DE1953630A1

DE1953630A1 - Method and device for measuring the flow speed of a flow means

Info

Publication number: DE1953630A1
Application number: DE19691953630
Authority: DE
Inventors: Drain Leslie Ernest
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1968-10-25
Filing date: 1969-10-24
Publication date: 1970-04-30
Also published as: DK124778B; FR2021617A1; DE1953630C3; DE1953630B2; GB1222177A

Description

PATENTANWÄLTE Telefon: (0271)32409PATENTANWÄLTE Phone: (0271) 32409

DIPL-ING. ERICH SCHUBERT Telegramm-Adr.PatsAub, Siegen DIPL-ING. ERICH SCHUBERT Telegram-Adr.PatsAub, Siegen

DIPL-ING. DIPL-W.-ING. G. ZWIRNERDIPL-ING. DIPL-W.-ING. G. ZWIRNER

59 Siegen, Postfach 325 Bankkonten:59 Siegen, PO Box 325 Bank accounts:

Eiserner Straße 227 -* Eiserner Strasse 227 - * Deutsche Bank AG.,Deutsche Bank AG.,

ψψ Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.)Branches in Siegen and Oberhausen (RhId.)

69 154 Zw/Schm 23. Okt. 196969 154 Zw / Schm 23 Oct 1969

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11, Charles II Street, London, S.W.1, EnglandUnited Kingdom Atomic Energy Authority, 11, Charles II Street, London, S.W.1, England

Pur diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr₀ 50889/68 vom 25. Okt. 1968 beansprucht.For this application priority is _{claimed from British Patent Application No. 0} 50889/68 dated Oct. 25, 1968.

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines StrömungsmittelsMethod and device for measuring the flow rate of a fluid

Background of the invention

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels (Gas oder Flüssigkeit), und betrifft insbesondere solche Arten von Messungen, die bisher üblicherweise mittels eines Heißdrahtluftströmungsmessers oder Anemometers durchgeführt wurden. Ein Heißdrahtanemometer ist einThe present invention relates to methods and apparatus for measuring flow velocity of a fluid (gas or liquid), and relates in particular to those types of measurements that have hitherto been customary using a hot wire air flow meter or anemometer. A hot wire anemometer is a

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gut bekanntes Instrument, bei welchem eine Sonde in den Strom des Strömungsmittels eingeführt und die Kühlwirkung der Strömung auf diese Sonde gemessen wird. Hieraus ist es möglich, die Strömungsgeschwindigkeit, die Strömungsausbildung, die Turbulenz und ähnliche Eigenschaften der Strömung zu bestimmen. Unglücklicherweise führt die Einführung der Sonde unvermeidlich zu einer Störung der Strömung, so daß das gemessene Ergebnis nicht notwendig die Bedingungen wiederspiegelt, die beim Fehlen der Sonde herrschen.well known instrument in which a probe is inserted into the flow of fluid and the cooling effect of the flow is measured on this probe. From this it is possible to determine the flow velocity, the flow formation, the To determine turbulence and similar properties of the flow. Unfortunately, the introduction of the probe leads inevitably to a disturbance of the flow so that the measured result does not necessarily reflect the conditions that would exist in the absence the probe prevail.

Aufgabe der Erfindung: Object of the invention :

Der, Erfindung liegt die Aufgabe augrunde, ein Verfahren * der Strömungsgeschwindigkeit zu schaffen, welches zu keinen signifikanten Störungen in der Strömung führt.The object of the invention is to provide a method * to create the flow velocity, which does not lead to any significant disturbances in the flow.

Zusammenfassung der Erfindung; Summary of the Invention ;

Gemäß der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit eines Strömungsmittels folgende Schritte: Zwei Lichtstrahlenbündel· werden erzeugt; diese Lichtstrahlen- , bündel werden zur gegenseitigen Durchsetzung gebracht, um ein Volumen zu bestimmen, welches ein Interferenzmuster enthält; das Licht, welches an einem dieses Volumen durchwandernden Partikel reflektiert wird, wird ausgewertet; und die Änderungsfrequenz der Intensität des reflektierten Lichtes wird gemessen.According to the invention a method for measuring the velocity of a fluid comprises the following steps: Two light beams are generated; These light rays, bundles are brought to a mutual enforcement Determine volume containing an interference pattern; the light that wanders through this volume Particle is reflected is evaluated; and the frequency of change in the intensity of the reflected light is being measured.

Es sollte vielleicht erläutert werden, dais alle normalen Strömungsmittel, wenn sie nicht speziell gereinigt sind, eine genügende Anzahl von Partikeln enthalten, die zur Streuung des Lichts Veranlassung geben, so daß es normalerweise nicht notwendig ist, Partikel dem Strömungsmittel.zuzugeben, was jedoch, falls notwendig, auch getan werden könnte. Beispielsweise enthält normale Laborluft ungefähr ein Partikel in einem WürfelIt should perhaps be explained that all normal fluids, if not specially cleaned, are one Contain a sufficient number of particles to cause the light to be scattered, so that it is normally not necessary is to add particles to the fluid, which, however, if necessary, could also be done. For example, normal laboratory air contains roughly one particle in a cube

* zur Messung* for measurement

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von 10 Mikron Seitenlänge. Es ist offensichtlich, daß das beste Resultat dann erhalten wird, wenn nur ein Partikel gleichzeitig in dem Volumen ist, und deshalb wird zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Luft zweckmäßigerweise ein Volumen benutzt, dessen Seitenkante ungefähr 10 Mikron beträgt. Pur mehr oder weniger reine Strömungsmittel kann ein kleineres oder größeres Volumen gewählt werden.10 microns on a side. It is obvious that that The best result is obtained when there is only one particle in the volume at a time, and therefore the measurement is made The flow velocity of air expediently uses a volume the side edge of which is approximately 10 microns. A smaller or larger volume can be selected for more or less pure fluid.

Um gut bestimmte Streifen in dem Interferenzmuster zu erhalten, ist es natürlich wünschenswert, monochromatisches Licht zu verwenden, und hierzu kann eine der gut bekannten monochromatischen Lichtquellen angewendet werden. Die beiden benötigten Strahlenbündel werden von der Quelle abgeleitet und dann in bekannter Weise zur Interferenz gebracht. Da Laserlicht im besonderen Maße monochromatisch ist und leicht zur Kollimation gebracht werden kann, ist es besonders zweckmäßig, einen Laser als Lichtquelle zusammen mit einem Strahlenteiler zur Erzeugung der beiden Lichtbündel zu benutzen. Es ist lediglich notwendig, diese beiden Strahlenbündel sich schneiden zu lassen, -um das Volumen durch das Durchdringun_£svolumen der beiden Bündel zu bestimmen, wobei das Interferenzmuster automatisch entsteht. Normalerweise sind die Laserstrahlenbündel im querschnitt kreisförmig, und¹ deshalb wird das Volumen durch den Schnitt von zwei Zylindern bestimmt.In order to obtain well-defined fringes in the interference pattern, it is of course desirable to use monochromatic light, and one of the well-known monochromatic light sources can be used for this purpose. The two required bundles of rays are derived from the source and then brought to interference in a known manner. Since laser light is particularly monochromatic and can easily be collimated, it is particularly useful to use a laser as the light source together with a beam splitter to generate the two light bundles. It is only necessary to have these two beams intersect, -um the volume through the Durchdringun _£ of the two beams svolumen to determine where the interference pattern is created automatically. Usually the laser beam in cross-section circular, and ¹ means that the volume is determined by the intersection of two cylinders.

Wenn ein Partikel durch die im regelmäßigen Abstand voneinander sich bildenden Interferenzstreifen in dem Volumen hindurchwandert, geht das reflektierte oder zurückgestreute Licht in sinusförmiger Weise nacheinander durch Maxima und Minima, und es ist lediglich notwendig, die sinusförmigen Änderungen der Intensität des reflektierten Lichtes - dieser Ausdruck umfaßt auch zurückgestreutes Licht - auszuwerten und die Frequenz dieser Änderungen zu messen.When a particle travels through the regularly spaced interference fringes in the volume, the reflected or backscattered light goes through maxima and minima one after the other in a sinusoidal manner, and it is only necessary to include the sinusoidal changes in the intensity of the reflected light - that term includes also backscattered light - evaluate and measure the frequency of these changes.

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Das reflektierte Licht kann durch einen Fotomultiplier oder eine Fotodiode oder einen anderen Empfänger aufgenommen werden und an einen Kathodenstrahloszillograph zur Wiedergabe bezüglich einer Zeitablenkung weitergeleitet werden. Ein einfacher Kalibrierversuch erlaubt die Geschwindigkeit des Partikels direkt von der Darstellung abzulesen. Offensichtlich können auch and*ere bekannte elektronische Inatrumente zu dieser Auswertung verwendet werden.The reflected light can go through a photomultiplier or a photodiode or other receiver can be recorded and sent to a cathode ray oscilloscope for playback be forwarded regarding a time diversion. A simple calibration attempt allows the speed of the Particles can be read directly from the display. Obviously, other known electronic instruments can also be used can be used for this evaluation.

Es sei darauf hingewiesen, daß für alle praktischen Zwecke die Modulationsfrequenz der Intensität des reflektiertenIt should be noted that for all practical Purposes the modulation frequency of the intensity of the reflected

Lichtes nicht stark mit der Reflexionrichtung sich ändert, so daß das reflektierte Licht bei einem passerifen Winkel aufgenommen werden kann, welcher ni'cht genau ausgemessen werden muß. Die Amplitude der Modulation kann vom Winkel abhängen.Light does not change much with the direction of reflection, so the reflected light is received at a fitting angle which does not have to be measured precisely. The amplitude of the modulation can depend on the angle.

Wie oben erläutert, ist die Größe des Volumens in Anbetracht der Anzahl der Partikel pro Volumenein-heit im Strömungsmittel gewählt. In ähnlicher Weise sollte der Abstand der Streifen zu der Geschwindigkeit der Partikel im bestimmten Verhältnis bestehen. In erster Linie wird dieser Abstand vom Winkel zwischen den beiden Strahlenbündeln gesteuert und in* zweiter Linie vom Winkel der Bewegung des Partikels relativ zum Streifenmuster. Eine einfache Auswahl an Parametern gibt eine Intensitätsveränderung pro Zeiteinheit, die zu bequemen Messungen führt.As explained above, the size of the volume is considering the number of particles per unit volume in the fluid chosen. Similarly, the spacing of the strips should be related to the velocity of the particles in particular Relationship exist. Primarily, this distance is controlled by the angle between the two beams and in * secondly from the angle of movement of the particle relative to the striped pattern. A simple selection of parameters is there a change in intensity per unit of time that leads to convenient measurements.

Schließlich sollte die Größe der Partikel im Zusammenhang mit dem Streifenmuster stehen, denn wenn ein durchschnittliches Partikel mehrere Streifen umfaßt, kann keine passende Modulationsintensität beobachtet werden. Dies stellt normalerweise kein Problem dar.After all, the size of the particles should be related to the striped pattern, because if an average If the particle comprises several stripes, no suitable modulation intensity can be observed. This usually represents no problem.

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Brief description of the drawing

Zur besseren Verständlichkeit der Erfindung wird nunmehr eine Ausführungsform derselben unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, welche eine skizzenmäßige Darstellung der Einrichtung während des Betriebs darstellt.For a better understanding of the invention, an embodiment of the same will now be made with reference to the drawing described, which is a sketchy representation of the facility during operation.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformt Description of the Preferred Embodiment t

Bei dieser Ausführungsform wird das Verfahren nach der Erfindung zur Messung eines Luftstromes in einem Rohr, und zwar unter labormäßigen Bedingungen, benutzt, um die Änderung der Geschwindigkeit quer zum Rohr beim Studium von Grenzschichteffekten zu messen.In this embodiment, the method according to the invention for measuring an air flow in a pipe, namely under laboratory conditions, used to measure the change in velocity across the pipe when studying boundary layer effects to eat.

Das Rohr ist skizzenmäßig bei 10 gezeigt, und der Luftstrom wird durch einen Pfeil 11 angedeutet. Das Rohr ist aus Glas hergestellt, aber die Abmessungen, die Befestigung usw. haben bezüglich der Erfindung keine Bedeutung.-The tube is shown sketchily at 10 and the air flow is indicated by an arrow 11. The tube is made of glass manufactured, but the dimensions, the fastening, etc. are of no importance with regard to the invention.

Die Lichtquelle ist ein Helium-Neonlaser 12, der eine Ausgangsleistung von 50 mW bei ungefähr 10 ^ Hz hat." Das Licht dieses Lasers gelangt zu einem Strahlenteiler 13, der als zu dem Strahlwinkel unter 30° geneigte Glasplatte ausgebildet ist und von dem/durchgehendes Strahlenbündel 14 und ein reflektiertes Strahlenbündel 15 ausgehen. Das reflektierte Strahlenbündel 15 gelangt durch ein neutrales Dichtefilter 16, so daß die Intensität der beiden Strahlenbündel vergleichbar sind. Die Strahlenbündel werden dann von den ebenen Spiegeln 17 und 18 reflektiert, so daß sie sich an einer Stelle 19 innerhalb des Rohres 10 schneiden. Zwischen den Spiegeln 17 und 18 und der Stelle 19 sind Objektive 20 und 21 angeordnet, um dieThe light source is a helium-neon laser 12, which has an output power of 50 mW at approximately 10 ^ Hz. "The light this laser arrives at a beam splitter 13, which is designed as a glass plate inclined at 30 ° to the beam angle is and from the / through beam 14 and a reflected Beam 15 go out. The reflected beam 15 passes through a neutral density filter 16, so that the intensity of the two beams are comparable. The bundles of rays are then from the plane mirrors 17 and 18 reflected so that they intersect at a point 19 within the tube 10. Between the mirrors 17 and 18 and the position 19 are lenses 20 and 21 arranged to the

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Strahlenbündel zu fokussieren. Nach dem Durchgang der Stelle werden die Strahlenbündel mittels Auffangeinrichtungen 22 und 23 absorbiert.Focusing beam of rays. After passing through the site, the bundles of rays are captured by means of interceptors 22 and 23 absorbed.

Im vorliegenden Fall werden die Objektive 20, 21 zur Fokussierung des Strahlenbündels im Hinblick auf kreisförmigen Querschnitt benutzt; der Strahlenbündeldurchmesser ist dabei in der Größenordnung von 10 um. Durch sorgfältige Ausrichtung wird dafür gesorgt, daß sich die Strahlenbündel tatsächlich A an der Stelle 19 treffen. Die sich schneidenden Strahlenbündel interferieren und ergeben ein Interferenzmuster von ebenen Streifen., Das Muster erstreckt sich im großen und ganzen in der Sichtung des Pfeiles 11. Der Abstand zwischen den Streifen ist durch s = Λ/(2 sinQ/2) gegeben, wobei 2Θ der Winkel zwischen den Strahlenbündeln 14 und 15 istj diese Streifen können mittels eines Meßmikroskops beobachtet und ausgemessen werden. Ein Partikel, deren Größe mit dem Streifenabstand vergleichbar ist und welches das Muster in Richtung des Pfeiles durchwandert, verursacht eine Reflexion, deren Amplitude sich sinusförmig ändert, wobei die Maxima jeweils den hellen Streifen entsprechen.In the present case, the lenses 20, 21 to Focusing of the beam used with regard to circular cross-section; the beam diameter is included on the order of 10 µm. Careful alignment ensures that the bundle of rays is actually Meet A at position 19. The intersecting bundles of rays interfere and result in an interference pattern of flat stripes., The pattern extends by and large in the sighting of the arrow 11. The distance between the strips is given by s = Λ / (2 sinQ / 2), where 2Θ is the angle between the bundles of rays 14 and 15, these strips can be observed and measured by means of a measuring microscope. A particle whose size is comparable to the distance between the stripes and which wanders through the pattern in the direction of the arrow, causes a reflection, the amplitude of which changes sinusoidally, with the maxima corresponding to the light stripes.

Diese Reflexion wird von einem Detektor oder Empfänger 24 * beobachtet bzw. aufgenommen, der im vorliegenden Fall als Fotodiode ausgebildet ist und desaen Ausgangs signal mittels einer Kathodenstrahlröhre 25 sichtbar gemacht wird, die eine geeignete Ablenkung aufweist. Die Frequenz der Spur ist offensichtlich ein Maß der Geschwindigkeit des Partikels, wenn der Abstand der Streifen bekannt ist.This reflection is observed or recorded by a detector or receiver 24 *, which in the present case as Photodiode is formed and desaen output signal means a cathode ray tube 25 is visualized having a suitable deflection. The frequency of the track is obvious a measure of the velocity of the particle when the spacing of the strips is known.

Um die Geschwindigkeit des fließfähigen Mittele an einer anderen Stelle innerhalb des Rohres zu messen, ist es lediglichTo the speed of the flowable means at a It is only necessary to measure another point within the pipe

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notwendig, das Rohr relativ zu den Strahlenbündeln zu versetzen, deren Schnittpunkt die Stelle 19 ergibt, an welcher die Geschwindigkeit gemessen wird.necessary to move the tube relative to the bundles of rays, the intersection of which results in the point 19 at which the speed is measured.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Besenreibung und Zeichnung offenbart sind.The invention also relates to modifications of the embodiment outlined in the appended claim 1 and relates Above all, it also applies to all features of the invention, which individually - or in combination - in the entire description and drawings are disclosed.

Claims

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Claims

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Claims

Method for measuring the flow rate of a fluid (gas, liquid), in which within of the fluid, a volume that contains light and dark areas determines the light that passes through a this volume is reflected by migrating particles, determined and the change frequency of this reflected Light is measured, characterized in that the light and dark areas are interference fringes, the can be generated by the intersection of two light beams.

2. The method according to claim 1, characterized in that the light is monochromatic.

3. The method according to claim 2, characterized in that the light comes from a laser.

4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the reflected light from a photosensitive electronic device is included.

5. The method according to claim 4, characterized in that an output signal of the light-sensitive electronic Device is fed to a cathode ray oscilloscope and made visible by means of a suitable time deflection.

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6. Device for performing the method according to one of claims 1-5, characterized by a device (12, 13, 16, 17, 18, 20, 21) for generating interference fringes in the examination area (19) and one Device (24,25) with photoelectric receiver (24) for determining the frequency of light fluctuations in the examination area (19).

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