为了以最小的技术上并尤其是设备上的成本以较高的精度确定在一管内的流体流的流量,本发明提供了一种用于确定流体流的流量的方法及装置,其中,在方法方面规定,借助一种光学加热射线加热该流体,加热位置由光学检测射线透射,其中加热射线和检测射线的光轴至少在加热位置处重合,且借助一个检测器阵列接收检测射线,并且,这样地构造该装置,使得用于加热流体的有限内部区域的装置以及导引激光射线的光学装置这样地设置,使测量射线在加热区域的加热的绝对位置透射过加热区域。
1.一种用于确定流动的流体的流量的方法,其中,借助一光学的加热射线加热所述流体,并且使一光学的检测射线透射过加热位置,其特征在于,其中,所述加热射线和检测射线的光轴至少在所述加热位置是一致的,对所述加热射线进行强度调制,借助一检测器阵列接收所述检测射线,并且通过所述检测器阵列在加热射线的一个光脉冲内执行多个时间上前后相继的测量,从而确定所述流体内的加热位置的折射率随时间的变化曲线。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述加热射线和所述检测射线由同一辐射源发出。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述加热射线和所述检测射线由不同的辐射源发出。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,所述检测射线的平均直径大于所述加热射线的平均直径。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,使加热射线和检测射线聚焦在所述流体内部的一个区域。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,透射过所述流体的加热射线和检测射线是平行射线。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,所述加热射线和检测射线均是调制的光学射线。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,所述检测器阵列是线性的检测器阵列。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,所述检测器阵列是二维的检测器阵列。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,根据光学的所述检测射线的接收轮廓确定流率。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,通过确定统计动差的下降确定所述流体的流速。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,确定所接收的信号的统计动差。
13.根据权利要求12所述的方法,其特征在于,确定平均值、方差、偏度和/或曲率。
14.根据权利要求12所述的方法,其特征在于,将所述光学的检测射线的位置的平均值的移动作为所述流量的度量。
15.根据权利要求13所述的方法,其特征在于,确定所述光学的检测射线的方差随流量的变化。
16.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,对光学的所述检测射线进行强度调制并确定所述调制和测量的相位移动。
17.根据权利要求16所述的方法,其特征在于,以多个频率调制光学的所述检测射线。
18.根据权利要求16所述的方法,其特征在于,随机地调制光学的所述检测射线。
19.一种用于确定流体的流量的设备,该设备带有由所述流体(8)流过的管(2.1),该管具有对于检测射线(2.3)至少部分透明的壁(2.1.1),该设备还带有用于加热所述流体(8)内部至少一个区域的装置,用于产生检测射线的激光器(2.2)以及一电子估值装置(5),其中,这样地布置所述用于加热所述流体(8)内部至少一个区域的装置以及导引所述用于加热所述流体(8)内部至少一个区域的装置的加热射线(2.3.1)的光学装置(2.4,2.6),使得所述加热射线(2.3.1)在加热区域加热的绝对位置透射过该加热区域,其特征在于,用于加热流体的装置是用于产生强度调制的加热射线(2.10,2.3.1)的激光器(2.8,2.2),这样地构造所述光学装置(2.4,2.6),使得所述加热射线和检测射线的光轴在加热位置是一致的,一检测器阵列(2.5)被设置用于接收所述检测射线,其中,所述检测器阵列(2.5)设计用于在加热射线的一个激光脉冲内执行多个时间上前后相继的测量,从而能确定所述流体内的加热位置的折射率随时间的变化曲线。
20.根据权利要求19所述的设备,其特征在于,产生所述检测射线(,2.3)的所述激光器(2.2)是用于加热所述流体的装置。
21.根据权利要求20所述的设备,其特征在于,所述光学装置(2.4,2.6)是这样的,使得所述检测射线(2.3)不分支地穿过所述流体(8)定向。
22.根据权利要求20或21所述的设备,其特征在于,所述光学装置(2.4,
2.6)包括一个用于将检测射线和加热射线聚焦在流体流(8)内部的聚焦透镜(2.6)。
23.根据权利要求19至21中任一项所述的设备,其特征在于,所述设备包括一个用于使射线平行化且使平行射线透射过所述流体(8)的透镜(2.4)。
24.根据权利要求19至21中任一项所述的设备,其特征在于,所述用于产生检测射线的激光器(2.2)是调制的激光器。
25.根据权利要求19至21中任一项所述的设备,其特征在于,所述检测器阵列(2.5)是线性的检测器阵列。
26.根据权利要求19至21中任一项所述的设备,其特征在于,所述检测器阵列(2.5)是二维的检测器阵列。
27.根据权利要求19至21中任一项所述的设备,其特征在于,所述估值装置被设计用于确定所接收信号的统计动差。
28.根据权利要求27所述的设备,其特征在于,所述估值装置被设计用于确定平均值、方差、偏度和/或曲率。技术领域
本发明涉及一种用于确定流动的流体的流量的方法及设备。
背景技术
业已公知的是,此类方法和装置有不同的设计。因此,已知的是测量一(窄的)激光束通过流体的(另一宽度的)加热区的偏转,以便回推出流体的速度。作为替代已知的是,借助必要时的光学检测装置在必要时同样以光学方式产生的加热位置的上游通过短时间加热区域从加热位置到测量位置所经过的时间来测量流体的流动速度。不过缺点在于,在此需要两个位置分开的工作地点和装置,一个用于加热,另一个用于对加热进行检测。因此,本发明所要解决的技术问题在于,提供一种用于确定流动的流体的流量的改进的方法和改进的设备,同时避免上述缺点。
发明内容
根据本发明,上述技术问题通过一种本文开头所述类型的方法加以解决,其中,借助光学加热射线加热流体,加热位置由光学检测射线透射,其中,加热射线和检测射线的光轴至少在加热位置是重合的,并且,借助检测器阵列接收该检测射线。为解决上述技术问题,本发明还提供一种本文开头所述类型的设备,其中,这样地布置有用于加热流体内部的有限区域的装置和导引激光射线的光学装置,使得测量射线在加热区域加热的绝对位置穿透该加热区域。流量表示这样一个特征量,如流率、流速、体积流量或类似量。通过在流体(尤其是水,其对于970nm的波长的吸收系数为0.46m^-1)中部分吸收光学射线,如激光射线,在加热区感生出一热透镜。该透镜并且尤其是其流激特性被测量以确定流速。测量借助同一激光束的未吸收的光线实现,因此激发射线和测量射线一致。该方法是一种对加热的流体的光学特性由热导致的改变的非侵入式的、无接触的热测量方法。测量在与加热相同的绝对位置处进行:也就是说,加热位置和测量位置在空间中相同或者空间地重叠。对激光射线的检测通过带有多个单个检测器(至少两个)的检测器阵列实现,其中,多个单个检测器同时采集入射光线的光。除了流体中热感生的热透镜的散射之外,这可以另外通过在管外部布置在检测器阵列之前的光学透镜或一组光学透镜扩展。由此可以采集到加热区域的各种特性,而不仅是该加热区域的偏移(运动),而且也包括该加热区由于流动运动而造成的变形(即在加热区域内的形状改变)。根据本发明,因此不仅全局地通过光线的偏转确定感生热透镜的折射率,而且也对较大范围进行了全局测量并由此对较大范围的流激特性(尤其是形变)进行了全局测量。流体借助光学射线(无接触地)被加热,其中,尤其是加热流体的射线以其透过该流体的光被检测。根据一种优选实施形式,加热射线和检测射线由同一辐射源发出或者加热射线和检测射线由不同的辐射源发出。在后一种情况下,辐射源具有相同或不同的频率范围。加热射线和检测射线的借助光源的产生可以通过使该射线分支、由不同滤光器的过滤、和/或由不同成像光学器件的不同扩展而实现。相应地,用于加热流体区域的装置同样可以是与测量光源相同的辐射源或光源(例如激光器),其中,尤其是射线导引也可以是这样的,使得辐射源或光源的各射线没有分裂。在一种优选的扩展形式中可以规定,检测射线具有比加热射线更大的平均直径。光学射线可以在管内部并因此在流体流内聚焦,或者也可以在该管的外部聚焦,不过,也可以作为平行射线穿透该管。在本发明的一种优选的扩展形式中可以规定,通过检测器阵列进行多个在时间上前后相继的测量。当光源是调制或脉冲激光器(如在优选的构造中设计的一样)时,时间上前后相继的测量可以在一个激光脉冲的内部执行。由此可以检测加热区域内的加热受流速影响的时间发展。而原则上可以规定,借助线性检测器阵列进行检测,其中,线性检测器阵列就沿流动方向定向,如优选实施形式所设计的那样,检测借助平面的(二维的)检测器阵列实现。根据本发明的方法的扩展形式规定,根据接收到的光学射线的轮廓确定流量,其中,尤其确定所接受的信号的统计动差,如平均值、方差、不均匀性和/或曲率并通过对统计动差的下降的确定而确定流体的流速。每个确定的(统计)动差与射线形状的不同特征相联系,由此与热透镜的形状、并由此与流速相联系。替代从统计动差关于时间的指数特性确定流动值,可以在给定的激光激励频率下确定统计动差的相移。因此可以规定,将光学射线的位置的平均值的移动作为流量的度量和/或与通过流量确定光学射线的方差的减少。根据本发明的其它优选扩展,对光学射线进行强度调制,并且确定调制的相移,使得光学射线以多个频率被调制和/或使得光学射线随机地被调制。
附图说明
本发明的其它优点和特征由权利要求及下面的说明给出,其中参照附图详细地解释了本发明的实施例。在附图中:图1以示意的整体概要图示出了根据本发明的设备;图2.1至图2.7示出了透射过流动的流体的光学加热射线和检测射线的各种实施形式,一部分是平行的射线,一部分是聚焦的;图3.1和图3.2示出了带有用于加热射线和检测射线的不同辐射源的、本发明的两种实施形式,其中,在图3.1中所述加热射线和检测射线作为平行的射线透射,而图3.2中所述加热射线和检测射线则在流体内部的一个区域聚焦;图4是当测量射线和加热射线不一致时它们的横截面比例的视图;图5是测量射线的分布曲线在不同时间沿流动方向的发展;图6.1是各种流率(单位:毫升/分)的平均值的视图;图6.2是各种流速(单位:毫升/分)的标准差的视图;图7是输出调制和接收的光学射线之间的相位关系变化的视图。
具体实施方式
根据本发明的设备1具有布置在激光电子器件3之前的光学装置2、放大器装置4、电子估值装置5以及接口装置6。还设有用于各个电气和电子部件的供电装置7。导引流体8的管2.1穿过光学装置2,该管带有至少在测量区域对于测量射线2.3透明的壁2.1.1,例如由玻璃制成的壁。光学装置具有作为光学光源的激光器2.2,该光源例如以970±15nm的波长以及100mW的功率运行。光学射线2.3或激光射线通过第一透镜2.4平行化,透射过管2.1并入射到带有多个单个检测器的检测器阵列2.5。检测器阵列2.5与电子放大器4.1相连。激光器控制器3具有调制器3.1和用于控制激光器2.2的激光器驱动器3.2。在估值装置5中,在放大器4.1后连接一个模数转化器5.1以及一个计算机或优选形式为数字处理器5.2的处理器。接口用于向显示器、存储介质和/或打印机输出计算出的数据。设置有控制线9.1、9.2以用于协调激光器控制器以及估值控制器并且必要时用于反馈或调节激光器的运行。在图2.1中所示的光学装置相应于图1所示的光学装置,并且具有用于使光学射线平行化的透镜2.2,所述光学射线作为平行射线透射过管2.1并由此透射过被导引通过该管的流体8。流体的流动方向由向下箭头S表示。在图2.2所示的实施形式中,在管2.1之前设有另一透镜2.6,该透镜将射线2.2聚焦在流体8的内部,其中,射线2.2从流体中发散地射出并入射到检测器阵列2.5。在图2.3所示的实施形式中,除了两个透镜2.4和2.6之外,在管2.1的背对激光器2.2的一侧设有另一透镜2.7,该透镜将射线2.2进一步展宽。图2.4所示的实施形式与图2.2和图2.3的实施形式的不同之处在于,光线通过透镜2.6在激光器侧聚焦在管2.1之前。与之相应的是图2.5所示的实施形式,其中,再次在管2.1的背对激光器2.2的一侧通过透镜2.7实现展宽。尽管在图2.2和图2.3的实施形式中焦点在流体内部,但却在相对于对称轴朝向激光器2.2的一侧,而在图2.6所示实施形式中,焦点从对称轴看在流体内部的背对激光器并且朝向成像阵列2.7的一侧。图2.7所示的实施形式如同图2.1所示的实施形式还具有平行射线,不过该平行射线相应于图2.5、2.6所示的实施形式由在背对所述激光器的一侧的透镜2.7在检测器阵列2.5之前展宽。在图1和图2.1至图2.7所示的实施形式中,从光学射线或激光射线出发,所述光学射线或激光射线不但加热在管2.1内流动的流体8,而且检测由于加热而形成的光学透镜及其受流动影响的构造,也就是即用作加热射线,也用作测量射线。图3.1和图3.2示出了图2.1至图2.7的实施形式的替代实施形式,带有用于检测射线2.3和加热射线2.10的两个不同的辐射源或光源2.2、2.8。图3.1和图3.2所示的实施形式中的检测射线2.3的布置和构造分别对应于图2.1和图2.2的实施形式,因此可以参考对它们的说明。同样的部件以相同的附图标记表示。为检测射线2.3设置辐射源2.2。在辐射方向上,在辐射源之后布置聚光透镜2.4,该聚光透镜在图3.1和图3.2所示的两种实施形式下使检测射线2.3平行化。与图2.1和图2.3所示实施形式不同并作为补充的是,所述检测射线接着在透射过管2.1和在管2.1中流过的流体8之前透射过与射线方向成45°的部分透射镜2.11。在图3.1所示实施形式中,检测射线作为平行射线透射过管2.1以及起泡的流体8,并接着入射到检测器阵列2.5。在图3.2所示实施形式中,检测射线2.3在透射过部分透射镜2.11之后借助聚光透镜2.6聚焦在管2.1的内部并因而聚焦在流过该管的流体8的内部,并作为发散射线入射到检测器阵列2.5。检测射线的频率和功率这样地选择,使得检测射线不会对流体8起到明显的加热作用。为此,设有发出加热射线2.10的第二辐射源或光源2.8。该加热射线首先透射过聚光透镜2.9,并由该聚光透镜类似于射线2.3通过聚光透镜2.4地那样平行化。加热射线然后入射到部分透射镜2.11的朝向管2.1的一侧,在该镜处被反射并因而偏转90°,因此在反射后加热射线的光轴与检测射线2.3的光轴相一致。加热射线2.10在图3.2所示的实施形式中同样透射过聚光透镜2.6并聚焦在流体8内,而在图3.1所示的实施形式内则作为平行射线入射到流体内。尽管为简化起见在图3.1和图3.2中将射线2.3和2.10在反射后以相同的横截面尺寸和射线导向示出,但也可以不同于此,这如图4所示并在下文中说明。此外,必要时也可以使检测射线作为平行射线透射过流体,但却使加热射线2.10在流体中聚焦,或者反之,即,使加热射线作为平行射线透射过流体,但却使检测射线在流体中聚焦或者以另一种在图2.3至图2.6中所示的方式聚焦。在此,必要时就将部分透射镜2.11布置在聚光透镜2.6之后,并使聚光透镜根据所希望的射线聚焦或者处于检测射线2.3的光路内或者处于加热射线2.10的光路内。此外,图2.3、图2.5至2.7所示的实施形式也是可能的,即,用于检测射线的散射透镜2.7在检测射线透射过管2.1以及流体8之后在构造2中有用于检测射线2.3和加热射线2.8的不同辐射源。图4所示的实施形式设有两个射线,也就是在测量射线2.3之外有单独的加热射线2.3.1。重要的是,加热射线的直径不大于、也就是小于或等于测量射线2.3的直径。在所示实施例中,测量射线2.3和加热射线2.3.1同轴地导引。所述检测射线和加热射线可以由不同的光源或由一个光源发出并以相应地方式引入到所示的光路上。激光器2.2是调制或脉冲的激光器,因此激光射线是调制或脉冲激光2.3。通过设置带有多个单个检测器的检测器阵列2.5,其中检测器阵列2.5可以是线性的或平面的检测器阵列,不仅确定激光射线通过透镜的局部偏转,而且由此可以通过多个单个检测器确定由加热形成的热透镜的全局特性。在激光脉冲持续的时间内进行多次测量,使得可以采集热透镜的发展的时间特性,该时间特性基本上由流体的流速确定。为更精确地确定流动特性,借助估值装置4对所接收的信号进行统计评估,尤其是确定作为平均值的第一统计动差,作为方差的第二统计动差,作为统计偏度的第三统计动差以及作为曲率的第四统计动差。通过光能、尤其是激光能向流体8内的辐射,实现了局部温升,这与激光强度有直接关系,并导致温度在流体内的不均匀分布。由此感生出热透镜效应,该效应影响光线并因此改变由检测器装置接收到的强度或功率分布。由于流体的流动改变了温度分布并相应地也改变了所接收的光功率的分布。利用这种与激光控制相联系的改变以确定流动的流体的流动特性。在流体不流动的情况下,所接收到的辐射的强度和功率分布是对称的,且热透镜效应在于减小强度分布的宽度(不过其中也可以根据系统的物理结构和激光聚焦实现激光射线的展宽)。当流体流动时,温度分布不再是对称的。由此得出,如图5所示,激光的强度分布与流体静止时的位置不同并且不是对称的。根据本发明,这种不同用于确定流体流动的特征或特性,如流率或体积流量,其中流速和关于管径的流率直接相互联系。在激光器的脉冲调制的情况下,在一个脉冲过程中进行若干测量并处理所接收到的信号。脉冲的持续时间和频率优选与系统的时间常数相适应。所述常数取决于系统的物理结构(如部件间的距离),取决于激光射线的聚焦以及待确定流率的区域。因为在接入激光时温度升高,所以所接收的激光射线的功率或强度分布就随时间变化。这种改变取决于流体在系统内的速度并因而取决于流率。业已确定,激光强度分布的平均位置或位置平均值及其宽度(标准差)的改变与流速有关。相应地可以根据由检测器阵列的各个沿流动方向前后相继的检测器元件接收的光强以常规方式确定所接收的光强的(位置)平均值和标准差。由图6.1和图6.2可知,示出了指数衰变及类似的时间特性。同样可以确定较高阶的统计动差,如偏度和曲率,并同样与流率有关。这种值构成获得的数据投影到数据子空间下的一个例子,由此可以将信号中的不同的模值分开并因此可以这样地改进对流率的确定。如图所示,平均值例如可以通过形式为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="399"/>或μ(t)=γ+∑β_itanh(α_it)的模型进行逼近,其中,后一模型具有更好的收敛性而关于初始条件的灵敏度则相对于指数模型降低。模型公式中的参数与流率相匹配,其中除了线性的模型之外也可以用非线性的模型。为激光器的脉冲激励开发的算法给出系统的指数解。在滤波器理论中,这种解对应于一阶的自动回归模型。已经确定,表示平均值-位置的发展的指数模型的时间常数与流率紧密相联系。在假定系统的性质如同一阶的自动回归滤波器时,解的相位随流率一起变化。因此,如果激光器输出功率随余弦函数变化,并且确定了在所接收的平均激光器功率位置(或者更高阶的统计动差)和调制的输出信号之间的相位移动,那么也可以由此得到流率。如果确定了通过泵泵送的流体的流量并且泵频率接近调制频率,那么可能出现问题。这种问题可以如下地克服:将激光以两个不同频率调制并根据两个频率确定流率,其中所接收的信号被围绕每个频率进行滤波。另一解决方案可以是,检测干扰的相互作用并改变调制频率。还可以通过主元分析(Principlexa0Componentxa0Analysis-PCA)在传感器中区分出波的不同模。在图7中示出了相位移动随速度的改变。有利的是,用多个调制频率来调制激光器,从而可以放大要监控的流率范围。例如,在流率较小、通常为0至6毫升/分钟(管内径为4mm)的情况下,在调制频率较低、为例如10Hz时分辨率较好,而在较高调制频率、例如80Hz下,测量范围可以展宽直至25毫升每分钟。尽管在脉冲激光器的情况下所接收到的信号的时间信息被用于确定流率,在调制激光器的输出强度时,在所选频率下既产生时域解又产生频域解。为利用整个时频域,可以随机地引入用于控制激光器的噪声(例如白噪声、必要时进行滤波)。由此可以覆盖更宽的频域。通过确定系统的解并因此确定传递函数,可以产生传递函数和流率之间的关系。附图标记列表1设备2光学装置2.1管2.1.1壁2.2激光器2.3光学射线2.3.1加热射线2.4透镜2.5检测器阵列2.6透镜2.7透镜2.8辐射源或光源2.9聚光透镜2.10加热射线2.11镜3激光电子器件3.1调制器3.2激光驱动器4放大器装置5估值装置5.1模数转化器5.2数字处理器6接口装置7供电装置8流体9.19.2控制导线