GİRİŞ
Akışkanların debi ölçümü için birçok farklı yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemlerden birisi Lazer Doppler Hız Ölçümü yöntemidir. Lazerli hız ölçümü (LV), lazer Doppler hız ölçümü (LDV) veya lazer Doppler anemometrisi (LDA) adı da verilen yöntemin çalışma prensibi Doppler Etkisine dayanmaktadır.
Doppler Etkisi Nedir?
Doppler Etkisi (veya Doppler Kayması) adını ünlü bilim adamı ve matematikçi Christian Andreas Doppler‘den almaktadır. Zamanda-harmonik bir kaynak ve alıcı arasından göreli bir hareket olduğunda, alıcıda algılanan dalganın frekansının kaynağın yaydığı frekanstan farklı olması Doppler Etkisi olarak tanımlanır. Doppler Etkisi dalga özelliği gösteren her fiziksel varlıkta meydana gelir. Durgun bir suya taş attığımızda eşit aralıklı olarak su dalgaların oluştuğunu görürüz. Ancak akış halinde olan bir suya taş attığımızda oluşan dalgalar akış yönünde çok aralıklı, akışın tersi yönünde ise sık aralıklı olarak yayılma gösterir. Bu Doppler Etkisinin günlük hayatta karşılığıdır. Diğer bir örnek lokomotif ıslıkları (veya araç kornaları) gösterilebilir. Bize yaklaşan bir lokomotif ile bizden uzaklaşan bir lokomotifin ıslık sesini aynı tizlikte duymayız. Bunun sebebi ise yine Doppler Etkisidir. Lokomotif ıslığının frekansı, lokomotif bize yaklaşırken artar, bizden uzaklaşırken azalır. Islığı farklı tizlikte duymamızın sebebi de sesteki bu frekans değişimidir.
Doppler Etkisi polis tarafından araçların hız kontrolünde kullanılan (Doppler) radarının çalışma ilkesidir. Hareketli bir araçtan yansıyarak alınan dalgadaki frekans kayması aracın hızına orantılıdır ve bu bilgi algılanıp bir el cihazında görüntülenir.
Debi Ölçümünde Doppler Etkisinin Kullanımı
Doppler Etkisinden kısaca bahsettikten sonra asıl konumuz olan Lazer Doppler Hız Ölçümüne gelelim. Akışkanların debisinini ölçmek için birçok farklı yöntem geliştirilmiştir. Bunlardan en hassas olanlarından birisi 1960’lı yılların ortalarında geliştirilen, Doppler Kayması prensibine dayanan LDA (veya LDV) kısaltmasıyla tanımlanan bir yöntemdir.
Tüm LDV sistemleri 10 mW’tan 20 mW’a kadar çıkış gücü olan helyum-neon veya argon-iyon lazer güç kaynağı kullanır. Lazerler diğer ışık kaynaklarından farklı olarak uyumu ve odaklanması yüksek bir ışık kaynağıdır. Lazer ışını önce ışın dallandırıcı denilen yarı sırlı ayna ile eşit şiddete ayrılır. Her iki ışın daha sonra akıştaki hedef bir noktada ışınları toplayan yakınsak mercekten geçer. İki ışınında kesiştiği küçük akışkan hacmi, hızın ölçüldüğü bölgedir ve buna ölçüm hacmi adı verilir. Lazer ışığı ölçüm hacmindeki parçacıklar tarafından saçılıma uğratılır. Belirli bir yönde saçılan ışık, alıcı mercekler tarafından toplanır ve ışık şiddetindeki değişimleri gerilim sinyalindeki değişimlere dönüştüren ışık dedektöründen geçirilir. Son olarak sinyal işlemcisi gerilim sinyalinin frekansını ve dolayısıyla akış hızını bulur. Ölçüm hacmine değişik renklerde ekstra ışın çiftleri eklenerek, 2 ve 3’ncü hız bileşenleri ölçülebilir. Bu tür LDA sistemlerine 2 boyutlu (veya 3 boyutlu) hız ölçümü yapan LDA adı verilir.
Akışkanın hızı bulunduktan sonra debiye ulaşmak oldukça kolaydır. Akışkanlar mekaniğinde debi kütlesel debi ve hacimsel debi olmak üzere iki grupta incelenmektedir.
Kütlesel debi birim zamanda akan akışkanın kütlesi olarak ifade edilir. Μ kütlesel debi [kg/s], ρ yoğunluk [kg/m^3], V akışkan hızı [m/s], A akışın geçtiği dik kesit alanı [m^2] olmak üzere;
M=ρ*V*A [kg/s]
formülü ile kütlesel debi hesaplanmaktadır. Akışkan yoğunluğu sıcaklığa bağlı olarak tablolardan bulunabilecek veya sabit kabul edilebilecek bir büyüklüktür. Kesit alanı ise mevcut sistemin bilgilerinden (dairesel kesitli borular için çap veya yarıçap bilgisinden) bulunabilir. Bu durumda bilinmeyen tek parametre hız kalmaktadır. LDA sistemi ise akışkanın hızını ölçüp, elekronik hesaplama devreleri ile kütlesel debi formülünü kullanarak debiye ulaşmaktadır.
Hacimsel debi birim zamanda akan akışkan hacmi olarak ifade edilir. Hacimsel debinin hesabı kütlesel debiye benzer şekilde yapılmaktadır. Q hacimsel debi [m^3/s], V akışkan hızı [m/s], A akışın geçtiği dik kesit alanı [m^2] olmak üzere;
Q=V*A [m^3/s]
formülü ile hesaplanır. Kesit alanı bilinen akış hacminde, LDA ile ölçülen hız değeri yerine konularak hacimsel debi hesaplanabilmektedir.
Doppler Etkisinin Kullanımı Sınırları ve Üstünlükleri
LDA sistemi ışığın girişimi prensibine göre çalıştığından diğer debi ölçerlerin aksine hız kalibrasyonu gerektirmez. Doğruluk derecesi yüksektir ve 100 kHz’in üzerinde çalışılarak türbülanslı akışlarda da kullanılabilir. Bilindiği üzere debi ölçerlerin en büyük sorunu türbülanslı akışlarda doğru sonuç vermemeleridir ki LDA’da böyle sorun söz konusu değildir.
LDA temassız olarak ölçüm yaptığından sistemlere entegrasyonu çok kolaydır. Tek bir sistem ile hem gazların hem de sıvıların debisi ölçülebilmektedir.
Çok düşük hızlardan başlayarak süpersonik hızdaki akışlara kadar çok geniş bir kullanım alanına sahip olan LDA sistemleri;
- Noktasal hız ölçümleri
- Türbülans araştırmaları
- Tanımlanan geometride otomatik alan taraması ile hız ölçümü
- Kalibrasyon gerektirmeyen hassas hız ölçümü
- Diğer sistemlerin kalibrasyonu ve sertifikasyonu için idealdir.
LDA sisteminin olumsuz yanı ise görece yüksek fiyatı; lazer güç kaynağı, ışık dedektörü ve akış içindeki hedeflenen konum arasında yeteri derecede saydamlığa ihtiyaç duyulması; doğruluk için yayılan ve yansıyan ışıkların dikkatli bir şekilde hizalanmasının gerekliliğidir.
YARARLANILAN KAYNAKLAR:
–Akışkanlar Mekaniği Temelleri ve Uygulamaları, Yunus A. Çengel, John M. Cimbala, Nobel Matbaacılık, Çeviri:Tahsin Engin
–Mühendislik Elektromanyetiğinin Temelleri, 2. Baskı, David K. Cheng, Palme Yayıncılık, Çeviri:Adnan Köksal, Birsen Saka
Adem ORUZ
13 Mayıs 2015