IMTEAM - Pomiary, regulacja, projekty - ogrzewanie wentylacja klimatyzacja

Anemometria laserowa oparta jest na zjawisku Dopplera, w którym do określenia prędkości płynu wykorzystuje się promienie lasera. Zastosowanie lasera umożliwia pomiar przesunięcia częstotliwości światła rozpraszanego przez cząstki stałe znajdujące się w przepływającym płynie. Pomiar prędkości z wykorzystaniem dopplerowskiej anemometrii laserowej LDA (Laser-Doppler Anemometry) w płynach pozbawionych cząstek stałych jest niemożliwy do zrealizowania. Problematyczne dla technologii LDA są również płyny zawierające przypadkowe cząstki rozpraszające o różnorodnych kształtach i rozmiarach, poruszające się z odmienną prędkością niż prędkość płynu. Z uwagi na fakt pomiaru w tej metodzie prędkości poruszających się w przewodzie cząstek stałych, a nie prędkości płynu należy dążyć do uzyskania identycznych wartości prędkości cząstek stałych i płynu, w którym te cząstki są zawieszone. Spełnienie tego warunku w praktyce realizowane jest poprzez wprowadzanie do płynu pozbawionego zanieczyszczeń stałych, odpowiednio dobranych pod względem gęstości i wymiarów cząstek, które zagwarantują aby mierzona prędkość cząstek była równa prędkości płynu. Proces ten określany jest mianem posiewu cząstek rozpraszających.

Przyrząd LDA zbudowany jest ze źródła emisji promieniowania świetlnego, jakim jest laser, z fotodetektora, którego zadaniem jest odebranie wiązki lasera odbitej od cząstek stałych znajdujących się w płynie oraz układu optycznego. Wymienione elementy pozwalają na pomiar przesunięcia częstotliwości dopplerowskiej fD. Na podstawie zjawiska Dopplera zapisać można wzór na przesunięcie częstotliwości fD:

(3.9)

gdzie:

  • fD – częstotliwość dopplerowska, Hz
  • w – prędkość płynu, m/s
  • λ0 – długość fali światła laserowego, m
  • ls – wersor kierunkowy promienia padającego na cząstkę
  • li – wersor kierunkowy promienia rozproszonego przez cząstkę

Zależność (3.9) pokazuje, że przesuniecie częstotliwości Dopplera można rozłożyć na dwie składowe. Pierwszą w kierunku źródła światła, a drugą w kierunku fotodetektora. Częstotliwość dopplerowska fD zależy od:

  • długości fali światła monochromatycznego λ0
  • wektora prędkości w
  • wektora odniesienia r

Wektor odniesienia r jest różnicą wektorową pomiędzy wektorami jednostkowymi (wersorami) promieni oświetlającego ls oraz rozpraszanego li. Przekształcając wzór (3.9) otrzymuje się zależność, dzięki której można określić prędkość płynu:

 (3.10)

   Anemometry laserowe pracować mogą w wielu wariantach, z których najpopularniejsze są:

  • układ z wiązką odniesienia
  • układ różnicowy

W wariancie pierwszym mamy do czynienia z dwiema wiązkami światła laserowego – wiązką sygnałową oraz wiązką odniesienia. Fotodetektor odbiera rozproszoną na cząstce wiązkę sygnałową, której częstotliwość została przesunięta. Odbiera także wiązkę odniesienia, która przenika przez warstwę płynu bezpośrednio do fotodetektora – bez rozproszenia na cząstkach stałych. Tak skonstruowany przyrząd wymaga dużej koncentracji cząstek stałych zawieszonych w płynie oraz niezbędna jest znacząca moc lasera. Dodatkową niedogodnością jest konieczność bardzo dokładnego ustawienia fotodetektora w położeniu ściśle współosiowym z wiązką odniesienia. Często spotykanym rozwiązaniem jest układ różnicowy (Differential Doppler Mode), gdzie dwie wiązki światła li1 oraz li2, o identycznej intensywności oświetlają cząstkę. Promienie lasera rozpraszane są w jednym kierunku ls, wobec czego fotodetektor rejestrował będzie częstotliwość dopplerowską fD opisaną wyrażeniem:

(3.11)

Na skutek przecięcia się dwóch fal świetlnych o tej samej częstotliwości powstaje fala stojąca, kształtem przypominająca prążkowany dysk. Odległość Dx pomiędzy dwoma sąsiednimi pierścieniami interferencyjnymi (prążkami) zależy od długości fali λ oraz od kąta przecięcia wiązek ø, zależność tą przedstawia wzór:

(3.12)

gdzie:

  • Dx – odległość pomiędzy dwoma sąsiednimi pierścieniami interferencyjnymi, m
  • λ – długość fali światła laserowego, m
  • ø– kąt przecięcia się wiązek lasera

Zależność określająca przesunięcie częstotliwości dopplerowskiej określana jest wzorem:

(3.13)

Po przekształceniu równania (3.13) otrzymujemy wyrażenie na prędkość płynu:

(3.14)

Zaletą konstrukcji DDM jest dowolność lokalizacji fotodetektora, a także znacznie lepszy stosunek sygnału wyjściowego do szumu własnego układu w porównaniu z innymi rozwiązaniami układów LDA. Prędkościomierze LDA charakteryzują się bezkontaktowym pomiarem, który nie generuje żadnych zakłóceń w przepływającej strudze płynu. W przypadku, gdy niedokładność pomiaru rzędu 1% jest wystarczająca wzorcowanie anemometru laserowego nie jest konieczne. Osiągnięcie większej dokładności przy pomiarze prędkości płynów przy pomocy mierników LDA jest możliwe poprzez przeniesienie wzorca miary. Ponadto przyrządy te nie wykazują wrażliwości na zmiany temperatury płynu mierzonego. Anemometry laserowe pozwalają, także na punktowy pomiar prędkości, wobec czego możliwe jest utworzenie bardzo dokładnego obrazu pola rozkładu prędkości chwilowych dla konkretnego przekroju pomiarowego. Duży wpływ na znikomą popularność przyrządów LDA ma aspekt finansowy. Cena sprzętu, jak również koszty eksploatacyjne są wysokie ze względu na skomplikowaną budowę i konieczność zatrudnienia wysokiej klasy specjalistów do obsługi urządzenia. Obecnie mierniki laserowe znajdują zastosowanie w centrach naukowo – badawczych, gdzie z powodzeniem prowadzone są pomiary w bardzo szerokim przedziale prędkości sięgającym od około 2 mm/s do prędkości naddźwiękowych. Anemometry charakteryzują się także dużą dokładnością wykonywanych pomiarów – niepewność wskazań wynosi jedynie ±0,1% w całym zakresie pomiarowym