Messtechnik des Tages: PIV

Posted by – 17. Dezember 2008

PIV – Particle Image velocimetry. Sagt eigentlich schon alles. Man macht Bilder von Partikeln in einer Strömung und bestimmt deren Geschwindigkeit1.2 Nagut, vielleicht doch etwas genauer.

Zuallererst brauchen wir also die Partikel. Die müssen sehr klein und möglichst gleich groß sein. Dafür gibt es Seedinggeneratoren3, die diesen Job recht gut und zuverlässig erledigen. Damit haben wir eine Strömung, in der ein ganzer Haufen Partikel quasi mitschwimmen. Jetzt nehmen wir eine Digiknipse und machen ein Bild. Was sehen wir? Nebel und, wegen Autofokus, das Teil hinter der Strömung, jedenfalls nichts wirklich verwertbares. So funktioniert das also nicht.
Nehmen wir eine Kamera mit manuellem Fokus, die wir auf die Ebene scharfstellen können, in der wir die Strömung beurteilen wollen. *knips* Hm. Nichts, und dahinter unscharf das Teil hinter der Strömung. Doch nicht so einfach, wie es sich anhörte. Hmm-hmmmm.
Langer Rede, kurzer Sinn: Wir brauchen Spezialkameras und einen Laser.4
Die Spezialkameras können zwei Bilder sehr schnell hintereinander machen. Die Belichtungszeit ist aber noch zu lang für schnelle Strömungen, deshalb muss man ein wenig tricksen, um scharfe Bilder der Partikel zu kriegen. Vorhang auf für den5gepulsten Laser. In unserem Fall liefert der6Lichtblitze von 2 ns7, das ist so kurz, dass sich die Partikel in der Zeit so gut wie gar nicht weiterbewegen. Das Ganze läuft so ab:

  • Blitz und Knips
  • Kamera schiebt Bild in internen Zwischenspeicher
  • Kurz warten8
  • Blitz und Knips
  • Beide Bilder9 werden in einen zweiten Zwischenspeicher oder auf den Steuerungsrechner verschoben.

Und jetzt haben wir zwei zeitversetzte Bilder von Partikeln in einer Strömung. Damit lässt sich arbeiten.

Diese Bilder werden dann in lauter kleine Fenster unterteilt. Durch mathematische Verfahren10wird dann ermittelt, in welche Richtung und wie weit sich die Partikel in diesen Fenstern bewegt haben. Wir haben die Zeit zwischen den Aufnahmen, wir haben die zurückgelegte Strecke, et voilà! Wir haben für jedes dieser Fenster die Geschwindigkeit der Strömung. Daraus lassen sich dann weitere Eigenschaften der Strömung11berechnen. Und das alles, ohne irgendwelche Sonden in die Strömung zu halten, also völlig unbeeinflusst.

Nagut, es gibt Begrenzungen. Irgendwie muss man einen optischen Zugang zur Strömung haben, sie also beleuchten und beobachten können, sonst kriegt man kein Bild. Man muss genug Seeding in die Strömung reinkriegen, bei sehr niedrigen Drücken kann die Verteilung zu dünn sein, und so weiter und so fort.

Es gibt auch andere Schwierigkeiten Herausforderungen. Man muss Reflektionen vermeiden, der Kontrast zum Hintergrund muss groß genug sein und nicht zuletzt müssen die Strahlen der eigentlich zwei Laser exakt übereinander liegen, dazu aber in einem späteren Post mehr.

Das allertollste aber ist, dass jetzt auch wir Experimentatoren dank PIV und dem Auswerteprogramm Coloured Fluid Dynamics machen können. 🙂

  1. Der Partikel, nicht der Bilder []
  2. Und damit, wenn die Partikel klein genug sind, um ihr zu folgen, die der Strömung []
  3. Das sieht ja ausgeschrieben noch blöder aus, als es sich ausgesprochen anhört []
  4. Jaa, Lightshow! []
  5. Nagut, eigentlich die, nämlich zwei, aber das sind technische Feinheiten []
  6. liefern die []
  7. Nanosekunden. Nicht Milli-, nicht Mikro-, sondern Nano-, also Milliardstelsekunden []
  8. einige Mikro- bis Millisekunden, je nach Geschwindigkeit []
  9. bzw. Frames []
  10. Cross-Correlation, tschuldigung, der Messtechnikkurs in Brüssel war auf Englisch []
  11. zum Beispiel die Wirbelstärke []

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