DE3832312A1

DE3832312A1 - Method and device for quickly measuring a local velocity component of a, in particular, flow field

Info

Publication number: DE3832312A1
Application number: DE19883832312
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr Lehmann
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1988-09-23
Filing date: 1988-09-23
Publication date: 1990-03-29
Also published as: DE3832312C2

Abstract

Two coherent light bundles (1, 2) are superimposed in order to produce interference surfaces (7) in an optically defined measurement volume (6). The velocity component of the flow field to be measured, which is at right angles to the bisector of the angle (5) formed from the coherent light bundles (1, 2), is determined by evaluating the frequency of scattered light emitted from particles (8) located in the measurement volume (6). The measurement volume (6) is expanded to form a light trace (10) and the frequency of the scattered light emitted from a plurality of particles (8) moving inside the expanded measurement volume (6) are measured simultaneously and/or in rapid sequence one after the other in order to determine their respective velocity component at different locations. A light source which emits a coherent light beam which is split up by a beam splitter into two coherent light bundles (1, 2) is provided for the purpose of carrying out the method. The scattered light from particles (8) which move in a measurement volume (6) formed by the two coherent light bundles (1, 2) is received by an optical system and passed onto a detecting device. The two coherent bundles (1, 2) are arranged at an angle (5) of greater than 90@. The detection device is arranged and constructed in such a way that it simultaneously and/or [lacuna] the scattered light of a plurality of particles (8) moving at different locations in the measurement volume (6) ... Original abstract incomplete. <IMAGE>

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur schnellen Messung einer örtlichen Geschwindigkeitskomponente eines insbesondere Strömungsfeldes, bei dem zur Erzeugung von Interferenzflächen in einem optisch definierten Meßvolumen zwei kohärente Lichtbündel überlagert werden und bei dem die Geschwindigkeitskomponente des zu vermessenden Strömungsfeldes, die senkrecht auf der Winkelhalbierenden des aus den kohärenten Lichtbündeln gebildeten Winkels steht, durch Auswertung der Frequenz eines von sich im Meßvolumen befindlichen Partikeln ausgesandten Streulichts ermittelt wird. Die Erfindung zeigt gleichzeitig eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer einen kohärenten Lichtstrahl aussendenden Lichtquelle, der von einem Strahlteiler in zwei sich überlagernde kohärente Lichtbündel aufgespalten wird und mit einer Streulicht von sich in einem durch die zwei kohärenten Lichtbündel gebildeten Meßvolumen bewegenden Partikeln empfangende und an eine Erfassungsvorrichtung weiterleitende Optik.The invention is based on a method for rapid Measurement of a local speed component of a in particular flow field in which to generate Interference areas in an optically defined measurement volume two coherent light beams are superimposed and in which the Speed component of the to be measured Flow field perpendicular to the bisector of the angle is made up of the coherent light beams, by evaluating the frequency of one of itself in the measurement volume particles found scattered light becomes. The invention also shows a device for Perform the procedure with a coherent one Light source emitting light from one Beam splitter in two overlapping coherent light beams is split up and with a scattered light of itself in one formed by the two coherent light beams receiving moving particles and to a Detection device forwarding optics.

Solch ein Verfahren bzw. Vorrichtung beruht auf dem physikalischen Effekt der Doppler-Verschiebung. Das Prinzip der mit der Doppler-Verschiebung arbeitenden Meßtechnik, der Laser-Doppler-Meßtechnik, ist seit mehr als 20 Jahren bekannt und in den einschlägigen Lehrbüchern, beispielsweise Durst, Melling, Whitelaw, "Principles and Practice of Laser-Doppler Anemometry", Academic Press, 1976 oder B. Ruck, "Laser- Doppler-Anemometrie", AT- Fachverlag GmbH Stuttgart, 1987, hinreichend beschrieben. Es ist eine räumlich und zeitlich hochauflösende, berührungsfreie optoelektronische Meßtechnik für Geschwindigkeitskomponenten bekannter Richtung und findet besonders ausgedehnte Anwendung in der Strömungsmeßtechnik. Grundlegend wird dabei zwischen der absoluten oder Einstrahl- Laser-Doppler-Anemometrie und der relativen oder Mehrstrahl- Laser-Doppler-Anemometrie unterschieden. Bei der Einstrahl- Laser-Doppler-Anemometrie wird, wie es bereits der Name sagt, lediglich ein auf das Meßobjekt eingestrahltes Lichtbündel verwendet. Ermittelt wird die Dopplersche Frequenz- oder Wellenlängenänderung des Streulichts, welches die sich im Lichtbündel befindlichen Teilchen durch optische Streuung aussenden. Sie beruht auf der Geschwindigkeit der Teilchen. Es ergibt sich die Geschwindigkeitskomponente des Strömungsfeldes in Richtung auf der Winkelhalbierenden zwischen der Einstrahlrichtung und der Empfangsrichtung. Solch eine Einstrahl-Laser-Doppler-Anemometrie (Einstrahl- LDA) ist beispielsweise aus dem DE-PS 31 06 025 bekannt. Das Streulicht der sich im Lichtbündel befindlichen Partikel wird über einen Drehspiegel der Erfassungsvorrichtung zugeleitet. Dadurch ist es möglich, in schneller Folge hintereinander das Streulicht der Partikel und damit deren Geschwindigkeitskomponenten an mehreren Orten in schneller Folge nacheinander zu erfassen bzw. zu bestimmen. Um eine zweite Geschwindigkeitskomponente, die auf der ersten Geschwindigkeitskomponente senkrecht steht, zu ermitteln, ist es aus dieser Patentschrift weiterhin bekannt, zwei Lichtbündel vorzusehen, die koaxial entgegengesetzt gerichtet und zweckmäßigerweise von unterschiedlicher Farbe sind. Das Streulicht wird durch Farbteiler getrennt und jede Farbe jeweils für sich ausgewertet, um die zwei Geschwindigkeitskomponenten zu erhalten.Such a method or device is based on the physical effect of Doppler shift. The principle the measuring technique working with the Doppler shift, the Laser Doppler measurement technology has been known for more than 20 years and in the relevant textbooks, such as thirst, Melling, Whitelaw, "Principles and Practice of Laser Doppler Anemometry ", Academic Press, 1976 or B. Ruck," Laser Doppler anemometry ", AT-Fachverlag GmbH Stuttgart, 1987, adequately described. It is a spatial and temporal high-resolution, non-contact optoelectronic measurement technology for speed components of known direction and finds particularly extensive application in flow measurement technology. The basic distinction is made between the absolute or Laser doppler anemometry and relative or multi-beam Doppler anemometry is differentiated. With the single-beam Laser Doppler anemometry, as the name suggests, only a beam of light radiated onto the measurement object used. The Doppler frequency or is determined Wavelength change of the scattered light, which is in the Particles of light located by optical scattering send out. It is based on the speed of the particles. The speed component of the Flow field in the direction of the bisector between the direction of irradiation and the direction of reception. Such a single-beam laser Doppler anemometry (single-beam LDA) is known for example from DE-PS 31 06 025. The Scattered light from the particles in the light beam fed to the detection device via a rotating mirror. This makes it possible to do this in quick succession Scattered light from the particles and thus theirs Speed components in multiple locations in faster Sequence to be recorded or determined one after the other. To one second speed component based on the first Velocity component is perpendicular, is to be determined it is also known from this patent, two Provide light beams that are directed coaxially in opposite directions and are expediently of different colors. The Stray light is separated by color dividers and each color each evaluated for the two Obtain velocity components.

Aus der DE-PS 35 44 347, die sich ebenfalls mit der Einstrahl-LDA befaßt, ist es bekannt, daß Streulicht mittels eines bewegten Lichtwellenleiters abzutasten und somit in schneller zeitlicher Folge die örtliche Geschwindigkeitskomponente zu bestimmen. Nachteilig bei der Einstrahl-LDA ist, daß die Signalverarbeitung und damit die Auswerteeinheit relativ aufwendig ist. Weiterhin ist der meßbare Geschwindigkeitsbereich eingeschränkt, insbesondere Geschwindigkeiten kleiner als 0,2 m/sec sind nur schwer meßbar. Auch ist eine Eichung, die die Doppler-Verschiebung in Relation zu der Geschwindigkeit der Partikel setzt, erforderlich, was zu einer Reduzierung der Genauigkeit der gemessenen Geschwindigkeit führt. Als Vorteil ist die Möglichkeit des schnellen Scannens zu nennen. Dies wird dadurch ermöglicht, daß Erfassungsvorrichtungen verfügbar sind, die ohne Probleme das von vielen Partikeln überlagerte Streulichtsignal analysieren können.From DE-PS 35 44 347, which also deals with the Single-beam LDA, it is known to use scattered light to scan a moving optical fiber and thus in the local one more quickly To determine the speed component. A disadvantage of the Single-beam LDA is that the signal processing and therefore the Evaluation unit is relatively complex. Furthermore, the measurable speed range limited, in particular Speeds of less than 0.2 m / sec are difficult measurable. Also a calibration is the Doppler shift in relation to the speed of the particles, required, leading to a reduction in the accuracy of the measured speed leads. The advantage is that Possibility of quick scanning. this will thereby allowing detection devices to be available that are easily covered by many particles Can analyze scattered light signal.

Bei der Mehrstrahl-LDA bzw. der relativen LDA werden mindestens zwei kohärente Lichtbündel, die durch Strahlteilung aus einem Laserstrahl erzeugt werden, miteinander zum Schnitt gebracht. Im Schnittbereich, dem sogenannten Meßvolumen, bildet sich ein System äquidistanter Interferenzflächen aus, die im ebenen Schnitt als Interferenzstreifen erscheinen, weshalb das System üblicherweise als Interferenzstreifensystem bezeichnet wird. Optisch streuende Partikel, die z.B. von dem zu vermessenden Strömungsfeld mitgeführt werden können, senden bei ihrer Bewegung durch das Meßvolumen hindurch ein Streulichtsignal aus, dessen Frequenz der Aufeinanderfolge ihres Durchtritts durch die Interferenzebenen entspricht. Das Streulichtsignal bzw. die Frequenz ist somit der Geschwindigeitskomponente der Teilchen proportional, welche auf den Interferenzebenen senkrecht steht, das ist die Richtung der Halbierenden des Winkels zwischen den beiden eingestrahlten Lichtbündeln. Die auf diese Weise entstehenden Frequenzen des Streulichts sind auch ohne das anschauliche Modell der Interferenzebenen durch reine Anwendung der Gesetzmäßigkeiten des Doppler-Effektes herleitbar. Darin liegt die Bezeichnung "Laser-Doppler- Meßtechnik" begründet. Der Vorteil der Mehrstrahl-LDA liegt darin, daß damit auch Geschwindigkeitskomponenten mit sehr kleinen Geschwindigkeiten, also beispielsweise kleiner als 0,3 m/sec, sehr genau ermittelt werden können. Eine Eichung ist nicht erforderlich. With the multi-beam LDA or the relative LDA at least two coherent light beams passing through Beam splitting can be generated from a laser beam, brought together to cut. In the cutting area, the so-called measuring volume, a system is formed more equidistant Interference surfaces, which in the flat section as Interference fringes appear, which is why the system is usually referred to as an interference fringe system. Optically scattering particles, e.g. of the one to be measured Flow field can be carried send at their Movement through the measuring volume through a scattered light signal whose frequency is the sequence of their passage through the interference planes. The stray light signal or the frequency is thus the speed component of the Particles proportional, which on the interference levels is perpendicular, that is the direction of the bisector of the Angle between the two incident light beams. The frequencies of the scattered light that arise in this way even without the vivid model of the interference levels pure application of the laws of the Doppler effect derivable. This is where the term "Laser Doppler Messtechnik ". The advantage of multi-beam LDA is in that speed components with very low speeds, for example less than 0.3 m / sec, can be determined very precisely. A calibration not necessary.

Die vorl. Erfindung beschäftigt sich mit der Mehrstrahl-LDA.The present invention deals with the multi-beam LDA.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art ist aus der DE-PS 16 73 403 bekannt. Zwei kohärente Lichtbündel werden unter einem spitzen Winkel zum Schnitt gebracht. Der Schnittbereich stellt dabei das Meßvolumen dar, d.h. im Schnittbereich bilden sich die äquidistanten Interferenzflächen aus. Partikel, die sich im Meßvolumen bewegen, senden zwei Doppler-verschobene Streulichtfelder aus, die miteinander interferieren. Das Ergebnis dieser Interferenz ist eine im Vergleich zur Lichtfrequenz niederfrequente Intensitätsschwebung, deren Frequenz gleich der Differenz aus beiden Dopplerverschiebungen ist. Sie kann durch Fotoelektronenvervielfacher empfangen, zeitlich aufgelöst und an die Erfassungsvorrichtung weitergeleitet werden.A method and an apparatus of the one described in the introduction Art is known from DE-PS 16 73 403. Two coherent Beams of light become the cut at an acute angle brought. The cutting area represents the measuring volume, i.e. the equidistant form in the cutting area Interference surfaces. Particles that are in the measurement volume move, send two Doppler-shifted stray light fields that interfere with each other. The result of this Interference is one compared to the frequency of light low frequency intensity beat, the frequency of which is the same is the difference between the two Doppler shifts. she can received by photo electron multiplier, temporally resolved and forwarded to the detection device will.

Aus der US-PS 36 49 125 ist es bekannt, mindestens einem der kohärenten Lichtbündel eine Frequenzänderung aufzuprägen, um das Vorzeichen der gemessenen Geschwindigkeitskomponente mit zu erfassen. Dies führt dazu, daß die Interferenzflächen durch das Meßvolumen wandern, so daß ein dort ruhendes Partikel Streulicht mit einer Frequenz aussendet, wobei diese Frequenz als Frequenzverschiebung oder Shiftfrequenz bezeichnet wird und gleich der Differenz der Frequenzen beider Lichtbündel ist. Mit dieser Frequenz wird der Betrag "Null" der Geschwindigkeitskomponente erfaßt, eine größere oder kleinere gemessene Frequenz des Streulichts bedeutet dann positives oder negatives Vorzeichen der gemessenen Geschwindigkeitskomponente.From US-PS 36 49 125 it is known at least one of the to apply a change in frequency to coherent light beams the sign of the measured speed component with capture. This causes the interference surfaces wander through the measuring volume, so that a resting there Particle emits scattered light at a frequency, this being Frequency as frequency shift or shift frequency is called and equal to the difference in frequencies both beams are. With this frequency the amount "Zero" of the speed component is detected, a larger one or smaller measured frequency of the scattered light means then positive or negative sign of the measured Speed component.

Um Messungen an verschiedenen Orten des Strömungsfeldes durchführen zu können, ist ein entsprechendes Versetzen der Optik oder zumindest von Teilen davon erforderlich. Dies kommt dem für die Strömungstechnik folgerichtigen Wunsch nach einer nicht nur zeitlich, sondern gleichzeitig auch räumlich sehr schnell versetzenden (scannenden) Messung nur in sehr beschränktem Maß entgegen. Es wurden deshalb eine Vielzahl unterschiedlicher technischer Lösungen für räumlich scannende, möglichst momentane Vielpunktmessungen entwickelt. Aus dem Aufsatz von Nakatani et al, Journal of Physics E., Scientific Instruments, Bd. 13, pp. 172-173, "LDV optical system with mulifrequency shifting for simultaneous measurement of flow velocities at several points" ist eine optische Vielpunktanordnung für vollständig koinzidente Vielpunktmessungen bekannt. Die Frequenzen des Streulichts werden mit einem optoelektronischen Empfänger empfangen und mit hochfrequenztechnischen Mitteln getrennt. Schnettler ("Optoelektronische Demodulation von Laser-Doppler-Signalen", Technisches Messen, 48. Jahrgang, Heft 5, S. 159-163) benutzt ein rotierendes Polygonprisma, durch welches die beiden kohärenten Lichtbündel hindurchstrahlen, zum periodischen Versetzen des Meßvolumens und empfängt das Streulicht durch eine Schlitzblende eines optoelektronischen Empfängers. In dem Aufsatz von Durst et al, "Laser-Doppler System for rapid scanning of flow fields", Review of Scientific Instruments, Bd. 52, No. 11, page 1676-1681, wird das Meßvolumen durch Verwendung einer Kombination aus einer Zoomoptik für die Lichtbündel und eines Drehschwingungen ausführenden Spiegels versetzt. Linear bewegte Spiegelsysteme für das räumliche Versetzen des Meßvolumens benutzen Chehroudi et al (Journal of Physics E., Scientific Instruments, Vol. 17, "A rapidly scanning laser Doppler anemometer", page 131-136). Ein typisches Merkmal dieser Anordnungen ist, daß das Meßvolumen selbst versetzt wird. Das schließt Grenzen der mechanischen Beweglichkeit ein und erfordert das zusätzliche Nachführen des optoelektronischen Empfängers bzw. der entsprechenden Anpassung der vor ihm angebrachten Blende. Die Abtastgeschwindigkeit ist bei diesem Verfahren aus opto mechanischen Gründen eingeschränkt. Ihre mechanischen Aufbauten sind aufwendig und erfordern große Genauigkeit und Maßnahmen zur Vermeidung mechanischer Schwingungen.To take measurements at different locations in the flow field To be able to carry out is a corresponding transfer Optics or at least parts of it required. This complies with the wish for fluid technology one not only in time, but also in space very fast moving (scanning) measurement only in very to a limited extent. So there were a lot of them different technical solutions for spatial scanning, instantaneous multi-point measurements developed. From the article by Nakatani et al, Journal of Physics E., Scientific Instruments, Vol. 13, pp. 172-173, "LDV optical system with mulifrequency shifting for simultaneous measurement of flow velocities at several points "is one Optical multi-point arrangement for completely coincident Multi-point measurements known. The frequencies of the scattered light are received with an optoelectronic receiver and separated by radio frequency means. Schnettler ("Optoelectronic demodulation of laser Doppler signals", Technical measurement, Volume 48, No. 5, pp. 159-163) uses a rotating polygon prism through which the shine through both coherent light beams to periodically shifting the measurement volume and receiving that Scattered light through a slit diaphragm of an optoelectronic Recipient. In the essay by Durst et al, "Laser Doppler System for rapid scanning of flow fields ", Review of Scientific Instruments, Vol. 52, No. 11, page 1676-1681, is the measurement volume by using a combination of a zoom lens for the light beams and one Executing torsional vibrations mirror. Linear moving mirror systems for the spatial displacement of the Measurement volume use Chehroudi et al (Journal of Physics E., Scientific Instruments, Vol. 17, "A rapidly scanning laser Doppler anemometer ", page 131-136). A typical feature of these arrangements is that the measuring volume itself is offset becomes. This includes limits on mechanical mobility and requires additional tracking of the optoelectronic receiver or the corresponding Adjustment of the aperture in front of him. The With this method the scanning speed is opto limited mechanical reasons. Your mechanical Structures are complex and require great accuracy and Measures to avoid mechanical vibrations.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen Messung einer örtlichen Geschwindigkeitskomponente eines Strömungsfeldes der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß unter Verwendung des Mehrstrahl-LDA die optische Abtastung von Geschwindigkeitsprofilen mit geringem technischen Aufwand und möglichst großer Abtastfrequenz durchgeführt werden kann.The invention has for its object a method and a device for rapid measurement of a local Velocity component of a flow field at the beginning described type so that using the Multi-beam LDA the optical scanning of Speed profiles with little technical effort and largest possible sampling frequency can be performed.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Meßvolumen zu einer Lichtspur erweitert wird und daß die Frequenzen des von mehreren sich innerhalb des erweiterten Meßvolumens bewegenden Partikeln ausgesandten Streulichts zur Bestimmung ihrer jeweiligen Geschwindigkeitskomponente an verschiedenen Orten zeitgleich und/oder in schneller Folge nacheinander gemessen werden. Die beiden kohärenten Lichtbündel werden derart ausgerichtet, so daß sie sich überlagern. Es wird hier also das Prinzip der Mehrstrahl-LDA angewandt. Dies hat den Vorteil, daß auch relativ kleine Geschwindigkeitskomponenten eines Strömungsfeldes mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Solche kleinen Geschwindigkeitskomponenten treten beispielsweise quer zur Hauptströmungsrichtung des Strömungsfeldes bei der Untersuchung turbulenter Strukturen auf. Diese vergleichsweise geringen Geschwindigkeitskomponenten werden mit großer Auflösung und großer Genauigkeit erfaßt. Der Vektor der Geschwindigkeitskomponente steht senkrecht auf der Winkelhalbierenden des aus den kohärenten Lichtbündeln gebildeten Winkels. Das Meßvolumen, d.h. der bzw. die geometrischen Orte, von denen das entsprechende Streulicht der sich bewegenden Partikel ermittelt werden kann, wird durch den Bereich bestimmt, in dem sich die beiden Lichtbündel überlagern. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist nun vorgesehen, das Meßvolumen auf eine Lichtspur zu erweitern. Das Meßvolumen ist also nicht mehr, wie es im Stand der Technik bekannt ist, auf quasi einen Punkt begrenzt, vielmehr ist hier ein linienförmiges Meßvolumen in Form der Lichtspur vorgesehen. In dieser Lichtspur bewegen sich mehrere Partikel an jeweils unterschiedlichen Orten, und senden das entsprechende Streulicht aus. Das Streulicht der einzelnen Partikel besitzt durch zwei überlagerte Doppler- Effekte eine Intensitätsschwebungsfrequenz (Doppler- Differenzfrequenz), die ein Maß für die Geschwindigkeitskomponente des Partikels an dem jeweiligen Ort des Strömungsfeldes ist. Durch die zeitgleiche und/oder in schneller Folge nacheinander erfolgende Erfassung der Frequenzen der unterschiedlichen Partikel ist es nun möglich, die Geschwindigkeitskomponenten an verschiedenen Orten zeitgleich bzw. quasi-zeitgleich zu bestimmen. Dies ergibt den Vorteil, daß mit diesem Verfahren auch instationäre Vorgänge erfaßt werden können. Eine Beeinträchtigung des Strömungsfeldes, wie beispielsweise durch das Einbringen von Sonden, Hitzdrähten oder dgl., findet nicht statt. Dadurch ist gewährleistet, daß das zu vermessende Strömungsfeld in seiner Struktur nicht geändert wird. In Verbindung mit der oben bereits erwähnten Möglichkeit der Messung relativ kleiner örtlicher Geschwindigkeitskomponenten mit hoher Genauigkeit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für die genaue und störungsfreie Messung der Geschwindigkeitskomponente quer zur Hauptströmungsrichtung des Strömungsfeldes, beispielsweise bei instationären turbulenten Strukturen. Dieses Verfahren ist aber natürlich auch zur Messung der Geschwindigkeitskomponente in Strömungsrichtung geeignet. Der Vorteil der annähernd zeitgleichen Geschwindigkeitsmessung an mehreren Orten im Strömungsfeld dient auch dazu, die Meßzeit erheblich zu reduzieren.According to the invention this is achieved in that the Measuring volume is expanded to a light trail and that the Frequencies of several within the extended Measuring volume moving particles emitted scattered light for Determination of their respective speed components different locations simultaneously and / or in quick succession can be measured in succession. The two coherent Beams are aligned so that they are overlay. So here it becomes the principle of multi-beam LDA applied. This has the advantage of being relatively small Velocity components of a flow field with high Accuracy can be determined. Such little ones For example, speed components cross across Main flow direction of the flow field at the Investigation of turbulent structures. These comparatively low speed components recorded with high resolution and great accuracy. The The vector of the speed component is perpendicular to the Bisector of the from the coherent light beams formed angle. The measuring volume, i.e. the or the geometric locations, of which the corresponding stray light of the moving particles can be determined determined by the area in which the two Overlay light beams. In the method according to the invention it is now intended to measure the measurement volume to a light trail expand. The measuring volume is therefore no longer as it is in State of the art is known, to a point limited, rather here is a linear measurement volume in Shape of the light trail provided. Move in this light trail there are several particles in different locations, and emit the appropriate stray light. The scattered light of the individual particle possesses through two superimposed Doppler Effects an intensity beat frequency (Doppler Difference frequency), which is a measure of the Velocity component of the particle at the respective The location of the flow field is. By the same time and / or in rapid succession recording of the Frequencies of the different particles it is now possible the speed components in different places to be determined simultaneously or quasi-simultaneously. This results in the advantage that with this method also transient Operations can be recorded. An impairment of the Flow field, such as by introducing No probes, hot wires or the like take place. Thereby it is ensured that the flow field to be measured in its structure is not changed. In connection with the Above-mentioned possibility of relative measurement small local speed components with high ones The method according to the invention is suitable for accuracy especially for the accurate and trouble-free measurement of the Velocity component transverse to the main flow direction the flow field, for example in the case of unsteady ones turbulent structures. However, this procedure is natural also for measuring the speed component in Flow direction suitable. The advantage of approximately simultaneous speed measurement at several locations in the Flow field also serves to increase the measurement time considerably to reduce.

Der Winkel zwischen den beiden kohärenten Lichtbündeln kann auf nahe oder gleich 180° eingestellt werden. Das als Schnittbereich beider Lichtbündel definierte optische Meßvolumen erhält dadurch die Dimension des Deckungsbereiches der nun koaxial aber entgegengesetzt ausgerichteten Lichtbündel. Es hat also die Längserstreckung der Lichtbündel und deren annähernd zylindrische Form oder bei oft zweckmäßiger schwacher Fokussierung der Lichtbündel deren dann geringfügig spindelförmige Form. Die Interferenzebenen, die durch die vorauszusetzende Kohärenz der Lichtbündel mit großem Kontrastverhältnis entstehen, sind äquidistant und senkrecht zur gemeinsamen Achse der Lichtbündel ausgerichtet. Ihr Abstand ist abhängig von der Wellenlänge des verwendeten Lichts der Lichtbündel und liegt gewöhnlich unter einem Mikrometer. Der gemeinsame Bereich der beiden Lichtbündel erscheint in dem mit optisch streuenden Partikeln dotierten Strömungsfeld als eine Streulichtspur, wobei das Streulicht von den Partikeln in jede Richtung des Raumes ausgesendet wird. Die Bewegung der optisch streuenden Partikel, die im Fall einer Strömungsmessung mit dem Strömungsfeld erfolgt, führt im Bereich der Streulichtspur zu periodisch variierendem Ausleuchten der einzelnen Partikel durch die von ihnen durchquerten Interferenzebenen. Das Partikel sendet mit dieser Periodizität das Streulicht aus, dessen Frequenz ermittelt wird. Diese Frequenz ist dann proportional zu der Geschwindigkeitskomponente des Partikels, die senkrecht auf den Interferenzebenen steht, welche also die Richtung der Streulichtspur hat.The angle between the two coherent light beams can can be set to near or equal to 180 °. That as Cutting area of both light beams defined optical This gives the measurement volume the dimension of the coverage area the now coaxially but oppositely aligned Beam of light. So it has the longitudinal extension of the light beam and their roughly cylindrical shape or often expedient weak focusing of the light beams then slightly spindle-shaped. The levels of interference, the coherence of the light bundles with large contrast ratio arise, are equidistant and aligned perpendicular to the common axis of the light beams. Their distance depends on the wavelength of the used Light of the light bundle and is usually below one Micrometer. The common area of the two light beams appears in the doped with optically scattering particles Flow field as a stray light trail, the stray light emitted by the particles in every direction of the room becomes. The movement of the optically scattering particles in the In the case of a flow measurement with the flow field, leads to periodic in the area of the scattered light trail varying illumination of the individual particles by the of crossed levels of interference. The particle also sends this periodicity the scattered light, its frequency is determined. This frequency is then proportional to that Velocity component of the particle that is perpendicular to the interference levels, which is the direction of the Has stray light trail.

Die Lichtfrequenz der beiden kohärenten Lichtbündel kann unterschiedlich gewählt werden, so daß die Interferenzflächen eine translatorische Bewegung durchführen. Dies kann beispielsweise mit einer oder mehreren Braggzellen erfolgen, welche in den Strahlengang mindestens eines der beiden Lichtbündel eingefügt sind. Wird beispielsweise eine Frequenzverschiebung von 40 MHz erzeugt, so steht für die Messung der Bereich von 0 bis 80 MHz zur Verfügung steht. Die Frequenz des Streulichts kann also zwischen minus 40 MHz bis plus 40 MHz um das Nullsignal von 40 MHz schwanken. Mit den physikalischen Daten der grünen Linie des Argon-Laserlichts liegt der erfaßbare Geschwindigkeitsbereich dann zwischen etwa minus 10 m/sec und plus 10 m/sec. Diese Werte sind jedoch nur beispielhaft und können den jeweils vorliegenden Bedingungen entsprechend angepaßt werden.The light frequency of the two coherent light beams can be chosen differently so that the interference surfaces perform a translatory movement. This can for example with one or more Bragg cells, which in the beam path at least one of the two Beams of light are inserted. For example, if Frequency shift of 40 MHz generated, stands for Measuring the range from 0 to 80 MHz is available. The Scattered light frequency can thus be between minus 40 MHz plus 40 MHz fluctuate around the zero signal of 40 MHz. With the physical data of the green line of argon laser light the detectable speed range is then between about minus 10 m / sec and plus 10 m / sec. These values are however only by way of example and can be the present Conditions are adjusted accordingly.

Es besteht die Möglichkeit, daß in kontinuierlicher Reihenfolge die Lichtspur in Form einer Punktfolge abgetastet wird. Während bei der zeitgleichen Abtastung der Lichtspur an mehreren Orten entsprechend der Anzahl der Orte mehrere Erfassungsvorrichtungen vorhanden sein müssen und dies insgesamt eine relativ komplizierte und teure Auswertung darstellt, genügt es bei der Abtastung einer Punktfolge sich auf eine einzige Erfassungsvorrichtung zu beschränken. Es besteht zwar dann der Nachteil, daß die gemessenen Geschwindigkeitskomponenten nicht zeitgleich erfaßt werden, die kontinuierliche Abtastung kann aber mit einer derart hohen Frequenz erfolgen, so daß die Geschwindigkeitskomponenten quasi - zeitgleich gemessen werden. Die kontinuierliche Abtastung wird in den meisten Fällen ausreichend sein und daher aufgrund des geringeren apparativen Aufbaus vorzugsweise benutzt werden.There is a possibility that in continuous Sequence scanned the light trail in the form of a point sequence becomes. While the simultaneous scanning of the light trail on multiple locations according to the number of locations multiple Detection devices must be present and this overall a relatively complicated and expensive evaluation it is sufficient to scan a sequence of points to be limited to a single detection device. There is then the disadvantage that the measured Speed components are not recorded at the same time, the continuous scanning can be done with such a high frequency so that the Speed components measured almost simultaneously will. The continuous scan is used in most Cases are sufficient and therefore due to the lower apparatus construction are preferably used.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, daß die beiden kohärenten Lichtbündel in einem Winkel von größer 90° angeordnet sind, und daß die Erfassungsvorrichtung derart angeordnet und ausgebildet ist, daß sie das Streulicht mehrerer sich an verschiedenen Orten in dem Meßvolumen bewegender Partikel zeitgleich und/oder in schneller Folge nacheinander empfängt und weiterleitet. Es wird also von dem im Stand der Technik bekannten spitzen Winkel, unter dem sich die beiden kohärenten Lichtbündel schneiden, abgegangen und ein Winkel zwischen den beiden kohärenten Lichtbündeln von größer 90° gewählt. Dieser Winkel erweitert sich bis auf nahe oder gleich 180°, d.h. also bis die beiden Lichtbündel koaxial, aber entgegengesetzt ausgerichtet sind. Das Meßvolumen wird dadurch auf eine langgestreckte Zylinderform erweitert, von dessen verschiedenen Orten das von den Partikeln ausgesandte Streulicht empfangen werden kann. Der Empfang erfolgt zeitgleich und/oder in schneller Folge nacheinander. Um das Vorzeichen der Geschwindigkeitskomponente mit erfassen zu können, kann in mind. einem der beiden kohärenten Lichtbündel eine oder mehrere optoakustische Braggzellen oder andere technische Mittel zur optischen Frequenzverschiebung vorgesehen sein. Durch diese Braggzellen wird die Frequenz des einen kohärenten Lichtbündels gegenüber dem anderen verschoben, wodurch die Interferenzflächen eine translatorische Bewegung in Richtung ihrer gemeinsamen Achse ausführen.The device for carrying out the method features the fact that the two coherent light beams in one Angles of greater than 90 ° are arranged, and that the Detection device is arranged and designed such that they are the scattered light of several themselves in different places in the measuring volume of moving particles simultaneously and / or in receives and forwards in quick succession. It is thus peaked from that known in the prior art Angle at which the two coherent light beams are cut, walked off and an angle between the two coherent light beams of greater than 90 ° selected. That angle expands to near or equal to 180 °, i.e. so until the two light beams are coaxial, but opposite are aligned. The measuring volume is thereby reduced to a elongated cylindrical shape extended from its different places the particles emitted Stray light can be received. The reception takes place at the same time and / or in quick succession. To do that Enter the sign of the speed component too can in at least one of the two coherent light beams one or more optoacoustic Bragg cells or others technical means for optical frequency shifting be provided. Through these Bragg cells the frequency one coherent beam of light against the other shifted, whereby the interference surfaces a translational movement in the direction of their common axis To run.

Die Erfassungsvorrichtung kann einen optoelektronischen Detektor aufweisen und es kann eine dem Detektor in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten das Streulicht von sich an unterschiedlichen Orten im Meßvolumen befindlichen Partikeln zuleitende optische Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die optische Auswerteeinheit kann einen Dreh- oder Schwingspiegel oder ein rotierendes Polygonprisma aus einem optisch brechenden Material aufweisen, wobei die Drehachse des Polygonprismas annähernd oder gleich senkrecht zu einer von den Lichtbündeln gebildeten Lichtspur ausgerichtet angeordnet ist, wobei vor dem Detektor eine Blendeneinrichtung vorgesehen sein kann und weiterhin eine die Lichtspur durch das Polygonprisma auf die Blendeneinrichtung abbildende Optik vorgesehen ist. Jedes Partikel in der Lichtspur ist eine Quelle für optische Geschwindigkeitssignale. Die Lichtspur kann optisch so abgetastet werden, daß in möglichst schneller örtlicher und zeitlicher Aufeinanderfolge die Streulichtsignale entnommen und entsprechend analysiert werden, so daß sie in der richtigen örtlichen Zuordnung die Information über ein fast momentan gemessenes Geschwindigkeitsprofil der mit der Anordnung erfaßten Geschwindigkeitskomponente darstellt. Dazu eignet sich insb. das Polygonprisma, welches vorzugsweise gradzahlig geteilt ist und in Rotationsbewegung versetzt wird. Die abbildende Optik bildet die Lichtspur des Streulichts, also die Streulichtspur, durch das Polygonprisma hindurch auf die Blendeneinrichtung ab. Die Blendeneinrichtung kann eine Blende oder einen Lichtwellenleiter aufweisen. Bei Verwendung der Blende wird zweckmäßigerweise eine Loch- oder Schlitzblende verwendet. Steht die Drehachse des Polygonprismas zwar außerhalb der Lichtspur, aber senkrecht zu ihr, so bewirkt die Brechkraft des Polygonprismas bei dessen Drehung ein kontinuierliches Versetzen der Abbildung der Lichtspur innerhalb seiner eigenen Richtung. Wenn die Abbildung der Lichtspur beispielsweise dabei über eine in seiner Größe angepaßten Lochblende läuft, die vor dem Detektor angeordnet ist, so erreicht nur Licht aus demjenigen Teil der Streulichtspur den optoelektronischen Detektor, welcher aus den jeweils den Drehwinkeln des Polygonprismas geometrisch zuzuordnenden Bereich der Streulichtspur stammt. Dadurch wird der optisch erfaßte Bereich der Streulichtspur periodisch abgetastet und das Streulichtsignal über den optoelektronischen Detektor als elektrisches Signal einer Frequenzanalyse zugeführt. Anstelle der Blende vor dem optoelektronischen Detektor kann auch die Endfläche eines Lichtwellenleiters oder einer Vielzahl von einzelnen Lichtwellenleitern vorgesehen sein, die durch die mit dem Prisma kontinuierlich versetzte Abbildung der Streulichtspur beaufschlagt werden. Der Lichtwellenleiter leitet dann das Streulicht zu dem optoelektronischen Detektor, welcher sich dann vorteilhaft in größerer Entfernung befinden kann. Es versteht sich, daß anstelle des Polygonprismas auch andere technische Lösungen im Bereich der Blendeneinrichtung für das Abtasten der Streulichtspur bzw. der optischen Abbildung denkbar sind. So kann beispielsweise bei fehlendem Prisma eine mechanisch bewegte Blende vor dem optoelektronischen Detektor verwendet werden oder die mechanisch bewegte Endfläche eines oder mehrerer Lichtwellenleiter.The detection device can be an optoelectronic Have detector and it can be in the detector the scattered light by itself at successive points in time particles in different locations in the measuring volume optical evaluation unit to be provided. The optical evaluation unit can be a rotating or oscillating mirror or a rotating polygon prism from an optical have refractive material, the axis of rotation of the Polygon prism approximately or equally perpendicular to one of the light beam formed aligned aligned is, with an aperture device in front of the detector can be provided and continue through the light trail the polygon prism on the lens device imaging optics is provided. Every particle in the light trail is one Source for optical speed signals. The light trail can be optically scanned so that in faster as possible local and temporal succession the Stray light signals taken and analyzed accordingly be so that they are in the correct local assignment Information about an almost currently measured Speed profile of those recorded with the arrangement Represents speed component. This is particularly suitable. the polygon prism, which is preferably divided by an even number and is set in rotation. The imaging Optics form the light trail of the scattered light, i.e. the Scattered light trail, through the polygon prism onto the Aperture device from. The aperture device can Have aperture or an optical fiber. Using the aperture is expediently a hole or Slit diaphragm used. Is the axis of rotation of the Polygon prisms outside the light trail, but vertical to her, the refractive power of the polygon prism causes whose rotation is a continuous displacement of the image the light trail within its own direction. If the Illustration of the light trail, for example, using an in its size adjusted aperture that runs in front of the Detector is arranged, only light from that reaches Part of the scattered light trace the optoelectronic detector, which from the respective rotation angles of the polygon prism geometrically assignable area of the scattered light trail. As a result, the optically detected area of the scattered light track periodically sampled and the scattered light signal over the optoelectronic detector as an electrical signal Frequency analysis fed. Instead of the aperture in front of the optoelectronic detector can also be the end face of a Optical fiber or a variety of individual Optical fibers can be provided by the with the Prism continuously offset image of the scattered light trace be charged. The optical fiber then guides that Scattered light to the optoelectronic detector, which is can then advantageously be located at a greater distance. It it goes without saying that instead of the polygon prism also others technical solutions in the area of the aperture device for the Scanning the scattered light track or the optical image are conceivable. For example, if the prism is missing a mechanically moving aperture in front of the optoelectronic Detector can be used or the mechanically moved End face of one or more optical fibers.

Die Erfindung wird anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen weiter beschrieben. Es zeigen:The invention is based on preferred Embodiments further described. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der im Stand der Technik bekannten Mehrstrahl-LDA, Fig. 1 is a schematic representation of prior art multi-beam LDA,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäß ausgebildeten Meßvolumens, Fig. 2 is a schematic representation of the invention designed according to the measuring volume,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Meßanordnung und Fig. 3 is a schematic representation of the measuring arrangement and

Fig. 4 das Prinzip eines Abtastvorganges einer Streulichtspur mit Hilfe eines Polygonprismas. Fig. 4 shows the principle of a scanning process of a scattered light track using a polygon prism.

In Fig. 1 ist die im Stand der Technik bekannte Mehrstrahl- LDA schematisch dargestellt. Zwei kohärente Lichtbündel 1 und 2 werden von einem hier nicht weiter dargestellten Laser und durch Strahlteilung erzeugt. Die Lichtbündel 1 und 2 bzw. deren Achsen 3 und 4 schließen einen spitzen Winkel 5 ein. In dem gemeinsamen Schnittbereich der beiden Lichtbündel 1 und 2, dem Meßvolumen 6, entsteht aufgrund der Kohärenz des Lichts der beiden Lichtbündel 1 und 2 und bei annähernd ebenen Wellenfronten durch Interferenz ein System von zueinander parallelen Interferenzflächen 7, welche in der Schnittebene der Fig. 1 als Interferenzstreifen 7 erscheinen. Ein optisch streuendes Partikel 8, welches sich durch das Meßvolumen 6 bewegt, wird durch die ruhenden Interferenzflächen 7 mit periodisch veränderlicher Lichtintensität beleuchtet und sendet ein entsprechend periodisch moduliertes Streulicht aus, welches durch einen intensitätsempfindlichen, hier nicht weiter dargestellten Detektor in beliebiger Raumposition empfangen wird und von diesem als elektrisches Signal einem Frequenzanalysator zur Messung der momentanen Frequenz zugeführt wird. Aus der gemessenen Frequenz des Streulichts ergibt sich die Geschwindigkeitskomponente des Partikels 8, welche auf den Interferenzflächen 7 senkrecht steht. Wird das Partikel 8 durch ein Strömungsfeld in Richtung eines Pfeils 9 mitgeführt, so beschreibt das Meßergebnis die momentane Geschwindigkeitskomponente im Bereich des Meßvolumens 6, soweit Schlupffreiheit des Partikels 8 gegenüber dem Strömungsfeld angenommen wird.The multi-beam LDA known in the prior art is shown schematically in FIG . Two coherent light beams 1 and 2 are generated by a laser (not shown further here) and by beam splitting. The light beams 1 and 2 or their axes 3 and 4 enclose an acute angle 5 . The joint intersection of the two light beams 1 and 2, the measuring volume 6, produced due to the coherence of the light of the two light beams 1 and 2 and at approximately planar wavefronts by interference of a system of parallel interference areas 7, which in the sectional plane of Fig. 1 appear as interference fringes 7 . An optically scattering particle 8 , which moves through the measuring volume 6 , is illuminated by the resting interference surfaces 7 with periodically variable light intensity and emits a corresponding periodically modulated scattered light, which is received in any position by an intensity-sensitive detector, not shown here, and from this is fed as an electrical signal to a frequency analyzer for measuring the instantaneous frequency. The velocity component of the particle 8 , which is perpendicular to the interference surfaces 7, results from the measured frequency of the scattered light. If the particle 8 is carried along by a flow field in the direction of an arrow 9 , the measurement result describes the instantaneous speed component in the area of the measurement volume 6 , provided that the particle 8 is assumed to be free of slip with respect to the flow field.

In Fig. 2 ist die Anordnung der Lichtbündel 1 und 2 entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren in schematisierter Form gezeigt. Der Winkel 5 zwischen den Lichtbündeln 1 und 2 ist auf 180° aufgeweitet. Dadurch sind die Lichtbündel 1 und 2 koaxial und gegeneinander ausgerichtet. Das Meßvolumen 6 wird auf eine Lichtspur 10 erweitert, also auf dem gemeinsamen Überdeckungsbereich der beiden Lichtbündel 1 und 2. Im Idealfall besitzt das Meßvolumen 6 die Geometrie der Lichtbündel 1 und 2 selbst. Die Interferenzflächen 7 sind senkrecht zu den Achsen 3 und 4 der Lichtbündel 1 und 2 ausgerichtet. Bewegt sich das Partikel 8 an beliebiger Stelle in dem in Längsrichtung stark aufgeweitetem Meßvolumen 6, so sendet es Streulicht aus, dessen Frequenz der an der Position des Partikels 8 momentan vorhandenen Geschwindigkeitskomponente entspricht, die senkrecht auf den Interferenzflächen 7 steht. Es wird also die Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Achsen 3 und 4 der Lichtbündel 1 und 2 gemessen. Geringfügige Abweichungen des Winkels 5 von 180° sind möglich und u. U. sogar zweckmäßig.In Fig. 2 the arrangement of the light beams 1 and 2 is shown according to the inventive method in a schematic form. The angle 5 between the light beams 1 and 2 is widened to 180 °. As a result, the light beams 1 and 2 are coaxial and aligned with one another. The measurement volume 6 is expanded to a light track 10 , that is to say on the common coverage area of the two light beams 1 and 2 . Ideally, the measuring volume 6 has the geometry of the light bundles 1 and 2 itself. The interference surfaces 7 are aligned perpendicular to the axes 3 and 4 of the light bundles 1 and 2 . If the particle 8 moves anywhere in the measuring volume 6 , which is greatly widened in the longitudinal direction, it emits scattered light, the frequency of which corresponds to the velocity component present at the position of the particle 8 , which is perpendicular to the interference surfaces 7 . The speed component in the direction of axes 3 and 4 of light beams 1 and 2 is therefore measured. Slight deviations of the angle 5 from 180 ° are possible and u. U. even useful.

In Fig. 3 ist die Meßanordnung dargestellt. Die beiden Lichtbündel 1 und 2, von denen hier nur deren Achsen 3 und 4 dargestellt sind, werden über zwei Spiegel 11 und 12 koaxial gegeneinander gerichtet und in ein durch die Pfeile 13 schematisch dargestelltes Strömungsfeld eingestrahlt. In dem Strömungsfeld werden die Partikel 8 mitgeführt. In den Strahlengang des Lichtbündels 1 ist eine geeignete Vorrichtung zur Erzeugung einer Frequenzänderung des Lichtbündels 1 vorgesehen, die beispielsweise eine optoakustische Braggzelle 14 aufweisen kann. Des weiteren sind in dem Strahlengang der Lichtbündel 1 und 2 optische Isolatoren 15 und 16 vorgesehen, die eine Rückführung des Lichts der Lichtbündel, vorzugsweise des Laserlichts, in den Laserresonator und damit verbundene Instabilitätserscheinungen des Laservorgangs vermeiden. Eine Optik 7 bildet eine Streulichtspur 18 auf eine Blendeneinrichtung 19 ab, die im hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Blende 20 ausgebildet ist. Zwischen der Optik 17 und der Blende 20 ist ein Polygonprisma 21 vorgesehen, welches im Sinne eines Pfeils 22 um eine Achse 23 rotiert. Das durch eine Öffnung 24 der Blende 20 hindurchtretende Streulicht der Streulichtspur 18 wird von einem Detektor 25 detektiert und als elektrisches Signal an entsprechende Geräte zur Weiterverarbeitung, wie sie in der LDA-Meßtechnik allgemein bekannt sind, weitergeleitet.In Fig. 3, the measuring arrangement is shown. The two light beams 1 and 2 , of which only their axes 3 and 4 are shown here, are directed coaxially against one another via two mirrors 11 and 12 and are radiated into a flow field schematically represented by the arrows 13 . The particles 8 are carried along in the flow field. In the beam path of the light bundle 1 , a suitable device for generating a frequency change of the light bundle 1 is provided, which can have an optoacoustic Bragg cell 14 , for example. Furthermore, optical isolators 15 and 16 are provided in the beam path of the light bundles 1 and 2 , which prevent the light from the light bundles, preferably the laser light, from being returned to the laser resonator and the associated instability of the laser process. An optical system 7 forms a scattered light trace 18 on a diaphragm device 19 , which is designed as a diaphragm 20 in the exemplary embodiment shown here. A polygon prism 21 is provided between the optics 17 and the diaphragm 20 and rotates about an axis 23 in the direction of an arrow 22 . The scattered light of the scattered light trail 18 passing through an opening 24 of the diaphragm 20 is detected by a detector 25 and passed on as an electrical signal to corresponding devices for further processing, as are generally known in LDA measurement technology.

Die Funktionsweise ist wie folgt: Es sei angenommen, daß die Strömung in Richtung der Pfeile 13 eine Komponente in Richtung eines Pfeils 26 besitzt. Die mit der Strömung mitgenommenen Partikel 8 gelangen in den gemeinsamen Überdeckungsbereich der beiden Lichtbündel 1 und 2, also in das Meßvolumen 6. Sie bewegen sich dort in Richtung des Pfeils 26, durchkreuzen also die Interferenzflächen 7 (siehe Fig. 2). Das von den Partikeln 8 ausgesandte Streulicht erscheint als eine Streulichtspur 18, die von der Optik 17 auf die Blende 20 abgebildet wird. Auf der Blende 20 entsteht also eine Abbildung 27 der Streulichtspur 18. Das Polygonprisma 21, welches in dem Abbildungsstrahlengang der Streulichtspur 18 vor oder hinter der Optik 17 und vor der Blende 20 angeordnet ist und um die Achse 23 in Richtung des Pfeils 22 rotiert, bewirkt eine Verschiebung der Abbildung 27 in Richtung eines Pfeils 28. Die Streulichtspur 18 wird somit in schneller Folge nacheinander durch die Öffnung 24 der Blende 20 vom Detektor 25 abgetastet. Dabei entspricht jeder Drehwinkel des Polygonprismas 21 einer bestimmten geometrischen Position auf der Streulichtspur 18. Durch die ruhende Anordnung der Streulichtspur 18 und mit der drehenden Bewegung des Polgonprismas 21 können auf einfache Weise große Abtastraten erzielt werden, es können also viele Geschwindigkeitsprofile pro Zeiteinheit gemessen werden. Dabei sind mehr als 1000 Geschwindigkeitsprofile/sec durchaus möglich. Die Anzahl der Geschwindigkeitsprofile pro Sekunde ist dabei von der Drehzahl des Polygonprismas 21 wie auch von dessen Flächenteilung abhängig. Das bei dem im Stand der Technik bekannten Verfahren aufgrund bewegter Übertragungsoptiken bekannte Signalrauschen ist hier auf ein Minimum reduziert, wodurch die Messung wesentlich vereinfacht wird. Als weiterer Vorteil ist zu nennen, daß die gesamte Empfangseinrichtung weitgehend frei und problemlos außerhalb des Strömungsfeldes positioniert werden kann, so daß die Strömung nicht gestört wird. Durch die Anordnung der Braggzelle 14 in den Strahlengang des Lichtbündels 1 führen die Interferenzflächen 7 eine translatorische Bewegung durch, so daß von der ermittelten Geschwindigkeitskomponente auch das Vorzeichen bestimmt werden kann.The mode of operation is as follows: It is assumed that the flow in the direction of the arrows 13 has a component in the direction of an arrow 26 . The particles 8 entrained with the flow reach the common coverage area of the two light beams 1 and 2 , that is to say into the measuring volume 6 . They move there in the direction of arrow 26 , thus crossing the interference surfaces 7 (see FIG. 2). The scattered light emitted by the particles 8 appears as a scattered light track 18 which is imaged on the diaphragm 20 by the optics 17 . An image 27 of the scattered light trace 18 thus arises on the aperture 20 . The polygon prism 21 , which is arranged in the imaging beam path of the scattered light track 18 in front of or behind the optics 17 and in front of the diaphragm 20 and rotates about the axis 23 in the direction of the arrow 22 , causes a shift in the illustration 27 in the direction of an arrow 28 . The scattered light trace 18 is thus scanned in rapid succession through the opening 24 of the diaphragm 20 by the detector 25 . Each angle of rotation of the polygon prism 21 corresponds to a specific geometric position on the scattered light track 18 . Due to the stationary arrangement of the scattered light track 18 and with the rotating movement of the Polgon prism 21 , large sampling rates can be achieved in a simple manner, that is to say that many speed profiles can be measured per unit of time. Here, more than 1000 speed profiles / sec are quite possible. The number of speed profiles per second is dependent on the speed of the polygon prism 21 as well as on its surface division. The signal noise known in the prior art due to moving transmission optics is reduced here to a minimum, which considerably simplifies the measurement. Another advantage is that the entire receiving device can be positioned largely freely and easily outside the flow field, so that the flow is not disturbed. The arrangement of the Bragg cell 14 in the beam path of the light beam 1 causes the interference surfaces 7 to perform a translatory movement, so that the sign can also be determined from the determined speed component.

Fig. 4 zeigt nochmals den Abtastvorgang mit Hilfe des Polygonprismas 21 und unter Betrachtung nur jeweils eines von verschiedenen Punkten der Streulichtspur 18 ausgehenden Streulichtstrahls. Die Drehung des Polygonprismas 21 im Sinne des Pfeils 22 bewirkt durch dessen optische Brechung eine veränderliche geometrische Zuordnung der Streulicht emittierenden Punkte entlang der Streulichtspur 18 zur Blende 20. FIG. 4 again shows the scanning process using the polygon prism 21 and considering only one scattered light beam emanating from different points of the scattered light track 18 . The rotation of the polygon prism 21 in the direction of the arrow 22 , due to its optical refraction, causes a variable geometric assignment of the points emitting scattered light along the scattered light track 18 to the diaphragm 20 .

BezugszeichenlisteReference symbol list

1 Lichtbündel
2 Lichtbündel
3 Achse
4 Achse
5 Winkel
6 Meßvolumen
7 Interferenzflächen
8 Partikel
9 Pfeil
10 Lichtspur
11 Spiegel
12 Spiegel
13 Pfeil
14 Braggzelle
15 optischer Isolator
16 optischer Isolator
17 Optik
18 Streulichtspur
19 Blendeneinrichtung
20 Blende
21 Polygonprisma
22 Pfeil
23 Achse
24 Öffnung
25 Detektor
26 Pfeil
27 Abbildung
28 Pfeil 1 light beam
2 light beams
3 axis
4 axis
5 angles
6 measuring volume
7 interference surfaces
8 particles
9 arrow
10 light trail
11 mirrors
12 mirrors
13 arrow
14 Bragg cell
15 optical isolator
16 optical isolator
17 optics
18 scattered light trail
19 aperture device
20 aperture
21 polygon prism
22 arrow
23 axis
24 opening
25 detector
26 arrow
27 Figure
28 arrow

Claims

1. A method for the rapid measurement of a local speed component of a flow field in particular, in which two coherent light beams are superimposed in order to generate interference surfaces in an optically defined measurement volume and in which the speed component of the flow field to be measured is perpendicular to the bisector of the angle formed by the coherent light beams Angle is determined by evaluating the frequency of a scattered light emitted by particles in the measurement volume, characterized in that the measurement volume ( 6 ) is expanded to form a light track ( 10 ), and that the frequencies of several within the expanded measurement volume ( 6 ) moving particles ( 8 ) emitted scattered light to determine their respective speed components at different locations at the same time and / or in rapid succession.

2. The method according to claim 1, characterized in that the angle ( 5 ) between the two coherent light beams ( 1 , 2 ) is set to near or equal to 180 °.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the light frequency of the two coherent light beams ( 1 , 2 ) is chosen differently, so that the interference surfaces ( 7 ) perform a translational movement.

4. The method according to one or more of claims 1-3, characterized in that the light track ( 10 ) is scanned in the form of a dot sequence in a continuous sequence.

5. Device for carrying out the method according to claims 1-4 with a light source emitting a coherent light beam, which is split by a beam splitter into two superimposed coherent light beams and with a scattered light from particles moving in a measurement volume formed by the two coherent light beams Optics receiving and forwarding to a detection device, characterized in that the two coherent light beams ( 1 , 2 ) are arranged at an angle ( 5 ) of greater than 90 °, and in that the detection device is arranged and designed such that it detects the scattered light of several at different locations in the measuring volume ( 6 ) of moving particles ( 8 ) simultaneously and / or in rapid succession receives and forwards them.

6. The device according to claim 5, characterized in that one or more optoacoustic Bragg cells ( 14 ) or other technical means for optical frequency shifting are provided in at least one of the two coherent light beams ( 1 , 2 ).

7. Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the detection device comprises an optoelectronic detector (25), and that the detector (25) in successive times the stray light from at different locations in the measuring volume particles located (6) (8 ) leading optical evaluation unit is provided.

8. The device according to claim 7, characterized in that the optical evaluation unit has a rotating or oscillating mirror or a rotating polygon prism ( 21 ) made of an optically refractive material that the axis of rotation ( 23 ) of the polygon prism ( 21 ) approximately or equally perpendicular to one light track ( 10 ) formed by the light bundles ( 1 , 2 ) is arranged so that a diaphragm device ( 19 ) is provided in front of the detector ( 25 ) and that the light track ( 10 ) through the polygon prism ( 21 ) onto the diaphragm device ( 19 ) imaging optics ( 17 ) is provided.

9. The device according to claim 8, characterized in that the diaphragm device ( 19 ) has a diaphragm ( 20 ) or an optical waveguide.

10. The device according to one or more of claims 5-9, characterized in that optical isolators ( 15 ) are arranged on both sides of the measuring volume ( 6 ) in the beam paths of the coherent light bundles ( 1 , 2 ).