Das Hochgeschwindigkeits-Videostroboskop

Ein Bilderfassungssystem für die Erforschung schneller periodischer und nicht - periodischer aber sich wiederholender Vorgänge

Das Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Göttingen entwickelte ein optisches Hochgeschwindigkeits - Messsystem zur Erfassung von sehr schnellen periodischen und sich wiederholenden, nicht periodischen Vorgängen. Diese Vorgänge werden auf dem Monitor in Zeitlupe in Echtzeit dargestellt. Ein Blitzlicht wird nicht benötigt; eine kontinuierliche Beleuchtung (Halogenlampe, Sonnenlicht) genügt. Daher können auch selbstleuchtende Objekte (z.B. Flammen) untersucht werden.

Das System besteht aus einem aufgerüsteten Industrierechner (19“/4HE) und 1 bis 4 Spezialkameras, die jeweils an den Rechner mittels eines bis zu 50 m langen Kabels angeschlossen werden. In dem Rechner befinden sich ein frequenzunabhängiger Phasenschieber sowie ein Multikamera - Framegrabber. Der zu untersuchende Vorgang wird auf dem Monitor dargestellt. Der Verschluss der Kamera wird über den Phasenschieber durch diesen Vorgang getriggert. Der Phasenschieber kann so programmiert werden, dass die Phase der Verschlussimpulse sich langsam verschiebt. In diesem Fall wird ein Zeitlupeneffekt in Echtzeit erreicht, wobei die Geschwindigkeit der Bewegungen des auf dem Monitor dargestellten Objekts frei einstellbar ist. Sie hängt von der tatsächlichen Objektgeschwindigkeit und deren Änderung nicht ab. Nichtperiodische, jedoch sich wiederholende Vorgänge können alternativ in einem Zeitverzögerungs-Modus untersucht werden. Die Verschlusszeit der Kamera kann in einem Bereich von 1,25 μs bis 16 ms variiert werden, sodass die Beobachtung von sehr schnell schwingenden (bis 10 kHz) und rotierenden (bis 100.000 U/min) Objekten möglich ist.

Die Beobachtung auf dem Monitor ist zeitlich nicht begrenzt. Die Aufzeichnung der Bildsequenzen geschieht simultan.

Einige erfolgreiche Anwendungsbereiche sind makro- und mikroskopische Strömungen, Entwicklung bzw. Diagnostik von Turbinen, Motoren (Einspritzvorgänge, Verbrennung) und schnell laufenden Maschinen, Wasserpropellern (Sichtbarmachung von Kavitation), Humanmedizin (Stimmlippenbeobachtung), Zoologie (Analyse des Insektenfluges im Windkanal).

Zusätzlich zu dem vielfach eingesetzten Videostroboskop wurden folgende Systeme entwickelt:

  • Farb - Videostroboskop,
    VGA-Auflösung, CameraLink_Interface,
  • Multikamera - Videostroboskop
    simultane Akquisition von bis zu 4 Kameras, 760 x 582 Bildpunkte und
  • Hochauflösendes Videostroboskop
    wie Multikamerasystem, jedoch 1392 x 1040 Bildpunkte.

Das hochauflösende Multikamera - Videostroboskopsystem kam bereits am Airbus A340-400 bei Messungen der Breite des Landeklappenspaltes während des Flugs im Rahmen des EU-Projekts „AWIATOR“ zum Einsatz. Die für diesen Zweck entwickelte Systemvariante kann die Belichtungszeit und die Kameraverstärkung automatisch an starke Änderungen der Beleuchtung anpassen. Solche Änderungen treten im Flugversuch, bedingt durch Tageszeit sowie durch die Position von Sonne und Wolken, auf.

Diese Systeme sind mit nationalen und internationalen Patenten geschützt. Zur Herstellung und Vermarktung wurden Lizenzen vergeben.

Messverfahren

Neben der qualitativen Visualisierung können diese Systeme auch quantitative Daten beim Einsatz moderner bildgebender Messverfahren liefern:

RT-PIV

Real-Time Particle Image Velocimetry

Geschwindigkeitsfeld

RT-BOS

Real-Time Background Oriented Schlieren

Dichtegradientenfeld

RT-IPCT

Real-Time Pattern Correlation Technique

Deformation

POSI

Optical Position Detection

Position

EDT

Edge Detection Technique

Lageänderung

Der Einsatz, sowohl bei Windkanalmessungen als auch in Freiflugversuchen erbrachte wichtige neue Erkenntnisse.

Anwendungsbeispiele

1. Dieselkraftstoff - Einspritzvorgang, Aufnahme Volkswagen AG

Bildabstand entspricht 60 µs, Öffnungsdauer des Einspritzventils 500 µs, Gegendruck 50 bar, Kraftstoffdruck 1550 bar, Kammertemperatur 450 °C
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2. Aufnahmen der Umströmung einer angeregten Flügelklappe im Windkanal

Luftgeschwindigkeit 5 m/s, Anregungsfrequenz 30 Hz
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Kontakt
Dr.-Ing. Boleslaw Stasicki
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik
, Experimentelle Verfahren
Tel: +49 551 709-2890

E-Mail: Boleslaw.Stasicki@dlr.de
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/as/desktopdefault.aspx/tabid-183/251_read-2744/