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ANEMOMETRIA LASER DOPPLER. Svolgimento della presentazione Principi di funzionamento: –ADL Laser Effetto doppler fotomoltiplicatore Configurazioni dell.

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Presentazione sul tema: "ANEMOMETRIA LASER DOPPLER. Svolgimento della presentazione Principi di funzionamento: –ADL Laser Effetto doppler fotomoltiplicatore Configurazioni dell."— Transcript della presentazione:

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 dellADL 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 alleffetto doppler, del raggio rifratto rispetto a quello incidente si ricava la velocità della particella stessa

5 Principi di funzionamento Il laser Leffetto Doppler Il fotomoltiplicatore

6 Principi di funzionamento: Il Laser 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 allequilibrio 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 lapplicazione presente)

10 La frequenza percepita di unonda cambia per un osservatore in moto relativo rispetto allonda. Dallinvarianza della velocità della luce, è indifferente dove si centra il riferimento Principi di funzionamento: Effetto Doppler O V O cos S VSVS VOVO

11 Effetto Doppler La variazione relativa di frequenza è dunque (se ad es. ) Nellipotesi che V<

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 lemissione di elettroni

13 Principi di funzionamento: il fotomoltiplicatore - +

14 Specifiche tipiche di un fotomoltiplicatore: Lunghezze donda apprezzabili: nm Numero di elettroni uscenti dal catodo/numero di fotoni incidenti sullanodo 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 dellADL Con fascio di riferimento Raggio singolo Raggio doppio Differenziale

17 Configurazioni dellADL: Con riferimento, a Raggio singolo

18

19 Configurazioni dellADL: Raggio doppio con rifrazione di riferimento

20

21 Configurazioni dellADL: 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 dellADL: ADL differenziale (forward o backward)

24 Caratteristiche del segnale: ADL Differenziale (forward o backward) La frequenza misurata stavolta è indipendente da chi osserva; detto langolo 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 nellorigine e gli altri dovuti a sinusoidi, piazzati alle frequenze: Tutti dellordine di Hz, eccetto lultimo…

28 Caratteristiche del segnale E quindi necessario rendere trascurabile il piedistallo massimizzando il prodotto E 1 E 2, ovvero facendo sì che E 1 = E 2 Questi risultati valgono solo se la misura avviene con continuità; se invece cè il passaggio di un numero finito di particelle (come avviene in realtà) ad ogni istante, certamente bisognerà utilizzare una gaussiana…

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

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

31 Caratteristiche del segnale Landamento osservato a seguito del passaggio di più particelle è del seguente tipo:

32 Caratteristiche del segnale: Il modello a frange dinterferenza Il volume di misura, con i due raggi, è così schematizzabile: R1R1 R2R2 Vol. di misura Quindi…

33

34 v s con

35 In definitiva:

36 Fronti donda 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 Il modello a frange dInterferenza

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

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

43 Misura del flusso dellacqua 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


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