DE102011101384A1 - Verfahren zur Bestimmung der zeitlichen und/oder räumlichen Partikelgrößenverteilung in einem Fluidvolumen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Partikelgrößenverteilung in einem Fluidvolumen, wobei ein Strahlengang (5) das Fluidvolumen mit den Partikeln (6) durchdringt und das Durchdringungsschnittvolumen als Messraum (4) bildet, der Strahlengangs mit den Schatten der Partikel nach Verlassen des Messraums mit einem Mittel zur Erfassung des Strahlengangs (9–13) erfasst wird und als Bildsignal zu einer Auswerteeinheit (16) zur Bestimmung der zeitlichen und räumlichen Partikelgrößenverteilung im Fluidvolumen im Messraum weitergeleitet werden. Aufgabe ist es, ein Verfahren mit einem verbesserten räumlichen Erfassungsvermögen vorzuschlagen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Mittel eine Kamera (12, 13) mit bifokale oder multifokale Optik mit mindestens zwei Brennweiten umfasst, wobei jede Brennweite auf eine eigene individuelle Fokusebene (14, 15) eingestellt ist sowie in der Auswerteeinheit ein Vergleich von zeitgleich mit verschiedenen Brennweiten aufgenommenen Bildsignalen erfolgt, wobei jedem Schatten aufgrund einer unterschiedlichen Schattenrandschärfe auf mindestens zwei Bildsignalen eine Position im Messraum zugeordnet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur räumlichen Erfassung von Partikeln und/oder Tropfen insbesondere zur Ermittlung der Größen und Geschwindigkeiten sowie deren dreidimensionale Verteilung der Partikel und/oder Tropfen gemäß des ersten bzw. fünften Patentanspruchs.
• Zur Strömungsanalyse werden Verfahren verwendet, die grundlegende, charakteristische Eigenschaften von Strömungen mit bekannter Genauigkeit messen können. Zu diesen Eigenschaften gehören der Druck, der Volumenstrom und die Strömungsgeschwindigkeit. Im Wesentlichen unterscheidet man zwischen zwei Verfahren. Zum einen sind das die berührungsbehafteten Verfahren (Sondenmessungen), die den Strömungsverlauf beeinflussen. Beispiele hierfür sind Messungen mittels Hitzdrahtsonde oder Druckmessungen mit Pitotrohr oder Prantlsches Staurohr. Diese Verfahren nutzen Messaufnehmer, die einen direkten Kontakt mit der Strömung erfordern. Sie beeinflussen damit die Strömung und damit die Partikeldynamik in der Strömung und können so die Messung verfälschen.
• Zum anderen sind optische verfahren bekannt, die als berührungslose Verfahren nicht mechanisch auf die Strömung einwirken. Dabei handelt es sich insbesondere um Lasermessverfahren zur quantitativen und qualitativen Analyse strömungsmechanischer Vorgänge in Fluiden. Mit ihrer Hilfe lassen sich Informationen über die Vorgänge in Zweiphasenströmungen und Verbrennungsprozessen erlangen, da sie sehr genaue Rückschlüsse und Angaben über die Größe, Bewegungsrichtung von Partikeln bzw. Tropfen sowie deren Größenverteilung und Konzentration zulassen. Mit diesen Verfahren lassen sich auch die Strömungsvorgänge visualisieren.
• Bekannte optische Verfahren arbeiten mittels Lichtstreuung oder mittels Schattenmesstechnik.
• Beispielhaft für ein Lichtstreuungverfahren wird die Laser-Doppler-Anemometrie (LDA, vgl. [1]) oder Phasen-Doppler-Anemometrie (PDA) angeführt [2]. Sie gelten als die akkuratesten Methoden zur Bestimmung der Strömungscharakteristik. Das Funktionsprinzip der beider Verfahren basiert auf dem Doppler-Effekt an bewegten gestreuten Teilchen.
• Eine weitere optische Methode zur Bestimmung von Partikel- und Tropfengrößen ist das Interferometric Particle Imaging (IPI) [3]. Nach dem gleichen Prinzip arbeitet auch das Interferometric Mie Imaging (IMI) [4]. Die Ursprünge dieser Messtechniken stammen aus [5]. Dabei wird ein Laserstrahl auf eine Kette von monodispersen Tropfen fokussiert und das resultierende Streifenmuster im Fernfeld gemessen und daraus die Partikelgrößen bestimmt. Wenn ein Laserstrahl innerhalb eines Mediums auf einen Tropfen oder Partikel eines Mediums mit anderen physikalischen Eigenschaften trifft, kommt es zu Reflektionen, Streuungen und Brechungen der elektromagnetischen Wellen. Wie stark und in welchem Winkel die Wellen abgelenkt werden, hängt von dem Material und der Form des Partikels ab. Bei der Überlagerung dieser Strahlen entstehen Interferenzmuster, die Rückschlüsse auf die Tropfengröße liefern. Eine Weiterentwicklung dieser Verfahren zu einer mehrdimensionalen Erfassung von Partikeln wird in [6] im Rahmen von Untersuchungen von Einspritzsprays im Inneren eines Verbrennungsmotors über einen optischen Zugang beschrieben.
• Mit einem weiteren beispielhaften Verfahren, der sog. Particle Image Velocimetry (PIV) [7] werden zweidimensionale Geschwindigkeitsverteilungen in einer Fluidströmung gemessen. Hierfür werden Partikel mit Partikeldurchmesser in der Größenordnung 0,1 μm < d_P < 10 μm der Fluidströmung beigemischt und von dieser mit transportiert. Anschließend erfolgt eine Einleitung eines Strahlengangs mit definierter Wellenlänge. Bei Partikeln größer als die Wellenlänge einer eingehenden Lichtwelle wächst die Streulichtleistung proportional mit dem Durchmesser d_P ²; demzufolge lassen sie sich auch leichter nachweisen. Allerdings nimmt mit zunehmender Partikelgröße auch die Folgegenauigkeit zur Fluidströmung ab. Ferner darf die Partikeldichte im Fluid nicht zu groß sein, da ansonsten keine einzelnen Partikel mehr detektiert werden können. Es besteht jedoch auch eine Grenze für das Minimumskriterium, d. h. es ist eine bestimmte Dichte an Partikeln erforderlich, um eine statistische Auswertung vornehmen zu können.
• Alternativ zu den Streulichtverfahren eignen sich für die zeitliche und räumliche Erfassung von Partikeln optische Schattenverfahren (Extinktionsverfahren), d. h. ein Durchstrahlungsverfahren, bei denen nicht eine Streuung, sondern die Schattenbildung der Partikel erfasst wird.
• In [8] wird beispielhaft ein derartiges Extinktionsverfahren mit einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger zur Messung von Größe und Geschwindigkeit von Regentropfen offenbart, wobei jedoch nur die integrale und nicht ortsaufgelöste Lichtschwächung erfasst wird.
• In [9] wird dagegen ein sog. direct imaging Verfahren beschrieben, bei denen der Strahlengang durch eine Erfassungseinheit ortsaufgelöst erfasst wird. Wird das Licht nicht durch eine großflächige Leinwand erfasst, sind Kameras mit einem Objektiv erforderlich, die auf eine bestimmte Brennweite eingestellt sind. Nachteilig dabei ist jedoch, dass Partikel oder Tropfen, die nicht mehr im Schärfentiefenbereich der Kamera liegen, nur unscharf abgebildet werden. Aufgrund eines verschwommenen Übergangs zwischen Partikel und Hintergrund sind diese oftmals nicht mehr in ihrer Position oder Größe bestimmbar.
• In [10] wird ein hochauflösendes, mittels einer monofokalen Digitalkamera bildgebendes Extinktionsverfahren mit einer gepulsten Hintergrundbeleuchtung (Momentaufnahmen) beschrieben, das sich zur Bestimmung von Partikel- und Tröpfchengrößen sowie der Erfassung von Form, Position, Geschwindigkeit und Konzentrationsverteilung eignet.
• Die vorgenannten optischen Schattenverfahren sind jedoch im Prinzip Verfahren für eine zweidimensionale Erfassung der Partikel. Eine dreidimensionale Erfassung der Partikelpositionen lässt sich mit diesen nur unzureichend realisieren und stößt schnell an ihre Grenzen. Insbesondere die Schärfentiefe ist beim letztgenannten Extinktionsverfahren maßgeblich für die erzielbare Messgenauigkeit insbesondere der Konzentrationsverteilung verantwortlich. Die Abbildungsschärfe der Partikel zum jeweiligen Hintergrund nimmt mit deren Abstand zur Fokusebene der Kamera ab, die Gefahr von Fehlmessungen nimmt zu. Außerdem besteht eine Abhängigkeit zwischen Schärfentiefe und Partikelgröße, wobei mit der Feinheit der Partikel auch die Schärfentiefe bei der Erfassung derer abnimmt. Je kleiner die gemessenen Partikel werden, desto kleiner ist der Bereich die Schärfentiefe.
• Folglich liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung mit einem verbesserten räumlichen Erfassungsvermögen vorzuschlagen, mit dem bzw. der insbesondere eine Partikelgrößenverteilung in einer Zweiphasenströmung noch genauer erfassbar und bestimmbar ist oder macht. Insbesondere soll dabei eine Erfassung einer dreidimensionalen Partikelgrößenverteilung in Zweiphasenströmungen mit verbesserter Auflösung als Basis für eine Optimierung von z. B. verfahrenstechnischen Prozessen und zur Validierung von numerischen Modellen von Zweiphasenströmungen sichergestellt werden.
• Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des ersten sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des fünften Patentanspruchs gelöst. Die auf diese rückbezogenen Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungen wieder.
• Die Aufgabe wird mit einem Verfahren sowie einer Vorrichtung zur Bestimmung der zeitlichen und/oder räumlichen Partikelgrößenverteilung in einem Fluidvolumen gelöst. Dabei wird ein Strahlengang in ein Fluidvolumen einer Zweiphasenströmung oder eines Aerosols mit festen oder flüssigen Partikeln geleitet. Das Durchdringungsschnittvolumen aus Strahlengang und Fluidvolumen bildet den Messraum, d. h. das von der Messung erfasste Volumen in dem Fluidvolumen.
• Das Fluidvolumen wird entweder durch ein strömendes oder ein nicht strömendes Zweiphasen-Fluid gebildet. Ein nicht strömendes Fluid liegt dann vor, wenn idealisiert kein Fluidaustausch aus oder in den Messraum erfolgt und sich die Strömung auf Verwirbelungen und/oder Strömungsphänomene (z. B. Konvektion) innerhalb des Messraums beschränken. Beispielhaft sei hier die Erfassung von Einspritzungsvorgängen in eine Brennkammer genannt, bei der die gesamte Brennkammer den Messraum bildet.
• Wird das Fluidvolumen durch eine Fluidströmung gebildet, die durch den Messraum strömt, ist es für eine integrale Partikelverteilungsmessung in der Fluidströmung vorteilhaft, den Messraum über den gesamten Strömungsquerschnitt zu erstrecken. Wieter bevorzugt weist das Messvolumen zudem über den gesamten Strömungsquerschnitt eine in Durchströmungsrichtung gleichbleibende Dicke, d. h. einen gleichen Durchströmungsweg auf. Weiter bevorzugt weist der Strahlengang dabei bei Eintritt des Messraums einen rechteckigen Querschnitt auf oder ist ein Bandstrahl mit rechteckigem Querschnitt, der den Messraum bevorzugt orthogonal zu der Durchströmungsrichtung kreuzt.
• Der Strahlengang wirft an den Partikeln im Messraum Schatten und verlässt mit diesen Schatten den Messraum in Richtung einer optischen Erfassungseinheit.
• Die Erfassungseinheit im Rahmen der Erfindung umfasst einen Strahlteiler (z. B. halbdurchlässigen oder halbleitenden Spiegel), der den Strahlengang in seinem gesamten Querschnitt in zwei oder mehrere Lichtteilstrahlen aufteilt, wobei jeder Lichtteilstrahl den gesamten Querschnitt, d. h. einen gleichen Bildausschnitt wiedergibt. Jeder Lichtteilstrahl wird vorzugsweise über den gesamten Querschnitt von einer eigenen Kamera aufgenommen, wobei jede der Kamera eine von den anderen Kameras abweichende Brennweiteneinstellung auf eine Fokuseebene im Messraum aufweist. Vorzugsweise kommen für die Erfassung der Lichtteilstrahlen die gleichen Kameras zum Einsatz, die sich in ihrer Einstellung ausschließlich durch ihre Brennweiteneinstellung unterscheiden. Auf diese Weise werden die Schatten in ein und derselbe Bildausschnitt, jedoch nur mit unterschiedlich eingestellter Fokusebene, d. h. mit ebenenweise unterschiedlich scharf eingestellten Schattenumrissen abgebildet und als Bildsignale der Kameras zu einer Auswerteeinheit weitergeleitet. In der Auswerteeinheit erfolgt für jeden Schatten im Bildausschnitt ein direkter Vergleich mit verschiedenen Kameras zeitgleich aufgenommenen Schatten bevorzugt in Echtzeit, wobei die Abhängigkeit der Schärfe der Schattenübergänge (Schattenrandschärfe) mit dem Abstand zur jeweilig eingestellten Fokusebene linear ist. In der Auswerteeinheit erfolgt folglich ein Vergleich von bevorzugt zeitgleich mit verschiedenen Kameras aufgenommenen Bildsignalen, wobei jedem Schatten aufgrund einer unterschiedlicher Schattenrandschärfe auf mindestens zwei Bildsignalen eine Position im Messraum zugeordnet wird. Somit lässt sich jeder im Messraum erfasste Schatten z. B. eines Partikels, der mindestens mit zwei unterschiedlichen Fokuseinstellungen von den Kameras erfasst ist, eine eindeutig bestimmbare Position im Messraum zuordnen. Sind die Partikel und damit die Schatten im Messraum nicht ortsfest, ist hierzu eine zeitgleiche Erfassung der Schatten zwingend erforderlich.
• Zur Bestimmung der Position der Partikel in der Raumtiefe des Messraums wird folglich der Effekt zu Nutze gemacht, dass ein Partikel, sobald es sich nicht mehr exakt im Schärfebereich der Aufnahmeeinheit befindet, einen verschwommenen Rand aufweist. Die diffuse Abgrenzung des Partikels zum Hintergrund nimmt mit zunehmendem Abstand zur Fokusebene einer Kamera zu. Dadurch ist es nach vorheriger Kalibrierung möglich, aufgrund der Ausprägung der Verschwimmung der Partikelgrenzen und der projizierten Fläche des erfassen Partikels, die Partikelgröße und den Abstand zur Fokusebene zu bestimmen. Allerdings ist durch den Grad der Randverschwimmung mit einer Kamera nicht zu erkennen, ob sich das Partikel näher an der Kamera oder weiter entfernt, also hinter der Schärfeebene der Kamera, befindet.
• Diese fehlende Eindeutigkeit wird mit dem Einsatz einer zweiten Kamera behoben. Diese ist identisch mit der ersten Kamera und beobachtet auch denselben Bildbereich mit Hilfe eines halbdurchlässigen oder halbleitenden Spiegels. Jedoch ist die Fokusebene der zweiten Kamera geringfügig gegenüber der der ersten Kamera verschoben. Dadurch wird beim Vergleich eines Partikels in dem aufgenommenen Schattenbild ersichtlich, in welcher Raumrichtung sich das Partikel gegenüber der Fokusebene der ersten Kamera befindet.
• Falls sich die Fokusebene der zweiten Kamera näher an der ersten Kamera befindet, wird ein Partikel, welches sich in geringem Abstand hinter der Fokusebene der ersten Kamera befindet, im Schattenbild mit leicht verschwommenem Rand abgebildet werden. Durch den größeren Abstand des Partikels zur Fokusebene der zweiten Kamera wird der Rand des Partikels noch weiter verschwommen abgebildet sein. Daraus wird ersichtlich, dass das Partikel sich hinter der Fokusebene der ersten Kamera befinden muss.
• Mittels Bildverarbeitung kann dann die Partikelgröße aus dem Schattenbild der ersten Kamera bestimmt werden. Das Schattenbild der zweiten Kamera kann zusätzlich noch zur Absicherung der Partikelgrößenbestimmung herangezogen werden.
• Durch den Einsatz zweier Kameras ist es zunächst möglich, die Position eines Partikels in einem definierten Messraum zu bestimmen. Des Weiteren kann durch den definierten Abstand der Fokusebenen der beiden Kameras und der gewonnenen Schattenbilder die Partikelgröße und zudem dessen Abstand zu einer Referenzposition, z. B. der Schärfeebene der ersten Kamera, bestimmt werden. Ausgenutzt wird in diesem Zusammenhang der unterschiedliche Grad der defokussierten Abbildung eines Partikels durch die versetzte Positionierung der zweiten Kamera bei gleichzeitiger Betrachtung des identischen Bildbereiches mittels eines halbleitenden oder halbdurchlässigen Spiegels.
• Die Messung einer Teichenverteilung, einer Teilchengrößenverteilung, der Teilchengrößen sowie einer Teilchendynamik z. B. in einer Zweiphasenströmung erfolgt in vorteilhafter Weise ohne einen strömungsmechanischen Eingriff in den Messraum oder in die Strömung. Dabei ist es möglich, den Abstand der Partikel zueinander in einem definierten Messvolumen (Messraum) in allen drei Raumrichtungen zu bestimmen. Ebenso ist es möglich, z. B. durch Doppelbelichtung z. B. mit einer Stroboskoplampe, die Geschwindigkeit und die Flugrichtung der Partikel in der Strömung zu bestimmen.
• Zur Bestimmung der Partikelgröße wird mittels einer Lichtquelle der Schatten eines Partikels erzeugt, welcher von einer Kamera registriert wird. Für die Partikelgröße reicht in der Regel eine Kamera. Nach vorheriger Kalibrierung kann aus der projizierten Fläche des erfassen Partikelschattens die Partikelgröße durch eine Software-Routine berechnet werden. Durch den bildgebenden Charakter des Verfahrens ist eine Positionsbestimmung des Partikels in der Bildebene der Kamera möglich.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das optional auch mit einzelnen oder allen vorgenannten Maßnahmen zusätzlich kombinierbar oder erweiterbar ist. Es zeigt
• 1a den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung zur Bestimmung der zeitlichen und/oder räumlichen Partikelgrößenverteilung in einem Fluidvolumen,
• 1b den prinzipiellen Aufbau der Versuchsvorrichtung mit einem kugelförmigen Messobjekt,
• 2a bis c horizontale Intensitätsquerschnitte durch den Kugel-Mittelpunkt des Messobjekts, aufgenommen mit verschiedenen Kameras sowie mit Einsetzung von Gradientenpositionen x1 bis x4,
• 3 die Kugelunschärfe durch die Differenz der Gradientenposition x1 bis x4 für vier unterschiedliche kugelförmige Messobjekte in Abhängigkeit von den Abständen des Messobjekts zu einer Fokusebene sowie
• 4 die Abhängigkeit der Kugelunschärfe durch die Differenz der Gradientenposition bei Intensitätswerten von 1000 und 2000 für vier unterschiedliche Kugeln.
• Das in 1a dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt den Aufbau der Vorrichtung mit allen für das Verfahren zur Bestimmung der zeitlichen und/oder räumlichen Partikelgrößenverteilung in einem Fluidvolumen erforderlichen Komponenten.
• Die Lichtquelle 1 umfasst eine Laserlichtquelle, vorzugsweise einen Doppelpuls-Laser 2 (im Beispiel ein Neodym-YAG-Laser) und einem High Efficiency Diffuser 3, der den Strahlengang 5 in Richtung des Messraums 4 emittiert. Der Strahlengang tritt über ein Eintrittsfenster 7 in den Messraum 4 (in 1 entspricht die Ansicht des Messraums z. B. den Durchströmungsquerschnitt der Zweiphasen-Fluidströmung) ein und trifft in diesem auf die zu erfassenden Partikel 6, wobei es zu einer Schattenbildung des Strahlengangs beim Verlassen des Messraums über ein Austrittsfenster 8 kommt. Im Anschluss daran trifft der Strahlengang mit seinem gesamten Querschnitt auf einen Strahlungsteiler 9 auf und wird von diesem in zwei gleiche und den gesamten Querschnitt umfassenden Teilstrahlen 10 und 11 zu je einer Kamera 12 und 13 geleitet. Wie vorgenannt weisen die Kameras 12 und 13 jeweils eine Optik mit je einer auf eine Fokusebene 14 und 15 im Messraum eingestellten Brennweite auf. Eine Auswerteeinheit 16 dient der Verarbeitung der Bildsignale 17 der Kameras sowie der Steuerung, Triggerung und Synchronisation der Lichtquelle und der Kameras. Lichtquelle, Strahlungsteiler und Kameras sind vorzugsweise fix zu dem Messraum angeordnet.
• Eine beispielhafte Ausführung mit mehr als zwei Kameras dient der Fokussierung auf mehr als zwei Fokusebenen im Messraum. Jede Kamera weist neben einem eigenen Teilstrahl, eine Brennweite auf eine eigene Fokusebene im Messraum auf. Dies ist dann vorteilhaft, wenn der mögliche maximale Abstand eines zu erfassenden Partikels von der nächstliegenden Fokusebene im Verhältnis zur Größe des Partikels kein auswertbares Schattensignal mehr ermöglicht. In diesem Fall ist es vorteilhaft, den maximal möglichen Abstand durch zusätzliche Fokusebenen zusätzlicher Kameras zu reduzieren. Zusätzliche Fokusebenen dienen folglich der erhöhten Auflösung der ermittelten Größen und Postionierungen der Partikel im Messraum. Eine begrenzte Alternative (da auf Kosten der Auflösung) zu zusätzlichen Fokusebenen bietet eine kleinere Blendeneinstellung der Objektive zur Erzielung einer höheren Schärfentiefe und eines schwächeren Schattengradienten.
• Zusätzliche Fokusebenen im Messraum lassen sich alternativ auch durch bifokale oder multifokale Objektive der Kameras realisieren, wobei die unterschiedlichen Brennweiten eines Objektivs simultan oder über eine Brennweitenwechselschaltung im Wechsel alternierend einstellbar sind.
• Ausführungsbeispiel:
• Nachfolgend wird das Verfahren sowie die Auswertung mit vorgenannter Vorrichtung mit zwei Kameras (vgl. 1a und b) näher erläutert. Als Partikel kommt ein einziges kugelförmiges Messobjekt als Partikel im Messraum zur Anwendung (1b).
• Das Messobjekt ist auf einer linear beweglichen Traverse befestigt (vgl. 1b), die für die Linearbewegung des Messobjektes in x-Achsenrichtung, d. h. in Richtung des Strahlengangs sorgt. Angetrieben wird die Traverse im Beispiel von einem Spindeltrieb, der sich über die vorgenannte Auswerteeineheit steuern lässt.
• Der Strahlengang, den der vorgenannte Laser emittiert und der im Anschluss von dem Diffusor aufgeweitet wird, trifft zuerst auf das Messobjekt und wird anschließend über einen Strahlteiler in zwei gleichstarke Lichtteilstrahlen aufgeteilt. Einer verläuft weiterhin in die vorgenannte x-Achsenrichtung, der Andere wird mit Hilfe des Strahlteilers um einen Winkel von 90° abgelenkt und erstreckt sich in y-Achsenrichtung. Beide Lichtteilstrahlen werden von jeweils einer CCD-Kamera mit fokussierbaren Objektiven aufgefangen (vgl. 1). Die erste Kamera 12 ist mit Blick in negative x-Achsenrichtung stationär befestigt, so dass die Entfernung zwischen dem Austritt des Strahlengangs aus dem Diffusor und der Kamera während der gesamten Messung gleich bleibt. Die zweite Kamera 13 steht senkrecht auf die x-Achse und ist in y-Achsenrichtung zur Justierung verschiebbar. Dafür ist eine Präzisionstraverse zuständig, die im Millimeterbereich manuell verstellbar ist.
• Die Aufnahmen erfolgen gepulst, synchronisiert mit dem Strahlengang und gesteuert durch die Auswerteeinheit, die auch den vorgenannten Spindelantrieb für das Messobjekt ansteuert. Die Aufnahmen der beteiligten Kameras erfolgen zeitgleich.
• Zur Aufnahme der Schattenbilder, d. h. der Lichtteilstrahlen oder des Strahlengangs nach Verlassen des Messraums kommen zwei Doppelbild-CCD-Kameras zum Einsatz, die sich durch eine hohe Lichtempfindlichkeit und hoher Auflösung auszeichnet. Die Basis für die Bildaufnahme der Kamera stellt ein Zweidimensionaler CCD-Bildsensor, der aus einem Array lichtempfindlicher Fotodioden besteht (im Beispiel eine Pixelanzahl von 1280×1024, wobei jedes Pixel eine Pixelgröße von 6,7×6,7 μm aufweist). Die hier einfallenden Lichtmengen werden durch den photoelektrischen Effekt proportional in elektrische Signale gewandelt und so in Speicherzellen gesammelt. Ein A/D-Wandler rechnet die Stromstärke jeder Fotodiode in einen passenden Helligkeitswert um (Auflösung im Graustufenbereich 12 bit).
• Der Strahlengang spielt eine zentrale Rolle beim betrachteten Messverfahren hinsichtlich Auswertbarkeit und Genauigkeit der Messung. Abhängig von der Geschwindigkeit des Messobjektes muss die Pulslänge hinreichend kurz gewählt werden um nicht eine zusätzliche Unschärfe des Schattenbildes aufgrund der Bewegung zu generieren. Dies könnte jedoch unter Berücksichtigung der Bewegungsrichtung im Postprocessing berücksichtigt werden. Als Strahlungsquelle kommen Blitzlampen mit typischen Belichtungsdauern von 3 ms bis zu 25 μs in Frage. Für höhere Geschwindigkeiten kommen gütegeschaltete Pulslaser (z. B. Nd-Yag-Laser) mit typischen Pulsdauern von 8 ns oder ultrakurze Pulslaser mit noch kürzeren Pulsdauern in Frage. Eine sehr gute Ausleuchtung kann durch einen Pulslaser mit ca. 25 mJ Pulsenergie und nachgeschalteten Diffusor erreicht werden. In jedem Fall muss vermieden werden den CCD-Chip bis in den Sättigungsbereich zu beleuchten, da dann der Dynamikbereich der Kamera zu stark eingeschränkt wird um eine exakte Auswertung der Gradienten vorzunehmen.
• Ein kugelförmiges Messobjektes erzeugt einen kreisförmigen Schatten im Strahlengang, der an jeder Stelle des Schattenrands ein und denselben Gradienten für die Schattenrandschärfe erwarten lässt und damit für einen Testkörper besonders vorteilhaft ist. Um eine Korrelation zwischen Schärfentiefe und Objektgröße herstellen zu können, sind 4 Kugeln mit unterschiedlichen Durchmessern gewählt worden. Die Durchmesser von Kugel 1 (K1), Kugel 2 (K2), Kugel 3 (K3) und Kugel 4 (K4) betragen d₁ = 20 mm, d₂ = 9,7 mm, d₃ = 7,9 mm und d₄ = 6,2 mm. Die Größenvariation bringt Korrelationen, die für den späteren Verlauf auf kleine Partikel oder Tropfen anzuwenden sind.
• 2a und b zeigen beispielhaft zwei mit zwei Kameras erfasste und in der Auswerteeinheit invertierte horizontale Intensitätsquerschnitte durch den Kugel-Mittelpunkt eines Messkörpers. Beide an Schattenbildern gemessenen Intensitätsverläufe geben die Intensitäten 18 über die jeweilige Pixelposition 19 des CCD-Chips wieder und zeigen für jeden Schattenrand einen Intensitätssprung 20. Während 2a einen steilen Intensitätsübergang und damit eine hohe Schattenrandschärfe, d. h. eine Aufnahme nahe einer Fokusebene wiedergibt, fällt dieser in 2b deutlich flacher aus. 2b zeigt eine Aufnahme, bei dem die Schattenränder außerhalb der Fokusebenen liegen und daher deutlich unschärfer wiedergegeben sind.
• Der Intensitätsgradient eines Schattenrands ist direkt von dem Abstand des schattenwerfenden Partikels zu einer Fokusebene abhängig. Zur Kalibrierung der Korrelation dieses Zusammenhangs wird das Messobjekt in Strahlengangrichtung bewegt und der Intensitätsgradient im Schattenrand über den Abstand erfasst. Dazu werden im Rahmen des Ausführungsbeispiels die Pixelpositionen bei den Intensitätswerten von 1000 und 2000 für alle invertierten Schattenaufnahmen berechnet und mit x₁ bis x₄ benannt (2c).
• In 3 ist die Differenz y 21 des Punktabstandes y = (X₄ – x₁) – (x₃ – x₂) [1] in Abhängigkeit des Abstands zu einer Fokusebene 22 für alle untersuchten Messobjekte (vier Kugeldurchmesser), aufgenommen mit Kamera A (12 gem. 1), als Kalibrierkurve 23 aufgetragen. Mit zunehmendem Abstand von der Fokusebene steigt die Differenz y in beide Richtungen an, wobei die Steigung für alle Kugeldurchmesser des Messkörpers nahezu identisch ist. Nur bei großen Abständen zu einer Fokusebene ist eine erhöhte Differenz y für kleinere Kugeldurchmesseer zu beobachten. Dennoch kann von einer nahezu durchmesserunabhängigen Lokalisierung der Kugel zumindest bei kleineren Abständen zu einer Fokusebene ausgegangen werden. Dafür ist es demnach lediglich notwendig, die Differenz der Abstände zu bilden und mit den vorgenannten Zusammenhängen aus den Kalibrierwerten zu vergleichen, um eine Position zu einem Messobjekt zu erhalten.
• Bei bekannter Differenz ergibt sich jedoch eine Doppeldeutigkeit, da das Profil der Kalibierkurve 23 in 3 symmetrisch ist. Um eine eindeutige Position bestimmen zu können, wird die Kalibierkurve der zweiten Kamera mit einer abweichenden Fokusebene hinzugezogen. Diese entspricht grundsätzlich der ersten Kalibierkurve, ist aber um den Abstand der beiden Fokusebenen der beiden Kameras verschoben. Durch einen Vergleich der beiden Kalibierkurven lässt sich die Position des Messobjekts durch Ausschluss eindeutig festlegen.
• Zur Durchmesserbestimmung des Messobjekts muss ebenfalls eine Kalibrierung erfolgen bzw. eine Kalibierkurve erstellt werden. Für die vier verwendeten Kugeln ist in 4 die Differenz y₂ 25 y₂ = x₄ – x₁ [2] über den Abstand zur Fokusebene 22 (Traversierposition) aufgetragen, wobei die Kurven mit größeren Kugeldurchmessern des Messobjekts im Diagramm gem. 4 oben liegen. Die Differenz y₂ weist über alle Traversierpositionen in Lichtrichtung (X-Richtung) bei den untersuchten Kugeldurchmessern einen nahezu linearen Verlauf auf. Durch die im vorherigen Schritt bestimme Position und die Differenz von x₄ und x₁, welche sich aus den Schattenbildern berechnen lassen, ist eindeutig der Tropfendurchmesser bestimmbar.
• Hierbei sei erwähnt, dass nach der Kalibrierung mit Kugeln unterschiedlicher Durchmesser eine Interpolation für Kugeldurchmesser durchgeführt werden muss, die zwischen zwei Kugeldurchmesser liegen, die für die Kalibrierung genutzt wurden. Ebenso muss für einen spezifischen Aufbau überprüft werden, ob die hier vorgestellten Zusammenhänge dort auch Gültigkeit haben. Dies ist auch von dem zu erwartenden Durchmesserspektrum abhängig.
• Literatur:
• [1] Albrecht H.-E. et al.: Laser Doppler and Phase Doppler Measurement techniques, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New-York, 2003 ISBN 3-540-67838-7
• [2] Durst F., Zare M.: Laser-Doppler-Measurements in two phase flows; Proceedings of the LDA-Symposium, Copenhagen, Dänemark, 25.–28. August 1975, S. 403–429
• [3] Dantec Dynamics A/S: http://www.dantecdynamics.com (Stand 04/2011)
• [4] LaVision: http://www.lavision.de (Stand 04/2011)
• [5] König G., Anders K., Frohn A.: A new light scattering technique to measure the diameter of periodically generated moving droplets. In: J. Aerosol Sci. 17 (1986) S. 157–167
• [6] Glover A. R., Skippon S. M., Boyle R. D.: Interrerometric laser imaging for droplet sizing: a method for droplet-size measurement in sparse spray systems. Appl. Opt. 34 (1995) S. 8409–8421
• [7] Raffel M. et al.: Particle Image Velocimetry: A Practicle Guide; Springer-Verlag; Berlin, Heidelberg, New York, 2007
• [8] DE 197 24 364 C2
• [9] Lecuona A. et al.: Volumetric characterization of dispersed two-phase flows by digital Image analysis; Meas. Sci. a. Tech. 11 (2000) S. 1152–1161
• [10] Nishino K. et al.: Stereo Imaging for Simultaneous Measurement of Size and Velocity of Particles in Dispered Two-Phase Flow: Meas. Sci. a. Tech. 11 (2000) S. 633–645
• Bezugszeichenliste

1

Lichtquelle

2

Doppelpuls-Laser

3

Diffusor

4

Messraum

5

Strahlengang

6

Partikel

7

Eintrittsfenster

8

Austrittsfenster

9

Strahlungsteiler

10

Teilstrahl zu Kamera A

11

Teilstrahl zu Kamera B

12

Kamera A

13

Kamera B

14

Fokusebene zu Kamera A

15

Fokusebene zu Kamera B

16

Auswerteeinheit

17

Bildsignal

18

Intensität

19

Pixel

20

Intensitätssprung

21

Differenz y

22

Abstand zur Fokusebene

23

Kalibrierkurve

24

kugelförmiges Messobjekt

25

Differenz y2

Claims (8)

1. Verfahren zur Bestimmung der zeitlichen und/oder räumlichen Partikelgrößenverteilung in einem Fluidvolumen umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Erzeugung eines Strahlengangs (5), das ein Fluidvolumen mit den Partikeln (6) durchdringt und wobei ein Durchdringungsschnittvolumen als Messraum (4) entsteht, b) Erfassen des Strahlengangs mit Schatten der Partikel nach Verlassen des Messraum mit einem Mittel für Erfassung des Strahlengangs (9–13) sowie c) Weiterleiten der Bildsignale der Mittel zu einer Auswerteeinheit (16) zur Bestimmung der zeitlichen und räumlichen Partikelgrößenverteilung im Fluidvolumen im Messraum dadurch gekennzeichnet, dass e) die Mittel eine Kamera (12, 13) mit bifokale oder multifokale Optik mit mindestens zwei Brennweiten umfasst, wobei jede Brennweite auf eine eigene Fokusebene (14, 15) eingestellt ist, die von den der anderen abweichenden Brennweiteneinstellungen abweicht sowie g) in der Auswerteeinheit ein Vergleich von zeitgleich mit verschiedenen Brennweiten aufgenommenen Bildsignalen erfolgt, wobei jedem Schatten aufgrund einer unterschiedlicher Schattenrandschärfe auf mindestens zwei Bildsignalen eine Position im Messraum zugeordnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel mindestens zwei Kameras (12, 13) und mindestens einen Strahlungsteiler (9) zwischen Messraum (4) und Kameras umfasst, der den Strahlengang in seinem gesamten Querschnitt in zwei oder mehrere Lichtteilstrahlen aufteilt, wobei jeder Lichtteilstrahl den gesamten Querschnitt wiedergibt und durch je eine der Kameras erfasst wird, wobei jede Kamera eine von den anderen Kameras abweichende Brennweiteneinstellung auf eine Fokuseebene (14, 15) im Messraum aufweist sowie in der Auswerteeinheit ein Vergleich von zeitgleich mit verschiedenen Kameras mit verschiedenen Brennweiten aufgenommenen Bildsignalen erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum von einer Fluidströmung durchströmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang im Messraum einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
5. Vorrichtung zur Bestimmung der zeitlichen und/oder räumlichen Partikelgrößenverteilung in einem Fluidvolumen umfassend eine Lichtquelle (1) für die Erzeugung eines Strahlengangs (5), einen Messraum (4) mit Eintritts- und Austrittsbereich (7, 8) für den Strahlengang sowie Mittel für eine bifokale oder multifokale Erfassung des Strahlengangs (9–13).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für eine bifokale oder multifokale Erfassung des Strahlengangs mindestens einen Strahlungsteiler (9) für die Aufteilung des Strahlengangs in mindestens zwei Lichtteilstrahlen (10, 11) sowie je eine Kamera (12, 13) für jeden Lichtteilstrahl umfasst, wobei jede Kamera eine von den anderen Kameras abweichende Brennweiteneinstellung auf eine Fokuseebene (14, 15) im Messraum aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum von einer Fluidströmung durchströmt wird.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang im Messraum einen rechteckigen Querschnitt aufweist.

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