[go: up one dir, main page]

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 path

Info

Publication number
DE10012228C1
DE10012228C1 DE2000112228 DE10012228A DE10012228C1 DE 10012228 C1 DE10012228 C1 DE 10012228C1 DE 2000112228 DE2000112228 DE 2000112228 DE 10012228 A DE10012228 A DE 10012228A DE 10012228 C1 DE10012228 C1 DE 10012228C1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
path
sparkover
shock wave
flow velocity
gas flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE2000112228
Other languages
German (de)
Inventor
Bernhard Puttke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IGL INGENIEUR GEMEINSCHAFT LUF
Original Assignee
IGL INGENIEUR GEMEINSCHAFT LUF
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IGL INGENIEUR GEMEINSCHAFT LUF filed Critical IGL INGENIEUR GEMEINSCHAFT LUF
Priority to DE2000112228 priority Critical patent/DE10012228C1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE10012228C1 publication Critical patent/DE10012228C1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G01P5/245Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by measuring transit time of acoustical waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Gas flow velocity is measured using a sound signal supplied to the gas flow as a shock wave generated by arcing, with measurement of the propagation time of the sound signal along a measuring path (M) of defined length (L) using a laser beam directed between a laser diode (1) and a photodiode (2). An Independent claim for a gas flow velocity measuring device is also included.

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.

Claims (8)

1. Verfahren zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines gasförmigen Mediums in einer Leitung (12), wobei ein Schallsignal in Form einer durch Funkenüberschlag erzeugten Schockwelle in das strömende Medium emittiert und deren Laufzeit über eine Meßstrecke (M) vorbestimmter Länge (L) detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufzeitende der Schockwelle über einen längs einer die Meßstrecke (M) begrenzenden Abtaststrecke (A) verlaufenden Laserstrahl photodetektiert wird.1. A method for determining the flow rate of a gaseous medium in a line ( 12 ), wherein a sound signal in the form of a shock wave generated by sparkover is emitted into the flowing medium and the transit time of which is detected over a measuring path (M) of predetermined length (L), thereby characterized in that the transit time end of the shock wave is photodetected via a laser beam running along a scanning path (A) delimiting the measuring path (M). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit der Schockwelle sowohl in als entgegen der Strömungsrichtung gemessen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the Running time of the shock wave both in and against the flow direction is measured. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Startsignal für die Laufzeitmessung eine mit dem Funkenüberschlag verbundene elektromagnetische Störung verwendet wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that as Start signal for the runtime measurement one connected to the sparkover electromagnetic interference is used. 4. Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines gasförmigen Mediums in einer Leitung (12), wobei die Vorrichtung eine eine Funkenüberschlagsstrecke (7) zum Emittieren eines Schallsignals in Form einer Schockwelle in das strömende Medium umfassende Einrichtung (4) und eine Einrichtung zum Bestimmen der Laufzeit des Schallsignals über eine Meßstrecke (M), an deren Enden die Funkenüberschlagsstrecke (7) und eine Abtaststrecke (A) angeordnet sind, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtaststrecke (A) einen Laser (1) und eine Photodetektoranordnung (2) umfaßt, die zur optischen Detektion des Schallsignals ausgestaltet sind.4. A device for determining the flow rate of a gaseous medium in a line ( 12 ), the device comprising a device ( 4 ) and a device for determining the transit time, a sparkover path ( 7 ) for emitting a sound signal in the form of a shock wave into the flowing medium of the sound signal over a measuring path (M), at the ends of which the sparkover path ( 7 ) and a scanning path (A) are arranged, characterized in that the scanning path (A) comprises a laser ( 1 ) and a photodetector arrangement ( 2 ), which are designed for optical detection of the sound signal. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Abtaststrecke (A) im wesentlichen senkrecht zur Meßstrecke (M) für die Laufzeit angeordnet ist. 5. The device according to claim 4, characterized in that the optical scanning path (A) substantially perpendicular to the measuring path (M) for the Term is arranged.   6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei optische Abtaststrecken (A) in Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums vor und hinter der Funkenüberschlagsstrecke (7) angeordnet sind.6. Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that two optical scanning sections (A) are arranged in the flow direction of the gaseous medium in front of and behind the flashover section ( 7 ). 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodetektoranordnung (2) eine Zweifeld-Photodiode umfaßt, wobei insbesondere der Laser (1) auf deren Trennlinie zwischen ihren beiden lichtempfindlichen Feldern fokussiert ist.7. Device according to one of claims 4 to 6, characterized in that the photodetector arrangement ( 2 ) comprises a two-field photodiode, the laser ( 1 ) in particular being focused on the dividing line between its two light-sensitive fields. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Bestimmen der Laufzeit durch eine mit dem Funkenüberschlag verbundene elektromagnetische Störung triggerbar ist.8. Device according to one of claims 4 to 7, characterized characterized in that the means for determining the term by a the electromagnetic interference associated with the sparkover is triggerable.
DE2000112228 2000-03-14 2000-03-14 Gas flow velocity measuring method uses laser beam for optical detection of propagation time of sound waves directed along given length of measurement path Expired - Fee Related DE10012228C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2000112228 DE10012228C1 (en) 2000-03-14 2000-03-14 Gas flow velocity measuring method uses laser beam for optical detection of propagation time of sound waves directed along given length of measurement path

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2000112228 DE10012228C1 (en) 2000-03-14 2000-03-14 Gas flow velocity measuring method uses laser beam for optical detection of propagation time of sound waves directed along given length of measurement path

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE10012228C1 true DE10012228C1 (en) 2001-09-27

Family

ID=7634573

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE2000112228 Expired - Fee Related DE10012228C1 (en) 2000-03-14 2000-03-14 Gas flow velocity measuring method uses laser beam for optical detection of propagation time of sound waves directed along given length of measurement path

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE10012228C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4130526C2 (en) * 1991-09-13 1996-09-26 Rainer Dr Kramer Laser time-of-flight anemometer
DE19548882A1 (en) * 1995-12-29 1997-07-03 Peus Systems Gmbh Apparatus for generating or receiving very short sound pulses
DE19829940A1 (en) * 1998-07-04 2000-01-05 Martin Naegele Method and arrangement for measuring the spatial and temporal development of a laser-induced excitation in liquids / gases

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4130526C2 (en) * 1991-09-13 1996-09-26 Rainer Dr Kramer Laser time-of-flight anemometer
DE19548882A1 (en) * 1995-12-29 1997-07-03 Peus Systems Gmbh Apparatus for generating or receiving very short sound pulses
DE19549527A1 (en) * 1995-12-29 1998-04-30 Peus Systems Gmbh Sound signal reception method especially for short sound pulses
DE19829940A1 (en) * 1998-07-04 2000-01-05 Martin Naegele Method and arrangement for measuring the spatial and temporal development of a laser-induced excitation in liquids / gases

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE1926798C3 (en) Flow meter
DE2229887C3 (en) Distance measuring device with a laser working as a transmitter and its application for speed measurement
WO2011138437A1 (en) Method and apparatus for measuring the flow velocity by means of a plasma
DE69124600T2 (en) DIVIDED FLOW FOR EVEN MULTIDETECTOR DETECTION
DE2421675A1 (en) FLOW METER FOR FLUIDA WITH RANDOM SPACIOUSLY DISTRIBUTED, CARRIED MARKINGS
WO1991011702A1 (en) Device for determining the composition of fluids, in particular the constituents of exhaust gases of internal combustion engines
DE3036186A1 (en) STABILIZED SWIRL DETACHING FLOWMETER
DE2632042C3 (en) Inductive flow probe for measuring the flow velocity and the gas volume fraction of a liquid metal flow
DE102010049673B4 (en) Apparatus and method for 3D determination of velocity profiles of transparent fluid flows
DE4005919C2 (en) Method and arrangement for determining the visibility for motorists when fog occurs
DE19727960C2 (en) Device for the temporally high-resolution measurement of a gaseous volume flow, in particular an exhaust gas volume flow of an internal combustion engine, in a pipe through which it flows
DE69108682T2 (en) Device for measuring the diameter and speed of a particle.
DE10012395B4 (en) Flowmeter
EP1039289A2 (en) Process and device to determine speed and size of particles
DE4336369C1 (en) Flow measuring device
DE3241988C2 (en)
WO1988001738A1 (en) Opto-electronic detector
DE10012228C1 (en) Gas flow velocity measuring method uses laser beam for optical detection of propagation time of sound waves directed along given length of measurement path
US4444500A (en) Device for measuring particles in a fluid
EP0380046A2 (en) Method for testing counters, in particular electricity, water or gas meters, and device for carrying out this method
DE19804059A1 (en) Device for optical distance measurement
DE102007052795A1 (en) Method for determining the speed and size of particles by means of an arrangement suitable for laser Doppler velocimetry
DE102018200363B3 (en) Measuring device for level monitoring and differential measurement of the optical refractive index
EP0502517B1 (en) Device for measuring fluid flow in a flow channel
DE19548882C2 (en) Device for the temporally high-resolution measurement of the volume flow of a liquid or gaseous medium in a pipe through which it flows

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