pda测量系统的原理及应用
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PDA测量系统的原理及应用简介
刘艳丽
2021/7/1
1
主要内容：
PDA测量系统简介 PDA测量系统的应用 PDA测量系统测量原理 测量中应注意的几点问题
2021/7/1
2
PDA的两种解释
➢ Phase Doppler Anemometer ➢ Particle Dynamic Analyzer
2021/7/1
14
2021/7/1
15
2021/7/1
16
2021/7/1
17
激光多普勒效应
当激光照射到跟随流体一起运动的微 粒上时，微粒散射光频率将偏离入射 光频率。这种现象就叫作激光多普勒 效应。PDA就是利用激光多普勒效应 进行流速测量的。
2021/7/1
18
颗粒速度测量原理
入射光
在移动三维坐标架时要注意方向，避免 破坏镜头；
测量时应注意安全。
2021/7/1
40
Thank you ！
2021/7/1
41
2021/7/1
42
2021/7/1
43
结束语
若有不当之处，请指正，谢谢！
音速； 测量方向特性稳定；
2021/7/1
12
PDA可以应用于下列领域：
液滴尺寸的测量 喷射特性的研究 燃烧系统的研究 燃油喷射器的研究 气泡的动态特性的研究 两相流的研究 一到三维速度场的测量
2021/7/1
13
PDA在国内的应用：
现在国内大约有20多家单位拥有PDA测量系 统，应用遍布动力、医药、消防等领域。 动力方面：用来研究锅炉炉膛、燃气轮机燃 烧室中的流场情况；涡轮机气液两相喷嘴的 喷雾特性等等； 医学领域：用来测量注射液中的不溶性微粒 及检测药品的粒度分布； 消防领域：用来研究超细水雾的雾场特性。
2021/7/1
38
解决方法
调整测量体交点及BSA软件方面的设 置,Validation和Sphere Validation 提高，能达到50％-55％;测量速度方 面提出了采用软件相关的测量方式， 这样采集速度相对较快。
2021/7/1
39
几点建议：
测量前应仔细阅读BSA软件说明书的57章，对参数设置及测量结果有一定的 了解；
2021/7/1
10
目前常用的测速方法有：
皮托管测速法 热线风速仪测速法 相位多普勒风速仪测速法
2021/7/1
11
相位多普勒测速仪的优点：
对流场无干扰； 输出特性的直线性好，无须标定； 测量精度不受流体折射率以外的其他物理性能
的影响； 空间分辩率高、无惯性，因而频响特性好； 测速范围广，可以从10-3mm/s级的低速至超
射光的闪烁频率 为f：D'
fD'
vs vn DF
2s in
fs i 2 vn
“+”号表示条纹移动方向与微粒运动方向相反， “-”表示两者方向相同。
2021/7/1
20
颗粒粒径测量原理
2021/7/1
21
颗粒粒径测量原理
PDA粒径测量是根据米氏散射理论，采 用相位差法，即把多个检测器采用不对 称方法放置，将各检测器产生的信号进 行比较，各检测器信号间呈现相位差， 在很宽的尺寸范围内相位差与粒子直径 成线性关系。这样，只要测得相位差就 可以求出粒子直径。粒径测量范围是 0.5-13000μm。
2021/7/1
3
Phase Doppler Anemometer
相位多普勒风速仪又称相位多普勒技术， 是运用多普勒频移和多普勒相位差原理 进行速度和粒径测量的一种技术。它发 明于1975年，在欧洲习惯上称为PDA ， 而在美国习惯上称为Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA)。
2021/7/1
26
测量区域示意图
2021/7/1
27
示踪粒子的选择
利用PDA 测量流速，实际上是测量 悬浮在流体中跟随流体一起运动的示 踪粒子的速度，所以示踪粒子的选择 是十分重要的问题，它直接关系到试 验结果的可靠性及其真实物理意义。
2021/7/1
28
合格的示踪粒子应具备以下基本特性:
具有良好的跟随性 具有高的散射效率 具有良好的物理化学性质 清洁的 便宜的 无毒、无腐蚀、无磨蚀的
7-槽钢支架 8-玻璃窗 9-清粉口 10-炉膛 11-风道
12-多管除尘器 13-吸风机 14-布袋除尘器
2021/7/1
25
试验窗口段的设计
使用PDA测量流场，必须将激光光束射入试 验段，试验段就需要开窗。设计窗口段时应 考虑到PDA的测量深度、镜头支架的宽度、 三维坐标架的移动范围及发射镜头与接收镜 头之间的角度这些因素的影响。我们试验中 的ＰＤＡ系统发射镜头与接收镜头之间的角 度为145°，最大测量深度为500mm，在实 际应用中，在宽度和深度方面的设计中应留 有一定的余量。此外，实验段窗口不能为弧 形，否则就会发生聚焦点分离的问题。
这一问题在试验中经常碰到且现象比较 明显，严重影响了测量速度，而且对于 浓度的计算产生了较大的影响。对这一 问题，丹麦专家认为是热效应引起的， 并没能提出进一步的解决方案。
2021/7/1
37
coincidence与non-coincidence测量
在3D-PDA的测量过程中，若选择 non-coincidence方式测量时， Validation和Sphere Validation的值 相对较高，能达到90%左右，而改用 coincidence方式测量时，这两个值变 得较小，比如说20-30%，并且测量速 度变慢，好多测量点2分钟刚测到几十 个甚至几个粒子。
2021/7/1
35
紫光测速的误差
对于三维测量系统，三束光各有自己的测 量体，蓝光的测量体与绿光的大体重合， 但是紫光的测量体，其长轴与蓝、绿光的 测量体长轴有较大的夹角。在测量过程中 出现了紫光速度偏大的测量结果。丹麦专 家认为这种情况属于系统误差，是无法避 免的。
2021/7/1
36
光线逐渐变暗甚至消失
f i1
条纹移动方向vs
θ
入射光
fi2
2021/7/1
流动方向 vn
DF
ห้องสมุดไป่ตู้
i 2 sin( / 2)
vn DF
fD
19
颗粒速度方向测量原理
当两束频差很小且恒定的光束在流体测量区相交
时，产生光混合而形成一组移动的干涉条纹。两
束光频差为fs, 移动速度为 当v s微粒穿过测量区条 纹时，其散射光将出现忽明忽暗的闪烁现象，散
2021/7/1
5
PDA系统的组成
粒子动态分析仪（PDA)主要由激光 光源、传输光路系统、接收光路系统、 信号处理器、计算机（包括硬件接口 与软件）、三维自动坐标架等组成。
2021/7/1
6
2021/7/1
7
2021/7/1
8
光的三种散射方式
2021/7/1
9
与光的三种散射方式对应的三种接收方式
2021/7/1
23
课题简介
本课题以元宝山电厂3＃炉为原型， 根据再燃改造方案，设计建造冷模试 验台，应用PDA对试验台的再燃区和 燃尽区的流场进行测量，了解实行再 燃改造后再燃区和燃尽区的空气动力 场特性。
2021/7/1
24
试验台系统图
1-电机 2-料斗 3-螺旋给粉机 4-流量计 5-再燃风管 6-喷口
2021/7/1
4
Particle Dynamic Analyzer
粒子动态分析仪，它是相位多普勒技 术的一种市场产品，是丹麦丹迪公司 生产的，还有一种类似的市场产品是 美国的TSI公司生产的APV （Adaptive Phase/Doppler Velocimeter)系统。这两种产品的测 量原理和组成是基本相同的。
2021/7/1
29
在气液两相流实验中常用的示踪粒子为:
水蒸汽 硅油
2021/7/1
30
在气固两相流测量中常用示踪粒子性能对比
粒子名称
粒子特性
效果评价 价格
滑石粉
形状不规则，白色固 跟随性差，反光 低
体，表面较光滑
性差
三氧化二 形状不规则，表面较 跟随性较差，反 较低
铝
光滑
光性较好
玻璃微珠 球形度好，白色固体，跟随性较好，反 较高
2021/7/1
22
浓度测量原理
浓度不能直接测量，只能通过测得垂直 于主轴方向的测量体截面的颗粒数量、 颗粒速度和粒径分布后，用软件计算得 出。浓度测量的准确性与PDA系统的参 数设置及颗粒折射率等因素密切相关。 在实际测量中，浓度的测量精度要远比 速度、粒径的测量精度低。PDA系统的 最大测量浓度为106/cm3
推荐的粒子添加浓度为105-107/cm3。
2021/7/1
32
速度的转换
根据PDA测速原理，测得的速度U1， U2，U3的正方向分别为三束光的频移 方向。在对实验段的速度数据分析之 前，需先将测得的速度转换为与实验 对应的垂直速度分量。
2021/7/1
33
2021/7/1
34
根据实验段坐标第与标准正交速度系之间的角度 关系，确定出如下的速度变换矩阵。
表面较光滑
光性较好
聚苯乙烯 灰色固体，球形度好，跟随性好，反光 昂贵
胶粒
表面光滑
性好
2021/7/1
31
粒子的添加浓度选择
粒子浓度太大时将会出现失真的多普勒 信号，得到超出仪器量程的畸值。此外， 微粒浓度过高时，附着在信号窗口上的 微粒也会很快增多，容易污染窗口、产 生噪声。
浓度太小时，取样时间延长，其测量误 差增大。
硅油在气固两相流测量中常用示踪粒子性能对比粒子名称粒子特性效果评价价格滑石粉形状不规则白色固体表面较光滑跟随性差反光形状不规则表面较光滑跟随性较差反光性较好较低玻璃微珠球形度好白色固体表面较光滑跟随性较好反光性较好较高聚苯乙烯胶粒灰色固体球形度好表面光滑跟随性好反光昂贵粒子的添加浓度选择粒子浓度太大时将会出现失真的多普勒信号得到超出仪器量程的畸值
刘艳丽
2021/7/1
1
主要内容：
PDA测量系统简介 PDA测量系统的应用 PDA测量系统测量原理 测量中应注意的几点问题
2021/7/1
2
PDA的两种解释
➢ Phase Doppler Anemometer ➢ Particle Dynamic Analyzer
2021/7/1
14
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15
2021/7/1
16
2021/7/1
17
激光多普勒效应
当激光照射到跟随流体一起运动的微 粒上时，微粒散射光频率将偏离入射 光频率。这种现象就叫作激光多普勒 效应。PDA就是利用激光多普勒效应 进行流速测量的。
2021/7/1
18
颗粒速度测量原理
入射光
在移动三维坐标架时要注意方向，避免 破坏镜头；
测量时应注意安全。
2021/7/1
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Thank you ！
2021/7/1
41
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结束语
若有不当之处，请指正，谢谢！
音速； 测量方向特性稳定；
2021/7/1
12
PDA可以应用于下列领域：
液滴尺寸的测量 喷射特性的研究 燃烧系统的研究 燃油喷射器的研究 气泡的动态特性的研究 两相流的研究 一到三维速度场的测量
2021/7/1
13
PDA在国内的应用：
现在国内大约有20多家单位拥有PDA测量系 统，应用遍布动力、医药、消防等领域。 动力方面：用来研究锅炉炉膛、燃气轮机燃 烧室中的流场情况；涡轮机气液两相喷嘴的 喷雾特性等等； 医学领域：用来测量注射液中的不溶性微粒 及检测药品的粒度分布； 消防领域：用来研究超细水雾的雾场特性。
2021/7/1
38
解决方法
调整测量体交点及BSA软件方面的设 置,Validation和Sphere Validation 提高，能达到50％-55％;测量速度方 面提出了采用软件相关的测量方式， 这样采集速度相对较快。
2021/7/1
39
几点建议：
测量前应仔细阅读BSA软件说明书的57章，对参数设置及测量结果有一定的 了解；
2021/7/1
10
目前常用的测速方法有：
皮托管测速法 热线风速仪测速法 相位多普勒风速仪测速法
2021/7/1
11
相位多普勒测速仪的优点：
对流场无干扰； 输出特性的直线性好，无须标定； 测量精度不受流体折射率以外的其他物理性能
的影响； 空间分辩率高、无惯性，因而频响特性好； 测速范围广，可以从10-3mm/s级的低速至超
射光的闪烁频率 为f：D'
fD'
vs vn DF
2s in
fs i 2 vn
“+”号表示条纹移动方向与微粒运动方向相反， “-”表示两者方向相同。
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颗粒粒径测量原理
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颗粒粒径测量原理
PDA粒径测量是根据米氏散射理论，采 用相位差法，即把多个检测器采用不对 称方法放置，将各检测器产生的信号进 行比较，各检测器信号间呈现相位差， 在很宽的尺寸范围内相位差与粒子直径 成线性关系。这样，只要测得相位差就 可以求出粒子直径。粒径测量范围是 0.5-13000μm。
2021/7/1
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Phase Doppler Anemometer
相位多普勒风速仪又称相位多普勒技术， 是运用多普勒频移和多普勒相位差原理 进行速度和粒径测量的一种技术。它发 明于1975年，在欧洲习惯上称为PDA ， 而在美国习惯上称为Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA)。
2021/7/1
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测量区域示意图
2021/7/1
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示踪粒子的选择
利用PDA 测量流速，实际上是测量 悬浮在流体中跟随流体一起运动的示 踪粒子的速度，所以示踪粒子的选择 是十分重要的问题，它直接关系到试 验结果的可靠性及其真实物理意义。
2021/7/1
28
合格的示踪粒子应具备以下基本特性:
具有良好的跟随性 具有高的散射效率 具有良好的物理化学性质 清洁的 便宜的 无毒、无腐蚀、无磨蚀的
7-槽钢支架 8-玻璃窗 9-清粉口 10-炉膛 11-风道
12-多管除尘器 13-吸风机 14-布袋除尘器
2021/7/1
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试验窗口段的设计
使用PDA测量流场，必须将激光光束射入试 验段，试验段就需要开窗。设计窗口段时应 考虑到PDA的测量深度、镜头支架的宽度、 三维坐标架的移动范围及发射镜头与接收镜 头之间的角度这些因素的影响。我们试验中 的ＰＤＡ系统发射镜头与接收镜头之间的角 度为145°，最大测量深度为500mm，在实 际应用中，在宽度和深度方面的设计中应留 有一定的余量。此外，实验段窗口不能为弧 形，否则就会发生聚焦点分离的问题。
这一问题在试验中经常碰到且现象比较 明显，严重影响了测量速度，而且对于 浓度的计算产生了较大的影响。对这一 问题，丹麦专家认为是热效应引起的， 并没能提出进一步的解决方案。
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coincidence与non-coincidence测量
在3D-PDA的测量过程中，若选择 non-coincidence方式测量时， Validation和Sphere Validation的值 相对较高，能达到90%左右，而改用 coincidence方式测量时，这两个值变 得较小，比如说20-30%，并且测量速 度变慢，好多测量点2分钟刚测到几十 个甚至几个粒子。
2021/7/1
35
紫光测速的误差
对于三维测量系统，三束光各有自己的测 量体，蓝光的测量体与绿光的大体重合， 但是紫光的测量体，其长轴与蓝、绿光的 测量体长轴有较大的夹角。在测量过程中 出现了紫光速度偏大的测量结果。丹麦专 家认为这种情况属于系统误差，是无法避 免的。
2021/7/1
36
光线逐渐变暗甚至消失
f i1
条纹移动方向vs
θ
入射光
fi2
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流动方向 vn
DF
ห้องสมุดไป่ตู้
i 2 sin( / 2)
vn DF
fD
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颗粒速度方向测量原理
当两束频差很小且恒定的光束在流体测量区相交
时，产生光混合而形成一组移动的干涉条纹。两
束光频差为fs, 移动速度为 当v s微粒穿过测量区条 纹时，其散射光将出现忽明忽暗的闪烁现象，散
2021/7/1
5
PDA系统的组成
粒子动态分析仪（PDA)主要由激光 光源、传输光路系统、接收光路系统、 信号处理器、计算机（包括硬件接口 与软件）、三维自动坐标架等组成。
2021/7/1
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2021/7/1
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光的三种散射方式
2021/7/1
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与光的三种散射方式对应的三种接收方式
2021/7/1
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课题简介
本课题以元宝山电厂3＃炉为原型， 根据再燃改造方案，设计建造冷模试 验台，应用PDA对试验台的再燃区和 燃尽区的流场进行测量，了解实行再 燃改造后再燃区和燃尽区的空气动力 场特性。
2021/7/1
24
试验台系统图
1-电机 2-料斗 3-螺旋给粉机 4-流量计 5-再燃风管 6-喷口
2021/7/1
4
Particle Dynamic Analyzer
粒子动态分析仪，它是相位多普勒技 术的一种市场产品，是丹麦丹迪公司 生产的，还有一种类似的市场产品是 美国的TSI公司生产的APV （Adaptive Phase/Doppler Velocimeter)系统。这两种产品的测 量原理和组成是基本相同的。
2021/7/1
29
在气液两相流实验中常用的示踪粒子为:
水蒸汽 硅油
2021/7/1
30
在气固两相流测量中常用示踪粒子性能对比
粒子名称
粒子特性
效果评价 价格
滑石粉
形状不规则，白色固 跟随性差，反光 低
体，表面较光滑
性差
三氧化二 形状不规则，表面较 跟随性较差，反 较低
铝
光滑
光性较好
玻璃微珠 球形度好，白色固体，跟随性较好，反 较高
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浓度测量原理
浓度不能直接测量，只能通过测得垂直 于主轴方向的测量体截面的颗粒数量、 颗粒速度和粒径分布后，用软件计算得 出。浓度测量的准确性与PDA系统的参 数设置及颗粒折射率等因素密切相关。 在实际测量中，浓度的测量精度要远比 速度、粒径的测量精度低。PDA系统的 最大测量浓度为106/cm3
推荐的粒子添加浓度为105-107/cm3。
2021/7/1
32
速度的转换
根据PDA测速原理，测得的速度U1， U2，U3的正方向分别为三束光的频移 方向。在对实验段的速度数据分析之 前，需先将测得的速度转换为与实验 对应的垂直速度分量。
2021/7/1
33
2021/7/1
34
根据实验段坐标第与标准正交速度系之间的角度 关系，确定出如下的速度变换矩阵。
表面较光滑
光性较好
聚苯乙烯 灰色固体，球形度好，跟随性好，反光 昂贵
胶粒
表面光滑
性好
2021/7/1
31
粒子的添加浓度选择
粒子浓度太大时将会出现失真的多普勒 信号，得到超出仪器量程的畸值。此外， 微粒浓度过高时，附着在信号窗口上的 微粒也会很快增多，容易污染窗口、产 生噪声。
浓度太小时，取样时间延长，其测量误 差增大。
硅油在气固两相流测量中常用示踪粒子性能对比粒子名称粒子特性效果评价价格滑石粉形状不规则白色固体表面较光滑跟随性差反光形状不规则表面较光滑跟随性较差反光性较好较低玻璃微珠球形度好白色固体表面较光滑跟随性较好反光性较好较高聚苯乙烯胶粒灰色固体球形度好表面光滑跟随性好反光昂贵粒子的添加浓度选择粒子浓度太大时将会出现失真的多普勒信号得到超出仪器量程的畸值