Laserová dopplerovská anemometrie (LDA), známá také jako laserová dopplerovská velocimetrie (LDV), je optická technika ideální pro neinvazivní 1D, 2D a 3D bodové měření rychlosti a rozložení turbulence ve volném i vnitřním proudění.

Výzkumníci ve vědě a průmyslu používají systémy LDA k lepšímu pochopení mechaniky tekutin. Výsledky měření jsou důležitým krokem při dolaďování návrhů výrobků s cílem zlepšit aerodynamickou účinnost, kvalitu a bezpečnost.

Principy měření LDA

Úvod

Laserový dopplerovský anemometr (LDA) je široce uznávaným nástrojem pro dynamické vyšetřování tekutin v plynech a kapalinách a používá se jako takový již více než tři desetiletí. Jedná se o dobře zavedenou techniku, která poskytuje informace o rychlosti proudění.

Díky svému neinvazivnímu principu a směrové citlivosti je velmi vhodná pro aplikace s reverzním prouděním, chemicky reagujícími nebo vysokoteplotními médii a rotujícími stroji, kde je použití fyzikálních senzorů obtížné nebo nemožné. Vyžaduje přítomnost stopovacích částic v proudu.

Výhodami této metody jsou zejména: neinvazivní měření, vysoké prostorové a časové rozlišení, není nutná kalibrace a je možné měřit v reverzním proudění.

Obrázek principu laserové dopplerovské anemometrie.
Obrázek principu laserové dopplerovské anemometrie.

Principy

Základní konfigurace LDA se skládá z:

  • kontinuální vlnový laser
  • vysílací optiky, včetně rozdělovače paprsku a zaostřovací čočky
  • přijímací optiky, která zahrnuje zaostřovací čočku, interferenční filtr a fotodetektor.
  • převodník signálu a procesor signálu.

Pokročilé systémy mohou zahrnovat traverzové systémy a úhlové snímače. Jako dělič paprsku se často používá Braggův článek. Jedná se o skleněný krystal s připojeným vibrujícím piezoelektrickým krystalem. Vibrace generují akustické vlny, které působí jako optická mřížka.

Braggův článek používaný jako dělič paprsku.
Braggův článek používaný jako dělič paprsku.

Výstupem Braggova článku jsou dva paprsky o stejné intenzitě s frekvencemi f0 a fshift. Ty jsou fokusovány do optických vláken přivádějících je k sondě.

V sondě jsou rovnoběžné výstupní paprsky z vláken zaostřeny čočkou tak, aby se protínaly v objemu sondy.

Objem sondy

Obraz sondy a objemu sondy.
Obraz sondy a objemu sondy.

Objem sondy je obvykle dlouhý několik milimetrů. Intenzita světla je modulována v důsledku interference mezi laserovými paprsky. Vznikají tak rovnoběžné roviny s vysokou intenzitou světla, tzv. třásně. Vzdálenost třásní df je definována vlnovou délkou laserového světla a úhlem mezi paprsky:

Každý průchod částic rozptyluje světlo úměrně místní intenzitě světla.

Informace o rychlosti proudění pochází ze světla rozptýleného drobnými “výsevními” částicemi, které se pohybují v tekutině při průchodu objemem sondy. Rozptýlené světlo obsahuje dopplerovský posun, dopplerovskou frekvenci fD, která je úměrná složce rychlosti kolmé na bisektor obou laserových paprsků, což odpovídá ose x zobrazené v objemu sondy.

Rozptýlené světlo je zachyceno čočkou přijímače a zaostřeno na fotodetektor. Interferenční filtr namontovaný před fotodetektorem propouští do fotodetektoru pouze požadovanou vlnovou délku. Tím se odstraní šum z okolního světla a z jiných vlnových délek.

Zpracování signálu

Fotodetektor převádí kolísající intenzitu světla na elektrický signál, Dopplerův výboj, který má sinusový průběh s Gaussovou obálkou v důsledku profilu intenzity laserových paprsků.

Dopplerovy záblesky se filtrují a zesilují v procesoru signálu, který určuje fD pro každou částici, často pomocí frekvenční analýzy s využitím robustního algoritmu rychlé Fourierovy transformace.

Rozteč okrajů df poskytuje informaci o vzdálenosti, kterou částice urazila.

Dopplerova frekvence fD poskytuje informace o čase: t = 1/fD

Protože rychlost se rovná vzdálenosti dělené časem, výraz pro rychlost je následující: Rychlost V = df* fD

Určení znaménka směru proudění

Dopplerova přenosová funkce frekvence na rychlost pro frekvenčně posunutý systém LDA.
Dopplerova přenosová funkce frekvence na rychlost pro frekvenčně posunutý systém LDA.

Frekvenční posun získaný Braggovou buňkou způsobuje, že se okrajový obrazec pohybuje konstantní rychlostí. Částice, které se nepohybují, budou generovat signál o frekvenci posunu fshift. Rychlosti Vpos a Vneg budou generovat signál o frekvencích fpos a fneg.

Systémy LDA bez frekvenčního posunu nemohou rozlišit kladný a záporný směr toku ani měřit rychlost 0.

Systémy LDA s frekvenčním posunem mohou rozlišit směr proudění a měřit rychlost 0.

Dvousložková a třísložková měření

Pro měření dvou složek rychlosti lze k optice přidat dva další paprsky v rovině kolmé na první paprsky.

Všechny tři složky rychlosti lze měřit dvěma samostatnými sondami měřícími dvě a jednu složku, přičemž všechny paprsky se protínají ve společném objemu, jak je znázorněno níže. K oddělení měřených složek se používají různé vlnové délky. K detekci rozptýleného světla tří vlnových délek se používají tři fotodetektory s vhodnými interferenčními filtry.

Optika LDA pro měření tří složek rychlosti.
Optika LDA pro měření tří složek rychlosti.

Moderní systémy LDA využívají kompaktní vysílací jednotku, která se skládá z Braggovy buňky a barevných děličů paprsků a generuje až 6 paprsků: neposunuté a frekvenčně posunuté paprsky tří různých barev. Tyto paprsky jsou přenášeny optickými vlákny do sond.

Výsevní částice

Kapaliny často obsahují dostatečné množství přirozeného výsevu, zatímco plyny musí být ve většině případů vysevovány.

V ideálním případě by částice měly být dostatečně malé, aby mohly sledovat proudění, a zároveň dostatečně velké, aby rozptýlily dostatečné množství světla pro dosažení dobrého poměru signálu k šumu na výstupu fotodetektoru.

Obvykle se velikost částic pohybuje mezi 1 µm a 10 µm. Materiál částic může být pevný (prášek) nebo kapalný (kapičky).