M ETODY LASEROWE

Metody laserowe są podobne do fotografii bezpośredniej, różnica polega na tym, że do oświetlenia stosuje się światło laserowe o określonej długości fali. Wyróżniamy następujące metody laserowe:

metoda holografii,

metoda rozpraszania światła, laserowa anemometria Dopplera,

metoda natężenia światła, metoda zmiany fazy Dopplera,

metoda dyfrakcji światła.

Metoda holografii, w porównaniu z tradycyjnymi technikami zdjęciowymi, które odwzorowują badany obiekt w postaci płaskiej, daje możliwość odtworzenie zarejestrowanego na płycie holograficznej obrazu w postaci trójwymiarowej. Osiąga się to poprzez układ rozszczepiający wiązkę światła na wiązkę oświetlającą badany obiekt i na wiązkę odniesienia, która dociera z opóźnieniem na płytę holograficzną w stosunku do wiązki podstawowej [77].

Pomiar składa się z dwóch etapów przesuniętych w czasie. W pierwszym następuje rejestracja pola świetlnego w postaci hologramu, który stanowi swoistą siatkę dyfrakcyjną, w wyniku czego następuje magazynowanie danych w celu późniejszego ich odtworzenia.

W drugim etapie następuje odtworzenie obrazu przez skierowanie na hologram odpowiednio ukształtowanej wiązki światła. Rekonstrukcja obrazu może być wykonywana w różnych płaszczyznach, gdyż holografia „zamraża" trójwymiarowy obraz kropel w strudze. Jakość obrazu holograficznego jest nieco gorsza niż obrazu fotograficznego [60,77].

Rys. 3.8. Dwuwiązkowy układ zapisu holograficznego [60]

Układy holograficzne dzielą się na jedno- i dwuwiązkowe. Podział ten uwzględnia wzajemne położenie w przestrzeni wiązek światła: przedmiotowej i odniesienia. Schemat dwuwiązkowego układu zapisu holograficznego przedstawiono na rys. 3.8.

35 Metoda rozpraszania światła obejmuje całą grupę metod pomiarowych, gdzie cechą wspólną jest zjawisko rozpraszania światła, które zachodzi podczas stykania się wiązki światła z kroplami, w wyniku czego następuje zmiana kierunku rozchodzenia się światła (rys.3.9). Towarzyszy temu interferencja (nakładanie się) fal świetlnych [60].

Wszystkie metody rozpraszania światła charakteryzują się bardzo krótkim czasem i pełnym zautomatyzowaniem pomiaru. Nie wszystkie z tych metod wymagają wzorcowania, co stanowi ich istotną zaletę. Bardzo ważną cechą tych metod jest możliwość pomiaru dużego zakresu średnic kropel, a przede wszystkim możliwość pomiaru bardzo małych kropel, w tym kropel o rozdrobnieniu koloidalnym.

Ogólną postać rozwiązania równań Maxwella (które opisują rozpraszanie światła) dla fali elektromagnetycznej rozpraszanej przez kulistą cząstkę podał G. Mie w 1908r. [60].

Ponieważ w objętości pomiarowej, w której następuje rozpraszanie światła, znajduje się nie jedna lecz n kropel, dlatego też efekt rozpraszania jest tyle razy zwielokrotniony. Ten warunek jest słuszny, jeżeli krople są przypadkowo rozmieszczone w przestrzeni a ich koncentracja nie jest zbyt duża. Sumowanie się natężenia jest sprawą oczywistą w przypadku kropel jednorodnych, natomiast w przypadku kropel o różnych rozmiarach w grę wchodzą udziały objętościowe poszczególnych frakcji kropel.

Rys. 3.9. Schemat układu rozpraszania światła [60]

Rozpraszanie światła stanowi podstawę kilku coraz powszechniej stosowanych technik do pomiaru wielkości cząstek stałych i ich prędkości w ośrodkach wielofazowych.

Laserowa anemometria Dopplera (ang. Laser Doppler Anemometry - LDA) umożliwia jednoczesny pomiar średnic, prędkości i koncentracji kropel. Można dzięki temu otrzymać również informacje o lokalnej prędkości gazu, gdyż jest ona równa średniej prędkości najmniejszych kropel unoszonych przez gaz [52,68,84]. Wyróżnia się trzy metody LDA:

metodę natężenia światła (Intensity Method), metodę widzialności sygnału (Visibility Method),

metodę zmiany fazy Dopplera (Phase Doppler Method).

Jak wskazuje nazwa LDA, metoda ta jest oparta na zjawisku Dopplera, w myśl której, częstotliwość rozpraszanego światła ulega zmianie pod wpływem ruchu kropli. W danym przypadku wiązka lasera, przechodząc przez strugę kropel, jest rozpraszana w sposób zależny od ruchu kropel w gazie oraz ulega zmianie częstotliwość. Mierząc tę zmianę, określa się prędkość kropli.

Obecnie najczęściej jest stosowana różnicowa technika Dopplera (Differential Doppler Technique). Wiązka światła lasera zostaje rozdzielona na dwie równoległe wiązki o tym samym natężeniu (rys. 3.10a). Wiązki te, po skupieniu się i przecięciu, tworzą objętość pomiarową, wewnątrz której powstaje układ prążków uzyskany wskutek optycznej interferencji dwóch wiązek (rys. 3.10b).

36 Rys. 3.10. Schemat dwuwiązkowego układu LDA [60]: a) układ optyczny, b) prążki

interferencyjne, c) modulacja sygnałów

Metoda natężenia światła wywodzi się z teorii Mie'go [60], zgodnie z którą natężenie rozpraszanego światła zależy od średnicy kropli. W praktyce pomiary natężenia są trudne, ponieważ zależą od takich czynników, jak: moc lasera, czułość detektora, przepuszczalność okien wziernikowych, a przede wszystkim od trajektorii kropel w objętości pomiarowej.

Metoda zmiany fazy Dopplera jest jedną z najbardziej przydatnych metod, gdyż dotyczy dużego zakresu średnic kropel. W praktyce można mierzyć krople o średnicach od 1 μm do 100 μm, a nawet do 1 mm. Metoda ta opiera się na zjawisku zmiany fazy sygnału laserowego Dopplera, zgodnie z kątową pozycją detektora. Dodatkowo wykorzystuje się fakt, że różnica fazy między dwoma zarejestrowanymi sygnałami z danych kierunków jest proporcjonalna do średnicy kropli. W metodzie tej wykorzystuje się przynajmniej dwa fotopowielacze, które umieszcza się symetrycznie względem osi optycznej (rys. 3.11a).

Średnica kropli jest określona na podstawie różnicy fazy między sygnałami impulsów zarejestrowanymi przez oba powielacze (rys. 3.11b).

Metoda dyfrakcji (ugięcia) światła występuje podczas rozchodzenia się światła w ośrodkach optycznie niejednorodnych. Metoda pomiaru jest oparta na dyfrakcji równoległej wiązki światła laserowego przechodzącego przez poruszające się krople. Podczas zetknięcia się z kroplą światło ugina się zależnie od jej średnicy, przy czym średnica pierścienia dyfrakcyjnego jest odwrotnie proporcjonalna do średnicy kropli (rys. 3.12a).

Energia świetlna koncentruje się w środku pierścieni dyfrakcyjnych, bowiem pierwszy kąt ugięcia Θ powoduje zgromadzenie 84% energii, lecz szybko maleje, gdy promień pierścieni rośnie. To jest słuszne tylko dla kropli o średnicach większych od długości fali światła lasera.

W wyniku obecności kropel o różnych średnicach powstaje na wieloelementowym fotodetektorze seria zogniskowanych pierścieni o różnych promieniach (rys. 3.12b). Każdy z tych pierścieni odpowiada innej średnicy kropli. Analizy zmierzonego rozkładu energii świetlnej i zamiany na rozkład średnic kropel dokonuje program komputerowy. Za podstawę selekcji przyjmuje się rozkład Rosina-Rammlera i oblicza się rozkład średnic ze zmierzonego rozkładu energii świetlnej metodą najmniejszych kwadratów [60].

Szczególną cechą tej metody pomiarowej jest to, że obraz dyfrakcji generowany przez krople jest niezależny od pozycji kropli w strudze. Wynika to stąd, że światło ugięte przy kącie Θ powoduje takie samo promieniowe przemieszczenie w płaszczyźnie ogniskowej.

W związku z tym można wykonywać pomiary kropel podczas ich ruchu z dowolną prędkością.

37 Rys. 3.11. Schemat metody zmiany fazy Dopplera [60]: a) układ optyczny, b) zależność

między sygnałami dwóch fotopowielaczy, e-poziom progowy, δ-różnica fazy

Rys. 3.12. Metoda dyfrakcji światła [60]: a) schemat działania, b) układ optyczny

38

4. WYMAGANIA DLA PALIW DO SPALINOWYCH ŚRODKÓW