ANEMOMETRIA LASER DOPPLER

1. ANEMOMETRIA LASER DOPPLER

2. Svolgimento della presentazione • Principi di funzionamento: • ADL • Laser • Effetto doppler • fotomoltiplicatore • Configurazioni dell’ ADL • Caratteristiche del segnale • Vantaggi & Svantaggi • Applicazioni

3. Svolgimento della presentazione • Principi di funzionamento: • ADL • Laser • Effetto doppler • fotomoltiplicatore • Configurazioni dell’ADL • Caratteristiche del segnale • Vantaggi & Svantaggi • Applicazioni

4. Principi di funzionamento: ADL Un raggio laser incide sulle particelle di una piccola porzione di un fluido; dallo spostamento di frequenza, dovuto all’effetto doppler, del raggio rifratto rispetto a quello incidente si ricava la velocità della particella stessa

5. Principi di funzionamento • Il laser • L’effetto Doppler • Il fotomoltiplicatore

6. Principi di funzionamento: IlLaser Emissione stimolata di fotoni • Gli elettroni di un qualsiasi materiale possono trovarsi in stati ad alta o bassa energia • Utilizzando varie tecniche (es. pompaggio), si controllano le popolazioni di stati ad alta e bassa energia • Se il numero di stati eccitati e superiore al numero di stati a bassa energia …

7. Si ha una “inversione di popolazione” • Così detta perché è il contrario di quanto succede all’equilibrio • La radiazione emessa è più intensa di quella assorbita • Sfruttando una controreazione positiva (il fascio emesso a sua volta stimola), il fascio di luce diventa…

8. …un laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, appunto)

9. Caratteristiche del laser • Direzionalità (limitata dalla diffrazione) • Monocromaticità • Coerenza (spaziale e temporale) • Brillanza (molto importante per l’applicazione presente)

10. Principi di funzionamento: Effetto Doppler La frequenza percepita di un’onda cambia per un osservatore in moto relativo rispetto all’onda. Dall’invarianza della velocità della luce, è indifferente dove si centra il riferimento S VO O VS VOcos

11. Effetto Doppler Nell’ipotesi che V<<c: La variazione relativa di frequenza è dunque (se ad es. )

12. Principi di funzionamento: il fotomoltiplicatore • Filtro in cui entra la luce rifratta e esce grandezza elettrica proporzionale alla luce incidente • Composto di una cascata di superfici fotoemissive, dette dinodi, interposte tra anodo e catodo (al contrario del fototubo) • Ogni superficie e mantenuta ad un potenziale maggiore della precedente, per accentuare l’emissione di elettroni

13. Principi di funzionamento: il fotomoltiplicatore - +

14. Principi di funzionamento: il fotomoltiplicatore • Specifiche tipiche di un fotomoltiplicatore: • Lunghezze d’onda apprezzabili: 110-1100 nm • Numero di elettroni uscenti dal catodo/numero di fotoni incidenti sull’anodo 1-10% • Tempo di transito 2-20 ns (che implica una larghezza di banda dai 10 ai 100 MHz circa)

15. Principi di funzionamento: • ADL • Laser • Effetto doppler • fotomoltiplicatore • Configurazioni dell’ ADL • Caratteristiche del segnale • Vantaggi & Svantaggi • Applicazioni

16. Configurazioni dell’ADL • Con fascio di riferimento • Raggio singolo • Raggio doppio • Differenziale

17. Configurazioni dell’ADL: Con riferimento, a Raggio singolo

18. Configurazioni dell’ADL: Con riferimento, a Raggio singolo

19. Configurazioni dell’ADL: Raggio doppio con rifrazione di riferimento

20. Configurazioni dell’ADL: Raggio doppio con rifrazione di riferimento

21. Configurazioni dell’ADL: ADL a raggio di riferimento In questo caso la relazione tra frequenza misurata e velocità è: Essendo: : Angolo tra vettore velocità della particella e raggio : Angolo tra raggio di riferimento e raggio riflesso dalla particella

22. La frequenza Doppller dipende dall’ angolo !!!! Quindi siccome le lenti hanno apertura finita, questo implica un errore…

23. Configurazioni dell’ADL: ADL differenziale (forward o backward)

24. Caratteristiche del segnale: ADL Differenziale (forward o backward) • La frequenza misurata stavolta è indipendente da chi osserva; detto l’angolo tra i raggi, infatti, si ha: • Si mette il fotomoltiplicatore davanti (rispetto al laser) o dietro;

25. Principi di funzionamento: • ADL • Laser • Effetto doppler • fotomoltiplicatore • Configurazioni dell’ ADL • Caratteristiche del segnale • Vantaggi & Svantaggi • Applicazioni

26. Caratteristiche del segnale Il campo elettrico incidente sul fotomoltiplicatore (al cui quadrato è proporzionale la tensione in uscita) è la sovrapposizione delle componenti riflesse e rifratte (che si eterodinano):

27. Caratteristiche del segnale In frequenza quindi si hanno cinque impulsi, di cui uno nell’origine e gli altri dovuti a sinusoidi, piazzati alle frequenze: Tutti dell’ordine di 1014 Hz, eccetto l’ultimo…

28. Caratteristiche del segnale • E’ quindi necessario rendere trascurabile il piedistallo massimizzando il prodotto E1 E2 , ovvero facendo sì che E1 =E2 • Questi risultati valgono solo se la misura avviene con continuità; se invece c’è il passaggio di un numero finito di particelle (come avviene in realtà) ad ogni istante, certamente bisognerà utilizzare una gaussiana…

29. Caratteristiche del segnale Volume di misura Z Y Distribuzione di intensità 1 X 1/e 2 Il fascio viene investito dalle particelle. Poiché il fascio ha una distribuzione di potenza nello spazio Gaussiana… 0 dz dx Z Volume di misura dy X Y

30. Caratteristiche del segnale …tale andamento viene modulato in ampiezza, come segue: burst

31. Caratteristiche del segnale L’andamento osservato a seguito del passaggio di più particelle è del seguente tipo:

32. Caratteristiche del segnale: Il modello a frange d’interferenza Il volume di misura, con i due raggi, è così schematizzabile: Vol. di misura R1 R2 Quindi…

34. con v s

35. In definitiva:

36. Il modello a frange d’Interferenza • Fronti d’onda piani, ortogonali alla direzione del raggio loro associato • Interferenza costruttiva nel piano di intersezione • Motivo di strisce/piani chiari/e, attraverso cui passano le particelle

37. Principi di funzionamento: • ADL • Laser • Effetto doppler • fotomoltiplicatore • Configurazioni dell’ ADL • Caratteristiche del segnale • Vantaggi & Svantaggi • Applicazioni

38. Vantaggi • Non intrusività • Misura della velocità in componente e segno (attraverso l’utilizzo di una cella di Bragg) • Lineare • Elevata risoluzione (dovuta al piccolo volume di misura) • Adatto a flussi ad elevato livello di turbolenza

39. Svantaggi • Risposta in frequenza peggiore rispetto ad altri metodi intrusivi • Elevato costo • Per i flussi di gas, è necessaria la inseminazione del flusso con particelle solide • Indatto a misure in presenza di basse turbolenze

40. Principi di funzionamento: • ADL • Laser • Effetto doppler • fotomoltiplicatore • Configurazioni dell’ ADL • Caratteristiche del segnale • Vantaggi & Svantaggi • Applicazioni

41. Applicazioni • Flussi laminari e turbolenti • Indagini aerodinamiche (es. flussi supersonici) • Turbine • Misure di velocità di superficie e di vibrazioni • Ambienti “estremi” (fuoco, plasma…)

42. Misura del flusso aereo attorno ai rotori di un elicottero (in scala)

43. Misura del flusso dell’acqua in un modello di pompa Photo courtesy of Grundfos A/S, DK

44. Misura del campo fluidodinamico Photo courtesy of Mercedes-Benz, Germany

45. Camera di rimorchio Photo courtesy of Marin, the Netherlands

46. Misura del flusso aereo attorno ad un modellino di nave Photo courtesy of University of Bristol, UK