Optische Messtechnik

• Overlap der Auswertefenster von 50 %

• Wenn 12px statt 8 px bei Verschiebung, dann dt (Zwischenbildzeit —> Verschiebungsvektor dx) verkleinern = dx verkleinern

• Größere Brennweite -> dx wird größer = Der betrachtete Bildbereich wird kleiner (und dunkler)

• zu dunkel = mehr Licht (Laserleistung aufdrehen) und/oder Blende weiter öffnen

• Systematischer Fehler 0,02 Pixel/0,05 Pixel (1/20) der Auswertung

• Software ist auf 32x32 Auswertefenster optimiert

Geschwindigkeitfeld

Druckfeld

Temperaturfeld

Konzentrationsfeld

Basierend auf der Kreuzkorrelation:

• PIV: Particle Image Velocimetry

  Strömungsgeschwindigkeit

• BOS: background oriented schlieren Method

  Dichte-/ Temperaturfeld

• IPCT/ ARAMS: Image Pattern Correlation Technique

  Oberflächendeformation

Basierend auf der Oberfläche:

• PSP: Pressure Sensitive Paint

  Druckverteilung

• Bei Stereo Aufnahmen ist sehr häufig (fast immer) ein Scheimpflugadapter erforderlich

• Der Abbildungsmaßstab ist über das Bild NICHT konstant

• Praxis: Objektiv ausrichten und Kamera (Chip) daran anpassen [90 Grad zwischen Kamera und Lichtschnitt]

• komplexer mathematischer Algorithmus

• Vergleich von Objektbildern

Ziel:

• Position von bekannten Gegenständen finden

• bestimmung der Partikelbewegung

Prinzip:

• Teilung des Bildes in viele kleine Auswertefenster. Diese müssen so klein sein, dass sich alle Partikel in die gleiche Richtung bewegen, sonst ist das Fenster zu groß gewählt worden

• ein Auswertefenster wird zu einem Vektor

Laser

• viel Licht, kurz gepulst (in Nanosekunden!)

• Kohärenzlänge des Lasers nicht interessant

  (kohärent= phasengleich; Kohärenzlänge=Licht schwingt in Phase)

Lichtschnittoptik

Partikel

• klein, sollen viel Licht streuen -> Staub, Rauch, Öltröpfchen < 1mikrometer)

Kamera

• hochauflösend, lichtempfindlich, triggerbar -> CCD

Objektiv

• lichtempfindlich, verzerrungsfrei -> Maßstab muss beachtet werden

Sequenzer/ Synchronisierer

• Zeitsteuerung in < 1mikrosekunde

Software

• Auswertung und Darstellung

• Kreuzkorrelation hält Fehler klein, da mehrere Partikel ausgewertet werden

Computer

• sollte schnell genug sein

Scheimpflugadapter

• Kamera und Abbildungslinse in einer Achse

• bei 2C und 3C Messung, immer wenn mit einem Winkel auf das Auswertefenster geschaut wird

1. partikel in die Strömung

2. partikel zwei mal kurz nacheinander belichten

3. Aufnahme der Partikelbilder mit einer CCD Kamera zweimal kurz hintereinander auf zwei Bilder

4. Auswertung der Bilder durch Kreuzkorrelation und Bestimmung der geschwindigkeit aus der bekannten Zeit zwischen den beiden Bildern

—> Patikelgeschwindigkeit entspricht zur Kontrolle der Strömungsgeschwindigkeit

Partikel wird von Kamera 2 erfasst, nicht von Kamera 1

1. Aufteilung der Bilder (1024x1280px) in gleiche Auswertefenster (meist 32x32px)

2. Kreuzkorrelation der Helligkeitsflecken und Bestimmung der am häufigsten auftretenden Entfernung -> Verschiebungsvektor

3. Aus dem Delta der zeit zwischen den Aufnahmen und der Vergrößerung kann der Geschwindigkeitsvektor gebildet werden

• Überlapp der Pixel: dadurch Verlust an Partikelbildern kleiner

• Null-Verschiebungs-Kriterium: Verbesserung der räumlichen Auflösung

• Feldvermessende Technik (Strömungsfeld)

• kompletter Versuch dauert 4 Wochen mit Aufbau, Messen, Abbau, Auswerten

• keine Auswirkungen auf die Strömung

• 2K Standard PIV, 3K Stereo PIV -> K=Komponenten des Geschwindigkeitsvektors in einem Auswertefenster

• Auflösung räumlich hoch, zeitlich begrenzt (10kHz)

• Strömungsfelddaten können als Abgleich für CFD-Ergebnisse verwendet werden

• sehr plakative, sofort qualitative Info über Strömung

• aber aufwendige Vorbereitung, messung und Nachbereitung

• Voraussetzung: Partikel müssen der Strömung folgen

• Verhältnis zwischen Gewicht und Größe (Dichte) muss der Strömung ähnlich sein

  V=r^3, Oberfläche=r^2 -> große Oberfläche -> zerstäubung der Partikel

• Größe und Lichtstreuung muss ausreichend sein

• Peak-Locking= Es können nur ganzzahlige Verschiebungen auftreten -> Ungenauigkeit von +- 0,5px

• Glücklicherweise: Beugungsbegrenzte Abbildung

  • z.B. 3 Punkt Gauß Fit kann das tatsächliche Lichtmaximum mit höherer genauigkeit als 1px bestimmt werden (+-0.02px -> verbessserung Faktor 50)

  • Systematischer Fehler der Auswertung (0.02px)

  • Einsatz von zerstäubten Öltröpfchen oder Glaskügelchen um mehr Streulicht auf den Sensor zu bekommen

• sehr helles Licht

• bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten auch küruere belichtungszeiten und helleres Licht benötigt

• 2 Nd-Yag Laser: 1. für 1. Bild, 2. für zweites Bild. Weil Ladungsdauer des Lasers zu lange dauert.

  • Laser: 25-1500mJ in 6ns/Puls

  • Kohärenz des Lichts nicht erforderlich

• Bildaufnahme: Je größer die Blende, desto mehr Licht und desto mehr Verzeichnungen

1. Bilder filtern

2. Aufteilung in Auswertefenster

3. Auswertung mit der Kreuzkorrelation

4. Außreißerermittlung

5. Kalibrierung, also kameravergrößerung

6. Entzerrung der Bilder

7. eventuell Stereoverrechnung der Ergebnisse

8. Darstellung der Vektoren

• Seeding: zu viele/ zu wenig/ zu kleine/ zu große

• Laser: zu wenig leistung, zu große Zylinderlinse

• Kamera: zu kurze/ lange Belichtungszeit, zu großes Bickfeld

• Auswertung: zu kleine/ große Auswertefenster, zu viel/ zu wenig Dynamik (=Gradient)

—>ALLE Fehler erst nach der Auswertung sichtbar

1. Linse

   • unscharfes fokussieren, dadurch aber ungenaigkeit am Linsenrand

   • zerlegung des Lichts in die Spektralfarben

   • Verzeichnungen

2. Objektiv

   • mehrere Linsen zusammen um die Fehler der Linse zu minimieren, siehe Bild unten

3. Blende

   • muss zwsichen den Linsen liegen, um keine Verzeichnungen zu induzieren

   • großer blendenwert=kleine Öffnung

   • je weiter die Blende geschlossen wird, desto exakter und dunkler wird das Bild

     
     

• Durch Kippen der Objektebene zur Bildebene werden Verzeichnungen verhindert (Gesamte Bild wird scharf)

• Bedingung: Wenn sich Objekt-, Objektiv- und Bildebene in EINER Linie schneiden, kann das gesamte Bild scharf gestellt werden

  _> Verzeichnung bleibt

  _> Maßstab ist nicht konstant und völlig unabhängig

  _> Überall scharf abbildbar

• Kein Laser, keien Partikel, Hintergrund ist fest

• Bestimmung kleiner Punktverschiebungen

• “beleuchtete Partikel” im Hintergrund an der Wand

• Aufnahme des Hintergrundes durch Kamera (Referenzbild)

• Dichteänderung zws. Kamera und Hintergrund

• Bestimmung der Lichtstrahlveränderung (Messbild) _> Folgt daraus die Kreuzkorrelation