DE19942856A1 - Hintergrund-Schlierenmeßverfahren - Google Patents
Hintergrund-SchlierenmeßverfahrenInfo
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Abstract
Technische Aufgabe und Zielsetzung des Hintergrund-Schlierenmeßverfahrens DOLLAR A Die Aufgabe der Messung von Schlieren und Inhomogenitäten in transparenten Medien soll durch einen vereinfachten Strahlengang und Aufbau gegenüber bekannten Meßverfahren gelöst werden. DOLLAR A Lösung des Problems DOLLAR A Das im Patentanspruch 1 und 4 angegebene Hintergrund-Schlierenmeßverfahren (1) löst das Problem der exakten Messung von Dichtegradienten (3) und anderen Strahlungsablenkungen durch einen Vergleich von Bildern (5) eines Hintergrundes (2), die den interessierenden Bereich des zu untersuchenden transparenten Mediums abdecken. Dazu wird in einer Ausführung des Verfahrens ein strukturierter Gegenstand oder Hintergrund (2) durch das interessierende Phasenobjekt (3) z. B. mit Hilfe einer Kamera mehrfach abgebildet. Dabei entstehen bei einer Veränderung des Phasenobjektes (3) zwischen den Aufnahmen unterschiedliche Bilder (5), bei denen die Bildelemente des betroffenen Gegenstandsbereiches in Abhängigkeit von der Veränderung der Lichtablenkung (15) durch die Dichtegradienten (3) und in Abhängigkeit vom Abstand des Ablenkungsortes zum abgebildeten Gegenstand verschoben sind. Durch Ausmessen dieser Verschiebungen (7) erhält man eine exakte Information über die Dichtegradienten (3) nach Größe und Richtung. DOLLAR A Die besonderen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß eine genaue Messung von Gradientenfeldern (3) ohne Zuhilfenahme komplizierter optischer Aufbauten durchgeführt werden kann. In der Regel ...
Description
Aus der Literatur ist bekannt, daß mit Hilfe von Schlierenverfahren unterschiedlicher
Funktionsweise Dichteunterschiede in Medien sichtbar gemacht werden können.
Dazu werden in der Regel in einem optischen Strahlengang Eingriffe im
Lichtquellenbild eines Abbildungsstrahlenganges vorgenommen (Schlierenkante
etc.), so daß in einem Bild des interessierenden Mediumbereiches Schlieren, also
Dichtegradienten als Helligkeits- oder Farbunterschiede abgebildet werden.
Nachteilig ist bei diesen Verfahren, daß eine diskrete Lichtquelle benötigt wird, daß
deren Strahlung durch Linsen oder Spiegel zu einem meist parallelen Lichtbündel
durch das Medium gerichtet werden muß und daß schließlich bei den
Schlierenverfahren üblicher Art durch weitere Abbildungselemente mindestens ein
Bild der Lichtquelle erzeugt werden muß. Außerdem haben die genannten Verfahren
den Nachteil, daß sie aufgrund ihrer Funktionsweise die Dichtegradienten zumeist
nur in einer Richtung und dann auch nur qualitativ anzeigen. Bei anderen optischen
oder sonst abbildenden Verfahren, bei denen Bilder z. B. durch Differenzbildung
verglichen werden, wird keine Auswertung nach Größe und Richtung der
Verschiebungen zum Zweck der exakten Messung der Lichtablenkung im
Phasenobjekt vorgenommen, sondern lediglich die Veränderung des abgebildeten
Gegenstandes vermessen.
Mit der in den Patentansprüchen 1, 3 und 4 angegebenen Erfindung wird die separate
Lichtquelle, die Vielzahl von optischen Elementen und schließlich die Beschränkung
auf eine Richtung bei der Messung von Dichtegradienten vermieden. Außerdem wird
eine exakte Anzeige des Gradientenfeldes nach Größe und Richtung ermöglicht, so
daß in weiterführender Auswertung der Meßergebnisse durch Integration das
Dichtefeld und bei Beobachtung des Gradientenfeldes aus unterschiedlichen
Richtungen auch die räumlichen Verteilungen der interessierenden Größen bestimmt
werden können.
Die in den Patentansprüchen 1, 3 und 4 angegebene Erfindung löst das Problem der
exakten Messung von Dichtegradienten und anderen Strahlungsablenkungen durch
einen Vergleich von Hintergrundbildern, die in ihrem Bildausschnitt den
interessierenden Bereich des zu untersuchenden transparenten Mediums abdecken.
Dazu wird in einer Ausführung des Verfahrens ein strukturierter Gegenstand oder
Hintergrund durch das interessierende Phasenobjekt hindurch mit Hilfe einer Kamera
mehrfach abgebildet. Dabei entstehen bei einer Veränderung des Phasenobjektes
zwischen den Aufnahmen unterschiedliche Bilder, die dadurch gekennzeichnet sind,
daß die Bildpunkte eines bestimmten Gegenstandsbereiches in Abhängigkeit von der
Stärke der Lichtablenkung durch die Dichtegradienten und in Abhängigkeit vom
Abstand des Ablenkungsortes zum abgebildeten Gegenstand verschoben sind.
Durch Ausmessen dieser Verschiebungen erhält man eine exakte Information über
die Dichtegradienten nach Größe und Richtung.
Um den zeitlichen Ablauf von Vorgängen im Medium zu erfassen bedient man sich
zweckmäßig schnell registrierender Aufnahmeeinrichtungen, mit passender Bild
frequenz nach Anspruch 2, die eine ausreichende Zahl von Bildern aufnehmen, um
z. B. auch eine statistische Auswertung zu ermöglichen. Im normalen Fall wird man
kontinuierlich registrierende Kameras bevorzugen, die etwa in dem üblichen Takt von
20 bis 30 Bildern pro Sekunde Einzelbilder aufnehmen und durch relativ kurze
Belichtungszeit die Veränderungen im Bild einfrieren.
Die besonderen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß eine genaue Messung
von Gradientenfeldern ohne Zuhilfenahme komplizierter optischer Aufbauten
durchgeführt werden kann. In der Regel beschränkt sich der apparative Aufwand auf
eine geeignete abbildende Kamera nach Anspruch 3 oder eine phasenempfindliche
Anordnung von Empfängern nach Anspruch 4, sofern ein bereits strahlender
strukturierter Hintergrund hinter dem zu untersuchenden Phasenobjekt vorhanden ist.
Ist dieser beleuchtete Hintergrund nicht vorhanden, so läßt er sich in der Regel auf
einfache Weise bereitstellen.
Die phasenempfindliche Anordnung von Empfängern nach Anspruch 4 ist besonders
bei einer Anwendung des Verfahrens unter Einsatz von Schallwellen als abbildende
Strahlung interessant, weil hier keine abbildenden Verfahren gebräuchlich sind und
akustische "Kameras" nicht bekannt sind. Aber auch bei niederfrequenter
elektromagnetischer Strahlung kann eine phasenempfindliche Anordnung von
Empfängern sinnvoll sein.
Der prinzipielle Vorteil der Technik im Vergleich zu anderen optischen Verfahren, wie
Schattenverfahren, normalem Schlierenverfahren, Speckelverfahren und
Interferometrie ist der extrem kleine technische Aufwand, der im Normalfall nur eine
Kamera, einen hinreichend strukturierten Hintergrund und einen Rechner zur
Bildauswertung umfaßt. Der Grund dafür, daß diese Technik jetzt vorteilhaft
angewendet werden kann, ist darin zu sehen, daß die schnellen Algorithmen für den
Bildvergleich erst heute zur Verfügung stehen.
Durch Verwendung von Filtern nach Anspruch 13 ist es möglich unterschiedliche
Anteile der Hintergrundstrahlung für das Verfahren zu nutzen. Ist dann eine
Änderung der spektralen Empfindlichkeit vorhanden, kann sie für selektive
Messungen am Phasenobjekt genutzt werden, um so z. B. verschiedene Gase
unterscheiden zu können.
Die übliche optische Abbildung von Landschaften oder anderen Objekten geht
normalerweise davon aus, daß keine Störungen zwischen dem Objekt und dem
Abbildungssystem durch das zwischenliegende Medium erfolgen. Wenn es solche
unübersehbaren Störungen gibt; wie im Fall der "Fata Morgana" oder bei flackernden
Bildern von Sternen am Nachthimmel, dann werden diese Erscheinungen als
Störung angesehen. Das Hintergrund-Schlierenmeßverfahren nutzt aber gerade
diese Störungen der Bilder zur Messung ihrer Größe und Ausrichtung.
Wenn bei dem Hintergrund-Schlierenverfahren das Hintergrundobjekt nicht stationär
vorhanden ist, wie z. B. bei Anwendungen aus einem fahrenden Fahrzeug oder im
Fall permanent gestörten Übertragungsweges im Medium, kann nach Anspruch 14
auch aus den gestörten Bildern durch Mittelung über eine größere Zahl von
Aufnahmen ein gemitteltes Hintergrundbild erzeugt werden, mit dem dann die
Einzelbilder zur Messung von Abweichungen verglichen werden.
In einer aufwendigeren Anwendung des Hintergrund-Schlierenverfahrens nach den
Ansprüchen 4 und 6 mit unterschiedlichen Abbildungsstrahlengängen aus
verschiedenen Richtungen, kann ähnlich wie in der Röntgentomografie ein
komplettes dreidimensionales Bild der Verteilung der Dichtegradienten in dem
transparenten Medium in Schnitten oder anderen geeigneten Darstellungen
gewonnen werden. Im Gegensatz zur Röntgentomografie ist das Ergebnis aber noch
umfangreicher und informativer, weil hier nicht nur Intensitätsabschwächungen,
sondern Strahlablenkungen nach Größe und Richtung gemessen werden.
In einer besonders einfachen Ausführung des Meßverfahrens wird mit einer
fotografischen oder elektronische Kamera ein Punktraster (s. Fig. 5) mit beliebig
verteilten Punkten als Hintergrund abgebildet. Die Dichte des Punktrasters wird
zweckmäßig an den Wünschen für die Auflösung im Bereich des Phasenobjektes
und an dem Auflösungsvermögen der verwendeten Kamera orientiert. Ein
unbekanntes Phasenobjekt zwischen Kamera und Punktraster wird dadurch exakt
vermessen, daß die Lage der Punkte für zwei Abbildungen mit und ohne
Phasenobjekt verglichen wird. Die Verschiebung der Punkte erzeugt ein Vektorfeld,
welches im einfachen Fall dem wegintegralen Dichtegradienten entspricht.
Die Verschiebung der Bildelemente durch das Phasenobjekt erzeugt eine Verzerrung
des Hintergrundbildes und der Phasenobjekte selbst, die durch Berücksichtigung der
ermittelten Strahlablenkungen korrigiert werden kann. Bei sehr starken
Phasenobjekten ist eine Korrektur oft unentbehrlich.
Bei Benutzung von strahlenoptischen Abbildungsverfahren kann das Phasenobjekt
ohne Änderung der prinzipiellen Funktionsweise auch zwischen dem abbildenden
Elemerit, wie Linse, Lochblende etc. und dem Bild des strukturierten Hintergrundes
angeordnet werden. Dies bedeutet, daß das Verfahren sowohl für Phasenobjekte im
gegenstandsseitigen, wie im bildseitigen Teil des Strahlengangs benutzt werden
kann. Insbesondere ist dadurch auch ein Vergleich von unterschiedlichen
Phasenobjekten, von denen ein Teil im gegenstandsseitigen und ein anderer Teil im
bildseitigen Strahlengang angeordnet ist, möglich.
Die zur Abbildung verwendeten Optiken haben vorzugsweise lange Brennweiten,
wodurch die Empfindlichkeit für die Lichtablenkung im Strahlengang steigt. Es
werden dadurch auch weit entfernte Strukturen größer abgebildet, so daß die
Reichweite des Verfahrens vergrößert wird. Der Schwierigkeit sowohl Hintergrund als
auch Phasenobjekt zugleich scharf abbilden zu wollen, kann durch Verwendung
kleiner Abbildungsaperturen abgeholfen werden.
Da die eigentlich interessierenden Phasenstrukturen oft identifizierbar zwischen dem
abgebildeten Hintergrund und der aufnehmenden Empfangseinrichtung liegen, ist
ihre räumliche Lokalisierung durch eine Art stereoskopische Aufnahmeeinrichtung
möglich, bei der verschiedene aufnehmende Einrichtungen (Kameras) aus
unterschiedlicher Position dieselben entfernt liegenden Hintergründe durch die
störende Struktur hindurch abbilden, so daß die Lage der interessierenden Struktur
relativ zu dem abgebildeten Hintergrund und der Kamera berechenbar wird. Aus
noch mehr Bildern - aufgenommen aus unterschiedlichen Richtungen - läßt sich
mittels geeigneter Transformationen (tomografische Rekonstruktion) die volle
räumliche Struktur des Störfeldes berechnen.
Die Korrelationsanalyse, mit der üblicherweise die Verschiebungen der Bildelemente
durch den Einfluß der Phasenobjekte ermittelt wird, indem verschiedene
Registrierungen des entfernt liegenden Hintergrundes miteinander verglichen
werden, kann mit den üblichen Korrelationsmethoden für die Kreuzkorrelation z. B.
zwischen Bildern ausgeführt werden. Da diese Verfahren jedoch meistens sehr
rechenintensiv sind, bieten sich einfachere Lösungen an. Diese können z. B. darin
bestehen, daß die Kreuzkorrelationen durch hintereinander ausgeführte
Fouriertransformationen, die auf Teilbereiche der Bilder hintereinander angewendet
werden, ersetzt werden.
Eine zusätzliche Auswertung besteht darin, daß zwischen aufeinander folgenden
Auswertungen die Summe oder die Differenz der Gradienten gebildet wird. Dadurch
reduziert sich der normale Bildinhalt auf solche Anteile, die sich in den einzelnen
Bildern unterscheiden. Da nun z. B. turbulente Störungen dazu führen, daß die
aufeinanderfolgenden Bilder voneinander abweichen, werden durch Differenzbildung
zwischen den Auswertungen die zeitlichen Schwankungen in gestörten Bereichen
des Bildes sichtbar. Diese Differenzbildung kann nicht nur zwischen aufeinander
folgenden einzelnen Auswertungen erfolgen, sondern auch zeitlich weiter
auseinander liegende Abbildungen betreffen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgend beschriebenen
Zeichnungen dargestellt.
Fig. 1 erläutert im Schnitt längs der optischen Achse den typischen Strahlengang des
Hintergrund-Schlierenmeßverfahrens (1). Das zwischen Hintergrund (2) mit dem
Gegenstandspunkt (10) und abbildendem System (4) befindliche Phasenobjekt (3)
verlegt den Bildort eines Bildpunktes (8) an einen anderen Ort (9) der Bildebene (5).
Wird diese Verschiebung (7) gemessen, so erhält man ein Maß für die Stärke der
Lichtablenkung (15), die im Wesentlichen dem Gradienten der Dichte entspricht.
Fig. 2 zeigt einen typischen Abbildungsstrahlengang in räumlicher Ansicht, bei dem
ein beliebiges Phasenobjekt (3) das Bild eines gepunkteten Hintergrundes (2),
welches von einer Lochblende (4) erzeugt wird, stört. Zur Auswertung und
Bestimmung der Dichtegradienten im Düsenstrahl wird ein weiteres Bild
herangezogen, bei dem das Phasenobjekt nicht mehr vorhanden ist. Die
Verschiebung (7) der Bildpunkte von (8) nach (9) ergibt das wegintegrale
Gradientenfeld, sofern die Lichtablenkungen hinreichend klein sind.
Fig. 3 zeigt einen typischen Abbildungsstrahlengang in räumlicher Ansicht, bei dem
ein heißer Luftstrahl (3) aus einer Düse (6) das Bild (5) eines geeigneten
Hintergrundes (2), welches von einer Linse (4) erzeugt wird, stört. Zur Auswertung
und Bestimmung der Dichtegradienten im Düsenstrahl wird ein weiteres Bild
herangezogen, bei dem der Düsenstrahl an einer anderen Stelle des Bildfeldes stört
oder gar nicht mehr vorhanden ist. Die Verschiebung der Bildelemente im zweiten
Bild ergibt das wegintegrale Gradientenfeld, sofern die Verschiebungen für eine
ausreichende Zahl von Bildelementen bestimmt worden sind.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung (1) zur Messung von Wirbeln (3) mit mehreren optischen
oder auch phasenempfindlichen Kameras, die eine räumliche oder auch
tomographische Ausmessung einer Wirbelstruktur ermöglichen.
Fig. 5 zeigt ein typisches Punktmuster von Gegenstandspunkten, wie es als
Hintergrund verwendet werden kann.
Fig. 6 zeigt das Gradientenfeld eines Überschallstrahls mit vielen
Verschiebungsvektoren (7), welche mit einem Punktmuster nach Fig. 4 gemessen
wurden.
Fig. 7 zeigt das durch Integration erzeugte Dichtefeld eines Überschallstrahls mit
Linien konstanter Dichte und mit vielen Verschiebungsvektoren (7), welche als Basis
benutzt wurden.
Fig. 8 zeigt das Gradientenfeld eines Heißluftstrahles mit vielen Linien konstanten
Dichtegradientens, welche aus den Beträgen der Gradienten konstruiert wurden.
Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, wie es die Fig. 1 im Schnitt zeigt, erlaubt eine
exakte Berechnung der wegintegralen Gradienten der Dichte. Das nachfolgend
beschriebene - hier vereinfachte Schema - liegt dieser Berechnung zugrunde:
Für kleine Ablenkungswinkel (15) ist β = d'/a
Aus der Geometrie der Anordnung ergibt sich d'/g = d/b
Daraus folgt β = dg/ab oder mit β ~ grad n ~ grad ρ ~ dg/ab
Aus der Geometrie der Anordnung ergibt sich d'/g = d/b
Daraus folgt β = dg/ab oder mit β ~ grad n ~ grad ρ ~ dg/ab
Das bedeutet, daß der Gradient der Dichte p wegen der Proportionalität zum
Gradienten des Brechungsindex n durch den obigen Ausdruck aus
Punktverschiebung (7) d, Abstand g des Hintergrundes (2) vom Abbildungssystem
(4), Abstand a des Phasenobjektes (3) vom Hintergrund (2) und Bildweite b (13)
berechenbar ist. Bei großem Abstand g des Hintergrundes und optischer Abbildung
läßt sich der Bildabstand b (13) auch durch die Brennweite f des Abbildungssystems
ersetzen.
- A) Eine besondere Anwendung des Verfahrens als Wirbel- und Turbulenz-Meß- und
Wämgerät soll nachfolgend eingehend beschrieben werden:
- 1. Aufgabe, Zweck eines Wirbel- und Turbulenz-Meß- und Wamgerätes
Für viele strömungstechnischen Probleme ist das Erkennen oder das Messen des Turbulenzgrades der Strömung von Interesse. Der Zweck der Erfindung besteht darin, den Turbulenzgrad der Strömung auf einfache Weise ohne einen der üblichen Meßfühler festzustellen oder zu messen. Dieser Erfassungsvorgang soll möglichst auch räumliche Verteilungen von Turbulenz in Strömungsfeldern erkennen lassen und damit eventuell die Quelle der Turbulenz oder auch ein Gebiet besonders hoher oder gegebenenfalls auch kleiner Turbulenz in Strömungsfeldern zu finden gestatten.
Anwendungen der Gerätes bestehen darin, diese turbulenzarmen Gebiete zum störungsfreien Flug eines Flugzeuges zu benutzen, oder auch besonders turbulenzreiche Strömungsgebiete zum Zweck der Vermischung oder zur Förderung von Verbrennungsvorgängen zu erkennen. - 2. Darstellung des Stands der Technik.
Der Stand der Technik besteht im Bezug auf die Erkennung und Messung von Turbulenz und Wirbeln darin, daß mit Hilfe von mechanischen, elektrischen oder auch optischen Sonden lokal gemessen wird, in dem die Schwankungsgeschwindigkeiten oder die durch die Turbulenz oder Wirbel erzeugten Druckschwankungen registriert werden. - 3. Nachteile des Stands der Technik
Üblicherweise werden also Sonden, die in das Strömungsfeld eingebracht werden oder aber von außen her in das Strömungsfeld hineinmessen zu einer örtlichen Bestimmung der Schwankungsgrößen benutzt. Dieses Verfahren liefert nur Informationen über lokale Zustände, stört die Strömung und ist unter Umständen bei großen Entfernungen, wie sie z. B. in der Luftfahrt vorkommen, nicht gut anwendbar. - 4. Die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mit geeigneten Empfangsvorrichtungen, die sich in der Regel außerhalb des zu untersuchenden Strömungsfeldes befinden, eine Strahlung erfaßt wird, welche durch das Strömungsfeld gestört ist, so daß durch die Erfassung dieser Störungen der Grad der Turbulenz erkennbar wird. Das Verfahren basiert also darauf, daß verschiedene Arten von Hintergrund-Strahlung wie z. B. elektromagnetische Wellen von Sendern, insbesondere auch Licht, aber auch Schall, ja selbst statische, elektrische oder magnetische Felder durch die Wirbel oder Turbulenz gestört oder beeinflußt werden. Durch geeignete Meßvorrichtungen lassen sich diese Störungen registrieren und damit die Stärke im Medium feststellen.
Dieses Verfahren hat gegenüber den bekannten Methoden den Vorzug, daß es im allgemeinen mit einer natürlichen Hintergrundstrahlung, wie z. B. dem Tageslicht gestreut durch vorhandene Objekte wie Gebäude, Wolken etc., oder auch mit der Strahlung von selbstleuchtenden Objekten, z. B. Sternen, Lichtquellen von irdischem Ursprung, natürlichen Schallquellen oder auch Feldern, wie z. B. dem erdmagnetischen Feld oder elektromagnetischen Feldern von Kommunikationseinrichtungen arbeiten kann. Durch die Verwendung geeigneter Empfangsvorrichtungen, die eine flächige oder räumliche Darstellung des Empfangsfeldes gestatten, wie z. B. Kameras, Mikrofonarrays und ähnlichem kann die Störung aufgezeichnet und danach durch vergleichende Auswertung ermittelt werden.
Durch diese Verfahrensweise ist eine räumliche Auflösung der Felder möglich, die sich sowohl in lateraler als auch in axialer Sicht nutzen läßt insbesondere werden keine zusätzlichen Strahlungsquellen nötig, weil im allgemeinen stets irgendeine der genannten Strahlungsquellen vorhanden ist und für die Meßzwecke eingesetzt werden kann. In Sonderfällen lassen sich auch zusätzliche Strahlungsquellen, wie z. B. Lichtquellen, projezierte Gitter (Muster) oder auch Texturen von Hintergründen zusätzlich anbringen, um die Auswertung der von den Empfangsgeräten gelieferten Informationen zu erleichtern. - 5. Beschreibung von Anwendungen
Ein wichtiges Anwendungsbeispiel besteht in der Erkennungs- und Messungsmöglichkeit für Luftturbulenzen im Bereich des Flugverkehrs. Mit Hilfe einer Kamera lassen sich atmosphärische "Luftschlieren" genauso erkennen, wie sie oft mit bloßem Auge erkennbar sind. Diese Luftschlieren, die wohl am deutlichsten bei, dem Phänomen der Fata Morgana mit bloßem Auge beobachtet werden können, sind ein Zeichen für die Lichtablenkung von Hintergrundstrahlung durch Turbulenz oder auch durch Luftschichtungen. Diese Ablenkung der Strahlung kann erkannt und zur Registrierung oder Messung von Turbulenz benutzt werden, weil die zeitliche Ablenkungen der Strahlung die charakteristischen Schwankungen des gestörten Strömungsfeldes wiedergeben. Aber auch die von Luftfahrzeugen ausgehenden Wirbel, die oft durch eingelagerte heiße Abgase besonders gut identifizierbare Phasenobjekte sind, können mit dem Hintergrund-Schlierenverfahren auf einfache Weise gemessen werden. Dazu sind lediglich passende Hintergründe auszuwählen, deren Verzeichnung im Bild einer Kamera ausgewertet werden kann.
Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß mit Hilfe einer Videokamera das zu untersuchende Gesichtsfeld registriert und in digitaler Form zur Auswertung in einen Rechner eingespeist wird. Der Rechner kann nun durch Methoden der Bildanalyse feststellen, in welchen Bereichen des Bildes sich charakteristische Schwankungen des Bildinhaltes zeigen. Diese können analysiert werden, und zur Registrierung oder Messung des Turbulenzgrades benutzt werden.
Bei Nutzung des Verfahrens in bewegten Fahrzeugen, wie z. B. einem Flugzeug können die Eigenbewegungen und Schwingungen des Fahrzeuges die Messung stören. Hier kann Abhilfe dadurch geschaffen werden, daß Kameras mit automatischer Bildnachführung verwendet werden, die Globalschwankungen des Bildes, die durch Eigenbewegung des Fahrzeuges entstehen, ausgleichen. Diese "Bildstabilisierung" kann aber nicht die lokalen turbulenten Schwankungen des Bildinhaltes ausgleichen, so daß nach wie vor eine Auswertung bezüglich der atmosphärischen Turbulenz möglich ist. - Auf diese Weise können atmosphärische Turbulenzen durch die Hintergrundstrahlung von Wolken oder Sternen oder auch bei Dunkelheit durch irdische Lichtquellen sichtbar gemacht werden. Aber auch die Wirbelverteilungen an Flugplätzen, wie sie durch ankommende und startende Flugzeuge erzeugt werden, lassen sich auf diese Weise sichtbar machen und für sicherheitsrelevante Vorkehrungen nutzen.
- 1. Aufgabe, Zweck eines Wirbel- und Turbulenz-Meß- und Wamgerätes
- B) Nutzung des Hintergrund-Schlierenmeßverfahrens für Schichtdickenmessung und
für Materialuntersuchungen
- 1. Anwendungsbereiche, Aufgabe, Zweck eines Materialschlieren-Meßverfahrens
Der Einsatz des Hintergrund-Schlierenverfahrens erscheint besonders zweckmäßig zur Routineprüfung von optischen Gläsern wie Fensterscheiben oder Brillengläsern, von transparenten Folien und Kunststoffteilen von Flüssigkeitsfilmen und von anderen Beschichtungen, um Abweichungen in der Materialstärke oder Störungen einer angestrebten Formgebung zu ermitteln. - 2. Übliche Verfahrensweise zur Schichtdickenmessung
Zur Schichtdickenmessung von transparenten Schichten werden zumeist optische Verfahren wie Interferometer, Fokalmeßgeräte oder Schlierenverfahren klassischer Art eingesetzt. Dabei sind aufwendige Aufbauten und Hilfsmittel bei der Auswertung für räumliche Objekte erforderlich. - 3. Vorteile des Hintergrund-Schlierenmeßverfahrens für Schichtdickenmessung
Bei den genannten Anwendungen erweist sich als besonders vorteilhaft, daß durch die variable Einstellung der Empfindlichkeit sehr unterschiedlich gestörte Objekte mit der gleichen Apparatur gemessen werden können indem der strukturierte Hintergrund in einer angemessenen Entfernung angeordnet wird. Außerdem kann man im allgemeinen sofort ein exaktes Ergebnis für ein großes Objektfeld erhalten. - 4. Auswertung der Schichtmessungen
Aus dem Gradientenbild, welches sofort die Störungen der Schicht nach Größe und Richtung anzeigt, kann durch Integration des Gradientenfeldes leicht die absolute Größe der Abweichungen ermittelt werden.
- 1. Anwendungsbereiche, Aufgabe, Zweck eines Materialschlieren-Meßverfahrens
- C) Anwendung in der Aerodynamik
In der Aerodynamik sind gegenwärtig vielfach Hochgeschwindigkeitsströmungen von kompressiblen Gasen von Interesse. Eine Methode, die die Dichtegradienten in solchen Strömungen mit einem einfachen experimentellen Aufbau sichtbar und meßbar macht, ist daher von hohem Interesse. Nachfolgend einige Beispiele:- 1. Überschall- und Heißgasstrahlen
Alle Strahlen von Überschalldüsen oder von laufenden Triebwerken erzeugen stärke Dichtegradienten und mithin auch Lichtablenkung mit der ihre innere Struktur bestimmt werden kann. Mit dem Hintergrund Schlierenverfahren können sie gemessen werden. Eine besondere Anwendung ist die Messung von Flugzeugnachläufen und Wirbeln auf Flughäfen und die Messung von Rotorwirbeln von fliegenden Hubschraubern. - 2. Windkanalanwendung
In Windkanälen von, großen Abmessungen besteht bei den üblichen optischen Techniken oft das Problem der Begrenzung des Bildfeldes. Weil das Hintergrund- Schlierenverfahren mit seinem meist divergenten Strahlengang keine Feldbgrenzung hat und auch in schlecht zugänglichen Kanälen mit kleinen Fenstern angewendet werden kann, hat es hier erhebliche zusätzliche Vorteile. - 3. Fahrzeuginstrumentierung
Eine besonders interessante Anwendung ist die Instrumentierung von Fahrzeugen zur Messung von Turbulenzen und anderen atmosphärischen Störungen. Weil bei dem Verfahren stets der jeweils verfügbare Hintergrund als Referenz benutzt wird, entdeckt das Hintergrund-Schlierenverfahren zugleich auch alle Veränderungen im Hintergrundbild und kann diese nach Größe und Richtung anzeigen.
- 1. Überschall- und Heißgasstrahlen
- D) Andere Anwendungen
Eine andere Anwendung des Verfahrens besteht in der Überwachung von Feuerungsanlagen. Hier ist es oft interessant, den Vorgang der Verbrennung in den unterschiedlichen Bereichen einer Feuerungsanlage zu kontrollieren und zu steuern. Die turbulenten Schwankungen der heißen Verbrennungsgase geben darauf charakteristische Hinweise, die Ablenkung von Umgebungslicht durch eine Flamme oder Feuerung ist jedermann geläufig. Hier kann wiederum mit Hilfe von elektronischen Kameras und Verfahren der Bildanalyse eine präzise quantitative Auskunft über die Lage und Entstehung der lichtablenkenden Strukturen getroffen werden. Durch die Verwendung von Filtern, inklusive solchen für Polarisationseffekte lassen sich unter Umständen die Informationen noch präzisieren.
Bei Heizkörpern, Öfen und anderen Heißluftquellen kann mit dem Hintergrund-
Schlierenmessgerät auf einfache Weise die Verteilung der erwärmten Luft gemessen
werden.
Auch bei verfahrenstechnischen Prozessen, wie etwa der Mischung von
Flüssigkeiten, oder bei chemischen Reaktionen kann man mit dem Hintergrund-
Schlierenmessgerät den Fortschritt des Prozesses beurteilen und steuern.
Bei Verkehrsanlagen, wie Straßen, Tunneln und Schiffahrtswegen, aber auch auf
Flugplätzen und an Tankstellen kann mit einer Hintergrund-Schlierenmessung der
Grad der Luftverunreinigung durch Fremdgase gemessen und zu Kontroll- und
Steuerungszwecken verwendet werden.
Auch zur Überwachung von feuergefährdeten Bereichen oder Gasanlagen kann das
Hintergrund-Schlierenmessgerät eingesetzt werden.
Claims (14)
1. Schlierenmeßverfahren für dreidimensionale, strahlungsbrechende Dichte- oder
Materieverteilungen von Phasenobjekten zur Verwendung in der Visualisierungs-,
Regel-, Prozeß-, Überwachungs-, Meß- und Prüftechnik
dadurch gekennzeichnet,
daß die relative Ablenkung der Strahlung eines beliebig strukturierten, selbstleuch
tenden oder streuenden Hintergrundes in zwei Richtungen quer zur Achse eines Ab
bildungsstrahlenganges durch das Phasenobjekt hindurch mittels eines Strukturver
gleiches zwischen unterschiedlichen Abbildungen des strukturierten Hintergrundes
durch Verschiebungsermittlung von Bildelementen bestimmt wird.
2. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1
dadurch gekennzeichnet;
daß die Abbildungen durch das Objekt zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommen
werden, womit die zeitliche Entwicklung der Strahlungsablenkung im Phasenobjekt
erfaßt wird.
3. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abbildungen von strukturierten Hintergründen mittels fotografischer oder
elektronischer Kameras durch das Phasenobjekt aufgenommen werden.
4. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abbildungen des strahlenden, strukturierten Hintergrundes durch eine An
ordnung von phasenempfindlichen Strahlungsempfängem erfolgen, aus deren Si
gnalen mittels geeigneter Transformationen sowohl die Bilder des Hintergrundes als
auch des davor liegenden Phasenobjektes rekonstruiert werden.
5. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1 und 3
dadurch gekennzeichnet,
daß stereoskopische Anordnung von mehreren Kameras eine räumliche Rekon
struktion von identifizierbaren Schlierenstrukturen im Phasenobjekt liefert.
6. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1 und 3
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Anordnung von mehreren Kameras unter verschiedenen Aufnahmewinkeln
mittels einer geeigneten mathematischen Transformation der Abbildungen eine
räumliche Rekonstruktion von unbekannten Schlierenverteilungen im Phasenobjekt
erlaubt.
7. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6
dadurch gekennzeichnet,
daß als Phasenobjekt räumlich verformte Grenzflächen vermessen werden.
8. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6
dadurch gekennzeichnet,
daß als Hintergrund Punktmuster verwendet werden, wobei die laterale Verschie
bung der Einzelpunkte im Mustervergleich die Strahlungsablenkung kennzeichnet
und die Punktdichte die Objektauflösung bestimmt.
9. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6
dadurch gekennzeichnet,
daß natürliche Hintergründe verwendet werden, die es ermöglichen Störungen in der
zwischenliegenden Atmosphäre oder einem Medium zu messen.
10. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6
dadurch gekennzeichnet,
daß das Hintergrund-Schlierenmeßverfahren zur Messung von Schlieren in Gläsern
und Flüssigkeiten verwendet wird.
11. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6
dadurch gekennzeichnet,
daß mit dem Verfahren Schichtdickenänderungen von transparenten Objekten ge
messen werden.
12. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6
dadurch gekennzeichnet,
daß mit dem Verfahren die Steuerung von Überwachungs-, Lagerhaltungs-, Produk
tions- und Verbrennungsprozessen erfolgt.
13. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6
dadurch gekennzeichnet,
daß durch Verwendung von Filtern unterschiedliche Anteile der Hintergrundstrahlung
für das Verfahren genutzt werden. Die Änderung der Empfindlichkeit wird für selekti
ve Messungen am Phasenobjekt genutzt, um so verschiedene Substanzen unter
scheiden zu können.
14. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6
dadurch gekennzeichnet,
daß falls bei dem Hintergrund-Schlierenverfahren das Hintergrundobjekt nicht statio
när vorhanden ist, aus den gestörten Bildern durch Mittelung über eine größere Zahl
von Aufnahmen ein gemitteltes Hintergrundbild erzeugt wird, mit dem dann die Ein
zelbilder zur Messung von Abweichungen verglichen werden.
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