EP2069803A2 - Device and method for three-dimensional flow measurement - Google Patents

Device and method for three-dimensional flow measurement

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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
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camera
tracer particles
light
illumination device
lens
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07817492A
Other languages
German (de)
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
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Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP2069803A2 publication Critical patent/EP2069803A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • 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
    • 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
    • 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

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

The invention relates to a device for three-dimensional flow measurement, especially for carrying out particle image velocimetry (PIV) measurements, said device comprising at least one illumination device (12) for illuminating tracer particles (18) moving in a measuring volume (20) of the flow to be examined, and at least one camera (24) for repeatedly reproducing the moving tracer particles (18), the camera (24) comprising at least one objective (14) provided with a ring diaphragm arranged in front of, or on, the objective. The invention also relates to a method for three-dimensional flow measurement, especially for carrying out particle image velocimetry (PIV) measurements. Said method includes especially the recording and reproduction of at least two temporally successive images of the tracer particles (18), the images being recorded by at least one camera (24) and the camera (24) comprising at least one objective (14) such that the tracer particles (18) are reproduced as rings or ring segments.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur dreidimensionalen Strömungsmessung Apparatus and method for three-dimensional flow measurement
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.The invention relates to a device for three-dimensional flow measurement, in particular for performing particle image velocimetry (PIV) measurements, with at least one illumination device for illuminating tracer particles moving in a measurement volume of the flow to be examined and with at least one camera for multiple imaging the moving tracer particles. The invention further relates to a method for three-dimensional flow measurement, in particular for carrying out particle image velocimetry (PIV) measurements.
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.Particle Image Velocimetry (PIV) is an optical speed measurement technique that allows two components of the spatial velocity field to be captured in an illuminated measurement plane. The principle of the PIV is based on the observation of small particles of tracer, which are added to a flowing fluid or gas or are already contained in these. The tracer particles are exposed by two light pulses and the scattered light is recorded analogously on a photographic film or digitally on a charge-coupled (CCD) storage matrix. The analog or digitized images are then further processed with image editing programs to obtain the speed information. By looking at the flow field from different angles, the PIV also makes it possible to capture spatial velocity information. In this case, the particle shift is detected normal to a light section plane by special mirror arrangements or by two cameras. Examples of this are described in DE 103 12 696 B3 and DE 199 28 698 A1. WO 03/017000 A1 likewise describes an apparatus and a method for carrying out three-dimensional PIV measurements. The device comprises at least two cameras, each having a lens with an upstream aperture with three holes. Each of the observed and imaged tracer particles thus provides three points whose distance and arrangement correlate with the tracer particle distance to the focal plane of the respective camera. A disadvantage of these known devices, however, is that they require a large amount of equipment and a considerable optical accessibility for a three-dimensional flow measurement.
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.Furthermore, three-dimensional flow measurement devices using probes are known. A disadvantage of these devices, however, is that the probes protrude into the flow and thereby disturb them.
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.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.
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.It is another object of the present invention to provide a generic method for three-dimensional flow measurement, in particular for performing Particle Image Velocimetry (PIV) measurements, which ensures a fast and non-contact measurement without disturbing the flow at a relatively low expenditure on instrumentation.
Gelöst werden diese Aufgaben durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 16.These objects are achieved by a device according to the features of claim 1 and a method according to the features of claim 16.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unter-ansprüchen beschrieben.Advantageous embodiments of the invention are described in the respective subclaims.
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.An apparatus according to the invention 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 , According to the invention, 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. Together with the offset of the individual tracer particles in a predefined period of time to determine a velocity vector, three-dimensional areal flow information results which can be obtained without contact, ie without disturbing the flow and with little instrumentation effort. Thus, advantageously only a camera and a lighting device for determining the data is necessary. In addition, a simple window in the housing of the components to be examined suffices to be able to determine the flat three-dimensional flow patterns. In addition, it is generally not necessary that the device has a lighting device with a downstream light-section optical system for illuminating a light section with light coming from the lighting device. Finally, very fast measurements are possible, so that corresponding measurement campaigns can be performed more frequently and at the same time with a high spatial resolution than in known methods. In further embodiments of the device according to the invention, however, the light-section optics may be present. It is also possible for the device to have a second illumination device with a downstream light-section optical system for illuminating a light section with light coming from the second illumination device. A light section optics can be particularly advantageous if the separation of the tracer particle images in the area around the focal plane against the blurred foreground or background is not sufficient.
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 a preferred embodiment, the lens has a chromatic aberration. This simplifies the measurement because the colors of the rings or ring segments provide information about whether the tracer particles are in front of or behind the focal plane of the camera. Since the radius of the rings or ring segments of tracer particles, which are close to the focal plane of the camera, is close to zero, can be Infer the colors in a simple way, whether the tracer article on the focus plane or move away from it.
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.In an alternative embodiment, a prism can also be used in the beam path. As a result, the rings or ring segments of tracer particles, which are located in the focal plane, have a radius greater than zero; Thus, the information of the approach or the distance from the focal plane can be read directly from the radius.
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.The prism, which is designed in particular as a ring prism, can be mounted in front of or behind the ring diaphragm. In addition, it is possible for this purpose to use a lens with prism properties, in particular to exploit the lens aberrations of the lens.
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 an advantageous embodiment of the invention, 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.
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 a further advantageous embodiment of the invention, the illumination device is arranged in the region of the optical axis of the objective, in particular in a central region of the objective. This advantageously results in a small construction of the device for three-dimensional flow measurement according to the invention.
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 a further advantageous embodiment of the device according to the invention, the illumination device emits broadband light or light with different spectral ranges. When lighting with, for example, two colors (for example, red and blue), the color-separated rings or ring segments are evaluated. In the case of broadband illumination, an evaluation of the color smear occurs. In a further advantageous embodiment of the invention, the illumination device comprises at least one laser light source. This may be, for example, an Nd: YAG laser. The laser can emit pulsed light pulses. Other lighting sources such as flash lamps, LEDs or the like can be used. Advantageously, these illumination sources also emit pulsed light. Furthermore, it is possible that, with rotating components, the illumination or light pulses are synchronized with the rotational speed of the component so that they respectively take place exactly at the predetermined measuring position of the component.
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 further advantageous embodiments of the devices according to the invention, a method of the focal plane of the camera by a movable training of the camera, by the formation of the lens as a zoom lens and / or by an electrical change of the lens properties and thus the focal lengths of the lens. The latter is required only in the annular gap.
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 further advantageous embodiments of the device according to the invention, the camera is a double-color camera. When using a prism, it is possible that the device has at least one black and white camera. Since no color information needs to be evaluated, this is sufficient and correspondingly cheaper. In addition, the resolution of black and white cameras is larger. The black and white camera can be designed as a double-image black and white camera.
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 further advantageous embodiments of the invention, the tracer particles are formed fluorescent. This results in a re-radiation of the individual tracer particles in a region of greater wavelength relative to the wavelength of the illumination. This makes it possible with appropriate filters to perform a background suppression, so that there is an increased evaluation accuracy. A background suppression is also possible by a blackening of the components to be examined. Furthermore, it is possible to use mirrored, non-mirrored or black colored hollow spheres or balls filled with fluorescent dye as tracer particles. mirrored Hollow spheres are used in combination with a blackened background, black hollow spheres in combination with a brighter, reflective background. In the latter exemplary embodiment, a negative measurement takes place directly in front of the background surfaces, whereby the tracer particles stand out dark against the lighter background. In this case, the reflection color is used for accurate detection of the particles, which reflects increasingly in the direction of the illumination source.
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.In a further advantageous embodiment of the device according to the invention, the device has an evaluation unit for evaluating the images of the tracer particles taken by the camera and for calculating and displaying a temporally defined, three-dimensional flow course of the tracer particles in the measurement volume. Thus, for example, with suitable algorithms, the recorded images can be evaluated mathematically in order to determine the tracer particle shift between the temporally successive exposures. Special filter algorithms for the detection and evaluation of the rings or ring segments in the images can also be used. When using a non-telecentric lens, the rings or ring segments of particles that are outside the focal plane of the camera are deformed oval. This deformation can be corrected by a computationally performed equalization.
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.A method according to the invention for three-dimensional flow measurement, in particular for carrying out particle image velocimetry (PIV) measurements, comprises the following method steps: a) illumination of tracer particles in a measurement volume with at least one illumination device; b) taking and imaging of at least two temporally successive images of the tracer particles, wherein the image acquisition is performed by at least one camera and the camera has at least one lens with a ring orifice arranged in front of or thereon, so that the tracer particles are imaged as rings or ring segments; c) comparison of the recorded images with respect to the offset of the individual tracer particles in a predefined period of time for determining a velocity vector of the respective tracer particles and recording the diameter of the individual ring-shaped tracer particles for the purpose of determining d) calculation of a three-dimensional velocity vector of the tracer particles in the measurement volume by evaluation of the data and information obtained in method step c).
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.Advantageously, the method according to the invention provides three-dimensional flow information areally and non-contact, d. H. without disturbing the flow. In addition, compared to known methods, 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. In addition, 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.
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 a preferred embodiment, we use a chromatic aberration lens. The colors of the rings or ring segments thus supplied provide information as to whether the associated tracer particles are located in front of or behind the focal plane of the camera. As a result, the determination of the velocity sector is greatly simplified, since it can be deduced from the colors whether the tracer particles move toward or away from the focal plane. Alternatively, a prism in the beam path can be used, or prismatic properties of the lens, in particular lens defects, can be exploited. As a result, the rings or ring segments of the tracer particles in the focal plane of the camera are shown with a radius greater than zero. From the resizing then the direction of movement can be easily derived; depending on whether the radius increases or decreases.
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 an advantageous embodiment of the inventive method, the illumination of the tracer particles is carried out with at least two successive light pulses or by a single, temporally prolonged light pulse. The illumination device can emit broadband light or light with different spectral ranges. In the case of illumination with two different colors (for example red and blue), an evaluation of the color-separated rings or ring segments takes place. In the case of broadband illumination, an evaluation of the color smear in the rings or ring segments takes place. The illumination device can comprise at least one laser light source. For example, a pulsed Nd: YAG laser is used. Other sources of illumination such as flash lamps, LEDs or the like can be used. Advantageously, these illumination sources also emit pulsed light.
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 further advantageous embodiments of the method according to the invention, the period between two consecutive light pulses is controllable, such that an adaptation to the prevailing flow conditions, in particular flow rates takes place. The control of the light pulse sequence can be carried out automatically. Furthermore, it is possible for rotating components, the illumination or light pulses are synchronized with the rotational speed of the component, so that they each take place exactly at the predetermined measuring position of the component.
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 further advantageous embodiments of the method according to the invention, the camera is a CCD camera with at least one CCD chip or a CMOS camera. The recording and mapping of at least two chronologically consecutive the pictures of the tracer particles according to the method step b) digitized. The evaluation of the images according to method step c) is usually carried out by means of an image processing program. Special filter algorithms for the detection and evaluation of the rings or ring segments in the images can be used. Finally, the calculation of the three-dimensional velocity vector of the tracer particles is carried out by means of a corresponding evaluation software in a suitable data processing system. When using a non-telecentric lens, the rings or ring segments of particles that are outside the focal plane of the camera are deformed oval. This deformation can be corrected by a computationally performed equalization.
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 a further advantageous embodiment of a method according to the invention, the illumination device has a downstream light-section optical system for illuminating a light section with light coming from the illumination device. But it is also possible that a second illumination device is formed, which has a corresponding downstream light section optics for illuminating a light section with light coming from the second illumination device. The use of such a light section optics takes place in those cases in which a separation of the tracer particle images in the region around the focal plane of the camera against the blurred foreground or background is not sufficient.
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.In further advantageous embodiments of the method according to the invention, the focal plane of the camera is variable. This can be done by a movable design of the camera itself, the lens can be designed as a zoom lens and / or the lens properties of the lens and thus its focal length can be electrically changed.
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 a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the tracer particles are formed fluorescently. This results in a background suppression, which leads to a significant improvement in measurement accuracy. In addition, mirrored, non-mirrored or black-colored hollow spheres or with fluorescence the dye filled balls are used as tracer particles. Mirrored hollow spheres are used in combination with a blackened background, black hollow spheres in combination with a brighter, reflective background. In the last-mentioned embodiment, a negative measurement takes place directly in front of the background areas, whereby the tracer particles stand out dark against the brighter background. In this case, the reflection color is used for accurate detection of the particles, which reflects increasingly in the direction of the illumination source.
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.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the method comprises the acquisition of at least one image of the measurement volume without tracer particles and the comparison of this image or the image data with an image or the data of an image with tracer particles. By recording and comparing the images with and without tracer particles, it is possible to suppress background noise by subtraction and thus increase the image quality and the quality of the resulting data.
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.The device according to the invention and the method according to the invention are used, for example, in the measurement of flow conditions in aircraft engines or engine components, in particular in compressors and turbines.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Aus-führungsbeispiels.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a diagrammatically illustrated exemplary embodiment.
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.The figure shows a highly schematic of a device 10 for three-dimensional flow measurement, in particular for performing Particle Image Velocimetry (PIV) measurements. In this case, the device 10 comprises an illumination device 12 for illuminating tracer particles 18 moving in a measurement volume 20 of the examination flow. Furthermore, the device 10 comprises a camera 24 for multiple imaging of the moving tracer particles 18. It can be seen that the camera 24 is an objective 14 having a ring aperture 16. In this case, the illumination device 12 is arranged in a central region of the objective 14. In the lighting Device 12 is in the illustrated embodiment, a two-color flash lamp.
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.Upon actuation of the illumination device 12, the measurement volume 20 or the tracer particle 18 is illuminated in the region of a beam cone 22. The light backscattered by the tracer particle 18 is received and imaged via the objective 14 with the annular diaphragm 16 on a CCD chip 38 of the camera 24 designed as a CCD camera. A corresponding image of the tracer particle 18 in two different positions (Pos. 1, Pos. 2) is shown in Figure 26 of the figure. It can be seen that the tracer particle 18 is shown as a ring in two different positions. In this case, the image 26 is a recording of the tracer particle 18 in temporally different measuring positions within the measuring volume 20. Within a predefined period of time, which is between the two images of the camera 24, the tracer 18 moves from the pos. 1 along the arrow 28 in The pos. 2 represents the direction of movement of the tracer particle 18. This offset can be clearly seen in FIG. By the illustrated in the Pos. 2 in comparison to Pos. 1 larger diameter of the imaged Tracerpartikels 18, the distance of the tracer particle relative to the focal plane of the camera 24 can be determined uniquely. In the illustrated embodiment, the tracer particle 18 is in its position 2 closer to the focal plane of the camera 24 than in the 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.After determining the position and diameter of the rings or ring segments in the image 26, the images of the tracer particles 18 in the different measurement positions are correlated. Finally, the evaluation of the colors of the rings provides information as to whether the tracer particle 18 is located in front of or behind the focal plane of the camera 24. For obtaining the latter information, the device 10 makes use of the chromatic aberration of the lenses of the lens 14. In this case, the illumination of the tracer particles 18 with two colors and a corresponding evaluation of the color-separated rings or by a broadband illumination and appropriate evaluation of the color smearing done. The device 10 additionally comprises an evaluation unit (not shown) for evaluating the images 26 of the tracer particles 18 taken by the camera 24 and for calculating and displaying a time-defined, three-dimensional flow course of all tracer particles 18 in the measurement volume 20. The basis for this is provided in FIG Images 26 contained information, in particular the position of the rings, their diameter and their color distribution.
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.Alternatively, a prism (not shown) can be used, so that the information about the movement of the tracer particles 18 on the focal plane to or away from it can be taken directly from the resizing. Here then only a black and white camera would be necessary and the usual color camera would be omitted.
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 addition, the beam path 30, 32, 32, 34 of the light reflected by the tracer particle 18 in pos. 1 and pos. 2 is shown in the figure.
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. In the illustrated embodiment, the recording and imaging of the at least two temporally successive images 26 of the tracer particles 18 is digitized. The evaluation of the images 26 takes place by means of an image processing program and the calculation of the three-dimensional velocity vector of the tracer particles 18 by means of a corresponding evaluation software of the evaluation unit. The evaluation unit is usually a computer or a data processing system.

Claims

Patentansprüche claims
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.1. Apparatus for three-dimensional flow measurement, in particular for performing particle image velocimetry (PIV) measurements, with at least one illumination device (12) for illuminating tracer particles (18) moving in a measurement volume (20) of the flow to be investigated with at least one camera (24) for multiple imaging of the moving tracer particles (18), characterized in that the camera (24) has at least one objective (14) and an annular diaphragm (16) arranged in front of or thereon.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (14) eine chromatische Aberration aufweist.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the lens (14) has a chromatic aberration.
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.3. A device according to claim 1, characterized in that a prism or a corresponding filter before and / or after the annular aperture (16) are arranged in the beam path.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma ein Ringprisma ist.4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the prism is a ring prism.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Objektiv (14) mit Prismaeigenschaften eingesetzt ist.5. Apparatus according to claim 3, characterized in that an objective (14) is used with prism properties.
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.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the camera (24) is a CCD camera with at least one CCD chip (42) or a CMOS camera.
7. Vorrichtung nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (12) im Bereich der optischen Achse des Objektivs (14) angeordnet ist. 7. Device according to claim one of the preceding claims, characterized in that the illumination device (12) is arranged in the region of the optical axis of the objective (14).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (12) in einem zentralen Bereich des Objektivs (14) angeordnet ist.8. The device according to claim 7, characterized in that the illumination device (12) is arranged in a central region of the objective (14).
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.9. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the illumination device (12) has a downstream light section optics for illuminating a light section with light coming from the illumination device (12).
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.10. The device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the device (10) has a second illumination device with a downstream light-section optics for illuminating a light section with light coming from the second illumination device.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (12) breitbandiges Licht oder Licht mit unterschiedlichen Spektralbereichen aussendet.11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the illumination device (12) emits broadband light or light with different spectral ranges.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (12) mindestens eine Laserlichtquelle umfasst.12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the illumination device (12) comprises at least one laser light source.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (24) verfahrbar ausgebildet ist.13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the camera (24) is designed to be movable.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (24) eine Doppelbild-Farbkamera ist.14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the camera (24) is a double-color camera.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Schwarz- Weiß-Kamera (24) aufweist. 15. Device according to one of claims 3 to 13, characterized in that the device comprises at least one black and white camera (24).
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei die Schwarz- Weiß- Kamera (24) als Doppelbild-Schwarz- Weiß-Kamera ausgebildet ist.16. The apparatus according to claim 15, characterized in that in the black and white camera (24) is designed as a double-image black and white camera.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (14) ein Zoom-Objektiv ist.17. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the lens (14) is a zoom lens.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linseneigenschaften des Objektivs (14) elektrisch veränderbar sind.18. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the lens properties of the lens (14) are electrically variable.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tracerpartikel (18) fluoreszierend ausgebildet sind.19. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the tracer particles (18) are formed fluorescent.
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.20. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device (10) has an evaluation unit for evaluating the camera (24) recorded images (26) of the tracer particles (18) and for calculating and displaying a temporally defined, three-dimensional flow pattern the tracer particle (18) in the measuring volume (20).
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.21. Method for three-dimensional flow measurement, in particular for performing particle image velocimetry (PIV) measurements, characterized in that the method comprises the following method steps: a) illumination of tracer particles (18) located in a measurement volume (20) at least one illumination device (12); b) taking and imaging at least two temporally successive images (26) of the tracer particles (18), wherein the image acquisition by at least one camera (24) and the camera (24) at least one lens (14) and with a front of it or arranged annular aperture (16), so that the tracer particles (18) are imaged as rings or ring segments; c) Comparison of the recorded images (26) with respect to the offset of the individual tracer particles (18) in a predefined time period for determining a velocity vector of the respective tracer particles (18) and detection of the Diameter of the individual ring-shaped tracer particles (18) for determining the distance of the respective tracer particles (18) to the focal plane of the camera (24) for determining the relative position of the respective tracer particles (18) to the focal plane of the camera (24); and d) calculating a three-dimensional velocity vector of the tracer particles (18) in the measurement volume (20) by expanding the data and information obtained in method step c).
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.22. The method according to claim 21, characterized in that a lens (14) with a chromatic aberration for determining the colors of the individual ring-shaped tracer particles (18) is used.
23. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Prisma, insbesondere ein Ringprisma in den Strahlengang eingebracht wird.23. The method according to claim 21, characterized in that in addition a prism, in particular a ring prism is introduced into the beam path.
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.24. The method according to any one of claims 21 to 23, characterized in that the illumination of the tracer particles (18) takes place with at least two successive light pulses or by a single, temporally prolonged light pulse.
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.25. The method according to claim 24, characterized in that the period between two successive light pulses is controllable, such that an adaptation to the prevailing flow conditions, in particular flow rates takes place.
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.26. The method according to any one of claims 21 to 25, characterized in that the camera (24) is a CCD camera with at least one CCD chip (42) or a CMOS camera.
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. 27. The method according to any one of claims 21 to 26, characterized in that the recording and imaging of at least two temporally successive images (26) of the tracer particles (18) according to method step b) digitized takes place.
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.28. The method according to any one of claims 21 to 27, characterized in that the evaluation of the images (26) according to the method step c) by means of an image processing program.
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.29. The method according to any one of claims 21 to 28, characterized in that the calculation of a three-dimensional velocity vector of the tracer particles (18) by means of a corresponding evaluation software.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (12) breitbandiges Licht oder Licht mit unterschiedlichen Spektralbereichen aussendet.30. The method according to any one of claims 21 to 29, characterized in that the illumination device (12) emits broadband light or light with different spectral ranges.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (12) mindestens eine Laserlichtquelle umfasst.31. The method according to any one of claims 21 to 30, characterized in that the illumination device (12) comprises at least one laser light source.
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.32. The method according to any one of claims 21 to 31, characterized in that the illumination device (12) has a downstream light section optics for illuminating a light section with light coming from the illumination device (12).
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.33. The method according to any one of claims 21 to 32, characterized in that a second illumination device is arranged with a downstream light section optics for illuminating a light section with light coming from the second illumination device.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (24) verfahrbar ausgebildet ist.34. The method according to any one of claims 21 to 33, characterized in that the camera (24) is designed to be movable.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (14) ein Zoom-Objektiv ist. 35. The method according to any one of claims 21 to 34, characterized in that the lens (14) is a zoom lens.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Linseneigenschaften des Objektivs (14) elektrisch veränderbar sind.36. The method according to any one of claims 21 to 35, characterized in that the lens properties of the lens (14) are electrically variable.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Tracerpartikel (18) fluoreszierend ausgebildet sind.37. The method according to any one of claims 21 to 36, characterized in that the tracer particles (18) are formed fluorescent.
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.38. Method according to claim 21, characterized in that the method comprises recording at least one image of the measuring volume (20) without tracer particles (18) and comparing this image or the image data with an image or the data of an image Tracer particles (18).
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. 39. Use of a device or a method according to any one of the preceding claims for measuring the flow conditions in aircraft engines or engine components, in particular in compressors and turbines.
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