-
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 abbildendenden
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. 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 Element,
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 gegenstandseitigen 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
5 zeigt
ein typisches Punktmuster von Gegenstandspunkten, wie es als Hintergrund
verwendet werden kann.
-
6 zeigt
das Gradientenfeld eines Überschallstrahls
mit vielen Verschiebungsvektoren (7), welche mit einem
Punktmuster nach 4 gemessen wurden.
-
7 zeigt
das durch Integration erzeugte Dichtefeld eines Überschallstrahls mit Linien
konstanter Dichte und mit vielen Verschiebungsvektoren (7),
welche als Basis benutzt wurden.
-
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 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
-
Das
bedeutet, daß der
Gradient der Dichte ρ 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.
-
Besondere
Anwendungen des Hintergrund-Schlierenmeßverfahrens
-
A. Eine besondere Anwendung des Verfahrens
als Wirbel- und Turbulenz-Meß-
und Warngerät
soll nachfolgend eingehend beschrieben werden:
-
A1. 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.
-
A2. 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.
-
A3. 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.
-
A4. 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.
-
A5. 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.
-
B. Nutzung des Hintergrund-Schlierenmeßverfahrens
für Schichtdickenmessung
und für
Materialuntersuchungen
-
B1. 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 Materialstarke
oder Störungen
einer angestrebten Formgebung zu ermitteln.
-
B2. 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.
-
B3. 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.
-
B4. 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.
-
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:
-
C1. Überschall-
und Heißgasstrahlen
-
Alle
Strahlen von Überschalldüsen oder
von laufenden Triebwerken erzeugen starke 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.
-
C2. 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.
-
C3. 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.
-
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.