УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ТРЕХМЕРНОГО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА
APPARATUS AND METHOD FOR THREE-DIMENSIONAL MEASUREMENT OF FLOW RATE

Изобретение относится к устройству для трехмерного измерения скорости потока, прежде всего для осуществления измерений по методу Particle-Image-Velocimetry (PIV) (оптический метод измерения полей скорости жидкости или газа в выбранном сечении потока или же метод измерения скорости по отображениям частиц) с по меньшей мере одним осветительным устройством для освещения движущихся в измерительном объеме исследуемого потока трассер-частиц и с по меньшей мере одной камерой для многократного отображения движущихся трассер-частиц. Изобретение также относится к способу трехмерного измерения скорости потока, прежде всего для осуществления измерений по методу измерения скорости по отображениям частиц.
Метод измерения скорости по отображениям частиц является оптическим способом измерения скорости, с помощью которого могут быть зарегистрированы два компонента пространственного поля скорости в освещенной измеряемой плоскости. При этом принцип метода измерения скорости по отображениям частиц основывается на наблюдении мелких трассер-частиц, которые добавлены в протекающую текучую среду или газ или уже содержатся в них. Трассер-частицы освещаются посредством двух световых вспышек, и рассеянный свет отображается в аналоговом виде на фотопленке или в цифровом виде на ПЗС-матрице. Затем для получения информации о скорости аналоговые или цифровые снимки обрабатываются с помощью программ обработки отображения. Посредством обзора поля течения под разными углами зрения с помощью метода измерения скорости по отображениям частиц также возможно фиксировать пространственную информацию о скорости. При этом посредством специальных зеркальных установок или посредством двух камер регистрируется перемещение частиц перпендикулярно к плоскости светового сечения. Примеры этого описаны в DE 10312696 B3 и DE 19928698 A1. WO 03/017000 A1 также описывает устройство и способ осуществления трехмерных измерений скорости по отображениям частиц. При этом устройство содержит по меньшей мере две камеры, каждая из которых имеет объектив с предвключенной диафрагмой с тремя отверстиями. Таким образом, каждая из наблюдаемых и отображаемых трассер-частиц выдает три точки, расстояние между которыми и расположение коррелируется с интервалом трассер-частиц до фокальной плоскости соответствующей камеры.
Однако недостатком в этих известных устройствах является то, что для трехмерного измерения скорости потока они требуют больших аппаратных издержек и значительной оптической доступности.
Помимо этого известны устройства для трехмерного измерения скорости потока, которые используют зонды. Однако недостатком этих устройств является то, что зонды проникают в поток и, тем самым, нарушают его.
Поэтому задачей настоящего изобретения является разработка устройства вышеназванного типа для трехмерного измерения скорости потока, прежде всего для осуществления измерений методом измерения скорости по отображениям частиц (по методу PIV), которое обеспечивает быстрое и бесконтактное измерение без нарушения потока при относительно небольших инструментальных издержках.
Еще одна задача данного изобретения заключается в разработке известного из уровня техники способа осуществления трехмерного измерения скорости потока, прежде всего для осуществления измерений методом измерения скорости по отображениям частиц, который обеспечивает быстрое и бесконтактное измерение без нарушения потока при относительно небольших инструментальных издержках.
Эти задачи решены посредством устройства согласно признакам пункта 1 формулы изобретения, а также посредством способа согласно признакам пункта 16 формулы изобретения.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Устройство согласно изобретению для трехмерного измерения скорости потока, прежде всего для осуществления измерений по методу измерения скорости по отображениям частиц, содержит по меньшей мере одно осветительное устройство для освещения движущихся в измеряемом объеме исследуемого потока трассер-частиц и по меньшей мере одну камеру для многократного отображения движущихся трассер-частиц. Согласно изобретению камера имеет по меньшей мере один объектив с расположенной перед ним или на нем кольцевой диафрагмой. Основываясь на методе измерения скорости по отображениям частиц, посредством использования по меньшей мере одного объектива, у которого используется только наружная кольцевая щель линз, получают объемную картину движущихся компонентов. Трассер-частицы появляются на изображении в виде колец или кольцевых сегментов с диаметром, который зависит от расстояния до фокальной плоскости камеры. Вместе со смещением отдельных частиц в предварительно определенном промежутке времени, для вычисления вектора скорости образуется трехмерная плоскостная информация о потоке, которая может быть получена бесконтактно, то есть без нарушения потока и с небольшими инструментальными издержками. Так, например, для получения данных необходима только одна камера и одно осветительное устройство. К тому же достаточно простого окна в корпусе исследуемой детали, чтобы вычислить плоскостные трехмерные характеристики потока. К тому же принципиально не требуется, чтобы устройство имело осветительное устройство с подключенным оптическим устройством светового сечения для подсветки сечения света поступающим от осветительного устройства светом. Наконец, возможны, кроме того, очень быстрые измерения, так что соответствующие серии измерений могут проводиться чаще и одновременно с более высоким местным разрешением, чем у известных способов. Однако в других формах осуществления устройства согласно изобретению может быть предусмотрено оптическое устройство светового сечения. Также возможно, что устройство имеет второе осветительное устройство с подключенным оптическим устройством светового сечения для подсветки сечения света поступающим от второго осветительного устройства светом. Оптическое устройство светового сечения может быть преимуществом прежде всего тогда, когда выделение отображений трассер-частиц в области вокруг фокальной плоскости от нерезкого переднего или же заднего фона является недостаточным.
В предпочтительной форме осуществления объектив имеет хроматическую аберрацию. За счет этого измерение упрощается, так как цвета колец или кольцевых сегментов предоставляют информацию о том, находятся ли трассер-частицы перед или позади фокальной плоскости камеры. Так как радиус колец или кольцевых сегментов трассер-частиц, которые находятся рядом с фокальной плоскостью камеры, близок к нулю, то простым способом из цвета можно сделать вывод, движутся ли трассер-частицы к фокальной плоскости или удаляются от нее.
В альтернативной к этой форме осуществления может быть использована призма в ходе лучей. Таким образом, кольца или же кольцевые сегменты трассер-частиц, которые находятся в фокальной плоскости, получают радиус больше нуля. Тем самым, информацию о приближении или удалении от фокальной плоскости можно считывать упрощенно непосредственно с радиуса.
Призма, выполненная прежде всего в виде кольцевой призмы, может быть установлена перед или после кольцевой диафрагмы. Кроме того, для этого возможно использовать объектив со свойствами призмы, прежде всего использовать дефект линзы объектива.
В предпочтительной форме осуществления изобретения камера является ПЗС-камерой с по меньшей мере одной ИС на ПЗС (интегральной схемой с прибором с зарядовой связью) или КМОП-камерой (камерой на комплементарных металл-оксидных проводниках). Посредством оцифрованного отображения снимков трассер-частиц возможна точная и простая дальнейшая обработка с помощью программ обработки отображения. Кроме того, оцифрованные данные могут быть сохранены на соответствующем запоминающем устройстве и быть обработаны позднее.
В следующей предпочтительной форме осуществления изобретения осветительное устройство расположено в области оптической оси объектива, прежде всего в центральной области. Благодаря этому, преимущественно образуется небольшая конструкция устройства для трехмерного измерения скорости потока согласно изобретению.
В следующей предпочтительной форме осуществления устройства согласно изобретению осветительное устройство излучает широкополосный свет или свет с различными областями спектра. При освещении, например, двумя цветами (например, красным и синим) происходит оценка цветовых разделенных колец или кольцевых сегментов. При широкополосном освещении происходит оценка смешения цветов.
В следующей предпочтительной форме осуществления изобретения осветительное устройство включает в себя по меньшей мере один источник лазерного излучения. При этом речь может идти о Nd:YAG лазерах. При этом лазер может излучать импульсные световые вспышки. Также могут применяться и другие источники освещения, например лампы-вспышки, светодиоды или им подобные. Эти источники освещения излучают предпочтительно импульсный свет. Помимо этого является возможным, что у вращающихся компонентов импульсы освещения или же световые импульсы синхронизируются со скоростью вращения компонентов, так что они каждый раз происходят точно у предварительно определенных измерительных позиций компонентов.
В следующих предпочтительных формах осуществления устройств согласно изобретению происходит перемещение фокальной плоскости камеры за счет передвижной конструкции камеры, за счет конструкции объектива в виде объектива с переменным фокусным расстоянием и/или за счет электрического изменения свойств линз и, тем самым, фокусного расстояния объектива. При этом последнее требуется только в кольцевой щели.
В следующих предпочтительных формах осуществления устройства согласно изобретению камера является цветной стереокамерой. При использовании призмы возможно, что устройство имеет по меньшей мере одну черно-белую камеру. Так как при этом обработка цветовой информации не требуется, это является достаточным и соответственно более выгодным. Кроме того, черно-белые камеры имеют более высокое разрешение. При этом черно-белая камера может быть выполнена в виде черно-белой стереокамеры.
В следующих предпочтительных формах осуществления изобретения трассер-частицы выполнены флюоресцирующими. Вследствие этого, возникает отражение отдельных трассер-частиц в области большей длины волны относительно длины волны освещения. Тем самым, с помощью соответствующих фильтров возможно проводить подавление фона, так что получается повышенная точность обработки. Кроме того, подавление фона возможно посредством зачернения исследуемых деталей. Помимо этого возможно применение в качестве трассер-частиц зеркальных, незеркальных или окрашенных в черный цвет полых шаров или шаров, заполненных флюоресцирующим красящим веществом. При этом зеркальные полые шары используются в комбинации с зачерненным задним планом, черные шары в комбинации со светлым, отражающим фоном. В упомянутом последним примере осуществления отрицательное измерение происходит непосредственно перед поверхностями фона, при этом темные трассер-частицы выделяются на более светлом фоне. При этом для точного определения частиц используется отражающая краска, которая усиленно отражается в направлении источника освещения.
В следующей предпочтительной форме осуществления устройства согласно изобретению устройство имеет блок обработки результатов измерения для обработки сделанных камерой снимков трассер-частиц и для вычисления и отображения определенного по времени трехмерного режима потока трассер-частиц в измеряемом объеме. Так, например, сделанные снимки могут быть математически обработаны с помощью подходящих алгоритмов, чтобы определить перемещение трассер-частиц между следующими по времени друг за другом засветками. Также, для определения колец или кольцевых сегментов на снимках могут быть использованы специальные алгоритмы фильтров. При использовании нетелецентрического объектива происходит овальное искажение колец или кольцевых сегментов частиц, которые находятся вне фокальной плоскости камеры. Это искажение может быть исправлено путем проведения математической коррекции искажений.
Способ согласно изобретению для трехмерного измерения скорости потока, прежде всего для осуществления измерений по методу измерения скорости по отображениям частиц, содержит следующие шаги способа: а) освещение находящихся в измеряемом объеме трассер-частиц с помощью по меньшей мере одного осветительного устройства; б) съемка и отображение по меньшей мере двух следующих друг за другом по времени снимков трассер-частиц, при этом съемка происходит посредством по меньшей мере одной камеры и камера имеет по меньшей мере один объектив с расположенной перед ним или на нем кольцевой диафрагмой, так что трассер-частицы отображаются в виде колец или кольцевых сегментов; в) сравнение сделанных снимков относительно смещения отдельных частиц за предварительно определенный промежуток времени для определения вектора скорости соответствующей трассер-частицы, а также регистрация диаметра отдельной кольцеобразно отображенной трассер-частицы для определения расстояния соответствующей трассер-частицы до фокальной плоскости камеры для определения относительного положения трассер-частицы по отношению к фокальной плоскости камеры и г) вычисление трехмерного вектора скорости трассер-частицы в измеряемом объеме посредством обработки данных и информации, полученных на шаге способа в).
Предпочтительно способ согласно изобретению предоставляет информацию о потоке в трехмерном виде плоскостно и бесконтактно, то есть без нарушения потока. Кроме того, по сравнению с известными способами необходимы лишь очень незначительные инструментальные издержки. При этом вычисление трехмерных векторов скорости происходит посредством обработки всей информации, содержащейся на сделанных снимках, как они определены и зарегистрированы на шаге способа в). Посредством отображения трассер-частиц в виде колец или кольцевых сегментов может очень точно и однозначно определить их положение и диаметр. Это применимо также для случая, когда видны только части кольца. Кроме того, кольцевая щель или же кольцевая диафрагма позволяет целостно пропускать больше света через объектив, чем известная из уровня техники точечная диафрагма с тремя отверстиями. Способ согласно изобретению основывается на использовании метода измерения скорости по отображениям частиц (PIV-метода), в котором используются движущиеся в пространстве компоненты посредством использования объектива с расположенной перед ним или на нем кольцевой диафрагмой и одновременном использовании хроматической аберрации линз объектива. Отображенные трассер-частицы отображаются в виде колец или кольцевых сегментов, диаметр которых зависит от расстояния трассер-частиц к фокальной плоскости камеры.
В предпочтительной форме осуществления используется объектив с хроматической аберрацией. Получаемые таким образом цвета колец или же кольцевых элементов предоставляют информацию о том, находятся ли соответствующие трассер-частицы перед или позади фокальной плоскости камеры. Таким образом, значительно упрощается определение вектора скорости, так как из цвета можно сделать вывод, движутся ли трассер-частицы к фокальной плоскости или удаляются от нее.
Кроме того, альтернативно может также быть использована призма в ходе лучей или же использованы призматические свойства объектива, прежде всего дефект линз. Таким образом, на фокальной плоскости камеры изображены кольца или же кольцевые сегменты трассер-частиц с радиусом больше нуля. Затем, из изменения размера можно легко вывести направление движения в зависимости от того, увеличивается или уменьшается радиус.
В предпочтительной форме осуществления способа согласно изобретению происходит освещение трассер-частиц с помощью по меньшей мере двух, следующих друг за другом световых импульсов или посредством отдельного продленного во времени светового импульса. При этом осветительное устройство может излучать широкополосный свет или свет с различными спектральными областями. При этом при освещении двумя различными цветами (например, красным и синим) происходит оценка цветовых разделенных колец или кольцевых сегментов. При широкополосном освещении происходит оценка смешения цветов в кольцах или кольцевых сегментах. При этом осветительное устройство может содержать по меньшей мере один источник лазерного излучения. Например, применение находит импульсный Nd:YAG-лазер. Также могут применяться и другие источники освещения, например лампы-вспышки, светодиоды или им подобные. Предпочтительно, эти источники освещения также излучают импульсный свет.
В следующих предпочтительных формах осуществления способа согласно изобретению промежуток времени между следующими друг за другом световыми импульсами является управляемым таким образом, что происходит согласование с преобладающими в каждом случае условиями потока, прежде всего скоростями потока. При этом управление последовательностью световых импульсов может осуществляться автоматически. Помимо этого возможно, что у вращающихся компонентов импульсы освещения или же световые импульсы синхронизируются со скоростью вращения компонентов, так что каждый раз они происходят точно у предварительно определенных измерительных позиций компонентов.
В следующих предпочтительных формах осуществления способа согласно изобретению камера является ПЗС-камерой с по меньшей мере одной ИС на ПЗС или КМОП-камерой. При этом съемка и отображение по меньшей мере двух следующих друг за другом по времени снимков трассер-частиц согласно шагу б) способа может происходить в цифровом виде. Обработка снимков согласно шагу в) способа обычно происходит с помощью программы для обработки отображения. При этом для определения и обработки колец или кольцевых сегментов на снимках могут быть использованы специальные алгоритмы фильтров. Наконец, вычисление трехмерного вектора скорости трассер-частицы происходит с помощью соответствующего программного обеспечения для обработки данных в подходящем для этого устройстве обработки данных. При использовании нетелецентрического объектива кольца или кольцевые сегменты частиц, лежащие вне фокальной плоскости камеры, искажаются. Это искажение можно исправить посредством проведения математической коррекции искажений.
В следующей предпочтительной форме осуществления способа согласно изобретению осветительное устройство имеет подключенное оптическое устройство светового сечения для подсветки светового сечения поступающим от осветительного устройства светом. Однако является также возможным, что предусмотрено второе осветительное устройство, которое имеет соответственно подключенное оптическое устройство светового сечения для подсветки светового сечения поступающим от второго осветительного устройства светом. Использование подобного оптического устройства светового сечения происходит в случаях, когда выделение отображений трассер-частиц в области вокруг фокальной плоскости от нерезкого переднего или же заднего фона является недостаточным.
В следующих предпочтительных формах осуществления способа согласно изобретению фокальная плоскость камеры является изменяемой. Это может происходить за счет передвижной конструкции самой камеры, выполнения объектива в виде объектива с переменным фокусным расстоянием и/или за счет электрически изменяемых свойств линз объектива и вместе с тем его фокусного расстояния.
В следующей предпочтительной форме осуществления способа согласно изобретению трассер-частицы выполнены флюоресцирующими. Вследствие этого происходит подавление фона, которое ведет к значительному улучшению точности измерений. Кроме того, в качестве трассер-частиц могут быть использованы зеркальные, незеркальные или окрашенные в черный цвет полые шары или шары, наполненные флюоресцирующим красящим веществом. При этом зеркальные полые шары используются в комбинации с зачерненным фоном, черные полые шары - в комбинации с более светлым, отражающим фоном. В упомянутом последним примере осуществления происходит отрицательное измерение непосредственно перед поверхностями фона, при этом темные трассер-частицы выделяются на более светлом фоне. При этом для точного определения частицы используется отражающая краска, которая усиленно отражается в направлении источника освещения.
В следующей предпочтительной форме осуществления способа согласно изобретению способ включает в себя съемку по меньшей мере одного снимка измерительного объема без трассер-частиц и сравнение этого снимка или визуальных данных со снимком или данными снимка с трассер-частицами. Посредством съемки и сравнения снимков с трассер-частицами и без трассер-частиц возможно подавить фоновые шумы посредством формирования разности (установления различий) и, тем самым, повысить качество снимка и качество получаемых данных.
Устройство согласно изобретению и способ согласно изобретению находит применение, например, при измерении условий потока в авиационных двигателях или компонентах двигательных установок, прежде всего в компрессорах и турбинах.
Дальнейшие преимущества, признаки и подробности становятся понятными из последующего описания графически изображенного примера осуществления.
При этом на фигуре очень схематично показано устройство 10 для трехмерного измерения скорости потока, прежде всего для осуществления измерений по методу измерения скорости по отображениям частиц. При этом устройство 10 содержит осветительное устройство 12 для освещения движущихся в измерительном объеме 20 исследуемого потока трассер-частиц 18. При этом устройство 10 содержит камеру 24 для многократного отображения движущихся трассер-частиц 18. Видно, что камера 24 имеет объектив 14 с кольцевой диафрагмой 16. При этом осветительное устройство 12 расположено в центральной области объектива 14. В случае с осветительным устройством 12 в изображенном примере осуществления речь идет о двуцветной лампе-вспышке.
При приведении в действие осветительного устройства 12 измерительный объем 20 или же трассер-частица 18 освещается в области конуса 22 излучения. Рассеянный обратно от трассер-частицы 18 свет через объектив 24 с кольцевой диафрагмой 16 попадает и отображается на ИС 38 на ПЗС камеры 24, выполненной в виде ПЗС-камеры. Соответствующее отображение трассер-частицы 18 в двух различных положениях (пол.1, пол.2) изображено на фигуре на снимке 26. Видно, что трассер-частица 18 изображена в виде кольца в двух различных положениях. При этом снимок 26 представляет собой съемку трассер-частицы 18 в различных по времени измерительных положениях внутри измерительного потока 20. В течение предварительно определенного промежутка времени, проходящего между обеими снимками камеры 24, трассер-частица 18 движется от пол.1 вдоль стрелки 28 в пол.2. При этом стрелка 28 представляет собой направление движения трассер-частицы 18. Это смещение можно четко распознать на снимке 26. Посредством представленного в пол.2 большего, по сравнению с пол.1, диаметра отображенной трассер-частицы 18 можно однозначно определить расстояние трассер-частицы относительно фокальной плоскости камеры 24. В изображенном примере осуществления трассер-частица 18 в своей позиции 2 находится ближе к фокальной плоскости камеры 24, чем в позиции 1.
После определения положения и диаметра колец или кольцевых сегментов, на снимке 26 происходит корреляция отображений трассер-частиц 18 в различных измерительных положениях. Наконец, обработка цветов колец предоставляет информацию, находится ли трассер-частица 18 впереди или позади фокальной плоскости камеры 24. Для получения вышеупомянутой информации устройство 10 использует хроматическую аберрацию линз объектива 14. При этом освещение трассер-частиц 18 может происходить двумя цветами и соответствующей обработкой цветовых разделенных колец или посредством широкополосного освещения и соответствующей обработки смешения цветов.
Кроме того, устройство 10 содержит блок обработки результатов (не изображен) для обработки сделанных камерой 24 снимков 26 трассер-частиц 18 и для вычисления и отображения определенного по времени трехмерного поля течения всех трассер-частиц 18 в измерительном объеме 20. При этом в качестве исходных данных для этого служит содержащаяся в снимках 26 информация, прежде всего положение колец, их диаметр и их распределение цветов.
Кроме того, альтернативно может также быть использована призма (не изображена), так что информацию о движении трассер-частицы 18 к фокальной плоскости или от нее может быть получена непосредственно из изменения размера. Тогда, здесь была бы необходима лишь черно-белая камера, а общепринятая в иных случаях цветная камера не присутствовала бы.
Кроме того, на фигуре изображен ход 30, 32, 32, 34 лучей света, отраженного от трассер-частицы 18 в пол.1 и пол.2.
В изображенном примере осуществления происходит съемка и отображение по меньшей мере двух следующих друг за другом по времени снимков 26 трассер-частиц 18. Обработка снимков 26 происходит с помощью программы обработки отображения, а вычисления трехмерного вектора скорости трассер-частиц 18 - с помощью соответствующего обрабатывающего программного обеспечения блока обработки результатов. В случае блока обработки результатов, речь идет обычно о компьютере или же устройстве обработки данных.