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 eekt Dopplera można opisać następującą zależnością wektorową oraz skalarną gdzie: U D sc = l U + λ e2 e1 2 = sc l = U x sin λ wektor prędkości chwilowej (1) ( Θ / 2) (2) 1
e 1, e 2 wersory kierunków wiązek laserowych l, sc częstotliwości światła padającego (laserowego) oraz rozproszonego θ kąt przecięcia pomiędzy wiązkami λ długość światła laserowego D częstotliwość Dopplera (Dopplerowskie przesunięcie częstotliwości) U x składowa wektora prędkości leżąca w płaszczyźnie wiązek oraz prostopadła do dwusiecznej kąta Θ liniowość charakterystyki (zależność częstotliwości Dopplera od prędkości przepływu) D ~ 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-azowych cząstki muszą być wprowadzane do przepływu w sposób sztuczny w ormie tzw. posiewu. Zalecane rozmiary (średnice) cząstek d = 0.5 3(10) µm 2
Ograniczenia rozmiarów cząstek zdolność do eektywnego rozpraszania światła d λ (0.5 0.6µm) pomijalna bezwładność umożliwiająca wierne odwzorowywanie szybkozmiennych luktuacji 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 (TiO 2 ) tlenek magnezu (MgO) 3-tlenek glinu (Al 2 O 3 ) "microbaloons" Metody generacji cząstek posiewu rozpylanie (ciecze) złoże luidalne (proszki) cyklon (proszki) rozpylanie spalanie (generacja dymu) reakcja chemiczna (generacja cząstek stałych z reagujących gazów bądź cieczy) konieczność stosowania posiewu jest istotną wadą anemometrii laserowej ograniczającą dziedziny jej zastosowań oraz możliwości pomiarowe 3
1-kanałowy system LDA 1 laser źródło monochromatycznego światła spójnego moc: 10mW 5W, CW (promieniowania ciągłego) kolory: czerwony, zielony, niebieski, ioletowy długość ali: 632.8nm, 514.5nm, 488.0nm, 476.0nm 2 układ optyczny tworzący objętość pomiarową anemometru (zestaw soczewek, pryzmatów, lusterek i iltrów kolorowych bądź polaryzacyjnych) 3 optyka odbierająca światło rozproszone 4 otodetektor (otodioda lub otopowielacz) przetwornik oto-elektryczny 5 optyczno elektroniczne urządzenie do zmiany (przesuwu) częstotliwości jednej z wiązek laserowych (umożliwia rozróżnialność zwrotu wektora prędkości) 4
6 analizator wyznacza chwilową prędkość przepływu (sygnałów otrzymywanych z otodetektora) tracker analizator analogowy wymagana duża koncentracja cząstek rozpraszających counter cyrowa obróbka sygnałów, wymagane duże doświadczenie obsługującego BSA (burst spectrum analyser) cyrowa obróbka sygnałów, pomiar w pełni zautomatyzowany 7 interace 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: otodetektora procesora sygnałów dopplerowskich kanału układu przesuwu częstotliwości interace'u 5
optyka 2-kanałowego systemu LDA układ optyczny unkcje: ormowanie 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
optyka odbiorcza elementy 9 12 światło rozproszone rozdzielane jest na kolory i kierowane do odpowiednich otodetektorów dla rozróżnienia inormacji o poszczególnych składowych prędkości rodzaje pracy z rozpraszaniem w przód (orward 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