Reduzierung der systematischen Messunsicherheit in der Doppler-Global-Velocimetry durch den Einsatz von Laserfrequenzumtastverfahren

Optische Verfahren kommen in vielen Anwendungsbereichen der Strömungsmesstechnik zum Einsatz. Dreikomponentige, mehrdimensionale Verfahren besitzen hierbei eine besondere Bedeutung in der Analyse komplexer Strömungsvorgänge. Die Doppler-Global- Velocimetry (DGV) ist ein spektroskopisches Verfahren zur dreikomponentigen Messung von Strömungsgeschwindigkeitsfeldern, welches auf der ortsaufgelösten Messung der geschwindigkeitsabhängigen Dopplerfrequenzen bei der Streuung von Laserlicht aus einem Lichtschnitt basiert. Aus der frequenzabhängigen Transmission des Streulichts durch eine Absorptionszelle kann über eine Kalibrierung auf die Frequenzverschiebung und damit auf die Geschwindigkeit geschlossen werden. Bei konventionellen DGV-Verfahren wird das Streulicht über einen Strahlteiler auf eine Referenzkamera und durch die Absorptionszelle auf eine Messkamera abgebildet, um anhand der Intensitäten die Transmission bestimmen zu können. Eine Polarisationsabhängigkeit des Strahlteilers, unterschiedliche Abbildungen in Mess- und Referenzzweig, eine unterschiedliche Charakteristik korrespondierender Bildpunkte beider Kameras und fluktuierende Dunkelbild- und Fremdlichtintensitäten führen hierbei zu systematischen Messabweichungen, die in der Literatur mit bis zu 5 m/s beziffert werden. Änderungen der Absorptionszellentemperatur zwischen Kalibrierung und Messung können zu weiteren Messabweichungen führen. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Umsetzung eines selbstkalibrierenden DGV- Verfahrens mit Laserfrequenzumtastung, welches keine Referenzkamera benötigt und somit die genannten Messunsicherheitsbeiträge reduziert. Durch die Auswertung von Bildfolgen bei verschiedenen, definierten Laserfrequenzen auf beiden Absorptionslinienflanken werden die Einflüsse von Fremdlicht und Dunkelbild eliminiert. Gleichzeitig erlaubt die Erfassung der Steigungen an den Absorptionslinienflanken, den Einfluss der Absorptionszellentemperatur zu minimieren. Messungen an einer rotierenden Scheibe zeigen systematische Messabweichungen von unter 0,2m/s für Geschwindigkeiten bis 30 m/s und eine Reduzierung der Temperaturabhängigkeit auf ein Viertel gegenüber Messungen ohne Selbstkalibrierung.