Laserová dopplerovská anemometrie (LDA)

Úvodní informace

Při tomto cvičení jsou studenti seznámeni s možnostmi bezkontaktního měření proudových polí           v tekutinách. Metoda Laser Doppler Anemometry je využívána v experimentální mechanice tekutin pro určení rychlosti proudícího média. Jedná se o bodovou měřící metodou s širokým rozsahem měřitelných rychlostí. Touto metodou byl v minulosti ustanoven nový obor laserových anemometrií.

Částečnou nevýhodou je její časová náročnost. Proudové pole je měřeno bod po bodu s nutností přesného traverzování. V závislosti na uspořádání měřicího systému je možné měřit jednu, dvě nebo všechny tři složky rychlosti. Měření každé složky však vyžaduje svůj samostatný laserový paprsek, tvořící optickou sondu s odlišnou vlnovou délkou. Na tomto cvičení bude sestaven LDA měřicí systém pro jednu složku rychlosti – natočením děliče lze následně měřit i složku druhou, nikoliv současně.

Seznam pomůcek a laboratorního vybavení

  • Technika pro metodu LDA, tj. kontinuální laser, světlovodivý kabel, fotonásobič, čítač, analyzátor spektra (BSA), hardware pro zpracování a zobrazení dat
  • Tryska připojená na rozvody tlakového vzduchu
  • Tlaková a teplotní čidla připojitelná do měřící ústředny
  • Generátor stopovacích částic

Postup pro vypracování cvičeni

Teoretická příprava

  • Vysvětlete principy Dopplerova jevu, fotonásobiče, Braggovy cely, nelineárních porovnávacích prvků, histogram rychlosti.

Zopakujte si základy metody LDA, které byly předneseny na přednášce, vysvětlete obrázek 1.

Obrázek 1: Princip měřícího systému LDA

Praktická příprava

  • Podle přednášené látky proveďte výpočet vhodné ohniskové vzdálenosti objektivu pro měření rychlostí 100m/s a 250m/s – maximální měřitelná dopplerovské frekvence je 64MHz
  • Na traverzovacím zařízení rozmístěte hlavní součásti úlohy – trysku, ventil, řídící elektroniku

Rozmyslete rozmístění a uspořádejte jednotlivé komponenty měřicího systému LDA – laser, optiku pro vedení laserového paprsku, dělič, objektiv a další, schéma naleznete na Obr. 2.

Obrázek 2: Schéma jednokanálového laserového dopplerovského anemometru

1                       kryt vstupní části                                                               9          interferenční filtr

                         2          kolimátor                                                                10        fotonásobič

                         3          hranolový dělič                                                     11        clona

                         4          Braggova cela                                                       12        modul přemístění paprsků

                         5          modul přemístění paprsků                                   13        držák objektivu

                         6          sekce zpětného rozptylu                                       14        expander paprsků

                         7          držák                                                                        15        vysílací/přijímací objektiv

                         8          optika fotonásobiče                                              16        základová deska

 

  • Nechte lektora zapnout kontinuální laser – POZOR dodržujte zásady laserové bezpečnosti
  • Umístěte stínítko na pozici optické sondy, při uspořádání zpětného rozptylu zaostřete zrcadla a optiku pro fokusaci obrazu optické sondy do středu terčíku k navedení do optického kabelu
  • Zapněte fotonásobič a čítačový analyzátor, na základě pokynu lektora nastavte vhodně parametry obou přístrojů
  • Diskutujte a následně nastavte analogové filtry dopplerovského signálu
  • Nastavte správné parametry v měřicím analyzačním hardwaru, proveďte testovací měření
  • Nechte vypočítat statistiku, diskutujte podobu histogramu a vypočtených hodnot střední rychlosti a intenzity turbulence – v případě nevyhovujících výsledků proveďte opravu nastavení systému a zvolených parametrů
  • Přepojte výstup fotonásobiče do BSA analyzátoru, zapněte analyzátor
  • Vypočtěte koeficient pro přepočet rychlosti z dopplerovské frekvence (parametry vlnová délka, úhel paprsku na základě ohniskové vzdálenosti čočky)
  • Nastavte ostatní žádané parametry pro správné vyhodnocení, zkontrolujte poměr platných dat
  • Proveďte měření pomocí BSA analyzátoru, porovnejte výsledky z měření pomocí čítačového analyzátoru

1. Popis

Úvodní informace

Při tomto cvičení jsou studenti seznámeni s možnostmi bezkontaktního měření proudových polí   v tekutinách. Metoda Laser Doppler Anemometry je využívána v experimentální mechanice tekutin pro určení rychlosti proudícího média. Jedná se o bodovou měřící metodou s širokým rozsahem měřitelných rychlostí. Touto metodou byl v minulosti ustanoven nový obor laserových anemometrií.

Částečnou nevýhodou je její časová náročnost. Proudové pole je měřeno bod po bodu s nutností přesného traverzování. V závislosti na uspořádání měřicího systému je možné měřit jednu, dvě nebo všechny tři složky rychlosti. Měření každé složky však vyžaduje svůj samostatný laserový paprsek, tvořící optickou sondu s odlišnou vlnovou délkou. Na tomto cvičení bude sestaven LDA měřicí systém pro jednu složku rychlosti – natočením děliče lze následně měřit i složku druhou, nikoliv současně.

Seznam pomůcek a laboratorního vybavení

  • Technika pro metodu LDA, tj. kontinuální laser, světlovodivý kabel, fotonásobič, čítač, analyzátor spektra (BSA), hardware pro zpracování a zobrazení dat
  • Tryska připojená na rozvody tlakového vzduchu
  • Tlaková a teplotní čidla připojitelná do měřící ústředny
  • Generátor stopovacích částic

Postup pro vypracování cvičeni

Teoretická příprava

  • Vysvětlete principy Dopplerova jevu, fotonásobiče, Braggovy cely, nelineárních porovnávacích prvků, histogram rychlosti.

Zopakujte si základy metody LDA, které byly předneseny na přednášce, vysvětlete obrázek 1.

Obrázek 1: Princip měřícího systému LDA

Praktická příprava

  • Podle přednášené látky proveďte výpočet vhodné ohniskové vzdálenosti objektivu pro měření rychlostí 100m/s a 250m/s – maximální měřitelná dopplerovské frekvence je 64MHz
  • Na traverzovacím zařízení rozmístěte hlavní součásti úlohy – trysku, ventil, řídící elektroniku

Rozmyslete rozmístění a uspořádejte jednotlivé komponenty měřicího systému LDA – laser, optiku pro vedení laserového paprsku, dělič, objektiv a další, schéma naleznete na Obr. 2.

Obrázek 2: Schéma jednokanálového laserového dopplerovského anemometru

1 kryt vstupní části 

2 kolimátor

3 hranolový dělič

4 Braggova cela

5 modul přemístění paprsků

6 sekce zpětného rozptylu

7 držák

8 optika fotonásobiče

 9 interferenční filtr

10 fotonásobič

11 clona

12 modul přemístění paprsků

13 držák objektivu

14 expander paprsků

15 vysílací/přijímací objektiv

16 základová deska

  • Nechte lektora zapnout kontinuální laser – POZOR dodržujte zásady laserové bezpečnosti
  • Umístěte stínítko na pozici optické sondy, při uspořádání zpětného rozptylu zaostřete zrcadla a optiku pro fokusaci obrazu optické sondy do středu terčíku k navedení do optického kabelu
  • Zapněte fotonásobič a čítačový analyzátor, na základě pokynu lektora nastavte vhodně parametry obou přístrojů
  • Diskutujte a následně nastavte analogové filtry dopplerovského signálu
  • Nastavte správné parametry v měřicím analyzačním hardwaru, proveďte testovací měření
  • Nechte vypočítat statistiku, diskutujte podobu histogramu a vypočtených hodnot střední rychlosti a intenzity turbulence – v případě nevyhovujících výsledků proveďte opravu nastavení systému a zvolených parametrů
  • Přepojte výstup fotonásobiče do BSA analyzátoru, zapněte analyzátor
  • Vypočtěte koeficient pro přepočet rychlosti z dopplerovské frekvence (parametry vlnová délka, úhel paprsku na základě ohniskové vzdálenosti čočky)
  • Nastavte ostatní žádané parametry pro správné vyhodnocení, zkontrolujte poměr platných dat
  • Proveďte měření pomocí BSA analyzátoru, porovnejte výsledky z měření pomocí čítačového analyzátoru