Komparace měření velikosti vodních kapek v mlhovém proudu

SP2019/121

Kadlubcová Miriam Ing.

01. 01. 2019 - 31. 12. 2019

Předmětem zkoumání v souvislosti s vypracováním disertačních prací řešitelů projektu a rozšířením vědecko-výzkumných poznatků bude: - Nalezení vhodných metod měření velikosti vodních kapek v mlhovém proudu. - Popis způsobu a fyzikálního principu měření velikosti vodních kapek v mlhovém proudu. - Komparace výsledků měření velikosti vodních kapek v mlhovém proudu vybraných metod měření. Komparace těchto výsledků bude sloužit k výběru vhodné metody pro následné řešení disertačních prací pro předem definované parametry vodní mlhy. Měření velikosti vodních kapek v mlhovém proudu lze realizovat několika metodami. Pro naši práci nejdůležitější bude metoda PDPA, pomocí které budeme provádět plánovaná měření. Oslovili jsme také firmu, která realizuje měření metodou Spray-Tec a budeme se snažit také o dojednání měření touto metodou. Další vhodné metody pro Měření velikosti vodních kapek jsou LDV, PIV nebo GSV. Jsou dvě hlavní skupiny systémů měření kapek vodní mlhy, a to bodové měření (LDV = Laser Doppler Velocimetry, PDPA = Phase Doppler Particle Analyser) a plošné měření (PIV = Particle Image Velocimetry). Plošného měření může být více modifikací (GSV = Global Sizing Velocimetry, PLIF = Planar Laser Inducet Fluorescence, V3V = Volumetric 3 component Velocimetry, TR PIV = Time resolved PIV, Shadowgraphy). Metoda PDPA se používá na měření rychlosti, velikosti a koncentrace kapek. Tato metoda má velmi vysokou přesnost. PDPA má využití v medicíně (nebulizátory a inhalátory s odměřenou dávkou), v malířství, při povrchové úpravě kovů, v chladících věžích, Sprinklerových zařízeních, při potahování tablet atd. Měřící aparatura vypadá tak, že je vyslán laserový paprsek, který prochází vysílací optikou, kde je rozptýlen, dále paprsek dopadá na přijímací optiku a následně dopadá na fotodetektor, který následně odesílá data na signální procesor. Stříknutím spreje nebo vodní mlhy mezi části optiky, dojde k rozptylu laserových paprsků. Z frekvence mezi jednotlivými odezvami a času mezi signály lze následně určit požadované parametry. Frekvence nám udává rychlost a čas mezi signály (fázemi) udává průměr vstříknuté kapky. Tato metoda byla vyvinuta na základě metody LDV. LDV metoda se využívá zejména k měření rychlosti. LDV vysílá monochromatický laserový paprsek směrem k cíli a sbírá odražené záření. Podle dopplerovského efektu je změna vlnové délky odraženého záření funkcí pro relativní rychlost cílového objektu. Rychlost objektu lze tedy získat měřením změny vlnové délky odraženého laserového světla, které se provádí vytvořením interferenčního okrajového vzoru (tj. překrývají původní a odražené signály). PIV je technikou plošného měření s celkovým průtokem, která poskytuje okamžité měření vektorových veličin v průřezu průtoku. Tato technika je neinterakční, proto dovoluje aplikaci PIV i při vysokých rychlostech. Tato technika může mít různé modifikace. Planární laserem indukovaná fluorescence (PLIF) patří mezi metody PIV. Je to optická diagnostická technika široce používaná pro vizualizaci průtoku a kvantitativní měření. Metoda PLIF se používá pro měření rychlosti, koncentrace, teploty a tlaku. V PLIF je tok osvětlen laserovým světlem, jehož vlnová délka je naladěná tak, aby vyvolala určitý přechod. Část molekul základního stavu toku absorbuje dopadající světlo a vybuzuje se k vyššímu stavu elektronické energie. Rozrušený druh bude po nějaké době, obvykle v řádu několika nanosekund až po mikrosekundy, de-excitovat a vyzařovat světlo s vlnovou délkou větší než excitační vlnová délka. Tato světelná fluorescence je zachycena na digitálním fotoaparátu. Dalšími používanými metodami jsou GSV, která se používá k rychlosti měření kapek, velikosti a koncentrace. Nevýhodou tohoto systému měření je omezení jak velikostní, tak koncentrační a také nepřesnost měření. V3V metoda zobrazí rychlosti a proudnice v objemu. Metoda Shadowgraphy zase vyniká jednoduchým zobrazením pomocí odstínů šedé a následné vizualizaci přes difuzní sklo. Všechny výše jmenované metody využívá firma TSI GmbH, s jejímiž zástupci jsme navázali spolupráci. Kromě této firmy jsme oslovili taktéž zástupce konkurenční společnosti ANAMET s.r.o., která má ve svém portfoliu přístroje využívající metodu SprayTec. Od zástupce této firmy jsme dostali reference nainstalovaných systémů využívajících danou metodu a v současné chvíli se pokoušíme o navázání spolupráce se subjekty, které disponují zařízením využívajícím metodu SprayTec. SprayTec od firmy Malvern Panalytical používá techniku laserové difrakce pro měření velikosti kapiček a postřikových částic. Dělá to měřením intenzity rozptýleného světla, při průchodu laserového paprsku prostředím. Tato data jsou potom analyzována pro výpočet velikosti kapiček, které vytvořily rozptylový vzor. Systém Spraytec je tvořen těmito hlavními prvky: Vysílací modul, který obsahuje kolimovaný laserový zdroj světla používaný k osvětlení spreje během měření. Modul přijímače, který může držet jednu ze dvou čoček (300 mm nebo 750 mm), které zaostří jakékoliv světlo rozptýlené postřikem na řadu detektorů. Tyto detektory přesně měří intenzitu světla rozptýleného kapkami spreje v širokém rozsahu úhlů. Optická lavice zajišťuje, že vysílač a přijímač jsou zarovnány. Délku této polohy lze měnit, aby vyhovovala různým aplikacím. Software Spraytec řídí systém během procesu měření a analyzuje data rozptylu pro výpočet rozložení rozstřiku. Výsledky jsou zobrazeny jako trendový graf historie velikosti, což umožňuje okamžité rozpoznání jakýchkoliv změn velikosti kapiček.

doc. RNDr. Karla Barčová, Ph.D.
Ing. Dalibor Balner, Ph.D.
Ing. Daniel Ondrušík
Ing. Miriam Kadlubcová

Hlavním cílem projektu je komparace vybraných metod měření velikosti vodních kapek a dalších parametrů vodní mlhy.
Pro naplnění hlavního cíle projektu je nutné splnit následující dílčí cíle:
1) Najít vhodné metody měření charakteristiky mlhové proudu při výstřiku z trysky.
2) Sestrojit aparaturu pro vytvoření vodního mlhového proudu a výběr vhodných trysek.
3) Změřit charakteristiky mlhového proudu ve vybraných metodách.