CZ18760U1 - Zařízení pro měření rychlosti a velikosti transparentních sférických částic sestávající z laseru a snímací kamery - Google Patents

Description

Zařízení pro měření rychlosti a velikosti transparentních sférických částic sestávající z laseru a snímací kamery

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro měření rychlosti a velikosti transparentních sférických částic sestávající z laseru a snímací kamery.

Dosavadní stav techniky

Z technické praxe jsou známa různá řešení měření rychlostí a velikosti transparentních sférických částic. V současné době je využívána metoda IPI (Interferometric Particle Imaging) označovaná také jako ILIDS (Interferometric Laser Imaging for Droplet Sizing). Princip konvenční ío metody IPI je založen na zpracování signálu získaného zaostřenou a rozostřenou kamerou. Měřený prostor s částicemi je osvětlen laserovým paprskem a je pořízen zaostřený snímek částice a rozostřený snímek s interferenčním obrazcem. Interferenční proužky vznikají složením dvou paprsků světla, paprsku od částice odraženého a paprsku v částici lomeného. Nejdříve je ze zaostřeného snímku určena poloha částice. Získaná poloha je využita při zpracování druhého i 5 snímku a z počtu interferenčních proužků je vypočítána velikost částice. Nevýhodou metody IPI je nutnost použití dvou kamer upevněných v přesně definované vzájemné poloze. Další omezení je v minimální měřitelné velikosti částic, která se pohybuje okolo 5 pm. Tento limit je dán uspořádáním zařízení, zejména jeho optických prvků a způsobem možného vyhodnocení.

Dále jsou pro určení velikosti částic používány metody využívající rozptylu světla. Měřenou oblastí prochází laserový paprsek, na částici dochází k jeho rozptylu a kamera umístěná mimo osu tohoto paprsku pak sbírá informaci o rozložení jeho intenzity. Na základě rozložení intenzity světlaje získána informace o velikosti částice. Pro měření velikosti více částic najednou lze metodu aplikovat jen při specifických podmínkách. Obvykle se předpokládá, že rozptýlené světlo od jednotlivých částic je nekoherentní a nedochází k násobným rozptylům. Tyto podmínky jsou obvykle splněny jen v případě, že jsou částice v prostoru rozmístěny pravidelně a nepříliš hustě. Při použití této metody nelze získat informaci o rychlosti sledovaných částic.

Jinou kategorií jsou metody využívající laserem indukované fluorescence. Z poměru intenzit světla, závislých na ploše a objemu částice, zaznamenaných na dvou snímcích je určena prostorová distribuce částic. Zpracováním signálu lze zjistit i rychlostní pole. Použití této metody má výhodu ve velkém měřicím rozsahu (1 až 100 pm) a je použitelné s dostatečnou přesností i při velké prostorové hustotě částic. Nelze ji však použít v podmínkách, při kterých dochází k odpařování kapiček. Odpař kapiček ovlivňuje koncentraci použitého barviva, mění se tím i intenzita rozptýleného světla a velikost částice nemůže být korektně určena.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny zařízením pro měření rychlosti a velikosti transparentních sférických částic sestávající z laseru a snímací kamery, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že laser je opatřen laserovým nožem pro osvětlení měřené roviny a kamera je opatřena objektivem, u kterého je vzdálenost předmětové roviny od jeho první čočky rovna 200 až 240 mm v závislosti na vzdálenosti objektivu od snímací kamery. Tuje možno měnit v rozsahu 255 až 315 mm. Průměr objektivu je 70 mm. Nejmenší poměr vzdálenosti předmětové roviny k průměru objektivu, který udává minimální měřitelnou velikost částic, je tedy 2,85. Zařízení je tak schopno měřit i částice o velikosti 1,5 pm. Laser má s výhodou vlnovou délku 532 nm.

Zařízení se tedy skládá z nově navrženého objektivu a dalších standardně používaných kompo45 nent. Tím, že objektiv je konstruován pro přesně definovanou vlnovou délku, se podařilo dosáhnout i nízkých hodnot optických vad. Poloha a velikost měřené částice se určují přímo ze snímku

- 1 CZ 18760 Ul rozostřené kamery a není nutné proto použít druhou kameru. Především v oblasti nejmenších částic, kde počet interferenčních pruhů přímo ovlivňuje kvalitu výsledného nahrazení měřených dat, byla také výrazně zlepšena přesnost určování velikosti částic. Použití jedné kamery pak umožňuje využití metody i při experimentech se složitější geometrií modelu. Současně byly sní5 ženy pořizovací náklady na nezbytné technické vybavení. Tím, že není nutné provádět před každým měřením kalibraci polohy kamer vůči sobě, byly sníženy nároky na obsluhu.

Přehled obrázků na výkresech

Zařízení pro měření rychlosti a velikosti transparentních sférických částic podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsáno na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je znázorněno schematicky v bokorysu příkladné provedení. Na obr. 2 je znázorněno příkladné provedení zařízení v axonometrickém pohledu. Na obr. 3 je znázorněn výsledek zpracování rozostřeného snímku a na obr. 4 je znázorněn snímek se zaostřenými částicemi. Na obr. 5 je uvedena ukázka měřených dat při použití standardního objektivu a na obr. 6 nově navrženého objektivu.

Příklady provedení technického řešení

Příkladné zařízení pro měření rychlosti a velikosti transparentních sférických částic 4 sestává z laseru 1 a snímací kamery 2. Laser 1 je opatřen laserovým nožem pro osvětlení měřené roviny a kamera 2 je opatřena objektivem 3, u kterého je vzdálenost předmětné roviny 32 od jeho první čočky 33 rovna 200 až 240 mm v závislosti na vzdálenosti objektivu 3 od snímací kamery 2. Tu je možno měnit v rozsahu 255 až 315 mm. Průměr objektivu 3 je 70 mm.

Soustava pro měření částic se skládá z laseru i, který prostřednictvím laserového nože osvětluje měřenou rovinu, dále z kamery 2 se speciálním objektivem 3. Dalšími komponenty je řídicí a záznamová technika.

Kamerou 2 se speciálním objektivem 3 jsou získávány dvojice rozostřených snímků. Snímky prochází dvěma různými způsoby zpracování.

Součástí zařízení je speciální objektiv 3 s dostatečnou světelností umožňující zaostřit do velmi malé oblasti a na malou vzdálenost. Objektiv 3 je tvořen třemi optickými prvky - spojnými sférickými čočkami 33, 34 a 35 a tubusem 36, který umožňuje měnit vzdálenost CCD čipu 37 od nejbližšího optického prvku, jak je patrné z obr. 1.

Pri prvním je na snímky aplikována sada filtrů tak, aby se obraz částice 4 soustředil do menší oblasti. Následně je určena poloha každé částice 4 korelací mezi přefiltrovaným snímkem a generovaným obrázkem zaostřené částice 4. Tyto přefiltrované snímky jsou dále použity pro výpočet rychlosti částic 4.

Pri druhém jsou na rozostřených snímcích kruhové obrazy částic 4 s interferenčními obrazci, to znamená, že všechny částice 4 mají na snímcích stejně velký obraz s různým počtem interferenčních pruhů v závislosti na velikosti částice 4. Na základě polohy částic 4 známé z předchozího zpracování je v příslušné kruhové oblasti zjišťována prostorová frekvence interferenčních proužků. Při konvenční metodě IPI je k určení prostorové frekvence interferenčních proužků použita spektrální výkonová hustota. Nově navrhovaná metoda využívá spektrální výkonovou hustotu jen k počátečnímu určení frekvence. V dalším kroku je přesnost a spolehlivost metody zlepšena hledáním koeficientů kvadrátu kosinové funkce, která nejlépe odpovídá interferenčnímu signálu.

Metodika zpracování rozostřeného snímkuje následující. V prvním krokuje provedeno vyhlazení histogramu četnosti jednotlivých stupňů šedi snímku. Tím je dosaženo zlepšení poměru sig45 nál/šum. Dále je na snímek aplikován Sobelův filtr pro detekci hran, který je založen na odhadu gradientu ve vodorovném a svislém směru. Takto upravený snímek je prahován konstantní hodnotou 100. Výsledkem je obraz s diskrétními hodnotami 0 nebo 1, ve kterém je pro každý pixel

-2CZ 18760 Ul provedena analýza okolí. Na jejím základě jsou nejprve vyplněna prázdná místa, následně je zjišťována spojitost okolí každého pixelu. V dalším krokuje znovu aplikován Sobelův filtr s prahováním pro eliminaci vnitřku spojitých oblastí. Výsledkem je opět obraz s diskrétními hodnotami 0 a 1, na kterém jsou, v závislosti na kvalitě měřených dat, pouze okraje vyhodnocovaných interferogramů. Nakonec je využito Houghovy transformace, která spočívá v nalezení parametricky popsatelného modelu obrazu. V tomto případě se jedná o nalezení kružnic daného poloměru. Posledním krokem je výpočet konvoluce snímku s Gaussovským rozložením. V takto upraveném snímku jsou částice vyhledávány pomocí standardního algoritmu založeného na korelaci snímku s vygenerovaným obrazem zaostřené částice 4.

ío Uspořádání jednotlivých komponent navrhovaného systému je následující. Laser i o vlnové délce 532 nm opatřený válcovou optikou vytvářející laserový list 5 je upevněn vzhledem ke kameře 2 se speciálním objektivem 3 pod přesně definovaným úhlem 6. Úhel 6 snímání je zvolen s ohledem na poměr indexů lomu světla měřených částic 4 a okolního prostředí. Pro získání kvantitativních údajů je nutné přesně určit vzdálenost kamery 2 od měřené roviny 32. Nejprve je ka15 mera 2 zaostřena do měřené roviny 32. Postupným posouváním CCD čipu 37 směrem k objektivu 3 dojde k rozostření obrazu a na záznamovém zařízení se místo zaostřených částic 4 objeví kruhové interferogramy. Doporučený průměr interferogramů je 80 až 120 pixelů. S tímto nastavením je provedeno měření. Získaná data jsou vyhodnocena výše zmíněným postupem. Průmyslová využitelnost

Zařízení podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění především při měření rychlosti a velikosti transparentních sférických částic. Je určeno především pro měření dvoufázového proudění, například kapiček vody ve vzduchu, bublin vzduchu ve vodě a podobně.

Claims (2)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro měření rychlosti a velikosti transparentních sférických částic sestávající z 25 laseru a snímací kamery, vyznačující se tím, že laser (1) je opatřen laserovým nožem pro osvětlení měřené roviny a kamera (2) je opatřena objektivem (3), u kterého je vzdálenost předmětné roviny od jeho první čočky (33) rovna 200 až 240 mm v závislosti na vzdálenosti objektivu (3) od snímací kamery (2), která je 255 až 315 mm.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, v y z n a č u j í c í se t í m , že průměr objektivu (3) je 70 mm.

   30 3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že laser (1) má vlnovou délku

   532 nm.