DE10012228C1 - Gas flow velocity measuring method uses laser beam for optical detection of propagation time of sound waves directed along given length of measurement path - Google Patents
Gas flow velocity measuring method uses laser beam for optical detection of propagation time of sound waves directed along given length of measurement pathInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines gasförmigen Mediums nach den Ober begriffen der Ansprüche 1 bzw. 4.The invention relates to a method and an apparatus for determining the flow velocity of a gaseous medium according to the upper understanding of claims 1 and 4, respectively.
Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von gasförmigen Medien - worunter hier reine Gase als auch Gasgemische zu verstehen sind - in Leitungen wie Rohren oder Kanälen sind unterschiedliche mechanische Meßeinrichtungen bekannt. Hierzu werden beispielsweise Differenzdruckmessungen oder die Messung von Umdrehungen von Impeller-Turbinen od. dgl. verwendet. Derartige Meßeinrichtungen sind jedoch einerseits träge und besitzen andererseits nur ein geringes Auflösungsvermögen.For measuring the flow rate of gaseous media - which includes pure gases as well as gas mixtures - in pipes such as pipes or channels are different mechanical measuring devices known. For example, differential pressure measurements or the Measurement of revolutions of impeller turbines or the like used. Such Measuring devices are sluggish on the one hand and have only one on the other low resolution.
Zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten von gasförmigen Medien sind auch Ultraschall-Meßeinrichtungen bekannt, die jedoch relativ teuer und platzaufwendig sind. Abgesehen davon beschränken die mechanischen Eigenschaften der verwendeten Transceiver die Flankensteilheit der zur Laufzeitmessung des Ultraschallsignals im strömenden Gas dienenden Signale. Dies zwingt zu statistischen Auswerteverfahren unter Zuhilfenahme von sogenannten Chirpsignalen. Dies kompliziert die Meßeinrichtung und erhöht den Aufwand hierfür.For measuring flow velocities of gaseous media Ultrasonic measuring devices are also known, but they are relatively expensive and are space-consuming. Apart from that, limit the mechanical Properties of the transceivers used the slope of the Transit time measurement of the ultrasonic signal in the flowing gas serving signals. This forces statistical evaluation procedures with the help of so-called chirp signals. This complicates the measuring device and increases the Effort for this.
Aus DE 195 48 882 A1 und DE 195 49 527 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung und zum Empfang von kurzen deltaförmigen Schallsignalen bekannt, die zur Messung der mittleren Geschwindigkeit eines flüssigen oder gasförmigen Mediums verwendet werden kann. Dazu wird die Laufzeit einer solchen Schallwelle über den bekannten Abstand zwischen Sender und Empfänger gemessen und in Relation zur Lage des Senders und des Empfängers bezüglich des strömenden Mediums gesetzt. Der Schallempfänger ist so ausgestaltet, daß die einlaufende Schallwelle durch eine Beeinflussung einer elektrischen Glimmentladung zwischen einer Kathode und einer Anode detektiert wird. Diese Art der mittelbaren Detektion der Schallwelle ist stark von den elektrischen Eigenschaften des die Kathode und die Anode umgebenden, strömenden Mediums abhängig. Die Anzahl und die Verteilungsdichte der Ladungsträger bestimmen die Verhältnisse der Glimmentladung in wesentlicher Weise, wobei die Meßgenauigkeit aufgrund einer zu geringen Anzahl bzw. inhomogen verteilter Ladungsträger im strömenden Medium eingeschränkt ist. Beispielsweise würde dies bei trockenen oder einen sehr kleinen elektrischen Leitwert aufweisenden Gasen nur schlecht funktionieren. Dem wird dadurch Rechnung getragen, daß ein zusätzliches Spülgas verwendet werden kann, was allerdings mit einem erheblichen zusätzlichen technischen Aufwand verbunden ist.DE 195 48 882 A1 and DE 195 49 527 A1 describe a device for Generation and reception of short delta-shaped sound signals, which is used to measure the average velocity of a liquid or gaseous Medium can be used. This is the duration of such Sound wave over the known distance between transmitter and receiver measured and in relation to the position of the transmitter and the receiver with respect of the flowing medium. The sound receiver is designed so that the incoming sound wave by influencing an electrical Glow discharge between a cathode and an anode is detected. This Type of indirect detection of the sound wave is strong from the electrical Properties of the flowing, surrounding the cathode and the anode Medium dependent. The number and distribution density of the charge carriers essentially determine the conditions of the glow discharge, the Measuring accuracy due to a too small number or inhomogeneously distributed Charge carriers in the flowing medium is restricted. For example, would this with dry or with a very low electrical conductivity Gases work poorly. This is taken into account by the fact that a additional purge gas can be used, but with a considerable additional technical effort is connected.
Aus DE 198 29 940 A1 ist es bekannt, eine Messung der räumlichen und zeitlichen Entwicklung einer laserinduzierten Anregung in Flüssigkeiten und Gasen vorzunehmen. Mittels eines scharf fokussierten Laserpulses wird ein gasförmiges oder flüssiges Medium lokal angeregt, wobei Moleküle kurzzeitig in metastabilen Zuständen verbleiben. Mit einem nach einer einstellbaren Zeit ausgesandten zweiten Laserpuls werden diese metastabilen Zustände ortsaufgelöst abgefragt, wobei der abfragende Laserpuls selektiv nur die metastabilen Zustände anregt, wobei die räumliche Verschiebung gemessen wird.From DE 198 29 940 A1 it is known to measure the spatial and temporal development of a laser-induced excitation in liquids and gases to make. A sharply focused laser pulse turns a gaseous one or locally excited liquid medium, with molecules briefly in metastable Conditions remain. With an emitted after an adjustable time second laser pulse, these metastable states are queried in a spatially resolved manner, the interrogating laser pulse selectively only stimulates the metastable states, where the spatial shift is measured.
Aus DE 41 30 526 C2 ist ein Laser-Flugzeit-Anemometer zur quasipunktförmigen Ermittlung von Strömungskenngrößen in optisch transparenten Medien durch Messung der Flugzeit einzelner, in der Strömung enthaltener optisch erfaßbarer Teilchen bekannt. Dies ist in optisch opaken Medien verwendbar. In reinen Gasen, die keine optisch erfaßbaren Teilchen aufweisen, sind Fremdpartikel (Tracer) zur Ermittlung der Strömungskenngrößen erforderlich, wobei die Partikeldichte geeignet gewählt werden muß.A laser time-of-flight anemometer is known from DE 41 30 526 C2 quasi-point-like determination of flow parameters in optical transparent media by measuring the flight time of individual, in the flow contained optically detectable particles known. This is optically opaque Media can be used. In pure gases that have no optically detectable particles have foreign particles (tracers) to determine the flow parameters required, the particle density must be chosen appropriately.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 4 dahingehend zu verbessern, daß eine präzisere Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases in einer Leitung bei relativ geringem konstruktiven und meßtechnischen Aufwand ermöglicht ist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen der Ansprüche 1 und 4 gelöst.The object of the invention is therefore a method and a device according to the preambles of claims 1 and 4 to improve in that a more precise determination of the flow velocity of a gas in a Management with relatively little design and measurement effort is possible. This task is characterized by the characteristics of the Claims 1 and 4 solved.
Dadurch, daß ein Funkenüberschlag zur Erzeugung einer Schockwelle als Schallsignal in einem strömenden, naturgemäß nichtexplosiven gasförmigen Medium erzeugt wird, kann auf eine mechanische Erzeugung eines Schallsignals verzichtet werden. Dabei ist die Dauer des Funkenüberschlags, die die Flankensteilheit bestimmt, äußerst gering und liegt beispielsweise bei einer Funkenstrecke von 0,3 mm noch unter 10 ns. Die infolge des Funkenüberschlags durch Erwärmung der Luft erzeugte Schockwelle besteht dann aus einem einzelnen Wellenzug, der sich wegen der geringen Ausdehnung der Quelle, d. h. der Funkenstrecke, nahezu wie eine ideale Kugelwelle ausbreitet. Die Flankensteilheit dieser Schockwelle liegt dabei in der Größenordnung von 1 ns/mbar.The fact that a sparkover to generate a shock wave as Sound signal in a flowing, naturally non-explosive gaseous Medium generated can be based on the mechanical generation of a sound signal to be dispensed with. The duration of the sparkover is the Edge steepness determined, extremely low and is, for example, at Spark gap of 0.3 mm still under 10 ns. The result of the flashover shock wave generated by heating the air then consists of a single wave train, which is due to the small extent of the source, d. H. the spark gap, spreading almost like an ideal spherical wave. The The slope of this shock wave is of the order of 1 ns / mbar.
Die akustische Grenzfrequenz liegt im Bereich von mehreren MHz, weshalb die Laufzeit der Schockwelle von der Funkenstrecke über eine vorbestimmte Meßstrecke optisch detektiert wird. Hierzu wird die veränderte Dichte des gasförmigen Mediums in der Front der Schockwelle zur Erzeugung eines optisch detektierten Signals genutzt. Als Stopsignal für die Laufzeitmessung dient das optisch festgestellte Erreichen einer optischen Abtaststrecke durch die Schockwelle, etwa die entsprechende Veränderung des Stroms eines Photodetektors der optischen Abtaststrecke. Entsprechend dem Auslösen des Funkenüberschlags wird die Laufzeitmessung getriggert. Dies kann insbesondere durch eine mit dem Funkenüberschlag verbundene elektromagnetische Störung geschehen.The acoustic limit frequency is in the range of several MHz, which is why the transit time of the shock wave from the spark gap over a predetermined Measuring section is optically detected. For this the changed density of the gaseous medium in the front of the shock wave to generate an optical detected signal used. This serves as a stop signal for the runtime measurement optically determined reaching an optical scanning distance through the Shock wave, such as the corresponding change in the current of a Optical detector photodetector. According to the triggering of the Sparkover is triggered the runtime measurement. In particular, this can due to an electromagnetic interference associated with the flashover happen.
Indem vorzugsweise die Laufzeit der Schockwelle sowohl in als entgegen der Strömungsrichtung des Gases gemessen wird, können Einflüsse von Temperatur, Feuchte und Druck eliminiert werden.By preferably the duration of the shock wave both in and against the direction of flow of the gas is measured, influences of Temperature, humidity and pressure can be eliminated.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.Further refinements of the invention are as follows Description and the dependent claims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is described below with reference to the accompanying figures Illustrated embodiments illustrated in more detail.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines gasförmigen Mediums. Fig. 1 shows a device for determining the flow velocity shows schematically a gaseous medium.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Auswerteeinheit für die Vorrichtung von Fig. 1. FIG. 2 schematically shows an evaluation unit for the device from FIG. 1.
Fig. 3 zeigt den detektierten Spannungsverlauf einer Zweifeld-Photodiode der Auswerteeinheit von Fig. 2. Fig. 3 shows the detected voltage waveform of a two-field photodiode of the evaluation unit of FIG. 2.
Fig. 4 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines gasförmigen Mediums in einem Rohr. Fig. 4 shows a device for determining the flow velocity shows schematically a gaseous medium in a tube.
Wie in Fig. 1 dargestellt, umfaßt die Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases eine im Strömungsweg des Gases befindliche Meßstrecke M einer Länge L zwischen einer Abtaststrecke A, die sich zwischen einer Laserdiode 1 und einer Photodiodenanordnung 2, die mit einer Auswerteeinheit 3 verbunden ist, erstreckt, und einer Einrichtung 4 zur Erzeugung eines Funkenüberschlags, die beispielsweise eine Gleichstromquelle 5, ein RC- Glied 6 und zwei in geringem Abstand zueinander im Strömungsweg des Gases angeordnete, zwischen sich eine Funkenüberschlagsstrecke 7 bildende Elektroden 8 umfaßt, wobei die Funkenüberschlagsstrecke 7 zweckmäßigerweise im wesentlichen parallel zur Abtaststrecke A verläuft.As shown in Fig. 1, the device for determining the flow velocity of a gas comprises a measuring path M in the gas flow path of a length L between a scanning path A, which is between a laser diode 1 and a photodiode arrangement 2 , which is connected to an evaluation unit 3 , extends, and a device 4 for generating a flashover, which includes, for example, a direct current source 5 , an RC element 6 and two electrodes 8 arranged at a short distance from one another in the flow path of the gas and forming a sparkover gap 7 , the sparkover gap 7 expediently runs essentially parallel to the scanning distance A.
Durch entsprechendes Triggern der Einrichtung 4 wird ein Funkenüberschlag zwischen den Elektroden 8 ausgelöst, der eine Schockwelle hervorruft, die sich im wesentlichen mit Schallgeschwindigkeit in dem strömenden Gas ausbreitet. Die Dauer des die Flankensteilheit bestimmenden Funkenüberschlags ist äußerst gering und liegt im Bereich von Nanosekunden. Appropriate triggering of the device 4 triggers a sparkover between the electrodes 8 , which causes a shock wave which propagates in the flowing gas essentially at the speed of sound. The duration of the sparkover that determines the slope is extremely short and is in the range of nanoseconds.
Bei einer typischen Funkenüberschlagsstrecke 7 von 0,3 mm liegt die Flankensteilheit noch unter 10 ns. Die durch Erwärmung des Gases erzeugte Schockwelle besteht aus einem einzigen Wellenzug, der sich wegen der geringen Ausdehnung der Funkenüberschlagsstrecke 7, die praktisch als punktförmig betrachtet werden kann, nahezu wie eine ideale Kugelwelle ausbreitet.With a typical sparkover gap 7 of 0.3 mm, the slope is less than 10 ns. The shock wave generated by the heating of the gas consists of a single wave train which, due to the small extent of the sparkover gap 7 , which can practically be viewed as a point, spreads almost like an ideal spherical wave.
Durch die optische Detektion mittels des Laserstrahls der Laserdiode 1 und der hierauf ansprechenden Photodiodeneinrichtung 2 läßt sich die veränderte Dichte in der Front der Schockwelle zur Geschwindigkeitsmessung ausnutzen. Hierbei wird die Laufzeit gemessen, die mit dem Triggern der Einrichtung 3 beginnt und mit dem Erreichen der Abtaststrecke A durch die Schockwelle endet. Das entsprechende Stopsignal ergibt sich aus der zeitlichen Veränderung des Stromes bzw. der Spannung an der Photodiodenanordnung 2, während als Startsignal eine mit dem Funkenüberschlag verbundene elektromagnetische Störung verwendet werden kann.The changed density in the front of the shock wave can be used for speed measurement by the optical detection by means of the laser beam of the laser diode 1 and the photodiode device 2 which responds to it. In this case, the transit time is measured, which begins with the triggering of the device 3 and ends when the shock path A is reached by the shock wave. The corresponding stop signal results from the temporal change in the current or voltage at the photodiode arrangement 2 , while an electromagnetic interference associated with the sparkover can be used as the start signal.
Hierbei läßt sich eine Photodiodenanordnung 2 mit einer Photodiode verwenden, jedoch wird eine solche mit zwei Photodioden 9a, 9b, insbesondere in Form einer Zweifeld-Photodiode, wegen der dadurch erzielbaren genaueren Zeitmessung bevorzugt, wobei der Laserstrahl der Laserdiode 1 vorteilhaft auf die Trennlinie zwischen den beiden lichtempfindlichen Feldern der Zweifeld- Photodiode fokussiert ist.Here, a photodiode arrangement 2 with a photodiode can be used, but one with two photodiodes 9 a, 9 b, in particular in the form of a two-field photodiode, is preferred because of the more accurate time measurement that can be achieved thereby, the laser beam of the laser diode 1 advantageously being on the dividing line is focused between the two light-sensitive fields of the two-field photodiode.
Gemäß Fig. 2 sind die beiden Felder einer Zweifeld-Photodiode über Kondensatoren 10 mit des Auswerteschaltung 3, und zwar mit einem Subtrahierer 11 hiervon, der über weitere Schaltkreise (Analog/Digital-Wandler etc.) mit einem Mikroprozessor gekoppelt ist, verbunden.Referring to FIG. 2, the two fields of a two field-photodiode via capacitors 10 with the evaluation circuit 3, with a subtracter 11 thereof coupled via further circuitry (analog / digital converters, etc.) with a microprocessor connected.
Durch Verwendung der Zweifeld-Photodiode mit Fokussierung des Laserstrahls auf die Trennlinien der beiden Felder der Zweifeld-Photodiode ist man in der Lage, dem schnellen Anstieg der Photospannung zu folgen, wobei das Differenzsignal der beiden Felder ausgewertet wird. Hierbei ergibt sich ein Signal, wie es in Fig. 3 beispielhaft wiedergegeben ist. Dieses umfaßt eine positive und eine negative Halbwelle, wodurch es möglich ist, exakt einen Nulldurchgang zu detektieren. Hystereseprobleme werden hierdurch minimiert.By using the two-field photodiode with focusing the laser beam on the dividing lines of the two fields of the two-field photodiode, one is able to follow the rapid rise in the photo voltage, the difference signal of the two fields being evaluated. This results in a signal as shown in FIG. 3 by way of example. This includes a positive and a negative half wave, which makes it possible to detect exactly one zero crossing. This minimizes hysteresis problems.
Photodioden, die zweckmäßigerweise hier verwendet werden, besitzen minimale Anstiegszeiten von einigen Nanosekunden, so daß die zeitliche Auflösung der Ankunft der Schockwelle an der Abtaststrecke A nur noch durch die Form der Schockwelle selbst bestimmt wird. Wie sich experimentell ergeben hat, haben die Flanken der Schockwellen eine Gesamtanstiegszeit unter 100 ns. Daher kann der Zeitpunkt des Nulldurchgangs mit hervorragender Reproduzierbarkeit bis auf wenige Nanosekunden genau bestimmt werden. Die resultierende Auflösung der Strömungsgeschwindigkeit beträgt selbst bei einer sehr kurzen Meßstreckenlänge von 3 cm noch ±3 mm/s.Have photodiodes that are conveniently used here minimal rise times of a few nanoseconds, so that the temporal Resolution of the arrival of the shock wave on the scanning path A only by the Shape of the shock wave itself is determined. As has been shown experimentally, the edges of the shock waves have a total rise time of less than 100 ns. Therefore, the time of zero crossing can be excellent Reproducibility can be determined down to a few nanoseconds. The resulting resolution of the flow rate is even at one very short measuring path length of 3 cm still ± 3 mm / s.
Unter der Bedingung einer laminaren eindimensionalen Strömung
(Rohrströmung) errechnet sich die Strömungsgeschwindigkeit u aus der Laufzeit T
der Schockwelle über die Meßstrecke M der Länge L bis zur Abtaststrecke A. Da
sich die Schockwelle mit Schallgeschwindigkeit c in dem strömenden gasförmigen
Medium ausbreitet, errechnet sich die Signalgeschwindigkeit zu
Under the condition of a laminar one-dimensional flow (pipe flow), the flow velocity u is calculated from the transit time T of the shock wave over the measuring distance M of length L up to the scanning distance A. Since the shock wave propagates at the speed of sound c in the flowing gaseous medium, it is calculated Signal speed too
VSignal = c + u = L/T.V signal = c + u = L / T.
Da sich die Schockwelle wegen der geringen Ausdehnung der
Funkenüberschlagstrecke 7 praktisch kugelförmig ausbreitet, kann man in genau
entgegengesetzter Richtung an einem zweiten Paar bestehend aus einer
Laserdiode 1 und einer Photodiodenanordnung 2, das eine zweite Meßstrecke M'
einer Länge L' darstellt, eine Laufzeit T' messen, wobei analog gilt:
Since the shock wave spreads practically spherically due to the small extent of the spark flashover section 7 , a transit time T can be set in exactly the opposite direction on a second pair consisting of a laser diode 1 and a photodiode arrangement 2 , which represents a second measuring section M 'of a length L''' measure, whereby the following applies analogously:
V'Signal = c - u -= L'/T'.V ' signal = c - u - = L' / T '.
Durch Subtraktion der letzten Gleichung von der vorherigen ergibt sich für die
Strömungsgeschwindigkeit:
Subtracting the last equation from the previous equation gives the flow velocity:
VSignal - V'Signal = -2u.V signal - V ' signal = -2u.
Die Schallgeschwindigkeit läßt sich zusätzlich aus der Addition der beiden
Gleichungen berechnen:
The speed of sound can also be calculated from the addition of the two equations:
VSignal + V'Signal = 2c.
V signal + V ' signal = 2c.
Da die Schallgeschwindigkeit in erster Näherung von der Temperatur des
gasförmigen Mediums bestimmt wird, kann damit auch die Temperatur des
strömenden Mediums mit κ = cp/cv und der universellen Gaskonstanten R
abgeschätzt werden zu:
Since the speed of sound is determined in a first approximation by the temperature of the gaseous medium, the temperature of the flowing medium can also be estimated with κ = c p / c v and the universal gas constant R to:
T = c2/(κ . R).T = c 2 / (κ. R).
In einer tatsächlichen Meßanordnung, wie sie beispielsweise in Fig. 4 für eine Meßanordnung in einem kurzen Rohrstück 12 dargestellt ist, ist jedoch normalerweise eine Detektion der Schockwelle unter genau 0° und 180° kaum zu realisieren. Die Strömungsgeschwindigkeit u ist dann entsprechend den geometrischen Randbedingungen umzurechnen.In an actual measuring arrangement, as is shown, for example, in FIG. 4 for a measuring arrangement in a short pipe section 12 , it is normally hardly possible to detect the shock wave at exactly 0 ° and 180 °. The flow velocity u is then to be converted according to the geometric boundary conditions.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |