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Nichtinvasive Strömungsmessung
PDPA - Strömungsfelder und Partikelgrößen
Phasen- Doppler Particle Anemometer (PDPA)
Am Institut für Luft- und Kältetechnik steht im Bereich Luftreinhaltetechnik ein hochmodernes 3D Phasen-Doppler- Anemometer der Fa. TSI Inc. für die nicht invasive Messung von Geschwindigkeiten und Partikelgrößen in strömenden Medien zur Verfügung. Ein leistungsstarker, wassergekühlter Argon- Ionen Laser ermöglicht uns Messungen der Partikelgröße (0,5 - 800µm) und Messungen der Strömungsgeschwindigkeit in einem Bereich von 0 m/s bis in den Überschallbereich, selbst in Nebel- und Dampfgebieten.
Messgrößen
Mit dieser Messtechnik sind, zeitlich und örtlich hochaufgelöste 3-dimensionale Geschwindigkeitsfelder, mit welchen zum Beispiel die Strömungen in Verbrennungsmotoren oder in Sprays beschrieben werden können, rückwirkungsfrei detektierbar. Mit einem PDPA- System ist neben der Erfassung von Strömungsgeschwindigkeiten die Bestimmung von Tropfengrößen ohne Beeinflussung des Partikelsystems möglich. Besonderes Interesse kommt hierbei den Aerosolen von Flüssigkeiten hohen Dampfdrucks (einschließlich Wasser) zu, deren Partikelgrößenverteilungen in herkömmlichen Probenahmesystemen und Analysatoren durch Verdunstungsprozesse verändert werden.
Messprinzip
Exemplarisch soll im Folgenden das Messprinzip für eine Raumrichtung erklärt werden.
In einem begrenzten Messvolumen (Schnittpunkt der Laser, Abbildung 1 linkes Bild) kreuzen sich 2 Laserstrahlen unter Ausbildung eines Interferenzmusters (Abbildung 1, Mitte). Durchqueren Tropfen oder Partikel das Messvolumen wird Streulicht mit der Dopplerfrequenz fD, welche der Geschwindigkeit der Tropfen proportional ist, emittiert. Die Geschwindigkeit errechnet sich als Produkt aus Dopplerfrequenz und dem Abstand der Interferenzstreifen (δf):
u = δf⋅fD
Bei identischer Frequenz der Laserstrahlen bildet sich in deren Schnittpunkt ein stationäres Interferenzmuster aus. Durchqueren Partikel mit gegensätzlicher Flugrichtung jedoch identischem Betrag der Geschwindigkeit das Messvolumen, werden Streulichtsignale der selben Dopplerfrequenz registriert. Die Ermittlung der Flugrichtung gelingt nicht.
Technisch wird diesem Problem durch ein Frequenzverschiebung Δf zwischen den Laserstrahlen begegnet, welche durch den Einsatz einer Braggzelle erreicht wird. Auf Grund der resultierenden Bewegung des Interferenzmusters wird am Detektor ein Signal registriert, welches in Abhängigkeit von der Flugrichtung der Partikel eine Frequenz f von Δf ± fD aufweist. Neben der Ermittlung der Strömungsrichtung (positive und negative Geschwindigkeiten) wird durch die Frequenzverschiebung eines der Laserstrahlen die Messung von sehr kleinen Geschwindigkeiten möglich.
Die Bestimmung der Partikelgröße basiert auf dem Dopplersignal (Abbildung 1, rechtes Bild) eines der drei Laserstrahlpaare, welches im Empfänger von drei räumlich getrennten Detektoren erfasst wird. Die, auf der Anordnung der Detektoren basierende, Phasenverschiebung des Signals korreliert mit dem Krümmungsradius der Tropfen und erlaubt den Rückschluss auf den Tropfendurchmesser.
Messung und Prüfung
Dem ILK Dresden steht mit dem Phasendoppleranemometer ein Messgerät zur Verfügung, um beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeiten und Partikelgrößen an Düsen zu bestimmen, Tropfenabscheider zu bewerten und Strömungsfelder hinter Kanaleinbauten zu vermessen. Beispielhaft zeigt nachfolgende Abbildung des Strömungsprofil einer Düsenplatte, wie sie zur Absaugung von Rauchen verwendet wird.
Mit Hilfe dieser Daten können Sie die Leistungsfähigkeit ihrer Produkte einschätzen, verbessern und die Ergebnisse aus Simulationsrechnungen validieren. Auch bei anderen Strömungsproblemen helfen wir Ihnen gern.
Beratungs- und Forschungsleistungen
Sie haben den Wunsch Ihre Geräte weiter zu entwickeln? Auf Grund unserer langjährigen Erfahrung auf den Gebieten Strömungs- und Aerosolmesstechnik und unserer Ausstattung mit modernsten Messgeräten können wir Sie hierbei unterstützen.
