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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Strömungsmessung,
insbesondere zur Durchführung
von Particle-Image-Velocimetry-(PIV-)Messungen,
mit mindestens einer Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung von
sich in einem Messvolumen der zu untersuchenden Strömung bewegenden
Tracerpartikeln und mit mindestens einer Kamera zur mehrfachen Abbildung
der sich bewegenden Tracerpartikel. Die Erfindung betrifft weiterhin
ein Verfahren zur dreidimensionalen Strömungsmessung, insbesondere
zur Durchführung
von Particle-Image-Velocimetry-(PIV-)Messungen.
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Die
Particle-Image-Velocimetry (PIV) ist ein optisch arbeitendes Geschwindigkeitsmessverfahren,
mit dessen Hilfe zwei Komponenten des räumlichen Geschwindigkeitsfelds
in einer beleuchteten Messebene erfasst werden können. Das Prinzip der PIV beruht
dabei auf der Beobachtung kleiner Tracerpartikel, die einem strömenden Fluid
oder Gas zugesetzt werden oder in diesen bereits enthalten sind. Durch
zwei Lichtpulse werden die Tracerpartikel belichtet und das Streulicht
analog auf einem fotografischen Film oder digital auf einer ladungsgekoppelten (CCD-)Speichermatrix
aufgenommen. Die analogen oder digitalisierten Aufnahmen werden
anschließend mit
Bildbearbeitungsprogrammen weiterverarbeitet, um die Geschwindigkeitsinformationen
zu erhalten. Durch die Betrachtung des Strömungsfeldes aus unterschiedlichen
Blickwinkeln ist es mit der PIV auch möglich, räumliche Geschwindigkeitsinformationen festzuhalten.
Dabei wird durch spezielle Spiegelanordnungen oder durch zwei Kameras
die Partikelverschiebung normal zu einer Lichtschnittebene erfasst. Beispiele
hierfür
sind in der
DE 103
12 696 B3 und der
DE
199 28 698 A1 beschrieben. Die
WO 03/017000 A1 beschreibt
ebenfalls eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung von
dreidimensionalen PIV-Messungen. Die Vorrichtung umfasst dabei mindestens
zwei Kameras, die jeweils ein Objektiv mit einer vorgeschalteten
Blende mit drei Löchern aufweisen.
Jedes der beobachteten und abgebildeten Tracerpartikel liefert so
drei Punkte, deren Abstand und Anordnung mit dem Tracerpartikelabstand zur
Fokusebene der jeweiligen Kamera korrelieren.
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Nachteilig
an diesen bekannten Vorrichtungen ist jedoch, dass sie für eine dreidimensionale Strömungsmessung
einen großen
apparativen Aufwand und eine erhebliche optische Zugänglichkeit
erfordern.
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Des
Weiteren sind Vorrichtungen zur dreidimensionalen Strömungsmessung
bekannt, die Sonden verwenden. Nachteilig an diesen Vorrichtungen ist
jedoch, dass die Sonden in die Strömung ragen und diese dadurch
stören.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur dreidimensionalen
Strömungsmessung,
insbesondere zur Durchführung
von Particle-Image-Velocimetry-(PIV-)Messungen, der eingangs genannten
Art bereitzustellen, welche ein schnelles und berührungsloses
Messen ohne Störung
der Strömung
bei einem relativ geringen Instrumentierungsaufwand gewährleistet.
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Es
ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Verfahren
zur dreidimensionalen Strömungsmessung,
insbesondere zur Durchführung
von Particle-Image-Velocimetry-(PIV-)Messungen bereitzustellen,
welches ein schnelles und berührungsloses
Messen ohne Störung
der Strömung
bei einem relativ geringen Instrumentierungsaufwand gewährleistet.
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Gelöst werden
diese Aufgaben durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 16.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur dreidimensionalen Strömungsmessung,
insbesondere zur Durchführung
von Particle-Image-Velocimetry-(PIV-)Messungen umfasst mindestens
eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung von sich in einem Messvolumen
der zu untersuchenden Strömung bewegenden
Tracerpartikeln und mindestens eine Kamera zur mehrfachen Abbildung
der sich bewegenden Tracerpartikel. Erfindungsgemäß weist
die Kamera mindestens ein Objektiv mit einer davor oder daran angeordneten
Ringblende auf. Basierend auf der PIV wird die räumliche Bewegungskomponente durch
die Verwendung mindestens eines Objektivs, bei dem nur ein äußerer Ringspalt
der Linsen genutzt wird, erhalten. Die Tracerpartikel erscheinen
in der Abbildung als Ringe oder Ringsegmente mit einem Durchmesser,
der abhängig
vom Abstand zur Fokusebene der Kamera ist. Zusammen mit dem Versatz der
einzelnen Tracerpartikel in einem vordefinierten Zeitraum zur Ermittlung
eines Geschwindigkeitsvektors ergeben sich dreidimensionale flächenhafte Strömungsinformationen,
die berührungslos,
d. h. ohne Störung
der Strömung
und mit wenig Instrumentierungsaufwand erhalten werden können. So
ist vorteilhafterweise nur eine Kamera und eine Beleuchtungseinrichtung
zur Ermittlung der Daten notwendig. Zudem genügt ein einfaches Fenster im
Gehäuse
der zu untersuchenden Bauteile, um die flächigen dreidimensiona len Strömungsverläufe ermitteln zu
können.
Zudem ist es grundsätzlich
nicht erforderlich, dass die Vorrichtung eine Beleuchtungseinrichtung
mit einer nachgeschalteten Lichtschnittoptik zur Ausleuchtung eines
Lichtschnitts mit von der Beleuchtungseinrichtung kommendem Licht
aufweist. Schließlich
sind zudem sehr schnelle Messungen möglich, so dass entsprechende
Messkampagnen häufiger
und gleichzeitig mit hoher Ortsauflösung als bei bekannten Verfahren
durchgeführt
werden können.
In weiteren Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Lichtschnittoptik
jedoch vorhanden sein. Es ist auch möglich, dass die Vorrichtung
eine zweite Beleuchtungseinrichtung mit einer nachgeschalteten Lichtschnittoptik
zur Ausleuchtung eines Lichtschnitts mit von der zweiten Beleuchtungseinrichtung
kommendem Licht aufweist. Eine Lichtschnittoptik kann insbesondere
dann von Vorteil sein, wenn die Trennung der Tracerpartikel-Bilder im Bereich
um die Fokusebene gegen den unscharfen Vorder- bzw. Hintergrund
nicht ausreichend ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist das Objektiv eine chromatische Aberration auf. Hierdurch wird
die Messung vereinfacht, da die Farben der Ringe oder Ringsegmente
Informationen darüber liefern,
ob sich die Tracerpartikel vor oder hinter der Fokusebene der Kamera
befinden. Da der Radius der Ringe oder Ringsegmente von Tracerpartikeln, welche
sich nahe der Fokusebene der Kamera befinden, nahe bei Null liegt,
lässt sich
aus den Farben auf einfache Art und Weise entnehmen, ob sich die
Tracerartikel auf die Fokusebene zu- oder vor dieser wegbewegen.
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In
einer hierzu alternativen Ausführungsform kann
auch ein Prisma in Strahlengang verwendet werden. Hierdurch enthalten
die Ringe bzw. Ringsegmente von Tracerpartiklen, die sich in der
Fokusebene befinden, einen Radius größer als Null; Somit lässt sich
die Information der Annäherung
oder Entfernung von der Fokusebene vereinfacht aus dem Radius direkt
ablesen.
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Das
Prisma, welches insbesondere als Ringprisma ausgebildet ist, kann
vor oder hinter der Ringblende angebracht sein. Außerdem ist
es möglich hierzu
ein Objektiv mit Prismaeigenschaften einzusetzen, insbesondere die
Linsenfehler des Objektivs auszunutzen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kamera eine
CCD-Kamera mit mindestens einem CCD-Chip oder eine CMOS-Kamera. Durch
die digitalisierte Aufnahme der Tracerpartikel-Bilder ist eine exakte
und einfache Weiterverarbeitung mit Bildverarbeitungsprogrammen
möglich. Zu dem
können
die digitalisierten Daten in einer entsprechenden Speichereinheit
gespeichert und zu einem späteren
Zeitpunkt verarbeitet werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Beleuchtungseinrichtung im Bereich der optischen Achse des Objektivs,
insbesondere in einem zentralen Bereich des Objektivs, angeordnet.
Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise ein kleiner Aufbau der Vorrichtung
zur dreidimensionalen Strömungsmessung
gemäß der Erfindung.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sendet die Beleuchtungseinrichtung breitbandiges Licht oder Licht mit
unterschiedlichen Spektralbereichen aus. Bei der Beleuchtung mit
zum Beispiel zwei Farben (zum Beispiel Rot und Blau) erfolgt eine
Auswertung der farblich getrennten Ringe oder Ringsegmente. Bei
der breitbandigen Beleuchtung erfolgt eine Auswertung der Farbverschmierung.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst
die Beleuchtungseinrichtung mindestens eine Laserlichtquelle. Dabei
kann es sich zum Beispiel um einen Nd:YAG-Laser handeln. Der Laser
kann dabei gepulste Lichtimpulse aussenden. Auch weitere Beleuchtungsquellen
wie zum Beispiel Blitzlampen, LEDs oder Ähnliche können verwendet werden. Vorteilhafterweise
senden auch diese Beleuchtungsquellen gepulstes Licht aus. Des Weiteren ist
es möglich,
dass bei rotierenden Komponenten die Beleuchtungs- bzw. Lichtpulse
mit der Drehgeschwindigkeit der Komponente synchronisiert werden,
so dass sie jeweils exakt bei der vorbestimmten Messposition der
Komponente erfolgen.
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In
weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen
erfolgt ein Verfahren der Fokusebene der Kamera durch eine verfahrbare
Ausbildung der Kamera, durch die Ausbildung des Objektivs als Zoom-Objektiv
und/oder durch eine elektrische Veränderung der Linseneigenschaften
und damit der Brennweiten des Objektivs. Letzteres ist dabei nur
im Ringspalt erforderlich.
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In
weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist die Kamera eine Doppelbild-Farbkamera. Bei Verwendung eines Prismas
ist es möglich,
dass die Vorrichtung mindestens eine Schwarz-Weiß-Kamera
aufweist. Da hierbei keine Farbinformationen ausgewertet werden müssen, ist
dies ausreichend und entsprechend günstiger. Außerdem ist die Auflösung der Schwarz-Weiß-Kameras
größer. Die Schwarz-Weiß-Kamera
kann dabei als Doppelbild-Schwarz-Weiß-Kamera ausgebildet sein.
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In
weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung sind die Tracerpartikel
fluoreszierend ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine Rückstrahlung der
einzelnen Tracerpartikel in einem Bereich größerer Wellenlänge relativ
zur Wellenlänge
der Beleuchtung. Damit ist es mit entsprechenden Filtern möglich, eine
Untergrundunterdrückung
durchzuführen, so
dass sich eine erhöhte
Auswertegenauigkeit ergibt. Eine Untergrundunterdrückung ist
zudem durch eine Schwärzung
der zu untersuchenden Bauteile möglich.
Des Weiteren ist es möglich
verspiegelten, nicht-verspiegelten oder schwarz gefärbten Hohlkugeln
oder von mit fluoreszierendem Farbstoff gefüllte Kugeln als Tracerpartikel
zu verwenden. Verspiegelte Hohlkugeln werden dabei in Kombination
mit einem geschwärzten
Hintergrund, schwarze Hohlkugeln in Kombination mit einem helleren,
reflektierenden Hintergrund verwendet. Im letztgenannten Ausführungsbeispiel
erfolgt eine negative Messung direkt vor den Hintergrundflächen, wobei
sich die Tracerpartikel dunkel vor dem helleren Hintergrund abheben.
Dabei wird die Reflexionsfarbe zur genauen Detektion der Partikel
genutzt, die verstärkt
in Richtung der Beleuchtungsquelle reflektiert.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist die Vorrichtung eine Auswerteeinheit zur Auswertung der von
der Kamera aufgenommenen Bilder der Tracerpartikel und zur Berechnung
und Darstellung eines zeitlich definierten, dreidimensionalen Strömungsverlaufs
der Tracerpartikel im Messvolumen auf. So können zum Beispiel mit geeigneten
Algorithmen die aufgenommenen Bilder mathematisch ausgewertet werden,
um die Tracerpartikelverschiebung zwischen den zeitlich aufeinander
folgenden Belichtungen zu bestimmen. Auch spezielle Filteralgorithmen
zur Detektion und Auswertung der Ringe oder Ringsegmente in den
Bildern können
zur Anwendung kommen. Bei der Verwendung eines nicht-telezentrischen Objektivs
werden die Ringe oder Ringsegmente von Partikeln, die außerhalb
der Fokusebene der Kamera liegen, oval verformt. Diese Verformung
kann durch eine rechnerisch durchgeführte Entzerrung korrigiert werden.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zur dreidimensionalen Strömungsmessung,
insbesondere zur Durchführung
von Particle-Image-Velocimetry-(PIV-)Messungen umfasst folgende
Verfahrensschritte: a) Beleuchtung von sich in einem Messvolumen
befindlichen Tracerpartikeln mit mindestens einer Beleuchtungseinrichtung;
b) Aufnahme und Abbildung von mindestens zwei zeitlich aufeinander
folgenden Bildern der Tracerpartikel, wobei die Bildaufnahme durch
mindestens eine Kamera erfolgt und die Kamera mindestens ein Objektiv
mit einer davor oder daran angeordneten Ringblende aufweist, so dass
die Tracerpartikel als Ringe oder Ringsegmente abgebildet werden;
c) Vergleich der aufgenommenen Bilder hinsichtlich des Versatzes
der einzelnen Tracerpartikel in einem vordefinierten Zeitraum zur
Ermittelung eines Geschwindigkeitsvektors der jeweiligen Tracerpartikel
sowie Erfassung des Durchmessers der einzelnen ringförmig abgebildeten
Tracerpartikel zur Ermittelung des Abstands der jeweiligen Tracerpartikel
zur Fokusebene der Kamera zur Ermittlung der Relativlage der jeweiligen
Tracerpartikel zur Fokusebene der Kamera und d) Berechnung eines
dreidimensionalen Geschwindigkeitsvektors der Tracerpartikel in
dem Messvolumen durch Auswertung der im Verfahrensschritt c) erhaltenen
Daten und Informationen.
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Vorteilhafterweise
liefert das erfindungsgemäße Verfahren
dreidimensionale Strömungsinformationen
flächenhaft
und berührungslos,
d. h. ohne Störung
der Strömung.
Zudem ist im Vergleich zu bekannten Verfahren nur ein sehr geringer
Instrumentierungsaufwand notwendig. Die Berechnung der dreidimensionalen
Geschwindigkeitsvektoren erfolgt dabei durch die Auswertung aller
in den aufgenommenen Bildern enthaltenen Informationen, wie sie
im Verfahrensschritt c) ermittelt und erfasst worden sind. Durch
die Darstellung der Tracerpartikel als Ringe oder Ringsegmente kann
deren Position und Durchmesser sehr genau und eindeutig bestimmt
werden. Dies gilt auch für
den Fall, dass nur Teile eines Rings zu sehen sind. Zudem lässt der
Ringspalt bzw. die Ringblende integral mehr Licht durch das Objektiv
als die im Stand der Technik bekannte Punktblende mit drei Löchern. Das
erfindungsgemäße Verfahren
basiert auf der Anwendung eines PIV-Verfahrens, bei der die räumliche
Bewegungskomponente durch die Verwendung des Objektivs mit einer
davor oder daran angeordneten Ringblende und der gleichzeitigen Ausnutzung
der chromatischen Aberration der Linsen des Objektivs genutzt wird.
Die abgebildeten Tracerpartikel erscheinen als Ringe oder Ringsegmente deren
Durchmesser abhängig
ist vom Abstand der Tracerpartikel zur Fokusebene der Kamera.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wir ein Objektiv mit chromatischer Aberration verwendet. Die so
gelieferten Farben der Ringe bzw. Ringsegmente liefern Informationen
darüber,
ob sich die zugehörigen
Tracerpartikel vor oder hinter der Fokusebene der Kamera befinden.
Hierdurch wird die Ermittlung des Geschwindigkeitssektors stark
vereinfacht, da sich aus den Farben ableiten lässt, ob sich die Tracerpartikel
auf die Fokusebene zu- oder davon bewegen.
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Alternativ
hierzu kann auch ein Prisma im Strahlengang verwendet werden, bzw.
prismatische Eigenschaften des Objektivs, insbesondere Linsenfehler,
ausgenutzt werden. Hierdurch werden die Ringe bzw. Ringsegmente
der Tra cerpartikel in der Fokusebene der Kamera mit einem Radius
größer als Null
dargestellt. Aus der Größenänderung
kann dann die Bewegungsrichtung leicht abgeleitet werden; je nachdem,
ob sich der Radius vergrößert oder
verkleinert.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt die Beleuchtung der Tracerpartikel mit mindestens zwei aufeinander
folgenden Lichtpulsen oder durch einen einzelnen, zeitlich verlängerten
Lichtpuls. Die Beleuchtungseinrichtung kann dabei breitbandiges
Licht oder Licht mit unterschiedlichen Spektralbereichen aussenden.
Dabei erfolgt bei einer Beleuchtung mit zwei unterschiedlichen Farben
(zum Beispiel Rot und Blau) eine Auswertung der farblich getrennten
Ringe oder Ringsegmente. Bei einer breitbandigen Beleuchtung erfolgt
eine Auswertung der Farbverschmierung in den Ringen oder Ringsegmenten.
Die Beleuchtungseinrichtung kann dabei mindestens eine Laserlichtquelle
umfassen. Verwendung findet zum Beispiel ein gepulster Nd:YAG-Laser.
Auch weitere Beleuchtungsquellen wie zum Beispiel Blitzlampen, LEDs
oder Ähnliche
können
verwendet werden. Vorteilhafterweise senden auch diese Beleuchtungsquellen
gepulstes Licht aus.
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In
weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist der Zeitraum zwischen zwei aufeinander folgenden Lichtpulsen steuerbar
ist, derart, dass eine Anpassung an die jeweils vorherrschenden
Strömungsverhältnisse,
insbesondere Strömungsgeschwindigkeiten
erfolgt. Die Steuerung der Lichtpulsfolge kann dabei automatisch durchgeführt werden.
Des Weiteren ist es möglich, dass
bei rotierenden Komponenten die Beleuchtungs- bzw. Lichtpulse mit
der Drehgeschwindigkeit der Komponente synchronisiert werden, so
dass sie jeweils exakt bei der vorbestimmten Messposition der Komponente
erfolgen.
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In
weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist die Kamera eine CCD-Kamera mit mindestens einem CCD-Chip oder
eine CMOS-Kamera. Dabei kann die Aufnahme und Abbildung von mindestens
zwei zeitlich aufeinander folgenden Bildern der Tracerpartikel gemäß dem Verfahrensschritt
b) digitalisiert erfolgen. Die Auswertung der Bilder gemäß dem Verfahrensschritt c)
erfolgt üblicherweise
mittels eines Bildverarbeitungsprogramms. Dabei können spezielle
Filteralgorithmen zur Detektion und Auswertung von der Ringe oder
Ringsegmente in den Bildern verwendet werden. Schließlich erfolgt
die Berechnung des dreidimensionalen Geschwindigkeitsvektors der
Tracerpartikel mittels einer entsprechenden Auswertesoftware in
einer dafür
geeigneten Datenverarbeitungsanlage. Bei der Verwendung eines nicht-telezentrischen Objektivs
werden die Ringe oder Ringsegmente von Partikeln, die außerhalb
der Fokusebene der Kamera liegen, oval verformt. Diese Verformung
kann durch eine rechnerisch durchgeführte Entzerrung korrigiert werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
weist die Beleuchtungseinrichtung eine nachgeschaltete Lichtschnittoptik
zur Ausleuchtung eines Lichtschnitts mit von der Beleuchtungseinrichtung
kommendem Licht auf. Es ist aber auch möglich, dass eine zweite Beleuchtungseinrichtung
ausgebildet ist, die eine entsprechend nachgeschaltete Lichtschnittoptik
zur Ausleuchtung eines Lichtschnitts mit von der zweiten Beleuchtungseinrichtung
kommendem Licht aufweist. Die Verwendung einer derartigen Lichtschnittoptik
erfolgt in den Fällen,
in denen eine Trennung der Tracerpartikel-Bilder im Bereich um die
Fokusebene der Kamera gegen den unscharfen Vorder- bzw. Hintergrund
nicht ausreichend ist.
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In
weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist die Fokusebene der Kamera veränderbar. Dies kann durch eine verfahrbare
Ausbildung der Kamera selbst erfolgen, das Objektiv kann als Zoom-Objektiv
ausgebildet sein und/oder die Linseneigenschaften des Objektivs und
damit dessen Brennweite kann elektrisch veränderbar sein.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind die Tracerpartikel fluoreszierend ausgebildet. Dadurch ergibt sich
eine Untergrundunterdrückung,
die zu einer deutlichen Verbesserung der Messgenauigkeit führt. Zudem
können
verspiegelte, nicht-verspiegelte
oder schwarz gefärbte
Hohlkugeln oder mit fluoreszierendem Farbstoff gefüllte Kugeln
als Tracerpartikel verwendet werden. Verspiegelte Hohlkugeln werden
dabei in Kombination mit einem geschwärzten Hintergrund, schwarze
Hohlkugeln in Kombination mit einem helleren, reflektierenden Hintergrund
verwendet. Im letztgenannten Ausführungsbeispiel erfolgt eine
negative Messung direkt vor den Hintergrundflächen, wobei sich die Tracerpartikel
dunkel vor dem helleren Hintergrund abheben. Dabei wird die Reflexionsfarbe
zur genauen Detektion der Partikel genutzt, die verstärkt in Richtung
der Beleuchtungsquelle reflektiert.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
umfasst das Verfahren die Aufnahme von mindestens einem Bild des
Messvolumens ohne Tracerpartikel und den Vergleich dieses Bilds
oder der Bilddaten mit einem Bild oder den Daten eines Bilds mit
Tracerpartikel. Durch die Aufnahme und den Vergleich der Bilder
mit und ohne Tracerpartikel ist es möglich ein Hintergrundrauschen
durch Differenzbildung zu un terdrücken und damit die Bildqualität und die
Qualität
der resultierenden Daten zu erhöhen.
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Verwendung
findet die erfindungsgemäße Vorrichtung
und das erfindungsgemäße Verfahren zum
Beispiel bei der Messung von Strömungsverhältnissen
in Flugtriebwerken oder Triebwerkskomponenten, insbesondere in Verdichtern
und Turbinen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten
Ausführungsbeispiels.
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Die
Figur zeigt dabei stark schematisiert eine Vorrichtung 10 zur
dreidimensionalen Strömungsmessung,
insbesondere zur Durchführung
von Particle-Image-Velocimetry-(PIV-)Messungen.
Die Vorrichtung 10 umfasst dabei eine Beleuchtungseinrichtung 12 zur
Beleuchtung von sich in einem Messvolumen 20 der untersuchenden
Strömung
bewegenden Tracerpartikeln 18. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 10 eine
Kamera 24 zur mehrfachen Abbildung der sich bewegenden
Tracerpartikel 18. Man erkennt, dass die Kamera 24 ein
Objektiv 14 mit einer Ringblende 16 aufweist.
Dabei ist die Beleuchtungseinrichtung 12 in einem zentralen
Bereich des Objektivs 14 angeordnet. Bei der Beleuchtungseinrichtung 12 handelt
es sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel um eine zweifarbige
Blitzlampe.
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Bei
Betätigung
der Beleuchtungseinrichtung 12 wird das Messvolumen 20 bzw.
das Tracerpartikel 18 im Bereich eines Strahlkegels 22 beleuchtet.
Das vom Tracerpartikel 18 rückgestreute Licht wird über das
Objektiv 14 mit der Ringblende 16 auf einem CCD-Chip 38 der
als CCD-Kamera ausgebildeten Kamera 24 aufgenommen und
abgebildet. Ein entsprechendes Abbild des Tracerpartikels 18 in
zwei unterschiedlichen Positionen (Pos. 1, Pos. 2) ist im Bild 26 der
Figur dargestellt. Man erkennt, dass das Tracerpartikel 18 als
Ring in zwei unterschiedlichen Positionen dargestellt wird. Dabei
stellt das Bild 26 eine Aufnahme des Tracerpartikels 18 in
zeitlich unterschiedlichen Messpositionen innerhalb des Messvolumens 20 dar.
Innerhalb eines vordefinierten Zeitraums, der zwischen den beiden
Bildaufnahmen der Kamera 24 liegt, bewegt sich das Tracerpartikel 18 von
der Pos. 1 entlang des Pfeils 28 in die Pos. 2. Der Pfeil 28 stellt
dabei die Bewegungsrichtung des Tracerpartikels 18 dar.
Dieser Versatz ist im Bild 26 deutlich zu erkennen. Durch
den in der Pos. 2 im Vergleich zur Pos. 1 dargestellten größeren Durchmesser
des abgebildeten Tracerpartikels 18 kann der Abstand des
Tracerpartikels relativ zur Fokusebene der Kamera 24 eindeutig
bestimmt werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Tracerpartikel 18 in
seiner Position 2 näher
an der Fokusebene der Kamera 24 als in der Position 1.
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Nach
der Bestimmung der Position und Durchmesser der Ringe oder Ringsegmente
im Bild 26 erfolgt eine Korrelation der Aufnahmen der Tracerpartikel 18 in
den unterschiedlichen Messpositionen. Schließlich liefert die Auswertung
der Farben der Ringe Informationen, ob sich das Tracerpartikel 18 vor
oder hinter der Fokusebene der Kamera 24 befindet. Für die Erlangung
der letztgenannten Information macht sich die Vorrichtung 10 die
chromatische Aberration der Linsen des Objektivs 14 zunutze. Dabei
kann die Beleuchtung der Tracerpartikel 18 mit zwei Farben
und einer entsprechenden Auswertung der farblich getrennten Ringe
oder durch eine breitbandige Beleuchtung und entsprechender Auswertung
der Farbverschmierung erfolgen.
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Die
Vorrichtung 10 umfasst zudem eine Auswerteeinheit (nicht
dargestellt) zur Auswertung der von der Kamera 24 aufgenommenen
Bilder 26 der Tracerpartikel 18 und zur Berechnung
und Darstellung eines zeitlich definierten, dreidimensionalen Strömungsverlaufs
aller Tracerpartikel 18 im Messvolumen 20. Als
Grundlage hierfür
dienen dabei die in den Bildern 26 enthaltenen Informationen,
insbesondere die Position der Ringe, deren Durchmesser und deren
Farbverteilung.
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Alternativ
hierzu kann auch ein Prisma (nicht dargestellt) eingesetzt werden,
so dass die Informationen über
die Bewegung der Tracerpartikel 18 auf die Fokusebene zu
oder hiervon weg direkt aus der Größenänderung entnommen werden kann.
Hier wäre
dann auch nur eine Schwarz-Weiß-Kamera
notwendig und die sonst übliche
Farbkamera würde
entfallen.
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Zudem
ist in der Figur der Strahlengang 30, 32, 32, 34 des
von dem Tracerpartikel 18 in Pos. 1 und Pos. 2 reflektierten
Lichts dargestellt.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
erfolgt die Aufnahme und Abbildung der mindestens zwei zeitlich
aufeinander folgenden Bilder 26 der Tracerpartikel 18 digitalisiert.
Die Auswertung der Bilder 26 erfolgt mittels eines Bildverarbeitungsprogramms und
die Berechnung des dreidimensionalen Geschwindigkeitsvektors der
Tracerpartikel 18 mittels einer entsprechenden Auswertesoftware
der Auswerteeinheit. Bei der Auswerteeinheit handelt es sich üblicherweise
um einen Computer bzw. eine Datenverarbeitungsanlage.