PIV im Detail



 Prinzip des PIV-Verfahrens
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 PIV Kamera im Aufbau mit 2-achsigem Scheimpflug-Adapter und ferngesteuerter Fokussierung für das Objektiv
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 Fließbett-Partikelgenerator des DLR für Feststoffseeding
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Das Prinzip dieser berührungslosen Messtechnik beruht auf der Erfassung des Versatzes von Streupartikeln, die mit zwei Lichtpulsen in sehr kurzem, definiertem Abstand (wenige Mikrosekunden) beleuchtet werden. Die Lichtpulse werden mit einem Doppelpuls-Laser erzeugt und über eine geeignete Optik als Lichtschnitt in die gewählte Messebene in der Strömung geführt. Das Streulicht der Partikel aus beiden Lichtpulsen wird mit einer CCD- oder CMOS Kamera in zwei getrennten Bildern mit ebenfalls kurzer Belichtungsdauer aufgenommen. Das Bildpaar wird in einem nachträglichen Bearbeitungsschritt in kleine Abfragefenster unterteilt und der Versatz der Partikelgruppen innerhalb des Abfragefensters mit Hilfe der Kreuzkorrelation bestimmt. Über den zeitlichen Abstand beider Bilder und den Vergrößerungsfaktor der verwendeten Kamera-Optik kann der Partikelversatz in einen Geschwindigkeitsvektor umgerechnet werden. Durch die Abtastung des gesamten Kamera-Bildpaares mit solchen Abfragefenstern wird das instationäre Geschwindigkeitsfeld in der Strömungsebene für den gemessenen Zeitpunkt berechnet. Hierbei ermöglicht der Aufbau von einem Lichtschnitt mit einer beobachtenden Kamera die Bestimmung des 2-komponentigen Geschwindigkeitsfeldes in der betrachteten Lichtschnittebene. Wird der Aufbau um eine zweite Kamera erweitert, kann auch die dritte Geschwindigkeitskomponente der Strömung (senkrecht zum Lichtschnitt) erfasst werden. In diesem Fall spricht man von Stereo PIV (SPIV).

Weiterführende Informationen sind in der Literaturliste zu finden.

Der Entwicklungsstand bei Doppel-Puls Nd:YAG Lasern (532 nm Wellenlänge) für den standardmäßigen Einsatz von (S)PIV erlaubt mittlerweile Pulsraten von 20 Hz mit bis zu 400 mJ Pulsenergie und einem minimalen Pulsabstand von unter 1 µs. Hinzu kommen High Speed Laser- Systeme, die speziell für PIV Anwendungen mit Pulsraten von bis zu 10 kHz bei (noch) geringen Leistungsniveaus um 10 mJ eingesetzt werden können.

Im Bereich der CCD Kameras kann für PIV auf Geräte mit 14 bit Dynamik und bis zu 4000 x 4000 px. Auflösung bei 30 Vollbildern pro Sekunde zurückgegriffen werden. Die Kameras können mit Belichtungszeiten ab 500 ns einen minimalen Pulsabstand von 150 ns auflösen. Die meisten PIV Kameramodelle sind mit internen Speichermodulen von 1 - 4 GB ausgerüstet. Für High Speed Anwendungen kommen oft CMOS Kameras zum Einsatz, die bei einer mittleren Sensor- Auflösung von 1024 x 1024 px. eine Bildrate von bis zu 5 kHz erreichen können.


Für STEREO PIV Anwendungen werden zur Korrektur des perspektivischen Einflusses für jede Kamera sog. Scheimpflugadapter benötigt, die heute in einachsiger Ausführung meist kommerziell erhältlich sind. Für die Scheimpflug-Korrektur in mehreren Ebenen wurden im Hause bestehende Adapter für Anwendungen mit zwei-achsiger Technik aufgerüstet.


Contact
Dr.-Ing. Melanie Voges
German Aerospace Center

Institute of Propulsion Technology
, Triebwerksmesstechnik
Tel: +49 2203 601-3784

E-Mail: Melanie.Voges@dlr.de
Dr.phil. Christian Willert
German Aerospace Center

Institute of Propulsion Technology
, Triebwerksmesstechnik
Tel: +49 2203 601-2308

E-Mail: Chris.Willert@dlr.de
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