine, und

F i g. 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-Signal hin für eine bestimmte festgesetzte Zeitlang durchzulassen. Hinter der Trigger-Optik 12 befindet sich eine λ/4-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 Detaildarstellung \A vergrößert abgebildet Es wirkt als Strahlenteiler und hat in seiner Gesamtheit etwa die Form eines Kubus, auf dessen eine Seite der Lichtstrahl 11 senkrecht auf trifft. Die Grenzfläche 15 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, 17, von denen der eine Teilstrahl 16 die Verlängerung des einfallenden Lichtstrahls It bildet, während der andere Teilstrahl 17 unter einem Brechungswinkel hierzu verläuft.

Von einer im Strahlengang hinter dem Rochon-Prisma angeordneten Sammellinse 18 werden die beiden Teilstrahlen 16, 17 fokussiert Die sich in dem Brennpunkt' 15 kreuzenden Strahlachsen verlassen die Linse 18 parallel zueinander, während die in sich parallelen Strahlenbündel durch die Linse in ihrer zweiten Brennebene in 19 und 20 fokussiert werden.

Die beiden Teilstrahlen, die in ihrer Gesamtheit in F i g. 1 schematisch mit der schraffierten Räche 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 übertragea Hier werden die Teilstrahlen 16 und 17 wieder fokussiert.

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 Streulichtinipuls 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 us) 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 Strahlendurchmesser: Strahlabstand ab und beträgt bei 7 μ Durchmesser und 350 μ 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 jo hinlaufenden Strahlen, die durch die öffnung des Lochspiegels 22 hindurchgehen, 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 Lochspiegels 22 und werden auf ein zweites Linsensystem 31. zweckmäßigerweise ein Mikroskopobjektiv, das sich im Brennpunkt des ersten Linsensystems 23 befindet, fokussiert.

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

Hinter dem Mikroskopobjektiv 31 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 38 Hinter dieser befindet sich im Strahlengang eine weitere linse 39 und dahinter ein weiterer schräggestelltei Spiegel 40, der den Teilstrahl 33 auf einen weiterei fotoelektrischen Umsetzer 41 lenkt

Der Umsetzer 37 erzeugt einen elektrischen Start Impuls, während der Umsetzer 41 einen elektrische!

Stop-Impuls erzeugt Die Zeitdifferenz zwischen dei

beiden Impulsen wird zur Errechnung der Strömungsge schwindigkeit benutzt

Die erfindungsgemäße Auswertung bzw. Verarbei te tung der Start- und Stop-Impulse ist in Fi g. 2 anhan eines Blockschaltbildes dargestellt

An den Ausgang des Umsetzer 37 für de Start-Impuls ist eine Impulsformerstufe 42 angeschlo: sen. die auf einen Eingangsimpuls hin einen Ausgang: impuls von definierter Amplitude und Form erzeugt

Auch dem fotoelektrischen Umsetzer 41 für d Stop-Signale ist ein Impulsformer 43 mit demselbt 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 Impulsformerstufe 42 und 43 abhängt. Die Wirkungsweise des Zeit/Pulshöhen-Umsetzers ist anhand des Impulsdiagramms der F i g. 3 dargestellt, wo die verschiedenen Spannungsverläufe als Funktion der Zeit abgebildet sind. Der Startimpuls 45 des Impulsformers 42 setzt eine Spannung 47 in Gang, die nach Art einer Rampenfunktion zeitlich linear ansteigt. Der Stop-lmpuls 46 des Impulsformers 43 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 um so 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-lmpuls 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 lnkremente 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 Amplitudenintervaii liegt, auf das die entsprechende Torschaltung 71 anspricht. Die Amplitudenbereiche sämtlicher Torschaltungen 71 erfassen alle in Frage kommenden Amplituden, ohne sich gegenseitig zu überschneiden.

ledern der Tore 71 ist ein Zähler oder Integrator 72 nachgeschaltet, dessen Zählerstand jeweils die Summe der über die zugehörige Torschaltung 71 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 V-Ablenkspannung wird von den Ausgängen der Integratoren 51 abgenommen. Auf diese Weise erhält man das Oszillogramm einer aus Punkten bestehenden Verteihingskurve. Die Anzahl der Punkte entspricht der Anzahl der Kanäle des Analysator* 49. 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

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Amplitudenfilter beispielsweise aus Differenzverstärkern aufgebaut sind.

In dem in F i g. 1 dargestellten Zustand des optischen Systems, in dem die durch die Fokussierungsstellen 26 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 19 sich um die Fokussierungsstelle 20 herum mitdrehi. Die durch die beiden Fokussierungsstellen hindurchgehende Gerade verläuft nun unter einem Winkel zur Achse des Strömungskanals 25. Da die fotoelektrischen Umsetzer 37 und 41 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 Zweilochblende 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 Winkelbeträge zu verdrehen.

In Fig.4 ist die Analyse einer Strömung bei verschiedenen Verdrehungswinkeln λ abgebildet, so wie sie sich auf dem Bildschirm des Oszillographen 51 (F i g. 2) darstellt. Man geht zweckmäßigerweise so vor, daß man die Winkelstellung \ der Ebene der beiden Teilstrahlen 16,17 im Bereich der mittleren Strömungsrichtung in acht bis zehn Schritten verändert, und zu jeder Winkelposition λ bis 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 F i g. 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 da« Meßvolumen eintretendes Teilchen beide Fokussie rungsstellen trifft ist in Richtung der mittlere! Strömungsrichtung (für *=0^c) am größten. Da; Maximum der Verteilung gibt die mittlere Geschwindig keit an. während die Breite der Verteilung am Fuß dei größten Geschwindigkeitsschwankungen entspricht

Mit steigendem Winkel χ nimmt die Wahrscheinlich keit daß ein Teilchen beide Strahlen durchlauf erwartungsgemäß rasch ab und ist im FaBe von λ = 13 bereits nahezu 0. Wegen der Symmetrie des Vorgange erhält man gleiche Verteilungen bei den entsprecher den negativen Werten von tu. Durch Zusammenfüge ergeben sich so Häufigkeitsverteilungen in Abhängt keit des Geschwindigkeitsbetrages bzw. der zugehor gen Zeit und der Geschwindigkeitsrichtung.

Fur die Durchführung von 8 000 bis 10 000 Einzelme sungen zur AnaKsierung turbulenter Strömungc

benötigt man einschließlich der Ausgabe der Daten je nach Verschmutzung 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 _!0 einem Axialverdichter. Die Welle des Axialverdichter 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 eine quasi-stationären Meßvorgang.

Die Triggerung erfolgt mit einem berührungslosen 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 Triggeroptik 12 (F ig. l)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 34 können die Strömungsvektoren an allen Punktes 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 55 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 Vi₀ der Schaufelperiode betragen, bei 1OkHz Schaufelfrequenz also weniger als 10μ5. Die Messung an dem jeweils gewählten Ort des Schaufelkanals wird nach jedem Radumlauf so lange wiederholt, bis für die Auswertung genügend Daten vorliegen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung der Strömungsvekto- * ren 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 Stiahlenteiler 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 fotoelektrisehe 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 (41) an einen einen Stopimpuls erzeugenden zweiten Impulsformer (43) angeschlossen ist. daß die Impulsformer (42, 43) mit einem Zeit/Pulshöhen-Umsetzer (44) verbunden sind, dessen Ausgangsimpuise (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) angeschlossen ist. der mehrere Amplitudenfilter (7t) mit nachgeschalteten Integratoren oder Zählern (72) enthält, und daß eine die Integratoren oder Zähler (72) zyklisch abfragende Abtastvorrichtung (50) vorgesehen ist.

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.

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