Navigation

Laser-Doppler-Anemometrie (LDA)

Die Laser-Doppler-Velozimetrie (LDV), auch als Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) bekannt, hat sich in den letzten Jahren zur wichtigsten Methode zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten und ihren Schwankungen entwickelt.

Sie beruht auf dem Doppler-Effekt, also der auftretenden Frequenzverschiebung, wenn sich Sender und Empfänger relativ zueinander bewegen und wurde erstmals von Yeh und Cummins (1964) beschrieben. Eine alltägliche Erfahrung ist der akustische Doppler-Effekt, welcher ein Passant in Form einer Frequenzverschiebung des Geräusches eines vorbeifahrenden Fahrzeuges erfährt, siehe nachfolgende Abbildung.

Die Frequenzverschiebung bzw. -änderung repräsentiert hierbei ein Maß für die Geschwindigkeit des Fahrzeuges, welches die akustischen Wellen sendet.

In der Strömungsmesstechnik wird der optische Doppler-Effekt ausgenutzt. Hierbei wird ein Laser als Geschwindigkeitsfühler benutzt, dessen Licht von den in der Strömung natürlich vorkommenden oder künstlich eingebrachten Schwebeteilchen gestreut wird. Diese Teilchen werden damit zu bewegten Strahlungsquellen und Empfängern, deren Streulicht sich so verhält wie die vom Rennwagen ausgehende akustische Welle: Sie trägt eine Frequenzverschiebung, die der Partikelgeschwindigkeit proportional ist. Es wird also die Wellenlänge von Licht, das an bewegten Partikeln gestreut wird, als Funktion der Partikelgeschwindigkeit im Spektrum verschoben.

Das Streulicht wird mit optoelektronischen Wandlern (Photozelle oder Photomultiplier) aufgefangen und elektronisch analysiert. Voraussetzung ist allerdings, dass die Strömung genügend Partikel ausreichender Größe enthält, um Streulicht ausreichender Intensität zu liefern. Mit dieser Messtechnik lassen sich auch stark verschmutzte Strömungen oder Festkörperoberflächengeschwindigkeiten messen, allerdings muss das Fluid aus naheliegenden Gründen transparent sein. Einige typische Anwendungen sind Messungen in Flammen, in trüben Suspensionen oder auch in pulsierenden Strömungen.

Eine häufig eingesetzte Konfiguration ist die so genannte Differenzstrahl-Anordnung, siehe nachfolgende Abbildung. Die beiden Teillaserstrahlen werden durch eine Linse zum Schnitt gebracht. Das gemeinsame Schnittvolumen der beiden Strahlen ist das Kontroll- oder Messvolumen, auf das sich die Messung bezieht. Es handelt sich also um ein lokales Messverfahren. Durch eine Linse, welche auf der Winkelhalbierenden der beiden Laserstrahlen liegt, wird das Messvolumen auf den optischen Empfänger (Photomultiplier) abgebildet. Dadurch fällt das Licht von zwei gestreuten Strahlen, die mit der ursprünglichen Lichtrichtung die Winkel +ß bzw. -ß bilden, auf den Empfänger. Hier entsteht eine Schwebungsfrequenz durch Mischen der beiden Streustrahlen. Vorteil dieser Anwendung ist, dass der Photomultiplier nur dann mit Licht belastet wird, wenn ein Messereignis eintritt. Die gemessene Streulichfrequenz ist ein Mass für die Geschwindigkeit. Die nachfolgende Abbildung zeigt schematisch den optischen Aufbau der Differenzstrahl–Anordnung.