Messtechnik Optische Messverfahren [2/3] K. Zähringer

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1 Messtechnik Optische Messverfahren [2/3] K. Zähringer Laser-Messverfahren für Geschwindigkeit (PIV), Temperatur, Dichte, Konzentration

2 Particle Image Velocimetry (PIV) Streuteilchen werden in die Strömung eingebracht. Das Meßvolumen wird zweimal kurz hintereinander beleuchtet und die Bilder aufgenommen. Die Bewegung der Teilchen zwischen den zwei Aufnahmen wird ausgewertet und ist ein Maß für die lokale Geschwindigkeit. v ( x, y ) = Δx Δt + Δy Δt

3 PIV : Prinzip

4 PIV : Streuteilchen (1) mittlere Teilchendichte nötig, gleichmäßig verteilt PTV PIV Visualisierung

5 Exkurs : PIV <---> PTV

6 Exkurs : Visualisierung mit Streuteilchen Zylindertemperatur : 19 [C ], Anströmgeschwindigkeit : 0.3 [m/s]

7 PIV : Streuteilchen (2) 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 :

8 Fluoreszierende Teilchen mit Fluoreszenzfarbstoff gedopte Teilchen, z.b. Rhodamin B Lichtemission erfolgt mit anderer Wellenlänge (d.h. nicht mehr Mie-Streuung sondern Fluoreszenz) Vermeiden von Störungen aus Lichtreflektion an Einbauten, bewegten Teilen etc. Unterscheidung von zwei Phasen möglich

9 PIV : Auswertung Das Bild wird in regelmäßige Abfrageflächen (interogation areas) unterteilt und jede separat ausgewertet je ein Geschwindigkeitsvektor für eine Abfragefläche (typischerweise 16 x 16 bis 128 x 128 Pixel groß) Geschwindigkeit wird als gemeinsamer, mittlerer Vektor aus Kreuzkorrelation berechnet. PIV ist ein statistisches Verfahren Mindestzahl von Partikeln in Abfragefläche nötig PIV vermisst ein ganzes 2-d Geschwindigkeitsfeld geometrische Kalibrierung nötig

10 PIV : Kreuzkorrelation ( i, j ) I ( i + x j y ) I + R ( x, y) =, II i j

11 PIV : Validierung Durch Störeinflüsse oder ein- und austretende Teilchen kann es zu Fehlvektoren kommen, das ist ein zufälliger Vektor, der sich von seiner Umgebung stark unterscheidet. Peak-Validierung : Median-Test : u( median) u( x, y) < δ Geschwindigkeitswert : Vektorlänge, u-komponente, v-komponente innerhalb bestimmter Grenzen

12 PIV : Versuchsdurchführung 1. geometrische Kalibrierung des Versuchsaufbaus mittels Kalibrierzielen Zusammenhang zwischen Bildverschiebung und Geschwindigkeit 2. Messungen durch Aufnahme der Doppelbilder der in die Strömung eingebrachten Streuteilchen 3. Auswertung mittels Kreuzkorrelation 4. Validierung der Geschwindigkeitsfelder

13 Beispiel 1 : Simultane PIV und LIF zur Charakterisierung eines statischen Mischers Laserstrahl Mischer LIF-Kamera PIV-Kamera

14 Beispiel 1 : Ergebnisse, Re = 562 vertikale Mittelebene PIV PLIF

15 Spezialverfahren 1 : Stereoskopische PIV Displacement seen from left True displacement Displacement seen from right Focal plane = Centre of light sheet Left camera Right camera 3-d Bewegung (ΔX,ΔY,ΔZ) wird bestimmt aus einem Paar von 2-d Bewegungen (Δ x, Δ y) wie sie jeweils von der rechten und linken Kamera gesehen werden

16 Stereoskopische PIV : Kamera Kalibrierung Bilder eines Kalibrierziels werden aufgenommen. Der Vergleich der bekannten Markierungen und ihrer Abstände erlaubt die Berechnung der tatsächlichen Position.

17 Stereoskopische PIV : Linke und rechte Ansicht Linkes und rechtes Bild werden gleichzeitig aufgenommen. Normale PIV- Auswertung ergibt zwei 2d Vektorbilder. Daraus werden die 3d- Geschwindigkeiten berechnet.

18 Spezialverfahren 2 : Zeitaufgelöste (time-resolved) PIV Bildraten von mehreren khz Pulslaser mit hoher Pulsrate CMOS-Kameras zeitliche Auflösung von Strömungsphänomenen Turbulenz instationäre Prozesse

19 Beispiel 2 : Kreiselpumpe Nd:YAG Laser, 2 Laserlichtarm, 3 Lichtschnittoptik, 4 Pumpe, 5 CMOS-Kamera

20 Beispiel 2 : Gesunde Strömung f impeller f frame = 10 Hz = 50 Hz Q/Q 0 = 100 %

21 Beispiel 2 : Rotierende Ablösung fimpeller fframe Q/Q0 = 10 Hz = 50 Hz = 35 %

22 Spezialverfahren 3 : Micro-PIV zur Messung in Microströmungen Volumenbeleuchtung statt Laserlichtschnitt Messebene wird durch Blendeneinstellung des Microskop-Objektivs bestimmt oft fluoreszierende Streuteilchen

23 Wechselwirkung Strahlung - Materie elastisch inelastisch Rayleigh Streuung Mie Streuung Absorption Fluoreszenz Raman spontan induziert linear nicht-linear sontanes Raman coherent nicht-coherent CARS : Coherent Anti-Stokes Raman Scattering CARS

24 Rayleigh Streuung (1) d/λ << 1 ; d.h. kleine Partikel / Moleküle kein Energieaustausch Laser pumpt in nicht-erlaubte Zustände Moleküle kehren in ursprünglichen Zustand zurück gestreutes Licht hat selbe Frequenz wie eingestrahltes nicht spezifisch für bestimmte Spezies verwendet für Temperatur- und Dichtemessung, Kalibrierung anderer optischer Verfahren, z.b. LIF

25 Rayleigh Streuung (2) Vorteile einfach Keine abstimmbaren Laser erforderlich Alle Moleküle im Nachweisvolumen sind beteiligt am Streuprozess Möglichkeit, viele Komponenten gleichzeitig nachzuweisen Nachteile nicht sensitif sehr schwaches Signal daher nur Spezies mit genügend hohen Konzentrationen nachweisbar es dürfen keine Partikel in Strömung vorhanden sein

26 Rayleigh Streuung : Versuchsaufbau Energiemeter z.b. Brenner Optiken Laser Intensivierte Kamera und Laserlinienfilter Anregung mit Laser Detektion im 90 o -Winkel

27 Rayleigh Streuung (3) Intensität des Rayleigh Signals : Konstante während des Experiments, durch Kalibrierung zu bestimmen aus idealem Gasgesetz : σ N 1 V T ray, i I = I CLΩ x i ray, i V i = 2 π ( ni 1) 2 4 ( N V ) λ 4 N 0 σ L 2 Problem! I 0 : Eingestrahlte Laserintensität C : experimentelle Konstante L : Länge der Meßstrecke Ω : Öffnungswinkel der Empfangsoptik N/V : Teilchendichte im Meßvolumen x i : molarer Anteil der Komponente i σ ray,i : Rayleigh-Streuquerschnitt N L : Loschmidtzahl m -3 n : Brechnungsindex

28 Rayleigh Streuung : Beispiel (1) J.H. Frank, S.A. Kaiser, M.B. Long, Proc. Combust. Inst. 29 (2002)

29 Rayleigh Streuung : Beispiel (2) Universität Duisburg-Essen Institut für Verbrennung und Gasdynamik Prof. C. Schulz

30 Absorption Energiezufuhr in das zu untersuchende Medium i. A. Laserlicht - Abhängig von Spezies Absorptionsspektrum Linienmessung oder 2d-Schnitt Konzentrationsmessung, Dichtemessung OH angeregter Zustand hν Grundzustand

31 Absorption Aufbau breitbandige oder durchstimmbare Lichtquelle L 1 Absorptionszelle L 2 Spektrograph mit Detektor Intensität I 0 Intensität I(x) M Intensität I 0 Laser Intensität I(x) Photodioden S Absorptionszelle

32 Absorption Anwendungsbeispiel siehe Vorlesung A. Dreizler, Darmstadt

33 Spontane Emission Gegenstück zur Absorption : Energie wird aus einem angeregten Zustand abgegeben angeregter Zustand hν Grundzustand nächstes Mal, da kein Laserverfahren

34 Anwendungen : Absorption, Emission Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy in Müllverbrennung Kolbenmaschinen Verbrennungsofen Bilder aus : Progress in Energy and Combustion Science 36 (2010)

35 Laser-Induzierte Fluoreszenz LIF durch Laserlicht Anregung in höheren Energiezustand, dann Emission von Licht bei der Rückkehr in ursprünglichen Zustand kurze Lebensdauer des angeregten Zustands (Gegensatz Phosphoreszenz) Fluoreszenzlicht rotverschoben zur Anregungswellenlänge Bestimmung von Konzentrationen bis ppm-bereich, da sehr empfindlich Temperaturen (Zweifarben-LIF) Absorption λ Absorptions- Fluoreszenzspektrum Emission

36 Warum LIF? V Prinzipschema LIF Laser absorption induzierte Fluoreszenz Vorteile: Spezifisch für Spezies räumliche Auflösung zeitliche Auflösung 2-d Messungen möglich r Nachteile: quantitative Messungen schwierig Aufbau immer nur für eine Spezies

37 LIF : Transfervorgänge Ionisation 2 VET Dissoziation RET Q p W 12 =B 12 I ν Laser Absorption z.b. CH Anregung mit λ = 389,54 nm 1 W 2i W 12 =B 21 I ν A 21 Induzierte Emission spontane Emission Q z.b. 21 CH Detektion bei nm VET RET Deaktivierung durch Stöße (Quenching)

38 LIF Versuchsaufbau Spektrometer Energiemeter z.b. Brenner Optiken Laser oder : Intensivierte Kamera und Filter entsprechend der untersuchten Spezies Anregung mit Laser Detektion im 90 o -Winkel Kamera oder Spektrometer

39 Fluoreszenzspektrum Formaldehyd Raman CH Wellenlänge Longueur d'ondes nm en nm nach Anregung bei 355 nm (CH 4 -Luft, Φ = 1, V = 1.5 ms -1 )

40 Auswertung (2-Niveau-Schema) lineare LIF : geringe Laserenergie Fluoreszenzsignal S LIF ist proportional zur eingestrahlten Laserenergie I(x) S LIF N 1 ( x) V I( x) LIF B 12 A 21 A21 + Q gesättigte LIF : Laserenergie viel größer als notwendige Energie angeregter Zustand immer gesättigt. Vorteil : Quenching spielt keine Rolle mehr 21 S N 1 (x) : Teilchendichte im Grundzustand V LIF : LIF-Meßvolumen I(x) : Laserintensität B 12 : Absorptions-Einsteinkoeffizient B 21 : Einstein-B-Koeffizient, induzierte Emission, A 21 : Einstein-A-Koeffizient, spontane Emission Q 21 : Quenchingrate LIF N 1 ( ) x V LIF A 21 B 12 B + 12 B 21

41 Beispiele : Laminare Flachflamme Luft Luft Brennstoff Brennstoff

42 Beispiel 1 : Formaldehyd + OH OH Signal HCHO Signal Anregung : 355 nm Detektion : nm Wärmefreisetzung der Flamme Anregung : 283 nm Detektion : nm C 3 H 8 /air premixed flame φ=1, v=1.4 ms -1, single-shot, pixels

43 Beispiel 2 : Wechselwirkung Flamme-Spray-Wirbel Typische Sequenz Falten Auslöschung Flamme : OH LIF Verlängerung Verdickung Wiederverbinden Tropfen : Mie Streuung

44 Tracer-LIF besonders in Flüssigkeiten fluoreszierender Stoff wird der Strömung als Tracer zugegeben und dessen Fluoreszenz mittels LIF aufgezeichnet Verwendung insbesondere bei Mischungsuntersuchungen Kalibrierung mittels bekannter Konzentrationen S LIF c( x) I( x)

45 Beispiel : Tracer LIF zur Charakterisierung eines statischen Mischers Versuchsaufbau Laserstrahl Mischer LIF-Kamera PIV-Kamera

46 Beispiel : LIF Kalibrierung 1,0 0,9 0,8 0,7 Intensity emission of Uranine, Pyridine 2, Rhodamine 6G, Rhodamine B and Rhodamine 101 Intensity [-] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, λ [nm] Uranin (ph04) Uranin (ph05) Uranin (ph06) Uranin (ph07) Uranin (ph08) Py. 2 (ph04) Py. 2 (ph05) Py. 2 (ph06) Py. 2 (ph07) Py. 2 (ph08) Rh. 6G (ph07) Rh. B (ph07) Rh. 101 (ph07) Filter BP 550/10 (545) Filter BP 550/10 (555) Filter BP 675/10 (670) Filter BP 675/10 (680) Uranin Pyridin 2

47 Beispiel : Ergebnisse, Re = 562 vertikale Mittelebene Pyridin 2 Uranin

48 Temperaturmessung mit LIF 1. Multi-Linien LIF Messung von zwei verschiedenen Besetzungszuständen eines Moleküls Messung zweier verschiedener Fluoreszenzwellenlängen im thermischen Gleichgewicht gilt Boltzmannverteilung daraus folgt : g : Degenereszenz E : Energie des Zustands N : Population des Zustands k : Boltzmannverteilung

49 Temperaturmessung mit NO-LIF in Flammen 2-Linien LIF Multi-Linien LIF Universität Duisburg-Essen Institut für Verbrennung und Gasdynamik Prof. C. Schulz

50 Temperaturmessung mit LIF 2. Intensitätsänderung Verschiebung der Absorptionsund Emissionsspektren mit der Temperatur J. Sakakibara and R. J. Adrian Experiments in Fluids 26 (1999) 7-15 Kalibrierung zwischen Temperatur und Intensität möglich M. C. J. Coolen, R. N. Kieft, C. C. M. Rindt, A. A. van Steenhoven Experiments in Fluids 27 (1999)

51 Literatur M. Raffek, C. Willert, J. Kompenhans : Particle Image Velocimetry, Springer, Berlin, 1998 H. Eckelmann, Einführung in die Strömungsmeßtechnik, Teubner Studienbücher, Stuttgart, 1997 A. Eckbreth : Laser Diagnostics for Combustion Temperature and Species, Gordon and Breach Publishers, 1996 K. Kohse-Höhinghaus, J. Jeffries : Applied Combustion Diagnostics, Taylor and Francis, dantecdynamics.com LaVision.de