DE3516035A1

DE3516035A1 - Method and arrangement for the photoelectric flow measurement of gaseous media

Info

Publication number: DE3516035A1
Application number: DE19853516035
Authority: DE
Inventors: Nebojsa Dipl.-Phys. 4630 Bochum Cvetkovic
Original assignee: PIPELINE ENGINEERING GES fur
Current assignee: PIPELINE ENGINEERING GES fur
Priority date: 1985-05-04
Filing date: 1985-05-04
Publication date: 1986-11-06

Abstract

A laser beam is split in a diffraction grating arrangement (4x,4y) into three component beams having different optical frequencies. The component beams ( nu 0, nu 1) are collimated by a single-beam optical system and focused onto an element (10) of volume of the medium in a tubular measurement section (7). The light which is Doppler-shifted on the medium is collected against the irradiation direction via a single-beam optical system (5, 6). The collected light is converted into an electrical signal frequency, and by comparison with a reference frequency the Doppler shift on the element (10) of volume is determined, and therefrom the speed of the medium in the element of volume. The determination of speed is repeated for a plurality of elements (10) of volume distributed over the cross-section of the tubular measurement section (7), and the density of the gaseous medium is measured and multiplied by the flow speed in order to determine the mass flow in the tubular measurement section. <IMAGE>

Description

Verfahren und Anordnung zur photoelektrischen Method and arrangement for photoelectric

Strömungsmessung von gasförmigen Medien Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur photoelektrischen Strömungsmessung von gasförmigen Medien, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums über einen repräsentativen Querschnitt einer Rohrmeßstrecke nach dem Laser-Doppler--Prinzip gemessen und unter Verwendung eines Rechners ausgewertet wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens. Flow measurement of gaseous media The invention relates on a method for photoelectric flow measurement of gaseous media, at which the flow velocity of the medium over a representative cross-section a pipe measuring section according to the laser-Doppler principle measured and using of a computer is evaluated. The invention also relates to an arrangement to carry out this procedure.

Zur Bestimmung von Massenflüssen gasförmiger Medien werden in der Gas industrie derzeit überwiegend Turbinenradgaszähler oder Blendenmeßgeräte verwendet. Bei beiden Gerätegattungen lassen sich in der Praxis Meßfehler von t 1% selbst bei extrem engen Fertigungstoleranzen nicht unterschreiten. Dies liegt vor allem daran, daß ein zu messendes Geschwindigkeitsfeld bereits durch den Meßaufnehmer selbst gestört wird.To determine the mass flows of gaseous media, the Gas industry currently mainly used turbine meters or orifice meters. In practice, measurement errors of t 1% can even occur with both types of device Do not go below extremely tight manufacturing tolerances. This is mainly because that a speed field to be measured is already created by the measuring transducer itself is disturbed.

Angesichts der bei der Gasverteilung, -versorgung und insbesondere beim Gastransport zu erfassenden extrem hohen Gasmengen erhält das Problem der Verringerung des Fehlerbereichs bei der Volumen- und Massenflußmessung eine erhebliche volkswirtschaftliche Bedeutung.Given the gas distribution, supply and in particular Extremely high gas quantities to be detected during gas transport are faced with the problem of reduction the error range in volume and mass flow measurement has a considerable economic impact Meaning.

In der Zeitschrift "gwf-Gas/Erdgas", 1984, Heft 4, SS 179-185 ist ein Laser-Doppler-Verfahren der eingangs genannten Art zur Durchflußmessung beschrieben, das eine Präzisionsmessung im Durchflußbereich von 64-2500 m3/h im Normzustand ermöglichen soll. Um die Meßfehler auf etwa 0,2% zu begrenzen, ist die bekannte Meßanordnung als Zweikanal-Anemometer zur simultanen Messung von zwei Geschwindigkeitskomponenten in der Austrittsfläche einer besonders gestalteten Meßdüse ausgebildet. Die beiden Geschwindigkeitsmessungen finden jeweils unter 45C gegen die Hauptströmungsrichtung versetzt statt, und zwar mit Hilfe von zueinander orthogonal angeordneten Strahlbündelpaaren. Die Strahlaufteilung erfolgt mit Hilfe optischer Strahlaufteiler. Das von in dem Strömungsmedium mitgeführten Teil chen gestreute Licht wird auf der der Einfallseite gegenüberliegenden Seite aufgefangen und in einer zweikanaligen elek tronischen Signalverarbeitungskette zur Gewinnung eines Geschwindigkeitssignals verarbeitet. Die Netzmessung in der Düse, d.h. die Verschiebung des Schnittvolumens, geschieht durch Traversierung des gesamten Laser-Doppler-Anemometers relativ zur Düse mit einem in den drei Raumrichtungen positionierbaren XYZ-Verschiebetisch. Nach dem bisherigen Entwicklungsstand sind sowohl der apparative als auch der betriebliche Aufwand für eine einzige Durchflußmeßstelle erheblich.In the magazine "gwf-Gas / Erdgas", 1984, Issue 4, SS 179-185 is a laser Doppler method of the type mentioned for flow measurement described above, which enable a precision measurement in the flow range of 64-2500 m3 / h in standard conditions target. The known measuring arrangement is used to limit the measuring error to about 0.2% as a two-channel anemometer for the simultaneous measurement of two speed components formed in the exit surface of a specially designed measuring nozzle. The two Velocity measurements take place at 45C against the main flow direction offset instead, with the help of mutually orthogonally arranged beam bundle pairs. The beam is split with the help of optical beam splitters. That of in that Flow medium entrained particles chen scattered light is on the incidence side opposite side and captured in a two-channel electronic Signal processing chain processed to obtain a speed signal. The mesh measurement in the nozzle, i.e. the displacement of the cutting volume, takes place by traversing the entire laser Doppler anemometer relative to the nozzle an XYZ translation table that can be positioned in three spatial directions. After this The current state of development are both the apparatus and the operational Considerable effort for a single flow measuring point.

Hier greift die Erfindung ein.This is where the invention comes into play.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe einer besonderen Entwicklung eines Einstrahlmusters der Laserstrahlbündel in die Rohrmeßstrecke die Meßaufnahme und die Signalauswertung zu vereinfachen und dadurch den betrieblichen und apparativen Aufwand bei der Präzisionsmessung von Gas-Massenströmen herabzusetzen.The invention is based on the object with the help of a special Development of a radiation pattern of the laser beam in the pipe measuring section To simplify measurement recording and signal evaluation and thereby the operational and reduce the expenditure on equipment in the precision measurement of gas mass flows.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Laserstrahlbündel durch ein mit konstanter Geschwindigkeit bewegtes Beugungsgitter geleitet und in wenigstens zwei Teilstrahlbündel mit unterschiedlichen Lichtfrequenzen aufgespalten wird, daß die Teilstrahlbündel danach durch eine Einstrahloptik kollimiert und unter Fokussierung auf ein Volumenelement im Medium unter einem vorgegebenen Schnittwinkel in die Rohrmeßstrecke eingestrahlt werden; daß nach Umwandlung des die Detektoranordnung erreichenden Lichts in eine elektrische Signalfrequenz und Vergleich mit einer Referenzfrequenz die Dopplerverschie bung an dem Volumenelement und daraus die Geschwindigkeit des Mediums in dem Volumenelement bestimmt werden; daß die Geschwindigkeitsbestimmung für mehrere über den Querschnitt der Rohrmeßstrecken verteilte Volumenelemente wiederholt wird, wobei die in die Rohrmeßstrecke eingestrahlten Teilstrahlbündel auf unterschiedliche Volumenelemente fokussiert werden; und daß die Dichte des gasförmigen Mediums gemessen und mit der Strömungsgeschwindigkeit zur Bestimmung des Massenflusses multipliziert wird.In a method of the type mentioned above, this task solved according to the invention in that a laser beam through a constant Speed moving diffraction grating guided and in at least two partial beams is split with different light frequencies that the partial beam then collimated by single-beam optics and focusing on a volume element irradiated in the medium at a predetermined cutting angle into the pipe measuring section will; that after conversion of the light reaching the detector array into a electrical signal frequency and comparison with a reference frequency the Doppler shift Exercise on the volume element and from this the speed of the medium in the volume element to be determined; that the speed determination for several over the cross-section of the pipe measuring sections distributed volume elements is repeated, with the in the Pipe measuring section irradiated partial beam on different volume elements be focused; and that the density of the gaseous medium is measured and with the Flow rate is multiplied to determine the mass flow.

Mit diesem Verfahren läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit des jeweiligen Schnittvolumenelements der beiden Strahlenbündel mit der für Laser-Doppler-Anemometer charakteristischen hohen Meßgenauigkeit von ca. +0,1% bestimmen. Die wiederholte Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich anderer Schnittvolumen der beiden Teilstrahlbündel ergibt ein Geschwindigkeitsprofil, dessen Integration nach geeigneter Mittelwertbildung die für den zu erfassenden Meßstreckenquerschnitt maßgebliche Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Der Massenfluß des gasförmigen Mediums ist das Produkt aus den Meßwerten der Geschwindigkeit, der Dichte und dem konstanten 32 Rohrquerschnitt (kg/s = m/s.kg/m .m ). Die erfindungsgemäß vorgesehene Methode der Strahlaufspaltung durch Beugung und Ausnutzung der Beugungsbilder erster Ordnung vereinfacht die Signalverarbeitung bei der Auswertung und macht die Meßwerte unabhänggig vom llf-Rauschen photoelektrischer Wandler und Verstärkereingänge.With this method, the flow rate of the respective Intersection volume element of the two bundles of rays with that for laser Doppler anemometer characteristic high measuring accuracy of approx. + 0.1%. The repeated Determination of the flow velocity in the area of other intersecting volumes of the two Partial beam results in a speed profile, its integration after a suitable Averaging that is decisive for the measuring section cross-section to be recorded Determined flow velocity. The mass flow of the gaseous medium is that Product of the measured values of speed, density and the constant 32 Pipe cross-section (kg / s = m / s.kg / m .m). The method provided according to the invention Beam splitting through diffraction and utilization of the first order diffraction patterns simplifies the Signal processing in the evaluation and power the measured values independent of the llf noise of photoelectric converters and amplifier inputs.

Vorzugsweise erfolgt die Aufspaltung des Laserstrahlbündels in zwei Lateralkoordinaten, wobei ein ungebeugtes Teilstrahlbün del mit der Emissionsfrequenz des Laserlichts als gemeinsames Referenzstrahlbündel für beide Lateralkoordinaten verwendet wird. Die simultane Messung von zwei Geschwindigkeitskomponenten erfolgt daher bei der Erfindung mit Hilfe von nur drei Teilstrahlbündeln, deren Licht in einer festen Phasenbeziehung steht. Bei der Signalauswertung werden zur Bestimmung der beiden Geschwindigkeitskomponenten aber nur die Differenzfrequenzen zwischen dem in jeder Lateral komponente gebeugten Licht und dem Referenzlicht benötigt. Redundant ist daher die Beziehung zwischen dem gestreuten Licht der in beiden Lateralkomponenten gebeugten Lichtstrahlen untereinander, und diese Information kann sowohl zur Erleichterung der Kalibrierung als auch zu Kontrollzwecken bei der elektronischen Auswertung herangezogen werden. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt daher in der genaueren und zuverlässigen Unterscheidung der beiden lateralen Geschwindigkeitskomponenten.The laser beam is preferably split into two Lateral coordinates, with an undiffracted Teilstrahlbün del with the emission frequency of the laser light as a common reference beam for both lateral coordinates is used. The simultaneous measurement of two speed components takes place therefore in the invention with the help of only three partial beams, the light in has a fixed phase relationship. When evaluating signals, they are used to determine of the two speed components but only the difference frequencies between the light diffracted in each lateral component and the reference light are required. The relationship between the scattered light in the two lateral components is therefore redundant diffracted rays of light among each other, and this information can be used for both relief the calibration as well as for control purposes in the electronic evaluation will. A major advantage of the invention is therefore the more precise and reliable differentiation of the two lateral speed components.

Bei der Auswertung werden beide Geschwindigkeitskomponenten in elektrische Drehfeldsignale umgewandelt und in einem Rechner zur Bestimmung der Effektivgeschwindigkeit geeignet verarbeitet.During the evaluation, both speed components are converted into electrical Rotating field signals are converted and used in a computer to determine the effective speed processed appropriately.

Vor dem Eintritt in die Rohrmeßstrecke wird das Licht in allen für die Geschwindigkeitsmessung verwendeten Teilstrahlbündeln zirkular polarisiert. Hierdurch werden Depolarisationseffekte an optischen Durchtrittsflächen im wesentlichen eliminiert.Before entering the pipe measuring section, the light is in all for the partial beams used to measure the speed are circularly polarized. This essentially results in depolarization effects on optical passage areas eliminated.

Die Einbeziehung der Empfangsoptik in die Einstrahl- bzw.The inclusion of the receiving optics in the single beam or

Sendeoptik durch Auffangen des gestreuten und dopplerverschobenen Lichts entgegen der Einstrahlrichtung verringert wesentlich den apparativen und betriebsmäßigen Aufwand bei der Lageänderung des jeweils im Teilstrahlenfokus liegenden Volumenelements. Zur Abtastung des repräsentativen Querschnitts der Rohrmeßstrecke genügt die schrittweise Bewegung einer einzigen Komponente der Einstrahloptik. Das mit dieser kombinierte Empfangssystem ändert dabei die optische Geometrie analog mit der Einstrahloptik, so daß die grundsätzlichen optischen Sende- und Empfangscharakteristiken im Verhältnis zueinander gleich bleiben. Zur Abtastung des repräsentativen Querschnitts der Rohrmeßstrecke können die in letztere eingestrahlten Teilstrahlbündel um eine zur Rohrachse parallele Schwenkachse gemeinsam verschwenkt werden. Dies führt zu einem Verschwenken des Schnittvolumenelements entlang einer Teilkreiskurve innerhalb einer Radialscheibe des Rohrquerschnitts. Andererseits kann das Volumenelement, auf das die Teilstrahlen fokussiert werden, auch quer zur Hauptströmungsrichtung des Mediums entlang einer Sehne im wesentlichen geradlinig verschoben werden.Transmission optics by collecting the scattered and Doppler shifted Light contrary to the direction of irradiation significantly reduces the equipment and operational requirements The effort involved in changing the position of the volume element lying in the partial beam focus. Step by step is sufficient to scan the representative cross-section of the pipe measuring section Movement of a single component of the single-beam optics. The one combined with this one The receiving system changes the optical geometry analogously with the single-beam optics, so that the basic optical transmission and reception characteristics in relation remain the same to each other. For scanning the representative cross-section of the pipe measuring section the partial beam bundles irradiated into the latter can move around an axis parallel to the tube axis Pivot axis are pivoted together. This leads to a pivoting of the Intersection volume element along a pitch curve within a radial disk of the pipe cross-section. On the other hand, the volume element on which the partial rays be focused, also transversely to the main flow direction of the medium along a Chord can be displaced essentially in a straight line.

Die Dichtemessung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Mach--Zehnder- oder Gitter-Interferometers, dessen Licht aus dem für die Geschwindigkeitsmessung notwendigen Laserlicht ausgekoppelt werden kann.The density measurement is preferably carried out with the help of a Mach - Zehnder or grating interferometer, the light from which is used for speed measurement necessary laser light can be coupled out.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Schnittwinkel zwischen dem Referenzstrahlbündel und dem wenigstens einen, um die Bewegungsfrequenz des Beugungsgitters frequenzverschobenen Teilstrahlbündel in Abhängigkeit von dem Mediendruck eingestellt wird. Auf diese Weise ist eine zuverlässige Präzisionsmessung auch dann möglich, wenn das Verfahren bzw. die zugehörige Meßanordnung bei stark unterschiedlichen Mediendrücken und entsprechend unterschiedlicher Dichte der von der Gasströmung mitgeführten Streuteilchen eingesetzt wird. Anstelle des Mediendrucks wird vorzugsweise das für die Strömungsmessung verwendete Dichtemeßsignal zur kontinuierlichen oder schrittweisen Steuerung des Schnittwinkels und damit zur Kompensation des Einflusses von ausgeprägten Druckunterschieden verwendet.In a preferred development of the invention it is provided that the Intersection angle between the reference beam and the at least one to the Frequency of movement of the diffraction grating as a function of the frequency-shifted partial beam is set by the media pressure. This way is a reliable precision measurement also possible if the method or the associated measuring arrangement at strong different media pressures and correspondingly different densities of the gas flow entrained scattering particles used will. Instead of of the medium pressure is preferably the density measurement signal used for the flow measurement for continuous or step-by-step control of the cutting angle and thus for Used to compensate for the influence of pronounced pressure differences.

Eine besonders hohe Intensität des Empfangssignals, d.h. des empfangenen dopplerverschobenen Lichts, läßt sich in Weiterbildung der Erfindung dadurch erreichen, daß von dem Volumenelement vorwärtsgestreutes Licht in den Empfangsstrahlengang reflektiert und zusätzlich zum rückwärtsgestreuten Licht über den Empfangsstrahlengang der Detektoranordnung zugeführt wird.A particularly high intensity of the received signal, i.e. the received signal Doppler shifted light can be achieved in a further development of the invention, that from the volume element forward-scattered light into the receiving beam path reflected and in addition to the backscattered light via the receiving beam path is fed to the detector arrangement.

Ausgehend von einer Anordnung zur Strömungsmessung von gasförmigen Medien in einer wenigstens teilweise lichtdurchlässigen Rohrmeßstrecke, bei der wenigstens zwei Laser-Lichtstrahlbündel über eine Einstrahloptik auf ein Volumenelement des Mediums in der Rohrmeßstrecke fokussierbar sind, von dem Volumenelement gestreutes und dopplerverschobenes Licht über eine Empfangsoptik auffangbar und zu einer Detektoreinrichtung übertragbar ist und das von der Detektoreinrichtung empfangene, die Dopplerverschiebung darstellende Signal unter Verwendung eines Rechners in ein der Strömungsgeschwindigkeit des bestrahlten Volumenelements des Mediums entsprechendes Meßsignal umgewandelt wird, wobei eine Scannereinrichtung zur Abtastung eines repräsentativen Querschnitts der Rohrmeßstrecke durch Änderung der Lage des Volumenelements vorgesehen ist, sieht die Erfindung vor, daß im Emissionsstrahlengang eines Lasers wenigstens eine ein mit voreingestellter Geschwindigkeit bewegtes wirksames Beugungsgitter aufweisende Beugungsgittereinrichtung zum Aufspalten des Laserlichts in ein ungebeugtes Teilstrahlbündel und ein in der ersten Ordnung gebeugtes Teilstrahlbündel angeordnet ist, daß die aufgespaltenen Teilstrahlbündel durch die Einstrahloptik entlang getrennter optischer Achsen geführt sind, daß die Einstrahloptik ein Kollimatorsystem zum Kollimieren der in die Rohrmeßstrecke eingestrahlten Teilstrahlbündel entlang ihrer jeweiligen optischen Achsen und optische Mittel zum Auffangen eines von dem Volumenelement rückgestreuten Lichtkegels aufweist und daß ein Dichtemeßgerät zum Messen der Dichte des gasförmigen Mediums vorgesehen ist, dessen Meßsignal zusätzlich zu dem der Strömungsgeschwindigkeit entsprechenden Meßsignal zur Bestimmung des Massenflusses des gasförmigen Mediums dem Rechner zuführbar ist.Based on an arrangement for measuring the flow of gaseous Media in an at least partially translucent tube measuring section in which at least two laser light beams onto a volume element via single-beam optics of the medium can be focused in the pipe measuring section, scattered by the volume element and Doppler-shifted light can be captured by receiving optics and to a detector device can be transmitted and that received by the detector device, the Doppler shift signal representing the flow rate using a calculator of the irradiated volume element of the medium converted to the corresponding measurement signal is, wherein a scanner device for scanning a representative cross-section the pipe measuring section is provided by changing the position of the volume element, sees the invention that in the emission beam path of a laser at least one having an effective diffraction grating moving at a preset speed Diffraction grating device for splitting the laser light into an undiffracted partial beam and a partial beam diffracted in the first order is arranged that the split Partial beam along through the single beam optics separate optical axes are guided, that the single-beam optics have a collimator system to collimate the partial beam bundles radiated into the pipe measuring section their respective optical axes and optical means for intercepting one of them Has volume element backscattered light cone and that a density meter for Measuring the density of the gaseous medium is provided, its measuring signal in addition to the measurement signal corresponding to the flow rate for determining the Mass flow of the gaseous medium can be fed to the computer.

Die Beugungsgittereinrichtung ist in bevorzugter Ausführung ein akusto-optischer Deflektor mit einem Oszillator, dessen Frequenz der Laserlichtfrequenz in dem dem Beugungsbild erster Ordnung entsprechenden Teilstrahlbündel überlagert wird.In a preferred embodiment, the diffraction grating device is an acousto-optical one Deflector with an oscillator, the frequency of which is the laser light frequency in the dem Diffraction image of the first order corresponding partial beam is superimposed.

In dem Strahlengang des ungebeugten Teilstrahlbündels ist ein zweiter akusto-optischer Deflektor in solcher Anordnung vorgesehen, daß seine Beugungsrichtung zu derjenigen des ersten akusto-optischen Deflektors orthogonal verläuft, so daß die Aufspaltung des Laserstrahls in zwei Lateralkoordinaten erfolgt, wobei das den zweiten Deflektor ungebeugt verlassende Laserstrahlbündel als gemeinsames Referenzstrahlbündel für beide Lateralkoordinaten vorgesehen ist.In the beam path of the undiffracted partial beam is a second one acousto-optic deflector provided in such an arrangement that its direction of diffraction is orthogonal to that of the first acousto-optic deflector, so that the splitting of the laser beam takes place in two lateral coordinates, the den second deflector leaving undeflected laser beam bundle as a common reference beam bundle is provided for both lateral coordinates.

In der Auswerteeinrichtung werden die Signalfrequenzen zunächst rein analog und daher mit hoher Genauigkeit in proportionale Drehfeldsignale umgesetzt. Das Ausfiltern von Störsignalen ist mit Hilfe von einfachen bekannten Filtern problemlos möglich. Das Umsetzen von Drehfeldsignalen in die von einem Digitalrechner unmittelbar verarbeitbaren Digitalsignale ist ebenfalls mit geringem Aufwand und hoher Genauigkeit möglich.The signal frequencies are initially pure in the evaluation device analog and therefore converted into proportional rotating field signals with high accuracy. The filtering out of interfering signals is problem-free with the aid of simple known filters possible. The conversion of rotating field signals into those from a digital computer directly processable digital signals is also with little effort and high accuracy possible.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in Prinzipdarstellung veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung zum photoelektrischen Messen des Massenflusses von gasförmigen Medien; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Scanners zum Einstrahlen kollimierter Lichtstrahlbündel in eine Rohrmeßstrecke und zum Fokussieren der Lichtstrahlbündel unter einem vorgegebenen Schnittwinkel auf ein Volumenelement (Schnittvolumen) des Mediums Fig. 3A eine schematische Draufsicht auf eine optische Fläche im Strahlengang von drei bei der Dopplermessung verwendeten Teilstrahlbündeln in einem orthogonalen Koordinatensystem zur simultanen Messung von zwei Geschwindigkeitskomponenten x und y; Fig. 3B eine schematische Darstellung der Geschwindigkeit v und der beiden zugehörigen orthogonalen Geschwindigkeitskomponenten x und y eines in der Strömung des Mediums mitbewegten Teilchens; und Fig. 4 ein Blockschaltbild der bei der Massenflußmeßanordnung gemäß Fig. 1 verwendeten Auswerteeinrichtung.In the following, the invention is illustrated in principle with the aid of one in the drawing illustrated embodiment explained in more detail. In the drawing show: Fig. 1 is a schematic diagram of an embodiment of the invention Arrangement for photoelectrically measuring the mass flow of gaseous media; 2 shows a schematic representation of a scanner for beaming in collimated Light beam in a pipe measuring section and for focusing the light beam at a predetermined intersection angle on a volume element (intersection volume) of the Medium Fig. 3A is a schematic plan view of an optical surface in the beam path of three partial beams used in the Doppler measurement in an orthogonal one Coordinate system for the simultaneous measurement of two speed components x and y; Fig. 3B is a schematic representation of the speed v and the two associated orthogonal velocity components x and y of one in the flow particles moving along with the medium; and FIG. 4 is a block diagram of the mass flow measuring arrangement according to FIG. 1 used evaluation device.

Im folgenden werden anhand der Schemadarstellung gemäß Fig. 1 das Verfahren und das Anordnungsprinzip zur Messung des Massenflusses von gasförmigen Medien erläutert.In the following, using the schematic representation according to FIG. 1, the Procedure and the arrangement principle for measuring the mass flow of gaseous Media explained.

Von einem Laser 1 emittiertes Licht der Frequenz30 wird über einen teildurchlässigen Spiegel 2 in zwei Strahlenbündel aufgeteilt, von denen eines die Lichtquelle für einen optischen Geschwindigkeitsmeßaufnehmer und ein anderes die Lichtquelle für ein Mach-Zehnder- oder Gitter-Interferometer bildet. Letzteres ist in der Prinzipdarstellung gemäß Fig. 1 nur durch ein durch die Rohrmeßstrecke fallendes Meßstrahlbündel, ein Referenzstrahlbündel und einen photoelektrischen Detektor 40 angedeutet. Aufbau und Funktionsweise des hier zur Dichtemessung des gasförmigen Mediums verwendeten Mach-Zehnder- oder Gitter-Interferometers sind bekannt und brauchen daher nicht erläutert zu werden.Light emitted by a laser 1 at the frequency 30 is transmitted via a partially transparent mirror 2 divided into two beams, one of which is the Light source for an optical speed sensor and another die Forms light source for a Mach-Zehnder or grating interferometer. The latter is in the schematic diagram according to FIG. 1 only by a falling through the pipe measuring section Measuring beam, a reference beam and a photoelectric detector 40 indicated. Structure and function of the here for density measurement of the gaseous Medium used Mach-Zehnder or grating interferometers are known and need therefore not to be explained.

Das Laserlicht des Geschwindigkeitsaufnehmers wird hinter dem teildurchlässigen Spiegel 2 mit Hilfe eines optischen Systems 3 strahlaufgeweitet und danach von einem akusto-optischen Deflektor 4 in ein ungebeugtes Bild und ein Beugungsbild erster Ordnung aufgespalten. In Fig. 1 ist die Strahlaufspaltung in Richtung der X-Koordinate, d.h. der Hauptströmungsrichtung des Strömungsmediums schematisch dargestellt. Der zugehörige akusto-optsichen Deflektor 4 ist in ausgezogenen Linien x dargestellt. Ein weiterer, in Fig. 1 gestrichelt dargestellter akusto-optischer Deflektor 4 spaltet das einfallende Lasery strahlbündel auf in ein ungebeugtes Teilstrahlbündel und ein in Fig. 1 nicht dargestelltes, in Richtung der Y-Koordinate gebeugtes Teilstrahlbündel. Die nachfolgend beschriebenen optischen Elemente des Geschwindigkeitsmeßaufnehmers sind für beide Lateralkoordinaten identisch.The laser light from the speed sensor is behind the partially transparent Mirror 2 with the help of an optical system 3 and then beam expanded by a acousto-optic deflector 4 into an undiffracted image and a diffraction image first Split order. In Fig. 1 the beam splitting is in the direction of the X coordinate, i.e. the main flow direction of the flow medium is shown schematically. Of the associated acousto-optical deflector 4 is shown in solid lines x. Another acousto-optic deflector 4, shown in dashed lines in FIG. 1, splits the incident laser beam into an undiffracted partial beam and a partial beam which is not shown in FIG. 1 and diffracted in the direction of the Y coordinate. The optical elements of the speed sensor described below are identical for both lateral coordinates.

Aus Gründen der Vereinfachung der Darstellung sind die beiden zur X-Lateralkoordinate gehörigen Teilstrahlbündel am Ausgang des Modulaters 4x in gleicher Weise gebeugt gezeigt. Tatsächlich wird nur das eine Tilstrahlbündel31 entsprechend der ersten Beugungsordnung gebeugt, während das Teilstrahlbündel 90 der nullten Beugungsordnung ungebeugt und unabgelenkt durch den akusto-optischen Deflektor 4x durchtritt. Die beiden Teilstrahlbündel V 0 und 91 sind senkrecht zueinander polarisiert. Das Licht des in der ersten Ordnung gebeugten Teilstrahlbündels 91 ist um die Frequenz des akusto-optischen Deflektors 4x frequenzverschoben, d.h.For the sake of simplicity of illustration, the two are to the X-lateral coordinate associated partial beam at the output of the modulator 4x in the same Shown bent way. In fact, only the one tilbeam bundle31 is corresponding the first diffraction order diffracted, while the partial beam 90 of the zeroth Diffraction order unbent and undeflected by the acousto-optical deflector 4x passes through. The two partial beams V 0 and 91 are polarized perpendicular to one another. The light of the partial beam 91 diffracted in the first order is around the frequency of the acousto-optic deflector 4x frequency shifted, i.e.

9 0+9T wobei 90 die Emissionsfrequenz des Lasers 1 ist. Die durch die Beugung hervorgerufene Änderung der Polarisationsrichtung wird mit Hilfe einer im Strahlengang des gebeugten Teilstrahlbündels 91 angeordneten A/2-Platte auf diejenige des ungebeugten Lichts zurückgestellt. Diese Rückdrehung der Polarisationsrichtung geschieht vorzugsweise vor Eintritt der beiden Teilstrahlbündel 90 und 91 in das erste optische Linsensystem, damit die optischen Verluste der Teilstrahlbündel in den Linsensystemen stets gleich bleiben.9 0 + 9T where 90 is the emission frequency of laser 1. By the diffraction-induced change in the direction of polarization is made with the help of a in the beam path of the diffracted partial beam 91 arranged A / 2 plate on that of undiffracted light. This reverse rotation of the polarization direction preferably occurs before the two partial beams 90 and 91 enter the first optical lens system, so that the optical losses of the partial beams in the lens systems always remain the same.

Die beiden Teilstrahlbündel werden sodann durch geeignete Teleskope bzw. Linsensysteme 5 und 6 und gegebenenfalls über geeignete Strahlumlenker (in Fig. 1 nicht dargestellt) durch ein in der Wand einer Rohrmeßstrecke 7 angeordnetes lichtdurchlässiges Fenster 8 geleitet und unter einem Schnittwinkel ob auf ein Volumenelement 10 (Fig. 2) fokussiert. Vor dem Eintritt in die Rohrmeßstrecke 7 wird das Licht in allen Teilstrahlbündeln durch eine /4-Platte zirkular polarisiert, um die Depolarisationseffekte vor allem am Lichtdurchtrittsfenster 8 unwirksam zu machen. Die zirkulare Polarisation des Lichts in den in Fig. 1 dargestellten Teilstrahlbündeln ist hinter dem optischen System 6 in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet.The two partial beams are then through suitable telescopes or lens systems 5 and 6 and, if necessary, via suitable beam deflectors (in Fig. 1 not shown) by a arranged in the wall of a pipe measuring section 7 translucent window 8 passed and at a cutting angle whether on a volume element 10 (Fig. 2) in focus. Before entering the tube measuring section 7, the light circularly polarized in all partial beams by a / 4 plate to reduce the depolarization effects especially to make the light passage window 8 ineffective. The circular polarization of the light in the partial beams shown in Fig. 1 is behind the optical System 6 in Fig. 1 indicated by arrows.

Die in Fig. 1 schematisch durch die optischen Systeme 5 und 6 veranschaulichte Einstrahloptik ist so ausgebildet, daß sie die Strahlen jedes Teilstrahlbündels #0 bzw. #1 kollimiert, also parallel richtet, und die Kollimation der eingestrahlten Teilstrahlbündel auch bei Änderung des Schnittwinkels oCbeibehält. Diese Strahlenkollimation ist wichtig zur definierten Erfassung der effektiven Dopplerverschiebung im Schnittvolumenelement 10 und damit zur weiter unten beschriebenen Geschwindigkeitsmessung im Zuge der Auswertung.That illustrated schematically in FIG. 1 by the optical systems 5 and 6 Single-beam optics are designed in such a way that they capture the rays of each partial beam # 0 or # 1 collimated, i.e. aligned parallel, and the collimation of the irradiated Partial beam is retained even if the cutting angle changes. This beam collimation is important for the defined detection of the effective Doppler shift in the sectional volume element 10 and thus to the speed measurement described below in the course of Evaluation.

Das im Volumenelement 10 befindliche Strömungsmedium wirkt als statistisches Gitter und streut das an den in der Gasströmung mitgeführten Teilchen dopplerverschobene Licht nach allen Richtungen. Die Streustrahlung wird von den der Rohrmeßstrecke 7 benachbarten Komponenten der Einstrahloptik durch das Fenster 8 aufgefangen. An dem dem Fenster 8 gegenüberliegenden Wandabschnitt der Rohrmeßstrecke 7 ist ein Reflektor 9 angeordnet, der von dem Schnittvolumen 10 vorwärtsgestreutes Licht durch das Fenster 8 in den Empfangsstrahlengang reflektiert.The flow medium located in the volume element 10 acts as a statistical one Lattice and scatters the Doppler-shifted particles carried along in the gas flow Light in all directions. The scattered radiation is from that of the pipe measuring section 7 neighboring components of the single-beam optics captured by the window 8. At the wall section of the pipe measuring section 7 opposite the window 8 is a Arranged reflector 9, the light scattered forward by the intersecting volume 10 through the window 8 is reflected in the receiving beam path.

In den Empfangsstrahlengang, der in die Einstrahloptik einbezogen ist, wird daher sowohl das vom Volumenelement 10 rückwärtsgestreute Licht als auch das vorwärtsgestreute und vom Reflektor 9 reflektierte Licht eingekoppelt, wodurch eine hohe auswertbare Lichtintensität erreicht wird.In the receiving beam path that is included in the single-beam optics is, therefore both the light backscattered by the volume element 10 and the forward-scattered light reflected by the reflector 9 is coupled in, as a result of which a high evaluable light intensity is achieved.

Das durch das Fenster 8 aus der Rohrmeßstrecke 7 austretende, dopplerverschobene Streulicht wird durch das optische System 6 im wesentlichen entgegen der Einstrahlrichtung zurückgeführt und über geeignete optische Elemente 12, 13, 14 und 15 auf eine Detektoranordnung 16 fokussiert. Eine im Empfangsstrahlengang vor dem Detektor 16 angeordnete Blende 17 dient der Beseitigung unerwünschten Streulichtes.The Doppler-shifted one emerging through the window 8 from the pipe measuring section 7 Scattered light is generated by the optical system 6 essentially in the opposite direction to the direction of irradiation fed back and via suitable optical elements 12, 13, 14 and 15 to a detector arrangement 16 focused. A diaphragm arranged in front of the detector 16 in the receiving beam path 17 is used to remove unwanted stray light.

Die Photodetektoranordnung 16 wandelt die optischen Lichtsignale in analoge elektrische Signalfrequenzen um, die in einer Auswerteeinrichtung 20 in der weiter unten anhand der Fig. 4 beschriebenen Weise in der Geschwindigkeit des gemessenen Volumenelements 10 entsprechende Drehfeldsignale umgesetzt werden. Die den akusto-optischen Deflektoren bzw. Modulatoren 4 und 4 zugeordneten Oszillatoren 44x und 44 sind x y y mit der Auswerteeinrichtung 20 verbunden und geben die Oszillatorfrequenzen als Referenzfrequenzen an die Auswerteeinrichtung.The photodetector arrangement 16 converts the optical light signals in analog electrical signal frequencies, which in an evaluation device 20 in the manner described below with reference to FIG. 4 in the speed of the measured volume element 10 corresponding rotating field signals are implemented. the the acousto-optic deflectors or modulators 4 and 4 associated with oscillators 44x and 44 are xyy connected to the evaluation device 20 and give the oscillator frequencies as reference frequencies to the evaluation device.

Der für die Interferenzstrahlendichte im Medium des Volumenelements 10 maßgebliche Schnittwinkel zuläßt sich zur Anpassung der Anordnung gemäß Fig. 1 an stark unterschiedliche Mediendrücke durch Verschiebung des Deflektors 4 in Richtung der optischen Achse, also in Richtung des Doppelpfeils 18, und/oder durch Brennweitenänderung bzw. Verschiebung einer oder mehrerer Komponenten des optischen Systems 5 in Richtung des Doppelpfeils 19 verstellen. Diese Verstellung des Schnittwinkels wird vorzugsweise in Abhängigkeit von dem für die Strömungsmessung ohnehin gebrauchten Dichtesignal des Detektors 40 gesteuert. Die Steuerung kann entweder kontinuierlich oder bei Über- oder Unterschreiten vorgegebener Grenzwerte des Dichtesignals über in der Zeichnung nicht dargestellte Stellglieder in Stufen auf den Deflektor 4 und/oder das optische System 5 wirksam gemacht werden.The one for the interference radiation density in the medium of the volume element 10 decisive cutting angle can be used to adapt the arrangement according to FIG. 1 to very different media pressures by moving the deflector 4 in Direction of the optical axis, that is to say in the direction of the double arrow 18, and / or through Focal length change or displacement of one or more components of the optical Adjust system 5 in the direction of double arrow 19. This adjustment of the cutting angle is preferably used as a function of the one already used for the flow measurement Density signal of the detector 40 controlled. The control can either be continuous or if the specified limit values of the density signal are exceeded or not reached actuators not shown in the drawing in stages on the deflector 4 and / or the optical system 5 can be made effective.

In Fig. 2 ist neben einer Querschnittsansicht der Rohrmeßstrecke 7 schematisch eine durch zwei Reflektoren 30 und 31 gebildete Scanner-Einrichtung dargestellt. Der als Hohlspiegel ausgebildete Reflektor 31 strahlt die Teilstrahlbündel durch das Fenster 8 in die Rohrmeßstrecke 7 ein und fokussiert sie dabei auf das Schnittvolumen 10 der kollimierten Teilstrahlen.In FIG. 2, in addition to a cross-sectional view of the pipe measuring section 7 schematically a scanner device formed by two reflectors 30 and 31 shown. The reflector 31, designed as a concave mirror, emits the partial beams through the window 8 into the pipe measuring section 7, focusing it on the Section volume 10 of the collimated partial beams.

Durch Verschwenken des Hohlspiegels 31 um eine zur Rohrachse parllel verlaufende Lagerachse 32, d.h. in Richtung des Doppelpfeils 33, verschiebt sich das Schnittvolumenelement 10 je nach Schwenkrichtung im Rohrquerschnitt entlang einer gekrümmten Bahn nach oben oder nach unten, so daß verschiedene Netzpunkte abgetastet werden können. Der Abstand des Schnittvolumenelements 10 vom Fenster 8 bzw. von dem an der Rohrrückseite angeordneten Reflektor 9 kann beispielsweise durch Änderung der wirksamen Brennweite der Einstrahloptik oder auch durch Verschiebung des optischen Reflexionselements 30 in Richtung des Doppelpfeils 34 geändert werden. In alternativer Ausführung kann jedoch auch die gesamte Einstrahloptik zusammen mit den optischen Komponenten 30 und 31 relativ zur Rohrmeßstrecke 7 nach oben und unten bzw. rechts und links verschoben werden.By pivoting the concave mirror 31 about a parallel to the tube axis running bearing axis 32, i.e. in the direction of the double arrow 33, the sectional volume element 10 moves depending on the pivoting direction in the pipe cross-section along a curved path up or down, so that different network points can be scanned. The distance of the intersecting volume element 10 from the window 8 or from the reflector 9 arranged on the rear of the tube, for example by changing the effective focal length of the single-beam optics or by shifting it of the optical reflection element 30 can be changed in the direction of the double arrow 34. In an alternative embodiment, however, the entire single-beam optics can also be combined with the optical components 30 and 31 relative to the pipe measuring section 7 upwards and moved down or left and right.

Der in Fig. 2 als dem Fenster 8 nächstes optisches Element dargestellte Hohlspiegel 31 fängt das durch das Fenster 8 ausgekoppelte Streulicht des Volumenelements 10 auf und richtet es über den Reflektor 30 in den Empfangsstrahlengang und auf die in Fig. 1 dargestellte Detektoranordnung 16. In der Ansicht gemäß Fig. 2 ist das Teilstrahlbündel #2 des in der zweiten Lateralrichtung Y gebeugten Lichts gezeigt. Das ungebeugte Licht des Teilstrahlst0 dient beiden Lateralkomponenten als Referenzstrahlbündel.The optical element shown next to window 8 in FIG. 2 Concave mirror 31 catches the scattered light of the volume element coupled out through window 8 10 and erects it via the reflector 30 in the receiving beam path and the detector arrangement 16 shown in FIG. 1 is in the view according to FIG the partial beam # 2 of the light diffracted in the second lateral direction Y is shown. The undiffracted light of the partial beam serves as a reference beam for both lateral components.

Fig. 3A zeigt als schematische Schnittansicht das Lagemuster der bei der Erfindung zur Messung in zwei Orthogonalrichtungen X und Y verwendeten drei Teilstrahlbündel. Wie zu sehen ist, sind in dem beschriebenen Beispiel die beiden Teilstrahlbündel #1 und #2 in zueinander orthogonalen Richtungen (X, Y) gegenüber dem gemeinsamen Bezugsstrahlbündel0 des ungebeugten Laserlichts versetzt. Mit Hilfe der drei Teilstrahlbündel können im Kreuzstrahlverfahren die beiden Geschwindigkeitskomponeten x und y eines mit der Geschwindigkeit v strömenden Teilchens sehr genau gemessen werden. Die Einstrahlung der Teilstrahlbündel Vow 91 und92 kann aber auch so gewählt werden, daß die Messung von zwei Geschwindigkeitskomponenten unter einem vorgegebenen Winkel gegen die Hauptströmungsrichtung erfolgt.Fig. 3A shows a schematic sectional view of the pattern of the in of the invention for measurement in two orthogonal directions X and Y used three Partial beam. As can be seen, in the example described, there are the two Partial beams # 1 and # 2 opposite in mutually orthogonal directions (X, Y) offset from the common reference beam 0 of the undiffracted laser light. With help of the three partial bundles of rays can use the cross-jet method to achieve the two velocity components x and y of a particle flowing with the velocity v are measured very precisely will. The irradiation of the partial beams Vow 91 and 92 can, however, also be chosen in this way be that the measurement of two velocity components under takes place at a predetermined angle against the main flow direction.

Die in Fig. 4 als Blockschaltbild dargestellte Auswerteeinrichtung 20 dient der Erfassung und Umsetzung der über die Detektoranordnung 16 in der Regel über einen Photomultiplier 21 zugeführten Geschwindigkeitsmeßwerte, der Dichtemeßwerte des Dichtemeßgeräts und zur Berechnung der zugehörigen Masseflußwerte.The evaluation device shown in FIG. 4 as a block diagram 20 is used to record and implement the information about the detector arrangement 16 as a rule Via a photomultiplier 21 supplied speed measurement values, the density measurement values of the density meter and for calculating the associated mass flow values.

Wie oben gesagt, wird das Licht der beiden zu einer Lateralkoordinate gehörigen Teilstrahlbündel in seiner Frequenz dopplerverschoben. Die Dopplerverschiebung wirkt sich je nach Richtung des einfallenden Strahls zur Bewegungsrichtung des Gases entweder frequenzerhöhend oder -erniedrigend aus. Bei Symmetrierung des Schnittwinkels der beiden Teilstrahlbündel quer zur Bewegungsrichtung ergeben sich folgende Frequenzzusammenhänge: (vor Dopplerverschiebung) (nach Dopplerverschiebung) (nach Dopplerverschiebung) Hierbei bedeuten: 0 O = Laserfrequenz ç T = Oszillatorfrequenz des Deflektors 4x x 9 x = Dopplerverschiebung durch Medienbex wegung in der X-Meßkoordinate Bei Umwandlung der optischen Frequenzen in elektrische Signalfrequenzen werden die den beiden Teilstrahlbündeln zugeordneten dopplerverschobenen Frequenzen subtrahiert, so daß sich für die Signalfrequenz #s folgendes ergibt: Diese Signalfrequenz "s wird durch ein Bandfilter 22 geleitet, das für Frequenzen im möglichen Frequenzband der Signalfrequenzen durchlässig ist, nieder- oder höherfrequente Störsignale aber sperrt. Die am Ausgang des Bandpasses 22 erscheinende Signalfrequenz wird für die beiden Meßkoordinaten X und Y in verschiedenen Kanälen 23x und 23y verarbeitet. Erläutert wird der X-Kanal 23 . Die Verarbeitung im Y-Kanal ist entx sprechend.As stated above, the light of the two partial beams belonging to a lateral coordinate is Doppler shifted in frequency. The Doppler shift either increases or decreases the frequency depending on the direction of the incident beam in relation to the direction of movement of the gas. If the angle of intersection of the two partial beams is symmetrized transversely to the direction of movement, the following frequency relationships result: (before Doppler shift) (after Doppler shift) (after Doppler shift) where: 0 O = laser frequency ç T = oscillator frequency of the deflector 4x x 9 x = Doppler shift due to media movement in the X measurement coordinate When converting the optical frequencies into electrical signal frequencies, the Doppler shifted frequencies assigned to both partial beams are subtracted, so that the following results for the signal frequency #s: This signal frequency "s is passed through a band filter 22, which is permeable to frequencies in the possible frequency band of the signal frequencies, but blocks lower or higher frequency interference signals. The signal frequency appearing at the output of the bandpass filter 22 is for the two measurement coordinates X and Y in different channels 23x and 23y are processed, the X-channel 23. The processing in the Y-channel is corresponding.

Die Signalfrequenz Ss wird in einem Mischer 231 mit der Oszillatorfrequenz 9 gemischt. Am Ausgang des Mischers erscheint das Sinussignal der doppelten Dopplerfrequenz; die durch den Deflektor 4x eingeführte Trägerfrequenz3, verschwindet. Die Oszillatorfrequenz wird außerdem über ein Laufzeitglied 230 um eine Halbperiode verzögert und einer weiteren Mischstufe 232 zugeführt; auch die Signalfrequenz wird an die Mischstufe 232 angelegt. Am Ausgang des Mischers 232 erscheint das Cosinussignal der zweifachen Dopplerfrequenz. Jeweils den Sinus- und Cosinusausgängen nachgeschaltete Tiefpässe 233 und 234 sperren die in einem anderen Frequenzband liegenden Signalfrequenzen der anderen Lateralkomponente der Signalfrequenzen, die im Y-Kanal verarbeitet und mit der dem Deflektor 4 zugeordneten Oszillatorfrequenz gemischt y werden.The signal frequency Ss is in a mixer 231 with the oscillator frequency 9 mixed. The sinusoidal signal of twice the Doppler frequency appears at the mixer output; the carrier frequency3 introduced by the deflector 4x disappears. The oscillator frequency is also delayed by a half-period via a delay element 230 and one a further mixer stage 232 is supplied; the signal frequency is also sent to the mixer 232 created. The double cosine signal appears at the output of mixer 232 Doppler frequency. Low-pass filters connected downstream of the sine and cosine outputs 233 and 234 block the signal frequencies lying in a different frequency band the other lateral component of the signal frequencies processed in the Y-channel and be mixed y with the oscillator frequency assigned to the deflector 4.

Die Sinus- und Kosinussignale bilden für die Dopplerverschiebung kennzeichnende Drehfeldsignale, die sowohl an einen Drehfeldumlaufzähler 24 als auch an einen Arc-Tan-Rechner 25 angelegt werden. Der Drehfeldumlaufzähler zählt die jeweils vollen Umläufe nx, während der Arc-Tan-Rechner 25 die der jeweiligen Winkelstellung entsprechenden Zwischenwerte berechnet.The sine and cosine signals are characteristic of the Doppler shift Rotating field signals that are sent both to a rotating field counter 24 and to an arc-tan computer 25 can be created. The rotating field counter counts the full revolutions nx, while the arc-tan calculator 25 is that of the respective Angular position corresponding intermediate values are calculated.

Umläufe und Zwischenwerte werden einem Transientenrekorder 26 und von dort einem Prozeßrechner 27 zugeführt. Der Rechner erhält zusätzlich die simultan gemessenen Dichtemeßwerte. Aus einer Multiplikation der Werte des Geschwindigkeitsprofils mit der Dichte und dem Querschnitt der Rohrmeßstrecke 7 ergibt sich ein exaktes Maß für die pro Zeiteinheit durch die Rohrmeßstrecke fließende Gasmasse.Circulations and intermediate values are a transient recorder 26 and fed from there to a process computer 27. The computer also receives the simultaneous measured density readings. From a multiplication of the values of the speed profile with the density and the cross section of the pipe measuring section 7, an exact one results Measure of the gas mass flowing through the pipe measuring section per unit of time.

Claims

PATENT CLAIM 1. Method for photoelectric flow measurement of gaseous media, in which the flow velocity of the medium over a representative cross-section of a pipe measuring section based on the laser-Doppler principle measured and evaluated using a computer, characterized in that that a laser beam through a diffraction grating moving at constant speed guided and in at least two partial beams with different light frequencies is split up; that the partial beam is then collimated by single-beam optics and focusing on a volume element in the medium under a predetermined one Cutting angle (oc) are radiated into the pipe measuring section; that of that in the volume element located, acting as a statistical grid medium scattered and Doppler shifted Light against the direction of incidence is captured by the single-beam optics and one Detector array is fed; that after converting the detector array reaching light into an electrical signal frequency and comparison with a reference frequency the Doppler shift on the volume element and from this the speed of the Medium in the volume element are determined; that the speed determination repeated for several volume elements distributed over the cross section of the pipe measuring section is, whereby the beam of rays radiated into the tube measuring section to different Volume elements are focused; and that the density of the gaseous Medium measured and with the flow velocity to determine the mass flow is multiplied.

2. The method according to claim 1, characterized in that the splitting of the laser beam (where) occurs in two lateral coordinates, one undiffracted Partial beam with the emission frequency of the laser light as a common reference beam is used for both lateral coordinates.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the Intersection angle () between the reference beam and and and the at least one, The partial beam is frequency-shifted by the movement frequency (YT) of the diffraction grating (91) is set depending on the media pressure.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that that the intersection angle (oC)) between the reference beam (30) and the at least one frequency shifted by the movement frequency (9T)) of the diffraction grating Partial beam (3) is controlled as a function of the density signal.

5. The method according to claim 3 or 4, characterized in that the Cutting angle (oC) by shifting the diffraction grating in the direction of the beam axis of the undiffracted partial beam is adjusted.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in, that the light of all partial beams is circular before they are irradiated into the pipe measuring section being polarized.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in, that an acousto-optic deflector is used as the diffraction grating

8. Procedure according to one of claims 1 to 7, characterized in that for scanning the representative cross-section of the pipe measuring section, the partial beam irradiated into the latter be pivoted together about a pivot axis parallel to the pipe axis.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that that the volume element on which the partial beam bundles are focused for scanning the representative cross section of the pipe measuring section transverse to the main flow direction the medium is moved.

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that that from the volume element forward-scattered light in the receiving beam path reflected and, in addition to the backward-scattered light, radiate over the reception area gang is fed to the detector arrangement.

11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in, that a Mach-Zehnder or grating interferometer is used for density measurement, whose light is decoupled from the laser light.

12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in, that the signal frequency derived from the detector signal with the reference frequency and the A / 2 phase-shifted reference frequency and mixed into a rotating field signal is converted, according to the magnitude and direction of the Doppler frequency of the most statistical Grating of the medium scattered light is proportional to the partial beam, and that the Rotating field signals recorded by a transient recorder and evaluated in a downstream computer.

13. The method according to claim 12, characterized in that the computer both the speed signals and the density signals are continuously supplied will.

14. Arrangement for flow measurement of gaseous media in one at least partially translucent tube measuring section, in which at least two Laser light beam via single-beam optics onto a volume element of the medium are focusable in the pipe measuring section, scattered and Doppler-shifted by the volume element Light can be captured by receiving optics and transmitted to a detector device and that received by the detector device and representing the Doppler shift Signal using a calculator in one of the flow rate of the irradiated Volume element of the medium corresponding measurement signal is converted, with a Scanner device for scanning a representative cross-section of the pipe measuring section is provided by changing the position of the volume element, characterized in that that in the emission beam path of a laser (1) at least one with a preset Speed (9T) moving diffraction grating means having effective diffraction grating (4x, 4y) for splitting the laser light into an undiffracted partial beam (Vg) and a partial beam (V1; 2) diffracted in the first order is arranged, that the split partial beam through the single-beam optics (5,6; 30, 31) along separate optical axes are guided, that the single-beam optics have a collimator system for collimating along the partial beam bundles radiated into the tube measuring section (7) their respective optical axes and optical means (e.g.

31) for collecting a backscattered from the volume element (10) Has cone of light and that a density meter (40) for measuring the density of the gaseous Medium is provided, the measurement signal in addition to that of the flow rate corresponding measurement signal for determining the mass flow of the gaseous medium can be fed to the computer (27).

15. Arrangement according to claim 13, characterized in that the diffraction grating device has an acousto-optic deflector (4) with an oscillator (44), the Frequency (N?) T of the laser light frequency (So) in the first order diffraction image corresponding partial beam (9 2) is superimposed.

16. The arrangement according to claim 15, characterized in that in the The beam path of the undiffracted partial beam is a second acousto-optic deflector (4y) is provided in such an arrangement that its direction of diffraction (Y) corresponds to that of the first acousto-optic deflector (4x) runs orthogonally, so that the splitting of the laser beam takes place in two lateral coordinates, this being the second deflector Unbending leaving laser beam bundles as a common reference beam bundle for both lateral coordinates are provided.

17. Arrangement according to one of claims 14 to 16, characterized in that that means (18, 19) for changing the cutting angle (Oc) between a bent Partial beam and the undiffracted reference beam (90) are provided.

18. Arrangement according to claim 17, characterized in that the means (18, 19) coupled to the density measuring device (40) to change the cutting angle (ct) and can be controlled as a function of the density signal.

19. Arrangement according to claim 17 or 18, characterized in that to change the cutting angle (o () a device (18) for moving the at least one diffraction grating (4) in the direction of the optical axis of the Diffraction grating exiting partial beam bundle (90) without diffraction is provided.

20. Arrangement according to one of claims 14 to 18, characterized in that that to change the position of the volume element (10) of the medium in the pipe measuring section (7) at least one component (31) of the single-beam optics (5, 6) relative to the pipe measuring section (7) is mounted displaceably and / or pivotably.

21. Arrangement according to one of claims 15 to 20, characterized in that that on the inner wall of the tube measuring section opposite the side of the incident light (7) a reflective surface (9) is arranged, which is designed so that they of the volume element (10) forward-scattered light into the receiving beam path of the Receiving optics (6, 12, 13, 14, 15) are reflected.

22. Arrangement according to one of claims 14 to 20, characterized in that that in the beam path of the diffracted partial beam emerging from the diffraction grating (4) (# 1) an N2 plate is arranged, showing the polarization direction of the diffracted Partial beam to that of the undiffracted reference beam (90)) adapts.

28. Arrangement according to one of claims 14 to 22, characterized in that that in the beam path of all partial beams (# 0, # 1, # 2) a # / 4 plate for circular polarization of the light to be radiated into the tube measuring section (7) is arranged.

24. Arrangement according to one of claims 14 to 22, characterized in that that to measure the density of the medium a Mach-Zehnder or grating interferometer is provided, the light of which is decoupled from the light emitted by the laser (1) is.

25. Arrangement according to one of claims 14 to 23, characterized in that that a captured cone of the Doppler shifted light on a photoelectric Detector (16) focusing optical system (13 .. .15) is provided that the Detector is followed by an evaluation device (20) from which the Doppler shift containing signal frequency (9s) generates a rotating field signal, which according to size and Direction of the Doppler frequency (9) of the scattered on the statistical grid of the medium Light is proportional, and that the rotating field signals a transient recorder (26) and can be fed to the computer (27).

26. Arrangement according to claim 25, characterized in that the evaluation device (20) one with the detector output and the oscillator (44) of the acousto-optic deflector (4) connected first mixer stage (231) for generating a sinusoidal signal and a with the detector output and via a 2-delay element (230) with the oscillator (44) having connected second mixer (232) for generating a cosine signal.

27. The arrangement according to claim 26, characterized in that a rotating field counter (24) and an arc.tan. Computer (25) connected in parallel with the two mixer stages (231, 232) and connected on the output side to the transient recorder (26) are.

28. Arrangement according to claim 26 or 27, characterized in that each mixer (231, 232) is followed by a low-pass filter (233, 234), the cutoff frequency of which is adapted to the maximum Doppler frequency.

29. Arrangement according to one of claims 26 to 28, characterized in that that two separate channels (23x, 23y) for the development of the rotating field signals for the both lateral coordinates (X, Y) are provided and that the mixing stages (231, 232) in each channel with the oscillator (44x or 44y) of the associated deflector (4x or 4y) are connected.

30. Arrangement according to one of claims 26 to 28, characterized in that that the detector device (16, 21) is transparent to the signal frequency (#s) Bandpass filter (22) is connected downstream.