DE19629790A1 - Measurement and visualisation of flow in fluids, esp. on vehicles, aircraft, ships - Google Patents

Measurement and visualisation of flow in fluids, esp. on vehicles, aircraft, ships

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    • G01M9/06—Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing
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Abstract

The gas or liquid is mixed with a luminescent substance (B), which the pulsed laser beams along the structure under investigation cause to luminesce periodically. This produces light beams (D) whose path can be recorded by video cameras (A1,A2) as the fluid moves. Synchronisation signals from one camera (A1), or generated externally, with selectable delays are used to trigger the laser pulses. To record both the instant and the displaced beam, the laser can be triggered twice during each video frame. A holographically recorded frame may be projected into the flow region and recorded simultaneously.

Description

Es sind für Windkammern verschiedene Verfahren bekannt, Strömungs­ verhältnisse zu messen oder darzustellen. Eines der häufigsten Verfah­ ren ist die Plazierung von Staurohren an den zu untersuchenden Stellen. Weitere Methoden messen über Schallmeßverfahren die Strömungsge­ schwindigkeiten zwischen bestimmten Punkten. Wieder andere Verfah­ ren zeigen mit fotografischen oder Videomethoden die strömungsbe­ dingte Verschleppung von eingebrachten Kügelchen oder Fäden.Various methods are known for wind chambers, flow to measure or present relationships. One of the most common processes Ren is the placement of pitot tubes at the locations to be examined. Other methods measure the flow ge using sound measurement methods speeds between certain points. Still other processes Ren show the current with photographic or video methods entrainment of balls or threads introduced.

Bei der Verwendung von Staurohren die Beeinflussung der Strömung durch das Staurohr nachteilig. Außerdem ist die Eichung und die Kennt­ nis der umgebenden Strömungsverhältnisse unbefriedigend. Bei der Ver­ wendung von akustischen Meßstrecken ist es nachteilig, daß eine genaue Kenntnis der Verhältnisse zwischen den akustischen Gebern und Neh­ mern nicht möglich ist. Bei der Einbringung und optische Auswertung von Fäden und durch die Strömung verschleppten Kügelchen, ist die Synchro­ nisation der Ausbringung der Stoffe mit der fotografische oder Video­ aufzeichnung problematisch und unbefriedigend.Influencing the flow when using pitot tubes disadvantageous due to the pitot tube. In addition, the calibration and the knowledge unsatisfactory of the surrounding flow conditions. When ver use of acoustic measuring sections, it is disadvantageous that an accurate Knowledge of the relationships between the acoustic sensors and Neh is not possible. When introducing and optically evaluating The synchro is threads and beads carried away by the current Organization of the application of the fabrics with the photographic or video recording problematic and unsatisfactory.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zu­ grunde, die Messung und Darstellung der Strömungsverhältnisse durch die Methode nicht zu beeinflussen und eine einfache und sehr genaue Untersuchung der Strömungsverhältnisse unter sehr verschiedenen Be­ dingungen im Labor und auch an Autos, Flugzeugen und Schiffen außer­ halb von speziellen Labors zu erlauben.The invention specified in claim 1 has the object reasons, the measurement and representation of the flow conditions not influencing the method and a simple and very accurate Examination of the flow conditions under very different conditions conditions in the laboratory and also on cars, airplanes and ships to allow half of special laboratories.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merk­ male dadurch gelöst, daß in das zu untersuchende Gas oder die Flüssig­ keit eine lumineszierende Substanz (B) gemischt wird und ein oder mehrere nebeneinanderliegende pulsierende Laserstrahlen (C) diese pe­ riodisch zum lumineszieren veranlaßt und dadurch Lichtbalken (D) er­ zeugen und daß Videokameras (A1, A2), die durch die Strömung ver­ schleppten lumineszierenden Lichtbalken (D) aufnehmen.This object is achieved by the Merk listed in claim 1 male solved in that in the gas or liquid to be examined a luminescent substance (B) is mixed and an or several side by side pulsating laser beams (C) this pe periodically causes luminescence and thereby light bar (D) testify and that video cameras (A1, A2) ver through the flow dragged luminescent light bar (D) record.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der oder die Laserstrahlen auf und entlang jeder gewünschten Struktur gerichtet sein können und somit an jedem Punkt entlang einer Struktur, die Strömungsverhältnisse sichtbar und genau auswertbar ge­ macht werden. Die Untersuchungen können auch aus beträchtlicher Ent­ fernung von dem zu untersuchenden Ort durchgeführt werden. Die Video­ aufzeichnung von unterschiedlichen Punkten aus erlaubt auch 3-dimensionale Analysen der Strömungsverhältnisse.The advantages achieved with the invention are in particular that the laser beam or beams on and along any desired Structure can be directed and thus at any point along a Structure that allows the flow conditions to be seen and evaluated precisely be made. The investigations can also be carried out from considerable ent distance from the site to be examined. The video  Recording from different points also allows 3-dimensional Analyzes of the flow conditions.

Darüber hinaus sind geeignete lumineszierende Substanzen in großen Mengen verfügbar, billig und ohne Umweltbelastung einzusetzen.In addition, suitable luminescent substances are large Quantities available, cheap and without environmental impact.

Um die für das Verfahren notwendigen Aufwand zu reduzieren, kann eine einfache Anordnung dadurch realisiert werden, daß die Videokamera (A1) mit ihren Synchronisationssignalen die Pulse des Laserstrahls (D) auslöst bzw. synchronisiert.To reduce the effort required for the process, a simple arrangement can be realized in that the video camera (A1) with their synchronization signals the pulses of the laser beam (D) triggers or synchronizes.

Durch dieses Verfahren kann aus dem Ausgangssignal einer einfachen handelsüblichen Videokamera das Steuersignal für einen gepulsten Laser abgeleitet werden. Durch Einstellung des "shutter speeds" an der Vi­ deokamera lassen sich sehr unterschiedliche Strömungsgeschwindig­ keiten auswertbar auf Video aufzeichnen.With this method a simple commercially available video camera the control signal for a pulsed laser be derived. By setting the "shutter speed" on the Vi deokamera can be very different flow rates recordable on video.

Um extreme Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit mit einem Verfahren und einer Anordnung abbilden zu lassen, ist es möglich die Bildaufzeichnung, d. h. die Videosynchronisation zu dem Laserpuls belie­ big verschiebbar zu machen. Da es sich sowohl bei dem Laserpuls, als auch bei der Einzelbildaufnahme um ein periodisches Signal handelt, kann eine Verschiebung des Synchronisationspulses für den Laserpuls bedeuten, daß dieser nicht mehr in die Spätphase des augenblicklich aufgenommenen Videobildes fällt, sondern in die frühe Phase des näch­ sten Videobildes, oder in die Zeit zwischen der Aufnahme von Videobil­ dern. Dadurch kann erreicht werden, daß es entweder 1. nur zur Auf­ zeichnung der verschleppten Lichtbalken kommt, oder 2. zur Aufzeich­ nung der ursprünglichen Lichtbalken zum Zeitpunkt des gerade gepulsten Laserstrahls und zur Aufzeichnung der verschleppten Lichtbalken.To make extreme differences in flow velocity with a It is possible to have the process and an arrangement displayed Image recording, d. H. video synchronization to the laser pulse to make big slidable. Since it is both with the laser pulse and is also a periodic signal when recording single images, can be a shift in the synchronization pulse for the laser pulse mean that this is no longer in the late phase of the instant recorded video image falls, but in the early phase of the next most video image, or in the time between the recording of Videobil other. It can thereby be achieved that it is either 1. only for on drawing of the dragged light bar comes, or 2. to record the original light bar at the time of the pulsed Laser beam and for recording the dragged light bars.

Natürlich kann auch wie im Anspruch 4 aufgeführt das Synchronisati­ onssignal extern erzeugt werden und dadurch auch die Kamera, bzw. ein anderes Aufnahmeverfahren synchronisiert werden.Of course, as mentioned in claim 4, the Synchronisati onsignal are generated externally and thereby also the camera, or a other recording process can be synchronized.

Bei sehr schnellen Videoaufzeichnungen (Zeitlupenaufnahmen) kann es nach Anspruch 5 vorteilhaft sein, daß der oder die Laserstrahlen bei je­ der Einzelbildaufzeichnung 2 oder mehrmals ausgelöst werden.With very fast video recordings (slow motion recordings) it can be advantageous according to claim 5, that the laser beam or beams at each the single image recording can be triggered 2 or more times.

Dadurch ist auf einem Video oder Photobild sowohl das Bild von den ver­ schleppten Lichtbalken zu erkennen, als auch die unverschleppten Licht­ balken, die während der Photoaufnahme gleichzeitig nochmals durch ei­ nen Laserpuls erzeugt werden. As a result, both the image of the ver dragged bars of light to recognize, as well as the unmasked light bars that are simultaneously shown by egg NEN laser pulse are generated.  

Die Videokamera nimmt z. B. 25 Bilder/sec d. h. alle 40 ms ein neues Bild auf. Die Zeit für die Aufzeichnung des Einzelbildes kann eingestellt wer­ den auf eine Belichtungszeit des Einzelbildes von 1/50 sec bis 1/10000 sec d. h. 20 ms bis 0,1 ms.The video camera takes z. B. 25 frames / sec d. H. a new picture every 40 ms on. The time for the recording of the single image can be set to an exposure time of the single image from 1/50 sec to 1/10000 sec d. H. 20 ms to 0.1 ms.

In diesem Beispiel werden 100 km/Stunde Strömungsgeschwindigkeiten an dem Auto simuliert. Die Aufnahmezeit des Videobildes ist auf 0,1 ms reduziert. Das Synchronsignal schickt einen Laserpuls 10 ms vor der 0,1 ms langen Aufzeichnung des Videoeinzelbildes los. 1 ms vor Ende jedes Einzelbildes wird erneut ein Laserpuls losgeschickt. Der Puls des Lasers dauert nur 10-9 sec. Die Lumineszenz kann je nach Substanz bis 1-100 ms dauern. Geht man in diesem Fall von 10 ms aus, ist der Lichtbalken während der Aufzeichnung des Einzelbildes um maximal 27 cm ver­ schleppt. Auf dem Videobild ist dann folgendes zu sehen sein.:
In this example, 100 km / hour flow speeds are simulated on the car. The recording time of the video image is reduced to 0.1 ms. The synchronous signal sends out a laser pulse 10 ms before the 0.1 ms long recording of the video frame. A laser pulse is sent again 1 ms before the end of each individual image. The pulse of the laser lasts only 10 -9 sec. Depending on the substance, the luminescence can last up to 1-100 ms. Assuming 10 ms in this case, the light bar is dragged by a maximum of 27 cm during the recording of the single image. The following can then be seen on the video image:

  • 1. Das zuletzt geschickte Bild des unverzögerten Lichtbalkens.1. The last sent picture of the undelayed light bar.
  • 2. gleichzeitig den 10 ms vorher ausgelösten Lichtbalken, der jetzt 27 cm verschleppt wurde. Bei dieser Aufnahme gibt es einen kleinen Fehler von 1% da zu Beginn der Einzelbildaufnahme der Balken etwa 2,7 mm weniger verschoben war, als am Ende der Aufnahme. Durch geeignete Vi­ deoaufzeichnungssysteme lassen sich diese Fehler noch weiter vermin­ dern.2. at the same time the light bar triggered 10 ms earlier, which is now 27 cm was carried away. There is a small mistake with this recording of 1% because at the start of the individual image recording of the bars, about 2.7 mm was less postponed than at the end of the recording. By suitable Vi deo recording systems can minimize these errors even further other.

Üblicherweise wird in einer solchen Untersuchung der Laserstrahl in viele Strahlen aufgeteilt und erzeugt dadurch eine Lichtbalkenreihe.Usually the laser beam is in such an examination split many beams and thereby creates a row of light bars.

Durch die gleichzeitige Aufzeichnung der Lichtbalken aus verschiedenen Richtungen lassen sich dreidimensionale Strömungsmuster errechnen.By simultaneously recording the light bars from different Directions can be calculated three-dimensional flow patterns.

Claims (8)

1. Verfahren zur Messung und Darstellung von Strömungen in Gasen und Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß in das zu untersuchende Gas oder die Flüssigkeit eine lumineszierende Substanz (B) gemischt wird und ein oder mehrere nebeneinanderliegende pulsierende Laserstrahlen (C) diese periodisch zum lumineszieren veranlaßt und dadurch Lichtbal­ ken (D) erzeugen und daß Videokameras (A1, A2), die durch die Strö­ mung verschleppten lumineszierenden Lichtbalken (D) aufnehmen.1. A method for measuring and displaying flows in gases and liquids, characterized in that a luminescent substance (B) is mixed in the gas or liquid to be examined and one or more adjacent pulsating laser beams (C) periodically causes them to luminesce and thereby generating Lichtbal ken (D) and that video cameras (A1, A2) record the luminescent light bar (D) carried over by the flow. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Video­ kamera (A1) mit ihren Synchronisationssignalen die Pulse des Laser­ strahls (D) auslöst bzw. synchronisiert.2. The method according to claim 1, characterized in that the video camera (A1) with its synchronization signals the pulses of the laser beams (D) triggers or synchronizes. 3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Synchronisationssignal beliebig verzö­ gert werden kann.3. The method according to one or more of the preceding claims, since characterized in that the synchronization signal delays arbitrarily can be replaced. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Synchronisationssignal extern erzeugt wird und die Kamera, bzw. ein anderes Aufnahmeverfahren synchroni­ siert.4. The method according to one or more of the preceding claims, since characterized in that the synchronization signal is generated externally is synchronized and the camera, or another recording method siert. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der oder die Laserstrahlen bei jeder Einzel­ bildaufzeichnung 2 oder mehrmals ausgelöst werden.5. The method according to one or more of the preceding claims, since characterized in that the laser beam or beams at each individual image recording can be triggered 2 or more times. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein holografisch aufgenommenes Raster durch einen Laser in den zu untersuchenden Strömungsbereich hineinprojiziert wird und von der Videokamera mit aufgenommen wird.6. The method according to one or more of the preceding claims, since characterized in that a holographically recorded grid by projected a laser into the flow area to be examined and is recorded by the video camera. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß statt einer Kamera eine Shutterbrille oder ein fotografisches Aufnahmeverfahren synchronisiert eingesetzt wird.7. The method according to one or more of the preceding claims, since characterized in that instead of a camera a pair of shutter glasses or a photographic recording process is used synchronized. 8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, ge­ kennzeichnet, daß das Verfahren an fahrenden, fliegenden und schwim­ menden Geräten verwendet wird, indem der lumineszierende Stoff dem umströmenden Medium beigegeben wird und der Laserstrahl und die Vi­ deokamera von einer mitgeführten Anlage aus, oder über eine stationäre Anlage von einer gewissen Entfernung aus, die Messungen ermöglichen.8. The method according to one or more of the preceding claims, ge indicates that the procedure on moving, flying and swimming is used by the luminescent substance flowing medium is added and the laser beam and the Vi deo camera from a carried system, or via a stationary System from a certain distance that allow measurements.
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