EP2069803A2 - Vorrichtung und verfahren zur dreidimensionalen strömungsmessung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur dreidimensionalen strömungsmessung

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Publication number
EP2069803A2
EP2069803A2 EP07817492A EP07817492A EP2069803A2 EP 2069803 A2 EP2069803 A2 EP 2069803A2 EP 07817492 A EP07817492 A EP 07817492A EP 07817492 A EP07817492 A EP 07817492A EP 2069803 A2 EP2069803 A2 EP 2069803A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
camera
tracer particles
light
illumination device
lens
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07817492A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christof Gerlach
Michael Zielinski
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP2069803A2 publication Critical patent/EP2069803A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/001—Full-field flow measurement, e.g. determining flow velocity and direction in a whole region at the same time, flow visualisation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane
    • G01P13/04—Indicating positive or negative direction of a linear movement or clockwise or anti-clockwise direction of a rotational movement
    • G—PHYSICS
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane
    • G01P13/04—Indicating positive or negative direction of a linear movement or clockwise or anti-clockwise direction of a rotational movement
    • G01P13/045—Indicating positive or negative direction of a linear movement or clockwise or anti-clockwise direction of a rotational movement with speed indication
    • G—PHYSICS
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/18—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G01P5/20—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the time taken to traverse a fixed distance using particles entrained by a fluid stream

Definitions

  • the object of the present invention is therefore to provide a device for three-dimensional flow measurement, in particular for performing particle image velocimetry (PIV) measurements, of the type mentioned, which is a fast and non-contact measurement without disturbing the flow at a relatively low Ensures instrumentation effort.
  • PV particle image velocimetry
  • PIV Particle Image Velocimetry
  • An apparatus for three-dimensional flow measurement, in particular for performing particle image velocimetry (PrV) measurements, comprises at least one illumination device for illuminating tracer particles moving in a measurement volume of the flow to be examined and at least one camera for multiple imaging of the moving tracer particles ,
  • the Camera at least one lens with a front or thereto arranged annular aperture. Based on the PIV, the spatial motion component is obtained through the use of at least one lens that uses only an outer annular gap of the lenses.
  • the tracer particles appear in the figure as rings or ring segments with a diameter that is dependent on the distance to the focal plane of the camera.
  • the camera is a CCD camera with at least one CCD chip or a CMOS camera. Due to the digitized recording of the tracer particle images, an exact and simple further processing with image processing programs is possible. In addition, the digitized data can be stored in a corresponding memory unit and processed at a later time.
  • the method according to the invention provides three-dimensional flow information areally and non-contact, d. H. without disturbing the flow.
  • only a very small amount of instrumentation is necessary.
  • the calculation of the three-dimensional velocity vectors is carried out by the evaluation of all information contained in the captured images, as they have been determined and detected in step c).
  • By displaying the tracer particles as rings or ring segments their position and diameter can be determined very accurately and clearly. This is also true in the case that only parts of a ring are visible.
  • the annular gap or the annular aperture integrally more light through the lens than the well-known in the art point stop with three holes.
  • the method according to the invention is based on the use of a PIV method, in which the spatial movement component is used by the use of the objective with a ring stop in front of it and the simultaneous utilization of the chromatic aberration of the lenses of the objective.
  • the imaged tracer particles appear as rings or ring segments whose diameter depends on the distance of the tracer particles to the focal plane of the camera.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Strömungsmessung, insbesondere zur Durchführung von Particle-Image-Velocimetry-(PIV-)Messungen, mit mindestens einer Beleuchtungseinrichtung (12) zur Beleuchtung von sich in einem Messvolumen (20) der zu untersuchenden Strömung bewegenden Tracerpartikeln (18) und mit mindestens einer Kamera (24) zur mehrfachen Abbildung der sich bewegenden Tracerpartikel (18), wobei die Kamera (24) mindestens ein Objektiv (14) mit einer davor oder daran angeordneten Ringblende (16) aufweist. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur dreidimensionalen Strömungsmessung, insbesondere zur Durchführung von Particle-Image-Velocimetry-(PIV-)Messungen, umfasst insbesondere die Aufnahme und Abbildung von mindestens zwei zeitlich aufeinander folgenden Bildern der Tracerpartikel (18), wobei die Bildaufnahme durch mindestens eine Kamera (24) erfolgt und die Kamera (24) mindestens ein Objektiv (14) aufweist, so dass die Tracerpartikel (18) als Ringe oder Ringsegmente abgebildet werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur dreidimensionalen Strömungsmessung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Strömungsmessung, insbesondere zur Durchführung von Particle-Image-Velocimetry-(PIV-)Messungen, mit mindestens einer Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung von sich in einem Messvolumen der zu untersuchenden Strömung bewegenden Tracerpartikeln und mit mindestens einer Kamera zur mehrfachen Abbildung der sich bewegenden Tracerpartikel. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur dreidimensionalen Strömungsmessung, insbesondere zur Durchführung von Particle-Image-Velocimetry-(PIV-)Messungen.
Die Particle-Image-Velocimetry (PIV) ist ein optisch arbeitendes Geschwindigkeitsmessverfahren, mit dessen Hilfe zwei Komponenten des räumlichen Geschwindigkeitsfelds in einer beleuchteten Messebene erfasst werden können. Das Prinzip der PIV beruht dabei auf der Beobachtung kleiner Tracerpartikel, die einem strömenden Fluid oder Gas zugesetzt werden oder in diesen bereits enthalten sind. Durch zwei Lichtpulse werden die Tracerpartikel belichtet und das Streulicht analog auf einem fotografischen Film oder digital auf einer ladungsgekoppelten (CCD-)Speichermatrix aufgenommen. Die analogen oder digitalisierten Aufnahmen werden anschließend mit Bildbearbeitungsprogrammen weiterverarbeitet, um die Geschwindigkeitsinformationen zu erhalten. Durch die Betrachtung des Strömungsfeldes aus unterschiedlichen Blickwinkeln ist es mit der PIV auch möglich, räumliche Geschwindigkeitsinformationen festzuhalten. Dabei wird durch spezielle Spiegelanordnungen oder durch zwei Kameras die Partikelverschiebung normal zu einer Lichtschnittebene erfasst. Beispiele hierfür sind in der DE 103 12 696 B3 und der DE 199 28 698 Al beschrieben. Die WO 03/017000 Al beschreibt ebenfalls eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung von dreidimensionalen PIV-Messungen. Die Vorrichtung um- fasst dabei mindestens zwei Kameras, die jeweils ein Objektiv mit einer vorgeschalteten Blende mit drei Löchern aufweisen. Jedes der beobachteten und abgebildeten Tracerpartikel liefert so drei Punkte, deren Abstand und Anordnung mit dem Tracerpartikelabstand zur Fokusebene der jeweiligen Kamera korrelieren. Nachteilig an diesen bekannten Vorrichtungen ist jedoch, dass sie für eine dreidimensionale Strömungsmessung einen großen apparativen Aufwand und eine erhebliche optische Zugänglichkeit erfordern.
Des Weiteren sind Vorrichtungen zur dreidimensionalen Strömungsmessung bekannt, die Sonden verwenden. Nachteilig an diesen Vorrichtungen ist jedoch, dass die Sonden in die Strömung ragen und diese dadurch stören.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Strömungsmessung, insbesondere zur Durchführung von Particle-Image-Velocimetry- (PIV-)Messungen, der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche ein schnelles und berührungsloses Messen ohne Störung der Strömung bei einem relativ geringen Instrumentierungsaufwand gewährleistet.
Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Verfahren zur dreidimensionalen Strömungsmessung, insbesondere zur Durchführung von Particle- Image-Velocimetry-(PIV-)Messungen bereitzustellen, welches ein schnelles und berührungsloses Messen ohne Störung der Strömung bei einem relativ geringen Instrumentierungsaufwand gewährleistet.
Gelöst werden diese Aufgaben durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 16.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unter-ansprüchen beschrieben.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur dreidimensionalen Strömungsmessung, insbesondere zur Durchführung von Particle-Image-Velocimetry-(PrV-)Messungen umfasst mindestens eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung von sich in einem Messvolumen der zu untersuchenden Strömung bewegenden Tracerpartikeln und mindestens eine Kamera zur mehrfachen Abbildung der sich bewegenden Tracerpartikel. Erfindungsgemäß weist die Kamera mindestens ein Objektiv mit einer davor oder daran angeordneten Ringblende auf. Basierend auf der PIV wird die räumliche Bewegungskomponente durch die Verwendung mindestens eines Objektivs, bei dem nur ein äußerer Ringspalt der Linsen genutzt wird, erhalten. Die Tracerpartikel erscheinen in der Abbildung als Ringe oder Ringsegmente mit einem Durchmesser, der abhängig vom Abstand zur Fokusebene der Kamera ist. Zusammen mit dem Versatz der einzelnen Tracerpartikel in einem vordefinierten Zeitraum zur Ermittlung eines Geschwindigkeitsvektors ergeben sich dreidimensionale flächenhafte Strömungsinformationen, die berührungslos, d. h. ohne Störung der Strömung und mit wenig Instrumentierungsaufwand erhalten werden können. So ist vorteilhafterweise nur eine Kamera und eine Beleuchtungseinrichtung zur Ermittlung der Daten notwendig. Zudem genügt ein einfaches Fenster im Gehäuse der zu untersuchenden Bauteile, um die flächigen dreidimensionalen Strömungsverläufe ermitteln zu können. Zudem ist es grundsätzlich nicht erforderlich, dass die Vorrichtung eine Beleuchtungseinrichtung mit einer nachgeschalteten Lichtschnittoptik zur Ausleuchtung eines Lichtschnitts mit von der Beleuchtungseinrichtung kommendem Licht aufweist. Schließlich sind zudem sehr schnelle Messungen möglich, so dass entsprechende Messkampagnen häufiger und gleichzeitig mit hoher Ortsauflösung als bei bekannten Verfahren durchgeführt werden können. In weiteren Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Lichtschnittoptik jedoch vorhanden sein. Es ist auch möglich, dass die Vorrichtung eine zweite Beleuchtungseinrichtung mit einer nachgeschalteten Lichtschnittoptik zur Ausleuchtung eines Lichtschnitts mit von der zweiten Beleuchtungseinrichtung kommendem Licht aufweist. Eine Lichtschnittoptik kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die Trennung der Tracerpartikel-Bilder im Bereich um die Fokusebene gegen den unscharfen Vorder- bzw. Hintergrund nicht ausreichend ist.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform weist das Objektiv eine chromatische Aberration auf. Hierdurch wird die Messung vereinfacht, da die Farben der Ringe oder Ringsegmente Informationen darüber liefern, ob sich die Tracerpartikel vor oder hinter der Fokusebene der Kamera befinden. Da der Radius der Ringe oder Ringsegmente von Tracerpartikeln, welche sich nahe der Fokusebene der Kamera befinden, nahe bei Null liegt, lässt sich aus den Farben auf einfache Art und Weise entnehmen, ob sich die Tracerartikel auf die Fokusebene zu- oder vor dieser wegbewegen.
In einer hierzu alternativen Ausführungsform kann auch ein Prisma im Strahlengang verwendet werden. Hierdurch enthalten die Ringe bzw. Ringsegmente von Tracerpartikien, die sich in der Fokusebene befinden, einen Radius größer als Null; Somit lässt sich die Information der Annäherung oder Entfernung von der Fokusebene vereinfacht aus dem Radius direkt ablesen.
Das Prisma, welches insbesondere als Ringprisma ausgebildet ist, kann vor oder hinter der Ringblende angebracht sein. Außerdem ist es möglich hierzu ein Objektiv mit Prismaeigenschaften einzusetzen, insbesondere die Linsenfehler des Objektivs auszunutzen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kamera eine CCD-Kamera mit mindestens einem CCD-Chip oder eine CMOS-Kamera. Durch die digitalisierte Aufnahme der Tracerpartikel-Bilder ist eine exakte und einfache Weiterverarbeitung mit Bildverarbeitungsprogrammen möglich. Zudem können die digitalisierten Daten in einer entsprechenden Speichereinheit gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt verarbeitet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Beleuchtungseinrichtung im Bereich der optischen Achse des Objektivs, insbesondere in einem zentralen Bereich des Objektivs, angeordnet. Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise ein kleiner Aufbau der Vorrichtung zur dreidimensionalen Strömungsmessung gemäß der Erfindung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sendet die Beleuchtungseinrichtung breitbandiges Licht oder Licht mit unterschiedlichen Spektralbereichen aus. Bei der Beleuchtung mit zum Beispiel zwei Farben (zum Beispiel Rot und Blau) erfolgt eine Auswertung der farblich getrennten Ringe oder Ringsegmente. Bei der breitbandigen Beleuchtung erfolgt eine Auswertung der Farbverschmierung. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Beleuchtungseinrichtung mindestens eine Laser lichtquelle. Dabei kann es sich zum Beispiel um einen Nd: YAG-Laser handeln. Der Laser kann dabei gepulste Lichtimpulse aussenden. Auch weitere Beleuchtungsquellen wie zum Beispiel Blitzlampen, LEDs oder Ähnliche können verwendet werden. Vorteilhafterweise senden auch diese Beleuchtungsquellen gepulstes Licht aus. Des Weiteren ist es möglich, dass bei rotierenden Komponenten die Beleuch- tungs- bzw. Lichtpulse mit der Drehgeschwindigkeit der Komponente synchronisiert werden, so dass sie jeweils exakt bei der vorbestimmten Messposition der Komponente erfolgen.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen erfolgt ein Verfahren der Fokusebene der Kamera durch eine verfahrbare Ausbildung der Kamera, durch die Ausbildung des Objektivs als Zoom-Objektiv und/oder durch eine elektrische Veränderung der Linseneigenschaften und damit der Brennweiten des Objektivs. Letzteres ist dabei nur im Ringspalt erforderlich.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfϊndungsgemäßen Vorrichtung ist die Kamera eine Doppelbild-Farbkamera. Bei Verwendung eines Prismas ist es möglich, dass die Vorrichtung mindestens eine Schwarz- Weiß-Kamera aufweist. Da hierbei keine Farbinformationen ausgewertet werden müssen, ist dies ausreichend und entsprechend günstiger. Außerdem ist die Auflösung der Schwarz- Weiß-Kameras größer. Die Schwarz- Weiß- Kamera kann dabei als Doppelbild-Schwarz- Weiß-Kamera ausgebildet sein.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung sind die Tracerpartikel fluoreszierend ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine Rückstrahlung der einzelnen Tracerpartikel in einem Bereich größerer Wellenlänge relativ zur Wellenlänge der Beleuchtung. Damit ist es mit entsprechenden Filtern möglich, eine Untergrundunterdrückung durchzuführen, so dass sich eine erhöhte Auswertegenauigkeit ergibt. Eine Untergrundunterdrückung ist zudem durch eine Schwärzung der zu untersuchenden Bauteile möglich. Des Weiteren ist es möglich verspiegelten, nicht- verspiegelten oder schwarz gefärbten Hohlkugeln oder von mit fluoreszierendem Farbstoff gefüllte Kugeln als Tracerpartikel zu verwenden. Verspiegelte Hohlkugeln werden dabei in Kombination mit einem geschwärzten Hintergrund, schwarze Hohlkugeln in Kombination mit einem helleren, reflektierenden Hintergrund verwendet. Im letztgenannten Ausfuhrungsbeispiel erfolgt eine negative Messung direkt vor den Hintergrundflächen, wobei sich die Tracerpartikel dunkel vor dem helleren Hintergrund abheben. Dabei wird die Reflexionsfarbe zur genauen Detektion der Partikel genutzt, die verstärkt in Richtung der Beleuchtungsquelle reflektiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung eine Auswerteeinheit zur Auswertung der von der Kamera aufgenommenen Bilder der Tracerpartikel und zur Berechnung und Darstellung eines zeitlich definierten, dreidimensionalen Strömungsverlaufs der Tracerpartikel im Messvolumen auf. So können zum Beispiel mit geeigneten Algorithmen die aufgenommenen Bilder mathematisch ausgewertet werden, um die Tracerpartikelverschiebung zwischen den zeitlich aufeinander folgenden Belichtungen zu bestimmen. Auch spezielle Filteralgorithmen zur Detektion und Auswertung der Ringe oder Ringsegmente in den Bildern können zur Anwendung kommen. Bei der Verwendung eines nicht-telezentrischen Objektivs werden die Ringe oder Ringsegmente von Partikeln, die außerhalb der Fokusebene der Kamera liegen, oval verformt. Diese Verformung kann durch eine rechnerisch durchgeführte Entzerrung korrigiert werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur dreidimensionalen Strömungsmessung, insbesondere zur Durchfuhrung von Particle-Image-Velocimetry-(PIV-)Messungen umfasst folgende Verfahrensschritte: a) Beleuchtung von sich in einem Messvolumen befindlichen Tracerpartikeln mit mindestens einer Beleuchtungseinrichtung; b) Aufnahme und Abbildung von mindestens zwei zeitlich aufeinander folgenden Bildern der Tracerpartikel, wobei die Bildaufnahme durch mindestens eine Kamera erfolgt und die Kamera mindestens ein Objektiv mit einer davor oder daran angeordneten Ringblende aufweist, so dass die Tracerpartikel als Ringe oder Ringsegmente abgebildet werden; c) Vergleich der aufgenommenen Bilder hinsichtlich des Versatzes der einzelnen Tracerpartikel in einem vordefinierten Zeitraum zur Ermittelung eines Geschwindigkeitsvektors der jeweiligen Tracerpartikel sowie Erfassung des Durchmessers der einzelnen ringförmig abgebildeten Tracerpartikel zur Ermitte- hing des Abstands der jeweiligen Tracerpartikel zur Fokusebene der Kamera zur Ermittlung der Relativlage der jeweiligen Tracerpartikel zur Fokusebene der Kamera und d) Berechnung eines dreidimensionalen Geschwindigkeitsvektors der Tracerpartikel in dem Messvolumen durch Auswertung der im Verfahrensschritt c) erhaltenen Daten und Informationen.
Vorteilhafterweise liefert das erfindungsgemäße Verfahren dreidimensionale Strömungsinformationen flächenhaft und berührungslos, d. h. ohne Störung der Strömung. Zudem ist im Vergleich zu bekannten Verfahren nur ein sehr geringer Instrumentierungsaufwand notwendig. Die Berechnung der dreidimensionalen Geschwindigkeitsvektoren erfolgt dabei durch die Auswertung aller in den aufgenommenen Bildern enthaltenen Informationen, wie sie im Verfahrensschritt c) ermittelt und erfasst worden sind. Durch die Darstellung der Tracerpartikel als Ringe oder Ringsegmente kann deren Position und Durchmesser sehr genau und eindeutig bestimmt werden. Dies gilt auch für den Fall, dass nur Teile eines Rings zu sehen sind. Zudem lässt der Ringspalt bzw. die Ringblende integral mehr Licht durch das Objektiv als die im Stand der Technik bekannte Punktblende mit drei Löchern. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Anwendung eines PIV-Verfahrens, bei der die räumliche Bewegungskomponente durch die Verwendung des Objektivs mit einer davor oder daran angeordneten Ringblende und der gleichzeitigen Ausnutzung der chromatischen Aberration der Linsen des Objektivs genutzt wird. Die abgebildeten Tracerpartikel erscheinen als Ringe oder Ringsegmente deren Durchmesser abhängig ist vom Abstand der Tracerpartikel zur Fokusebene der Kamera.
In einer bevorzugten Ausführungsform wir ein Objektiv mit chromatischer Aberration verwendet. Die so gelieferten Farben der Ringe bzw. Ringsegmente liefern Informationen darüber, ob sich die zugehörigen Tracerpartikel vor oder hinter der Fokusebene der Kamera befinden. Hierdurch wird die Ermittlung des Geschwindigkeitssektors stark vereinfacht, da sich aus den Farben ableiten lässt, ob sich die Tracerpartikel auf die Fokusebene zu- oder davon bewegen. Alternativ hierzu kann auch ein Prisma im Strahlengang verwendet werden, bzw. prismatische Eigenschaften des Objektivs, insbesondere Linsenfehler, ausgenutzt werden. Hierdurch werden die Ringe bzw. Ringsegmente der Tracerpartikel in der Fokusebene der Kamera mit einem Radius größer als Null dargestellt. Aus der Größenänderung kann dann die Bewegungsrichtung leicht abgeleitet werden; je nachdem, ob sich der Radius vergrößert oder verkleinert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfϊndungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Beleuchtung der Tracerpartikel mit mindestens zwei aufeinander folgenden Lichtpulsen oder durch einen einzelnen, zeitlich verlängerten Lichtpuls. Die Beleuchtungseinrichtung kann dabei breitbandiges Licht oder Licht mit unterschiedlichen Spektralbereichen aussenden. Dabei erfolgt bei einer Beleuchtung mit zwei unterschiedlichen Farben (zum Beispiel Rot und Blau) eine Auswertung der farblich getrennten Ringe oder Ringsegmente. Bei einer breitbandigen Beleuchtung erfolgt eine Auswertung der Farbverschmierung in den Ringen oder Ringsegmenten. Die Beleuchtungseinrichtung kann dabei mindestens eine Laserlichtquelle umfassen. Verwendung findet zum Beispiel ein gepulster Nd: YAG-Laser. Auch weitere Beleuchtungsquellen wie zum Beispiel Blitzlampen, LEDs oder Ahnliche können verwendet werden. Vorteilhafterweise senden auch diese Beleuchtungsquellen gepulstes Licht aus.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Zeitraum zwischen zwei aufeinander folgenden Lichtpulsen steuerbar ist, derart, dass eine Anpassung an die jeweils vorherrschenden Strömungsverhältnisse, insbesondere Strömungsgeschwindigkeiten erfolgt. Die Steuerung der Lichtpulsfolge kann dabei automatisch durchgeführt werden. Des Weiteren ist es möglich, dass bei rotierenden Komponenten die Beleuchtungs- bzw. Lichtpulse mit der Drehgeschwindigkeit der Komponente synchronisiert werden, so dass sie jeweils exakt bei der vorbestimmten Messposition der Komponente erfolgen.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Kamera eine CCD-Kamera mit mindestens einem CCD-Chip oder eine CMOS-Kamera. Dabei kann die Aufnahme und Abbildung von mindestens zwei zeitlich aufeinander folgen- den Bildern der Tracerpartikel gemäß dem Verfahrensschritt b) digitalisiert erfolgen. Die Auswertung der Bilder gemäß dem Verfahrensschritt c) erfolgt üblicherweise mittels eines Bildverarbeitungsprogramms. Dabei können spezielle Filteralgorithmen zur Detektion und Auswertung von der Ringe oder Ringsegmente in den Bildern verwendet werden. Schließlich erfolgt die Berechnung des dreidimensionalen Geschwindigkeitsvektors der Tracerpartikel mittels einer entsprechenden Auswertesoftware in einer dafür geeigneten Datenverarbeitungsanlage. Bei der Verwendung eines nicht-telezentrischen Objektivs werden die Ringe oder Ringsegmente von Partikeln, die außerhalb der Fokusebene der Kamera liegen, o- val verformt. Diese Verformung kann durch eine rechnerisch durchgeführte Entzerrung korrigiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Beleuchtungseinrichtung eine nachgeschaltete Lichtschnittoptik zur Ausleuchtung eines Lichtschnitts mit von der Beleuchtungseinrichtung kommendem Licht auf. Es ist aber auch möglich, dass eine zweite Beleuchtungseinrichtung ausgebildet ist, die eine entsprechend nachgeschaltete Lichtschnittoptik zur Ausleuchtung eines Lichtschnitts mit von der zweiten Beleuchtungseinrichtung kommendem Licht aufweist. Die Verwendung einer derartigen Lichtschnittoptik erfolgt in den Fällen, in denen eine Trennung der Tracerpartikel-Bilder im Bereich um die Fokusebene der Kamera gegen den unscharfen Vorder- bzw. Hintergrund nicht ausreichend ist.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Fokusebene der Kamera veränderbar. Dies kann durch eine verfahrbare Ausbildung der Kamera selbst erfolgen, das Objektiv kann als Zoom-Objektiv ausgebildet sein und/oder die Linseneigenschaften des Objektivs und damit dessen Brennweite kann elektrisch veränderbar sein.
m einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Tracerpartikel fluoreszierend ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine Untergrundunterdrückung, die zu einer deutlichen Verbesserung der Messgenauigkeit führt. Zudem können verspiegelte, nicht-verspiegelte oder schwarz gefärbte Hohlkugeln oder mit fluoreszieren- dem Farbstoff gefüllte Kugeln als Tracerpartikel verwendet werden. Verspiegelte Hohlkugeln werden dabei in Kombination mit einem geschwärzten Hintergrund, schwarze Hohlkugeln in Kombination mit einem helleren, reflektierenden Hintergrund verwendet. Im letztgenannten Ausführungsbeispiel erfolgt eine negative Messung direkt vor den Hintergrundflächen, wobei sich die Tracerpartikel dunkel vor dem helleren Hintergrund abheben. Dabei wird die Reflexionsfarbe zur genauen Detektion der Partikel genutzt, die verstärkt in Richtung der Beleuchtungsquelle reflektiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Verfahren die Aufnahme von mindestens einem Bild des Messvolumens ohne Tracerpartikel und den Vergleich dieses Bilds oder der Bilddaten mit einem Bild oder den Daten eines Bilds mit Tracerpartikel. Durch die Aufnahme und den Vergleich der Bilder mit und ohne Tracerpartikel ist es möglich ein Hintergrundrauschen durch Differenzbildung zu unterdrücken und damit die Bildqualität und die Qualität der resultierenden Daten zu erhöhen.
Verwendung findet die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Beispiel bei der Messung von Strömungsverhältnissen in Flugtriebwerken oder Triebwerkskomponenten, insbesondere in Verdichtern und Turbinen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Aus-führungsbeispiels.
Die Figur zeigt dabei stark schematisiert eine Vorrichtung 10 zur dreidimensionalen Strömungsmessung, insbesondere zur Durchführung von Particle-Image-Velocimetry-(PIV- )Messungen. Die Vorrichtung 10 umfasst dabei eine Beleuchtungseinrichtung 12 zur Beleuchtung von sich in einem Messvolumen 20 der untersuchenden Strömung bewegenden Tracerpartikeln 18. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 10 eine Kamera 24 zur mehrfachen Abbildung der sich bewegenden Tracerpartikel 18. Man erkennt, dass die Kamera 24 ein Objektiv 14 mit einer Ringblende 16 aufweist. Dabei ist die Beleuchtungseinrichtung 12 in einem zentralen Bereich des Objektivs 14 angeordnet. Bei der Beleuchtungseinrich- tung 12 handelt es sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel um eine zweifarbige Blitzlampe.
Bei Betätigung der Beleuchtungseinrichtung 12 wird das Messvolumen 20 bzw. das Tracerpartikel 18 im Bereich eines Strahlkegels 22 beleuchtet. Das vom Tracerpartikel 18 rückgestreute Licht wird über das Objektiv 14 mit der Ringblende 16 auf einem CCD-Chip 38 der als CCD-Kamera ausgebildeten Kamera 24 aufgenommen und abgebildet. Ein entsprechendes Abbild des Tracerpartikels 18 in zwei unterschiedlichen Positionen (Pos. 1, Pos. 2) ist im Bild 26 der Figur dargestellt. Man erkennt, dass das Tracerpartikel 18 als Ring in zwei unterschiedlichen Positionen dargestellt wird. Dabei stellt das Bild 26 eine Aufnahme des Tracerpartikels 18 in zeitlich unterschiedlichen Messpositionen innerhalb des Messvolumens 20 dar. Innerhalb eines vordefinierten Zeitraums, der zwischen den beiden Bildaufnahmen der Kamera 24 liegt, bewegt sich das Tracerpartikel 18 von der Pos. 1 entlang des Pfeils 28 in die Pos. 2. Der Pfeil 28 stellt dabei die Bewegungsrichtung des Tracerpartikels 18 dar. Dieser Versatz ist im Bild 26 deutlich zu erkennen. Durch den in der Pos. 2 im Vergleich zur Pos. 1 dargestellten größeren Durchmesser des abgebildeten Tracerpartikels 18 kann der Abstand des Tracerpartikels relativ zur Fokusebene der Kamera 24 eindeutig bestimmt werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Tracerpartikel 18 in seiner Position 2 näher an der Fokusebene der Kamera 24 als in der Position 1.
Nach der Bestimmung der Position und Durchmesser der Ringe oder Ringsegmente im Bild 26 erfolgt eine Korrelation der Aufnahmen der Tracerpartikel 18 in den unterschiedlichen Messpositionen. Schließlich liefert die Auswertung der Farben der Ringe Informationen, ob sich das Tracerpartikel 18 vor oder hinter der Fokusebene der Kamera 24 befindet. Für die Erlangung der letztgenannten Information macht sich die Vorrichtung 10 die chromatische Aberration der Linsen des Objektivs 14 zunutze. Dabei kann die Beleuchtung der Tracerpartikel 18 mit zwei Farben und einer entsprechenden Auswertung der farblich getrennten Ringe oder durch eine breitbandige Beleuchtung und entsprechender Auswertung der Farbverschmierung erfolgen. Die Vorrichtung 10 umfasst zudem eine Auswerteeinheit (nicht dargestellt) zur Auswertung der von der Kamera 24 aufgenommenen Bilder 26 der Tracerpartikel 18 und zur Berechnung und Darstellung eines zeitlich definierten, dreidimensionalen Strömungsverlaufs aller Tracerpartikel 18 im Messvolumen 20. Als Grundlage hierfür dienen dabei die in den Bildern 26 enthaltenen Informationen, insbesondere die Position der Ringe, deren Durchmesser und deren Farbverteilung.
Alternativ hierzu kann auch ein Prisma (nicht dargestellt) eingesetzt werden, so dass die Informationen über die Bewegung der Tracerpartikel 18 auf die Fokusebene zu oder hiervon weg direkt aus der Größenänderung entnommen werden kann. Hier wäre dann auch nur eine Schwarz- Weiß-Kamera notwendig und die sonst übliche Farbkamera würde entfallen.
Zudem ist in der Figur der Strahlengang 30, 32, 32, 34 des von dem Tracerpartikel 18 in Pos. 1 und Pos. 2 reflektierten Lichts dargestellt.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Aufnahme und Abbildung der mindestens zwei zeitlich aufeinander folgenden Bilder 26 der Tracerpartikel 18 digitalisiert. Die Auswertung der Bilder 26 erfolgt mittels eines Bildverarbeitungsprogramms und die Berechnung des dreidimensionalen Geschwindigkeitsvektors der Tracerpartikel 18 mittels einer entsprechenden Auswertesoftware der Auswerteeinheit. Bei der Auswerteeinheit handelt es sich üblicherweise um einen Computer bzw. eine Datenverarbeitungsanlage.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur dreidimensionalen Strömungsmessung, insbesondere zur Durchführung von Particle-Image-Velocimetry-(PIV-)Messungen, mit mindestens einer Beleuchtungseinrichtung (12) zur Beleuchtung von sich in einem Messvolumen (20) der zu untersuchenden Strömung bewegenden Tracerpartikeln (18) und mit mindestens einer Kamera (24) zur mehrfachen Abbildung der sich bewegenden Tracerpartikel (18), dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (24) mindestens ein Objektiv (14) und einer davor oder daran angeordneten Ringblende (16) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (14) eine chromatische Aberration aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prisma oder ein entsprechender Filter vor und/oder nach der Ringblende (16) im Strahlengang angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma ein Ringprisma ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Objektiv (14) mit Prismaeigenschaften eingesetzt ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (24) eine CCD-Kamera mit mindestens einem CCD-Chip (42) oder eine CMOS-Kamera ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (12) im Bereich der optischen Achse des Objektivs (14) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (12) in einem zentralen Bereich des Objektivs (14) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (12) eine nachgeschaltete Lichtschnittoptik zur Ausleuchtung eines Lichtschnitts mit von der Beleuchtungseinrichtung (12) kommenden Licht aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine zweite Beleuchtungseinrichtung mit einer nachgeschalteten Lichtschnittoptik zur Ausleuchtung eines Lichtschnitts mit von der zweiten Beleuchtungseinrichtung kommenden Licht aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (12) breitbandiges Licht oder Licht mit unterschiedlichen Spektralbereichen aussendet.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (12) mindestens eine Laserlichtquelle umfasst.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (24) verfahrbar ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (24) eine Doppelbild-Farbkamera ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Schwarz- Weiß-Kamera (24) aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei die Schwarz- Weiß- Kamera (24) als Doppelbild-Schwarz- Weiß-Kamera ausgebildet ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (14) ein Zoom-Objektiv ist.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linseneigenschaften des Objektivs (14) elektrisch veränderbar sind.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tracerpartikel (18) fluoreszierend ausgebildet sind.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine Auswerteeinheit zur Auswertung der von der Kamera (24) aufgenommenen Bilder (26) der Tracerpartikel (18) und zur Berechnung und Darstellung eines zeitlich definierten, dreidimensionalen Strömungsverlaufs der Tracer-Partikel (18) im Messvolumen (20) aufweist.
21. Verfahren zur dreidimensionalen Strömungsmessung, insbesondere zur Durchführung von Particle-Image-Velocimetry-(PIV-)Messungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: a) Beleuchtung von sich in einem Messvolumen (20) befindlichen Tracerpartikeln (18) mit mindestens einer Beleuchtungseinrichtung (12); b) Aufnahme und Abbildung von mindestens zwei zeitlich aufeinander folgenden Bildern (26) der Tracerpartikel (18), wobei die Bildaufnahme durch mindestens eine Kamera (24) erfolgt und die Kamera (24) mindestens ein Objektiv (14) und mit einer davor oder daran angeordneten Ringblende (16) aufweist, so dass die Tracerpartikel (18) als Ringe oder Ringsegmente abgebildet werden; c) Vergleich der aufgenommenen Bilder (26) hinsichtlich des Versatzes der einzelnen Tracerpartikel (18) in einem vordefinierten Zeitraum zur Ermittelung eines Geschwindigkeitsvektors der jeweiligen Tracerpartikel (18) sowie Erfassung des Durchmessers der einzelnen ringförmig abgebildeten Tracerpartikel (18) zur Ermittlung des Abstands der jeweiligen Tracerpartikel (18) zur Fokusebene der Kamera (24) zur Ermittlung der Relativlage der jeweiligen Tracerpartikel (18) zur Fokusebene der Kamera (24); und d) Berechnung eines dreidimensionalen Geschwindigkeitsvektors der Tracerpartikel (18) in dem Messvolumen (20) durch Ausweitung der im Verfahrensschritt c) erhaltenen Daten und Informationen.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Objektiv (14) mit einer chromatischen Aberration zur Bestimmung der Farben der einzelnen ringförmig abgebildeten Tracerpartikel (18) verwendet wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Prisma, insbesondere ein Ringprisma in den Strahlengang eingebracht wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung der Tracerpartikel (18) mit mindestens zwei aufeinander folgenden Lichtpulsen oder durch einen einzelnen, zeitlich verlängerten Lichtpuls erfolgt.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitraum zwischen zwei aufeinander folgenden Lichtpulsen steuerbar ist, derart, dass eine Anpassung an die jeweils vorherrschenden Strömungsverhältnisse, insbesondere Strömungsgeschwindigkeiten erfolgt.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (24) eine CCD-Kamera mit mindestens einem CCD-Chip (42) oder eine CMOS-Kamera ist.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme und Abbildung von mindestens zwei zeitlich aufeinander folgenden Bildern (26) der Tracerpartikel (18) gemäß Verfahrensschritt b) digitalisiert erfolgt.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Bilder (26) gemäß dem Verfahrensschritt c) mittels eines Bildverarbeitungsprogramms erfolgt.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung eines dreidimensionalen Geschwindigkeitsvektors der Tracerpartikel (18) mittels einer entsprechenden Auswertesoftware erfolgt.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (12) breitbandiges Licht oder Licht mit unterschiedlichen Spektralbereichen aussendet.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (12) mindestens eine Laserlichtquelle umfasst.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (12) eine nachgeschaltete Lichtschnittoptik zur Ausleuchtung eines Lichtschnitts mit von der Beleuchtungseinrichtung (12) kommendem Licht aufweist.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Beleuchtungseinrichtung mit einer nachgeschalteten Lichtschnittoptik zur Ausleuchtung eines Lichtschnitts mit von der zweiten Beleuchtungseinrichtung kommendem Licht angeordnet ist.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (24) verfahrbar ausgebildet ist.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (14) ein Zoom-Objektiv ist.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Linseneigenschaften des Objektivs (14) elektrisch veränderbar sind.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Tracerpartikel (18) fluoreszierend ausgebildet sind.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Aufnahme von mindestens einem Bild des Messvolumens (20) ohne Tracerpartikel (18) und den Vergleich dieses Bilds oder der Bilddaten mit einem Bild oder den Daten eines Bilds mit Tracerpartikel (18) umfasst.
39. Verwendung einer Vorrichtung oder eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Messung der Strömungsverhältnisse in Flugtriebwerken oder Triebwerkskomponenten, insbesondere in Verdichtern und Turbinen.
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