Detektor

OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURG
Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik
Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik
Praktikumsanleitung
Zum Versuch: Optische Meßverfahren : Laser-Doppler-Velocimetrie
Inhaltsverzeichnis :
1.
2.
3.
4.
5.
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
6.
Aufgabenstellung .............................................................................................................. 2
Zielsetzung........................................................................................................................ 2
Aufgabenstellung im Einzelnen........................................................................................ 2
Abwicklung des Praktikums ............................................................................................. 3
Theoretische Grundlagen der Laser-Doppler-Velocimetrie (LDV) ................................. 4
Meßprinzip........................................................................................................................ 4
Meßaufbau ........................................................................................................................ 7
Eigenschaften von Laserstrahl, Meßvolumen und Streupartikeln .................................. 11
LDV – Signale ................................................................................................................ 13
Einfluß des Wanddurchganges auf die Laserstrahlen..................................................... 15
Hinweise zur Versuchsdurchführung und –auswertung ................................................. 18
Arbeitsschutzbelehrung .................................................................................................. 18
Dr.-Ing. B. Wunderlich
Dr.-Ing. K. Zähringer
Magdeburg, März 2008
2
1. Aufgabenstellung
Mit Hilfe eines Laser-Doppler-Velocimeters (LDV) ist ein Geschwindigkeitsprofil innerhalb
einer Strömung auszumessen und zu diskutieren. Die Geschwindigkeitsprofile und Verläufe
des Turbulenzgrades sollen berechnet und dargestellt werden.
2. Zielsetzung
Die LDV ist ein optisches Meßverfahren, das in der Strömungsmechanik zur Messung der
örtlichen Strömungsgeschwindigkeit und der zugehörigen Schwankungsanteile in
Flüssigkeiten, aber auch in Gasen, eingesetzt wird.
Durch das Praktikum wird das Funktionsprinzip anhand eines einkanaligen Meßaufbaus
erläutert, es werden die Möglichkeiten und Grenzen des Meßverfahrens, insbesondere beim
Einsatz der LDV in komplexen Strömungen, aufgezeigt und die für die Auswahl der
optischen Komponenten maßgeblichen Gesichtspunkte genannt. Möglichkeiten der Anpassung des Meßsystems an die Meßaufgabe (Vorwärtsstreuung – Rückwärtsstreuung, Braggzelle, Strahlerweiterung, Encoder) werden beschrieben.
Das Praktikum soll dem Teilnehmer vermitteln, daß eine sorgfältige Meßvorbereitung ausschlaggebend ist für strömungstechnische Meßergebnisse mit hoher Qualität und Aussagekraft.
Die hohen Investitionskosten des Meßsystems verlangen zudem umsichtiges Handeln.
3. Aufgabenstellung im Einzelnen
Je nach Versuchsstand an dem die LDV-Messungen durchgeführt werden sind einige der
nachfolgenden Punkte mehr oder weniger relevant. Genaueres wird während des Praktikums
mitgeteilt.
1. Machen Sie sich mit den Belangen des Laserschutzes vertraut !
2. Vorbereitung des Meßplatzes – Auswahl der Optikkomponenten
3. Auswahl der Meßpunktabstände für die Traversierung
4. Eingabe der optischen Parameter und der Prozessor-Einstellungen
5. Fertigstellung des Traversier-Files
6. Beurteilung des Meßsignals anhand des Histogrammes
7. Beurteilung des Meßsignals am Oszilloskop
8. Festlegung eines Meßdaten-Files
9. Durchführung der Messung
10. Darstellung des Verlaufes der Geschwindigkeit und des Turbulenzgrades
11. Diskussion der Meßergebnisse
12. Anfertigung eines Protokolls
3
4. Abwicklung des Praktikums
Dauer des Praktikums
120 Minuten.
Ort
Gebäude 14, Eingangsbereich West.
Vorkenntnisse
Für den Praktikumsversuch werden vorausgesetzt:
- Grundkenntnisse Strömungsmechanik (Vorlesung)
- Grundkenntnisse Laser-Doppler-Velocimetrie (Vorlesung Meßtechnik)
Hinweise
Die Praktikumsteilnehmer entnehmen bitte rechtzeitig die erforderlichen Hinweise
(Abschnitt 5. bis 7.) dem Internet und bereiten sich entsprechend vor.
http://www.uni-magdeburg.de/isut/LSS/Lehre/Praktikum.html
Literatur
E. Sutter, P. Schreiber, G. Ott:
Handbuch Laser-Strahlenschutz. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1989
F. Durst, A. Melling, J. H. Whitelaw:
Theorie und Praxis der Laser-Doppler-Anemometrie. Braun-Verlag, 1987
T. S. Durrani and C. A. Greated:
Laser systems in flow measurements. Plenum Press, New York, 1977
R. J. Goldstein:
Fluid mechanics measurements. Springer Verlag, Berlin, 1983
H. Oertel:
Strömungsmeßtechnik. G. Braun, Karlruhe, 1989
Durchführung
Geschwindigkeitsmessung hinter dem Laufradaustritt einer Radialpumpe
Vorausgesetzte Größen:
• Radius Laufrad:
• Tiefe Laufrad:
• Anzahl Schaufeln:
• Dicke Schaufel
• Winkel Schaufelende:
• Strahlabstand:
• Brennweite:
• Brechzahl Luft:
• Brechzahl Wasser:
• Brechzahl Plexi:
• Wellenlänge Laser:
• Materialdicken:
r = 170 mm
b = 20 mm
i
= 6
si = 5 mm
β = 23°
a = 45 mm
f
= 250 mm
nL = 1,0003
nW = 1,333
nP = 1,491
λ = 532 nm
siehe Skizze
Aufgabenstellung:
1.
Schätzen sie rechnerisch den Abstand x zwischen der Mitte der Lasersendelinse und der Vorder-seite
des Pumpengehäuses ab, wenn sich die Laserstrahlen auf halber Tiefe des Laufrades kreuzen sollen!
Zeichnen sie den Verlauf eines Strahls qualitativ in die Skizze 1 ein!
2.
Berechnen Sie den Interferenzstreifenabstand!
3.
Zeichnen Sie das prinzipielle Geschwindigkeitsparallelogramm auf der Druckseite der Pumpe in
Skizze 2 ein! Zeichnen Sie außerdem den idealisierten Weg eines Fluidteilchens aus der Sicht eines
festen und eines sich mit dem Laufrad mitbewegenden Beobachters ein!
4.
Lesen Sie sowohl Drehzahl des Antriebsmotors als auch Volumenstrom der Pumpanlage ab!
Berechnen Sie mit diesen Größen die Absolutgeschwindigkeiten in radialer und tangentialer
Richtung auf der Druckseite der Pumpe (Schaufeldicke beachten)! Berechnen Sie die
Dopplerfrequenz bei diesen Geschwindigkeiten!
5.
Führen Sie LDA-Messungen der Absolutgeschwindigkeiten in radialer und tangentialer Richtung kurz
hinter dem Laufradaustritt der Pumpe durch!
6.
Bestimmen Sie die spezifische Schaufelarbeit e aus den berechneten bzw. den gemittelten gemessenen Werten unter der Voraussetzung drallfreier Zuströmung am Laufradeintritt ( e = u2∙cu2 )!
Interpretieren Sie Unterschiede der beiden Werte und benennen Sie mögliche Ursachen!
Fragen:
1.
Wie kann mit einem Laser-Doppler-Anemometer der Richtungssinn der Strömung gemessen
werden?
2.
Warum ist eine vorherige Abschätzung der zu erwartenden Strömungsgeschwindigkeiten sinnvoll?
Skizze 1
Skizze 2
4
5. Theoretische Grundlagen der Laser-Doppler-Velocimetrie (LDV)
5.1 Meßprinzip
Erfunden wurde diese Meßmethode 1964 von Yeh und Cummins. Der Schwerpunkt der
Entwicklung der LDV (oder auch LDA; A für Anemometrie) lag im Zeitraum 1970 bis 1990.
Die Vorteile der LDV bei der Messung örtlicher Geschwindigkeiten (und ihrer Schwankungskomponenten) sind:
• berührungsloses Meßverfahren,
• keine Beeinflussung der Messung durch Reynoldszahl, Druck und Temperatur,
• hohe räumliche und zeitliche Auflösung,
• kalibrierungsfreies Meßverfahren,
• hohe Meßgenauigkeit,
• dreidimensionale Messungen möglich,
• keine Einschränkungen durch das Vorhandensein von Überschallströmungen oder
geringer Anteile einer zweiten Phase,
• es liegen einfache algebraische Beziehungen zugrunde.
Nachteile ergeben sich durch die Notwendigkeit vorhandener Streuteilchen (Tracer) und die
relativ hohen Investitionskosten. LDV ist immer eine Punktmessung und daher besonders für
stationäre Strömungen geeignet, da verschiedene Punkte zu verschiedenen Zeiten vermessen
werden.
Grundlage für die LDV ist die Wellentheorie. Betrachten wir zunächst eine Quelle, die entlang einer Achse Lichtwellen mit nur einer Frequenz aussendet (Bild 1). Ein Detektor, der
unter einem beliebigen Winkel angeordnet ist, empfängt Streulicht von einem Partikel, das
den Lichtstrahl durchquert. Das empfangene Licht weist zwei Doppler-Verschiebungen auf
(Relativbewegung des Teilchens zur Lichtquelle und zum Detektor). Die Frequenzen mit
Doppler-Verschiebung berechnen sich aus den Gln. (1) und (2), die Frequenz des Lichtes das
den Detektor erreicht, aus Gl. (3). Unter Annahme einer kleinen Partikelgeschwindigkeit
gegenüber der Lichtgeschwindigkeit ergibt sich Gl. (4):
Partikel
Laser
li
Detektor
ui
Bild 1: Empfang von Streulicht
5
⎛ u ⋅l ⎞
f ′ = f ⎜1− i i ⎟
⎝
c ⎠
⎛ u ⋅k ⎞
f ′′ = f ⎜1 − i i ⎟
⎝
c ⎠
u ⋅l
1− i i
c
f ′′′ =
ui ⋅ k i
1−
c
f ′′′ =
1
(k − l )
λ i i
f
ui
Frequenz
Vektor
(1)
der
Partikelgeschwindigkeit
li Einheitsvektor in l - Richtung
(2)
ki Einheitsvektor in k - Richtung
c Lichtgeschwindigkeit
(3)
(4)
Aus Gl. (4) ließe sich die Partikelgeschwindigkeit direkt bestimmen, wenn die Wellenlänge
des Lichtes, die Richtung der Partikelbewegung, die Richtung des Detektors und die Frequenz
des empfangenen Lichtes bekannt sind.
Da die Lichtfrequenz mit 1015 Hertz unmöglich gemessen werden kann, muß die Apparatur
erweitert werden (Bild 2). Wird Licht von zwei Lichtquellen mit gleicher Frequenz aber
unterschiedlichem Winkel von Partikeln gestreut und von einem Detektor empfangen, erhält
dieser zwei leicht unterschiedliche dopplerverschobene Frequenzen. Das resultiert daraus, daß
die Längskomponenten der Partikelgeschwindigkeit unterschiedlich sind bezüglich jeder der
beiden Lichtquellen. Die nutzbare Komponente der Überlagerung der zwei Frequenzen ist
ihre Differenz- oder Schwebungsfrequenz, die sehr viel niedriger ist als eine der beiden
Frequenzen allein (106 Hz). Aus den beiden unabhängigen Doppler-Frequenzen Gln. (5) und
(6) erhält man die Schwebungsfrequenz Gl. (7) wieder unter der Voraussetzung, daß die
Partikelgeschwindigkeit sehr viel kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit.
⎛ c − ui li 1 ⎞
fl 1′ = f ⎜
⎟
⎝ c − ui k i ⎠
(5)
⎛ c − ui l i 2 ⎞
fl 2′ = f ⎜
⎟
⎝ c − ui − k i ⎠
(6)
(
(7)
fSchweb =
1
l − li 2
λ i1
)
6
ui
Laser 1
u
li1
DL
Laser 2
θ
x
li2
Brennweite
ki
Detektor
y
Bild 2 : Doppler-Effekt ; Überlagerung zweier Streuwellen
Ein wichtiges Ergebnis ist die Unabhängigkeit der Schwebungsfrequenz vom Detektionswinkel. Durch Änderung des Winkels zwischen beiden Laserstrahlen läßt sich der Meßbereich beeinflussen.
Neben dem am häufigsten angewandten Zweistrahlverfahren gibt es noch das
Referenzstrahlverfahren, bei dem der Referenzstrahl und die dopplerverschobene Lichtwelle
intensitätsmäßig meist ungleich sind, und das Zweistreustrahlverfahren, bei dem erst am
Teilchen die Aufteilung in zwei Streustrahlen erfolgt.
Das LDV-Verfahren kann auch vereinfacht durch das Interferenzstreifenmodell erklärt
werden:
Zwei fokussierte Laserstrahlen kreuzen sich und bilden das Meßvolumen.
Ebene Wellenfronten: der Strahl bildet eine Taille im Kreuzungsbereich.
Es entsteht Interferenz im Kreuzungsbereich – helle und dunkle ebene Streifen.
Teilchen in der Strömung durchqueren dieses Hell-Dunkel-Gebiet und streuen das Licht mit
einer Frequenz, die ihrer Geschwindigkeit proportional ist.
Interferenzstreifenabstand:
Δx
Δx =
λ
⎛ Θ⎞
2 sin ⎜ ⎟
⎝2⎠
(8)
Bild 3 : Interferenzstreifenmodell
Bewegt sich ein Teilchen (∅ 1 – 10 μm) mit der Geschwindigkeit u durch die
Interferenzstreifen, so streut es das Licht mit einer meßbaren Frequenz
fD
⎛Θ⎞
2 u sin ⎜ ⎟
u
⎝2⎠
=
=
λ
Δx
;
u=
fD ⋅ λ
= k ⋅ fD
⎛Θ ⎞
2 ⋅ sin ⎜ ⎟
⎝2⎠
(9), (10)
7
Bild 4: Entstehung d. Meßsignals
Das gestreute Licht wird zur Empfangsoptik geleitet. Nach Umwandlung des Lichtsignals in
ein elektrisches Signal wird die Frequenz des Meßsignals bestimmt.
Durch Multiplikation der Signalfrequenz mit dem Abstand der Interferenzstreifen kann die
gemessene Strömungsgeschwindigkeit im Meßvolumen ermittelt werden.
5.2 Meßaufbau
Flow
Receiving Optics
with Detector
Transmitting
Optics
Laser
HeNe
Ar-Ion
Nd:Yag
Diode
Beamsplitter
(Freq. Shift)
Achrom. Lens
PC
Gas
Liquid
Particle
Signal
Processing
Spectrum analyzer
Correlator
Counter, Tracker
Bild 5 :
Blockschaltbild eines LDV mit PC-Anschluß
Achrom. Lens
Spatial Filter
Photomultiplier
Photodiode
Signal
conditioner
Amplifier
Filter
8
Basic modules:
•
•
Beam splitter
BS
Achromatic lens
Laser
Lens
Options:
Bragg
Cell
Frequency shift (Bragg cell)
– low velocities
×Ε
D×E
– flow direction
•
Beam expanders
– reduce measurement
volume
Θ
D
DL
F
– increase power density
Bild 6: Sende - Optik
Als Lichtquelle kommen zum Einsatz:
Festkörper-Laser (Rubin)
Flüssigkeits-Laser
Gas-Laser:
sind am häufigsten (He/Ne mit ca.5 mW, Ar mit ca.700 mW,
CO2 - infrarot, N2 - ultraviol.)
Halbleiter-Laser:
mit zunehmender Bedeutung, da höhere Leistungen und gepulstes
Licht möglich.
•
Empfangsoptik
– Empfangslinsen
– Multimode - Faser
wirkt als räumlicher
Filter
– Interferenzfilter
•
Linsen
Multimodefaser
Photomultiplier
Detektor
– Photomultiplier
– Photodiode
Interferenzfilter
Bild 7:
Empfangs - Optik
9
Vorwärts- und Seitwärtsstreuung (off-axis)
• schwierig auszurichten, vibrationsempfindlich
Empfangs - Optik
mit Detektor
SendeOptik
•Rückwärtsstreuung
Strömung
• einfach auszurichten
Detektor
Sende- und
Empfangs - Optik
Bragg
Zelle
Bild 8:
Laser
Em
p
mi fang
tD sete Op
kto tik
r
Strömung
Anordnungsmöglichkeiten der Empfangs – Optik
polarisationserhaltende
Singlemode-Fasern
Laser
Braggzelle
Manipulatoren
Farbteiler
Interferenzfilter
MultimodeFaser
PM
PM
Farbteiler
Strömung
Multimodefaser
Singlemodefasern
Bild 9: Aufbau der Empfangs – Optik bei Rückwärtsstreuung und Verwendung von
Lichtleitkabeln
rückwärtsgestreutes Licht
10
Zur Realisierung mehrdimensionaler Geschwindigkeitsmessungen wird das Meßvolumen
durch mehrere Interferenzstreifensysteme mit unterschiedlichen räumlichen Orintierungen
gebildet. Die Trennung der Streulichtanteile kann durch
- Verwendung von verschiedenfarbigem Licht (Farbteiler),
- unterschiedliche Polarisationsebenen der Sendestrahlen oder
- unterschiedliche Frequenzverschiebung mittels mehrerer Bragg-Zellen
erreicht werden.
Die Abbildung des Meßvolumens auf die lichtempfindliche Schicht eines Fotodetektors muß
so erfolgen, daß ausschließlich Streulicht aus dem Überlagerungsbereich der beiden Teilstrahlen zum Fotodetektor gelangt. Der abzubildende Meßvolumendurchmesser dM muß nach
den Gesetzmäßigkeiten der Gauß’schen Optik errechnet werden.
fB
fB
dM
dD
a
Meßvolumendurchmesser
Abbildungsdurchmesser
Linsengleichung
b
dM ;
Abbildungsverhältnis
b
dD = dM
a
1 1 1
= +
fB a b
b/a
(11)
(12)
Bild 10: Auslegung der Detektionsseite
Als Fotosensoren dienen:
Photomultiplier (PM), Avalanche-Diode, Si-Fotodiode
11
•
A k ustisch-o p tisc h e r
M od u lator
•
B rag g ze lle erfo rdert e ine n
S ign alg ene rato r (40 M H z)
fs
=
40 M H z
Piezo electrischer
Sen der
fL
W ellenfron t
fL + f S
•
F re qu e n z d es La s e rlichts
w ird d u rc h d ie S h iftfre qu e n z e rh ö ht
•
S trah lk o rrektu r du rc h
zu sä tzliche P ris m e n
•
P artik el in V o rw ärts- o d er R ü ckw ärts rich tu n g erz eu g e n id en tis ch e
S ig n a le u n d F req u e n ze n .
r
L ase
ϕΒ
A bsorb er
f
f m ax
f shift
f m in
u m in
•
•
Bild 11:
u
u m ax
u m in
u m ax
shift
n o sh ift
D u rch d ie F re q u en z-S h ift ein es S tra h le s relativ zu m a n d eren
b ew eg en sich d ie In terfe ren zstreifen m it de r S h iftfre q u en z.
N e g ativ e G esc h w in d ig k eiten kö n n e n d a d u rch erk an n t w erd en .
Braggzelle zur Richtungserkennung
5.3 Eigenschaften von Laserstrahl, Meßvolumen und Streupartikeln
•
•
•
•
Laser
m o n o c h r o m a tis c h
k o h ä re n t
lin e a r p o la r is ie r t
g e r in g e D iv e r g e n z
(K o llim a to r )
L -D io d e
•
G a u ß ´s c h e In te n s itä ts v e r te ilu n g
Bild 12:
Laser
Eigenschaften des Laserstrahles
K o llim a to r
12
Mit den genannten Laserstrahleigenschaften ist es möglich, ein begrenztes Meßvolumen mit
parallelen Interferenzstreifen zu erhalten:
•
•
SendeSystem
Das Sendesystem
erzeugt das Meßvolumen
θ
Z
DL
Das Meßvolumen hat
eine Gauss´sche
Intensitätsverteilung in
allen 3 Dimensionen
•
Das Meßvolumen ist ein
Ellipsoid
•
Die Größen δ x, δ y and δ z
sind definiert durch die
Punkte bei 1/e 2
1/e
⎛Θ⎞
π ⋅ E ⋅ D L⋅sin ⎜ ⎟
⎝2⎠
δz
δx
Bild 13:
; Breite δY =
Z
X
Y
4⋅F⋅λ
⎛ Θ⎞
π ⋅ E ⋅ D L ⋅ cos ⎜ ⎟
⎝2⎠
⎛ Θ⎞
8 ⋅ F ⋅ tan ⎜ ⎟
⎝2⎠
Streifenanzahl N f =
π ⋅ E ⋅ DL
⎛ Θ⎞
2 sin ⎜ ⎟
⎝2⎠
(13, 14, 15)
(16, 17)
Definitionen am Meßvolumen
90
90
120
60
150
120
30
180
0
210
330
240
300
270
•
90
120
60
150
30
180
0
210
330
240
60
150
30
180
0
210
300
330
240
270
d p≅0.2λ
Bild 14:
MeßVolumen
4 ⋅F⋅λ
; Höhe δX =
π ⋅ E ⋅ DL
λ
Streifenabstand Δx =
IntensitätsVerteilung
2
δy
4 ⋅ F⋅ λ
X
1
0
Länge δ Z =
Y
F
d p≅1.0λ
Die Intensität ist logarithmisch aufgetragen
Intensität des gestreuten Lichtes über dem Streuwinkel
300
270
d p ≅10λ
13
Das vom Teilchen gestreute Licht weist eine räumliche Intensitätsverteilung auf. Die
Intensitätsunterschiede betragen bis zum 103 - fachen.
Die Intensität ist bei Vorwärtsstreuung am stärksten, dagegen steht eine einfachere Handhabung (Traversierung) bei Rückwärtstreuung.
Die Streulichtausbeute hängt i.a. von folgenden Größen ab:
Art und Intensität der beleuchtenden Quelle
Wellenlänge und Polarisation des Lichtes
komplexer Brechungsindex und optische Konstanten des Teilchenmediums
Richtung, bezogen auf den beleuchtenden Strahl, unter der das Streulicht gesammelt wird
Raumwinkel, den die Detektionsoptik erfaßt
Teilchengröße (starker Einfluß).
Zur Berechnung der Intensitätsverteilung gibt es Computerprogramme, die die Mie - Theorie
auf der Grundlage der Maxwell’schen Gleichungen für kugelförmige Teilchen und ebene
Wellen beinhalten. Darin werden die Anteile aus Reflexion, Brechung, Beugung und eigentlicher Streuung berücksichtigt.
Wichtig in diesem Zusammenhang ist der sogenannte Mie - Parameter
q =
2 π rP
λ
rP Teilchenradius
(18)
5.4 LDV – Signale
Da die Intensitätsverteilung innerhalb eines Lichtstrahles einer Gauß-Verteilung, genügt,
weist auch das LDV-Signal eine solche Verteilung auf:
•
Ursachen für das Rauschen im LDA -- Signal:
– Eigenrauschen des Photodetektors.
– Sekundäres elektronisches Rauschen, thermisches Rauschen vom
Vorverstärker Schaltkreis
– Laser-Moden höherer Ordnung (optisches Rauschen).
– Licht-Streuung außerhalb des Meßvolumens, Schmutz, zerkratzte
Fenster, Umgebungslicht, mehrfach auftretende Partikel, etc.
– Ungewollte Reflektionen (Fenster, Linsen, Spiegel, etc).
•
Bild 15:
Auswahl der Laserleistung, der Tracer, der optischen Parameter etc., mit
dem Ziel, das SNR zu maximieren.
Signal - Charakteristik
14
Für die Auswertung, z.B. die Digitalisierung und anschließende Computerauswertung,
empfiehlt sich das Beseitigen der Niederfrequenzkomponente (Pedestal) des LDV-Signals
durch Hochpaßfilterung (Bild 15 – Mitte und rechts)
Bei Gemischströmungen (z.B. Blasenströmung) erzeugen beide Phasen unterschiedliche
Bursts. Starke Lichtreflexionen von der Phasengrenzfläche und von Tracerteilchen, die an der
Blasenoberfläche agglomerieren, erzeugen einen höheren Gleichanteil (Pedestal) und eine
stärkere Signalamplitude. Mit Hilfe einer Schmitt-Trigger-Schaltung gelingt es, die
unterschiedlichen Meßsignale verschiedenen Prozessoren zuzuführen und damit synchron die
Geschwindigkeiten beider Phasen zu messen.
Pedestal
(Blase)
Bild 16:
Pedestal
(Tracer)
Vergleich der Bursts von Tracerteilchen und Luftblase nach dem Hochpaßfilter und
der zugehörigen Pedestals
Grundsätzlich liefert ein LDV-System auch dann sinnvolle Ergebnisse, wenn sich mehr als
ein Zeilchen/Tröpfchen im Meßvolumen befindet. Ein Fotodetektor sieht die Überlagerung
aller Streulichtwellen als resultierendes Signal. Mehrteilchensignale haben im allg. keinen
Einfluß auf die sich ergebende Signalfrequenz, sondern nur auf die Form der Einhüllenden
des resultierenden Signals.
Bild 17: Einfluß der Teilchenkonzentration und der Teilchengröße auf das Meßsignal
15
Als Signalauswertegeräte werden verwendet:
erforderl SNR
max. Signalfrequenz
Bemerkung
hoch ( > 15 dB )
100 MHz
Datenrate
frequenzabhängig
Burst Spectrum
Analyzer
(beruht auf FFT)
niedrig
80 MHz
teuer
Transientenrecorder
niedrig
ca. 10 MHz
Datenrate gering
Photonenkorrelator
sehr niedrig
50 MHz
keine
Echtzeitmessung
Periodendauermesser
(Counter)
LDA - Frequenzen liegen im Bereich 10 kHz . . . 10 Mhz.
Die Geräteauswahl zur Signalauswertung richtet sich nach dem Signal-Rausch-Verhältnis
(SNR), der zu erwartenden Partikelrate, dem Frequenzbereich der Signale und den verfügbaren finanzielellen Mitteln.
Am häufigsten kommen heute Burst Spectrum Analyzer zum Einsatz. In Abhängigkeit von
der Signalfrequenz und der detektierten Partikelrate sind Datenraten bis 20 MHz möglich.
5.5 Einfluß des Wanddurchganges auf die Laserstrahlen
Trifft ein Laserstrahl auf eine Grenzfläche, wird einTeil seiner Energie reflektiert und so für
den weiteren Verlauf entzogen. Der Anteil des reflektierten Lichtes hängt vom Polarisationszustand der einfallenden Lichtwelle ab.
Fresnel´sche Formeln:
α
reflektiert
es gilt: R + D = 1
n1
reflektiert durchgelassen
Polarisation des einfallenden Strahls:
n2
β gebrochen
⊥ senkrecht
|| parallel zur Einfallsebene
R = Reflexionsvermögen; D = Durchlässigkeit
16
R⊥ =
D⊥ =
sin 2 ( β − α )
sin 2 ( β + α)
sin 2 α ⋅ sin 2 β
sin ( β + α )
2
R|| =
;
;
D|| =
tan 2 ( β − α )
tan 2 ( β + α )
;
(19), (20)
sin 2 α ⋅ sin 2 β
sin ( β + α) ⋅ cos2 ( β − α )
(21), (22)
2
Ein Laserstrahl erfährt beim Durchtritt durch ein Medium eine Schwächung aufgrund von
Absorptionsvorgängen. Hierunter sind Energieaustauschvorgänge zwischen den Lichtquanten
und den Atomen/Molekülen des Mediums wie auch Lichtstreueffekte (Brechung, Reflexion,
Beugung) zu verstehen.
(23)
Intensität:
I = l0 e- β l
Laser
LaserL
l
β
Grenzfläche (doppelt)
β = Absorptionskoeffizient des
Mediums
Grenzfläche (doppelt)
Beim senkrechten Durchtritt eines Laserstrahls durch eine Grenzfläche wird ein Teil des
Lichtes reflektiert. In diesem Fall können die Fresnel´schen Formeln für den schrägen Lichteinfall nicht verwendet werden.
Ie
Ir
einfache Grenzfläche
n1
n1
n2
Ie
I r1
n2
Ir2
Id1
doppelte Grenzfläche
Id
I d2
n1
⎛ n1 − n 2 ⎞
Ir = Ie ⎜
⎟
⎝ n1 + n 2 ⎠
⎛ n1 − n 2 ⎞
I r1 = Ie ⎜
⎟
⎝ n1 + n 2 ⎠
2
2
⎛ n2 −
I r 2 = (I e − I r 1 ) ⎜
⎝ n2 +
⎛ n1 −
Id 2 = Ie − 2⋅ Ie ⎜
⎝ n1 +
Id = Ie– Ir
(24), (25)
n1 ⎞
⎟
n1 ⎠
4
2
⎛ n1 − n 2 ⎞
n2 ⎞
⎟ + Ie ⎜
⎟
n2 ⎠
⎝ n1 + n 2 ⎠
2
(26), (27)
(28)
Gemäß der Snellius – Formel ergibt sich beim Grenzflächendurchtritt:
n1 ⋅ sin ϕ1 = n2 ⋅ sin ϕ2
ϕ1
2 ϕ2
ϕ2
(29)
Der Interferenzstreifenabstand Δx berechnet
sich bei der Überlagerung zweier Laserstrahlen
analog Gl.(3):
Δx1 =
λ1
λ2
und Δx 2 =
2 ⋅ sin ϕ1
2 ⋅ sin ϕ2
(30)
17
Zwischen Ausbreitungsgeschwindigkeit, Wellenlänge und Frequenz einer Lichtwelle gilt der
Zusammenhang
c=λ⋅f.
Die Lichtgeschwindigkeit in Materie weicht von der im
Vakuum ab. Die Verknüpfung ist über den Brechungsindex n gegeben
n1 ⋅ c1 = c0
n0 = 1 für Vakuum
Beispiele für n
n 2 c1 λ1
Mit
,
c = örtliche Schallgeschwindigkeit
Luft: 1,00029
=
=
n1 c2 λ 2
Wasser: 1,333
ist Δx1 = Δx2 .
Glas: 1,472
Plexi: 1,491
Der Interferenzstreifenabstand bleibt beim Grenzflächendurchtritt unverändert.
Meßpunktverlagerung durch Brechungsindexunterschiede:
n
1
n
2
x=
a
;
2 ⋅ tan ϕ1
xW =
a
2 ⋅ tan ϕ 2
(31)
2 φ1
2 φ2
a
Näherung: tan ϕ = sin ϕ
für kleine Winkel
x
xW
sin ϕ1
xW
n2
=
=
sin ϕ 2
x
n1
B
(32)
Um den Meßpunkt über die gesamte Breite zu traversieren, muß das LDV-System folglich um
den Weg
n1
bewegt werden.
(33)
l=
⋅B
n2
Diese Näherung gilt für ϕ = 6° (sin ϕ = 0,1) mit 2% Genauigkeit.
Der Einfluß der Kanalwandungen muß bei der Bestimmung der Meßpunktverlagerung mit
Berücksichtigung finden, sofern die Stärke der Wand nicht verschwindend dünn vorausgesetzt
werden kann.
n1 ⋅ sin ϕ1 = n2 ⋅ sin ϕ2 = n3 ⋅ sin ϕ3 (34)
n
n
1
2
n
3
b
1
es gilt:
xW =
2
a
;
2 ⋅ tanϕ 3
a = A – 2b
(35)
a
A
3
xW
D
b = D ⋅ tan ϕ 2 =
1 − sin 2 ϕ 2
D ⋅ n 1 ⋅ sin ϕ1
b=
n2
→ xW = f (n1, n2, n3, ϕ1, D)
D ⋅ sin ϕ 2
⎛ n1
⎞
1− ⎜
⋅ sin ϕ1 ⎟
⎝ n2
⎠
2
(36)
(37)
18
5.6 Hinweise zur Versuchsdurchführung und –auswertung
Halten Sie unbedingt die Sicherheitsvorschriften ein !
Nehmen Sie keine Veränderungen an der Optik vor !
Das Praktikumsprotokoll soll enthalten:
-
Namen der Teilnehmer, Seminargruppenbezeichnung
Grundprinzip der LDV (Zweistrahlverfahren)
Versuchsaufbau (Skizze)
Berechnung des Streifenabstandes (verwendete Wellenlänge, Brennweite und
Strahlabstand während des Praktikums notieren!)
- Berechnung der Meßpunktverlagerung durch Materialübergänge (Materialart
und Wandstärke notieren!)
- Berechnung und Darstellung der Strömungsgeschwindigkeit und des
Turbulenzgrades als Profile oder 2-d Felder.
- Diskussion der Meßergebnisse.
6. Arbeitsschutzbelehrung
Wegen des erhöhten Gefahrenpotentials sind gesonderte Unfallverhütungsvorschriften zu
beachten: UVV Laserstrahlung (GUV 2.20)
Besondere Eigenschaften des Laserstrahls:
•
•
•
•
hohe spektrale Reinheit,
große Parallelität der Strahlung,
hohe erreichbare optische Leistung und die
Möglichkeit, sehr kurze Strahlungspulse zu erzeugen.
Diese Eigenschaften rühren aus dem physikalischen Prinzip der Lichtverstärkung durch
stimulierte Emission von Strahlung.
( Laser = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation )
Lasertypen:
Eine Einteilung der Laser - Systeme kann nach mehreren Gesichtspunkten erfolgen:
(1)
(2)
(3)
nach der Betriebsart - Dauerstrich (cw = current wave) oder
Pulsbetrieb,
nach dem aktiven Medium - Gas, Flüssigkeit bzw. Farbstoff oder
Festkörper und
nach dem Anregungsmechanismus zur Inversionserzeugung Optisches Pumpen, Energieübertragung durch Stoß, Ladungsträgerinjektion oder Gasentladung.
19
Wirkung der Laserstrahlung auf Materie, insbesondere biologisches Gewebe
Auf Grund der guten Bündelung der Laserstrahlung und seiner geringen Divergenz ist sie
auch über große Entfernungen gefährlich. Die gesamte Leistung läßt sich auf einen Fleck von
tausendstel Quadratmillimetern konzentrieren und in diesem Punkt sehr hohe Leistungsdichten und damit hohe Temperaturen erzielen.
Die Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und einer Materie wird durch den Reflexionsgrad, den Absorptionsgrad und den Transmissionsgrad, also durch Stoffeigenschaften
bestimmt (R + A + T = 1). Der Reflexionsgrad, der bei Metallen nahezu 100% erreichen
kann, vor allem im infraroten Bereich, ist bei biologischen Geweben immer wesentlich
niedriger. Allerdings ist hier die Streuung sehr groß, wodurch in Ausbreitungsrichtung der
Strahlung ein Streukegel entsteht, der den Einwirkungsbereich über die geometrische
Strahlbegrenzung hinaus verbreitert. Die Leistungsdichte verringert sich dabei entsprechend
der Zunahme des Einwirkungsvolumens.
In Abhängigkeit von der Sichtbarkeit der Strahlung für das menschliche Auge unterscheidet
man die Bereiche:
ultraviolett
sichtbar
infrarot
λ=
≤380 nm
380 nm bis 780 nm (488 nm – blau, 514,5 nm – grün, 632,8 - rot)
≥ 780 nm
Hinsichtlich der biologischen Wirkung muß man für sichtbare Strahlung zwei hauptsächliche
Wirkungsmechanismen unterscheiden. Im kurzwelligen Teil des Sichtbaren sind es photochemische Prozesse – die sogenannte Blaulichtgefahr (Blue Light Hazard), die die Schädigungsgrenze bestimmen. Im langwelligen Teil des Sichtbaren ist es hauptsächlich die Wärmewirkung der im Gewebe absorbierten Strahlung, die schließlich bei zu hoher Bestrahlungsstärke zu einer Schädigung führt.
Die schädigende Wirkung der Infrarotstrahlung ist rein thermisch, jedoch ergeben sich
infolge des unterschiedlichen Absorptionsverhaltens der Gewebe für die verschiedenen
Wellenlängen auch unterschiedliche Wechselwirkungsmuster. Ähnlich wie das ultraviolette
Spektralgebiet wird das infrarote nach DIN 5031 Teil 7 in drei Teilbereiche untergliedert. Im
für das Institut relevanten Spektralbereich IR-A von 780 nm bis 1400 nm (POLYTEC-Laser:
806.5 nm) kann noch Strahlung bis zur Netzhaut vordringen und dort thermische Schäden
erzeugen.
Die Zeitabhängigkeit der biologischen Wirkung der Laserstrahlung ist relativ kompliziert, da
je nach Einwirkungsdauer bzw. Impulsdauer der Laserimpulse unterschiedliche physikalische
und biochemische Prozesse ablaufen können mit sehr spezifischen schädigenden Wirkungen.
Wegen der Fokussierwirkung des Auges im Spektralbereich zwischen 400 nm und 1400 nm
muß man zwischen den zulässigen Grenzwerten für die Haut und denen für das Auge
unterscheiden. Die zulässigen Grenzwerte nennt man abgekürzt MZB-Werte (maximal zulässige Bestrahlung) oder im englischen Sprachgebrauch MPE (maximum permissible Exposure). Die Einzelheiten der Festlegungen können [1] entnommen werden.
Wichtig ist, daß bei einem Verdacht auf eine Augenschädigung der Augenarzt innerhalb von
24 Stunden aufgesucht wird, weil danach evtl. die Augenschädigung, die zu Spätfolgen
führen kann, nicht mehr erkennbar ist.
Niemals den Laserstrahl direkt in das Auge einfallen lassen! Auf reflektierte Laserstrahlen achten!
Laserschutzklassen:
20
Die Zuordnung von Lasergeräten zu verschiedenen Laserklassen soll für den Benutzer die
mögliche Gefährdung sofort ersichtlich machen, damit er vereinfacht abschätzen kann, wie er
sein Verhalten einrichten muß und welche Schutzmaßnahmen zu ergreifen sind. Die Zuordnung ist so gewählt, daß mit zunehmender Klassennummer auch die Gefährdung, die von dem
Laser ausgeht, größer wird. Die Einteilung erfolgt nach DIN EN 60 825 bzw. IEC 825 in 4
bzw. 5 Klassen (die Klasse 3 ist zweigeteilt). Grundlage dieser Einteilung sind die zulässigen
Strahlungsgrenzwerte zusammen mit einer Sicherheitsphilosophie. Die Idee, dem Benutzer
die Auseinandersetzung mit den Strahlungsgrenzwerten zu ersparen, kommt nur in den
Klassen 1 bis 3A zum Tragen. In den Klassen 3B und 4 bleibt es bei den uneingeschränkten
Kontrollmaßnahmen zur Vermeidung von Schäden durch Laserstrahlung. Daher sollte man
diese Laser kapseln, um sie als Gesamtanlage doch wieder einer niedrigen Klasse zuordnen zu
können.
Die für die LDV eingesetzten Laser am Institut gehören alle der Klasse 3B an. Dazu zählen
Dauerstrichlaser bis 500 mW Leistung und Impulslaser mit Energiedichten unter 105 J/m2.
Laserstrahlung dieser Klasse ist auf alle Fälle für das Auge gefährlich. Diffus gestreute
Strahlung von Lasern dieser Klasse ist unter bestimmten restriktiven Bedingungen
(Beobachtungszeit unter 10 s, Beobachtungsabstand über 13 cm) für das Auge ungefährlich.
Ist Zugang zu Bereichen möglich, in denen die Grenzwerte zulässiger Bestrahlung
überschritten werden, so müssen Laserschutzbrillen oder Laser-Justierbrillen getragen
werden.
Neben dem bekannten Warnschild für Laserstrahlung (schwarz auf gelbem Grund) muß bei
allen Lasern ab Klasse 3B an jeder Öffnung, aus der Strahlung über den Grenzwerten der
Klassen 1 oder 2 austritt, ein Hinweisschild angebracht sein.
Laserschutzbrillen (DIN EN 207 und 208)
Oberbegriff für Laser-Justierbrillen (Einsatz bei Justierarbeiten an Laseraufbauten) und
Laserschutzbrillen, die für alle Laser-Wellenlängen existieren. Die an jeder Laserschutzbrille
befindliche Kennzeichnungsnummer beinhaltet an erster Stelle die maximal verträgliche
Laserleistung und an dritter Stelle die Laserwellenlänge, für die die Brille geeignet ist.
Weitere Gefahrenpotentiale
Die Laser selbst und einige Fotodetektoren (Fotomultuplier) werden mit einer Hochspannung
versorgt. Besonders beim Einsatz an Flüssigkeitsströmungen ist Havarien vorzubeugen. Tritt
doch einmal eine Havarie auf, sofort den Notausschalter betätigen und erst dann weitere Maßnahmen einleiten !