Optische Messverfahren [1/3] K. Zähringer · Medizin, Messtechnik, Spektroskopie, Shows...
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Messtechnik
Optische Messverfahren [1/3]K. Zähringer
Einführung undLaser-Messverfahren für Geschwindigkeit (LDA)
und Partikelgröße
Sichtbarmachung Meßverfahren• Bahnlinien• Stromlinien• Dichte-
(Konzentrations-) unterschiede
• Temperatur-unterschiede
• Geschwindigkeit• Konzentration• Dichte• Temperatur
Bilder aus : http://www.efluids.com/efluids/gallery
Sichtbarmachung
• Fadensonden• Streuteilchen• Farbstoffe• Rauch• Gasblasen• Wandanstrich POSITIVELY BUOYANT JET: CIGARETTE
SMOKE
T. T. Lim
National University of Singapore, Singapore
MessverfahrenBeispiel :Simultane PIV und LIF, SMX-Mischer
PIV
Particle ImagingVelocimetry
LIF
Laser-induzierteFluoreszenz
Re = 562, vertikale Mittelebene
Bilder von PIV und Tracer-LIF in statischem Mischer, S. Leschka, A. Lehwald, K. Zähringer
„Laserverfahren“ Brechungsindexvariation • Mie-Streuung• Rayleigh-Streuung• Absorption• Fluoreszenz
• Schlierenverfahren• Schattenverfahren• Interferometrie• Holographie
HOT AND COLD GOBLETS, Andrew DavidhazyRochester Institute of Technology
CH und OH-LIF in Gegenstromflamme, A. Lemaire, K. Zähringer, C. Rolon
Was sind Laser ?• Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation =
Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung• Atome eines Lasermediums (Gase, Festkörper,
Flüssigkeiten) werden durch Energiezufuhr (Blitzlampen, Dioden, Gasentladung, Spannung) angeregt „Pumpen“
• Rückkehr in Grundzustand durch Emission von Photonen bestimmter Wellenlänge
• aktives Medium wird mehrmals im Resonator durchlaufen (Spiegel) Verstärkung optischer Resonator
aktives Medium Laserstrahlung
Frontspiegelteildurchlässig
Endspiegelundurchlässig
Laser : Beispiel Nd:YAG
1) Lasermedium und Blitzlampen
4) Spiegel5) λ/4 Platten
2) Pockels-ZelleQ-Switch
6) Shutter
Eigenschaften von Laserlicht
• Kohärent : konstante Phasendifferenz, zeitlich und räumlich zusammenhängend
• Monochromatisch : exakt eine Wellenlänge
• geringe Strahldivergenz : gebündelte, fast parallele Strahlung
Laserartenaktives Medium Wellenlänge Anwendungs-beispiele
Helium-Neon (He:Ne) 632,8 nm Messtechnik
Argon (AR+)488 nm514,5 nm
Medizin, Messtechnik, Spektroskopie, Shows
Kohlendioxid (CO2) 10,6 μm Materialbearbeitung, Medizin, Spektroskopie
Neodym: Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG)
1064 nmMesstechnik, Materialbearbeitung, Spektroskopie
Rubin (Cr3+:Al2O3) 694,3 nm Materialbearbeitung, Medizin
Halbleiter 690-910 nmDatenübertragung und-speicherung, Drucker, Medizin
Flüssigkeitslaser Farbstoffe Einstellbar von UV - IR Medizin, Spektroskopie
Festkörperlaser
Gaslaser
Bogenlampe, Xenon-Lampe
Laser (1W)
Laser (1mW)
Sonne
Schweißbogen, Kohlefadenlampe
Wolframlampe
Feuerwerksrakete
Kerze
matte Glühbirne
Neonröhre Tageslicht
Tageslicht in Räumen
Fernsehbildschirm
Display
Dur
chm
esse
r der
Pup
ille
(mm
)
Größe des Bildes auf der Netzhaut
Elektri-scher
Laserlicht-stärke
auf die Netzhaut treffende Leistungsdichte (Watt/cm2)
Wirkung auf den Menschen
106nm
Auswirkungen auf das Auge
760 1400 3000100
Eindringen der Strahlung in die Tiefe
der Haut
Verbrennung der HornhautHornhautentzündung
Linsen-trübung /
Grauer Star
Linsentrübung / Grauer Star
Verletzungen und Verbrennungen der
Netzhaut
Auswirkungen auf die Haut
Hautrötungen / "Sonnenbrand" Verbrennungen
280 315 400
Sichtbar IR-A IR-B IR-CAufteilung des Spektrums in 7 Banden UV-C UV-B UV-A
Wechselwirkung Strahlung - Materie
elastisch inelastisch
RayleighStreuung
MieStreuung Absorption Fluoreszenz Raman
spontan induziert linear nicht-linear
sontanes Raman coherent nicht-coherent
CARS … … …CARS : Coherent Anti-StokesRaman Scattering
• kein Energieaustausch– gestreutes Licht hat
selbe Frequenz wie eingestrahltesnicht spezifisch für bestimmte Spezies
- sehr Winkelabhängig– nicht von Dichte oder
Temperatur abhängig• d/λ ≥ 1 ; i.a. Partikel• Strömungssichtbarmachung• Geschwindigkeitsmessung (Laser-Doppler-
Anemometrie, Particle-Image-Velocimetrie)• Partikelgrößenbestimmung
Mie Streuung
Laser-Doppler-Anemometrie LDA (LDV)
• Verwendung des Doppler-EffektsFrequenzverschiebung des Lichts
• Erfunden von Yeh und Cummins 1964• Bis zu 3 Geschwindigkeitskomponenten• Quantitative Messungen
(keine Kalibrierung nötig)• Hohe Genauigkeit• Hohe zeitliche Auflösung• Punktmessung• statistisches Verfahren• Streuteilchen nötig
LDA – Optisches Prinzip
• Partikel wandern durch das von zwei coherenten Laserstrahlengeformte Meßvolumen.
• Licht beider Strahlen wird an Partikel gestreut.
• Zweifacher Dopplereffekt(Frequenzverschiebung) : ruhender Sender (Laser) bewegter Empfänger (Partikel) und bewegter Sender (Partikel) ruhender Empfänger (Detektor)
Photodetector
Dire
ctio
n of
mot
ion
Inci
dent
bea
ms
Ø
LDA - Streifenmodel
• Zwei Laserstrahlen formenim MeßvolumenInterferenzstreifen.
• Wenn ein Teilchen dieses Streifenmusterdurchquert, fluktuiert dasgestreute Licht mit einerFrequenz, die gleich derGeschwindigkeit geteiltdurch den Streifenabstandist.
2sin ( 2)x λ
φΔ =
Streifenabstand
sin ( 2)2f u φλ⊥=
Dopplerfrequenz
Δx
MeßvolumenDetektor Prozessor
LaserBraggZelle
Rückwärtsgestreutes Licht
Zeit
Signale
LDA Signal einesStreuteilchens
LDA : Prinzip
LDA : System Konfigurationen
• VorwärtsstreuungoderSeitwärtsstreuung
– stärkeres Signal– schwierig zu justieren,– Schwingungsanfällig
• Rückwärtsstreuung
– einfach zu justieren– Benutzerfreundlich– schwächeres Signal
Receiving opticswith detector
Transmittingoptics
FlowReceiving optics
with Detector
FlowLaser
Braggcell
Detector Transmitting and receiving optics
LDA : Sendeoptik
Laser
Braggcell
BS
Lens
• Strahlteiler
• Achromatische Linsen
• Frequenzmodulation(Bragg Zelle)
– Strömungsrichtung– kleine Geschwindigkeiten
• Strahlerweiterung– kleineres Meßvolumen– höhere Leistungsdichte
F
D × E
ϑ
× Ε
D
DL
ϕ
LDA : Empfangsoptik
• Einkopplungslinsen• Glasfaser• Interferenzfilter
• Detektor- Photomultiplikator- Photodiode
Lenses
Interferencefiltre
PhotomultiplierMultimode
fibre
LDA : Zweikomponentenmessung• Laser mit zwei Wellenlängen :
z.B. Ar+-Ionen-Laser
Messbare Komponenten
vertikal
horizontal
LDA : Streuteilchen• Kompromiss zwischen :
guten Streueigenschaften große Partikel gutem Folgevermögen kleine Partikel
• Wahl hängt von Anwendung ab• wesentliches Kriterium : Dichte• schmalbandige Verteilung der Größen• typische Partikel für Gasströmungen :
Phasen-Doppler Anemometrie (PDA)• Erweiterung der Laser-Doppler Velocimetrie• Gleichzeitige Messung der Geschwindigkeit
und Größe sphärischer Partikel.• Quantitative Methode (keine Kalibrierung
nötig) • Hohe Genauigkeit• Meßbereich : 0.5 μm bis einige mm• Phasendifferenz des gestreuten Lichts
zwischen zwei Detektoren wird ausgewertet
PDA : Optisches Prinzip• Partikel streut Licht von
zwei Laserstrahlen, analog zu LDA
• min. zwei Detektorenempfangen dieses Signal mit unterschiedlicherPhase
• Die Phasendifferenz istproportional demDurchmesser der Partikel
Inci
dent
bea
ms
Detector 1Detector 2
PDA Winkelanordnnung• Laserstrahlwinkel θ
• Winkel der Detektoren-anordnung (Off-Axis) Ø
• Elevationswinkel ψ
θ
Ø2ψ
Ø
θ
2ψ
PDA Phasenbeziehungen
Φ =−
22 1
π
λθ ψθ ψ φ
dp sin sin( cos cos cos )
Φ =−
+ + − +
2
2 1 1 2 12
πλ
θ ψ
θ ψ φ θ ψ φ
d n
n n
p rel
rel rel
sin sin
( cos cos cos ) ( ( cos cos cos )
Die Phasendifferenz Φ zwischen zwei Detektoren beträgt:
für Reflektion :
für Brechung 1. Ordnung :-2
1st order refraction
-1
1
2
-2 -1 1 2
Incident ray
Reflection
2nd orderrefraction
3rd order
4th order
5th order
6th order
7th order
8th order
np
nm
np > nm
• Laserstrahlwinkel θ
• Winkel der Detektorenanordnung(Off-Axis) Ø
• Elevationswinkel ψ
PDA : Linearität zwischen Phase und Durchmesser
• Eine lineare Beziehung zwischen Phase und Partikeldurchmesser existiert nur, wenn die Detektoren nur eine Brechungsart empfangen.
5 10 15 20 25 30
-60
-40
-20
0
20
40
60
Diameter (micron)
Pha
se (d
eg)
Air bubble in water
Water droplet in air
Scattering angle: 50°
Ref
ract
ion
Ref
lect
ion
nM : Brechzahl Mediumnrel=np/nM : relative Brechzahl
Partikel/Mediumbi : Streulichtterme
•einfacher Aufbau– gleichmäßige Lichtquelle (Laser auf fluoreszierender Mattscheibe)– Microskop-
Objektiv– Kamera
•geometrische Kalibrierung notwendig•statistisches Verfahren :
– liefert Partikelgrößenverteilung
Shadowgraphy (Schattenverfahren) zur Partikelgrößenmessung
Dynamic Light Scattering• beruht auf Rayleigh- und/oder Mie-Streuung der
Partikel• Berechnung des Partikeldurchmessers aus dynamischen
Veränderungen der gestreuten Lichtintensität durch Brown‘sche Bewegung Diffusionskoeffizient
• Messbereich : 0.005–1 μm• keine Kalibrierung nötig, Überprüfung an bekannten
Partikeln angeraten• geeignet für Suspensionen und Emulsionen• nur für Proben von einigen μg bis mg• geringe Partikelkonzentrationen nötig für absolute
Messungen
Dynamic Light Scattering : Aufbau
•kontinuierlicher Laser (HeNe)
•Detektor : Avalanchephotodiodeoder Photomultiplikator
•Detektionswinkel oft variabel einstellbar
•auch Rückwärts-streuung, ähnlich wie LDA, mit optischen Fasern möglich
Dynamic Light Scattering : Auswertung
•aus der Abklingrate Γ der (Auto-) Korrelationsfunktion G der gemessenen Intensitätsänderungen Iwird der Diffusionskoeffizient D
ermittelt
•daraus wird mittels der Stokes-Einstein-Gleichung ein Partikeldurchmesser Dp berechnet
•Voraussetzungen : sphärische Partikel, keine Wechselwirkung
3D B
p
k TDπ μ
⋅=
⋅ ⋅ ⋅
( )
2
( ) ( )
4 sin 2
D
I t G
q
nmit q
τ
π θλ
→
→ Γ = ⋅
=
Dynamic Light Scattering : Probleme• nicht tatsächlicher, sondern hydraulischer Durchmesser
wird gemessen• Partikel–Partikel Wechselwirkungen bei höheren
Konzentrationen mehrfache Streuung • Messung von sehr kleinen Partikeln durch geringe
Streuung eingeschränkt• Suspension muß stabil bleiben, keine Sedimentation• On-line oder In-line Messungen kaum möglich, da dann
zusätzliche Bewegung durch Konvektion• Viskosität der Flüssigkeit darf nicht zu hoch sein• Probe muß sehr sauber sein, kein Staub oder Luftblasen
Literatur• F. Durst, A. Melling, J. Whitelaw : Theorie und Praxis
der Laser-Doppler-Anemometrie, Braun, 1987, ISBN 3765020222.
• H. Eckelmann, Einführung in die Strömungsmeßtechnik, Teubner Studienbücher, Stuttgart, 1997
• H.G. Merkus, Particle Size Measurements, Springer, 2009 , DOI 10.1007/978-1-4020-9015-8_12
• http://www. dantecdynamics.com• http://www. LaVision.de
• Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin : Damit nichts ins Auge geht…, 2005, ISBN 3-88261-497-8