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Phasen-Doppler-Anemometer in der Strömungsmechanik

Partikelgrössenmessungen in Verbindung mit Geschwindigkeitsmessungen sind auf vielen Gebieten der angewandten Wissenschaften und Ingenieurtechnik von Bedeutung.

Bei der Entwicklung von Brennstoffzerstäuberdüsen beispielsweise oder der Untersuchung von Verbrennungsvorgängen, der Kavitationsforschung als auch der Partikelüberwachung besteht die Notwendigkeit zur störungsfreien, messtechnischen Erfassung der Partikeldynamik, worunter das gleichzeitige Messen der Größe und Geschwindigkeit von Partikeln verstanden sein soll.

Dabei sind hohe zeitliche und räumliche Auflösungen gefragt. Ein Gerät, das eine solche messtechnische Erfassung der Partikeldynamik ermöglicht, ist das sog. Phasen-Doppler-Anemometer (PDA), das eine Reihe von Vorteilen bietet. Es hat einen sehr großen dynamischen Bereich von Mikrometer bis zu Millimetergröße der Partikeln, eine hohe Genauigkeit, keine Notwendigkeit für eine Kalibrierung mit Partikeln bekannter Größe und eine große Unempfindlichkeit gegenüber optischen Störungen.

Die Arbeitsweise dieses Partikelmessgerätes soll im folgenden skizziert werden. Die Phasen-Doppler-Anemometrie nutzt die zusätzliche, in der Phasenlage des Streulichtes enthaltene Information über die Partikelgröße aus. Dieses Prinzip wurde erstmals von Durst und Zaré (1975) zur Messung der Partikeldynamik benutzt. Bei dem ebenfalls dargestellten LDA wurde stets von einem Photodetektor bzw. Photomultiplier ausgegangen. Ein PDA hingegen benutzt mehrere Empfänger.

Die Frequenz der beiden Signale ist gleich, allerdings unterscheiden sich die Signalphasenlagen. Die Detektoren empfangen also Doppler-Signale gleicher Frequenz und unterschiedlicher Phase beim Durchlaufen des Teilchens durch das Messvolumen, da sie relativ zum Teilchen unterschiedlich positioniert sind. Die Frequenz enthält gemäß den Ausführungen über das LDV die Information der Teilchengeschwindigkeit. Die zeitliche Verschiebung Dt , welche die beiden Wellenfronten unterscheidet, führt zu einer korrespondierenden Phasendifferenz, welche als Information zur Bestimmung der Teilchengröße dient.