ES2197267T3 - Procedimiento y dispositivo para registrar estructuras de corriente tridimensionales. - Google Patents
Procedimiento y dispositivo para registrar estructuras de corriente tridimensionales.Info
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UN DISPOSITIVO PARA DETECTAR ESTRUCTURAS DE FLUJO TRIDIMENSIONALES, CARACTERIZADO PORQUE SE GENERAN AL MENOS DOS PLANOS DE CORTE DE LUZ, PREFERIBLEMENTE TRES, CON UNA LONGITUD DE ONDA O INTENSIDAD LUMINOSA DIFERENCIADAS EN UN CAMPO DE MEDICION DE FLUJO, PORQUE LA LUZ PARASITA, GENERADA AL CRUZAR EL PLANO DE CORTE DE LUZ LAS PARTICULAS DESPLAZADAS MEDIANTE EL FLUJO, SE DETECTA OPTICAMENTE POR SEPARADO PARA CADA PLANO DE CORTE DE LUZ, PORQUE LAS TRAZAS DE PARTICULAS DETECTADAS DE LOS PLANOS DE CORTE DE LUZ SE REUNEN EN UNA PISTA DE PARTICULAS, Y PORQUE CON BASE EN LA PISTA DE PARTICULAS REUNIDA SE CALCULAN LAS TRES COMPONENTES DE VELOCIDAD DEL FLUJO. APARTE DE ESTO, LA INVENCION SE REFIERE A UN DISPOSITIVO PARA EJECUTAR ESTE PROCEDIMIENTO.
Description
Procedimiento y dispositivo para registrar
estructuras de corriente tridimensionales.
La invención se refiere a un procedimiento para
registrar estructuras de corriente tridimensionales. Además, la
invención se refiere a un dispositivo para registrar estructuras de
corriente tridimensionales con una fuente de luz para generar un
plano de corte de la luz, un dispositivo de grabación asignado al
plano de corte de la luz para registrar luz parásita que genera una
partícula al atravesar el plano de corte de la luz, y con un
dispositivo de control y valoración.
A partir del estado de la técnica se conocen en
general anemómetros de corriente, por ejemplo, anemómetros dobles
láser que permiten una medición puntal de los campos del corriente.
Estos procedimientos requieren mucho tiempo debido a la medición
únicamente puntal. Por tanto, para el registro simultáneo de
estructuras de turbulencias espaciales son imprescindibles
procedimientos de campo global.
Aquí sólo se conocen hasta el momento
procedimientos bidimensionales, como el procedimiento de corte de
la luz láser con vectorización en tiempo real y la velocimetría de
imágenes de partículas (PIV). Sin embargo, estos procedimientos
requieren un sondeo secuencial del campo de corriente en el sentido
de que las estructuras espaciales tienen que analizarse mediante
disposiciones unidas de varios planos de corte de luz que se
registran de forma temporalmente sucesiva.
Por ejemplo, en el documento DE 44 08 072 A se
muestra un procedimiento semejante pero tridimensional y el
dispositivo necesario para ello.
La desventaja de estos procedimientos consiste en
que no pueden aplicarse en muchos problemas de corriente
técnicamente relevantes, especialmente si la corriente no es
estacionaria y los componentes de la velocidad perpendiculares al
plano de corte de la luz (plano de análisis) son grandes, y la
construcción del aparato, debido a las escasas posibilidades
ópticas, no permite planos de corte de la luz en la dirección de la
corriente principal.
Por el contrario, el procedimiento con las
características de la reivindicación 1 o el dispositivo con las
características de la reivindicación 7 tienen la ventaja de que
también pueden registrarse campos de corriente tridimensionales que
no podían analizarse hasta el momento. Esto se consigue
especialmente porque aparte de un plano de corte de la luz se
generan otros planos de corte de la luz de diferentes longitudes de
onda paralelos y desplazados espacialmente entre sí. Esta
disposición de varias capas de planos de corte de la luz posibilita
determinar el tercer componente de la velocidad, sin tener que
sondear de forma secuencial el campo de corriente.
Se ha destacado como especialmente ventajoso que
la luz se module en intensidad en función del tiempo, por ejemplo,
con un modulador de luz de Bragg, para generar los planos de corte
de la luz. Esta modulación de la intensidad también se encuentra
nuevamente de forma correspondiente en la luz parásita de las
partículas movidas (partículas del trazador) en el campo de
corriente. Con ello pueden identificarse (codificarse con flechas)
de forma inequívoca el punto inicial, punto final y la dirección de
las partículas parásitas de la grabación.
En un perfeccionamiento de la invención está
prevista una única fuente de luz para generar los planos de corte
de la luz, la cual emite luz de diferentes longitudes de onda,
preferiblemente láser, con lo que un dispositivo de descomposición
cromatográfica descompone la luz de múltiples colores en las
longitudes de onda individuales.
En otra forma de realización, en lugar de una
fuente de luz están previstas varias fuentes de luz,
preferiblemente láser, que presentan en cada caso una longitud de
onda diferente y producen en cada caso un plano de corte de la
luz.
Preferiblemente, los dispositivos de grabación
asignados a los planos de corte de la luz comprenden matrices
económicas de dispositivos de carga acoplada, que alimentan a un
ordenador la imagen grabada para el procesamiento posterior.
En un perfeccionamiento de la invención, a cada
dispositivo de grabación está asignado un dispositivo de ajuste que
permite una focalización exacta al plano de corte de la luz
correspondiente. Con ello puede aumentarse adicionalmente la calidad
del resultado de medida.
Puesto que preferiblemente se colocan varias
matrices de dispositivos de carga acoplada para registrar la luz
parásita generada en los planos de corte de la luz, deben
conectarse previamente monocromadores o filtros de interferencias en
el paso del haz de las matrices de carga acoplada para filtrar
hacia fuera la luz parásita de los planos de corte de la luz no
asignados.
Además, es ventajoso sustituir los dispositivos
de grabación por una cámara fotográfica de color o una cámara de
vídeo a color que, mediante el color de la luz parásita registrado,
realizan una asignación al plano de corte de la luz correspondiente.
Con ello es posible una simplificación de la estructura.
Una posibilidad alternativa consiste en la
construcción de un corte de luz ancho con variación de color
continua (en la tercera dimensión) y el registro de la luz parásita
con una cámara de vídeo a color. Mediante la elección de un
objetivo adecuado o mediante diafragmación se va a conseguir una
imagen nítida de todo el ancho de corte de la luz. Como fuente de
luz puede servir una fuente de luz blanca intensa o un láser de luz
blanca con dispersión espectral (prisma, retículo) y óptica de
corte de la luz conectados posteriormente.
A partir de las restantes reivindicaciones
dependientes se obtienen otras ventajas y configuraciones de la
invención.
Ahora se describe detalladamente la invención
mediante ejemplos de realización en relación con los dibujos. Para
ello se muestra:
Las figuras 1a, b, una representación esquemática
del dispositivo según la invención y de las imágenes registradas
por el dispositivo;
Las figuras 2a-d, una
representación esquemática del dispositivo según la invención para
explicar el cálculo de los componentes de la velocidad, y
Las figuras 3a-d, una
representación esquemática de otro ejemplo de realización de la
invención, así como de los diagramas para explicar el procedimiento
de medida.
Un dispositivo 1 de medida comprende un láser 3
de iones de argón que genera, entre otras cosas, luz con las
longitudes de onda de 476,5 nm, 488nm, y 514 nm. La luz generada por
el láser alimenta a un dispositivo 5 de descomposición cromática,
que descompone la luz en los colores o las longitudes de onda
individuales. El haz de luz descompuesto se alimenta entonces en
cada caso a un dispositivo 7.1, 7.2 ó 7.3 óptico, que genera los
denominados planos 9 de corte de la luz.
Condicionados por la separación de colores, los
tres planos 9.1, 9.2, 9.3 de corte de la luz se diferencian
claramente por sus longitudes de onda.
A los planos de corte de la luz está asignado un
objetivo 11, que alimenta al dispositivo 13 de descomposición del
haz de forma concentrada, la luz que proviene de los planos 9 de
corte de la luz. El dispositivo 13 de descomposición del haz tiene
la tarea de conducir la luz que llega a los tres dispositivos 15 de
grabación. Mediante dispositivos 17.1, 17.2 y 17.3 de ajuste se
enfocan los dispositivos de grabación individuales al plano de
corte correspondiente. Con ello puede conseguirse una asignación
inequívoca de un dispositivo 15 de grabación a un plano 9 de corte
de la luz.
Para ello, en el ejemplo de realización mostrado,
el dispositivo 15.1 de grabación está asignado al plano 9.1 de
corte de la luz; el dispositivo 15.2 de grabación al plano 9.2 de
corte de la luz, y el dispositivo 15.3 de grabación al plano 9.3 de
corte de la luz.
Además, a cada dispositivo 15 de grabación está
conectado previamente un filtro o un monocromador 19, que no
permiten el paso de luz de longitudes de onda indeseadas. En el
presente caso, las longitudes de onda indeseadas son aquéllas que
captan en cada caso los otros dispositivos de grabación.
La grabación de los haces de luz a partir de los
planos de corte de la luz tiene lugar en los dispositivos de
grabación por medio de matrices de dispositivos de carga acoplada
no mostradas, que luego suministran su información sobre las
imágenes a un ordenador 21 sólo mostrado esquemáticamente para la
valoración y procesamiento posterior, especialmente para la
digitalización y almacenamiento.
Ahora debe explicarse el funcionamiento del
dispositivo 1 mediante las figuras 1b a 3.
En el campo de corriente que se va a analizar,
como por ejemplo el mostrado en la figura 2a, se generan los planos
9 de corte de la luz paralelos entre sí y desplazados
espacialmente, con lo que su eje longitudinal se muestra en la
dirección de la corriente principal.
Para la medición del campo de corriente se
utilizan entonces partículas movidas conjuntamente por medio de la
corriente, que o bien ya están presentes de forma natural o bien se
añaden de forma encauzada. Al pasar a través de un plano de corte de
la luz, en cada partícula se refleja luz, que llega al objetivo 11
como luz parásita. Este tipo de luz parásita puede registrarse desde
el momento en que entra, por ejemplo, en el plano 9.1 de corte de
la luz, hasta que sale del plano 9.3 de corte de la luz por medio
de los tres dispositivos 15 de grabación. Las imágenes generadas por
las matrices de dispositivos de carga acoplada de los dispositivos
15 de grabación también suministran un trazo 23 de partículas, como
se muestra, por ejemplo, en la figura 1b. Para ello, el trazo 23.1
de partículas corresponde a la vía en el plano 9.1 de corte de la
luz; el trazo 23.2 de partículas a la vía en el plano 9.2 de corte
de la luz; y el trazo 23.3 de partículas a la vía en el plano 9.3
de corte de la luz. El extremo destacado gráficamente del trazo
23.1 de partículas y la punta de flecha del trazo 23.3 de partículas
se producen por la modulación temporal de la intensidad de la luz
láser (codificación por flechas) y, por lo tanto, también indica si
han encontrado las partículas que se van a analizar en todo el
tiempo de exposición en la zona de los planos de corte de la luz. Es
decir, que las partículas detectadas al inicio del tiempo de
exposición se encontraron al comienzo del trazo 23.1 de partículas
y al final del tiempo de exposición en la punta de flecha del trazo
23.3 de partículas.
Estas tres imágenes 25.1, 25.2 y 25.3
individuales las compone el ordenador 9 para la valoración en una
sola imagen 27 común. El trazo 23 de partículas común que se
produce entonces sólo representa una reproducción directa del
desarrollo del movimiento de la partícula en el plano x/y.
Con ayuda del tiempo t_{b} de exposición
anteriormente mencionado y de una escala f_{a} de reproducción
del dispositivo óptico de grabación pueden calcularse los
componentes v_{x} y v_{y} de la velocidad en la dirección x e y.
Como aclaración, en la figura 2a se muestra un diagrama en el que
están marcados los componentes S_{x} y S_{y} de las vías x / y
del trazo 23 de partículas. Mediante estos parámetros se obtienen
los siguientes componentes de la velocidad:
v_{x} = (S_{x} / t_{b}) f_{a}
v_{y} = (S_{y} / t_{b}) f_{a}
El cálculo del tercer componente v_{z} de la
velocidad se determina de forma indirecta mediante el tiempo de
permanencia de la partícula, por ejemplo, en el plano 9.2 central
de corte de la luz. Para ello, se aplica al trazo de partículas una
estructura temporal adicional, por ejemplo, mediante exposición
reiterada o modulación del rayo láser. De ello se produce entonces
el tiempo t_{bE2} mostrado en el diagrama de la figura 2a, que
corresponde al tiempo de permanencia de la partícula en el plano
9.2 de corte de la luz. Con ayuda de la vía S_{E2z} colocada
nuevamente en este plano de corte de la luz en la dirección z se
calcula el tercer componente de la velocidad a
v_{z} = S_{E2z} / t_{bE2}
Además, el tiempo t_{bE2} de permanencia puede
calcularse también mediante la formación de un cociente del trazo
23.2 de partículas del plano 9.2 central de corte de la luz
respecto a la longitud global del trazo 23 de partículas.
De esta manera, la relación del tiempo t_{bE2}
de permanencia y el tiempo t_{b} de exposición se corresponde a
la relación de la longitud S_{E2z} del trazo 23.2 de partículas y
a la longitud total del trazo 23 de partículas. Para ello es una
condición previa que se pruebe el trazo en los tres planos de corte
de la luz y se encuentren el principio y el final en los dos planos
que se encuentran en el exterior.
En la figura 3 se muestra otra posibilidad para
la medición del componente z. Para ello se modula en intensidad de
forma asimétrica un plano de corte de la luz en la dirección z, con
lo que el desarrollo de la intensidad de la luz se indica en el
diagrama mostrado en la figura 3c. Aquí se trata de una mitad de la
campana de Gauss.
El dispositivo de grabación, en el presente
ejemplo de realización, una cámara de vídeo, está diseñado de tal
manera que también puede registrar diferentes intensidades de luz.
Basado en la intensidad de luz registrada puede deducirse la
posición z de la partícula dentro del plano de corte de la luz. De
esta manera puede determinarse fácilmente el tramo S_{zmn}
recorrido en la dirección z mediante la distribución de intensidad,
pudiendo extraerse los valores de intensidad del punto inicial y
del punto final del trazo 23 de partículas. Con ayuda de este valor
S_{zmn} se obtiene el componente de la velocidad de la siguiente
manera:
v_{z} = S_{zmn} / t_{bmn}
Naturalmente, para determinar el componente z
también pueden consultarse otros valores de intensidad del trazo 23
de partículas, por ejemplo, el valor de la intensidad al entrar en
el plano central de corte de la luz y el valor de la intensidad al
salir del plano central de corte de la luz.
Aparte del dispositivo óptico de grabación del
ejemplo de realización, que comprende tres dispositivos de
grabación, puede utilizarse en su lugar un sistema de grabación con
un único dispositivo de grabación, por ejemplo, una cámara o una
cámara de alta velocidad con alta resolución local.
Claims (20)
1. Procedimiento para registrar estructuras de
corriente tridimensionales, generándose simultáneamente como mínimo
dos, preferiblemente tres, planos (9.1, 9.2, 9.3) de corte de la
luz de diferentes longitudes de onda o colores o intensidad de la
luz en un campo de medición de la corriente, con lo que la luz
parásita generada cuando las partículas movidas por la corriente
atraviesan los planos (9.1, 9.2, 9.3) de corte de la luz se
registra ópticamente de forma separada para cada plano de corte de
la luz como trazo (23.1, 23.2, 23.3) de partículas y se graba por
codificación por color o por codificación según la intensidad, y
agrupándose los trazos (23.1, 23.2, 23.3) de partículas registrados
de los planos de corte de la luz se agrupan para formar una vía
(23) de partículas y, mediante la vía (23) de partículas agrupada,
se calculan los tres componentes (v_{x}, v_{y}, v_{z}) de la
velocidad de la corriente.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que dos componentes (v_{x}, v_{y}) de la velocidad se calculan
basándose en un tiempo (t_{b}) de exposición y una escala
(f_{a}) de reproducción de un dispositivo (15) óptico de
grabación.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
en el que se registra un tiempo (t_{bE2}) de permanencia de una
partícula en como mínimo un plano (9.1, 9.2, 9.3) de corte de la
luz y se usa para determinar el tercer componente (v_{z}) de la
velocidad.
4. Procedimiento según la reivindicación 2, en el
que un plano (9.3) de corte de la luz se modula en intensidad de
luz de forma asimétrica en una tercera dirección (z) asignada al
tercer componente (v_{z}) de la velocidad, de manera que se
determina el lugar de permanencia de la partícula mediante la
intensidad de la luz parásita registrada y con ello se calcula el
tercer componente (v_{z}) de la velocidad.
5. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que los planos (9.1, 9.2, 9.3) de corte de la luz se generan
paralelos y espacialmente desplazados entre sí.
6. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que la luz parásita generada por partículas movidas por la
corriente se registra ópticamente para cada plano (9.1, 9.2, 9.3)
de corte de la luz como un trazo (23.1, 23.2, 23.3) de partículas
en una imagen (25.1, 25.2, 25.3) individual y las imágenes (25.1,
25.2, 25.3) individuales se agrupan en una imagen (27) común, de la
que se obtiene la vía (23) de partículas.
7. Dispositivo para registrar estructuras de
corriente tridimensionales con como mínimo una fuente (3) de luz y
un instrumento (7.1, 7.2, 7.3) óptico que están configurados de tal
manera que pueden producirse simultáneamente un primer y como
mínimo otro plano (9.2, 9.3) de corte de la luz paralelo al primer
plano (9.1) de corte de la luz desplazados espacialmente, así como
con un dispositivo (15) de grabación y un dispositivo (21) de
valoración y control, con lo que la luz del primer plano (9.1) de
corte de la luz se diferencia de la luz del segundo plano (9.2,
9.3) de corte de la luz respecto a la longitud de onda, o al color
o a la intensidad de la luz, y en el que el dispositivo (15) de
grabación registra luz parásita que genera una partícula al
atravesar los como mínimo dos planos (9.1, 9.2, 9.3) de corte de la
luz.
8. Dispositivo según la reivindicación 7, en el
que al primer plano (9.1) de corte de la luz está asignado un
dispositivo (15.1) de grabación, y al como mínimo otro plano (9.2,
9.3) de corte de la luz está asignado otro dispositivo (15.2, 15.3)
de grabación.
9. Dispositivo según la reivindicación 7, en el
que está prevista una primera fuente de luz que genera el primer
plano (9.1) de corte de la luz, y está prevista otra fuente de luz
que genera otro plano (9.2, 9.3) de corte de la luz.
10. Dispositivo según la reivindicación 7, en el
que está prevista una única fuente (3) de luz, especialmente un
láser, que emite luz de diferentes longitudes de onda.
11. Dispositivo según la reivindicación 7, en el
que está previsto un medio, especialmente un modulador de luz de
Bragg (BZ) con el que la luz de la fuente (3) de luz puede
modularse en intensidad en función del tiempo.
12. Dispositivo según la reivindicación 7, en el
que están previstas varias fuentes de luz, especialmente láser, que
presentan en cada caso una longitud de onda diferente y generan en
cada caso un plano (9.1, 9.2, 9.3) de corte de la luz
diferente.
13. Dispositivo según la reivindicación 7, en el
que están previstos un láser de múltiples colores y un dispositivo
(5) de descomposición del color, y el dispositivo (5) de
descomposición del color separa varios colores y los alimenta a los
planos (9.1, 9.2, 9.3) de corte de la luz correspondientes.
14. Dispositivo según la reivindicación 7, en el
que el dispositivo de grabación presenta un campo de carga
acoplada.
15. Dispositivo según la reivindicación 7,
caracterizado porque al dispositivo (15) de grabación está
asignado un dispositivo (17) de ajuste para enfocar un plano (9) de
corte de la luz.
16. Dispositivo según la reivindicación 14, en el
que al campo de carga acoplada está conectado previamente un filtro
o un monocromador (19).
17. Dispositivo según la reivindicación 7, en el
que está prevista una pluralidad de dispositivos (15.1, 15.2, 15.3)
de grabación a los que está conectado previamente un dispositivo
(13) de descomposición del haz que descompone la luz que incide
desde los planos (9.1, 9.2, 9.3) de corte de la luz y la alimenta a
los dispositivos (15.1, 15.2, 15.3) de grabación
correspondientes.
18. Dispositivo según la reivindicación 17, en el
que al dispositivo (13) de descomposición del haz está conectado
previamente un objetivo (11).
19. Dispositivo según la reivindicación 7, en el
que el dispositivo (15) de grabación comprende una cámara de vídeo
a color o una cámara fotográfica a color, especialmente una cámara
de alta velocidad con alta resolución local.
20. Dispositivo según la reivindicación 20, en el
que la luz de un plano (9.1, 9.2, 9.3) de corte de la luz está
modulado en intensidad de forma asimétrica en la dirección (z)
perpendicular al plano, con lo que el desarrollo de la intensidad
presenta la forma de una mitad de la campana de Gauss.
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