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Nichtinvasive Strömungsmessungen

Industrie

Dipl.-Ing. Dirk Keßlau

+49-351-4081-724

Messtermine verfügbar

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. 


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