DOPPLEROWSKA ANEMOMETRIA LASEROWA (L D A

Metrologia przepływów - Dopplerowska anemometria laserowa
DOPPLEROWSKA ANEMOMETRIA LASEROWA (L D A)
Dopplerowska anemometria laserowa (LDA) jest techniką
pomiarową umożliwiająca pomiar chwilowej prędkości
przepływu poprzez pomiar przesunięcia częstotliwości światła
laserowego rozpraszanego przez zawieszone w płynie cząstki
efekt Dopplera można opisać następującą zależnością wektorową
U  → →
f sc = f l +  e2 − e1 
λ

→
(1)
oraz skalarną
2
f D = f sc − fl = U x sin (Θ / 2 )
λ
(2)
gdzie:
→
U
– wektor prędkości chwilowej
1
Metrologia przepływów - Dopplerowska anemometria laserowa
→ →
e1, e2
fl, fsc
θ
λ
fD
Ux
– wersory kierunków wiązek laserowych
– częstotliwości światła padającego (laserowego)
oraz rozproszonego
– kąt przecięcia pomiędzy wiązkami
– długość światła laserowego
– częstotliwość
Dopplera
(Dopplerowskie
przesunięcie częstotliwości)
– składowa wektora prędkości leżąca w
płaszczyźnie wiązek oraz prostopadła do
dwusiecznej kąta Θ
• liniowość charakterystyki (zależność
Dopplera od prędkości przepływu)
częstotliwości
fD ~ U x
(3)
• brak konieczności wzorcowania – λ oraz Θ są stałymi
Posiew
Praca układu LDA wymaga obecności w przepływie cząstek
rozpraszających światło laserowe. W przepływach 1-fazowych
cząstki muszą być wprowadzane do przepływu w sposób
sztuczny w formie tzw. posiewu.
Zalecane rozmiary (średnice) cząstek
d = 0.5 ÷ 3(10) µm
2
Metrologia przepływów - Dopplerowska anemometria laserowa
Ograniczenia rozmiarów cząstek
zdolność do efektywnego rozpraszania światła
d ≥ λ (0.5÷0.6µm)
pomijalna bezwładność umożliwiająca wierne
odwzorowywanie szybkozmiennych fluktuacji płynu
d < 3(10)µm
zależnie od zakresu częstotliwości przenoszonych w
przepływie oraz stosunku gęstości posiewu i płynu
Materiały stosowane jako posiew
woda
oleje (silikonowe)
proszki (odporne na wysokie temperatury)
2-tlenek tytanu (TiO2)
tlenek magnezu (MgO)
3-tlenek glinu (Al2O3)
"microbaloons"
Metody generacji cząstek posiewu
rozpylanie (ciecze)
złoże fluidalne (proszki)
cyklon (proszki)
rozpylanie
spalanie (generacja dymu)
reakcja chemiczna (generacja
reagujących gazów bądź cieczy)
cząstek
stałych
z
konieczność stosowania posiewu jest istotną wadą
anemometrii laserowej ograniczającą dziedziny jej
zastosowań oraz możliwości pomiarowe
3
Metrologia przepływów - Dopplerowska anemometria laserowa
1-kanałowy system LDA
1 – laser – źródło monochromatycznego światła spójnego
10mW ÷ 5W, CW (promieniowania
ciągłego)
kolory:
czerwony, zielony, niebieski, fioletowy
długość fali: 632.8nm, 514.5nm, 488.0nm, 476.0nm
moc:
2 – układ optyczny tworzący objętość pomiarową
anemometru (zestaw soczewek, pryzmatów, lusterek i
filtrów kolorowych bądź polaryzacyjnych)
3 – optyka odbierająca światło rozproszone
4 – fotodetektor (fotodioda lub fotopowielacz) – przetwornik
foto-elektryczny
5 – optyczno–elektroniczne urządzenie do zmiany
(przesuwu) częstotliwości jednej z wiązek laserowych
(umożliwia rozróżnialność zwrotu wektora prędkości)
4
Metrologia przepływów - Dopplerowska anemometria laserowa
6 – analizator – wyznacza chwilową prędkość przepływu
(sygnałów otrzymywanych z fotodetektora)
tracker – analizator analogowy ⇒ wymagana duża
koncentracja cząstek rozpraszających
counter – cyfrowa obróbka sygnałów, wymagane
duże doświadczenie obsługującego
BSA (burst spectrum analyser) – cyfrowa obróbka
sygnałów, pomiar w pełni zautomatyzowany
7 – interface do przesyłu danych do komputera
8 – oprogramowanie do sterowania rejestracją i obróbką
sygnałów
wielo-kanałowe systemy LDA
apomiar 2- lub 3-wymiarowych pól prędkości wymaga
zastosowania wielo-kanałowych systemów LDA
akażda składowa prędkości podlega pomiarowi za pomocą
osobnej, niezależnej objętości pomiarowej zróżnicowanej:
• kolorem (długością światła)
• polaryzacją
• wartością "przesuwu" częstotliwości (niewidocznej
zmiany koloru)
wymaga to zastosowania wielo-kolorowego lasera oraz
dodatkowych modułów układu optycznego
✔ światło rozproszone musi być analizowane przez niezależne
kanały anemometru składające się z:
• fotodetektora
• procesora sygnałów dopplerowskich
• kanału układu przesuwu częstotliwości
• interface'u
5
Metrologia przepływów - Dopplerowska anemometria laserowa
optyka 2-kanałowego systemu LDA
układ optyczny
funkcje:
• formowanie objętości pomiarowej
• wprowadzanie przesuwu częstotliwości (opcjonalnie)
modułowy charakter (wymienne moduły)
część modułów jest opcjonalna:
• regulator położenia przewężenia wiązki ⇒ minimalizacja
rozmiarów objętości pomiarowej
• "rozszerzacz" wiązek ⇒ polepszenie "zogniskowania"
wiązek
możliwy obrót – łatwość zmiany mierzonej składowej
wektora prędkości
montowana na ławie optycznej razem z laserem
6
Metrologia przepływów - Dopplerowska anemometria laserowa
optyka odbiorcza
elementy 9 ÷ 12
światło rozproszone rozdzielane jest na kolory i kierowane
do odpowiednich fotodetektorów dla rozróżnienia
informacji o poszczególnych składowych prędkości
rodzaje pracy
• z rozpraszaniem w przód (forward scatter)
- trudności w zestrajaniu
- czułość na drgania
- problemy z trawersowaniem
• z rozpraszaniem wstecz (backscatter)
- łatwość zestrajania
- łatwość użytkowania
- gorsza jakość sygnałów (stosunek sygnał/szum)
7