DE4408072A1 - Verwendung einer elektronischen Hochgeschwindigkeitskamera bei einem Verfahren zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in einer Strömung - Google Patents
Verwendung einer elektronischen Hochgeschwindigkeitskamera bei einem Verfahren zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in einer StrömungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine neue Verwendung einer
elektronischen Hochgeschwindigkeitskamera mit einem eine Mehr
zahl von getrennten Halbleiter-Bildsensoren aufweisenden opto
elektronischen Aufnahmesystem und einem das Bild des Objekts auf
dem Bildsensoren abbildenden optischen Abbildungssystem, wobei
jedem Bildsensor eine einzeln ansteuerbare elektronische
Verschlußeinrichtung zugeordnet ist und jeder Bildsensor an
einen nachgeordneten Bildspeicher angeschlossen ist, wobei das
Aufnahmesystem ein den Bildsensoren gemeinsames Kameraobjektiv
und einen Strahlteiler aufweist, der in der optischen Achse des
Kameraobjektivs liegt, und wobei die Bildsensoren im Strahlen
gang des Kameraobjektivs hinter dem Strahlteiler angeordnet
sind.
Eine solche Kamera ist aus der DE-PS 42 12 271 bekannt. Sie wird
üblicherweise zur fotografischen Registrierung von schnell
bewegten Objekten, einschließlich sichtbar gemachten Vorgängen,
z. B. Strömungen, verwendet, um die schnell ablaufenden Bewegun
gen aufzulösen. Bei der bekannten Hochgeschwindigkeitskamera ist
eine Mehrzahl von getrennten Halbleiter-Bildsensoren vorgesehen,
die jeweils eine eigene elektronische Verschlußeinrichtung
aufweisen, um auch mit elektronischen Bildsensoren sehr schnell
aufeinander abfolgende Aufnahmen tätigen zu können.
Zur Ermittlung von Strömungsgeschwindigkeiten in mit Tracer
partikeln geimpften Strömungen sind Verfahren der Particle-
Image-Velocimetrie (PIV-Verfahren) bekannt. Dabei werden zwei
zeitlich aufeinander abfolgende, dasselbe Teilvolumen erfassende
Lichtschnitte durch die mit Tracerpartikeln geimpfte Strömung
aufgezeichnet und hieraus die Geschwindigkeit der Tracerpartikel
ermittelt. "Lichtschnitt" bedeutet dabei ein durch Beleuchtung
hervorgehobenes, flächenhaftes, d. h. eine geringe Querer
streckung aufweisendes Teilvolumen der Strömung zu einem
bestimmten Zeitpunkt.
Für die vorliegende Erfindung sind die sogenannten digitalen
PIV-Verfahren, bei denen die Auswertung der aufgezeichneten
Lichtschnitte durch mathematische Verfahren erfolgt, von
besonderem Interesse. Einmal ist dies durch Berechnung einer
Autokorrelation einer beide Lichtschnitte umfassenden, doppelt
belichteten Aufnahme möglich. Hierbei bedarf es jedoch aufwendi
ger Maßnahmen, um das Vorzeichen der Geschwindigkeit der
einzelnen Tracerpartikel zu ermitteln. Ein solches Verfahren
wird beispielsweise in "Experiments in Fluids" Heft 10, 1991,
Seiten 181 bis 193, beschrieben.
Das Vorzeichen der Geschwindigkeit der Tracerpartikel ergibt
sich ohne weiteres, wenn die Kreuzkorrelation zwischen zwei
separaten, jeweils einen Lichtschnitt umfassenden Aufnahmen
berechnet wird. Bei einem derartigen Verfahren ist es aus
"Proceedings: Optical Diagnostics in Fluid and Thermal Flow,
14-16 July 1993", Seiten 648 bis 654, bekannt, eine hoch auflösende
CCD-Kamera derart zu verwenden, daß der jeweils erste Licht
schnitt in das erste Halbbild und der jeweils zweite Licht
schnitt in das zweite Halbbild der CCD-Kamera fällt. Hiermit ist
jedoch in nachteiliger Weise die Anwendung des Verfahrens auf
vergleichsweise langsame Vorgänge beschränkt, da die beiden
Halbbilder der CCD-Kamera nur mit der üblichen Videofrequenz
aufeinander abfolgen. In der oben zitierten Beschreibung des
bekannten Verfahrens wird darauf verwiesen, daß schnellere
Vorgänge nur mit entsprechend schneller getakteten Videokameras
aufzuzeichnen sind, d. h. mit Videokameras, bei denen die
Frequenz der Halbbilder höher ist als der übliche Videostandard.
Hierbei ergibt sich jedoch zwangsläufig eine geringere Auflösung
der aufgezeichneten Lichtschnitte, da die Frequenz der Halb
bilder mit ihrem Kehrwert die Auslesezeit für die einzelnen
Halbbilder bestimmt und in einer vorgegebenen Auslesezeit nur
eine begrenzte Anzahl von Bildpunkten auslesbar ist.
Bei PIV-Verfahren ist generell eine möglichst hohe Auflösung
anzustreben. Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens ist,
daß beim Aufzeichnen von mehr als zwei Lichtschnitten hinter
einander zusätzliche Beschränkungen hinsichtlich deren zeit
licher Abfolge auftreten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in einer Strömung,
insbesondere ein digitales PIV-Verfahren, aufzuzeigen, bei dem
die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in der Strömung
durch Kreuzkorrelationen vorzeicheneindeutig möglich ist und das
keinerlei Beschränkungen hinsichtlich der Geschwindigkeiten in
der beobachteten Strömung aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Verwendung der
eingangs beschriebenen elektronischen Hochgeschwindigkeitskamera
erreicht, wobei mehrere üblicherweise etwa senkrecht zur
optischen Achse des Kameraobjektivs verlaufende und zeitlich
aufeinander abfolgende Lichtschnitte durch eine mit Tracer
partikeln geimpfte Strömung mit jeweils einem der Bildsensoren
aufgezeichnet werden und wobei die Strömungsgeschwindigkeit in
der Strömung durch Berechnung von Kreuzkorrelationen zwischen
den einzelnen Abbildungen der Tracerpartikel ermittelt werden.
Für die vereinfachte Berechnung der Kreuzkorrelationen können
die Bildsensoren dabei jeweils mit untereinander vernetzten
Bildprozessoren verbunden sein. Die an sich bekannte Hochge
schwindigkeitskamera erlaubt mittlerweile eine Bildfrequenz von
knapp unterhalb 10 MHz. Hiermit sind Strömungsgeschwindigkeiten
auch in schnellsten Strömungen meßbar. Zudem können im
strömungstechnischen Sinne gleichzeitig mit der Bestimmung der
Strömungsgeschwindigkeiten andere Meßverfahren an der Strömung
zum Einsatz gebracht werden. Beispielsweise kann alternierend
eine laserinterferometrische Schwingungsmessung an einem
umströmten Profil erfolgen. Dabei beeinträchtigen sich die
beiden Meßverfahren nicht, da sie jeweils nacheinander
durchgeführt werden.
Die Verwendung der Hochgeschwindigkeitskamera erlaubt bei einem
digitalen PIV-Verfahren verschiedene Abwandlungen des bekannten
Vorgehens. Sie ist aber auch bei anderen, an sich bekannten
Verfahren zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in einer
Strömung, beispielsweise bei Verfahren der Speckleinterfero
metrie oder bei der Beobachtung von Mehrphasenströmungen
vorteilhaft. Hier sind die Strömungsgeschwindigkeiten ebenfalls
durch Kreuzkorrelationen zwischen einzelnen Aufzeichnungen der
Strömung ermittelbar. Dabei entsprechen im Fall der Mehrphasen
strömungen die Phasengrenzen den Tracerpartikel.
Für einfache erfindungsgemäße Anwendungen der Hochgeschwin
digkeitskamera ist ein halbdurchlässiger Spiegel oder ein
Strahlteilerprisma als Strahlteiler ausreichend. Im Fall des
Stahlteilerprismas können die Bildsensoren direkt auf dieses
aufgeklebt werden, wodurch deren Justierung vereinfacht ist.
Unter Verwendung eines halbdurchlässigen Spiegels oder eines
Strahlteilerprismas als Strahlteiler ist das Bild des Objekts
allerdings nur auf zwei getrennte Bildsensoren abbildbar.
Breitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich, wenn der
Strahlteiler des Aufnahmesystems der Hochgeschwindigkeitskamera
eine Spiegelpyramide ist, die mit ihrer Pyramidenspitze dem
Kameraobjektiv zugewandt ist, wobei die optische Achse der
Spiegelpyramide mit der optischen Achse des Kameraobjektivs
zusammenfällt und wobei die Spiegelpyramide eine Mehrzahl von
jeweils einem der Bildsensoren zugeordneten Spiegelflächen
aufweist. Dieser Aufbau der Hochgeschwindigkeitskamera ent
spricht demjenigen, wie er in der DE-PS 42 12 271 beschrieben
ist. Durch entsprechende Ausbildung der Spiegelpyramide können
problemlos 6 oder mehr Bildsensoren vorgesehen sein.
Bei der erfindungsgemäßen Verwendung der Hochgeschwindigkeits
kamera kann ein und dasselbe Teilvolumen der Strömung von den
aufeinander abfolgenden Lichtschnitten mehrfach erfaßt werden.
Diese Ausführungsform entspricht noch weitgehend einem üblichen
Vorgehen bei PIV-Verfahren, bei dem ein und dasselbe Teilvolumen
der Strömung doppelt belichtet wird. Mit der Hochgeschwindig
keitskamera sind jedoch problemlos auch drei oder mehr direkt
aufeinander folgende Abbildungen desselben Teilvolumens möglich,
was inbesondere bei instationären Strömungen von Interesse ist.
In einer ersten Abwandlung zu den bekannten PIV-Verfahren können
verschiedene, in Richtung der optischen Achse des Kamera
objektivs hintereinander liegende Teilvolumina der Strömung von
den Lichtschnitten jeweils mehrfach erfaßt werden. Hiermit ist
die Beobachtung der Strömung in verschiedenen Ebenen mit ein und
derselben Hochgeschwindigkeitskamera möglich. Dieses Vorgehen
wird durch eine große Tiefenschärfe des Kameraobjektivs
erleichtert.
In einer sich bereits deutlich von den bekannten PIV-Verfahren
abkehrenden Ausführungsform werden in Richtung der optischen
Achse des Kameraobjektivs benachbarte oder sich teilweise
überdeckende Teilvolumina der Strömung von den aufeinander
abfolgenden Lichtschnitten nacheinander erfaßt. Die Kreuz
korrelationen zwischen den einzelnen Abbildungen beinhalten
dabei zusätzlich Informationen über Geschwindigkeitskomponenten
der Strömung parallel zu der optischen Achse des Kameraobjek
tivs. Konkret können diese Strömungsgeschwindigkeiten, die mit
herkömmlichen PIV-Verfahren nicht ermittelbar sind, aufeinfache
Weise aus den Peakintensitäten der Kreuzkorrelationen berechnet
werden.
Wenn die in Richtung der optischen Achse des Kameraobjektivs
benachbarten oder sich teilweise überdeckenden Teilvolumina der
Strömung von den Lichtschnitten wechselweise erfaßt werden, sind
durch die Kreuzkorrelationen die Strömungsgeschwindigkeiten in
der Strömung parallel zur optischen Achse des Kameraobjektivs
unabhängig davon ermittelbar, ob diese Geschwindigkeits
komponente positives oder negatives Vorzeichen hat, d. h. vom
Kameraobjektiv weg oder auf dieses zu verläuft.
Bei unzureichender Tiefenschärfe des Kameraobjektivs ist es für
eine scharfe Abbildung der in Richtung der optischen Achse des
Kameraobjektivs hintereinander liegenden, benachbarten oder sich
teilweise überdeckenden Teilvolumina der Strömung sinnvoll, die
optischen Abstände der jeweiligen Bildsensoren zu dem Kamera
objektiv einzeln abzustimmen. Danach weisen die demselben Teilvolumen
zugeordneten Bildsensoren jeweils denselben optischen
Abstand zu dem Kameraobjektiv auf, während die verschiedenen,
unterschiedlichen Teilvolumina zugeordneten Bildsensoren jeweils
verschiedene optische Abstände zu dem Kameraobjektiv aufweisen.
Um unnötige Schwierigkeiten bei der Berechnung der Kreuzkorrela
tionen zu vermeiden, ist es erforderlich, daß alle Bildsensoren,
zwischen deren Aufzeichnungen Kreuzkorrelationen zu berechnen
sind, in optisch drehäquivalenten Stellungen relativ zu der
optischen Achse des Kameraobjektivs angeordnet sind.
Hinsichtlich der Ausleuchtung der einzelnen Lichtschnitte können
die Bildsensoren mit pulsbaren Lichtquellen zur Ausleuchtung der
von den einzelnen Lichtschnitten erfaßten Teilvolumina der
Strömung synchronisiert sein. Dabei wird mit der Lichtquelle der
Zeitpunkt jedes Lichtschnitts festgelegt. Daneben ist es durch
die Verwendung der Hochgeschwindigkeitskamera auch möglich, die
von den Lichtschnitten erfaßten Teilvolumina der Strömung
dauerhaft auszuleuchten, wobei für hintereinander liegende
Teilvolumina voneinander unterscheidbare Lichtarten zu verwenden
sind. Dabei wird der Zeitpunkt jedes Lichtschnitts durch die
Öffnung der elektronischen Verschlußeinrichtung des zugeordneten
Bildsensors festgelegt. Als unterscheidbare Lichtarten sind
beispielsweise Lichtarten mit unterschiedlicher Polarisation
oder Farbe geeignet, wobei die einzelnen Lichtarten durch
entsprechende Filter leicht voneinander trennbar sind. Sofern
bei einer dauerhaften Ausleuchtung der Teilvolumina Probleme
hinsichtlich der Lichtintensität bei kurzen Verschlußzeiten
entstehen, können die Verschlußeinrichtungen der einzelnen
Bildsensoren als Bildverstärker ausgebildet sein. Bekannte
Bildverstärker sind ihrer grundsätzlichen Funktion nach gleich
zeitig als Verschlußeinrichtungen für kurzzeitige Belichtungen
geeignet.
Die Hochgeschwindigkeitskamera zur Verwendung bei einem
Verfahren zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in einer
Strömung, mit einem eine Mehrzahl von getrennten Halbleiter-
Bildsensoren aufweisenden optoelektronischen Aufnahmesystem und
einem das Bild des Objekts auf den Bildsensoren abbildenden
optischen Abbildungssystem, wobei jedem Bildsensor eine einzeln
ansteuerbare elektronische Verschlußeinrichtung zugeordnet ist
und jeder Bildsensor an einen nachgeordneten Bildspeicher
angeschlossen ist, wobei das Aufnahmesystem ein den Bildsensoren
gemeinsames Kameraobjektiv und einen Strahlteiler aufweist, der
in der optischen Achse des Kameraobjektivs liegt, und wobei die
Bildsensoren im Strahlengang des Kameraobjektivs hinter dem
Strahlteiler angeordnet sind ist ihrerseits erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß der optische Abstand der einzelnen
Bildsensoren zu dem Kameraobjektiv verstellbar ist, so daß für
verschiedene, unterschiedlichen Teilvolumina der Strömung
zugeordnete Bildsensoren verschiedene optische Abstände zu dem
Kameraobjektiv einstellbar sind. Durch diese Weiterentwicklung
ist die bekannte Hochgeschwindigkeitskamera besser zur
Beobachtung der Strömung in verschiedenen, hintereinander
liegenden Teilvolumina und zur Bestimmung der dritten
Geschwindigkeitskomponente der Strömung parallel zur optischen
Achse des Kameraobjektivs geeignet. Dabei ermöglicht die
Weiterentwicklung, die einzelnen Bildsensoren für unter
schiedliche Objektentfernungen zu dem Kameraobjektiv scharf zu
stellen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
eines PIV-Verfahrens näher erläutert und beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Aufbau zur Durchführung des PIV-Verfahrens mit
einer Hochgeschwindigkeitskamera,
Fig. 2 die prinzipielle Durchführung des PIV-Verfahrens in
einer ersten Ausführungsform,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine gemäß Fig. 2 ermittelte
Kreuzkorrelationsebene,
Fig. 4 die prinzipielle Durchführung des PIV-Verfahrens in
einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 5 Schnitte durch drei gemäß Fig. 4 ermittelte Kreuz
korrelationsebenen und
Fig. 6 die prinzipielle Durchführung des PIV-Verfahrens in
einer dritten Ausführungsform.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung dient zur Durchführung
eines Verfahrens der Particel-Image-Velocimetrie bei einer mit
Tracerpartikeln 1 geimpften Strömung 2. Ein flächenhaftes Teil
volumen 3 der Strömung wird durch eine Lichtquelle 4 ausge
leuchtet, der eine hier nicht näher dargestellte Lichtschnitt
optik zugeordnet ist. Die Lichtschnittoptik beschränkt die Aus
leuchtung der Strömung 2 auf das Teilvolumen 3, bei dem es sich
um eine Ebene mit geringer Querausdehnung handelt. Zur Auf
zeichnung von Lichtschnitten durch die Strömung 2 ist eine
Hochgeschwindigkeitskamera 5 vorgesehen. Lichtschnitt bedeutet
dabei das durch Beleuchtung hervorgehobene, flächenhafte Teil
volumen 3 der Strömung 2 zu einem bestimmten Zeitpunkt. Die
Hochgeschwindigkeitskamera 5 weist eine Mehrzahl von getrennten
Halbleiter-Bildsensoren 6 auf, von denen hier zwei dargestellt
sind. Das Teilvolumen 3 wird auf die Bildsensoren 6 über ein
Kameraobjektiv 7 und einen Strahlteiler 8 abgebildet. Der
Strahlteiler ist hier als Spiegelpyramide ausgebildet, die mit
ihrer Pyramidenspitze dem Kameraobjektiv zugewandt ist und die
so viele Spiegelflächen aufweist, wie Bildsensoren 6 vorgesehen
sind. Jeder Bildsensor ist Bestandteil einer separaten CCD-
Kamera 9 und weist somit eine eigene, einzeln ansteuerbare
elektronische Verschlußeinrichtung auf. Jedem Bildsensor 6 ist
weiterhin ein Bildspeicher 10 zugeordnet, an den die jeweilige
CCD-Kamera ein Videosignal 11 und ein Triggersignal 12 weiter
gibt. Die Bildspeicher 10 sind wiederum mit einem Bildprozessor
13 verbunden, der zur Ermittlung von Kreuzkorrelationen zwischen
den von den einzelnen Bildsensoren aufgezeichneten Bildern
dient. Bei dem Bildprozessor 13 handelt es sich vorzugsweise um
einen Rechner und er weist einen Monitor 14 auf. Daneben sind
zwei Ausgänge 15, beispielsweise für einen Drucker, vorgesehen.
Die Ansteuerung der Verschlußeinrichtungen der CCD-Kameras 9
erfolgt über eine Ablaufsteuerung 16, die synchron mit den Ver
schlußeinrichtungen die Lichtquelle 4 betätigt, sofern es sich
dabei nicht um eine das Teilvolumen 3 permanent ausleuchtende
Lichtquelle handelt. Die Ablaufsteuerung 16 weist einen Eingang
17 für ein externes Triggersignal auf.
Mit der Hochgeschwindigkeitskamera 5 werden aufeinander
abfolgende Lichtschnitte durch die Strömung 2 getrennt von
einander aufgezeichnet. Zwischen den einzelnen Abbildungen der
Tracerpartikel 1 in den Lichtschnitten werden mit dem Bild
prozessor 13 Kreuzkorrelationen berechnet, aus denen sich die
Strömungsgeschwindigkeiten der Strömung 2 ergeben. Die Ver
wendung der Hochgeschwindigkeitskamera erlaubt dabei die
schnelle Abfolge von mehreren Lichtschnitten hintereinander.
Dabei mögliche Ausführungsformen des PIV-Verfahrens werden im
folgenden einzeln erläutert.
Fig. 2 zeigt die einfachste Ausführungsform des PIV-Verfahrens
unter Verwendung der Hochgeschindigkeitskamera 5, die hier als
Strahlteiler 8 einen halbdurchlässigen Spiegel aufweist. Die
Lichtquelle 4 leuchtet über die Lichtschnittoptik 18 das
Teilvolumen 3 der hier nicht weiter dargestellten Strömung
dauerhaft aus. Die Hochgeschwindigkeitskamera 5 ist mit der
optischen Achse 19 des Kameraobjektivs 7 senkrecht zu den Haupt
erstreckungsrichtungen des Teilvolumens 3 ausgerichtet. Durch
den im Strahlengang hinter dem Kameraobjektiv 7 angeordneten
Strahlteiler 8 wird das Teilvolumen 3 auf beide Bildsensoren 6
und 6′, bei denen es sich um hochauflösende Videochips handelt,
abgebildet. Durch die den Videochips 6 und 6′ zugeordneten, hier
jedoch nicht separat dargestellten, elektronischen Verschluß
einrichtungen werden die Zeitpunkte von zwei aufeinander
folgenden Lichtschnitten festgelegt. Zum Zeitpunkt des ersten
Lichtschnitts ist der Bildsensor 6 aktiv und der einzeln dar
gestellte Tracerpartikel befindet sich am Punkt 1. Zum Zeitpunkt
des zweiten Lichtschnitts ist der Bildsensor 6′ aktiv und der
Tracerpartikel befindet sich am Punkt 1′. Da sich die beiden
Bildsensoren in drehäquivalenten Stellungen zu der optischen
Achse 19 des Kameraobjektivs befinden, können aus den beiden
aufgezeichneten Lichtschnitten die Strömungsgeschwindigkeiten in
dem Teilvolumen 3 unmittelbar bestimmt werden. Hierzu ist die
Kreuzkorrelation zwischen den beiden separaten Aufnahmen zu
berechnen. Einen Schnitt 20 durch die Kreuzkorrelationsebene
zeigt Fig. 3. Dabei gibt die Lage des Peaks 21 Betrag und Vor
zeichen der zu dem Schnitt gehörigen Strömungsgeschwindigkeit
an.
Mit der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform des PIV-Ver
fahrens ist es darüberhinaus möglich, Strömungsgeschwindigkeiten
parallel zur optischen Achse 19 des Kameraobjektivs 7 zu
bestimmen. Dazu werden aufeinander abfolgende Lichtschnitte mit
der Hochgeschwindigkeitskamera 5 aufgezeichnet, die abwechselnd
zwei hintereinander angeordnete, sich teilweise überdeckende
Teilvolumina 3 und 3′ der Strömung erfassen. Die Lichtquelle,
bei der es sich hier um einen Pulslaser handelt, ist mit den
Bildsensoren 6, 6′ und 6′′ der Hochgeschwindigkeitskamera 5 ent
sprechend synchronisiert und leuchtet für einen ersten, vom
Bildsensor 6 auf zuzeichnenden Lichtschnitt das Teilvolumen 3,
für einen zweiten vom Bildsensor 6′ aufzuzeichnenden Licht
schnitt das Teilvolumen 3′ und für einen dritten, vom Bildsensor
6′ aufzuzeichnenden Lichtschnitt wieder das Teilvolumen 3 aus.
Dabei können die Bildsensoren 6, 6′ und 6′′ hinter dem hier nur
schematisch angedeuteten Strahlteiler 8 mit unterschiedlichem
Abstand zu dem Kameraobjektiv 7 angeordnet sein D. h., daß zwar
die Bildsensoren 6 und 6′′ denselben Abstand zu dem Kamera
objektiv 7 aufweisen, daß aber der Bildsensor 6′ der geringeren
Objektentfernung entsprechend etwas weiter vom Kameraobjektiv
entfernt angeordnet ist. Diese unterschiedlichen Entfernungen
sind nicht erforderlich, falls das Kameraobjektiv eine aus
reichende Tiefenschärfe aufweist und die Teilvolumina 3 und 3′
bei gleicher Stellung des Bildsensors 6 auf diesem scharfabge
bildet werden. Wenn der einzeln dargestellte Tracerpartikel sich
zum Zeitpunkt des ersten Lichtschnitts am Punkt 1, des zweiten
Lichtschnitts am Punkt 1′ und des dritten Lichtschnitts am Punkt
1′′ befindet, finden sich Abbildungen des Tracerpartikels nur in
der Aufnahme des ersten Lichtschnitts mit dem Bildsensor 6 und
des zweiten Lichtschnitts mit dem Bildsensor 6′.
Hieraus ergeben sich die in Fig. 5 dargestellten Schnitte durch
die verschiedenen Kreuzkorrelationsebenen, wobei Fig. 5a zur
Kreuzkorrelationsebene zwischen dem ersten und dem zweiten
Lichtschnitt, Fig. 5b zu der Kreuzkorrelationsebene zwischen
dem zweiten und dem dritten Lichtschnitt und Fig. 5c zur Kreuz
korrelationsebene zwischen dem ersten und dem dritten Licht
schnitt gehört. Der Peak 21 des Schnitts 20 gemäß Fig. 5a zeigt
mit seiner Lage das Vorzeichen und den Betrag der Strömungsge
schwindigkeit, die dem Schnitt durch die Kreuzkorrelationsebene
entspricht und die in die Haupterstreckungsebene der Teil
volumina 3 und 3′ fällt, an. Aus der Intensität des Peaks ist zu
entnehmen, wie häufig zwischen dem ersten und dem zweiten Licht
schnitt Tracerpartikel 1 aus dem ersten in das zweite Teil
volumen gewechselt sind. Hieraus ergibt sich unmittelbar der
Betrag der Strömungsgeschwindigkeit der Strömung in Richtung der
optischen Achse 19 des Kameraobjektivs 7. Das Vorzeichen dieser
Strömungsgeschwindigkeit ist unter Berücksichtigung der
Anordnung der beiden Teilvolumina 3 und 3′ ermittelbar. Eine
Gegenkontrolle ermöglicht Fig. 5b, die keinen Peak zeigt,
obwohl die zugehörigen Lichtschnitte dieselben Teilvolumina
betreffen. Dies ist auf die andere zeitliche Reihenfolge der
Lichtschnitte zurückzuführen, die beim Auftreten eines Peaks
einer umgekehrten Strömungsrichtung entspräche. Fig. 5c zeigt
ebenfalls keinen Peak bei dem Schnitt 20′′, weil die Geschwin
digkeitskomponente der Strömung parallel zur optischen Achse 19
des Kameraobjektivs 7 vergleichsweise groß ist und den
Kreuzkorrelationen nur der dargestellte Tracerpartikel
zugrundeliegt. Bei einer Vielzahl von Tracerpartikeln mit
unterschiedlichen Startpunkten in dem ersten Lichtschnitt würden
auch in den Fig. 5b und 5c Peaks auftreten, da sich ein Teil
der Tracerpartikel nicht nur zum Zeitpunkt des ersten
Lichtschnitts sondern auch noch zum Zeitpunkt des dritten
Lichtschnitts in dem Teilvolumen 3 befände. Die berechneten
Kreuzkorrelationen liefern dabei durch die Intensität der Peaks
ein Maß für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit innerhalb der
beteiligten Lichtschnitte. Diese hängen unmittelbar von der
Geschwindigkeitskomponente der Tracerpartikel 1 quer zu den
jeweiligen Teilvolumina 3, 3′ ab. Durch Verkürzen des
Zeitabstands zwischen dem ersten und dem dritten Lichtschnitt
läßt sich auch bei sehr schnellen Strömungen und einer geringen
Partikeldichte ein auswertbarer Peak bei den Schnitten durch die
Korrelationsebenen gemäß den Fig. 5b und 5c erreichen, dessen
Lage dabei einer Geschwindigkeit in der Haupterstreckungsrich
tung des Teilvolumens 3 entspricht. Eine andere Anpassungs
möglichkeit an die Strömung stellt der seitliche Abstand der
Teilvolumina 3, 3′ in Richtung der optischen Achse 19 dar.
Die Ausführungsform des PIV-Verfahrens gemäß Fig. 6 entspricht
weitgehend derjenigen gemäß Fig. 2. Hier sind die Bildsensoren
6 jedoch seitlich versetzt zur optischen Achse 19 des Kamera
objektivs 7 angeordnet, so daß bei vier zeitlich aufeinander
abfolgenden Lichtschnitten der dargestellte Tracerpartikel
zunächst von einem hier zusammengefaßt wiedergegebenen
Bildsensorenpaar 6, 6′ und dann von einem zweiten Bild
sensorenpaar 6′′, 6′′′ aufgezeichnet wird. D. h., zum Zeitpunkt
des ersten Lichtschnitts wird der Tracerpartikel 1 auf den
Bildsensor 6 abgebildet, zum Zeitpunkt des zweiten Lichtschnitts
wird derselbe Tracerpartikel 1′ auf den Bildsensor 6′ abgebildet
usw. Hierbei überschneiden sich die beiden Bildbereiche der
Bildsensorenpaare 6, 6′ und 6′′, 6′′′ nicht. Auf diese Weise ist
bei gleicher nomineller Auflösung der Bildsensoren im Vergleich
zu den vorhergegangenen Ausführungsbeispielen des PIV-Verfahrens
die lokale Auflösung verbessert, da die einzelnen Bildsensoren
nur zur Aufzeichnung eines eng begrenzten Ausschnitts aus dem
Teilvolumen 3 verwendet werden. Bei einer Strömung mit
zusätzlicher Strömungskomponente parallel zur optischen Achse 19
des Kameraobjektivs 7 kann es auch sinnvoll sein, das zweite
Paar der Bildsensoren 6′′, 6′′′ einem anderen Teilvolumen, wie
beispielsweise dem Teilvolumen 3′ gemäß Fig. 4, zuzuordnen.
Dann wären die Beobachtungsbereiche der beiden Bildsensorenpaare
6, 6′ bzw. 6′′, 6′′′ sowohl quer als auch in Richtung der
optischen Achse 19 des Kameraobjektivs 7 versetzt zueinander
angeordnet. Die konkrete Anordnung der Beobachtungsbereiche ist
bei der Auswertung der einzelnen Kreuzkorrelationen zwischen den
Lichtschnitten genau zu berücksichtigen.
Durch Verwendung der Hochgeschwindigkeitskamera bei den
geschilderten PIV-Verfahren sind auch schnellste Strömungen
vollständig erfaßbar und hinsichtlich ihrer lokalen Strömungs
geschwindigkeiten in allen drei Komponenten auswertbar.
Bezugszeichenliste
1 Tracerpartikel
2 Strömung
3 Teilvolumen
4 Lichtquelle
5 Hochgeschwindigkeitskamera
6 Bildsensor
7 Kameraobjektiv
8 Strahlteiler
9 CCD-Kamera
10 Bildspeicher
11 Videosignal
12 Triggersignal
13 Bildprozessor
14 Monitor
15 Ausgang
16 Ablaufsteuerung
17 Eingang
18 Lichtschnittoptik
19 optische Achse
20 Schnitt
21 Peak
2 Strömung
3 Teilvolumen
4 Lichtquelle
5 Hochgeschwindigkeitskamera
6 Bildsensor
7 Kameraobjektiv
8 Strahlteiler
9 CCD-Kamera
10 Bildspeicher
11 Videosignal
12 Triggersignal
13 Bildprozessor
14 Monitor
15 Ausgang
16 Ablaufsteuerung
17 Eingang
18 Lichtschnittoptik
19 optische Achse
20 Schnitt
21 Peak
Claims (12)
1. Verwendung einer elektronischen Hochgeschwindigkeitskamera
(5) mit einem eine Mehrzahl von getrennten Halbleiter-Bild
sensoren (6) aufweisenden optoelektronischen Aufnahmesystem und
einem das Bild des Objekts auf den Bildsensoren (6) abbildenden
optischen Abbildungssystem, wobei jedem Bildsensor (6) eine
einzeln ansteuerbare elektronische Verschlußeinrichtung zuge
ordnet ist und jeder Bildsensor (6) an einen nachgeordneten
Bildspeicher (10) angeschlossen ist, wobei das Aufnahmesystem
ein den Bildsensoren (6) gemeinsames Kameraobjektiv (7) und
einen Strahlteiler (8) aufweist, der in der optischen Achse (19)
des Kameraobjektivs (7) liegt, und wobei die Bildsensoren (6) im
Strahlengang des Kameraobjektivs (7) hinter dem Strahlteiler (8)
angeordnet sind, bei einem Verfahren zum Bestimmen von Strö
mungsgeschwindigkeiten in einer Strömung, wobei mehrere zeitlich
aufeinander abfolgende Lichtschnitte durch die mit Tracer
partikeln (1) geimpfte Strömung (2) mit jeweils einem der
Bildsensoren (6) aufgezeichnet werden und wobei die Strömungs
geschwindigkeiten in der Strömung (2) durch Berechnung von
Kreuzkorrelationen zwischen den einzelnen Abbildungen der
Tracerpartikel (1) ermittelt werden.
2. Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (8) ein halbdurch
lässiger Spiegel oder ein Strahlteilerprisma ist.
3. Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (8) eine Spiegel
pyramide ist, die mit ihrer Pyramidenspitze dem Kameraobjektiv
(7) zugewandt ist, wobei die optische Achse der Spiegelpyramide
mit der optischen Achse (19) des Kameraobjektivs (7) zusammen
fällt und wobei die Spiegelpyramide eine Mehrzahl von jeweils
einem der Bildsensoren (6) zugeordneten Spiegelflächen aufweist.
4. Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera nach Anspruch 1,
2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein und dasselbe Teil
volumen (3) der Strömung (2) von den aufeinander abfolgenden
Lichtschnitten mehrfach erfaßt wird.
5. Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene, in Richtung der
optischen Achse des Kameraobjektivs hintereinanderliegende
Teilvolumina (3, 3′) der Strömung (2) von den Lichtschnitten
jeweils mehrfach erfaßt werden.
6. Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera nach Anspruch 1,
2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung der optischen
Achse des Kameraobjektivs (19) benachbarte oder sich teilweise
überdeckende Teilvolumina (3, 3′) der Strömung (2) von den
aufeinander abfolgenden Lichtschnitten nacheinander erfaßt
werden, wobei die Strömungsgeschwindigkeiten parallel zur
optischen Achse (19) des Kameraobjektivs (7) aus den Peakinten
sitäten der Kreuzkorrelationen berechnet werden.
7. Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten oder sich teilweise
überdeckenden Teilvolumina (3, 3′) der Strömung (2) durch die
aufeinander abfolgenden Lichtschnitte wechselweise erfaßt
werden.
8. Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera nach einem der
Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene
einem Teilvolumen (3) zugeordnete Bildsensoren (6) denselben
optischen Abstand zu dem Kameraobjektiv (7) aufweisen und daß
verschiedene, unterschiedlichen Teilvolumina (3, 3′) zugeordnete
Bildsensoren (6) jeweils verschiedene optische Abstände zu dem
Kameraobjektiv (7) aufweisen.
9. Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera nach einem der
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildsensoren
(6) in optisch drehäquivalenten Stellungen relativ zu der
optischen Achse (19) des Kameraobjektivs (7) angeordnet sind.
10. Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildsensoren
(6) mit pulsbaren Lichtquellen (4) zur Belichtung der von den
einzelnen Lichtschnitten erfaßten Teilvolumina (3, 3′) synchro
nisiert sind.
11. Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die von den
Lichtschnitten erfaßten Teilvolumina (3, 3′) der Strömung (2)
dauerhaft ausgeleuchtet werden, wobei für hintereinanderliegende
Teilvolumina voneinander unterscheidbare Lichtarten verwendet
werden.
12. Hochgeschwindigkeitskamera zur Verwendung bei einem
Verfahren zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in einer
Strömung, mit einem eine Mehrzahl von getrennten Halbleiter-
Bildsensoren aufweisenden optoelektronischen Aufnahmesystem und
einem das Bild des Objekts auf den Bildsensoren abbildenden
optischen Abbildungssystem, wobei jedem Bildsensor eine einzeln
ansteuerbare elektronische Verschlußeinrichtung zugeordnet ist
und jeder Bildsensor an einen nachgeordneten Bildspeicher ange
schlossen ist, wobei das Aufnahmesystem ein den Bildsensoren
gemeinsames Kameraobjektiv und einen Strahlteiler aufweist, der
in der optischen Achse des Kameraobjektivs liegt, und wobei die
Bildsensoren im Strahlengang des Kameraobjektivs hinter dem
Strahlteiler angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der
optische Abstand der einzelnen Bildsensoren (6) zu dem
Kameraobjektiv (7) verstellbar ist, so daß für verschiedene,
unterschiedlichen Teilvolumina (3, 3′) der Strömung (2)
zugeordnete Bildsensoren (6) verschiedene optische Abstände zu
dem Kameraobjektiv (7) einstellbar sind.
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DE4408072C2 DE4408072C2 (de) | 1997-11-20 |
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