ANEMOMETRIA LASER DOPPLER

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

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

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

Principi di funzionamento Il laser L’effetto Doppler Il fotomoltiplicatore

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 …

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…

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

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

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

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

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

Principi di funzionamento: il fotomoltiplicatore - +

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)

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

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

Configurazioni dell’ADL: Con riferimento, a Raggio singolo

Configurazioni dell’ADL: Con riferimento, a Raggio singolo

Configurazioni dell’ADL: Raggio doppio con rifrazione di riferimento

Configurazioni dell’ADL: Raggio doppio con rifrazione di riferimento

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

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

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

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;

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

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):

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…

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…

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

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

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

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…

con v s

In definitiva:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Camera di rimorchio Photo courtesy of Marin, the Netherlands

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