Laser Doppler Anemometry

Laser Doppler Anemometry

La Anemometría Láser por efecto Doppler, o LDA por sus siglas Laser Doppler Anemometer, es una herramienta ampliamente usada para investigación en fluidodinámica en gases y líquidos y ha sido usada por más de tres décadas. Esta es una técnica bien establecida que da información sobre velocidad de flujos. 

Su principio no intrusivo y sensibilidad direccional la hace muy adecuada para aplicaciones con flujo reversible, reacciones químicas o medios a alta temperatura y rotación mecánica, donde los sensores físicos son difíciles o imposibles de usar. Se requiere partículas para rastreo del flujo. 

El método posee ventajas particulares como: medición no intrusiva, alta resolución espacial y temporal, no requiere calibración y la posibilidad de medir flujos reversibles. 

Principio de medición de Laser Doppler Anemometer 

La configuración básica de un Laser Doppler Anemometer consiste de: 

  • Una onda de láser continua 
  • Trasmisor óptico, incluyendo beam splitter y un lente de de enfoque
  • Receptor óptico, comprendido de un lente de enfoque, un filtro de interferencia y un fotodetector
  • un acondicionador y procesador de señal

Sistemas avanzados pueden incluir sistemas transversales y codificadores angulares. Una celda Bragg es a menudo usada en vez del beam splitter. Este es un cristal de vidrio con un cristal de vibración piezoeléctrica. Las vibraciones generan ondas acústicas que actúan como una rejilla óptica.  

Celda de Bragg usada en un Laser Doppler Anemometer

Celda de Bragg usada como un Beam Splitter

La salida de un celda de Bragg son dos haz de luz de igual intensidad con frecuencia fº y fdesplazado. Estos son llevados a una fibra óptica y enviados a la sonda. 

En la sonda, la salida paralela del haz desde la fibra son enfocados por un lente para interceptarlo en el volumen de prueba. 

Volumen de prueba

The probe and the probe volume in Laser Doppler Anemometer

Interacción entre sonda y volumen de prueba

El volumen de prueba es típicamente unos pocos milímetros de longitud. La intensidad de la luz es modulada debido a la interacción entre el haz de láser y las partículas. Esto produce planos paralelos de alta intensidad de luz, llamados fringes o flecos. La distancia de fringe df es definida por la longitud de onda de la luz láser y el angulo entre el haz y las pertículas. 

d_{f}=\frac{\lambda}{{2 sen(\theta/2)}

Cada partícula exhibe dispersión de luz proporcional a la intensidad de luz incidente. 

La velocidad de flujo se calcula desde la luz dispersa por pequeñas partículas llevadas dentro del fluido se mueven a través del volumen de prueba. La luz dispersada contiene un corrimiento Doppler, la frecuencia Doppler fD, la cual es proporcional al componente de velocidad perpendicular a la bisectriz de dos rayos láser, la cual corresponde al eje X mostrado en el volumen de prueba. 

La luz dispersa es colectada por un lente y enfocada a una fotodetector. Un filtro de interferencia es montado antes del fotodetector para hacer pasar únicamente la longitud requerida por el fotodetector. Este remueve el ruido desde la luz ambiente y desde otras longitudes de onda.

Procesamiento de señal de Laser Doppler Anemometer 

El foto-detector convierte la fluctuación de la intensidad de la luz en señal eléctrica, una ráfaga Doppler, debido a la sinoidal con una envolvente Gaussiana debido al perfil de intensidades de el haz del láser. 

Las ráfagas Doppler son filtradas y amplificadas en el procesador de señal, el cual determina fD para cada partícula, a menudo por análisis de frecuencia se usa algoritmos de Transformada de Fourier robustos. 

El espaciamiento entre flecos, df provee información acerca de la distancia recorrida por la partícula

La frecuencia Doppler fD provee información acerca del tiempo: t= 1/fD

Desde la ecuación de velocidad, la expresión de velocidad puede ser expresada como: V=df\ast fD

Determinación de la dirección de el flujo 

 

Doppler frequency to velocity transfer function for a frequency shifted Laser Doppler Anemometer system.

Función de transferencia desde frecuencia Doppler a velocidad para una frecuencia corrida

El corrimiento de la frecuencia obtenido por la celda de Bragg construye un patrón de movimiento de flecos a velocidad constante. Las partículas sin movimiento generarán una señal del cambio de frecuencia fshift. Las velocidades V_{pos} y V_{neg} generarán señales de frecuencia f_{pos} y f_{neg}, respectivamente. 

Los sistemas Laser Doppler Anemometer sin corrimiento de frecuencia no podrán se distinguidos entre dirección de flujos positivos o negativos o mediciones de velocidad cero. 

Los sistemas Laser Doppler Anemometer con corrimiento de frecuencia pueden distinguir la dirección de los flujos y medir velocidades cero. 

Medición de dos y tres componentes

La medición de dos componentes de velocidad, un segundo haz pueden se adicionados a la óptica en un plano perpendicular a el primer haz. 

Las tres componentes de la velocidad en Laser Doppler Anemometer pueden ser medidas por dos separados sensores midiendo dos y un componente, con todos los haz interactuando en un volumen de prueba común como se muestra.

Diferentes longitudes de onda son usados para separar los componentes medidos. Tres foto-detectores con apropiados filtros de interferencia son usados para detectar la luz dispersada de tres longitudes de onda. 

Medición de tres componentes en Laser Doppler Anemometer

Sistema de medición de tres componentes de velocidad

Sistemas modernos LDA emplean una compacta unidad de transmisión que contiene la celda de Bragg y beam splietters de colores para generar hasta 6 rayos: sin corrimiento y con frecuencia de corrimiento de tres diferentes colores. Estos rayos son pasados a los sensores a través de fibra óptica. 

Partículas de seguimiento

Los líquidos a menudo contienen naturales partículas, sin embargo en los gases debe ser sembradas en muchos casos.

Idealmente, las partículas deberían ser lo suficientemente pequeñas como para seguir el flujo, pero lo suficientemente grandes para general buena relación señal-ruido en la salida del detector.

Casi siempre el rango de tamaño de las partículas está entre 1 um y 10 um. El material de las partículas pueden ser sólidos (polvo) o líquidos (gotas). 

Aplicaciones 

Dentro de las muchas aplicaciones que se podrían desarrollar con  Laser Doppler Anemometer podemos tener: 

  • Experimentos en túneles de viento para probar aerodinámica de por ejemplo carros, trenes, aeroaves, grandes construcciones civiles y otros objetos o estructuras. 
  • Medición de velocidades de flujo en agua (por ejemplo investigación de hidrodinámica, )
  • Velocity measurements in water flows (e.g. research in general hydrodynamics, diseño de cascos de barcos, maquinaria rotativa, flujos en tubería, flujo en canales etc.).
  • Investigación en medio ambiente (investigación en combustión, dinámica de ondas, ingeniería de puertos costeros, modelamiento de mareas, hidrología de ríos entre otras.).
  • Investigación de turbulencias
  • Verificación experimental de modelos CFD

 

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