AT509883B1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des rotationsverhaltens und der grösse von partikel und tropfen in mehrphasenströmungen - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT509 883B1 2011-12-15

Beschreibung

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG DES ROTATIONSVERHALTENS UND DER GRÖßE VON PARTIKEL UND TROPFEN IN MEHRPHASENSTRÖMUNGEN

[0001] Der Transport von Feststoffen mit Hilfe einer Gas-Feststoff- oder Gas-Flüssigkeitsströ-mung kann in unterschiedlichen Anwendungen in Industrie und Forschung vorgefunden werden. Partikel werden dabei von dem umströmenden Gas oder der umgebenden Flüssigkeit etwa in einer Rohrströmung transportiert. Ebenso sind das Rotationsverhalten und die Größenverteilung von Flüssigkeitstropfen und Sprays für eine Vielzahl von Anwendungen von hoher Relevanz. Um zuverlässige Aussagen über das Verhalten der Partikel und Tropfen in diesen Strömungen treffen zu können, werden Parameter wie Partikel- und Tropfengeschwindigkeit, Geschwindigkeit des umgebenden Mediums, Geometriedaten der Fördervorrichtung, oder etwa das Rotationsverhalten der Partikel oder Tropfen benötigt. Dabei ist das Rotationsverhalten und die Rotationsgeschwindigkeit der Partikel vor allem bei Partikel-Partikel und bei Partikel-Wand Stößen sowie zur Berechnung der sogenannten „Lift-Force" (hervorgerufen durch Asphärizität der Partikel und Magnus Effekt) von Bedeutung.

[0002] Die Bestimmung der Partikelgröße und in weiterer Folge der Partikelgrößenverteilung in einer Gas-Feststoff- oder Gas-Flüssigkeitsströmung mit Hilfe von optischen Methoden gehört seit langer Zeit zum Stand der Technik. Eine sehr weitverbreitete Messmethode für die Bestimmung der Partikel bzw. Tropfengröße ist die Laser Doppler Velocimetrie Partikelanalyse. Auch kameraoptische Verfahren in Verbindung mit Messen aus Bildern gehören zum Stand der Technik bei der Bestimmung der Partikel- bzw. Tropfengröße. Unterschiedliche Spezialanwendungen, wie etwa die laserinduzierte Breakdown Detektion (z.B. DE 19833339 C1) sind dem Stand der Technik zur Bestimmung der Partikel- bzw. Tropfengröße ebenfalls bekannt.

[0003] Um das Rotationsverhalten von Partikel und Tropfen zu bestimmen, sind dem Stand der Technik weit weniger Verfahren bekannt. Ein Verfahren, bei dem zwei oder mehrere charakteristische Punkte auf der Oberfläche eines rotierenden Partikels ausgewertet werden ist in Wu et al., Measurement on Particle Rotation Speed in Gas-Solid Flow Based on Identification of Par-ticle Rotation Axis", Experiments in Fluids, 45 (2008), S. 1117-1128 dargestellt. Ebenso wird die Verwendung von Hochgeschwindigkeitsfotografie (z.B. Tsuji et al., Experimental measurements of the Magnus force on a rotating sphere at low Reynolds numbers, Journal of Fluid Engineering, 107 (1985), S 484-488) vor allem mit Hilfe von Stroboskop (z.B. Lee and Hsu, Particle spinning motion during saltating process, Journal of Hydraulic Engineering, 122 (1996), S. 587-590) als Verfahren zur Bestimmung des Rotationsverhaltens und der Rotationsgeschwindigkeit für Partikel und Tropfen verwendet.

[0004] Vorliegende Erfindung dient zur Bestimmung der Größe bei sphärischen und asphärischen Partikel bzw. Tropfen 1 und der Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit bei asphärischen Partikel bzw. Tropfen 1. Durch die Rotation der asphärischen Partikel oder Tropfen 1 entsteht beispielsweise in der lokalen Helligkeitsverteilung in zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern der Strömung ein (quasi)periodischer Verlauf.

[0005] Die Erfindung löst die Aufgabe, indem die Parameter Größe und Rotationsgeschwindigkeit mit Hilfe eines mehrstufigen, kameraoptischen Verfahrens bestimmt werden: In zeitlich aufeinanderfolgenden digitalen Kamerabildern der Mehrphasenströmung wird zuerst das geometrische Zentrum 4 der Partikel bestimmt, horizontale 3 und vertikale 2 Beobachtungslinie werden eingerichtet und die Anzahl der hellen (bzw. der dunklen) Pixel entlang der Linien 2 und 3 werden über der Zeit ausgewertet 5. Da eine klare Unterscheidung zwischen hellen und dunklen Pixel in den Kamerabildern notwendig ist, ist eine ausreichende Beleuchtung der Strömung für dieses Verfahren unerlässlich. Licht wird von den in der Strömung vorhandenen Partikel oder Tropfen 1 rückgestreut und durch das Kamerasystem 6 aufgezeichnet. In der einfachsten Ausführungsform des Verfahrens wird mittels Schwellenwert zwischen hellen und dunklen Pixel unterschieden. Ein über diese binäre Methode hinausgehendes Verfahren kann ebenso Grau-und Farbwerte nutzen, um die Genauigkeit der Unterscheidung zu erhöhen. Diese Methoden 1 /8 österreichisches Patentamt AT509 883B1 2011-12-15 der sogenannten Subpixel Auflösungserhöhung gehören seit mehreren Jahren zum Stand der Technik.

[0006] Aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern kann daher eine zeitliche Abfolge von horizontalen und vertikalen Helligkeitsverläufen 5 ermittelt werden. Dabei gibt [0007] · die mittlere Anzahl der hellen Pixel (d.h. der Gleichanteil der Amplitude im zeitlichen

Signal 5) Aufschluss über die mittlere Größe des Partikels oder des Tropfens 1 [0008] · die Variation der Amplitude im zeitlichen Signal 5 (d.h. die Welligkeit der Amplitude im zeitlichen Signal 5) Aufschluss über die Asphärizität des Partikels oder des Tropfens 1 und [0009] · die zeitliche Abfolge der Variation der Amplitude (d.h. die dominante Signalfrequenz im zeitlichen Signal 5) Aufschluss über die Rotationsgeschwindigkeit des Partikels oder des T ropfens 1.

[0010] Eine detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird anhand der folgenden Figuren gegeben. In diesen zeigt: [0011] Fig. 1: zwei rotierende asphärische Partikel 1a und 1b mit den Rotationsgeschwindigkeiten v1 und v2 [0012] Fig. 2: die Definition einer vertikalen Beobachtungslinie 2 und einer horizontalen Beo bachtungslinie 3 beide durch das geometrische Zentrum 4 des Abbildes eines Partikels 1 auf dem digitalen Kamerabild der Strömung [0013] Fig. 3: Darstellung der vertikalen 2 und horizontalen 3 Beobachtungslinie über der

Abbildung des Partikels 1. Jene Pixel, die innerhalb des hellen Partikelbildes liegen sind hell, die übrigen Pixel sind dunkel. In Fig. 3 weist jeder der beiden horizontalen Äste der Beobachtungslinie 3 (rechts und links des Zentrums 4) 13 helle und 3 dunkle Pixel auf. Jeder der beiden vertikalen Äste der Beobachtungslinie 2 (oben und unten des Zentrums 4) weist 8 helle und 8 dunkle Pixel auf.

[0014] Fig. 4: Darstellung der vertikalen 2 und horizontalen 3 Beobachtungslinie über der Abbildung des rotierten Partikels oder Tropfens 1 (d.h. späterer Zeitschritt als in Fig. 3). Jene Pixel, die innerhalb des hellen Partikelbildes liegen sind hell, die übrigen Pixel sind dunkel. In Fig. 4 weist jeder der beiden horizontalen Äste der Beobachtungslinie 3 (rechts und links des Zentrums 4) 10 helle und 6 dunkle Pixel auf. Jeder der beiden vertikalen Äste der Beobachtungslinie 2 (oben und unten des Zentrums 4) weist 10 helle und 6 dunkle Pixel auf.

[0015] Fig. 5: das Zeitsignal 5 eines vergleichsweise großen (d.h. hoher Gleichanteil im Signal), stark asphärischen (d.h. hohe Variation bzw. Signalhub der Signalamplitude) Partikels 1 mit geringer Rotationsgeschwindigkeit (d.h. lange Periodendauer und geringe Signalfrequenz) [0016] Fig. 6: das Zeitsignal 5 eines vergleichsweise großen (d.h. hoher Gleichanteil im Signal), stark asphärischen (d.h. hohe Variation bzw. großer Signalhub der Signalamplitude) Partikels 1 mit hoher Rotationsgeschwindigkeit (d.h. kurze Periodendauer und hohe Signalfrequenz) [0017] Fig. 7: das Zeitsignal 5 eines vergleichsweise großen (d.h. hoher Gleichanteil im Signal), wenig asphärischen Partikels 1 (d.h. geringe Variation bzw. kleiner Signalhub der Signalamplitude) mit hoher Rotationsgeschwindigkeit (d.h. kurze Periodendauer und hohe Signalfrequenz) [0018] Fig. 8: das Zeitsignal 5 eines vergleichsweise kleinen (d.h. kleiner Gleichanteil im Signal), wenig asphärischen Partikels 1 (d.h. geringe Variation bzw. kleiner Signalhub der Signalamplitude) mit hoher Rotationsgeschwindigkeit (d.h. kurze Periodendauer und hohe Signalfrequenz) 2/8 österreichisches Patentamt AT509 883 B1 2011-12-15 [0019] Fig. 9: das Ablaufdiagramm für das Verfahren zur Bestimmung von Partikel- oder Trop fengröße und zur Bestimmung der Partikel- oder Tropfen Rotationsgeschwindigkeit [0020] Fig. 10: Vorrichtung zur Bestimmung der Größe von Partikel oder Tropfen 1 und zur

Bestimmung der Partikel oder Tropfen Rotationsgeschwindigkeit in einem Messmedium 8 mit Hilfe einer Kamera 6, einer Verarbeitungseinheit für die Auswertung der Signalfrequenz und der Signalamplitude 7 sowie einer Ausgabeeinheit für Partikelgröße und Rotationsgeschwindigkeit 9.

[0021] Zweckmäßigerweise wird für das Verfahren und die Vorrichtung in vorliegender Erfindung wie in Fig. 9 gezeigt das optische System kalibriert. Dies kann über Marker am Messvolumen geschehen, welche in bekannter Distanz mit der Kamera aufgenommen werden und einer Zuordnung einer Entfernung im Messaufbau zu einer Pixelanzahl Bild ermöglicht. Die Verwendung telezentrischer Linsen bietet dabei Vorteile.

[0022] In den Kamerabildern der Strömung werden Partikel oder Tropfen 1 nach gängigen, zum Stand der Technik gehörenden, Verfahren detektiert. Das geometrische Zentrum 4 des Partikels oder Tropfens 1 wird nach gängigen, zum Stand der Technik gehörenden Verfahren, ermittelt. Für jedes detektierte Partikel 1 werden eine horizontale 3 und eine vertikale 2 Beobachtungslinie angenommen und die Anzahl der Pixel im digitalen Bild, welche vom Partikel 1 bedeckt sind, für jedes Bild (d.h. für jeden Zeitschritt) ermittelt. Aus einer hinreichenden Anzahl von zeitlich aufeinander folgenden Bildern kann ein Zeitsignal 5 für die horizontale Beobachtungslinie 3 und ein Zeitsignal 5 für die vertikale Beobachtungslinie 2 bestimmt werden.

[0023] Aus diesen Zeitsignalen 5 werden die Rotationsgeschwindigkeit und die Partikelgröße abgeleitet: [0024] Für die Rotationsgeschwindigkeit wird zweckmäßigerweise das Zeitsignal 5 in den Frequenzbereich transformiert, beispielsweise mit einer FFT. Durch die räumliche Verschiebung von 90 ° zwischen der horizontalen Beobachtungslinie 3 und der vertikalen Beobachtungslinie 2 ergeben sich keine Unterschiede in der dominanten Signalfrequenz. Die beiden Signalfrequenzen können daher für eine Plausibilitätsprüfung verglichen werden. Aus dem Wert der Signalfrequenz wird direkt die Rotationsgeschwindigkeit abgeleitet. Partikel 1 mit geringer Rotationsgeschwindigkeit haben dabei nur sehr niedrige Signalkomponenten während schnell rotierende Partikel oder Tropfen 1 hohe Signalfrequenzen aufweisen. Partikel ohne Rotation oder gänzlich sphärische Partikel liefern dabei nur einen Gleichanteil im Signal 5 ohne Signalvariation (bzw. Gleichsignale, welche lediglich durch Rauschen, vor allem Quantisierungsrauschen durch Pixe-lung, überlagert sind). Zu beachten ist die Begrenzung der Signalfrequenz durch die Bildwiederholrate der Kamera in Anlehnung an das bekannte Abtasttheorem von Shannon.

[0025] Für die Bestimmung der mittleren Partikelgröße wird der Mittelwert der zeitlichen Signale von horizontaler 3 und vertikaler 2 Beobachtungslinie analysiert. Auch hier bietet sich eine Plausibilitätsprüfung durch einen Vergleich der Signale an. Ein hoher Mittelwert an hellen Pixel bedeutet, dass das Partikel oder der Tropfen 1 groß ist. Die Variation der Signalamplituden ist ein Maß für die Asphärizität der Partikel 1. Eine hohe Variation bzw. ein großer Signalhub deutet auf ein stark asphärisches Partikel hin während ein Signal mit keiner oder geringer Variation auf ein sphärisches Partikel schließen lässt. 3/8

Claims (2)

1. österreichisches Patentamt AT509 883 B1 2011-12-15 Patentansprüche 1. Verfahren zur Bestimmung des Rotationsverhaltens von Partikel und Tropfen (1) in Mehrphasenströmungen mit Hilfe von kameraoptischen Verfahren und Bildverarbeitung, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgende digitale Bilder von in einer Strömung befindlichen Partikel oder Tropfen (1) aufgenommen werden, in diesen digitalen Bildern jeweils durch Helligkeitsunterschiede die Partikel oder Tropfen (1) als Objekte detektiert werden, der Schwerpunkt (4) dieser Objekte berechnet wird, eine im einfachsten Fall horizontale (3) und/oder eine im einfachsten Fall vertikale (2) Hilfslinie, bestehend aus einzelnen Pixeln, mit einer Länge der Linien größer der Abmessungen des Objektes gelegt wird, die Helligkeitsverteilung der Pixel entlang der horizontalen (3) und der vertikalen (2) Hilfslinie ausgewertet werden in dem Sinne, dass der mittlere Helligkeitswert, die Summe der Helligkeitswerte oder die Anzahl der hellen oder dunklen Pixel pro Linie als Zahlenwert für jedes Partikel in jedem aufeinanderfolgenden Bild ausgegeben wird, dieser Helligkeitswert in aufeinanderfolgenden Bildern für jedes Partikel als Zeitsignal (5) dargestellt wird und die Amplitude dieses Signals (5) für die Bestimmung der Asphärizität des Partikels und die Frequenz dieses Signals für die Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit des Partikels oder Tropfens (1) herangezogen wird.
2. 2. Vorrichtung zur Bestimmung des Rotationsverhaltens von Partikel und Tropfen (1) in Mehrphasenströmungen innerhalb einer optisch transparenten Fördereinrichtung (8) dadurch gekennzeichnet, dass eine Kamera (6) vorgesehen ist, welche aufeinanderfolgende Bilder der partikel- oder tropfenführenden Strömung durch die optisch transparente Fördereinrichtung (8) hindurch aufnimmt, eine Bildverarbeitungseinheit (7) vorgesehen ist, welche den Schwerpunkt (4) und Hilfslinien (2) und (3) in den Bildern für jedes Partikel berechnet und für jede Hilfslinie (2) und (3) und jedes Partikel (1) ein Zeitsignal (5) aus den aufeinanderfolgenden Bildern berechnet, eine Signalauswerteeinheit (9), welche aus der Signalamplitude des Zeitsignals (5) die Partikel- oder Tropfengröße und aus der Signalfrequenz die Rotationsgeschwindigkeit des Partikels oder Tropfen berechnet. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 4/8