DE4200309A1 - Vorrichtung und verfahren zur ermittlung der stroemung eines stroemungsmediums - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermitt­ lung der Strömung eines Strömungsmediums innerhalb eines vor­ gebbaren Meßraumes. Des weiteren betrifft die vorliegende Er­ findung ein Verfahren zur Ermittlung der Strömung eines Strö­ mungsmediums innerhalb eines vorgebbaren Meßraumes, insbeson­ dere zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Strömungsmeßvorrichtungen sind unter Ausnutzung entsprechender Verfahren in den unterschiedlichsten Ausgestaltungen aus der Praxis bekannt. So läßt sich die Strömung eines Strömungsmedi­ ums beispielsweise über die zwischen durchströmten Leitern auf­ tretende Corioliskraft ermitteln. Ebenso sind rein mechanische Vorrichtungen zur Ermittlung der Strömung eines Strömungsmedi­ ums bekannt, wonach durch das Strömungsmedium ein im Strömungs­ pfad angeordnetes Laufrad oder dergleichen angetrieben wird.

Strömungsmeßvorrichtungen der zuvor beschriebenen Art sind je­ doch in der Praxis äußerst problematisch, da sie einen erhebli­ chen apparativen Aufwand zum Leiten des Strömungsmediums erfor­ dern. Vor allem aber steht die Vorrichtung in direktem Kontakt mit dem Strömungsmedium, so daß die Handhabung beispielsweise radioaktiver Strömungsmedien oder mit sonstigen Schadstoffen kontaminierter Strömungsmedien äußerst problematisch ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ermittlung der Strömung eines Strömungsme­ diums sowie ein entsprechendes Verfahren anzugeben, bei der bzw. bei dem die Strömung quasi kontaktlos ohne zusätzliche Leitungssysteme innerhalb eines frei definierbaren Meßraumes mit einfachen technischen Mitteln ermittelbar ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung der Strömung eines Strömungsmediums, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 be­ schrieben. Danach sind zwei lichtoptisch arbeitende Detektoren und mindestens ein über eine Schnittstelle mit den Detektoren verbundener Prozessor vorgesehen. Der Prozessor dient zur Auf­ nahme bzw. Verarbeitung elektrischer Bildsignale der Detekto­ ren. Die Detektoren sind dabei derart angeordnet, daß deren Meßraum, d. h. Meßkegel, Meßpyramide, Meßtetraeder oder derglei­ chen, durch gegenseitiges Überschneiden einen gemeinsamen Meß­ raum aufspannen, in dem sie im Strömungsmedium mitbewegte Ob­ jekte im Zeitverlauf unabhängig voneinander detektieren. Der Prozessor ermittelt dann - über einen entsprechenden Algorith­ mus - aus den Bildsignalen beider Detektoren die Lage der ein­ zelnen Objekte innerhalb des Meßraumes. Im Zeitverlauf werden entsprechend die Lageänderungen der Objekte und somit die Strö­ mungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums ermittelt.

Hinsichtlich einer eindeutigen Erfassung der jeweiligen Lage der im Strömungsmedium befindlichen Objekte ist es von beson­ derem Vorteil, wenn die Detektoren identischen Abstand zum Schnittpunkt der Mittellinien ihrer Meßkegel, Meßpyramiden, Meßtetraeder oder dergleichen, d. h. zum Zentrum, aufweisen. Ein Einjustieren der Vorrichtung ist dadurch im übrigen wesentlich vereinfacht.

In weiter vorteilhafter Weise bilden die Detektoren mit den Mittellinien ihrer Meßkegel, Meßpyramiden, Meßtetraeder oder dergleichen einen bestimmten Winkel zueinander, der größer als 0° und kleiner als 180° zuzüglich bzw. abzüglich der Summe der halben horizontalen Öffnungswinkel der Meßkegel oder dgl. der beiden Detektoren ist. Ungeachtet dieses grundsätzlich mögli­ chen Bereichs einer winkelmäßigen Anordnung der Detektoren zu­ einander ist es von ganz besonderem Vorteil, wenn die Detekto­ ren mit den Mittellinien ihrer Meßkegel zwei der drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems bilden. Eine solche Aus­ gestaltung erleichtert die numerische Auswertung der Objektko­ ordinaten insoweit, als durch die Detektoren selbst ein karte­ sisches Koordinatensystem zumindest im Rahmen zweier Achsen aufgespannt ist.

Als lichtoptische Detektoren lassen sich in vorteilhafter Weise Fotoaufnehmer oder Videokameras verwenden. Aufgrund der Notwen­ digkeit zweier solcher Videokameras ist es von weiterem Vor­ teil, wenn diese identische Objektive bei beliebigen Brennwei­ ten und Blickwinkeln aufweisen. Insbesondere beim Einsatz der Videokamera direkt im Strömungsmedium könnte diese in einem ab­ geschirmten oder wasserdichten Gehäuse angeordnet sein, so daß diese dem Strömungsmedium gegenüber geschützt ist.

Die Videokamera könnte sowohl als Analogkamera als auch als Di­ gitalkamera ausgeführt sein. Bei Verwendung einer Analogkamera müßte dieser Videokamera ein Analog-Digital-Wandler nachge­ schaltet sein, damit die Bildsignale bzw. Bildinformationen zur Ablage in einem binären Bildspeicher digitalisiert werden.

Im Hinblick auf die eindeutige Definition des Meßraumes und im Hinblick auf eine eindeutige Detektion der im Strömungsmedium befindlichen Objekte ist es von ganz besonderem Vorteil, wenn eine besondere Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten des Meß­ raumes vorgesehen ist. Diese Beleuchtungseinrichtung könnte als Lampe bzw. als Leuchte ausgeführt sein. Diese Leuchte wäre dann bevorzugt in Richtung der dritten Achse des durch die beiden Videokameras bereits im Rahmen zweier Achsen vorgegebenen kar­ tesischen Koordinatensystems gerichtet, so daß die Blickfelder der beiden Videokameras und der Lichtkegel der Beleuchtungsein­ richtung durch gegenseitige Überlagerung den Meßraum insgesamt vorgeben bzw. definieren.

Hinsichtlich einer einwandfreien Datenübertragung zwischen den Detektoren bzw. Videokameras und dem bereits zuvor angespro­ chenen Prozessor zur Verarbeitung der Bildinformationen sind zwischen den Sensoren bzw. Videokameras und dem Prozessor ana­ loge und/oder digitale Datenübertragungsleitungen vorgesehen. So könnte im Falle der Verwendung einer Analogkamera zwischen der Videokamera und einem Analog-/Digitalwandler eine analoge Datenübertragungsleitung und zwischen dem Analog-/Di­ gitalwandler und dem Prozessor eine digitale Datenübertra­ gungsleitung vorgesehen sein.

Insbesondere dann, wenn die Strömungsbedingungen in dem zu un­ tersuchenden Strömungsmedium eine Echtzeit-Verarbeitung der Bilddaten nicht zulassen, könnte in besonders vorteilhafter Weise zwischen den Detektoren bzw. Videokameras und dem bild­ verarbeitenden Prozessor ein besonderes Speichermedium zur Zwi­ schenspeicherung der Bildsignale vorgesehen sein. Bei diesem Speichermedium kann es sich in besonders einfacher Weise um einen Videorecorder zur Aufnahme der von den Videokameras er­ zeugten Einzelbilder handeln. Auch wäre der Einsatz eines opti­ schen, elektronischen oder magnetischen Binär-Datenspeichers möglich, wobei hier vorzugsweise digitalisierte Bilddaten abge­ speichert würden.

Die eingangs erwähnte Schnittstelle zur Übertragung der elek­ tronischen Bildsignale der Detektoren auf den Prozessor könnte im Sinne einer Bildverarbeitungskarte ausgebildet sein. Die durch das Speichermedium gespeicherten und ggf. durch den Pro­ zessor verarbeiteten bzw. aufbereiteten digitalen Bildinforma­ tionen könnten über eine weitere oder über die gleiche Bildver­ arbeitungskarte in analoge Bildinformationen rückgewandelt und zur Echtzeit-Darstellung sowie zur Kontrolle der Bildverarbei­ tungsprozesse auf einem Monitor dargestellt werden. Somit hätte man eine wirkungsvolle Überwachungsmöglichkeit der einzelnen Bildverarbeitungsschritte zur Ermittlung der Strömungsgeschwin­ digkeit.

Zur Beschleunigung der Bildverarbeitungsprozesse könnte in wei­ ter vorteilhafter Weise im Signalpfad direkt vor und/oder di­ rekt nach dem Binär-Datenspeicher ein Echtzeit-Binärdaten-Kon­ verter (Input- und Output-Look-Up-Table) vorgesehen sein. Auch diese Elemente könnten integrale Bestandteile der Bildverarbei­ tungskarte sein.

Die zur Visualisierung der Strömung dienenden Objekte sind in besonders vorteilhafter Weise der Dichte des Strömungsmediums zumindest weitgehend angepaßt. Dadurch ist gewährleistet, daß diese Objekte in der Strömung quasi schweben und sich nicht ab­ setzen oder an die Oberfläche der Strömung bewegen. Im Falle von gasförmigen Strömungsmedien eignen sich besonders Kugeln aus Styropor, die von einer gasförmigen Strömung stets mitge­ rissen werden. Bei flüssigem Strömungsmedium lassen sich beson­ ders gut Polyethylen-Objekte verwenden, die entsprechend der Dichte des Strömungsmediums mehr oder weniger mit Flußspat oder dgl. gemischt werden können.

Die Objekte sind in weiter vorteilhafter Weise an ihrer Ober­ fläche derart beschaffen, daß die an ihnen auftretenden Rei­ bungskräfte bei einer im Verhältnis zu den zu untersuchenden Strömungsgeschwindigkeiten geringen Relativgeschwindigkeit die in der Strömung an ihnen auftretenden Trägheitskräfte überwie­ gen. Feldkräfte im Meßraum, beispielsweise die Schwerkraft, werden durch entsprechende Korrekturrechnung im Prozessor weit­ gehend eliminiert.

Der ein Verfahren betreffende Teil der der erfindungsgemäßen Lehre zugrundeliegenden Aufgabe wird durch die Merkmale des Pa­ tentanspruches 23 gelöst. Danach sind zur Ermittlung der Strö­ mung eines Strömungsmediums innerhalb eines vorgebbaren Meßrau­ mes folgende Vefahrensschritte vorgesehen:

Zunächst einmal werden sich mitbewegende Objekte in das Strö­ mungsmedium gegeben, die zur Visualisierung der Strömung die­ nen. Zur eigentlichen Messung werden zwei vorzugsweise als Ka­ meras ausgeführte Detektoren und ggf. eine Leuchte derart an­ geordnet, daß sich deren Meßkegel, Blickfelder oder dgl. und ggf. der Lichtkegel der Leuchte überschneiden und dabei einen gemeinsamen Meßraum im Bereich des Strömungsmediums bilden. Die Detektoren bzw. Kameras werden mittels eines in den Meßraum einzubringenden Kalibrierkörpers justiert. Dann erfolgt die Aufnahme von Meßsignalen bzw. Bildern durch die Detektoren bzw. Kameras in zeitlichen Abständen. Die Meß- bzw. Bildsignale wer­ den in digitale Form gewandelt und einem Prozessor zugeleitet. Dort erfolgt eine Verarbeitung der Meß- bzw. Bilddaten im Sinne einer Mustererkennung zur Ermittlung der räumlichen Lageände­ rung der Objekte im Zeitverlauf und somit zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums.

Vor der Übertragung in den Prozessor können die Meß- bzw. Bild­ signale je Detektor bzw. Kamera in einen vorzugsweise digitalen Datenspeicher übertragen werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine Echtzeitverarbeitung der Daten aufgrund ei­ ner sehr schnellen Bildfolge bei entsprechender Strömungsge­ schwindigkeit nicht möglich ist.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, den Gegenstand der vor­ liegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Pa­ tentansprüche 2 bis 23 sowie 25, andererseits auf die Erläute­ rung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeich­ nung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevor­ zugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen der Lehre erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung die Anordnung von Detektoren und Beleuchtung im Raum bei einem Ausfüh­ rungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 in einer schematischen Darstellung im Sinne eines Blockschaltbildes die Verarbeitung eines Video-Si­ gnals bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 in einer schematischen Darstellung im Sinne eines Blockschaltbildes die im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete Bildverarbeitungskarte,

Fig. 4 in einer schematischen Darstellung die Blickkegel der Kameras und Detektion von Objekten im Strömungsme­ dium,

Fig. 5 in einer schematischen Darstellung das Detektionsprinzip zur Ermittlung der Strömungsge­ schwindigkeit und

Fig. 6 eine Referenzmatrix gemäß Einzel-Referenz-Verfahren als Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung - teilweise - ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Er­ mittlung der Strömung eines Strömungsmediums innerhalb eines vorgebbaren Meßraumes 1. In erfindungsgemäßer Weise sind zwei lichtoptisch arbeitende Detektoren vorgesehen, wobei es sich hier um zwei Kameras 2 handelt.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen gemeinsam, daß die Kameras 2 über eine Schnittstelle 3 mit einem Prozessor 4 zur Aufnahme bzw. Verar­ beitung elektronischer Bildsignale der Kameras 2 verbunden sind. Bei dem Prozessor handelt es hier um einen Personal Com­ puter (PC).

Fig. 1 zeigt besonders deutlich, daß die Kameras 2 derart ange­ ordnet sind, daß deren Meßkegel 5 bzw. Blickfeld durch gegen­ seitiges Überschneiden einen gemeinsamen Meßraum 1 aufspannen, in dem sie im Strömungsmedium mitbewegte Objekte 6 im Zeitver­ lauf unabhängig voneinander detektieren. Der Prozessor 4 ermit­ telt aus den Bildsignalen beider Kameras 2 die Lage bzw. im Zeitverlauf die Lageänderung der Objekte 6 und somit die Strö­ mungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums.

Bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel weisen die Kameras 2 identischen Abstand zum Schnittpunkt der Mittellinien 7 ihrer Meßkegel, d. h. zum Zentrum, auf.

Die Kameras 2 sind gemäß der Darstellung in den Fig. 1 und 4 so angeordnet, daß die Mittellinien 7 der Meßkegel 5 einen Winkel von etwa 90° zueinander bilden. Genauer gesagt bilden die Kame­ ras 2 mit den Mittellinien 7 ihrer Meßkegel 5 zwei der drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems.

Gemäß der Darstellung in Fig. 3 handelt es sich bei den verwen­ deten Kameras 2 um analog arbeitende Videokameras. Folglich sind den Kameras 2 Analog-Digital-Wandler 8 nachgeschaltet, die auf einer als Schnittstelle 3 dienenden, entsprechenden Bildverarbeitungskarte 9 angeordnet bzw. dort integriert sein können.

In Fig. 1 ist des weiteren angedeutet, daß zum Beleuchten des Meßraumes 1 eine besondere Beleuchtungseinrichtung 10 bzw. eine Lampe vorgesehen ist. Die Beleuchtungseinrichtung 10 ist in Richtung der dritten Achse des kartesischen Koordinatensystems zum Zentrum hin gerichtet. Folglich bilden die Blickfelder bzw. Meßkegel 5 der beiden Kameras 2 und der Lichtraum, der Lichtke­ gel oder dgl. der Beleuchtungseinrichtung 10 durch gegenseitige Überlagerung den Meßraum 1. Die Beleuchtungseinrichtung 10 ist vorzugsweise derart ausgeführt, daß sie paralleles Licht aus­ sendet. Es kann sich dabei um eine Punktlichtquelle mit Para­ bolspiegel und einer vorzugsweise quadratischen Blende handeln.

Zwischen den Kameras 2 und dem Prozessor 4 sind sowohl analoge als auch digitale Datenübertragungsleitungen 11, 12 vorgesehen, was insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht. Des weiteren ist zwi­ schen den Kameras 2 und dem Prozessor 4 ein Speichermedium in Form eines Binär-Datenspeichers 13 vorgesehen. Sowohl der Ana­ log-Digital-Wandler 8 als auch der Binär-Datenspeicher 13 sind auf der Bildverarbeitungskarte 9 angeordnet. Des weiteren ist dort gemäß der Darstellung in Fig. 3 eine Anzeige-Logik 14 vor­ gesehen, von welcher aus die Daten an einen Monitor 15 geleitet werden. Mit anderen Worten werden die durch das Speichermedium bzw. den Binär-Datenspeicher 13 gespeicherten und ggf. durch den Prozessor 4 verarbeiteten bzw. aufbereiteten digitalen Bildinformationen mittels der Bildverarbeitungskarte 9 in ana­ loge Bildinformationen rückgewandelt und zur Echtzeit-Darstel­ lung sowie zur Kontrolle der Bildverarbeitungsprozesse auf dem Monitor 15 dargestellt.

Des weiteren ist in den Fig. 4 und 5 lediglich schematisch an­ gedeutet, daß zur Visualisierung der Strömung besondere Objekte 6 vorgesehen sind. Diese Objekte 6 sind in etwa der Dichte des Strömungsmediums angepaßt. Die Objekte 6 sind an ihrer Oberflä­ che derart beschaffen, daß die an ihnen auftretenden Reibungs­ kräfte bei einer im Verhältnis zu den zu untersuchenden Strö­ mungsgeschwindigkeiten geringen Relativgeschwindigkeit die in der Strömung an ihnen auftretenden Trägheitskräfte überwiegen.

Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist folgendes auszuführen:

Die beiden Kameras 2 sind, wie bereits zuvor beschrieben, so anzuordnen, daß sich deren Blickfelder bzw. Meßkegel 5 im zu untersuchenden Raum überschneiden und so den Meßraum 1 bilden. Die Lage der Brennpunkte der beiden Kameras 2, deren Blickrich­ tung im Raum, die Brennweite der Objektive sowie ggf. deren Ab­ bildungseigenschaften (Verzerrung, etc.) müssen im Rahmen der gewünschten Meßgenauigkeit bzw. Auswertbarkeit entsprechend ex­ akt bekannt sein bzw. vermessen oder einjustiert werden. Eine Justierung der Vorrichtung erfolgt mit Hilfe eines in den Meß­ raum 1 einzubringenden Kalibrierkörpers. Nähere Ausführungen hierzu erübrigen sich unter Hinweis auf aus dem Stand der Tech­ nik bekannten einschlägigen Kalibrierverfahren.

In bestimmten zeitlichen Abständen werden von beiden Kameras 2 in den jeweiligen digitalen Bildspeicher 13 je ein Bild übertra­ gen, und darauf mit einem Mustererkennungsverfahren die Flä­ chenschwerpunkte der auf dem Bild abgebildeten Objekte 6 bzw. sog. Tracer-Teilchen bestimmt. Zusätzlich wird die Größe der Fläche (Anzahl der Bildpunkte) ermittelt.

Für den Fall eines synchronen Bildeinzuges von jeder der beiden Kameras 2 werden nun mit den vorher ermittelten Projektions-be­ stimmenden Parametern für jede Koordinate (Flächen-Schwer­ punkts-Koordinate - sollte möglichst aus Genauigkeitsgründen ein Kreismittelpunkt bei Kugeln als Tracer-Teilchen sein) eines Tracer-Teilchens bzw. Objektes 6 auf den beiden Bildern die Gleichung des Projektionsstrahls vom Kamera-Brennpunkt in den Raum berechnet (siehe Darstellung in Fig. 4). Für jeden dieser Strahlen des einen Kamerabildes wird nun mit allen Strahlen des anderen Kamerabildes der minimale Abstand der beiden Strahlen im Raum berechnet, und mit einem Maximal-Abstandswert vergli­ chen. Dieser wird aus

• a) der Größe der Tracer-Teilchen bzw. Objekte 6 und
• b) den Toleranzen für die gesamte Abbildungsgenauig­ keit der Kameras bestimmt.

Ist der minimale Abstand der Geraden kleiner als der Schwell­ wert, so wird zunächst angenommen, daß sich zum Aufnahmezeit­ punkt der beiden Bilder an der berechneten Stelle im Raum (genau: die Mitte der Minimalen-Abstandslinie zwischen beiden Strahlen) ein Teilchen befunden haben kann. Ist ein solcher "Schnittpunkt" für die beiden beteiligten Projektionsstrahlen der einzige (keiner der beiden Strahlen hat noch andere Schnittpunkte mit einem oder mehreren anderen Strahlen der je­ weiligen anderen Kamera 2), dann ist dieser Schnittpunkt eine "eindeutige" Teilchenposition. Anderenfalls liegt lediglich eine "mögliche" Teilchenposition vor.

Werden die Bilder der beiden Kameras 2 nicht zeitsynchron ein­ gezogen, dann wird zum Schwellwert ein Abstand addiert, der sich aus dem Produkt des zeitlichen Versatzes der beiden Bilder mit der für die Auswertung vorzugebenden maximalen Strömungsge­ schwindigkeit ergibt. Resultat der Auswertung eines Bildpaares ist also eine bestimmte Anzahl von Teilchenkoordinaten, die den Zusatz "eindeutige" oder "mögliche" Position tragen. Beide Ty­ pen von Bilddaten gehen in die weitere Verarbeitung, d. h. in die Verfolgung dieser Teilchen innerhalb des beobachteten Rau­ mes bzw. Meßraumes 1, ein.

Grundvoraussetzung für die Verfolgungsauswertung, d. h. die Zu­ ordnung von Positionen des einen Zeitpunktes zu denen eines früheren oder späteren, ist, daß es für das zu untersuchende Strömungsgeschehen möglich sein muß, eine in diesem Raum maxi­ mal auftretende Geschwindigkeit anzugeben. In der Regel wird es bei der Anwendung des Verfahrens so sein, daß diese Geschwin­ digkeit je nach Abschätzbarkeit des Strömungsvorganges weit über der tatsächlichen Strömungsgeschwindigkeit liegen wird. Eine solche freie Wahl der maximalen Strömungsgeschwindigkeit schränkt jedoch das Verfahren lediglich hinsichtlich der "Ausbeute" ermittelter Strömungsvektoren ein. Da diese Auswer­ tung nach der eigentlichen Messung durchgeführt werden kann (in Echtzeit werden nur die Teilchenpositionen auf den Kamera­ bildern bestimmt und gespeichert), kann sie ggf. mit einem bes­ seren Vorgabewert wiederholt werden (bis das "nicht erklärbare" Verschwinden eines Objekts 6 gemeldet wird). Die Auswertung wird unmöglich, wenn die Länge, die sich aus der Differenzzeit zwischen den beiden beteiligten Bildpaaren und der vorzugeben­ den maximalen Strömungsgeschwindigkeit berechnet, größer wird als die Hälfte der kleinsten Kantenlänge des Meßvolumens (vorausgesetzt, die Strömungsrichtung ist nicht bekannt bzw. nicht eindeutig ausgerichtet). Dann kann nämlich nicht mehr mit Sicherheit gesagt werden, ob nicht die beteiligten Teilchen aus dem seitlichen Rand eingedrungen sind, oder dorthin ver­ schwunden sind (vgl. Fig. 5). Anders ausgedrückt ist der Rand­ bereich eine Zone, in der Teilchenpositionen nur dann ausgewer­ tet werden können, wenn mindestens die eine beteiligte Position nicht in diesem Bereich, sondern in dem nicht mit dieser Unsi­ cherheit behafteten zentralen Bereich des Meßraumes 1 liegt. Der Randbereich erstreckt sich nun aber von jeder der Beran­ dungsflächen des Meßraumes 1 zur Mitte hin (orthogonal auf diese Fläche) mit exakt dieser kritischen Länge "maximale Ge­ schwindigkeit mal Differenzzeit" und würde, falls diese Länge die halbe Kantenlänge des Meßraumes 1 übersteigt, den gesamten Meßraum 1 ausfüllen, und damit die Auswertung unmöglich machen. Praktisch bedeutet dies die Notwendigkeit, von der vollautoma­ tischen Echtzeit-Messung auf eine der beschriebenen Möglichkei­ ten mit Zwischenaufzeichnung auszuweichen.

Das Verfahren selbst besteht nun gemäß der Darstellung in Fig. 5 darin, innerhalb einer um ein Objekt 6 herum gedachten Kugel 17 zur Zeit 1 mit einem Radius mit eben dieser beschriebenen kritischen Länge eines oder mehrere Objekte 6 zur Zeit 2 zu finden. Wird nur eines gefunden, und ist weder das zur Zeit 1 noch das zur Zeit 2 im kritischen Randbereich, ist die Zuord­ nung durchführbar. War die vorgegebene Strömungsgeschwindigkeit tatsächlich größer als die maximal vorkommende, kann sich das Objekt 6 zur Zeit 1 nicht weiter als eben bis zum Rand dieser Kugel bewegt haben, also gemäß Objekt zur Zeit 2.

Weitere Voraussetzung ist natürlich, daß das Objekt zur Zeit 1 und das Objekt zur Zeit 2 in ihrer Positionskennung die Bezeich­ nung eindeutig tragen. Dieses ist die Basis des Verfahrens, und gleichzeitig Garant für eine absolut sichere Zuordnung. Es ist aber durchaus möglich, komplexere Zuordnungen in eindeutige Zu­ ordnungen zu transformieren.

Dazu wird auf das "Einzel-Referenz-Verfahren" gemäß der Dar­ stellung in Fig. 6 verwiesen, wonach mehrere mögliche Objekt- Partner der Zeit 2 auf einen reduziert werden. Alle möglichen Verfolgungen werden in einer zweidimensionalen Matrix, bei der auf der einen Achse die Partner zur Zeit 1 und auf der anderen Achse die Partner zur Zeit 2 aufgetragen werden, erfaßt.

Aus Gründen der besseren Verständlichkeit sei zunächst einmal angenommen, es gäbe nur solche Positionen mit der Kennung "eindeutig". Desweiteren sei angenommen, keine dieser Positio­ nen liege im kritischen Randbereich. Gibt es nun in einer Spalte oder in einer Zeile der Matrix gemäß Fig. 6 eine einzige Zuordnung, hat also das entsprechende Objekt zum Zeitpunkt 1 nur einen einzigen anderen Partner zum Zeitpunkt 2, dann kann der Partner nicht weiter Partner für Teilchen des ersten Zeit­ punktes sein. Wenn also in einer Zeile nur eine Zuordnung exi­ stiert, müssen alle weiteren Zuordnungen der betreffenden Spalte gelöscht werden. Dadurch werden aber möglicherweise an­ dere Zuordnungen eindeutig, d. h. der Suchalgorithmus wird so­ lange wiederholt, bis keine weiteren Zuordnungen mehr gelöscht werden können. Der unauflösbare Rest von Zuordnungen wird als nicht verfolgbar eliminiert.

Das Verfahren wird nun aber noch wesentlich aufwendiger, da sowohl die in der Positionsbestimmung gewonnene Bezeichnung "mögliche Position" als auch die Lage einer Position im Randbe­ reich berücksichtigt werden müssen. Die Vorgehensweise ist dann wie folgt

Bei der Verfolgungsauswertung werden grundsätzlich alle Posi­ tionen berücksichtigt. Nur diejenigen Positionen, die gleich­ zeitig die Merkmale "eindeutig" und "nicht im Randbereich" er­ füllen, sind aufgrund der Verfahrenslogik in der Lage, im Ein­ zel-Referenz-Verfahren andere Zuordnungen zu löschen. Solche Positionen sind quasi sicher und können nicht einfach elimi­ niert werden. Tritt dagegen eine Kombination der Merkmale "beide eindeutig", aber "eine davon im Randbereich" auf, so kann nur derjenige Partner eine Löschung verursachen, der nicht im Randbereich liegt bzw. lag. Folglich kann je nach Situation entweder nur die Zeile oder nur die Spalte gelöscht werden, was nichts anderes bedeutet, als daß der Partner im Randbereich nur aus der Mitte stammen kann. Genau das gleiche Prinzip kann auf eine Kombination der Merkmale "eindeutig" und "nicht eindeutig" angewandt werden. Bleibt hier der sicheren Position nur noch die mögliche Position als Partner (das ist ein verdecktes Ob­ jekt), dann wird die mögliche Position als einzige Alternative zur sicheren bzw. eindeutigen Position.

Allerdings existiert noch eine - wenn auch nur untergeordnete - zusätzliche Erschwernis. Bei einer Begrenzung des Meßraumes durch einen Lichtkegel bzw. vertikalen Lichtschacht gibt es im oberen und im unteren Endbereich des Meßraumes 1 Ecken, die nur die eine Kamera "sieht", die andere aber nicht. In der Projek­ tion dieser Ecken auf das Kamerabild sind dies Sektoren, die wie Dreiecke von oben und von unten ins Bild ragen. In diesen Sektoren werden nun aber sowohl Objekte abgebildet, die nur diese Kamera sieht, als auch solche Objekte, die auch die an­ dere Kamera "sieht". Die entscheidende Rolle spielt hier die Tiefe des Objekts im Meßraum. Diese Sektoren werden daher als "possibly single referenced sectors" bezeichnet. Entsprechend wird ein Objekt aus diesem Bereich ebenfalls mit diesem zusätz­ lichen Titel versehen. Unter Zugrundelegung ähnlicher Kriterien gemäß voranstehender Beschreibung wird das Objekt korrekt mit in den Algorithmus aufgenommen. Bei fehlender Begrenzung des Meßraumes durch vertikale Ausleuchtung treten solche Sektoren dann zusätzlich auch an den seitlichen Bildrändern auf, wodurch sich das Verfahren jedoch nicht grundliegend ändere.

Abschließend sei noch hervorgehoben, daß das voranstehend erör­ terte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens die beanspruchte Lehre nicht einschränkt, diese vielmehr beispielhaft erörtert.

Claims (25)

1. Vorrichtung zur Ermittlung der Strömung eines Strömungsme­ diums innerhalb eines vorgebbaren Meßraumes (1), gekennzeichnet durch zwei lichtoptisch ar­ beitende Detektoren (2) und einen über eine Schnittstelle (3) mit den Detektoren (2) verbundenen Prozessor (4) zur Aufnahme bzw. Verarbeitung elektronischer Bildsignale der Detektoren (2), wobei die Detektoren (2) derart angeordnet sind, daß deren Meßkegel (5) oder dgl. durch gegenseitiges Überschneiden einen gemeinsamen Meßraum (1) aufspannen, in dem sie im Strömungsme­ dium mitbewegte Objekte (6) im Zeitverlauf unabhängig voneinan­ der detektieren und wobei der Prozessor (4) aus den Bildsigna­ len beider Detektoren (2) die Lage bzw. im Zeitverlauf die La­ geänderung der Objekte (6) und somit die Strömungsgeschwindig­ keit des Strömungsmediums ermittelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (2) identischen Abstand zum Schnittpunkt der Mittellinien (7) ihrer Meßkegel (5), Meßpyramiden oder dgl., d. h. zum Zentrum, aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Detektoren (2) mit den Mittellinien (7) ihrer Meß­ kegel (5), Meßpyramiden oder dgl. einen Winkel zueinander bil­ den, der größer als 0° und kleiner als 180° zuzüglich bzw. ab­ züglich der Summe der halben horizontalen Öffnungswinkel der Meßkegel (5) der beiden Detektoren (2) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Detektoren (2) mit den Mittellinien (7) ihrer Meß­ kegel (5), Meßpyramiden oder dgl. zwei der drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems bilden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die lichtoptischen Detektoren (2) als Video­ kameras ausgeführt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Videokameras (2) identische Objektive aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Videokamera (2) in einem abgeschirmten oder wasserdichten Gehäuse angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Videokamera (2) als Analogkamera ausge­ führt ist und daß der Videokamera ein Analog-Digital-Wandler (8) nachgeschaltet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Videokamera (2) als Digitalkamera ausge­ führt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Beleuchtungseinrichtung (10) zum Be­ leuchten des Meßraumes (1) vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung (1) als Lampe ausgeführt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe paralleles Licht aussendet und vorzugsweise als Punktlichtquelle mit Parabolspiegel und quadratischer Blende ausgeführt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung (10) in Richtung der dritten Achse des kartesischen Koor­ dinatensystems zum Zentrum gerichtet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Blickfelder bzw. Meßkegel (5) der beiden Videokameras (2) und der Lichtkegel der Beleuchtungseinrichtung (10) durch ge­ genseitige Überlagerung den Meßraum (1) vorgeben.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen den Detektoren (2) bzw. Videokameras und dem Prozessor (4) analoge und/oder digitale Datenübertra­ gungsleitungen (11 und/oder 12) vorgesehen sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen den Detektoren (2) bzw. Videokameras und dem Prozessor (4) ein Speichermedium zur Zwischenspeiche­ rung der Bildsignale vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium als Videorekorder ausgeführt ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium als optischer, elektrischer bzw. elektroni­ scher oder magnetischer Binär-Datenspeicher (13) ausgeführt ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es sich bei der Schnittstelle (3) um eine Bildverarbeitungskarte (9) handelt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Speichermedium gespeicherten und ggf. durch den Prozessor (4) verarbeiteten bzw. aufbereiteten digitalen Bildinformationen vorzugsweise mittels der Bildverarbeitungs­ karte (9) in analoge Bildinformationen wandelbar und zur Echt­ zeit-Darstellung sowie zur Kontrolle der Bildverarbeitungspro­ zesse auf einem Monitor (15) darstellbar sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 18 und ggf. Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschleunigung der Bildverar­ beitungsprozesse im Signalpfad direkt vor und/oder direkt nach dem Binär-Datenspeicher (13) Echtzeit-Binärdaten-Konverter (Input- und Output-Look-Up-Tables) vorgesehen sind.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zur Visualisierung der Strömung dienenden Objekte (6) in etwa der Dichte des Strömungsmediums angepaßt sind.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Objekte (6) an der Oberfläche derart beschaffen sind, daß die an ihnen auftretenden Reibungskräfte bei einer im Verhält­ nis zu den zu untersuchenden Strömungsgeschwindigkeiten gerin­ gen Relativgeschwindigkeit die in der Strömung an ihnen auftre­ tenden Trägheitskräfte überwiegen.

24. Verfahren zur Ermittlung der Strömung eines Strömungsmedi­ ums innerhalb eines vorgebbaren Meßraumes, insbesondere zum Be­ treiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens­ schritte:
Zugabe von sich mitbewegenden Objekten in das Strömungs­ medium;
Anordnung zweier vorzugsweise als Kameras ausgeführter Detektoren und ggf. einer Leuchte derart, daß sich deren Meßke­ gel, Blickfelder oder dgl. und ggf. der Lichtkegel der Leuchte überschneiden und dabei einen gemeinsamen Meßraum im Bereich des Strömungsmediums bilden;
ggf. Justieren der Detektoren bzw. Kameras mittels eines in den Meßraum einzubringenden Kalibrierkörpers;
Aufnahme von Messungen bzw. Bildern durch die Detektoren bzw. Kameras in zeitlichen Abständen;
Wandlung der Meß- bzw. Bildsignale in digitale Form;
Übertragung der Meß- bzw. Bildsignale in einen Prozessor;
Verarbeitung der Meß- bzw. Bilddaten im Sinne einer Mu­ stererkennung zur Ermittlung der Lageänderung der Objekte im Zeitverlauf und somit zur Ermittlung der Strömungsgeschwindig­ keit des Strömungsmediums.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- bzw. Bildsignale vor der Übertragung in den Prozessor je Detektor bzw. Kamera in einen vorzugsweise digitalen Daten­ speicher übertragen werden.