Hallo,
ich würde ganz gerne die Geschwindigkeit einer heißen Strömung messen,
die in Form eines für den Menschen gut sichtbaren Freistrahls (mittlere
Durchmesser von einigen mm, Strahl-Länge etwa 20mm) mit einer
unbekannten (mittleren) Geschwindigkeit aus einer Düse austritt.
Aufgrund der hohen Temperaturen der Strömung sind hydrodynamische
Messungen ausgeschlossen, weshalb ich die Messung mittels Fotodioden und
entsprechender Auswerteelektronik in Erwägung ziehe:
Hierbei sollen zwei Fotodioden in definiertem Abstand (z.B. Strahlanfang
x1 = 0mm und Strahlspitze x2 = 20mm, x2-x1 = delta-x = 20mm) angeordnet
werden. Anschließend wird die Strömung bzw. der Gasauslass an der Düse
aktiviert und der Messvorgang an den Fotodioden gestartet. Die Strömung
bzw. der sich ausbildende Freistrahl erreicht nun zunächst die erste
Fotodiode, die zum Zeitpunkt t1 anspringt. Kurze Zeit danach erreicht
der Freistrahl die zweite Fotodiode zum Zeitpunkt t2. Aus der
Zeitdifferenz t2-t1 = delta-t kann unter der Annahme identischer
Trägheiten des Aufbaus schließlich in Kombination mit dem definierten
Abstand die mittlere Geschwindigkeit des Strahls aus v = delta-x/delta-t
abgeschätzt werden.
Nun zum Problem: Ich kann wohl mit dem Lötkolben umgehen und
(unkomplizierte) Schaltpläne lesen und umsetzen, habe allerdings keine
fundierten Kenntnisse aus der Elektronik/Elektrotechnik. Wie kann ich
mein Vorhaben also mit diesem Hintergrund möglichst einfach realisieren?
Vielen Dank für jeden Tip!!
Als kleiner Hinweis, den ich leider im ersten Post vergessen habe:
Eine grobe Abschätzung der Geschwindigkeiten lässt Werte im Bereich
einiger Hundert m/s erwarten, so dass eine hohe Abtastfrequenz der
Fotodioden / des Messaufbaus erforderlich sein wird.
Angenommen v = 500 m/s und der Abstand der Fotodioden delta-x = 20 mm =
0,02m, wäre die Zeit, welche der Strahl zwischen den Fotodioden
zurücklegt, gerade einmal 40 µs. Zur sicheren Erfassung (z.B. doppelte
Abtastfrequenz) müsste die Abtastung also im niedrigen µs-Bereich
liegen.
Ohne jetzt genau verstanden zu haben, wie Du Deine Fotodioden
'bestrahlen' möchtest, die Auswertung der Zeit zwischen
Start-Stopp-Signal ist rel. einfach:
http://www.mino-elektronik.de/7-Segment-Variationen/LCD.htm#lcd6
An Stelle des 12MHz Quarzes kann man 20MHz nehmen, wodurch dann eine
Auflösung von 50ns erreicht wird. Bei den 40µs Meßzeit wären das ca. 800
Punkte, was (rechnerisch) einer Auflösung von 0,125% entsprechen würde.
Verstehe ich das richtig, es soll nur einmalig zu Beginn des Ausströmens
gemessen werden? Ansonsten müsste die Lichtschranke auf feine
Schwankungen im Gasstrom ansprechen, das stelle ich mir kompliziert vor.
Alternativ wäre an den Dopplereffekt im Mikrowellenbereich zu denken,
aber auch da muss der Gasstrahl irgendwelche Diskontinuitäten aufweisen.
Alex schrieb:> Angenommen v = 500 m/s
das sind 1800 km/h, also fast 2-fache Schallgeschwindigkeit.
Bist du sicher, dass du da nicht etwas zu hoch greifst?
Oh klasse, gleich soviele Antworten. Hätte ich nicht erwartet - vielen
Dank für euren Eifer ;-)
@Fluider:
Worauf willst du denn hinaus? Es geht um eine heiße Gasströmung. Falls
es dir nur um Begrifflichkeiten geht, umfasst die Hydrodynamik m.W.
sowohl bewegte Flüssigkeiten und Gase bzw. eben alle "Fluide", d.h. man
könnte auf die Idee kommen, die Strömungsgeschwindigkeit des Gases auch
durch Messung des Staudruckes (dynamischer Gasdruck) am Düsenausgang zu
ermitteln. Dies ist aber aufgrund der hohen Temperaturen hier nicht
möglich und soll nicht weiter verfolgt werden.
@Christoph Kessler:
Richtig. Es geht im Grunde nur um 1 Messung unmittelbar nach
"Einschalten" des Gasstroms. Ungefähr so als würde ich ein Feuerzeug
zünden und dabei die Geschwindigkeit (des Aufbaus) der sichtbaren Flamme
erfassen.
@Karl Heinz:
Dein Hinweis ist gut. Meine Abschätzungen sind aber dennoch angebracht,
da hier eine spezielle Düse eingesetzt wird, dessen Geometrie in
Anlehnung an Lavaldüsen konvergente und divergente Bereiche aufweist,
wodurch das Gas auf Überschallgeschwindigkeiten beschleunigt werden kann
(Verdichtungsstöße möglich). Auch deswegen gestaltet sich eine
"thermodynamische" Herangehensweise als schwierig.
Die kurzen Zeiten sind kein wirkliches Problem. Schwieriger ist schon
die Lichtschranke, die auch auf Störungen durch heißes Gas anspricht.
Das sollte mit Laserstrahlen und etwas Abstand gehen - damit hat man
dann auch genügend Intensität, damit man die Schaltung auf
Geschwindigkeit, ohne großes Rücksicht auf Rauschen auslegen kann.
Bei z.B. 0,5 mW Laserleistung hätte man an der Fotodidode etwa 0,2 mA
bzw. an 100 Ohm etwa 20 mV Spannung. Das ist nicht viel, kann aber schon
für einen Komparator oder den Eingang eines fertigen Frequenzzählers
ausreichen. Eine Alternative wäre ggf. ein DSO zur Datenaufnahme.
Begrenzend ist auch eher die Messung der Position bzw. des Abstandes,
denn der Laser wird einiges an Durchmesser haben.
Mikrowellendopplermessung klingt kompliziert, könnte aber ggf. mit
fertigen Modulen funktionieren.
Hydro stammt vom griechischen Hydor = Wasser ab. Fremdwörter sollte man
nur benutzen wenn man ihre Bedeutung kennt. Es macht schon einen
Unterschied ob ich einen Gas- oder Wasserstrahl detektieren will.
Um welches gas handelt es sich denn?
Das detektieren scheint für mich der schwerste teil zu sein.
Ist es ein durchsichtiges gas, muss eventuell die Brechung des lichtes
an dem gas genutzt werden.
Also der Strahl muss so gebrochen werden, dass er nicht mehr (oder
weniger) auf die photodiode trifft.
Das geht auch nur wenn der Brechungsindex des Gases bei !=1 liegt.
Vielleicht reicht auch die Veränderung des Brechungsindex an der
Luft/gas Grenze ganz vorne. Das muss getestet werden
Fluider schrieb:> Fremdwörter sollte man> nur benutzen wenn man ihre Bedeutung kennt. Es macht schon einen> Unterschied
Reg Dich nicht auf, geh nach Hause und mache einen Unterschied.
@Fluider:
Also wenn es dir nur um die Begrifflichkeiten geht, hast du natürlich
Recht. Statt hydrodynamisch wäre dann wohl fluid- oder, in Anlehnung an
deine Begründung, vermutlich aerodynamisch (das hier verwendete Gas ist
ionisierte Luft) richtig. Zur Vollständigkeit sollten wir dann aber
festhalten, dass Wasser auf griechisch "nero" heißt - "hydor" ist
altgriechisch ;-) Um diesen Part der Diskussion dann zu beenden: hier
geht es also um ein GAS.
@Gerald G.:
Es handelt sich um Luft - besser gesagt um lokal ionisierte Luft bei
Temperaturen in einer Größenordnung von etwa 2000 K. Wie oben schon
beschrieben, ist der Freistrahl durch die im Gas stattfindenden
Ionisierungs- und Rekombinationsprozesse dadurch deutlich sichtbar
(starke Lichtintensitäten im sichtbaren gelben Wellenlängenbereich
~570...590 nm). Wenn die Fotodiodenf für diesen Bereich ausgewählt
werden, sollte doch über den Intensitätsanstieg der Zeitpunkt, an dem
der Strahl die Fotodiode erreicht, detektiert werden können.
Beim Licht wird es deutlich einfacher schnell zu detektieren, wenn man
eine hohe Intensität hat. Das Selbstleuchten schnell zu erkennen ist
dagegen schon recht anspruchsvoll. Ob da eine normale Fotodiode
ausreicht ist nicht klar. Schnell bedeutet halt viel Bandbreite und
reagiert damit auch auf Rauschen. Die üblichen einfachen rauscharmen
Verstärker für Fotodioden sind eher langsam. Das schnell zu machen ist
schon ein etwas anspruchsvolles Elektronik-Projekt.
@ Ulrich (Gast)
>Beim Licht wird es deutlich einfacher schnell zu detektieren, wenn man>eine hohe Intensität hat.
Wenn es weinger Intensität hat, braucht man halt mehr Verstärkung.
> Das Selbstleuchten schnell zu erkennen ist>dagegen schon recht anspruchsvoll. Ob da eine normale Fotodiode>ausreicht ist nicht klar.
Warum nicht?
>Schnell bedeutet halt viel Bandbreite und>reagiert damit auch auf Rauschen. Die üblichen einfachen rauscharmen>Verstärker für Fotodioden sind eher langsam.
Kaum. Selbst 0815 Photodioden erreichen Schaltzeiten von 5-10ns, wenn
man den richtigen Transimpedanzverstärker hat.
> Das schnell zu machen ist>schon ein etwas anspruchsvolles Elektronik-Projekt.
Es liegt deutlich über Arduino-Niveau, aber die ganz große Kunst ist es
eher nicht.
"Nun zum Problem: Ich kann wohl mit dem Lötkolben umgehen und
(unkomplizierte) Schaltpläne lesen und umsetzen, habe allerdings keine
fundierten Kenntnisse aus der Elektronik/Elektrotechnik."
Das ist allerdings zuwenig für dieses Projekt.
@ Ulrich (Gast)
>Die kurzen Zeiten sind kein wirkliches Problem. Schwieriger ist schon>die Lichtschranke, die auch auf Störungen durch heißes Gas anspricht.
Davon war nicht die Rede. Braucht man auch nicht, wenn der Strahl selber
leuchtet.
>Das sollte mit Laserstrahlen und etwas Abstand gehen - damit hat man
Jaja, Laser, Laser, Laser! hast du eine Ahnung, wieviele Lichtschranken
OHNE Laser blendend funktionieren (sic!).
>Bei z.B. 0,5 mW Laserleistung hätte man an der Fotodidode etwa 0,2 mA>bzw. an 100 Ohm etwa 20 mV Spannung. Das ist nicht viel,
Schon mal was von einem Transimpedanzverstärker gehört?
>Mikrowellendopplermessung klingt kompliziert, könnte aber ggf. mit>fertigen Modulen funktionieren.
Apfelmus ist Mus aus Äpfeln.
Also ich würde hier mit dem Brechungsindex versuchen zum Ziel zu kommen,
wie Gerald G. vorgeschlagen hat.
Man könnte mit einem Laser nicht zentral durch den Gasstrom, sondern am
Rande durchleuchten. Dann müsste er durch die verschiedenen Temperaturen
im Strahl und den entsprechenden Brechungsindex-Veränderungen eigentlich
abgelenkt werden. Eine Photodiode könnte das detektieren.
Allerdings ist die Geschwindigkeit am Rand bestimmt niedriger als im
Zentralbereich des Gasstroms, oder? Ein Laseraufbau, der mm-genau
fokussiert den Rand der Strömung touchiert, ist zwar nicht einfach, aber
vielleicht machbar.
Wenn man die Änderungen vom Brechungsindex vom Zentralbereich messen
möchte, dann wird eine Photodiode nicht ausreichen. Ich denke da an ein
Interferometer - das wird dann aber echt aufwändig...
Habs gerade mit einem Laserpointer ausprobiert: beweg mal ein Feuerzeug
durch den Strahl. Gibt bei mir an der Wand in 2m Entfernung einen
Ausschlag von einigen Millimetern. Das kann eine Photodiode messen.
Der Aufbau doppelt mit anständiger Auswerte-Elektronik liefert die
Geschwindigkeit (vom Randbereich des Stroms natürlich).
Ein Transimpedanzverstärker für die Fotodiode ist schon möglich, aber
für eine hohe Bandbreite (z.B. 10 MHz) nicht trivial, wenn er auch noch
rauscharm sein muss, weil man nur wenig Licht hat. Bei den Frequenzen
ist man schon in dem Bereich wo man ggf. keinen OP mehr nutzt, sondern
diskrete Transistoren / FETs in Basis bzw. Gateschaltung. Es ist dann
auch nicht mehr mit dem Schaltplan getan, sondern auch das Layout muss
passen.
Die Lösung mit Laser und entsprechend mehr Licht ist da einfacher und
ggf. sogar noch passiv möglich.
Danke erstmal an alle für die rege Diskussion.
Statt den Tendenzen Richtung Laser würde ich lieber gerne bei
Photodioden bleiben, weil die Zugänglichkeit zu entsprechendem Equipment
und der Aufwand m.E. für einen Laser-Aufbau nur noch schwieriger wird.
Wenn ich mal ein bisschen recherche finde ich durchaus einige Fotodioden
(z.B. inkl. fertigem Verstärkermodul), die zumindest in die Richtung der
hier erforderlichen Abtastraten für bezahlbares Geld zu bekommen sind.
Wäre es in einer "Quick-and-Dirty"-Methode zunächst auch möglich, zwei
solcher Fotodioden inkl. Verstärker an ein Oszilloskop zu hängen und
einfach mal einen Versuch zu starten? Oder gäbe es da noch etwas zu
beachten?
Da sich Licht mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet bekomen beide Dioden
fast zum selben Zeitpunkt Licht zu sehen, obe der Intensitätsunterschied
(wenn das Plasma an der 2. Diode vorbeikommt) ausreicht?
Auf jeden fall mal Lochblenden bzw. 2 Röhrchen in der die Dioden
drinnestecken.
Sich am Oszilloskop die ganze Geschichte mal anzugucken halte ich für
eine gute Idee.
