TWI678514B - 流場可視化裝置、流場觀測方法與電漿產生器 - Google Patents
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Abstract
一種流場可視化裝置，包括腔體、電源供應器、至少一對電極以及至少兩個高速攝影機。電源供應器輸出電漿產生用的電壓，所述對電極則設置於腔體內。所述對電極具有第一電極與第二電極，第一電極具有數個第一尖端、第二電極具有數個第二尖端，且第一尖端與第二尖端互相對準。所述對電極藉由來自電源供應器的電壓激發腔體內的氣體而產生週期性疏密分佈的電漿。高速攝影機則設置於腔體外並位在相對所述對電極的不同方向，以拍攝不同維度的影像。
Description
本發明是有關於一種流場可視化技術，且特別是有關於一種流場可視化裝置、流場觀測方法與電漿產生器。
傳統可視化分析需要透過雷射作為照明，以利於高速攝影機的截取畫面，因此受限於腔體的形狀與抽氣影響粒子擾流，且壓力須在常壓範圍，粒子才能有效被拍攝，因此無法量測低壓真空CVD製程流場。
另外，傳統使用雷射光源的可視化分析方式，還需要搭配凹透鏡與凸透鏡組成的稜鏡組，將雷射光束(Laser beam)折射成扁平光束面，且流場需調整於雷射光束面厚度最薄的位置，所以得到的是二維空間的結果。
本發明提供一種流場可視化裝置，能提升流場可視化拍攝範圍並達成立體流場觀測。
本發明另提供一種流場觀測方法，無需顧慮壓力的影響，而藉由非均勻成像電漿顯影技術進行流場觀測。
本發明再提供一種電漿產生器，能產生週期性疏密分佈的電漿。
本發明的流場可視化裝置包括腔體、電源供應器、至少一對電極以及至少兩個高速攝影機。電源供應器輸出電漿產生用的電壓，所述對電極則設置於腔體內。所述對電極具有第一電極與第二電極，第一電極具有數個第一尖端、第二電極具有數個第二尖端，且第一尖端與第二尖端互相對準。所述對電極藉由來自電源供應器的電壓激發腔體內的氣體而產生週期性疏密分佈的電漿。高速攝影機則設置於腔體外並位在相對所述對電極的不同方向。
本發明的流場觀測方法包括利用設置於一腔體內的電漿產生器產生週期性疏密分佈的電漿，再利用至少兩個高速攝影機拍攝電漿所激發的氣體影像。其中，所述電漿產生器包括至少一對電極，所述對電極具有第一電極與第二電極，第一電極具有數個第一尖端、第二電極具有數個第二尖端，且第一尖端與第二尖端互相對準。而高速攝影機是分別位在相對所述對電極的不同方向。
本發明的電漿產生器包括至少一對電極與一電源供應器。所述對電極具有第一電極與第二電極，第一電極具有數個第一尖端、第二電極具有數個第二尖端，且第一尖端與第二尖端互相對準。電源供應器則用以輸出電壓至所述對電極。
基於上述，本發明利用電漿激發氣體產生發光的特性，藉由特殊的對電極設計，使電力線週期性疏密分佈，呈現非均勻成像電漿顯影之技術手段，達成立體流場拍攝之功效，並可應用於低壓腔體內的流場模擬驗證分析。
為讓本發明的上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
以下將參考圖式來全面地描述本發明的例示性實施例，但本發明還可按照多種不同形式來實施，且不應解釋為限於本文所述的實施例。為了清楚起見，區域或結構的相對厚度及位置可能縮小或放大。另外，在各圖式中使用相似或相同的元件符號來表示相似或相同的元件。
圖1是依照本發明的第一實施例的一種流場可視化裝置的方塊圖。
請參照圖1，第一實施例的流場可視化裝置基本包括一腔體100、一電源供應器102、一對電極104以及兩個高速攝影機106、108。電源供應器102用以輸出電漿產生用的電壓，且電源供應器102通常設置於腔體100外並電性連接至設置於腔體100內的對電極104。所述對電極104具有第一電極110與第二電極112，第一電極110具有數個第一尖端110a、第二電極112具有數個第二尖端112a，且第一尖端110a與第二尖端112a互相對準。詳細來說，第一電極110與第二電極112的形狀，特別是第一尖端110a與第二尖端112a的位置實質上是鏡面對稱的。因此，所述對電極104能藉由來自電源供應器102的電壓激發腔體100內的氣體（未繪示）而產生週期性疏密分佈的電漿114，其中上述氣體例如惰性氣體。至於高速攝影機106和108則設置於腔體100外，且高速攝影機106和108位在相對所述對電極104的不同方向。
請繼續參照圖1，本實施例的流場可視化裝置還可包括一真空設備116，用以使腔體100內保持真空狀態。因此，本發明的裝置可應用於低壓真空的腔體內三維立體流場拍攝，以解決傳統使用雷射與粒子進行流場模擬驗證分析時不能在低壓進行的問題。此外，為了控制高速攝影機106和108的曝光時間，還可加裝一同步器118，使高速攝影機106和108的曝光時間一致，以利進行立體流場的拍攝。若要進行影像分析，還可設置電腦主機與監視器120，來接收高速攝影機106和108所取得的影像以及控制同步器118的頻率，並分析所取得的影像。
在圖1中，第一電極110與第二電極112為鋸齒狀電極，而所謂的鋸齒狀電極是往第一尖端110a與第二尖端112a漸縮的結構，然而本發明並不限於此。第一與第二電極也可以是針狀電極，如圖2所示。
請參照圖2，為了簡潔起見，圖中僅顯示對電極200，其包括第一電極202和第二電極204，第一電極202具有數個第一尖端202a、第二電極204具有數個第二尖端204a，且第一尖端202a與第二尖端204a互相對準。在一實施例中，第一尖端202a的直徑d1與第二尖端204a的直徑d2都約2mm至3mm；第一尖端202a與第二尖端204a之間相隔的距離d3則約2mm至3mm，然而本發明並不限於此。直徑d1/d2與距離d3均可依照需求變更。
以下還有數種電極的變化例，請見圖3至圖5，且於圖中僅顯示一對電極中的一側電極（如第一電極），另一側的電極（如第二電極）由於與其鏡面對稱，所以省略未顯示。
在圖3中，流場可視化裝置中的對電極的數量若為多個（例如3個），對電極中不同的第一電極300、302、304的第一尖端300a、302a、304a可彼此對準，且為鋸齒狀電極。舉例來說，第一尖端300a、302a、304a可沿著Z軸方向對準，Z軸是垂直於電極的長軸（X軸）與短軸（Y軸）的方向。而且，這些第一電極300、302、304之間可相隔一距離d4，且距離d4例如2mm至3mm，但本發明並不限於此，距離d4也可依照需求變更；或者第一電極300、302、304之間互相接觸而無間隔。若是第一電極300、302、304之間有相隔，則電源供應器的電壓會經由線路分別供應給各個第一電極300、302、304。由於第二電極（未繪示）與第一電極300、302、304是鏡面對稱，所以第二電極的數量、形狀與第二尖端的位置均與第一電極300、302、304相同，而不再贅述。
在圖4中，流場可視化裝置中的對電極的數量為多個（例如4個），對電極中不同的第一電極400、402、404、406的第一尖端400a、402a、404a、406a可彼此交錯，且為鋸齒狀電極。第一電極400、402、404、406是互相接觸，但本發明並不限於此，第一電極400、402、404、406也可如圖3是彼此相隔一距離。由於第二電極（未繪示）與第一電極400、402、404、406是鏡面對稱，所以第二電極的數量、形狀與第二尖端的位置均與第一電極400、402、404、406相同，不再贅述。圖4的排列方式可產生較強的電漿，且其電力線明顯呈現週期性疏密分布，因此能呈現更細微的立體流場影像。
在圖5中，流場可視化裝置中的對電極的數量為多個（例如4個），對電極中不同的第一電極500、502、504、506的第一尖端500a、502a、504a、506a彼此對準，且為針狀電極。第一電極500、502、504、506是互相接觸，但本發明並不限於此，第一電極500、502、504、506也可如圖3是彼此相隔一距離。由於第二電極（未繪示）與第一電極500、502、504、506是鏡面對稱，所以第二電極的數量、形狀與第二尖端的位置均與第一電極500、502、504、506相同，不再贅述。
根據第一實施例，供應高壓電至上述各種樣態的對電極，將會產生電力線週期性疏密分布的電漿，並藉由電漿激發氣體發光，因此能提升流場可視化拍攝範圍。而且，非均勻成像的電漿顯影沒有角度不對就無法觀測的問題，所以有利於影像截取，再搭配高速攝影機調整頻率進行全域速度向量場(Global Velocity Field)截取，就可完成立體流場的拍攝並進行分析。
圖6是依照本發明的第二實施例的一種流場觀測步驟圖。
請參照圖6，進行步驟S600，利用設置於腔體內的電漿產生器產生週期性疏密分佈的電漿，其中電漿產生器包括如第一實施例所述的對電極。所述對電極具有第一電極與第二電極，第一與第二電極均具有數個尖端，且不同電極的尖端互相對準。因此，能產生週期性疏密分佈的電漿。至於所述對電極的詳細設計可參照圖1至圖5，故不再贅述。
然後，在步驟S610中，利用至少兩個高速攝影機拍攝電漿所激發的氣體影像。這些高速攝影機分別位在相對對電極的不同方向，所以能拍攝不同方向的氣體影像。當這些高速攝影機的曝光時間控制一致，則拍攝到的氣體影像能藉由粒子追蹤程式計算位移量，並使用相關函數（correlation function）之統計方法計算不同區域的平均位移量，以取得腔體內的流場速度圖。詳細來說，可藉由電漿激發氣體發光，並由高速攝影機調整頻率進行全域速度向量場（Global Velocity Field）截取；然後利用電腦主機設定全域面積或體積，再分成多個相等面積（避免氣體粒子速度過快造成配對誤差），以追蹤氣體粒子在空間移動的狀況，並記錄成流場速度圖。因此，空間的解析過程不會有傳統2維影像處理可能發生的區域重疊（overlapping）問題，還能改善關聯函數（Cross-correlation）精確解（exact solution）與微擾近似（perturbation approximation）的研究。
另外，在進行步驟S600之前，可先在腔體內通入氣體（步驟S620），且所通入的氣體例如惰性氣體。此外，若是待測流場是用於低壓真空狀態，則在進行步驟S600之前，需對腔體抽真空（步驟S630）。
圖7是依照本發明的第三實施例的一種電漿產生器的示意圖。
請參照圖7，第三實施例的電漿產生器700包括至少一對電極702和一電源供應器704，其中電源供應器704是用來輸出電壓至所述對電極702。所述對電極702具有第一電極706與第二電極708，且對電極702與第一實施例的對電極104或200相同，並可參照圖3至圖5的電極設計，故不再贅述。第三實施例的第一電極706的第一尖端706a由於與第二電極708的第二尖端708a互相對準，因此來自電源供應器704的電壓會使所述對電極702激發氣體（未繪示）而產生週期性疏密分佈的電漿710。這種週期性疏密分佈的電漿710能應用於非均勻成像電漿顯影的相關領域。
綜上所述，本發明的流場可視化裝置使用特定結構設計的電極，因此能產生週期性疏密分佈的電漿，並利用電漿激發氣體發光的現象（即電漿顯影）取代傳統雷射照明，因此無需顧慮角度問題，即可直接截取畫面，達成立體流場拍攝的效果，並可應用於低壓腔體內的流場模擬驗證分析，如多重反應氣體流量、氣壓、化學行為監測等。而本發明的電漿產生器能產生週期性疏密分佈的電漿，因此還可應用於其他領域，如各種腔體流場變化、微流道設計、生物醫學、空氣動力學、氣象等相關應用。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧腔體
102、704‧‧‧電源供應器
104、200、702‧‧‧一對電極
106、108‧‧‧高速攝影機
110、202、300、302、304、400、402、504、506、500、502、404、406、706‧‧‧第一電極
110a、202a、300a、302a、304a、400a、402a、404a、406a、500a、502a、504a、506a、706a‧‧‧第一尖端
112、204、708‧‧‧第二電極
112a、204a、708a‧‧‧第二尖端
114、710‧‧‧電漿
116‧‧‧真空設備
118‧‧‧同步器
120‧‧‧電腦主機與監視器
700‧‧‧電漿產生器
d1、d2‧‧‧直徑
d3、d4‧‧‧距離
S600、S610、S620、S630‧‧‧步驟
圖1是依照本發明的第一實施例的一種流場可視化裝置的方塊圖。 圖2是第一實施例的流場可視化裝置中的另一種對電極的示意圖。 圖3是第一實施例的流場可視化裝置中的對電極中的一種第一電極的立體示意圖。 圖4是第一實施例的流場可視化裝置中的對電極中的另一種第一電極的立體示意圖。 圖5是第一實施例的流場可視化裝置中的對電極中的再一種第一電極的立體示意圖。 圖6是依照本發明的第二實施例的一種流場觀測步驟圖。 圖7是依照本發明的第三實施例的一種電漿產生器的示意圖。
Claims (22)
- 一種流場可視化裝置，包括：一腔體；一電源供應器，其輸出電漿產生用的電壓；至少一對電極，設置於該腔體內，該對電極具有第一電極與第二電極，該第一電極具有多數個第一尖端、該第二電極具有多數個第二尖端，且該些第一尖端與該些第二尖端互相對準，該至少一對電極藉由來自該電源供應器的電壓激發該腔體內的氣體而產生週期性疏密分佈的電漿；以及至少兩個高速攝影機，設置於該腔體外並位在相對該對電極的不同方向。
- 如申請專利範圍第1項所述的流場可視化裝置，其中該第一電極與該第二電極為鋸齒狀電極或針狀電極。
- 如申請專利範圍第1項所述的流場可視化裝置，其中該對電極的數量為多數個。
- 如申請專利範圍第3項所述的流場可視化裝置，其中該些對電極中，不同的該第一電極的該些第一尖端彼此對準，且不同的該第二電極的該些第二尖端彼此對準。
- 如申請專利範圍第3項所述的流場可視化裝置，其中該些對電極中，不同的該第一電極的該些第一尖端彼此交錯，且不同的該第二電極的該些第二尖端彼此交錯。
- 如申請專利範圍第3項所述的流場可視化裝置，其中該些對電極中，該些第一電極互相接觸，且該些第二電極互相接觸。
- 如申請專利範圍第3項所述的流場可視化裝置，其中該些對電極中，該些第一電極之間相隔一距離，且該些第二電極之間相隔該距離。
- 如申請專利範圍第1項所述的流場可視化裝置，更包括一真空設備，用以使所述腔體內保持真空狀態。
- 如申請專利範圍第1項所述的流場可視化裝置，更包括一同步器，用以控制該些高速攝影機的曝光時間。
- 如申請專利範圍第1項所述的流場可視化裝置，其中該氣體包括惰性氣體。
- 一種流場觀測方法，包括：利用設置於一腔體內的電漿產生器產生週期性疏密分佈的電漿，其中該電漿產生器包括至少一對電極，該對電極具有第一電極與第二電極，該第一電極具有多數個第一尖端、該第二電極具有多數個第二尖端，且該些第一尖端與該些第二尖端互相對準；以及利用至少兩個高速攝影機拍攝該電漿所激發的氣體影像，該些高速攝影機分別位在相對該對電極的不同方向。
- 如申請專利範圍第11項所述的流場觀測方法，更包括在該腔體內通入該氣體，且該氣體包括惰性氣體。
- 如申請專利範圍第11項所述的流場觀測方法，其中在產生該電漿之前更包括對該腔體抽真空。
- 如申請專利範圍第11項所述的流場觀測方法，其中該些高速攝影機的曝光時間一致。
- 如申請專利範圍第11項所述的流場觀測方法，其中拍攝到的該氣體影像係由粒子追蹤程式計算位移量，並使用相關函數之統計方法計算不同區域的平均位移量，以取得該腔體內的流場速度圖。
- 一種電漿產生器，包括：至少一對電極，具有第一電極與第二電極，該第一電極具有多數個第一尖端、該第二電極具有多數個第二尖端，且該些第一尖端與該些第二尖端互相鏡像對準；以及一電源供應器，其輸出電壓至該第一電極以及該第二電極，以使互相鏡像對準的該些第一尖端與該些第二尖端激發氣體而產生週期性疏密分佈的電漿。
- 如申請專利範圍第16項所述的電漿產生器，其中該第一電極與該第二電極為鋸齒狀電極或針狀電極。
- 如申請專利範圍第16項所述的電漿產生器，其中該對電極的數量為多數個。
- 如申請專利範圍第18項所述的電漿產生器，其中該些對電極中，不同的該第一電極的該些第一尖端彼此對準，且不同的該第二電極的該些第二尖端彼此對準。
- 如申請專利範圍第18項所述的電漿產生器，其中該些對電極中，不同的該第一電極的該些第一尖端彼此交錯，且不同的該第二電極的該些第二尖端彼此交錯。
- 如申請專利範圍第18項所述的電漿產生器，其中該些對電極中，該些第一電極互相接觸，且該些第二電極互相接觸。
- 如申請專利範圍第18項所述的電漿產生器，其中該些對電極中，該些第一電極之間相隔一距離，且該些第二電極之間相隔該距離。
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