Optische Messverfahren [1/3] K. Zähringer · Medizin, Messtechnik, Spektroskopie, Shows Kohlendioxid (CO 2) 10,6 μm Materialbearbeitung, Medizin, Spektroskopie Neodym: Yttrium-Aluminium-Granat

Messtechnik

Optische Messverfahren [1/3]K. Zähringer

Einführung undLaser-Messverfahren für Geschwindigkeit (LDA)

und Partikelgröße

Sichtbarmachung Meßverfahren• Bahnlinien• Stromlinien• Dichte-

(Konzentrations-) unterschiede

• Temperatur-unterschiede

• Geschwindigkeit• Konzentration• Dichte• Temperatur

Bilder aus : http://www.efluids.com/efluids/gallery

Sichtbarmachung

• Fadensonden• Streuteilchen• Farbstoffe• Rauch• Gasblasen• Wandanstrich POSITIVELY BUOYANT JET: CIGARETTE

SMOKE

T. T. Lim

National University of Singapore, Singapore

Sichtbarmachung : Prandtl 1915, 1927

turbulent abgerissen

abgerissenlaminar

MessverfahrenBeispiel :Simultane PIV und LIF, SMX-Mischer

PIV

Particle ImagingVelocimetry

LIF

Laser-induzierteFluoreszenz

Re = 562, vertikale Mittelebene

Bilder von PIV und Tracer-LIF in statischem Mischer, S. Leschka, A. Lehwald, K. Zähringer

„Laserverfahren“ Brechungsindexvariation • Mie-Streuung• Rayleigh-Streuung• Absorption• Fluoreszenz

• Schlierenverfahren• Schattenverfahren• Interferometrie• Holographie

HOT AND COLD GOBLETS, Andrew DavidhazyRochester Institute of Technology

CH und OH-LIF in Gegenstromflamme, A. Lemaire, K. Zähringer, C. Rolon

Was sind Laser ?• Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation =

Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung• Atome eines Lasermediums (Gase, Festkörper,

Flüssigkeiten) werden durch Energiezufuhr (Blitzlampen, Dioden, Gasentladung, Spannung) angeregt „Pumpen“

• Rückkehr in Grundzustand durch Emission von Photonen bestimmter Wellenlänge

• aktives Medium wird mehrmals im Resonator durchlaufen (Spiegel) Verstärkung optischer Resonator

aktives Medium Laserstrahlung

Frontspiegelteildurchlässig

Endspiegelundurchlässig

Laser : Beispiel Nd:YAG

Laser : Beispiel Nd:YAG

1) Lasermedium und Blitzlampen

4) Spiegel5) λ/4 Platten

2) Pockels-ZelleQ-Switch

6) Shutter

Eigenschaften von Laserlicht

• Kohärent : konstante Phasendifferenz, zeitlich und räumlich zusammenhängend

• Monochromatisch : exakt eine Wellenlänge

• geringe Strahldivergenz : gebündelte, fast parallele Strahlung

Exkurs : Licht

UV IR

Laserartenaktives Medium Wellenlänge Anwendungs-beispiele

Helium-Neon (He:Ne) 632,8 nm Messtechnik

Argon (AR+)488 nm514,5 nm

Medizin, Messtechnik, Spektroskopie, Shows

Kohlendioxid (CO2) 10,6 μm Materialbearbeitung, Medizin, Spektroskopie

Neodym: Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG)

1064 nmMesstechnik, Materialbearbeitung, Spektroskopie

Rubin (Cr3+:Al2O3) 694,3 nm Materialbearbeitung, Medizin

Halbleiter 690-910 nmDatenübertragung und-speicherung, Drucker, Medizin

Flüssigkeitslaser Farbstoffe Einstellbar von UV - IR Medizin, Spektroskopie

Festkörperlaser

Gaslaser

Bogenlampe, Xenon-Lampe

Laser (1W)

Laser (1mW)

Sonne

Schweißbogen, Kohlefadenlampe

Wolframlampe

Feuerwerksrakete

Kerze

matte Glühbirne

Neonröhre Tageslicht

Tageslicht in Räumen

Fernsehbildschirm

Display

Dur

chm

esse

r der

Pup

ille

(mm

)

Größe des Bildes auf der Netzhaut

Elektri-scher

Laserlicht-stärke

auf die Netzhaut treffende Leistungsdichte (Watt/cm2)

Wirkung auf den Menschen

106nm

Auswirkungen auf das Auge

760 1400 3000100

Eindringen der Strahlung in die Tiefe

der Haut

Verbrennung der HornhautHornhautentzündung

Linsen-trübung /

Grauer Star

Linsentrübung / Grauer Star

Verletzungen und Verbrennungen der

Netzhaut

Auswirkungen auf die Haut

Hautrötungen / "Sonnenbrand" Verbrennungen

280 315 400

Sichtbar IR-A IR-B IR-CAufteilung des Spektrums in 7 Banden UV-C UV-B UV-A

Wechselwirkung Strahlung - Materie

elastisch inelastisch

RayleighStreuung

MieStreuung Absorption Fluoreszenz Raman

spontan induziert linear nicht-linear

sontanes Raman coherent nicht-coherent

CARS … … …CARS : Coherent Anti-StokesRaman Scattering

• kein Energieaustausch– gestreutes Licht hat

selbe Frequenz wie eingestrahltesnicht spezifisch für bestimmte Spezies

- sehr Winkelabhängig– nicht von Dichte oder

Temperatur abhängig• d/λ ≥ 1 ; i.a. Partikel• Strömungssichtbarmachung• Geschwindigkeitsmessung (Laser-Doppler-

Anemometrie, Particle-Image-Velocimetrie)• Partikelgrößenbestimmung

Mie Streuung

Laser-Doppler-Anemometrie LDA (LDV)

• Verwendung des Doppler-EffektsFrequenzverschiebung des Lichts

• Erfunden von Yeh und Cummins 1964• Bis zu 3 Geschwindigkeitskomponenten• Quantitative Messungen

(keine Kalibrierung nötig)• Hohe Genauigkeit• Hohe zeitliche Auflösung• Punktmessung• statistisches Verfahren• Streuteilchen nötig

LDA – Optisches Prinzip

• Partikel wandern durch das von zwei coherenten Laserstrahlengeformte Meßvolumen.

• Licht beider Strahlen wird an Partikel gestreut.

• Zweifacher Dopplereffekt(Frequenzverschiebung) : ruhender Sender (Laser) bewegter Empfänger (Partikel) und bewegter Sender (Partikel) ruhender Empfänger (Detektor)

Photodetector

Dire

ctio

n of

mot

ion

Inci

dent

bea

ms

Ø

LDA - Streifenmodel

• Zwei Laserstrahlen formenim MeßvolumenInterferenzstreifen.

• Wenn ein Teilchen dieses Streifenmusterdurchquert, fluktuiert dasgestreute Licht mit einerFrequenz, die gleich derGeschwindigkeit geteiltdurch den Streifenabstandist.

2sin ( 2)x λ

φΔ =

Streifenabstand

sin ( 2)2f u φλ⊥=

Dopplerfrequenz

Δx

MeßvolumenDetektor Prozessor

LaserBraggZelle

Rückwärtsgestreutes Licht

Zeit

Signale

LDA Signal einesStreuteilchens

LDA : Prinzip

LDA : System Konfigurationen

• VorwärtsstreuungoderSeitwärtsstreuung

– stärkeres Signal– schwierig zu justieren,– Schwingungsanfällig

• Rückwärtsstreuung

– einfach zu justieren– Benutzerfreundlich– schwächeres Signal

Receiving opticswith detector

Transmittingoptics

FlowReceiving optics

with Detector

FlowLaser

Braggcell

Detector Transmitting and receiving optics

LDA : Sendeoptik

Laser

Braggcell

BS

Lens

• Strahlteiler

• Achromatische Linsen

• Frequenzmodulation(Bragg Zelle)

– Strömungsrichtung– kleine Geschwindigkeiten

• Strahlerweiterung– kleineres Meßvolumen– höhere Leistungsdichte

F

D × E

ϑ

× Ε

D

DL

ϕ

LDA : Empfangsoptik

• Einkopplungslinsen• Glasfaser• Interferenzfilter

• Detektor- Photomultiplikator- Photodiode

Lenses

Interferencefiltre

PhotomultiplierMultimode

fibre

typisches LDA-System (3 Komp.)

LDA : Zweikomponentenmessung• Laser mit zwei Wellenlängen :

z.B. Ar+-Ionen-Laser

Messbare Komponenten

vertikal

horizontal

LDA : Streuteilchen• Kompromiss zwischen :

guten Streueigenschaften große Partikel gutem Folgevermögen kleine Partikel

• Wahl hängt von Anwendung ab• wesentliches Kriterium : Dichte• schmalbandige Verteilung der Größen• typische Partikel für Gasströmungen :

Phasen-Doppler Anemometrie (PDA)• Erweiterung der Laser-Doppler Velocimetrie• Gleichzeitige Messung der Geschwindigkeit

und Größe sphärischer Partikel.• Quantitative Methode (keine Kalibrierung

nötig) • Hohe Genauigkeit• Meßbereich : 0.5 μm bis einige mm• Phasendifferenz des gestreuten Lichts

zwischen zwei Detektoren wird ausgewertet

PDA : Optisches Prinzip• Partikel streut Licht von

zwei Laserstrahlen, analog zu LDA

• min. zwei Detektorenempfangen dieses Signal mit unterschiedlicherPhase

• Die Phasendifferenz istproportional demDurchmesser der Partikel

Inci

dent

bea

ms

Detector 1Detector 2

PDA Winkelanordnnung• Laserstrahlwinkel θ

• Winkel der Detektoren-anordnung (Off-Axis) Ø

• Elevationswinkel ψ

θ

Ø2ψ

Ø

θ

2ψ

PDA Phasenbeziehungen

Φ =−

22 1

π

λθ ψθ ψ φ

dp sin sin( cos cos cos )

Φ =−

+ + − +

2

2 1 1 2 12

πλ

θ ψ

θ ψ φ θ ψ φ

d n

n n

p rel

rel rel

sin sin

( cos cos cos ) ( ( cos cos cos )

Die Phasendifferenz Φ zwischen zwei Detektoren beträgt:

für Reflektion :

für Brechung 1. Ordnung :-2

1st order refraction

-1

1

2

-2 -1 1 2

Incident ray

Reflection

2nd orderrefraction

3rd order

4th order

5th order

6th order

7th order

8th order

np

nm

np > nm

• Laserstrahlwinkel θ

• Winkel der Detektorenanordnung(Off-Axis) Ø

• Elevationswinkel ψ

PDA : Linearität zwischen Phase und Durchmesser

• Eine lineare Beziehung zwischen Phase und Partikeldurchmesser existiert nur, wenn die Detektoren nur eine Brechungsart empfangen.

5 10 15 20 25 30

-60

-40

-20

0

20

40

60

Diameter (micron)

Pha

se (d

eg)

Air bubble in water

Water droplet in air

Scattering angle: 50°

Ref

ract

ion

Ref

lect

ion

nM : Brechzahl Mediumnrel=np/nM : relative Brechzahl

Partikel/Mediumbi : Streulichtterme

PDA : 2-Phasen-Windkanal

Tropfengeschwindigkeit

Tropfengröße

•einfacher Aufbau– gleichmäßige Lichtquelle (Laser auf fluoreszierender Mattscheibe)– Microskop-

Objektiv– Kamera

•geometrische Kalibrierung notwendig•statistisches Verfahren :

– liefert Partikelgrößenverteilung

Shadowgraphy (Schattenverfahren) zur Partikelgrößenmessung

Shadowgraphy : Tropfenkollision

Shadowgraphy : Sprühlanze

Dynamic Light Scattering• beruht auf Rayleigh- und/oder Mie-Streuung der

Partikel• Berechnung des Partikeldurchmessers aus dynamischen

Veränderungen der gestreuten Lichtintensität durch Brown‘sche Bewegung Diffusionskoeffizient

• Messbereich : 0.005–1 μm• keine Kalibrierung nötig, Überprüfung an bekannten

Partikeln angeraten• geeignet für Suspensionen und Emulsionen• nur für Proben von einigen μg bis mg• geringe Partikelkonzentrationen nötig für absolute

Messungen

Dynamic Light Scattering : Aufbau

•kontinuierlicher Laser (HeNe)

•Detektor : Avalanchephotodiodeoder Photomultiplikator

•Detektionswinkel oft variabel einstellbar

•auch Rückwärts-streuung, ähnlich wie LDA, mit optischen Fasern möglich

Dynamic Light Scattering : Auswertung

•aus der Abklingrate Γ der (Auto-) Korrelationsfunktion G der gemessenen Intensitätsänderungen Iwird der Diffusionskoeffizient D

ermittelt

•daraus wird mittels der Stokes-Einstein-Gleichung ein Partikeldurchmesser Dp berechnet

•Voraussetzungen : sphärische Partikel, keine Wechselwirkung

3D B

p

k TDπ μ

⋅=

⋅ ⋅ ⋅

( )

2

( ) ( )

4 sin 2

D

I t G

q

nmit q

τ

π θλ

→

→ Γ = ⋅

=

Dynamic Light Scattering : Probleme• nicht tatsächlicher, sondern hydraulischer Durchmesser

wird gemessen• Partikel–Partikel Wechselwirkungen bei höheren

Konzentrationen mehrfache Streuung • Messung von sehr kleinen Partikeln durch geringe

Streuung eingeschränkt• Suspension muß stabil bleiben, keine Sedimentation• On-line oder In-line Messungen kaum möglich, da dann

zusätzliche Bewegung durch Konvektion• Viskosität der Flüssigkeit darf nicht zu hoch sein• Probe muß sehr sauber sein, kein Staub oder Luftblasen

Literatur• F. Durst, A. Melling, J. Whitelaw : Theorie und Praxis

der Laser-Doppler-Anemometrie, Braun, 1987, ISBN 3765020222.

• H. Eckelmann, Einführung in die Strömungsmeßtechnik, Teubner Studienbücher, Stuttgart, 1997

• H.G. Merkus, Particle Size Measurements, Springer, 2009 , DOI 10.1007/978-1-4020-9015-8_12

• http://www. dantecdynamics.com• http://www. LaVision.de

• Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin : Damit nichts ins Auge geht…, 2005, ISBN 3-88261-497-8