Strona główna

11. Anemometria Laserowa Cel ćwiczenia


Pobieranie 43.9 Kb.
Data20.06.2016
Rozmiar43.9 Kb.
11. Anemometria Laserowa

Cel ćwiczenia: pomiar prędkości szybko poruszających się ciał oparty na efekcie Dopplera - przesunięcie częstości światła rozproszonego.
Przyrządy:

  1. laser,

  2. fotodetektor,

  3. soczewka (zdolność skupiająca 1.5 dioptrii),

  4. oscyloskop cyfrowy firmy Hung Ghang 3850 DML,

  5. komputer klasy PC,

  6. obiekt badany (tarcza z silniczkiem; rura z cieczą)


1. Wstęp:

Anemometria laserowa jest techniką wykorzystywaną w badaniach doświadczal-nych z mechaniki przepływów. W 1976 roku Durst opublikował podstawy działania. anemometrii. Technika ta pozwala zmierzyć lokalną wartość prędkości w określonym punkcie przepływu i czasie. Anemometria obecnie wykorzystywana jest do badania, silnie turbulentnych przepływów. Głównymi zaletami tej techniki są: bezinwazyjność, mała objętość próbkowania, możliwość ciągłego przesuwania obszaru badanego i samo kalibracja.

Metoda bezinwazyjnego pomiaru prędkości ma bardzo szerokie widmo aplikacji. Jest używana w meteorologii do mierzenia prędkości wiatru. W biologii i medy-cynie jest wykorzystywana między innymi do pomiaru prędkości przepływu krwi i płynów ustrojowych w badaniach in vivo. Często używa się tej metody w tunelach aerodynamicznych i hydrodynamicznych. Wykorzystuje się ją także w szeregu badań technicznych między innymi przy pomiarze prędkości mieszanki tłoczonej do komory spalania w silnikach spalinowych. Wykorzystywane są także metody bardziej zaawansowane: dwu-, lub trójkolorowe wiązki pozwalają określać nie tylko wartość prędkości, ale także jego kierunek i zwrot na płaszczyźnie i w przestrzeni. Szczególnie spektakularne są badania prędkości wirników i profili śmig w lotnictwie. Pozwala to konstruować bardziej ekonomiczne i szybsze śmigłowce. LDA (Laser Doppler Anemometry) pozwala również na mało kosztowne badania z zakresu ochrony środowiska. Między innymi na kontrolowanie emisji drobin przez zakłady przemysłowe.

Głównym celem ćwiczenia jest przestudiowanie podstaw teoretycznych oraz ich zastosowanie w łatwo sprawdzalnym układzie (krążek plexiglasowy). Jako rozwinięcie tego ćwiczenia proponuje się studentom wykonanie pomiarów w układzie z rzeczywistym przepływem.



2. Wstęp teoretyczny:

Podstawowy teoretyczny opis laserowej anemometrii w naszym układzie oparty jest na dwóch różnych zjawiskach fizycznych. Pierwszy oparty jest na Dopplero-wskim prawie przesunięcia częstości, drugi oparty jest na zjawisku interferencji. Obydwa dają te same końcowe relacje.


2.1. Model Dopplerowski:

Ideę anemometrii możemy najkrócej przedstawić jako interferencję pomiędzy dwiema falami świetlnymi o różnych częstościach zmodulowanych przez dopplerowskie przesunięcie częstości, gdzie funkcję modulatora pełni poruszająca się cząsteczka. Dokładnie wygląda to następująco: Przesunięcie częstości światła rozproszonego jest dane przez:


(1)
gdzie: jest wektorem prędkości cząstki, jest wektorem falowym światła pada-jącego i reprezentuje kierunek światła rozproszonego. Jeśli znamy kierunki wiązki padającej i rozproszonej oraz przesunięcie częstości możemy znaleźć wartość prędkości cząstek rozpraszających. Schemat układu dwuwiązkowego ane-mometru laserowego przedstawiony jest na rysunku 1. W układzie tym poruszająca się cząstka produkuje dwie rozproszone fale świetlne z przesunięciem częstości danym jako:
(2)
oraz:
(3)

Interferencja dwóch rozproszonych fal i posiadających różne częstości daje wartość intensywności w polu interferencji opisaną wzorem:


(4)
gdzie nazywa się funkcją spójności . W naszym przypadku:
(5)
Stąd:
(6)




Rysunek l: Model bazujący na Dopplerowskim przesunięciu częstości

Teraz widzimy, że zmiana natężenia światła w czasie zależna jest od różnicy częstości rozproszonych fal. W naszym układzie:


(7)
(8)
(9)

gdzie: - kąt pomiędzy i .

Gdy otrzymujemy:
(10)

Możemy wyrazić sinus przez długość ogniskowej f i odległość d między wiązkami:


(11)

2.2. Model prążkowy:

Interferencja wiązek świetlnych w obszarze badanym tworzy układ równo-oddalonych prążków (białych i czarnych pasów - zobacz rysunek 2).








Rysunek 2: Model prążkowy
Odległość pomiędzy prążkami interferencyjnymi w przecięciu wiązek dana jest przez:
(12)

Małe poruszające się cząstki rozpraszają światło za każdym razem, gdy przechodzą przez jasny prążek. W wyniku tego można obserwować rozbłyski z częstością proporcjonalną do prędkości i odwrotnie proporcjonalną do odległości między prążkami.


(13)
Jest to dokładnie to samo wyra¿enie jakie otrzymaliśmy poprzednio dla przesunięcia. dopplerowskiego.
3. Opis układu doświadczalnego:



Rysunek 3: Schemat układu do anemometrii laserowej.

Schemat układu doświadczalnego do pomiarów prędkości przepływu pokazany jest na rysunku 3. Monochromatyczna wiązka wychodząca z lasera pada na dzielnik wiązki, którego rolę pełni stolik optyczny z układem zwierciadeł. Następnie równoległe wiązki padają na soczewkę i są skupione w punkcie, w którym znajduje się badany obiekt. Kierunek wektora prędkości cząstki jest w tym układzie w płaszczyźnie kąta a zawartego między wiązkami. Światło rozproszone przez cząstkę jest rejestrowane przez fotodetektor; w tym przypadku fotodiodę. Sygnał następnie przesyłany jest do oscyloskopu cyfrowego, stamtąd transferowany do komputera, który dokonuje szybkiej analizy fourierowskiej (FFT).

Uwaga: W celu otrzymania bardziej monochromatycznej wiązki światła laserowego należy zmniejszyć napięcie zasilania lasera używając autotransfor-matora. Przy napięciu zasilania U ~ 150V liczba modów zostanie ograniczona!

4. Wykonanie ćwiczenia:


    1. Pomiar prędkości tarczy obrotowej przy wykorzystaniu szybkiej trans-

formaty Fouriera (FFT):
4.1.1.

Zestawić układ zgodnie ze rysunkiem 3. Podłączyć oscyloskop do komputera złączem szeregowym. Ustawić oscyloskop w tryb sterowania zdalnego używając przełączników znajdujących się na wyprowadzeniu złącza szeregowego w oscylo-skopie. Ustawić przełączniki w sposób przedstawiony poniżej:

Uwaga: Wszelkich manipulacje przełącznikami dokonywać przy wyłączonym oscyloskopie!





1 2 3 4

Rysunek 4: Sterowanie zdalne
Podłączyć oscyloskop do sieci przy pomocy zasilacza sieciowego (sprawdź polaryzację na wtyku i w gnieździe sieciowym oscyloskopu! Włączyć zasilanie fotodiody i silniczka. Włączyć zasilanie lasera, napięcie na autotransformatorze ustawić na 220V. Włączyć komputer po zapoznaniu się z instrukcją softwarową (str.10). Ustawić układ tak aby punkt przecięcia wiązek wypadł na powierzchni krążka w ten sposób aby wektor prędkości rys był prostopadły do prążków. Przeprowadzić transmisję danych zgodnie z instrukcją softwarową. Opierając się na fourierowskim widmie częstości określić interesującą nas częstość korzystając z zależności:
(14)
gdzie: fj - częstość dla j-tej harmonicznej,

j - numer harmonicznej w dyskretnej transformacie Fouriera,

N - liczba próbek (standardowo 2048),

f s- częstość próbkowania (por. instrukcja dołączona do oscyloskopu).
4.1.2.

Powtórzyć pomiar kilkakrotnie przy różnej podstawie czasu (zmiana częstości próbkowania).


4.1.3.

Zmierzyć czas obrotu tarczy przy pomocy stopera i obliczyć prędkość liniową rys. Porównać wyniki z otrzymanymi poprzednio. Obliczyć błędy i przeprowadzić dyskusję. Przeprowadzić pomiary dla kilku prędkości obrotowych tarczy.




4.2. Pomiar prędkości tarczy obrotowej z obniżoną modowością lasera.
Zmniejszyć napięcie zasilania lasera do U  145 V i powtórzyć pomiary z punktu 4.1. Pokazać i omówić różnice.
4.3. Pomiar prędkości tarczy obrotowej z wykorzystaniem oscyloskopu w

trybie lokalnym.
Wyłączyć zasilanie oscyloskopu i przestawić go w tryb lokalny:










1 2 3 4
Rysunek 5: Sterowanie lokalne
Uruchomić oscyloskop. Ustawić go w tryb auto-range i po "złapaniu" przebiegu określić częstość (por. "uwagi o osyloskopie" ). Porównać z wynikami z punktu 4.2. Zmierzyć czas obrotu tarczy przy pomocy stopera i porównać otrzymane wartości. Pomiar przeprowadzić kilkukrotnie.
4.4. Wyznaczanie zależności odległości padającej wiązki od środka tarczy.
Przeprowadzić pomiary najbardziej dokładną metodą dla różnych odległości r plamki od środka tarczy. Wyniki przedstawić na wykresie. Przeprowadzić regresję liniową. Zbadać przyczynek b we wzorze y=ax+b prostej na jej kształt. Przepro-wadzić dyskusję błędów i sprawdzić czy prosta opisana y=ax jest wystarczająco dokładna.
4.5. Obserwacje.
4.5.1.

Zaobserwować różnicę sygnału dla położeń plamki przedstawionych poniżej:




Przedyskutować wyniki obserwacji.


4.5.2.

Przeanalizować otrzymane fourierowskie widma częstości i omówić je.


5. Opracowanie wyników.
Dane otrzymane należy zebrać w tabele; wydrukować kilka widm i przebiegów

z oscyloskopu. Przeprowadzić dyskusję błędów. Omówić obserwacje.


6. Uwagi o oscyloskopie.
Patrz rysunek techniczny oscyloskopu Hung Ghang (ostatnia strona instrukcji).

Kilka informacji obsługowych:


6.1. Złapanie przebiegu.
Po podłączeniu oscyloskopu do układu i po włączeniu do sieci ustawiamy oscylo-skop w stan auto (przycisk 22). Następnie przy pomocy przycisku 24 (run-hold) możemy "złapać" przebieg. Pamięć bieżąca oscyloskopu składa się z 2048 bajtów. Dwukrotne naciśnięcie przycisku 24 powoduje ponowne próbkowanie.
6.2. Złapanie przebiegu do pamięci trwałej.
W oscyloskopie Hung-Ghang jest 16 pamięci. Pierwsze cztery mają pojemność 2048 bajtów, reszta 140 (zapis ekranu). Aby dany przebieg umieścić w pamięci należy przy pomocy przycisków 12 i 18 ustawić numer pamięci, następnie przyciskiem 16 ustawić funkcję RF i przycisnąć przycisk 23. Wymazanie zawartości pamięci następuje przez zastąpienie jej innym przebiegiem.


    1. Sprawdzenie okresu lub częstości przebiegu.

Należy przy pomocy przycisku run-hold "złapać" przebieg. Następnie przyciskiem "mode" ustawić żądany tryb (pojawia się kursory). Operując kursorami (przyciski 18,20) ustawić okres, odczytać wynik.




    1. Opis niektórych funkcji:

PL - nakładanie przebiegów,

RF - operacje na pamięciach,

PR - przesyłanie zawartości ekranu na drukarkę,

TM - ustawianie kalendarza i zegara,

SM - płynne przesuwanie przebiegu.




  1. Instrukcja softwarowa.



Stanowisko obsługują dwa programy:


l. Oscyloskop napisany w języku TP 7.0 - program obsługujący sterowanie i transfer danych z oscyloskopu. Program jest w języku polskim i nie wymaga dokładniejszego opisu. Należy zauważyć dwie rzeczy: po pierwsze program tworzy plik (który należy zapisać z rozszerzeniem *.DAT) jednocześnie wyświetlając przebieg na ekranie monitora; po drugie program ma możliwość obsługi pamięci bieżącej i czterech pamięci o pojemności 2048 bajtów.

2. Rolę programu analizującego dane może pełnić dowolny program przeznaczony do tego celu. W naszym przypadku używaliśmy programów shereware: DPFFT (Amiga) i WinPlot lub Origin (IBM PC).


7.1. Przesył danych.
Przy pomocy programu Oscyloskop "złapać" przebieg i zapisać go na dysk w for-macie *.DAT. Następnie przy pomocy programu Origin zrobić transformatę fourierowską i znaleźć numer harmonicznej wybijającej się z szumu.
8. Literatura.
l. A. Dubik Zastosowanie laserów.

2. Zastosowanie laserów w technice pomiarowej. wyd. Warszawskie centrum stu-

denckiego ruchu naukowego.

3. M. Węcłaś Anemometria laserowa LDA w badaniach silników spalinowych.

4. Strony WWW dotyczące LDA (Laser Doppler Anemometry) i LDV (Laser

Doppler Velocimetry).




Anemometria laserowa


©snauka.pl 2016
wyślij wiadomość