CZ299674B6 - Zarízení pro urcení polohy a/ nebo velikosti alespon jednoho sférického telesa v mereném prostoru tekutiny - Google Patents

Abstract

Vynález se týká zarízení pro urcení polohy a/nebovelikosti alespon jednoho sférického telesa sférického tvaru v mereném prostoru (4) tekutiny, sestávajícího z fotodetektoru a optické soustavy tvorené kamerou (3) s objektivem (1), pricemž mezi mereným prostorem (4) tekutiny a fotodetektorem je ohnisková vzdálenost ve dvou rovinách ve vzájemne kolmém smeru, obsahujících optickou osu, ruzná.

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro určení polohy a/ncbo velikosti alespoň jednoho sférického tělesa v měřeném prostoru tekutiny, sestávajícího z fotodetektoru a optické soustavy. Předkládanou měřicí metodu lze zařadit do oblasti technické optiky využívá bezkontaktního optického ío měření.

Dosavadní stav techniky

Současným významným problémem průmyslových technologií pracujících s tekutinami je optimalizace přítomnosti cizích fází, zejména bublin, v technologickém systému. Příkladem toho mohou byt chemické reaktory, kde pro ideální průběh chemických reakcí je žádáno rovnoměrné rozložení bublin v celém prostoru reaktoru. Na druhé straně jsou průmyslové technologie, kde je přítomnost cizí fáze v médiu nežádoucí a nebo indikující technologický problém, jako například v hydrodynamických strojích nebo sklářském průmyslu. Proto je problému detekce bublin a určování jejich fyzikálních parametrů věnována poslední dobou velká pozornost. Příkladem toho jsou nedávné publikace metod a systémů zabývajících se optickým měřením rozměru bublin pomocí kamery s využitím interference [I], metod Particle lmage Velocimetry (PIV) [2], měření tvaru, rychlosti bublin a nebo i rozložení bublin v prostoru opticky pomocí několika nezávislých kamer [3J, [4], [5], [6]. Pro tylo účely oblíbená metoda stereo PIV má nevýhody v nutnosti používat laserové rozmítače, dvě rychlé kamery' a k nim složitý vyhodnocovací systém, což měření velmi prodražuje. Proto posledním trendem vývoje v této oblasti je hledání nových metod měření bublin v prostoru. Takovými novými velmi sofistikovanými metodami je například využití rozptylu světla částicí [7], či použití holografíckých metod [8], [91. Avšak tyto metody vyžadují

5u použití koherentního zdroje typu laseru a proto jsou opět velmi drahé. Proto se stále vyvíjejí další měřicí metody, které by vystačily pouze s jedinou kamerou a jednoduchým osvětlením, kde prostorové rozložení bublin nebo předmětů je počítáno například z časových a optických parametrů obrazu jediné kamery [I0J, [11J, případně pomocí modelu neuronové sítě (12). Technicky nejbližším principem měření bublin v prostoru k předkládané měřicí metodě je metoda měření pomocí defokusovaného obrazu 3 apertur [13] a dále rozvíjené až do digitální podoby [14], Nicméně tato metoda pracuje na zcela jiném principu a pro zvýšení citlivosti nepoužívá jen jeden fotodetektor, ale sérii 3 fotodetekčníeh prvků, viz patent US 6 278 847. ^{[I] * * 4} [I] Y, Niwa, Y. Kamiya, T. Kawaguchi, M. Maeda, Bubble Sizing by Interferometric Laser hnaging, l0^th International Symposium on Application of Laser Technique to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal 2000.

12] K. Lindken, W. Merzkirch, A novel PIV technique for measurement in multi-phase flows and its applicatíon to two-phase bubbly flows. I¹' International Symposium on Particle lmage Velocimetry Góttingen, Germany 2001.

[3] I, Leifer, G. de Leeuw, L. H, Colien, Optieal Measurement of Bubbles: System Design and

Application. Journal of Artmospheric and Oceán Technology, Vol 20, No 9, pp. 1317-1332, 2003.

[4] Y. H. Hassan, Multiphase Flow Visualisation Utilizing Parlical lmage Velocimetry' (PIV), 2^d Int. Workshopon PIV, Fukui. Japan 1997.

[5] M. Rebow. J. Choi, L. G. Chahinc, U. S. Ceccio, Experimental Val i dat i on of BEM Codc

Anály sis of Bubble Splitting in a Tip Vortex Flow. 11 International Symposium on Flow Visualisition, Notre Dome, Indiana. USA 2004.

[6] D. Bróder, M. Sommerfeld. Experimental studies oíhydrodynamícs in a bubble clumn by an imaging PIV/PTV-systein. 4^,h International Symposium on Particle Image Velocimetry Gottingcn, Germany 2001.

[7] J. Λ. Guerrero, E. Mendoza Santoyo. D. Mořeno. Mfunes-Gallanzi, S Fernandez-Orozco.

Particle positioning from CCD images: experiments and comparsion with the generál ized

Lorenz-Mie theory. Meas. Sei. Tcchnol. 11 568-575, 2000.

[8] Y. Pu. X. Song, H. Meng, Off-axis holographic particle image celocimetry for diagnosting partieulate flows. experiment in Fluids. S117 S128, 2000.

f9| G. Pan. H. Meng, Digital Holodraphic PIV for 3D flow measurement. IMECE2002-33173. κι New Orleans, Louísiana, November 17-22, 2002.

[10J R. Szeliski, S. B. Kang, Recovcring 3D Shape nad Motion from Image Strams Using NonLinear Lcast Squares. Digital Fquipment Corporation. Cambridge Research Lab, Cambridge, Messachusetts. USA 1993.

111] J. Otero. A. Otero, L. Satichez. 3D motion estiomation of bubble gas in fluid glass. using an optical flow gradient technique exlendcd to a third dimension. Mashine Vision and Application, Vol 14, pp. 185-19.2003.

[12] K C. O, Crivelaro, P. Selcghim Jr., Deteelion of Horizontál Two-Phase Flow Palterns Trougli a Neura! Network Model. Journal of the Brazilian Society of Mcchanical Sciences, Vol 24. No 1.2002.

f 13] C. E. Willerl, M. Gharib, Three-dimensional particle imaginig with a single camera. Exp. Fluids 12,353-358, 2002.

114] F. Pereira, M. Gharib. D. Dabiri, D. Modarress, Defocusing digital particle image velocimetry: a 3-component 3-dimcnsional DP1V measurement technique. Application to bubbly flows. Exp. Fluids S78-S84, 200.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny zařízení pro určení polohy a/nebo vcli50 kosti alespoň jednoho sférického tělesa v měřeném prostoru tekutiny, sestávajícím z fbtodetektoru a optické soustavy, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že mezi měřenou tekutinou a fotodetektorem je umístěna optická soustava, jejíž ohnisková vzdálenost jc ve dvou rovinách obsahujících optickou osu různá, přičemž pro snadné vyhodnocování je nej výhodnější vzájemně kolmé uspořádání obou rovin měření.

Optickou soustavou může být anamorfotický objektiv folodetektoru nebo anamorfot ická předsádka, umístěná mezi fotodetektorem a měřenou tekutinou nebo průhledná válcová trubice optické kvality ve které jc umístěna měřená tekutina.

4o Zařízení je ve výhodném provedení opatřeno výpočetním zařízením pro určení polohy a/nebo velikostí tělesa v měřené tekutině na základě znalosti ohniskové vzdálenosti objektivu, parametrů optické soustavy, indexů lomu jednotlivých prostředí a polohy okrajů poloos obrazů měřených sférických těles vůči optické ose soustavy.

4? Cílem řešení podle tohoto vynálezu je určení polohy a rozměru sférického tělesa nebo skupiny těles sférického tvaru v měřeném prostoru pomocí jediné kamery optického maticového detektoru. Těmito tělesy mohou být sférické bubliny v kapalině, kapičky sférického tvaru v plynu a nebo přímo kuličky pevného skupenství v plynu i kapalině. Princip metody spočívá ve využití anamorfotieké optické soustavy, to jest soustavy, jejíž ohnisková vzdálenost je ve dvou rovinách šii obsahujících optickou osu různá, před fotodetektorem, Takovým příkladem použitelné anamorfotické soustavy je například válcová čočka, jejíž ohnisková vzdálenost má například v sagitální

CZ 299674 Bó rovině konečnou velikost a tangenciální rovině - kolmo na rovinu sagitální, má nekonečnou ohniskovou vzdálenost.

Snížením počtu kamer nutných k pozorování na jednu se významným způsobem snižují náklady 5 na měření oproti jiným stereoskopickým metodám měření. Použitím běžného zdroje záření se sníží cena měření oproti metodám pracujícím na koherentním a difraktivním principu měření, jako je rozptyl světla, holografíeké metody, kde zdrojem záření je laser. Další výhodou je to, že jako anamorfotický člen optické soustavy lze použít přímo potrubí válcového tvaru s optickou kvalitou, čímž opět dojde k zjednodušení provádění měřeni v průmyslových aplikacích.

Přehled obrázků na výkresech

Zařízení pro určení polohy a/nebo velikosti alespoň jednoho tělesa v měřeném prostoru tekutiny 15 podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsáno na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. I je znázorněna soustava v sagitální rovině. Na obr. 2 je znázorněna soustava v tangenciální rovině. Na obr. 3 je znázorněn příklad měřeného vzorku.

Na obr. 4 až 6 jsou znázorněny schematicky v půdorysu různé příklady provedení zařízení.

Příklady provedení vynálezu

Zařízení pro určení polohy a/nebo velikosti alespoň jednoho sférického tělesa v měřeném prostoru tekutiny je tvořeno folodetektorem opatřeným optickou soustavou jejíž ohnisková vzdálenost je ve dvou rovinách obsahujících optickou osu různá. Před optickou soustavou sc nachází měření tekutina.

V konkrétních případech je optická soustava tvořena anamorfotickým objektivem fotodetektoru nebo anamorfotickou předsádkou. umístěnou mezi folodetektorem a měřenou tekutinou nebo jo průhlednou válcovou trubicí optické kvality ve které je umístěna měřená tekutina.

Zařízení je opatřeno výpočetním zařízením pro určení polohy a/nebo velikosti tělesa v měřené tekutině na základě znalosti ohniskové vzdálenosti objektivu, parametrů optické soustavy, indexů lomu jednotlivých prostředí a polohy okrajů poloos obrazů vůči optické ose soustavy.

Experimentální uspořádání může být sestaveno například dle obr. 1 a obr. 2.

Za předpokladu použití bezaberaěního objektivu 1 a nebo při znalosti vad objektivu L zejména zkreslení, jejich vykompenzováním nebude obraz sférického objektu kruhový, ale bude v rovině

4<i konečné ohniskové vzdálenosti použité válcové čočky 2 protáhlý, například jako na obr. 3.

Vlastním principem určení polohy objektu sférického tvaru v prostoru a jeho rozměru je. že lze výpočtem jednoznačně tyto parametry určit ze znalosti ohniskové vzdálenosti objektivu i, parametrů válcové čočky 2, indexů lomů jednotlivých prostředí a polohy okrajů poloos obrazů každé45 ho objektu vůči optické ose soustavy.

Při vlastním měření lze využít standardní dostupné kamery 3 ve formě průmyslové kamery nebo digitálního fotoaparátu. Měřicí systém může mít tři různé modifikace, znázorněné na obr. 4 až 6:

Obr. 4 standardní kamera 3/fotoaparát, avšak se speciálně navrženým objektivem J_, který je 50 anamorfolieký.

Obr. 5 standardní kamera 3/fotoaparát sc standardním objektivem i s anamorfotickou předsádkou (samostatný optický člen. který zajistí různé zobrazení ve dvou rovinách obsahujících optickou osu) umístěnou mezi měřeným prostorem 4 a objektivem I kamery 3. Může být přimontován přímo k standardnímu objektivu L

- 3 C7. 299674 B6

Obr. 6 standardní kamera 3/fotoaparát se standardním objektivem i, kde anamorfotický optický člen tvoří průhledná válcová trubice 5 optické kvality ve které je médium se sledovanými sférickými objekty.

Při užití tohoto řešení je třeba počítat s některými omezeními. Pozorovací prostor je omezen hloubkou (objemem) ostrosti použité optické soustavy, protože sc vyhodnocuje okraj ostrého obrazu objektu. Počet, případné velikost, současně měřených objektů je omezen hodnotou, při které se objekty začnou překrývat a polohu jejich okrajů již nelze vyhodnotit. Rozlišovací schopnost je dána rozlišovací schopností detektoru (a jeho softwarového zpracování - mezi pixel o vá jo iterace, atd,). kvalitou optických prvků a přesností jejich justáže. Očekávaná hodnota rozlišení je

0.01 mm.

Byly provedeny experimenty s měřením bublin sférického tvaru ve vodě. Bubliny menší než 1 mm mají ve vodě za normálního tlaku a teploty vždy sférický tvar. Anamorfotický člen byl i? tvořen částí válcové trubky o vnějším průměru 51,8 mm a tloušťce stěny 2 mm naplněné destilovanou vodou. Pro použití objektivu měřicí kamery o ohniskové vzdálenosti 25 mm a vzdálenosti objektivu od měřeného prostoru 423 mm bylo možné vyhodnocovat velikost, polohu a následně rozložení bublin v měřeném prostoru o hloubce 45 mm za vnitřní stěnou trubice až do velikosti bublin 0,2 mm.

Pru mysl o v á v y už i t e 1 n o s t

Zařízení pro určení polohy a/nebo velikosti alespoň jednoho sférického tělesa v měřeném prosto25 ru tekutiny, sestávající z fotodetektoru a optické soustavy, podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění především při měření rozměru, polohy a vypočtením rozložení objektů sférického tvaru v prostoru, je použitelné ve sklářském průmyslu pro odhalování přítomnosti bublin ve sklovině, v chemickém průmyslu - sledování bublin nebo aerosolů v reaktorech, obecně ve vědě a výzkumu, ale i v technologiích průmyslové výroby kuliček všech materiálů.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro určení polohy a/nebo velikosti alespoň jednoho sférického tělesa sférického tvaru v měřeném prostoru (4) tekutiny, sestávající z fotodetektoru a optické soustavy, vyznačující se t í m . že mezi měřenou tekutinou a fotodetektorem je umístěna optická soustava.

   4o jejíž ohnisková vzdálenost je ve dvou rovinách ve vzájemně kolmém směru, obsahujících optickou osu. různá.
2. 2. Zařízení podle nároku 1.vyznačující sc t í m , že optickou soustavou je anamorfotický objektiv (1) fotodetektoru.
3. 3. Zařízení podle nároku I,vyznačující sc tím, že optickou soustavou je anamorfotická předsádka (6), umístěná mezi fotodetektorem a měřenou tekutinou.
4. 4. Zařízení podle nároku 1,vyznačující se tím, že optickou soustavou je průhledná 50 válcová trubice (5) optické kvality, ve které je umístěna měřená tekutina.

   -4CZ 299674 B6
5. 5. Zařízení podle kteréhokoli z výše uvedených nároků, v y z n a č u j í c í sc t í m , že je opatřeno výpočetním zařízením pro určení polohy a/nebo rozložení a/nebo velikosti tělesa v měřené tekutině na základě znalosti ohniskové vzdálenosti objektivu (I), parametrů optické soustavy, indexů lomu jednotlivých prostředí a polohy okrajů poloos obrazů vůči optické ose soustavy.