CN114729883A - 用于探测流动空间内主气体流动的方法、气体混合物用于该方法的应用和气体混合物 - Google Patents

用于探测流动空间内主气体流动的方法、气体混合物用于该方法的应用和气体混合物 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于探测流动空间(10)内主气体流动(18)的方法，其中，在流动空间(10)中流动的主气体(18)在局部被注入了注入物质，并且借助具有上游的成像光学器件(30)的图像探测器(28)显像式探测代表主气体(18)的流动的注入物质的运动。本发明的特征在于，使用与主气体(18)一起运动而不发生相对运动的气体混合物(34)作为注入物质，气体混合物具有能与主气体(18)区分开的折射率，并且显像式探测借助背景纹影测量法来进行。

Description

用于探测流动空间内主气体流动的方法、气体混合物用于该 方法的应用和气体混合物
技术领域
本发明涉及用于探测流动空间内尤其是缓慢的主气体流动、也就是说具有尤其是为0.1至1m/s、优选为0.3至0.5m/s流速的主气体流动的方法，其中，在流动空间中流动的主气体在局部被注入了注入物质，并且借助具有上游的成像光学器件的图像探测器显像式探测代表主气体的流动情况的注入物质的运动。
背景技术
在制药行业中的灌装过程，例如将药液灌装到用于销售的分装瓶中，典型地在所谓的流料箱中进行。流料箱在此是具有大部分透明壁的护罩，这些壁包围布置在工作台上的灌装设备，并被经无菌过滤的空气流过，以便防止任何的非无菌物从外部进入。这样的空气流动(其在此也被称为主气体流动)须遵循限定的预给定参数。尤其地，该空气流动典型地是流速为0.3至0.5m/s的缓慢的流动，这些流动以优选层流方式从上到下流过流动空间，即在此是流料箱，并只有在预给定的排气开口处向外逸出。然而在此，流动受到被绕流的结构和被引入到流料箱中的物体干扰。但尽管如此符合限定的流量参数仍然是针对灌装流程的基本质量标准并受到严格的官方管控。因此在美国，例如卫生局FDA要求对流动特性进行定期检查和记录。为此规定的方法确定，经由喷嘴向主气体流动局部注入乙二醇气溶胶作为注入物质。让入射的光在气溶胶上散射，从而可以透过流料箱的透明壁光学探测气溶胶的运动，尤其是借助摄像机进行检测并拍摄。由于气溶胶根据定义是悬浮微粒，它随着主气体流动一起运动，因此可以认为所拍摄的气溶胶的运动代表主气体的运动。在此不利的是，实际的灌装设备受到相当大的污染，该污染由于被乙二醇气溶胶浸湿所造成。因此，在每次进行流动检查之后，在能够重新将灌装设备投入使用之前有必要对该灌装设备进行强力清洁。
类似场景对于来自其他领域的技术人员是已知的，例如在保护性气体流动下进行食品包装，或在对空间进行强制通风时，例如在服务器农场或在住房或机动车的内部空间中。在所有情况下，对各自的主气体流动的可视化典型通过注入气溶胶来进行，这导致了上述的缺点。
从航空航天技术领域来看，例如在DE 199 42 856 B4中所记载，已知有所谓的背景纹影测量法，它通常用英文缩写BOS(Background Oriented Schlieren，背景导向纹影)表示。在高速流动的情况下出现大的压力梯度，并因此在流动内部出现大的局部质量密度差异。这些质量密度差异造成流动的气体的折射率出现相应的差异。在BOS方法中，在要可视化的流动后面定位有图案化的背景，并在流动前面定位有指向该背景的图像探测器。背景在图像探测器上的成像与光从给定的背景点到图像探测器所走过的具体路径有关，其中，该路径与偏折特性有关，也就是说尤其是与在背景与图像探测器之间经过的介质的折射率有关。如上所述，在背景与图像探测器之间延伸的流动的折射率在局部可以是不同的，从而从不同背景点落到图像探测器上的射束在其路途上经历不同的偏折。由此引起的探测到的图案的改变可以用已知的关联方法进行计算，并因此可以使折射率梯度变得明显。对于本领域技术人员已知的关联算法被用于计算。为了可视化，给图像探测器的每个像素分配了在相应位置处计算的折射率变化的值，并以彩色或通过灰度进行编码。也有可能的是，将该BOS图像与场景的传统图像进行叠加。图像处理方法也可以在BOS方法的范畴内被考虑用于流动可视化。然而，所有这些都基于对与流动有关的折射率变化进行分辨位置的测量，折射率变化通过要可视化的流动反映在图案化的背景的时变的成像中。BOS方法也适用于热流的可视化，也就是说当相关的密度差异由温度差异产生时，如流动被局部加热时。
对于BOS方法所需的图案化的背景典型地通过相应图案化的表面来提供。图案可以以能被图像探测器探测到的方式印刷、粘贴、投射或以其他方式施布到表面上。上述文献还附加公开了使用自然背景的可行方案，在图像探测器具有相应高分辨率和足够的计算能力情况下，其自然的图案足以被用于执行上述BOS方法。
由Meier,A.H.；Roesgen,Th.:，，Improved background oriented schlierenimaging using laser speckle illumination“Exp.fluids(2013)54:1549(DOI 10.1007/s 00348-013-1549-8)(Meier,A.H.和Roesgen,Th.所著：“利用激光散斑照明改善背景导向纹影成像”，流体实验(2013)54:1549(DOI 10.1007/s 00348-013-1549-8))已知的是，使用从图像探测器看被定位在烛火后面的投影面作为对热流进行基于BOS可视化的背景，该投影面被相干光大面积照射，也就是说被相干地照亮。在这种相干照亮情况下由于干涉现象导致了所谓的激光散斑，激光散斑基本上表现为点状图案。根据各自的空间上的质量密度进而是折射率状况，该点状图案在图像探测器上被不同成像。此外可以参考上面对经典BOS方法的解释。
发明内容
本发明的任务是，改进按类属的用于探测尤其是在流动空间中缓慢的主气体流动的方法，使得在此不发生对流动空间的不利的污染。
该任务结合权利要求1的前序部分的特征通过如下方式来解决，即，使用与主气体一起运动而不发生相对运动的气体混合物，以下也被称为注入气体，作为注入物质，气体混合物具有能与主气体区分开的折射率，并且显像式探测借助背景纹影测量法(BOS方法)来进行。
本发明的优选的实施方式是从属权利要求的主题。
本发明基于两种思路。根据第一思路，作为注入物质的由于造成污染而不利的气溶胶被适合与主气体一起运动而不发生相对运动的气体混合物所取代，也就是说，注入气体必须具有与主气体相似的质量密度。在本文中，“不发生相对运动”在“没有因质量差异而产生固有运动”的意义下来理解，即，在方法执行期间，也就是说在分别存在的流速和所流经的路程中，主气体与注入气体的流速之间(在方向和量值上)没有偏差，或对于所力求的测量精度来说没有明显偏差。如上已述，典型的流速在0.1至1.0m/s的范围内，优选在0.3至0.5m/s的范围内。典型的相关路程是各自的流动空间的长度尺寸。对于本领域技术人员来说所理解的是，待探测的主气体的流速越大并且分别流过的路程越小，注入气体与主气体的质量密度之间的容许偏差可以越大，以便仍然实现注入气体与主气体之间的与本发明有关的无相对运动性。比主气体重得多的注入气体与主气体流动无关地下沉，而轻得多的注入气体将上升。在每种情况下，注入气体运动将不再以期望的程度代表主气体流动。
利用该方法避免了例如在使用气溶胶作为注入物质时出现的在流动空间内部的污染问题。然而，注入气体和主气体对常规相机来说是无法区分的，而且由于在光学光谱范围内典型地是透明的，而甚至是不可见的。因此作为另外的基本思路本发明设置的是，借助本领域技术人员基本已知的背景纹影测量法来实现对注入气体的探测。然而，为此，注入气体必须具有(在BOS方法的范畴内)能与主气体区分开的折射率。其他类型的光学可区分性，例如颜色差异或如在气溶胶的情况下的散射在本发明的范畴内不是必要的，并且甚至是不期望的。本领域技术人员理解的是，在相同的压力和温度条件下，注入气体必须存在所提及的相对于主气体的特性，即类似的质量密度和不同的折射率。因此(基于典型缓慢的流速)在流动中自然出现的压力差异不足以激发相应的折射率变化。而且在本发明的范畴内也没有规定，在主气体与注入气体之间产生更大的温度差异，该温度差异总归在流动过程中将消失。
给主气体只在局部注入注入气体确保了相应的折射率干扰也是被限制在局部，并且尤其是随着主气体流动运动通过流动空间。并且，如上所述，由于BOS方法是以探测折射率差异的时变为基础，因此可以认为能借助BOS方法可视化的干扰代表主气体流动。因此，根据本发明的方法能够实现对主气体流动的间接可视化。
对本发明特别重要的是，注入气体是气体混合物，即由不同类型的纯净气体构成的组合物。只有以该方式才有可能的是，产生具有如上已述的对于本发明是主要的在质量密度和折射率方面的特性的注入气体。在此，正如本发明人所明确的，没有必要担心注入气体的不同气体成分会在执行根据本发明的方法的范畴内分裂以及尤其是由于其纯态的质量密度不同会相对主气体产生不期望的相对运动。相反，所组合的气体混合物的特性被保留下来。
由20％的氧气、25％的氦气和55％的氩气构成的气体混合物已被证明作为示例性的用于作为主气体的空气的注入气体尤其是在主气体缓慢运动的情况下是特别有利的，其中，分别为+/-1％的偏差被认为是不严重的。这样的气体混合物具有的摩尔质量为29.3g/mol，并且折射率n'为215(表述为(n-1)×106；其中n是无量纲的折射率)。因此，与空气出现1.5g/mol的摩尔质量差异是足够小的，从而即使在几米内的低流速下也不必担心发生相对主气体空气的相对运动。另一方面，-73的折射率差异大到了以至于基于BOS的探测方法在流量的可视化方面导致了非常好的结果。
下表给出了另外的示例性的气体混合物，它们适合作为针对根据本发明以空气作为主气体的方法的根据本发明的注入气体，以及它们与空气的摩尔质量和折射率方面的差异。根据这些示例性的预给定参数，使得对于本领域技术人员将很容易为其各自的应用情况(主气体、流速、流过的路程、图像探测器的分辨能力、……)组合出最佳的气体混合物，并且在此如果有必要还考虑到了因各种纯净气体的不同价格而产生的经济方面问题。
Figure BDA0003651874740000061
表1
在每种情况下，在各个气体成分的量方面的+/-1％的偏差在很大程度上是不严重的。
具有足够的无相对运动性和足够的折射率的可区分性的特性的作为被认为是有利的注入气体的气体混合物的一般性公式可以如下描述：
Figure BDA0003651874740000062
优选<1g/mol，更优选≤0.5g/mol。
并且
Figure BDA0003651874740000063
优选>100，更优选≥110。
其中，mP为主气体的摩尔质量并且n'P为其折射率，mi为注入气体中第i种气体成分的摩尔质量并且n'i为其折射率，N为注入气体的气体成分的数量，并且ai为它们在注入气体中各自的相对摩尔份额。换句话说有利的是，主气体与注入气体的摩尔质量之间的差的绝对值小于2g/mol，优选小于1g/mol，更优选小于或等于0.5g/mol，而主气体与注入气体的折射率之间的差的绝对值大于70，优选大于100，更优选大于或等于110。注入气体的摩尔质量和折射率在此以注入气体的气体成分的其各自相对摩尔份额求平均后相应的值来计算。各个气体成分优选是纯净气体，而不是本身已经是气体混合物，其中，优选是1<N<6，即，使用至少2种且至多五种、优选是三种或四种、特别优选正好是三种纯净气体来产生气体混合物。
当然，上表中未列出的其他纯净气体也能作为根据本发明的注入气体的成分来使用。然而，尤其是在典型的应用情况中，其中，所涉及到的流动空间在正常运行期间没有与任何人员进行气密性隔离，建议气体混合物优选只包含对人类无毒和无窒息性的气体成分。相反另一方面，在具有爆炸危险的应用中，应取消使用氧化性气体。这种对可用的气体的限制尤其在劳动保护法规的背景下将是重要的。
优选地，借助一个或多个扩散器向主气体注入注入气体。与经由喷嘴导入相比，注入气体在经由扩散器导入的情况下将以几乎没有固有运动的方式被引入到主气体流动中，从而不会由于注入气体的初始的固有速度而出现相对运动。一个或多个扩散器连同所联接的注入气体供应线路可以在所涉及的流动空间内以能运动、尤其是能移动的方式布置，从而使在整个流动空间中的流动分布能够可视化。
有利地设置的是，背景纹影测量法所需的图案化的背景通过相干地照亮在图像探测器的视场中布置在主气体流动后面的投影面来产生。
在此可以设置的是，至少投影面的若干区域由流动空间的边界壁形成。替选或附加地可以设置的是，至少投影面的若干区域由布置在流动空间中的物体的外壁形成。在图像探测器与投影面之间的透明壁，例如流料箱的前窗，在此原则上是无害的。
激光散斑BOS方法的特别优势在于，无论成像光学器件的距离设置如何，激光散斑图案总是清晰地成像在图像探测器上。该特性由作为生成激光散斑图案基础的干涉物理学得出。另一方面，从传统的具有真实背景图案的BOS变体中所已知的是，待可视化的流动与成像光学器件必须聚焦到其上以进行清晰成像的图案化的背景之间的间距越远，该方法的灵敏度就越高。其原因在于，作为可视化基础的对光偏折的干扰是一种角度现象，所经过的路径越长，该角度现象表现就越强烈。在传统的BOS方法中，流动与背景之间的大间距如在航空航天技术中使用的方法那样是不成问题的。相反，在密闭的流动空间内进行测量时，尺寸规格典型是小得多的，而且在壁(无论是流动空间本身的边界壁还是布置在流动空间中的物体，如结构或仪器的外壁)附近的流动特别令人感兴趣。这一点尤其例如适用于在流料箱中进行流动可视化的优选应用中。如果在此在流料箱的与图像探测器相对置的后壁上安装了真正的图案化的背景并且成像光学器件被聚焦到该背景上，则这将导致该方法的灵敏度明显受限。然而，在使用激光散斑BOS方法时，如在本发明范畴内所优选设置地，激光散斑图案可以直接投射到流料箱后壁、流料箱内的载体上和/或甚至投射到要填充在流料箱内的器皿本身上。相反，图像探测器的成像光学元件可以被调整到(可能由多个平面组成的)投影面后面的点上，并且由此使得图案被虚拟地向后移位。使得测量的灵敏度也相应提高。
为了能够在成像光学器件的这样微调情况下对其中发生需要可视化的流动运动的流动空间区域也进行清晰成像，优选设置的是，成像光学器件的光阑缩小成使主气体流动位于清晰成像的距离范围内。换句话说，尽管为了提高灵敏度使成像光学器件聚焦到位于实际投影壁后面的点上，但借助成像光学器件还是实现了景深范围，该景深范围将位于流动区域内的结构包括在内。
优选设置的是，对投影壁的相干照亮借助与图像探测器的光轴同轴取向并透射了该流动的激光器来实现。这已被证明在成像精度方面特别有利的。在此可以设置的是，借助分光器将来自与图像探测器的光轴非同轴取向的激光器的光偏转到图像探测器的光轴上。因此，被图像探测器探测到的光经历了两次折射率干扰：第一次作为投影光在前往投影壁的路上，而第二次作为探测光在从投影壁到图像探测器的路上。这放大了由折射率干扰引起的光束偏折。然而，投射光和探测光的非同轴取向导致在探测器上出现所谓的鬼影，这对图像评估是有干扰的。当然也能想到以下设计方案：在其中，投影壁在投射光没有事先通过流动的情况下被照亮，或者被倾斜照射，使得所出现的鬼影被向敏感的探测器区域之外转向。
附图说明
本发明的另外细节和优点从以下具体描述和附图中得出。其中：
图1：示出执行根据本发明的用于可视化流料箱中的气体流动的方法的示意图；以及
图2：示出用于说明在执行根据本发明的方法时优选的图像探测器调整的示意图。
图中相同的附图标记表示相同或相似的元件。
具体实施方式
图1以极为示意性的形式说明了用于在所谓的流料箱10的示例上执行根据本发明的方法的结构。流料箱10具有透明的前壁12和消光的后壁14。对后壁14的消光例如可以通过如下方式来实现，即，在透明的后壁14的外部或内部施布消光幕，例如白纸。在非透明的后壁14的情况下，这种措施是不必要的。流料箱10在其上部区域中具有作为箭头象征性表示的空气接口16，经由空气接口可以将经无菌过滤的空气引入到流料箱10的内部中。在所述的实施方式中，该经无菌过滤的空气作为主气体。当然，在本发明的范畴内也能使用其他类型的主气体。
经由未详细示出的导气元件，使得所引入的主气体被偏转到同样作为箭头示出的主气体流动18中，该主气体流动在所示的实施方式中基本上以层流方式向流料箱10的下方12、14流动。在流料箱10之内的工作台20上可以安装任意的设备，尤其是药液的灌装设施。当然，其他类型的设施在本发明的范畴内也是能想到的。在图1中，这种内装件或所引入的物体被示意性地作为障碍物21示出。在流料箱10的下部区域中布置有侧向的空气出口22，其被设置作为主气体流动18的专用出口。
根据本发明的方法可以用来检查主气体流动18是否真正遵循所期望的流动路径。为此，将激光散斑图案投射到后壁14和障碍物21的外壁上(只要该障碍物遮挡了后壁14)，在这方面，它们作为组合的投影面起作用。为此，设置有激光器24，其优选在光学光谱范围内的激光辐射借助适当的偏折和扩大光学器件26被投射到投影面上。生成了在图1中的左边示例性地表示的激光散斑图案27。借助具有上游的成像光学器件30的图像探测器28显像式探测该激光散斑图案27。在所示的实施方式中，激光器24的偏折和扩大光学器件26被设计成使激光散斑图案27的投影的光轴与它在图像探测器28上成像的光轴同轴。
经由流料箱10之内的能移动的扩散器32，使得注入气体34，即具有在一般性描述中详细讨论的特性的气体混合物与主气体流动18混合。扩散器32的可移动性使得注入位置容易改变以创造空间上的流动图成为可能。经由扩散器32使得几乎没有固有速度地引入到主气体流动18中的注入气体34与该主气体流动18没有相对运动，其中，但它对流动18的折射率产生了局部干扰。该折射率干扰以双重方式产生影响。一方面，它改变了激光散斑图案27在投影面上的成像；另一方面，它影响了图案27在图像探测器28上的成像。由于注入气体34以及因此由它引起的折射率干扰随着主气体流动18而运动，所以折射率干扰受到时变的影响。在时间上连续的拍摄，尤其是时间间隔明显小于1秒，优选小于1/10秒，特别是优选小于1/100秒，并将所得到的图像尤其是通过关联算法进行比较，然后允许计算和示出所引起的干扰的分别在空间上相配属的值。由此能够实现以这种方式被干扰的主气体流动18的可视化。因此，主气体流动的正确走向可以借助根据本发明的方法进行准实时检查。在此，流料箱10的内部结构，尤其是障碍物10，至少隐隐约约地可识别到。为了改善这种细节的可识别性，可以在中间通过反复用非相干照明拍摄“正常”图像，并与计算出的BOS图像相叠加。在通常的除了宽带的环境照明外还发生了光谱窄带的激光照明的情况下，也可以使用不同的具有相应的过滤器的相机来拍摄一方面的BOS图像和另一方面的“正常”图像。
正如在一般性描述的范畴中已经解释过地，优选设置的是，成像光学器件30，如图2中示意性说明的那样，聚焦到投影面(为清晰起见，在图2中只示出了后壁14)后面的点36，即激光散斑图案27后面的点。投影面的所有区域的激光散斑，包括可能存在的障碍物外侧，仍然在图像探测器28上被清晰地成像。由此虚拟地增大了对该方法的敏感性至关重要的参量，即折射率干扰与图案化的背景之间的间距。在此有利的是，成像光学器件30的光阑缩小成使得尽管聚焦到远处的点36上但景深范围38仍然(足够)清晰地成像了流料箱10内部的结构。
当然，在具体描述中所讨论的和在图中所示的实施方式只是本发明的说明性的实施例。根据本公开内容，本领域技术人员获得广泛的变型可行方案。尤其地，根据本发明的方法也适用于对在其他类型的空间，例如在强制通风的空间内的流动进行可视化。在任何情况下，激光散斑变体的应用都具有的优势是在空间上封闭的条件下能够实现高度敏感的可视化。
附图标记列表
10 流料箱
12 10的前壁
14 10的后壁
16 空气接口
18 主气体流动
20 工作台
21 阻碍物
22 空气出口
24 激光器
26 偏折和扩大光学元件
27 激光散斑图案
28 图像探测器
30 成像光学器件
32 扩散器
34 注入气体/气体混合物
36 聚焦点
38 景深范围

Claims (15)

1.用于探测流动空间(10)内主气体流动(18)的方法，其中，在流动空间(10)中流动的主气体(18)在局部被注入了注入物质，并且借助具有上游的成像光学器件(30)的图像探测器(28)显像式探测代表所述主气体(18)的流动的注入物质的运动，
其特征在于，
使用与所述主气体(18)一起运动而不发生相对运动的气体混合物(34)作为注入物质，所述气体混合物具有能与所述主气体(18)区分开的折射率，并且显像式探测借助背景纹影测量法来进行。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述背景纹影测量法所需的、图案化的背景通过相干地照亮在所述图像探测器的视场中布置在主气体流动后面的投影面来产生。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
至少所述投影面的若干区域由所述流动空间的边界壁形成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
至少所述投影面的若干区域由布置在所述流动空间中的物体的外壁形成。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述成像光学器件(30)聚焦到位于所述投影面(14)后面的点(36)上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述成像光学器件(30)的光阑缩小成使所述主气体流动(18)位于清晰成像的距离范围内。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
借助一个或多个扩散器(32)来向所述主气体(18)注入所述气体混合物(34)。
8.根据权利要求7所述的方法，
其特征在于，
所述一个或多个扩散器(32)连同所述气体混合物的供应线路(34)以能移动方式布置在所述流动空间(10)之内。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述气体混合物(34)只包含对人类无毒和无窒息性的气体成分。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述气体混合物(34)以如下方式组成，即，适用的是：
Figure FDA0003651874730000021
并且
Figure FDA0003651874730000022
其中，mP为所述主气体的摩尔质量并且n'P为所述主气体的折射率，mi为所述注入气体中第i种气体成分的摩尔质量并且n'i为所述注入气体中第i种气体成分的折射率，N为所述注入气体的气体成分的数量，并且ai为气体成分在注入气体中各自的相对摩尔份额。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述气体混合物含有20+/-1％的O2。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述气体混合物由两种到五种纯净气体作为其气体成分制备而成。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述气体混合物中含有25％的He，55％的Ar和20％的O2，
或55％的He、25％的Kr和20％的O2，
或65％的He、15％的Xe和20％的O2，
各个加起来为100％的气体成分的量的公差分别为+/-1％。
14.气体混合物用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的应用，
其特征在于，
所述气体混合物由N种气体成分组成，适用的是：
Figure FDA0003651874730000031
并且
Figure FDA0003651874730000032
其中，mP为主气体的摩尔质量并且n'P为主气体的折射率，mi为注入气体中第i种气体成分的摩尔质量并且n'i为注入气体中第i种气体成分的折射率，N为注入气体的气体成分的数量，并且ai为所述气体成分在注入气体中各自的相对摩尔份额。
15.气体混合物，
所述气体混合物由以下构成：
25％的He，55％的Ar和20％的O2，
或55％的He、25％的Kr和20％的O2，
或65％的He、15％的Xe和20％的O2，
各个加起来为100％的气体成分的量的公差分别为+/-1％。
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