| Zugriffsnummer | 22802 |
| Dokumenttyp | Zeitschriftenartikel |
| Sprache | Deutsch |
| Titel | Messunsicherheitsschranke der Doppler-Global-Velozimetrie mit Laserfrequenzmodulation |
| Übersetzungstitel | Fundamental measurement uncertainty limits of Doppler Global Velocimetry with laser frequency modulation |
| Autor(in); Institution |
Fischer, Andreas; TU Dresden, Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik, Dresden, GERMANY
König, Jörg; TU Dresden, Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik, Dresden, GERMANY
Büttner, Lars; TU Dresden, Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik, Dresden, GERMANY
Czarske, Jürgen; TU Dresden, Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik, Dresden, GERMANY
Eggert, Michael; 1.4, Gase, PTB-Braunschweig
Müller, Harald; 1.4, Gase, PTB-Braunschweig
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| Quelle/Jahr | Technisches Messen: 75 (2008), 12, 631 - 640 |
| ISSN | 0171-8096 (PRINT) |
| DOI | |
| Verlag | München: Oldenbourg Verlag |
| Freie Schlagworte | Geschwindigkeitsfeldmessung ; Doppler-Effekt ; frequenzmodulierte Laserdioden ; Cramér-Rao-Schranke ; Turbulenzspektren ; velocity field measurement ; Doppler effect ; frequency-modulated laser diodes ; Cramér-Rao lower bound ; turbulence spectra |
| Zusammenfassung | Es wird ein Doppler-Global-Velozimeter mit sinusförmiger Laserfrequenzmodulation (FM-DGV) vorgestellt, mit welchem Geschwindigkeitsfelder in Strömungen berührungslos gemessen werden können. Eingesetzt wird dabei ein Diodenlaser (852,36 nm), eine Cäsium-Absorptionszelle und ein fasergekoppeltes Lawinenphotodiodenarray. Die minimal erreichbare Messunsicherheit wird anhand einer Berechnung der Cramér-Rao-Schranke abgeschätzt und mit der der konventionellen DGV-Messtechnik verglichen. Die betrachteten Rauschquellen sind das Quantenschrotrauschen sowie das thermische und Dunkelstromrauschen der Photodetektoren. Die Berechnungen zeigen in Übereinstimmung mit Messungen, dass minimal 0,03 m/s bei einer Streulichtleistung von 3nW, einer Zeitauflösung von 16 ms und bei einem minimalen NEP-Wert des Detektors von 35 fW/√Hz erreicht werden können. Zwar wird für die betrachteten Störquellen die resultierende Unsicherheit bei konventionellen DGV-Systemen als ähnlich hoch abgeschätzt, jedoch entfallen beim FM-DGV die u. U. hohen Bildausrichtungs- und Strahlteilungsfehler, da keine Referenzkamera benötigt wird. Es ergeben sich somit vielversprechende Perspektiven in der Anwendung z.B. bei der präzisen Vermessung von 2D3K-Strömungsgeschwindigkeiten in Turbomaschinen und, aufgrund der möglichen hohen Zeitauflösung von bis zu 10 μs, bei der simultanen ortsaufgelösten Messung von Geschwindigkeitsspektren im Rahmen einer Turbulenzanalyse. A Doppler Global Velocimetry system with sinusoidal laser frequency modulation (FM-DGV) for measuring contactless velocity fields in fluid flows is described. It consists of a laser diode (852.36 nm), a caesium absorption cell and a fibre-coupled avalanche photo diode array. The fundamental limits of the statistical measurement uncertainty are estimated according the Cramér-Rao lower bound. The considered noises are photon shot noise and detector noise (thermal and dark current noise). The calculations show in good agreement with measurements, that 0.03 m/s minimum standard deviation of the velocity are achievable with e. g. 3 nW scattered light power, a temporal resolution of 16 ms and 35 fW/√Hz minimum noise equivalent power of the detector. A comparison between the fundamental measurement uncertainty limit of FM-DGV and conventional DGV indicates, that in principle approximately the same velocity resolutions can be achieved. However, two large system immanent errors, image misalignment error and beam splitting error, reducing the performance of conventional DGV are eliminiated with the FM-DGV technique, because the reference camera can be omitted. Thus, it is a promising tool for measuring precisely all three flow velocity components in a plane e. g. in turbomachines and, due to the possible high temporal resolution of up to 10 μs, for acquiring simultaneously the velocity spectra for turbulence analysis at multiple points. |
