Phasen Doppler Anemometer

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 sogenannte Phasen Doppler Anemometer (PDA), das eine Reihe von Vorteilen bietet. Es hat einen sehr großen dynamischen Bereich von Mikrometer bis zu Millimetergröße der zu erfassenden 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. Ähnlich wie beim LDV kann die Arbeitsweise anhand eines einfachen Interferenzstreifenmodells erläutert werden. Beim LDV wird generell ein Photodetektor bzw. Photomultiplier zur Signalerfassung eingesetzt. Ein Phasen Doppler Anemometer hingegen benutzt mehrere Photodetektoren. Die Abbildung zeigt die Situation eines Teilchens in dem Messvolumen der sich kreuzenden Laserstrahlen bei Vorhandensein zweier angular versetzter Photodetektoren. 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 die Informationen über die Teilchengeschwindigkeit. Gleichfalls besteht eine lineare Beziehung zwischen dem Teilchendurchmesser und der Phase, so dass Teilchengeschwindigkeit- und Durchmesser aus den bekannten Größen der Frequenz und der Phase gewonnen werden können.

Das optisch/mechanische System des Phasen Doppler Anemometer besteht aus einem Laser, den Sende- und Empfangseinheiten sowie einer optischen Bank. Die Auswahl des Lasers hängt von der Partikelgröße, dem Geschwindigkeitsbereich und Messabstand sowie der optischen Zugängigkeit des Messvolumens ab. Die Empfangsoptik ist integral aufgebaut und enthält im Allgemeinen drei Photomultiplier aus Gründen der o. g. Probleme. Der Signalprozessor beruht auf einer Anwendung von Korrelationsfunktionen, die eine genaue Messung der Frequenz und Phase von Doppler-Signalen gestattet.

Das Phasen Doppler Anemometer zur Messung von Partikelgrößen wird in unserem Technikum zur optimalen Entwicklung von Partikelabscheidern und Zyklonabscheidern eingesetzt. Auch in Bereichen wie Gasreinigung oder Umwelttechnik findet das Phasen-Doppler-Anemometer Anwendung und kann zu einer Optimierung führen. Eine weitere Anwendung liegt in der Spray- und Zerstäubungstechnik, wo die Sprayanalyse im Vordergrund steht (siehe Sprayanalyse).