KR20020007315A

KR20020007315A - 유동 분석 방법과 분석 장치

Info

Publication number: KR20020007315A
Application number: KR1020017010992A
Authority: KR
Inventors: 아른트슈테판; 하이넨크리스티안; 라이만클라우스; 루크보도
Original assignee: 클라우스 포스, 게오르그 뮐러; 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2002-01-26
Also published as: WO2001048489A2; DE50013860D1; EP1181561A2; EP1181561B1; JP2003518630A; DE19963393C1; KR100855511B1; US6549274B1; WO2001048489A3

Abstract

본 발명은 유동을 분석하거나 유동량을 결정하기 위한 방법과 이 방법을 실시하기에 적합한 장치에 관한 것으로서, 특히 액체 또는 기체 상태에 있는 유동의 속도 성분을 3차원적으로 결정하거나 상기 유동을 3차원적으로 가시화하기 위한 것이다. 이를 위하여, 전자기파, 특히 입자(30, 31, 32, 33, 34, 35)들에 의해 부분적으로 방사 또는 산란되며 적어도 부분적으로 검출 공간(25) 내에 포함된 광이 사용된다. 적어도 하나의 검출 장치를 이용하여 2차원 주파수 선택 또는 주파수 밴드 선택 영상(40, 41, 42, 43)의 형태로 상기 입자들을 검출함으로써 유동이 결정된다. 조명 장치는 주파수 또는 주파수 스펙트럼 변조를 통한 전자기파를 이용하여 검출 공간(25)을 적어도 부분적으로 스캔함으로써 적어도 거의 평행하며 공간적으로 서로 나란하게 배치된 적어도 두 개의 근사 광 표면(19, 18, 17, 20, 21, 22)들을 발생시킨다.

Description

유동 분석 방법과 분석 장치{Method and device for flow analysis}

상기 유동 속도의 측정과 유동의 가시화는, 특히 매우 상이한 유동 현상들을 분석 및 최적화하고자 하는 공기 역학과 유체 역학에서 찾아볼 수 있으며, 이외에도 공정 기술과 제조 기술 분야에서 폭넓게 사용되고 있다. 또한, 이 분야에서는 기계학적, 전기 기계학적 유동 측정 방법뿐만 아니라 광학적 유동 측정 방법이 사용되고 있다. 한편, 현존하는 광학적 유동 측정 방법은 대략 점, 평면 및 공간 측정 방법으로 구분된다.

지금까지는, 소위 토탈 필드 방법(total field method)을 이용함으로써 불안정한 유동 진행 과정이나 3차원 난류 구조에 대하여 2차원 검측이 가능하였다. 이 방법은 액체 또는 기체 유동 상태에 분산광(scattering light)을 조사하여 이 분산광에 부유된 입자들이 교차하는 광 교차점(light intersection point) 혹은 광 교차면을 검출한다.

또한, 평면 측정 방법인 경우에는 주로, 소위 "입자 이미지 속도측정법(PIV; Particle Image Velocimetry)" 혹은 "입자 트랙킹 방법(Particle Tracking Method)"이 사용된다. 여기서, 상호 관계 알고리즘(correlation algorithm) 혹은 트랙킹 알고리즘을 이용함으로써 유동 거동과 관련하여 분석하고자 하는 매질 내에서 부유 입자 그룹 또는 단일 부유 입자들의 변위가 결정된다.

추가로, 평면 측정 방법에서는 광 교차면과 수직한 부유 입자의 정상 속도 성분을 결정하기 위하여 동시에 두 개의 상이한 유색 광 교차면들이 사용되는 것으로 알려져 있다. 이러한 일례로서, 1991년 국제 심포지엄 FLUCOME에서 발표한 I. Kimura와 Y. Kohno의 "시공간 이미지 관계에 기초한 유동장에서 3차원 속도 벡터의 측정" 69 내지 615쪽, 1996년 스프링거 출판사에서 출간한 것으로서 유체 실험 21의 312 내지 314쪽에 기재된 C. Bruker의 "칼라 코드화 광 시트에서 공간 관계를 이용한 3차원 PIV" 및 1998년 스프링거 출판사에서 출간한 것으로서 유체 실험 8의 228쪽 내지 230쪽에 기재된 A. Cenedese와 A. Paglialunga의 "PIV를 이용한 제 3 속도 성분을 결정하기 위한 새로운 기술"을 들 수 있다.

1996년 M. Raffel 등이 저술한 것으로서 광학 기술 35장 7단락의 2067 내지 2074쪽에 기재된 "이중 평면 입자 이미지 속도 측정법의 분석적 및 실험적 연구"에는 초퍼 디스크(chopper disk)를 이용하여 하나의 광 교차면을 두 개의 광 교차점으로 3차원 형태로 변환하는 방법이 추가로 제공되어 있다.

또한, 1992년 스프링거 출판사에서 출간한 것으로서 유체 실험 13의 357 내지 359쪽에 기재된 F. Dinkelacker 등이 저술한 "등급별 강도를 갖는 광 시트를 사용하는 PTA를 이용한 제 3 속도 성분의 결정"에는 하나의 두꺼운 광 교차면을 이광 교차면의 두께에 따라서 강도별로 변조시키는 방법이 공지되어 있다.

이상과 같은 평면 측정 방법들을 요약해서 설명하면, 이 방법들은 하나의 평면 내에서 부유 입자들의 속도 성분을 결정하며, 그 결과 조사하고자 하는 액체, 혹은 조사하고자 하는 기체 내의 유동을 분석하는 것이다. 그렇지만, 이 방법은 3차원 유동을 공간 내에서가 아니라 하나의 평면 내에서 분석하고 있다.

공간 측정 방법 하에서, 다시 말하면 유동 분석을 공간에서 실시하는 측정 방법을 사용하는 경우에는 입체경 방법(stereoscopic method)이 다루어지는데, 그 일례로서 1988년 스프링거 출판사에서 출간한 것으로 유체 실험 6의 25 내지 32쪽에 기재된 R. Racca와 J. Dewey의 "3차원 유동장에서의 자동 입자 트랙킹 방법"이 공지되어 있으며, 또는 1984년 T. Chang 등이 저술한 것으로서 광학 기술 23장 3단락 282 내지 287쪽에 기재된 "3차원 유동장의 분석을 위한 이미지 프로세싱의 적용"에서는 스테레오스코픽 렌즈를 이용한 처리 방법을 제안하고 있다. 이 방법에서는 2개 내지 4개의 카메라를 사용하여 여러 방향으로부터 유동장을 기록한다.

상술한 바와 같은 모든 공간 측정 방법들은 분석하고자 하는 유동장에 연속 조사를 실시하며 분석하고자 하는 공간을 복수의 화상 검출기를 이용하여 여러 가지 방향에서 기록한다는 공통점을 갖는다. 그러므로, 이 방법에서는 준비 시간, 광학적 접근성 및 검색 방향과 관련한 제한성이 중요한 역할을 하며, 이 때문에 제한적으로 사용될 수 있다. 후자의 경우에는 주로 홀로그랙픽 방법에서 유효하다.

마지막으로, 1995년 스프링거 출판사에서 출간한 것으로서 유체 실험 19의 255 내지 263쪽에 기재된 C. Bruker의 "스캐닝 광 시트 내에서 디지털-입자-이미지속도 측정법(DPIV): 짧은 실린더 주위에서 유동하는 3차원 출발 유동"과 같은 공간 측정 방법이 공지되어 있는데, 이 방법에서는 분석하고자 하는 공간이 트롬멜 스캐너(trommel scanner)를 이용한 단색 레이저빔으로 주사된다. 부유 입자에 산란되며 유동을 특징짓는 투광기는 고속 카메라를 이용하여 시간에 따라서 기록한다. 또한, 각각의 단일 광 표면 위치들은 분석하고자 하는 공간에서 독립적으로 기록되기 때문에, 유동장의 기록은 사용된 카메라의 화상 재현 주파수와 관련된다. 또한, 검출 공간 내에서 각각의 단일 광 표면 위치의 독립적인 기록은 매우 많은 데이터량과 상응하는 높은 메모리 용량을 발생시킨다.

본 발명은 유동을 분석하거나 유동량을 결정하기 위한 독립항에 따른 방법과 장치에 관한 것으로서, 특히 액체 또는 기체 상태에 있는 유동의 속도 성분을 3차원적으로 결정하거나 유동을 3차원적으로 가시화하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 유동 분석 장치의 기본 개요를 도시한 평면도.

도 2는 검출 공간의 일구역을 3차원적으로 도시하며, 추가로 두 가지 다른 시점에 대한 두 개의 독립 광 교차면들의 두 구역을 도시한 도면.

도 3은 단일 입자의 유동 속도 성분을 계산하기 위한 것으로서 검출 공간의 정면에 차례로 기록된 두 개의 화상을 도시한 도면.

도 4는 두 가지 다른 시간대에서 만들어진 화상을 갖는 검출 공간의 단일 영상을 도시한 도면.

도 5는 도 4에 도시한 검출 공간을 연속된 복수의 주사 진행 형태로 처리한 도면.

따라서, 본 발명의 목적은 검출 공간 내에서 기체 및 액체 상태에 있는 유동의 속도를 3차원적으로, 그리고 간편하면서 신속하게 또한 저렴하게 측정 및 분석하고자 하는 것이다.

종래 기술에 비하여 독립항의 특징을 갖는 본 발명에 따른 방법과 본 발명에 따른 장치는, 특히 검출 장치와 관련해서 비교적 저렴한 부품 비용을 필요로 하는 장점을 갖는다. 또한, 단지 한쪽 관찰 방향 및 하나의 CCD-칼라 카메라만을 필요로 하는 장점을 갖는다.

더욱이, 본 발명에 따른 방법은 발생된 데이터량이 비교적 적으며 이로 인하여 단순하면서 알기 쉽게 처리 및 평가될 수 있다는 장점을 갖는다.

결과적으로, 본 발명에 따른 방법에서 얻을 수 있는 해결책과 측정 정확도는 고속 카메라의 화상 재현 주파수와 관련되는 것이 아니라 상호 연속해서 인접하게배치된 두 개의 평형 입체 광 표면들의 발생시 거리와 시간적 차이만으로 제한된다.

본 발명의 바람직한 개선 형태는 종속항에서 밝히는 조치에 의해서 주어진다.

복수의 광 표면들은 상이한 칼라나 상이한 주파수 스펙트럼의 광이 사용되는 경우에 특히 바람직하며, 이때 칼라들은 가시적인 주파수 대역뿐만 아니라 유사 자외선 또는 유사 적외선 상태에 놓일 수 있다. 이 경우에, 검출 공간의 내부를 기록하기 위하여 유동을 특징짓는 입자들에 의해 방사 또는 산란되는 광을 이용할 수 있으며 종래의 장치에 비교하여 비교적 저렴한 CCD 카메라가 적합하다.

전자기파 혹은 광으로서는 한편으로 다색 광빔이 적합한데, 이러한 다색광인 경우에 가시적인 주파수 대역의 넓은 주파수 스펙트럼에 해당하는 하나의 광빔이 사용되기 때문에, 예를 들어 인간의 눈으로도 관찰될 수 있을 뿐만 아니라 혼합 칼라로 표현되며, 다른 한편으로 필요한 경우에 복수의 상이한 칼라 혹은 기본 칼라를 갖는 복수 형태의 광빔이 사용되기도 한다.

상기 광빔을 위한 광원으로서는 하나 이상의 레이저나 필요시 각각의 상이한 칼라가 혼합 또는 기본 칼라(적/녹/청)들을 발생시키는 레이저 다이오드가 설치될 수 있다. 더욱이, 점 형태의 광면을 갖는 기록용 램프가 사용된다.

특히 바람직하게는, 하나 이상의 다색 레이저빔을 사용하는 것인데, 그 이유는 이 경우에 특히 검출 공간 내에서 단일 광 표면의 우수한 시준과 입체적 감광, 혹은 분리가 이루어지기 때문이다.

화상 검출기 혹은 검출 장치의 위치에서 평행한 광 표면들을 통과하는 검출 공간인 경우 항상 적어도 균일하며 우수한 포커스 깊이를 보장하기 위하여, 검출 장치 또는 사용된 CCD-카메라에는 연속 또는 단계적 포커스 깊이 조절을 위한 추가의 장치가 제공되는 경우에 바람직하다. 이때, 포커스 깊이의 조절은, 예를 들어 검출 공간의 정확한 조절을 통하여 시간적으로 연속 발생된 광 표면에서 보정된다.

CCD-칼라 카메라 혹은 검출 장치에 의해서 기록된 검출 공간의 화상들을 평가하기 위하여, 기본적으로 공지된 알고리즘과 칼라 정보를 추가로 고려하는 "입자 영상 속도 측정법"의 평가 방법이 적합하다. 그렇지만 또한, "입자 트랙킹 방법"이 사용될 수도 있다.

전체적으로, 본 기술분야의 당업자에게 알려진 상술한 방법에서는 칼라, 주파수 또는 주파수 대역을 인식할 필요가 있으며, 또한 정상 속도 성분을 양적으로 표현하기 위한 평가 방법을 필요로 한다.

광원에 의해 제공된 다색광의 간편하면서 신속한 필터링은 칼라 혼합, 예를 들어 칼라 변환 주파수를 가지며 MHz-대역에까지 임의의 칼라를 발생시키는 공지된 음향 광학 모듈레이터들 중 하나를 이용하는 것이 바람직하다.

더욱이, 조명 장치에서 시준기와 폴리곤스캐너에는 연속 갈바닉 측정 스케너가 제공되는 것이 바람직한데, 이 스캐너는 검출 공간을 높은 입체적 영상으로 표현하며, 다시 말하면 인접한 단일 광 표면들의 낮은 폭과 명확한 입체적 분리를 수행할 수 있다.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 방법의 요지는 다색 광의 형태로 전자기파를 방사하기 위한 조명 장치, 예를 들어 광원과 다음에 접속된 광학 부품을 이용함으로써 여러 가지 색상 또는 주파수 혹은 주파수 스펙트럼에서 상이하지만 적어도 근사한 평행 광 표면을 발생시키는 것인데, 이 광 표면은 입체적 및 시간적으로 연속해서 배치되고 검출 공간(25) 또는 이 검출 공간(25)의 영역을 검색 및 촬상할 수 있을 뿐만 아니라 상기 검색 과정동안 하나 이상의 영상 검출기 혹은 검출 장치, 예를 들어 검출 공간(25)의 정면(26)에 배치된 CCD-카메라(16)가 검출 공간(25)의 영상을 촬상한다.

또한, 광원(10)으로서는 본 실시예에서 광학 부품들로 구성된 상이한 주파수를 구현할 수 있는 다색 광원, 예를 들어 복수의 레이저가 사용된다.

다색 광빔, 특히 다색 레이저빔을 발생시키기 위한 다른 방법으로서는 광섬유 레이저가 사용될 수 있다.

입체적 및 시간적으로 연속해서 배치된 평행 광 표면의 등급을 얻기 위하여, 광원(10)과 관련한 추가의 부품이 제공된다. 따라서 광 표면의 칼라 변조는 음향 광학 모듈레이터(12) 또는 이와 달리 집적 광학 칼라 혼합기를 이용하여 가능하다.

여러 가지 인접한 평행 광 표면을 발생시키기 위하여, 음향 광학 모듈레이터(12)와 관련하여 제공된 시준기(13), 공지된 갈바닉 측정 스캐너(14) 및 공지된 폴리곤 스캐너(15)가 사용된다.

상기 음향 광학 모듈레이터(12)와 관련하여 제공된 부품들은 음향 광학 모듈레이터(12)를 이용하여 검출 공간(25)을 촬영하며 허여된 단색 레이저빔(11')이 적어도 근사하며 공간적 및 시간적으로 연속 발생된 평행 광 표면(17, 18, 19, 20, 21, 22)들에 작용한다. 여기서, "단색"이란 단지 레이저빔(11')이 연결된 레이저 빔(11)으로서 레이저빔(11)에 비하여 감소된 주파수 스펙트럼과, 특히 다른 칼라를 갖는다는 것을 의미한다. 따라서, 상기 레이저빔(11)은 예를 들어 레이저빔(11')이 적색, 청색 또는 녹색일 때 가시화된다. 물론, 레이저빔(11)은 레이저빔(11')이 청색 또는 황색일 때 녹색일 수 있다.

이로 인하여, 상기 광 표면(17, 18, 19, 20, 22)들은 이 표면들의 색상에 따라서 상이하게 나타나며 그 결과 음향 광학 모듈레이터(12)에 의해서 다색이나 가시적인 레이저빔(11)의 칼라 변조가 가능하다.

바람직하게는, 상기 검출 공간(25)의 촬영은 CCD-카메라(16)가 적어도 근사하게 연속적으로 검출 공간(25) 및 광 표면(17, 18, 19, 20, 21, 22)들을 투사하는 형태로 이루어진다.

유동 공간의 화상은 주로 화상 검출기, 예를 들어 CCD-칼라 카메라(16)와 달리 간섭 필터가 제공된 3칩 특수 카메라, 예를 들어 소위 LLT3-카메라로 기록될 수 있다. 이 특수 카메라를 사용하는 경우에, 칼라들이 RGB-영상의 적색, 녹색, 청색으로 대표되는 3개의 단일 모노크롬 센서들이 사용된다. 이 경우에, 각 칼라들은 하나의 컴퓨터 내에서 단일 영상으로 중첩되어 재설정되며 모조 칼라로 표현된다.

이 방법은 큰 칼라 스펙트럼을 구현할 수 있도록, 특히 낮은 파장 스펙트럼에 해당하는 단일 광원을 사용할 때 적합하다.

평행 광 표면(17, 18, 19, 20, 21, 22)들의 검출 공간을 촬상할 때 검출 장치, 특히 CCD-카메라의 광 표면들의 거리가 항상 변화하기 때문에, 본 발명의 바람직한 형태에 있어서 적어도 근사하게 균일한 포커스 깊이를 보장하기 위하여 주로 검출 장치에는 포커스 깊이를 연속적 또는 단계적으로 조절하기 위한 장치가 제공되며, 예를 들어 공지된 제어 장치를 이용하여 일시적으로 변화된 광 표면(17, 18, 19, 20, 21, 22)의 위치가 검출 공간(25) 내에서 보정된다.

상기 검출 장치에 의해서 주파수 또는 주파수 대역 선택적으로 기록된 검출 공간(25)의 2차원 칼라 화상은 하나의 화상 기록에 따라서 두 개 이상의 검색 과정으로 평가되거나 짧은 시간 동안 차례로 기록된 화상 기록에 따라서 하나 이상의 검색 과정으로 평가된다.

검출 공간(25)에서, 예를 들어 이 공간 내에 포함된 액체 또는 기체 내에 부유된 입자들의 변위를 평가할 뿐만 아니라 검출 공간(25) 내에 존재하는 국부적인 유동 거동을 화상에 직접 표현하는 속도 성분(Vx, Vy, Vz)을 결정하기 위하여, 본 실시예에서는 주로 공지된 바와 같이 칼라 정보 평가용으로서 "입자 영상 속도 측정법"이나 "입자 트랙킹 방법"이 사용된다.

이러한 방식에 있어서, 부유된 입자(30, 31, 32, 33, 34, 35)들의 위치는 각 광 표면(17, 18, 19, 20, 21, 22)들의 내부에서 종래의 광 교차면 방법과 완전히 유사하게 계산된다.

상기 입자(30, 31, 32, 33, 34, 35)들의 위치는 정상 방향(y 방향)에서 광 표면(17, 18, 19, 20, 21, 22)들에 대해 각 투광의 칼라를 결정함으로써 설정되는데, 이것은 각 칼라가 광을 방사 또는 산란시키는 입자(30, 31, 32, 33, 34, 35)들에 광 표면(17, 18, 19, 20, 21, 22)과 상응하는 위치를 y 방향으로 할당하기 때문이다. 여기서 정상 방향으로 측정 정확도는 각 광 표면(17, 18, 19, 20, 21, 22)들의 폭에 걸쳐서 주어지지만 투광 신호의 강도 분배를 광학적으로 분석함으로써 두 개의 인접한 광 교차면(17, 18, 19, 20, 21, 22)들이 y 방향의 함수로서 상승될 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예는 주로 두 개의 광 표면들이 매우 신속하게 차례대로 배치되어 자신의 검출 공간(25)을 검색할 수 있는 시간적으로 높은 해결 가능성을 제공하기 위하여 주어진다. 이와 같은 방법은, 예를 들어 상응하는 제 2 조명 장치를 제공함으로써 해결할 수 있으며, 또는 예를 들어 단색 레이저빔(11')과함께 상이한 색상의 제 2 레이저빔을 음향 광학 구조물에 접속시켜 이 제 2 레이저빔이 제 1 레이저빔(11')에 대해 입체적으로 발생되며 양 레이저빔들이 입체적 및 시간적으로 광 표면에 의해서 작용되어 교호적으로 발생된 두 개의 광 표면들이 밀도있게 서로 연속적으로 검출 공간(25)을 검색한다.

이하에서, 상술한 바와 같은 본 발명의 실시예를 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 다색 레이저빔(11)을 발생하는 다색 레이저 형태의 광원(10)을 갖는 유동 분석 장치(5)를 도시한다. 이 다색 레이저빔(11)에는 음향 광학 모듈레이터(12)가 부착되며, 이 모듈레이터는 공지된 방식으로 다색 광으로부터 정의된 주파수 또는 주파수 대역을 필터링하며, 그 결과로 단색 레이저빔(11')을 방사한다. 음향 광학 모듈레이터(12)를 사용하는 경우에, 칼라 혼합 또는 부착된 광의 필터링이 사용된다. 따라서, 음향 광학 모듈레이터(12)에 의해서 방사된 단색 레이저빔(11')은 매우 신속하게 자신의 칼라를 변화시킬 수 있다. 공지된 음향 광학 모듈레이터에 있어서, 예를 들어 상기 모듈레이터의 칼라 변화는 100kHz 내지 1MHz의 주파수 대역에서 실시된다.

이와 같은 다색 레이저빔(11)에서는, 예를 들어 레이저빔과 이 레이저빔의 칼라에 복수의 기본 칼라가 적용된다.

바람직하게는, 상기 칼라들로서는 적, 녹, 청색이 사용되며, 이들은, 예를 들어 다색 레이저빔(11)을 방사하는 아르곤-크립톤-레이저에 의해서 발생된다. 상기 음향 광학 모듈레이터(12)는 다색 레이저빔(11)의 형태로 부착된 단일 칼라의 강도를 조율하며, 그 결과 고주파 칼라 변조를 실행하고 단색 레이저빔(11')을 방사한다.

상기 음향 광학 모듈레이터(12)와 관련하여 시준기(13)가 제공되는데, 이 시준기는 예를 들어 렌즈 시스템의 형상을 가지며 이 렌즈 시스템을 이용하여 단일 광 표면(17, 18, 19, 20, 21, 22)의 두께를 조절할 수 있다. 바람직하게는, 단일 광 표면의 두께는 100㎛ 내지 1mm의 영역, 특히 500㎛ 내지 1mm의 영역을 갖는다.

차례로 배치된 광 표면(17, 18, 19, 20, 21, 22)들은 적어도 3개, 일반적으로 100 내지 200개와 같은 복수의 광 표면들을 갖는다. 또한, 상기 검출 공간(25)은 예를 들어 10cm × 10cm ×10cm의 크기를 갖는다.

상기 시준기(13)와 관련하여 제공된 폴리곤 스캐너(15)는 시간적으로 나란하게 부착된 단색 레이저빔(11')으로부터 단일 광 표면(17, 18, 19, 20, 21, 22)을 발생시킨다. 폴리곤 스캐너(15) 대신에 하나 이상의 공지된 원통형 렌즈가 사용될 수 있다. 이 폴리곤 스캐너(15)는 바람직하게는 20.000 내지 60.000, 특히 40.000 rpm으로 회전한다. 스캔 속도는 주로 측정 목적에 따르며 기본적으로 필요한 경우에 광학 부품의 사용 하에서 MHz 영역까지 상승된다.

전체적으로, 단색의 높은 주파수로 변조되는 레이저빔(11')은 화상 검출기로서 제공된 CCD-칼라 카메라(16)가 단일 평면의 연속 투사를 인식할 수 있을 정도로 신속하게 안내된다.

상기 폴리곤 스캐너(15)와 관련하여 추가로 제공된 갈바닉 측정 스캐너(14)가 여러 가지 색깔의 평행 광 표면들에 투입되며, 그 결과 이 광 표면들은 적어도 근사하게 평행하며 공간적으로 차례대로 배치된 검출 공간(25)을 촬상하고, 이와동시에 검출 공간의 칼라들은 차례대로 배치된 평행 광 표면(17, 18, 19, 20, 21, 22)들과 상이하다.

이상을 요약하면, 광 표면(17, 18, 19, 20, 21, 22)들의 사용은 음향 광학 모듈레이터(12)의 칼라 변조와 동시에 이루어지며, 그 결과 공간은 적어도 근사하게 평행하며 상호 다른 칼라로 이루어진 광 표면(17, 18, 19, 20, 21, 22)들로 구성된다. 또한, 여기서는 도시하지 않지만 상응하는 공지된 제어 부품이 제공되기도 한다.

상기 검출 공간(25)의 화상을 기록하기 위하여, 검출 공간(25)의 정면(26)에는 CCD-카메라가 구성된다.

도 2는 상이한 광 표면들을 이용하여 검출 공간(25)의 절개된 형태로 투사한 모습을 도시한다. 도 2에서는 각각 인접한 4개의 광 표면(17, 18, 19, 20, 21, 22)들을 도시하며, 이 표면들은 공간적으로 마주하고 설치될 뿐만 시간적으로도 차례대로 다른 칼라의 광으로 조명된다. 또한, 단일 산란 입자(30)가 실험적으로 제공되는데, 이 산란 입자는 두 개의 시점(t₁, t₂)들 사이에서 광 표면(18)에 해당하는 제 1 위치로부터 광 표면(17)에 해당하는 제 2 위치로 이동한다. 이것은 도 2에서 독립된 형태로 도시한다.

상기 검출 공간(25) 내에서 산란 입자(30)의 위치의 x 및 z 좌표는 CCD-칼라 카메라(16)의 화상으로부터 직접 얻을 수 있다. 두 개의 다른 광 표면(18, 17)들에서 시점 (t₁, t₂)에 대해 산란 입자(30)의 여러 가지 칼라로부터 이들의 위치를결정함으로써 한편으로 가장 먼저 입자(30)의 위치를 시점(t₁, t₂)에 대해 y 방향에서 결정하며, 다른 한편으로 시점(t₂, t₁)들 사이에서 시차(Δt)의 특징으로부터 산란 입자(30)의 유동 속도를 x 및 z 방향으로 결정할 수 있을 뿐만 아니라 y 방향의 유동 속도 성분도 결정할 수 있다.

도 3은 CCD-칼라 카메라(16)의 전방에서 검출 공간(25)의 정면(26)에 나란하게 존재하는 두 개의 화점들을 시점(t₁, t₂)에 대해 개략적으로 도시한 일례이다. 여기서, 상기 검출 공간(25)에 부유된 산란 입자(31, 32, 33)들은 방사된 광을 산란시키며, 도 3에서는 산란 입자(31, 32, 33)들에 대해 여러 가지 심볼들을 사용하여 산란 입자(31, 32, 33)들의 여러 가지 칼라들을 표시한다.

도 3에서는 시점(t₁, t₂)에 대해서 양 화소들이 검출 공간(25)을 기록한 두 개의 완전한 과정을 도시하는데, 다시 말하면 전체적으로 평행하며 상이한 칼라의 광 표면들이 정확하게 두 배로 확대되어 있으며, 검출 공간(25)의 두 개의 화소들이 기록된다. 따라서, 각 화소들은 완전한 기록 상태로 촬상된다.

시차(Δt = t₂- t₁)의 특징 혹은 산란 입자(31, 32, 33)들의 x 및 y 방향 위치 변화로부터 이들의 x 및 z 방향의 속도 성분을 결정할 수 있다. 상기 단일 산란 입자(Vy = Δy/Δt)의 y 방향 속도 성분은 칼라의 평가에 의해서, 예를 들어 시점(t₁, t₂)들 사이에서 산란 입자(31, 32, 33)들의 칼라 변화를 평가함으로써 측정할 수 있다.

여기서, 상기 속도 성분(Vy)의 결정에 있어서 그 정확도는 단일 광 표면의 두께에 따른다.

도 4는 CCD-칼라 카메라(16)로 촬상한 두 개의 완전한 기록 과정에 대한 일반적인 화소들의 모양을 도시한다. 이들 양 촬상은 시점(t1, t2)에 대해 매우 짧은 시간 동안 차례대로 이루어진 것이다. 검출 공간(25)의 촬상을 보통의 반복율로 기록하는 경우에는 100Hz 내지 1kHz 범위가 적당한데, 이것은 보통 액체 상태에서 관찰하고자 하는 유동에 대한 m/sec 단위의 속도에 해당한다. 그렇지만, 또한 본 방법에 대해서 MHz 범위의 촬상 속도가 사용될 수도 있다.

상기 산란 입자(30, 31, 32, 33, 34, 35)들의 크기는 보통 1㎛ 내지 20㎛ 정도이다.

또한, 도 4에서는 도 3에서 여러 가지 칼라의 입자들을 표시하기 위하여 사용하였던 바와 같이 산란 입자(31, 32, 33)들에 대해서 여러 가지 심볼들이 사용된다. 여기서, 동일한 심볼들은 동일한 광 표면에서 시점(t₁, t₂)에 대해 존재하는 각각의 산란 입자를 의미한다.

주로, 도 3 내지 도 5는 단지 가시적인 목적으로 기록하여 기본 개념을 설명하고자 하는 것이다.

도 5는 도 4의 화소들을 다른 형태로 도시하는데, 여기서 시점(t₁, 내지 t₇)에 대해 전체적으로 완전한 기록 상태를 나타낸다. 여기서, 도 5에서는 도시한 양 산란 입자(34, 35)들의 각각을 7회의 촬상을 통하여 검출한 것이며, 따라서 각 산란 입자(34, 35)들은 연속된 화점들로 표현되어 있다. 상기 연속된 화점들이 이루는 라인의 안쪽에서 입자들의 칼라는 검출 공간 내에서 y 방향 위치를 특징짓는다.

주로, 도 3에 따른 촬상은 상술한 실시예를 변형한 형태의 혼합 방법을 이용하여 표시한 것으로서, 이것은 "입자 영상 속도 측정법"에서 사용된다.

도 4 및 도 5에 따른 촬상 방법은 변형된 상호 관련 알고리즘에 의해서, 특히 자동 상호 관련법, 예를 들어 "입자 트랙킹 방법"으로 평가되기도 한다.

마지막으로, 도 5의 경우에서 평가는 평가 알고리즘을 필요로 하지 않고 양적 및 공간적 유동장의 평가를 통하여 이루어질 수도 있는데, 여기서 단일 산란 입자들의 통로와 이 통로를 따른 칼라 변화가 고려된다.

Claims

특히 검출 공간(25) 내에서 액체 또는 기체 상태로 존재하는 유동의 속도 성분을 3차원적으로 결정하거나 상기 유동을 3차원적으로 가시화하기 위한 것으로서, 검출 공간(25) 내에서 유동을 특징짓는 입자(30, 31, 32, 33, 34, 35)들에 의해 부분적으로 방사 또는 산란되는 전자기파를 검출하는 유동 분석 방법에 있어서,

전자기파를 가지며 시간적 및 공간적으로 연속되고 적어도 근사하게 평행한 적어도 두 개의 광 표면(19, 18, 17, 20, 21, 22)들은 상이한 주파수 또는 상이한 주파수 스펙트럼을 발생시키며, 이 광 표면에 의해서 상기 검출 공간(25)을 적어도 국부적으로 검색하는 것을 특징으로 하는 유동 분석 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 전자기파를 갖는 광 표면(19, 18, 17, 20, 21, 22)들은 광의 형태, 특히 다른 칼라를 갖는 가시적 주파수 대역의 광 형태로 사용되는 것을 특징으로 하는 유동 분석 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 검출 공간(25)은 적어도 하나의 화상 검색기, 특히 CCD-카메라(16)를 이용하여 촬상되는 것을 특징으로 하는 유동 분석 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다색 광빔(11), 특히다색 레이저빔이 사용되며, 이 빔들로부터 방사되는 광은 공간적 및 시간적으로 연속해서 배치되고 상이한 칼라를 갖는 광 표면(19, 18, 17, 20, 21, 22)들을 발생시키는 것을 특징으로 하는 유동 분석 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 두 개의 광원(10)이 사용되며, 이 광원은 시간적 및 공간적으로 연속 배치되고 상이한 주파수 또는 상이한 주파수 스펙트럼의 광을 갖는 광 표면들을 발생시키는 것을 특징으로 하는 유동 분석 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다색 광빔(11)은 펄스 또는 등가 신호 영역에서 사용되며, 또는

상기 광원(10)은 펄스 또는 등가 신호 영역에서 작동되는 것을 특징으로 하는 유동 분석 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시간적 및 공간적으로 연속 배치된 평행 광 표면(19, 18, 17, 20, 21, 22)들은 화상 검출기(16)가 검출 공간(25)을 시간적으로 적어도 근사하게 연속 투사하는 형태로 검출 공간(25)을 검색하는 것을 특징으로 하는 유동 분석 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출 공간(25)을 촬상하는 동안 화상 검출기(16)는 포커스 깊이에서 시간 및 공간적으로 연속 배치된 광 표면(19, 18, 17, 20, 21, 22)들이 화상 검출기(16)의 위치에서 각각 거의 예리하게 형성되는 형태로 연속적으로 또는 단계적으로 재조절되는 것을 특징으로 하는 유동 분석 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출 공간(25)은 짧은 시간 내에 적어도 두 번 검색되는 것을 특징으로 하는 유동 분석 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 화상 검출기(16)를 이용하여 검출 공간(25)의 2차원 칼라 화상(40, 41, 42, 43)을 기록하며, 하나의 화상(42, 43)에서 입자(30, 31, 32, 33, 34, 35)들로부터 방사 또는 산란되는 광이 검출 공간(25)을 연속해서 적어도 두 번 검색하는 것을 특징으로 하는 유동 분석 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 화상 검출기(16)를 이용하여 검출 공간(25)의 2차원 칼라 화상(40, 41, 42, 43)을 기록하며, 짧은 시간 내에 적어도 두 번 촬상된 화상(40, 41)에서 입자(30, 31, 32, 33, 34, 35)들로부터 방사 또는 산란된 광은 검출 공간(25)을 적어도 한 번 검색하여 검출되는 것을 특징으로 하는 유동 분석 방법.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출 공간(25)의 기록 평가는 칼라 정보 또는 주파수 또는 주파수 대역 정보를 얻은 상태에서 "입자 트랙킹" 알고리즘 또는 상호 관련 방법에 의해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 유동 분석 방법.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출된 광으로부터 기록된 검출 공간(25)의 2차원 다색 화상(40, 41, 42, 43)을 평가함으로써 입자(30, 31, 32, 34, 35)의 위치 및/또는 3차원 검출 공간(25)의 검색 영역에서 시간에 따른 공간적 변위를 결정하는 것을 특징으로 하는 유동 분석 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 기록 중 지속된 시간을 고려하여 단일 입자(30, 31, 32, 33, 34, 35)들의 국부적인 유동 속도를 결정하는 것을 특징으로 하는 유동 분석 방법.
특히 검출 공간(25) 내에서 액체 또는 기체 상태로 존재하는 유동의 속도 성분을 3차원적으로 결정하거나 상기 유동을 3차원적으로 가시화하기 위한 것으로서, 검출 공간(25) 내에서 유동을 특징짓는 입자(30, 31, 32, 33, 34, 35)들에 의해 부분적으로 방사 또는 산란되는 전자기파를 검출하는 유동 분석 장치에 있어서,

전자기파를 가지며 시간적 및 공간적으로 연속되고 적어도 근사하게 평행한 적어도 두 개의 광 표면(19, 18, 17, 20, 21, 22)들은 상이한 주파수 또는 상이한주파수 스펙트럼을 발생시킬 수 있는 적어도 하나의 가속 장치가 제공되며,

주파수 선택 또는 주파수 밴드 선택성 2차원 화상을 이용하여 검출 공간(25)의 적어도 한쪽 영역을 기록할 수 있는 적어도 하나의 검출 장치가 추가로 제공되는 것을 특징으로 하는 유동 분석 장치.
제 15 항에 있어서, 조명 장치는 적어도 하나의 광원(10), 특히 레이저를 가지며, 이 레이저, 또는 레이저의 전자기파를 이용하여 상이한 주파수 또는 상이한 주파수 스펙트럼의 형태로 광을 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 유동 분석 장치.
제 16 항에 있어서, 상기 다색 광원, 특히 다색 레이저가 제공되며, 이 레이저의 광은 주파수 선택 구조, 특히 음향 광학 모듈레이터(12), 그리드 또는 플라즈마에 의해서 적어도 3개의 특히 복수의 칼라를 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 유동 분석 장치.
제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조명 장치는 시준기(13), 폴리곤 스캐너(15) 및 갈바닉 측정 스캐너(14)를 갖는 것을 특징으로 하는 유동 분석 장치.
제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출 장치는 검출 공간(25)의 적어도 정면, 특히 발생된 광 표면(17, 18, 19, 20, 21, 22)들과 평행한 검출 공간(25)의 정면에 배치되는 것을 특징으로 하는 유동 분석 장치.
제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출 장치는 적어도 하나의 칼라 카메라, 특히 CCD-칼라 카메라(16)를 가지며, 이 카메라를 이용하여 검출 공간(25)의 2차원 칼라 화상을 기록할 수 있는 것을 특징으로 하는 유동 분석 장치.
제 20 항에 있어서, 상기 칼라 카메라에는 포커스 깊이를 조절하기 위한 유닛이 제공되는 것을 특징으로 하는 유동 분석 장치.
제 15 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차원 화상을 평가 및/또는 기록하기 위한 평가 유닛이 제공되는 것을 특징으로 하는 유동 분석 장치.