Optische Messtechnik

 

3D-Laser-Doppler-Anemometrie (LDA)

Schematik für LDA-Messsystem Urheberrecht: © RWTH Aachen | IST

Die Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) ist ein berührungsloses Messverfahren, welches die punktuelle Messung stationärer und instationärer Strömungsgeschwindigkeiten in bis zu drei Raumrichtungen ermöglicht. Bei der Zwei-Strahl-Methode werden für jede Geschwindigkeitsrichtung zwei Laserstrahlen gleicher Wellenlänge fokussiert und in ihrem Fokuspunkt überlagert. Der so gebildete Überlappungsbereich definiert den Messbereich und wird durch ein Interferenzstreifenmuster charakterisiert, das sich parallel zur Strahlkreuzachse bildet. Werden der Strömung Teilchen (z.B. Öltröpfchen) zugefügt und deren Streulicht beim Passieren des Interferenzstreifenmusters erfasst, wird das registrierte Streulichtsignal als Doppler-Burst bezeichnet. Dieser Doppler-Burst wird zur Signalverarbeitung in einem Gleichstrom- und Wechselstromanteil zerlegt, wobei über die Periodendauer des Wechselstromanteils die Doppler-Frequenz bestimmt wird. Mit der Doppler-Frequenz und dem Interferenzstreifenabstand lässt sich so eine Partikelgeschwindigkeit senkrecht zur Strahlkreuzungsachse ermitteln.

Eine Kalibrierung ist bei diesem Messverfahren nicht erforderlich, da der Interferenzstreifenabstand eine alleinige Funktion des optischen Aufbaus ist (Wellenlänge und Kreuzungswinkel). Vorteilhaft ist außerdem, dass bei Messungen in geschlossenen Messstrecken nur ein optischer Zugang erforderlich ist, da Laserlichtsender und –empfänger beide orthogonal zum selben optischen Zugang positioniert werden können.

Anwendung

Am IST wird das 3D-LDA-System u.a. am Triebwerksradialverdichter und am offenen Freistrahlkanal eingesetzt. Hierzu steht eine traversierbare 3D-Sonde zur Verfügung, die durch die räumliche Anordnung von drei Strahlenpaaren die Geschwindigkeits- und Winkelmessung in drei Raumrichtungen erlaubt. Die Traversierung des Messvolumens erfolgt dabei mittels 6-Achs-Industrieroboter.

Messgrößen

  • 3-dimensionaler Geschwindigkeitsvektor
  • Instationäres Geschwindigkeitsfeld
 

Particle Image Velocimetry (PIV)

Schematik zur PIV Messtechnik Urheberrecht: © RWTH Aachen | IST

Die PIV-Messtechnik ist ein laser-optisches Geschwindigkeitsmessverfahren, mit dem die instantane Erfassung von zwei- bzw. dreidimensionalen Geschwindigkeitsfeldern in Fluiden möglich ist. Es kann als Erweiterung der Strömungssichtbarmachung gesehen werden, da es neben qualitativen auch quantitative Aussagen über das Strömungsbild erlaubt. Das Messprinzip beruht auf der Verschiebungsbestimmung der in das Fluid eingebrachten Partikel. Diese Partikel werden in einem gepulsten Laserlichtschnitt beleuchtet. Mit einer Kamera wird das Streulicht der beleuchteten Partikel in der Strömung aufgenommen. Dazu erfolgen eine Doppelbelichtung oder zwei zeitversetzte Einzelbelichtungen eines CCD-Chips.

Durch eine statistische Auswertung der aufgenommenen Bilder können die Geschwindigkeitsvektoren der Partikel aus der Verschiebung und der Zeit des Belichtungsintervalls ermittelt werden.

Einsatz am IST

Das berührungslose Messverfahren PIV führt zu keiner lokalen Beeinflussung der Strömung, weshalb es auch in sehr kleinen Abmessungen bei ggf. hohen Strömungsgeschwindigkeiten verwendet werden kann. Am IST kommt das Verfahren so u.a. in Radialverdichterdiffusoren zum Einsatz. PIV erlaubt die großflächige Messung des quantitativen Geschwindigkeitsfeldes. So ist es möglich Strömungsphänomene wie Ablösungen schnell zu detektieren. Die gewonnenen Ergebnisse liefern exzellente Daten zur Validierung von Strömungslösern und tragen so zur Weiterentwicklung und Verbesserung von Turbomaschinen bei.

Messgrößen

  • 2-dimensionales Geschwindigkeitsfeld