LaserEye: : Design and construction of a combined laser Doppler velocimeter and Raman spectrometer prototype

Abstract

The LaserEye concept, presented by Haddadi et al., 2018 (DOI 10.1016/j.cej.2017.10.027) combines a Laser Doppler Velocimeter and a Raman Spectrometer, using only one light source for both measurements. It was shown in the Proof of concept (PoC), that a simultaneous measurement of the velocity and Raman spectrum of a liquid process stream is possible. The PoC used a single laser source, but two sensor heads which had been arranged in 90° to each other. In this thesis, a new prototype based on the LaserEye concept is designed, which needs only one measuring opening to measure velocity, direction, composition, and concentration of a process stream simultaneously. The further developed LaserEye consists of a laser source, a telescope optic to adjust the measurement volume and a beam splitter unit which divides the incoming excitation beam in three beams with equal optical power. Further, an off axis parabolic mirror not only focuses the three excitation beams on the target but also collects the scattered light and an edge filter divides the scattered light in a short wave partial beam used for LDV measurements and elastic scattered, long wave light, which contains the spectroscopic information, used for Raman spectroscopy. A LDV unit then delivers the velocity and the direction of the tracer particle in the process stream which scattered the light, and a Raman spectrometer returns the composition and the concentration of the substances in the measurement volume. Furthermore, a new measurement method was found to obtain the velocity and the direction information of the 3-dimensional target movement with only one laser source, one sensor and without frequency shift. Therefore, a 3-dimensional measurement volume is created with three irradiating beams from which the velocity and direction of the tracer particles in the process stream can be calculated. Due to its compact and robust built, the new measurement method, which is in registration as Patent (A 50019/2021), is perfectly fitted as LDV unit in the Laser Eye.

Das LaserEye-Konzept, welches 2018 von Haddadi et al. (DOI 10.1016/j.cej.2017.10.027) vorgestellt wurde, kombiniert ein Laser-Doppler-Anemometer (LDA) und ein Raman-Spektrometer, wobei für beide Messgeräte dieselbe Lichtquelle für simultane Messungen verwendet wird. In einer ersten Ausführung wurde gezeigt, dass eine Messung der Geschwindigkeit und des Raman-Spektrums in einem Strömungskanal simultan möglich ist. Der konzeptionelle Beweis verwendete eine Laserquelle, aber zwei Sensorköpfe, die im 90°-Winkel zueinander angeordnet waren. In dieser Arbeit wird ein neuer Prototyp basierend auf dem Konzept des LaserEye vorgestellt, der mit nur einer Messöffnung Geschwindigkeit, Richtung, Zusammensetzung und Konzentration eines Prozessstroms simultan messen kann. Das weiterentwickelte LaserEye besteht aus einer Laserquelle, einer Teleskopoptik zur Einstellung des Messvolumens und einer Strahlteilereinheit, die den einfallenden Erregerstrahl in drei Strahlen gleicher optischer Leistung aufteilt. Ein außeraxialer Parabolspiegel fokussiert die drei Anregungsstrahlen auf das Ziel und sammelt das gestreute Licht. Ein optischer Filter teilt das gestreute Licht in einen kurzwelligen Teilstrahl, der für die LDA-Messung verwendet wird und in einen elastisch gestreuten, langwelligen Teilstrahl, welcher die spektroskopische Information enthält und für die Raman-Spektroskopie verwendet wird. Eine LDA Einheit liefert dann die Geschwindigkeit und die Richtung der Tracer-Partikel im Prozessstrom an denen das Licht gestreut wurde und ein Raman-Spektrometer liefert die Zusammensetzung und die Konzentration der Substanzen im Messvolumen. Zusätzlich wird ein neues Messverfahren vorgestellt, um die 3-dimensionalen Geschwindigkeits- und Richtungsinformationen der Tracer-Partikel im Prozessstrom mit nur einer Laserquelle, einem Sensor und ohne Frequenzverschiebung zu ermitteln. Dafür wird mit drei einfallenden Laserstrahlen ein 3-dimensionales Messvolumen aufgespannt, aus dem die Geschwindigkeit und Richtung der Tracer-Partikel im Prozessstrom berechnet werden kann. Aufgrund der robusten und kompakten Bauweise eignet sich dieses neue Messverfahren, welches zum Patent angemeldet (A 50019/2021) wurde, besonders gut für den Einbau als LDA Einheit im LaserEye.