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Dokumentenidentifikation DE19942856A1 21.06.2000
Titel Hintergrund-Schlierenmeßverfahren
Anmelder Meier, Gerd E. A., Prof. Dr., 37077 Göttingen, DE
Erfinder Meier, Gerd E. A., Prof. Dr., 37077 Göttingen, DE
DE-Anmeldedatum 08.09.1999
DE-Aktenzeichen 19942856
Offenlegungstag 21.06.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.06.2000
IPC-Hauptklasse G01N 21/49
IPC-Nebenklasse G01B 11/00   
Zusammenfassung Technische Aufgabe und Zielsetzung des Hintergrund-Schlierenmeßverfahrens
Die Aufgabe der Messung von Schlieren und Inhomogenitäten in transparenten Medien soll durch einen vereinfachten Strahlengang und Aufbau gegenüber bekannten Meßverfahren gelöst werden.
Lösung des Problems
Das im Patentanspruch 1 und 4 angegebene Hintergrund-Schlierenmeßverfahren (1) löst das Problem der exakten Messung von Dichtegradienten (3) und anderen Strahlungsablenkungen durch einen Vergleich von Bildern (5) eines Hintergrundes (2), die den interessierenden Bereich des zu untersuchenden transparenten Mediums abdecken. Dazu wird in einer Ausführung des Verfahrens ein strukturierter Gegenstand oder Hintergrund (2) durch das interessierende Phasenobjekt (3) z. B. mit Hilfe einer Kamera mehrfach abgebildet. Dabei entstehen bei einer Veränderung des Phasenobjektes (3) zwischen den Aufnahmen unterschiedliche Bilder (5), bei denen die Bildelemente des betroffenen Gegenstandsbereiches in Abhängigkeit von der Veränderung der Lichtablenkung (15) durch die Dichtegradienten (3) und in Abhängigkeit vom Abstand des Ablenkungsortes zum abgebildeten Gegenstand verschoben sind. Durch Ausmessen dieser Verschiebungen (7) erhält man eine exakte Information über die Dichtegradienten (3) nach Größe und Richtung.
Die besonderen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß eine genaue Messung von Gradientenfeldern (3) ohne Zuhilfenahme komplizierter optischer Aufbauten durchgeführt werden kann. In der Regel ...

Beschreibung[de]

Aus der Literatur ist bekannt, daß mit Hilfe von Schlierenverfahren unterschiedlicher Funktionsweise Dichteunterschiede in Medien sichtbar gemacht werden können. Dazu werden in der Regel in einem optischen Strahlengang Eingriffe im Lichtquellenbild eines Abbildungsstrahlenganges vorgenommen (Schlierenkante etc.), so daß in einem Bild des interessierenden Mediumbereiches Schlieren, also Dichtegradienten als Helligkeits- oder Farbunterschiede abgebildet werden.

Nachteilig ist bei diesen Verfahren, daß eine diskrete Lichtquelle benötigt wird, daß deren Strahlung durch Linsen oder Spiegel zu einem meist parallelen Lichtbündel durch das Medium gerichtet werden muß und daß schließlich bei den Schlierenverfahren üblicher Art durch weitere Abbildungselemente mindestens ein Bild der Lichtquelle erzeugt werden muß. Außerdem haben die genannten Verfahren den Nachteil, daß sie aufgrund ihrer Funktionsweise die Dichtegradienten zumeist nur in einer Richtung und dann auch nur qualitativ anzeigen. Bei anderen optischen oder sonst abbildenden Verfahren, bei denen Bilder z. B. durch Differenzbildung verglichen werden, wird keine Auswertung nach Größe und Richtung der Verschiebungen zum Zweck der exakten Messung der Lichtablenkung im Phasenobjekt vorgenommen, sondern lediglich die Veränderung des abgebildeten Gegenstandes vermessen.

Mit der in den Patentansprüchen 1, 3 und 4 angegebenen Erfindung wird die separate Lichtquelle, die Vielzahl von optischen Elementen und schließlich die Beschränkung auf eine Richtung bei der Messung von Dichtegradienten vermieden. Außerdem wird eine exakte Anzeige des Gradientenfeldes nach Größe und Richtung ermöglicht, so daß in weiterführender Auswertung der Meßergebnisse durch Integration das Dichtefeld und bei Beobachtung des Gradientenfeldes aus unterschiedlichen Richtungen auch die räumlichen Verteilungen der interessierenden Größen bestimmt werden können.

Die in den Patentansprüchen 1, 3 und 4 angegebene Erfindung löst das Problem der exakten Messung von Dichtegradienten und anderen Strahlungsablenkungen durch einen Vergleich von Hintergrundbildern, die in ihrem Bildausschnitt den interessierenden Bereich des zu untersuchenden transparenten Mediums abdecken. Dazu wird in einer Ausführung des Verfahrens ein strukturierter Gegenstand oder Hintergrund durch das interessierende Phasenobjekt hindurch mit Hilfe einer Kamera mehrfach abgebildet. Dabei entstehen bei einer Veränderung des Phasenobjektes zwischen den Aufnahmen unterschiedliche Bilder, die dadurch gekennzeichnet sind, daß die Bildpunkte eines bestimmten Gegenstandsbereiches in Abhängigkeit von der Stärke der Lichtablenkung durch die Dichtegradienten und in Abhängigkeit vom Abstand des Ablenkungsortes zum abgebildeten Gegenstand verschoben sind. Durch Ausmessen dieser Verschiebungen erhält man eine exakte Information über die Dichtegradienten nach Größe und Richtung.

Um den zeitlichen Ablauf von Vorgängen im Medium zu erfassen bedient man sich zweckmäßig schnell registrierender Aufnahmeeinrichtungen, mit passender Bildfrequenz nach Anspruch 2, die eine ausreichende Zahl von Bildern aufnehmen, um z. B. auch eine statistische Auswertung zu ermöglichen. Im normalen Fall wird man kontinuierlich registrierende Kameras bevorzugen, die etwa in dem üblichen Takt von 20 bis 30 Bildern pro Sekunde Einzelbilder aufnehmen und durch relativ kurze Belichtungszeit die Veränderungen im Bild einfrieren.

Die besonderen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß eine genaue Messung von Gradientenfeldern ohne Zuhilfenahme komplizierter optischer Aufbauten durchgeführt werden kann. In der Regel beschränkt sich der apparative Aufwand auf eine geeignete abbildende Kamera nach Anspruch 3 oder eine phasenempfindliche Anordnung von Empfängern nach Anspruch 4, sofern ein bereits strahlender strukturierter Hintergrund hinter dem zu untersuchenden Phasenobjekt vorhanden ist. Ist dieser beleuchtete Hintergrund nicht vorhanden, so läßt er sich in der Regel auf einfache Weise bereitstellen.

Die phasenempfindliche Anordnung von Empfängern nach Anspruch 4 ist besonders bei einer Anwendung des Verfahrens unter Einsatz von Schallwellen als abbildende Strahlung interessant, weil hier keine abbildenden Verfahren gebräuchlich sind und akustische "Kameras" nicht bekannt sind. Aber auch bei niederfrequenter elektromagnetischer Strahlung kann eine phasenempfindliche Anordnung von Empfängern sinnvoll sein.

Der prinzipielle Vorteil der Technik im Vergleich zu anderen optischen Verfahren, wie Schattenverfahren, normalem Schlierenverfahren, Speckelverfahren und Interferometrie ist der extrem kleine technische Aufwand, der im Normalfall nur eine Kamera, einen hinreichend strukturierten Hintergrund und einen Rechner zur Bildauswertung umfaßt. Der Grund dafür, daß diese Technik jetzt vorteilhaft angewendet werden kann, ist darin zu sehen, daß die schnellen Algorithmen für den Bildvergleich erst heute zur Verfügung stehen.

Durch Verwendung von Filtern nach Anspruch 13 ist es möglich unterschiedliche Anteile der Hintergrundstrahlung für das Verfahren zu nutzen. Ist dann eine Änderung der spektralen Empfindlichkeit vorhanden, kann sie für selektive Messungen am Phasenobjekt genutzt werden, um so z. B. verschiedene Gase unterscheiden zu können.

Die übliche optische Abbildung von Landschaften oder anderen Objekten geht normalerweise davon aus, daß keine Störungen zwischen dem Objekt und dem Abbildungssystem durch das zwischenliegende Medium erfolgen. Wenn es solche unübersehbaren Störungen gibt; wie im Fall der "Fata Morgana" oder bei flackernden Bildern von Sternen am Nachthimmel, dann werden diese Erscheinungen als Störung angesehen. Das Hintergrund-Schlierenmeßverfahren nutzt aber gerade diese Störungen der Bilder zur Messung ihrer Größe und Ausrichtung.

Wenn bei dem Hintergrund-Schlierenverfahren das Hintergrundobjekt nicht stationär vorhanden ist, wie z. B. bei Anwendungen aus einem fahrenden Fahrzeug oder im Fall permanent gestörten Übertragungsweges im Medium, kann nach Anspruch 14 auch aus den gestörten Bildern durch Mittelung über eine größere Zahl von Aufnahmen ein gemitteltes Hintergrundbild erzeugt werden, mit dem dann die Einzelbilder zur Messung von Abweichungen verglichen werden.

In einer aufwendigeren Anwendung des Hintergrund-Schlierenverfahrens nach den Ansprüchen 4 und 6 mit unterschiedlichen Abbildungsstrahlengängen aus verschiedenen Richtungen, kann ähnlich wie in der Röntgentomografie ein komplettes dreidimensionales Bild der Verteilung der Dichtegradienten in dem transparenten Medium in Schnitten oder anderen geeigneten Darstellungen gewonnen werden. Im Gegensatz zur Röntgentomografie ist das Ergebnis aber noch umfangreicher und informativer, weil hier nicht nur Intensitätsabschwächungen, sondern Strahlablenkungen nach Größe und Richtung gemessen werden.

In einer besonders einfachen Ausführung des Meßverfahrens wird mit einer fotografischen oder elektronische Kamera ein Punktraster (s. Fig. 5) mit beliebig verteilten Punkten als Hintergrund abgebildet. Die Dichte des Punktrasters wird zweckmäßig an den Wünschen für die Auflösung im Bereich des Phasenobjektes und an dem Auflösungsvermögen der verwendeten Kamera orientiert. Ein unbekanntes Phasenobjekt zwischen Kamera und Punktraster wird dadurch exakt vermessen, daß die Lage der Punkte für zwei Abbildungen mit und ohne Phasenobjekt verglichen wird. Die Verschiebung der Punkte erzeugt ein Vektorfeld, welches im einfachen Fall dem wegintegralen Dichtegradienten entspricht.

Die Verschiebung der Bildelemente durch das Phasenobjekt erzeugt eine Verzerrung des Hintergrundbildes und der Phasenobjekte selbst, die durch Berücksichtigung der ermittelten Strahlablenkungen korrigiert werden kann. Bei sehr starken Phasenobjekten ist eine Korrektur oft unentbehrlich.

Bei Benutzung von strahlenoptischen Abbildungsverfahren kann das Phasenobjekt ohne Änderung der prinzipiellen Funktionsweise auch zwischen dem abbildenden Elemerit, wie Linse, Lochblende etc. und dem Bild des strukturierten Hintergrundes angeordnet werden. Dies bedeutet, daß das Verfahren sowohl für Phasenobjekte im gegenstandsseitigen, wie im bildseitigen Teil des Strahlengangs benutzt werden kann. Insbesondere ist dadurch auch ein Vergleich von unterschiedlichen Phasenobjekten, von denen ein Teil im gegenstandsseitigen und ein anderer Teil im bildseitigen Strahlengang angeordnet ist, möglich.

Die zur Abbildung verwendeten Optiken haben vorzugsweise lange Brennweiten, wodurch die Empfindlichkeit für die Lichtablenkung im Strahlengang steigt. Es werden dadurch auch weit entfernte Strukturen größer abgebildet, so daß die Reichweite des Verfahrens vergrößert wird. Der Schwierigkeit sowohl Hintergrund als auch Phasenobjekt zugleich scharf abbilden zu wollen, kann durch Verwendung kleiner Abbildungsaperturen abgeholfen werden.

Da die eigentlich interessierenden Phasenstrukturen oft identifizierbar zwischen dem abgebildeten Hintergrund und der aufnehmenden Empfangseinrichtung liegen, ist ihre räumliche Lokalisierung durch eine Art stereoskopische Aufnahmeeinrichtung möglich, bei der verschiedene aufnehmende Einrichtungen (Kameras) aus unterschiedlicher Position dieselben entfernt liegenden Hintergründe durch die störende Struktur hindurch abbilden, so daß die Lage der interessierenden Struktur relativ zu dem abgebildeten Hintergrund und der Kamera berechenbar wird. Aus noch mehr Bildern - aufgenommen aus unterschiedlichen Richtungen - läßt sich mittels geeigneter Transformationen (tomografische Rekonstruktion) die volle räumliche Struktur des Störfeldes berechnen.

Die Korrelationsanalyse, mit der üblicherweise die Verschiebungen der Bildelemente durch den Einfluß der Phasenobjekte ermittelt wird, indem verschiedene Registrierungen des entfernt liegenden Hintergrundes miteinander verglichen werden, kann mit den üblichen Korrelationsmethoden für die Kreuzkorrelation z. B. zwischen Bildern ausgeführt werden. Da diese Verfahren jedoch meistens sehr rechenintensiv sind, bieten sich einfachere Lösungen an. Diese können z. B. darin bestehen, daß die Kreuzkorrelationen durch hintereinander ausgeführte Fouriertransformationen, die auf Teilbereiche der Bilder hintereinander angewendet werden, ersetzt werden.

Eine zusätzliche Auswertung besteht darin, daß zwischen aufeinander folgenden Auswertungen die Summe oder die Differenz der Gradienten gebildet wird. Dadurch reduziert sich der normale Bildinhalt auf solche Anteile, die sich in den einzelnen Bildern unterscheiden. Da nun z. B. turbulente Störungen dazu führen, daß die aufeinanderfolgenden Bilder voneinander abweichen, werden durch Differenzbildung zwischen den Auswertungen die zeitlichen Schwankungen in gestörten Bereichen des Bildes sichtbar. Diese Differenzbildung kann nicht nur zwischen aufeinander folgenden einzelnen Auswertungen erfolgen, sondern auch zeitlich weiter auseinander liegende Abbildungen betreffen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgend beschriebenen Zeichnungen dargestellt.

Fig. 1 erläutert im Schnitt längs der optischen Achse den typischen Strahlengang des Hintergrund-Schlierenmeßverfahrens (1). Das zwischen Hintergrund (2) mit dem Gegenstandspunkt (10) und abbildendem System (4) befindliche Phasenobjekt (3) verlegt den Bildort eines Bildpunktes (8) an einen anderen Ort (9) der Bildebene (5). Wird diese Verschiebung (7) gemessen, so erhält man ein Maß für die Stärke der Lichtablenkung (15), die im Wesentlichen dem Gradienten der Dichte entspricht.

Fig. 2 zeigt einen typischen Abbildungsstrahlengang in räumlicher Ansicht, bei dem ein beliebiges Phasenobjekt (3) das Bild eines gepunkteten Hintergrundes (2), welches von einer Lochblende (4) erzeugt wird, stört. Zur Auswertung und Bestimmung der Dichtegradienten im Düsenstrahl wird ein weiteres Bild herangezogen, bei dem das Phasenobjekt nicht mehr vorhanden ist. Die Verschiebung (7) der Bildpunkte von (8) nach (9) ergibt das wegintegrale Gradientenfeld, sofern die Lichtablenkungen hinreichend klein sind.

Fig. 3 zeigt einen typischen Abbildungsstrahlengang in räumlicher Ansicht, bei dem ein heißer Luftstrahl (3) aus einer Düse (6) das Bild (5) eines geeigneten Hintergrundes (2), welches von einer Linse (4) erzeugt wird, stört. Zur Auswertung und Bestimmung der Dichtegradienten im Düsenstrahl wird ein weiteres Bild herangezogen, bei dem der Düsenstrahl an einer anderen Stelle des Bildfeldes stört oder gar nicht mehr vorhanden ist. Die Verschiebung der Bildelemente im zweiten Bild ergibt das wegintegrale Gradientenfeld, sofern die Verschiebungen für eine ausreichende Zahl von Bildelementen bestimmt worden sind.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung (1) zur Messung von Wirbeln (3) mit mehreren optischen oder auch phasenempfindlichen Kameras, die eine räumliche oder auch tomographische Ausmessung einer Wirbelstruktur ermöglichen.

Fig. 5 zeigt ein typisches Punktmuster von Gegenstandspunkten, wie es als Hintergrund verwendet werden kann.

Fig. 6 zeigt das Gradientenfeld eines Überschallstrahls mit vielen Verschiebungsvektoren (7), welche mit einem Punktmuster nach Fig. 4 gemessen wurden.

Fig. 7 zeigt das durch Integration erzeugte Dichtefeld eines Überschallstrahls mit Linien konstanter Dichte und mit vielen Verschiebungsvektoren (7), welche als Basis benutzt wurden.

Fig. 8 zeigt das Gradientenfeld eines Heißluftstrahles mit vielen Linien konstanten Dichtegradientens, welche aus den Beträgen der Gradienten konstruiert wurden.

Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, wie es die Fig. 1 im Schnitt zeigt, erlaubt eine exakte Berechnung der wegintegralen Gradienten der Dichte. Das nachfolgend beschriebene - hier vereinfachte Schema - liegt dieser Berechnung zugrunde:



Für kleine Ablenkungswinkel (15) ist β = d'/a

Aus der Geometrie der Anordnung ergibt sich d'/g = d/b

Daraus folgt β = dg/ab oder mit β ~ grad n ~ grad ρ ~ dg/ab

Das bedeutet, daß der Gradient der Dichte p wegen der Proportionalität zum Gradienten des Brechungsindex n durch den obigen Ausdruck aus Punktverschiebung (7) d, Abstand g des Hintergrundes (2) vom Abbildungssystem (4), Abstand a des Phasenobjektes (3) vom Hintergrund (2) und Bildweite b (13) berechenbar ist. Bei großem Abstand g des Hintergrundes und optischer Abbildung läßt sich der Bildabstand b (13) auch durch die Brennweite f des Abbildungssystems ersetzen.

Besondere Anwendungen des Hintergrund-Schlierenmeßverfahrens
  • A) Eine besondere Anwendung des Verfahrens als Wirbel- und Turbulenz-Meß- und Wämgerät soll nachfolgend eingehend beschrieben werden:
    • 1. Aufgabe, Zweck eines Wirbel- und Turbulenz-Meß- und Wamgerätes

      Für viele strömungstechnischen Probleme ist das Erkennen oder das Messen des Turbulenzgrades der Strömung von Interesse. Der Zweck der Erfindung besteht darin, den Turbulenzgrad der Strömung auf einfache Weise ohne einen der üblichen Meßfühler festzustellen oder zu messen. Dieser Erfassungsvorgang soll möglichst auch räumliche Verteilungen von Turbulenz in Strömungsfeldern erkennen lassen und damit eventuell die Quelle der Turbulenz oder auch ein Gebiet besonders hoher oder gegebenenfalls auch kleiner Turbulenz in Strömungsfeldern zu finden gestatten.

      Anwendungen der Gerätes bestehen darin, diese turbulenzarmen Gebiete zum störungsfreien Flug eines Flugzeuges zu benutzen, oder auch besonders turbulenzreiche Strömungsgebiete zum Zweck der Vermischung oder zur Förderung von Verbrennungsvorgängen zu erkennen.
    • 2. Darstellung des Stands der Technik.

      Der Stand der Technik besteht im Bezug auf die Erkennung und Messung von Turbulenz und Wirbeln darin, daß mit Hilfe von mechanischen, elektrischen oder auch optischen Sonden lokal gemessen wird, in dem die Schwankungsgeschwindigkeiten oder die durch die Turbulenz oder Wirbel erzeugten Druckschwankungen registriert werden.
    • 3. Nachteile des Stands der Technik

      Üblicherweise werden also Sonden, die in das Strömungsfeld eingebracht werden oder aber von außen her in das Strömungsfeld hineinmessen zu einer örtlichen Bestimmung der Schwankungsgrößen benutzt. Dieses Verfahren liefert nur Informationen über lokale Zustände, stört die Strömung und ist unter Umständen bei großen Entfernungen, wie sie z. B. in der Luftfahrt vorkommen, nicht gut anwendbar.
    • 4. Die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens

      Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mit geeigneten Empfangsvorrichtungen, die sich in der Regel außerhalb des zu untersuchenden Strömungsfeldes befinden, eine Strahlung erfaßt wird, welche durch das Strömungsfeld gestört ist, so daß durch die Erfassung dieser Störungen der Grad der Turbulenz erkennbar wird. Das Verfahren basiert also darauf, daß verschiedene Arten von Hintergrund-Strahlung wie z. B. elektromagnetische Wellen von Sendern, insbesondere auch Licht, aber auch Schall, ja selbst statische, elektrische oder magnetische Felder durch die Wirbel oder Turbulenz gestört oder beeinflußt werden. Durch geeignete Meßvorrichtungen lassen sich diese Störungen registrieren und damit die Stärke im Medium feststellen.

      Dieses Verfahren hat gegenüber den bekannten Methoden den Vorzug, daß es im allgemeinen mit einer natürlichen Hintergrundstrahlung, wie z. B. dem Tageslicht gestreut durch vorhandene Objekte wie Gebäude, Wolken etc., oder auch mit der Strahlung von selbstleuchtenden Objekten, z. B. Sternen, Lichtquellen von irdischem Ursprung, natürlichen Schallquellen oder auch Feldern, wie z. B. dem erdmagnetischen Feld oder elektromagnetischen Feldern von Kommunikationseinrichtungen arbeiten kann. Durch die Verwendung geeigneter Empfangsvorrichtungen, die eine flächige oder räumliche Darstellung des Empfangsfeldes gestatten, wie z. B. Kameras, Mikrofonarrays und ähnlichem kann die Störung aufgezeichnet und danach durch vergleichende Auswertung ermittelt werden.

      Durch diese Verfahrensweise ist eine räumliche Auflösung der Felder möglich, die sich sowohl in lateraler als auch in axialer Sicht nutzen läßt insbesondere werden keine zusätzlichen Strahlungsquellen nötig, weil im allgemeinen stets irgendeine der genannten Strahlungsquellen vorhanden ist und für die Meßzwecke eingesetzt werden kann. In Sonderfällen lassen sich auch zusätzliche Strahlungsquellen, wie z. B. Lichtquellen, projezierte Gitter (Muster) oder auch Texturen von Hintergründen zusätzlich anbringen, um die Auswertung der von den Empfangsgeräten gelieferten Informationen zu erleichtern.
    • 5. Beschreibung von Anwendungen

      Ein wichtiges Anwendungsbeispiel besteht in der Erkennungs- und Messungsmöglichkeit für Luftturbulenzen im Bereich des Flugverkehrs. Mit Hilfe einer Kamera lassen sich atmosphärische "Luftschlieren" genauso erkennen, wie sie oft mit bloßem Auge erkennbar sind. Diese Luftschlieren, die wohl am deutlichsten bei, dem Phänomen der Fata Morgana mit bloßem Auge beobachtet werden können, sind ein Zeichen für die Lichtablenkung von Hintergrundstrahlung durch Turbulenz oder auch durch Luftschichtungen. Diese Ablenkung der Strahlung kann erkannt und zur Registrierung oder Messung von Turbulenz benutzt werden, weil die zeitliche Ablenkungen der Strahlung die charakteristischen Schwankungen des gestörten Strömungsfeldes wiedergeben. Aber auch die von Luftfahrzeugen ausgehenden Wirbel, die oft durch eingelagerte heiße Abgase besonders gut identifizierbare Phasenobjekte sind, können mit dem Hintergrund-Schlierenverfahren auf einfache Weise gemessen werden. Dazu sind lediglich passende Hintergründe auszuwählen, deren Verzeichnung im Bild einer Kamera ausgewertet werden kann.

      Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß mit Hilfe einer Videokamera das zu untersuchende Gesichtsfeld registriert und in digitaler Form zur Auswertung in einen Rechner eingespeist wird. Der Rechner kann nun durch Methoden der Bildanalyse feststellen, in welchen Bereichen des Bildes sich charakteristische Schwankungen des Bildinhaltes zeigen. Diese können analysiert werden, und zur Registrierung oder Messung des Turbulenzgrades benutzt werden.

      Bei Nutzung des Verfahrens in bewegten Fahrzeugen, wie z. B. einem Flugzeug können die Eigenbewegungen und Schwingungen des Fahrzeuges die Messung stören. Hier kann Abhilfe dadurch geschaffen werden, daß Kameras mit automatischer Bildnachführung verwendet werden, die Globalschwankungen des Bildes, die durch Eigenbewegung des Fahrzeuges entstehen, ausgleichen. Diese "Bildstabilisierung" kann aber nicht die lokalen turbulenten Schwankungen des Bildinhaltes ausgleichen, so daß nach wie vor eine Auswertung bezüglich der atmosphärischen Turbulenz möglich ist. - Auf diese Weise können atmosphärische Turbulenzen durch die Hintergrundstrahlung von Wolken oder Sternen oder auch bei Dunkelheit durch irdische Lichtquellen sichtbar gemacht werden. Aber auch die Wirbelverteilungen an Flugplätzen, wie sie durch ankommende und startende Flugzeuge erzeugt werden, lassen sich auf diese Weise sichtbar machen und für sicherheitsrelevante Vorkehrungen nutzen.
  • B) Nutzung des Hintergrund-Schlierenmeßverfahrens für Schichtdickenmessung und für Materialuntersuchungen
    • 1. Anwendungsbereiche, Aufgabe, Zweck eines Materialschlieren-Meßverfahrens

      Der Einsatz des Hintergrund-Schlierenverfahrens erscheint besonders zweckmäßig zur Routineprüfung von optischen Gläsern wie Fensterscheiben oder Brillengläsern, von transparenten Folien und Kunststoffteilen von Flüssigkeitsfilmen und von anderen Beschichtungen, um Abweichungen in der Materialstärke oder Störungen einer angestrebten Formgebung zu ermitteln.
    • 2. Übliche Verfahrensweise zur Schichtdickenmessung

      Zur Schichtdickenmessung von transparenten Schichten werden zumeist optische Verfahren wie Interferometer, Fokalmeßgeräte oder Schlierenverfahren klassischer Art eingesetzt. Dabei sind aufwendige Aufbauten und Hilfsmittel bei der Auswertung für räumliche Objekte erforderlich.
    • 3. Vorteile des Hintergrund-Schlierenmeßverfahrens für Schichtdickenmessung

      Bei den genannten Anwendungen erweist sich als besonders vorteilhaft, daß durch die variable Einstellung der Empfindlichkeit sehr unterschiedlich gestörte Objekte mit der gleichen Apparatur gemessen werden können indem der strukturierte Hintergrund in einer angemessenen Entfernung angeordnet wird. Außerdem kann man im allgemeinen sofort ein exaktes Ergebnis für ein großes Objektfeld erhalten.
    • 4. Auswertung der Schichtmessungen

      Aus dem Gradientenbild, welches sofort die Störungen der Schicht nach Größe und Richtung anzeigt, kann durch Integration des Gradientenfeldes leicht die absolute Größe der Abweichungen ermittelt werden.
  • C) Anwendung in der Aerodynamik

    In der Aerodynamik sind gegenwärtig vielfach Hochgeschwindigkeitsströmungen von kompressiblen Gasen von Interesse. Eine Methode, die die Dichtegradienten in solchen Strömungen mit einem einfachen experimentellen Aufbau sichtbar und meßbar macht, ist daher von hohem Interesse. Nachfolgend einige Beispiele:
    • 1. Überschall- und Heißgasstrahlen

      Alle Strahlen von Überschalldüsen oder von laufenden Triebwerken erzeugen stärke Dichtegradienten und mithin auch Lichtablenkung mit der ihre innere Struktur bestimmt werden kann. Mit dem Hintergrund Schlierenverfahren können sie gemessen werden. Eine besondere Anwendung ist die Messung von Flugzeugnachläufen und Wirbeln auf Flughäfen und die Messung von Rotorwirbeln von fliegenden Hubschraubern.
    • 2. Windkanalanwendung

      In Windkanälen von, großen Abmessungen besteht bei den üblichen optischen Techniken oft das Problem der Begrenzung des Bildfeldes. Weil das Hintergrund- Schlierenverfahren mit seinem meist divergenten Strahlengang keine Feldbgrenzung hat und auch in schlecht zugänglichen Kanälen mit kleinen Fenstern angewendet werden kann, hat es hier erhebliche zusätzliche Vorteile.
    • 3. Fahrzeuginstrumentierung

      Eine besonders interessante Anwendung ist die Instrumentierung von Fahrzeugen zur Messung von Turbulenzen und anderen atmosphärischen Störungen. Weil bei dem Verfahren stets der jeweils verfügbare Hintergrund als Referenz benutzt wird, entdeckt das Hintergrund-Schlierenverfahren zugleich auch alle Veränderungen im Hintergrundbild und kann diese nach Größe und Richtung anzeigen.
  • D) Andere Anwendungen

    Eine andere Anwendung des Verfahrens besteht in der Überwachung von Feuerungsanlagen. Hier ist es oft interessant, den Vorgang der Verbrennung in den unterschiedlichen Bereichen einer Feuerungsanlage zu kontrollieren und zu steuern. Die turbulenten Schwankungen der heißen Verbrennungsgase geben darauf charakteristische Hinweise, die Ablenkung von Umgebungslicht durch eine Flamme oder Feuerung ist jedermann geläufig. Hier kann wiederum mit Hilfe von elektronischen Kameras und Verfahren der Bildanalyse eine präzise quantitative Auskunft über die Lage und Entstehung der lichtablenkenden Strukturen getroffen werden. Durch die Verwendung von Filtern, inklusive solchen für Polarisationseffekte lassen sich unter Umständen die Informationen noch präzisieren.

Bei Heizkörpern, Öfen und anderen Heißluftquellen kann mit dem Hintergrund- Schlierenmessgerät auf einfache Weise die Verteilung der erwärmten Luft gemessen werden.

Auch bei verfahrenstechnischen Prozessen, wie etwa der Mischung von Flüssigkeiten, oder bei chemischen Reaktionen kann man mit dem Hintergrund- Schlierenmessgerät den Fortschritt des Prozesses beurteilen und steuern.

Bei Verkehrsanlagen, wie Straßen, Tunneln und Schiffahrtswegen, aber auch auf Flugplätzen und an Tankstellen kann mit einer Hintergrund-Schlierenmessung der Grad der Luftverunreinigung durch Fremdgase gemessen und zu Kontroll- und Steuerungszwecken verwendet werden.

Auch zur Überwachung von feuergefährdeten Bereichen oder Gasanlagen kann das Hintergrund-Schlierenmessgerät eingesetzt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Schlierenmeßverfahren für dreidimensionale, strahlungsbrechende Dichte- oder Materieverteilungen von Phasenobjekten zur Verwendung in der Visualisierungs-, Regel-, Prozeß-, Überwachungs-, Meß- und Prüftechnik dadurch gekennzeichnet, daß die relative Ablenkung der Strahlung eines beliebig strukturierten, selbstleuchtenden oder streuenden Hintergrundes in zwei Richtungen quer zur Achse eines Abbildungsstrahlenganges durch das Phasenobjekt hindurch mittels eines Strukturvergleiches zwischen unterschiedlichen Abbildungen des strukturierten Hintergrundes durch Verschiebungsermittlung von Bildelementen bestimmt wird.
  2. 2. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet; daß die Abbildungen durch das Objekt zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommen werden, womit die zeitliche Entwicklung der Strahlungsablenkung im Phasenobjekt erfaßt wird.
  3. 3. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungen von strukturierten Hintergründen mittels fotografischer oder elektronischer Kameras durch das Phasenobjekt aufgenommen werden.
  4. 4. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungen des strahlenden, strukturierten Hintergrundes durch eine Anordnung von phasenempfindlichen Strahlungsempfängem erfolgen, aus deren Signalen mittels geeigneter Transformationen sowohl die Bilder des Hintergrundes als auch des davor liegenden Phasenobjektes rekonstruiert werden.
  5. 5. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß stereoskopische Anordnung von mehreren Kameras eine räumliche Rekonstruktion von identifizierbaren Schlierenstrukturen im Phasenobjekt liefert.
  6. 6. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung von mehreren Kameras unter verschiedenen Aufnahmewinkeln mittels einer geeigneten mathematischen Transformation der Abbildungen eine räumliche Rekonstruktion von unbekannten Schlierenverteilungen im Phasenobjekt erlaubt.
  7. 7. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß als Phasenobjekt räumlich verformte Grenzflächen vermessen werden.
  8. 8. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß als Hintergrund Punktmuster verwendet werden, wobei die laterale Verschiebung der Einzelpunkte im Mustervergleich die Strahlungsablenkung kennzeichnet und die Punktdichte die Objektauflösung bestimmt.
  9. 9. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß natürliche Hintergründe verwendet werden, die es ermöglichen Störungen in der zwischenliegenden Atmosphäre oder einem Medium zu messen.
  10. 10. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Hintergrund-Schlierenmeßverfahren zur Messung von Schlieren in Gläsern und Flüssigkeiten verwendet wird.
  11. 11. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Verfahren Schichtdickenänderungen von transparenten Objekten gemessen werden.
  12. 12. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Verfahren die Steuerung von Überwachungs-, Lagerhaltungs-, Produktions- und Verbrennungsprozessen erfolgt.
  13. 13. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung von Filtern unterschiedliche Anteile der Hintergrundstrahlung für das Verfahren genutzt werden. Die Änderung der Empfindlichkeit wird für selektive Messungen am Phasenobjekt genutzt, um so verschiedene Substanzen unterscheiden zu können.
  14. 14. Schlierenmeßverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß falls bei dem Hintergrund-Schlierenverfahren das Hintergrundobjekt nicht stationär vorhanden ist, aus den gestörten Bildern durch Mittelung über eine größere Zahl von Aufnahmen ein gemitteltes Hintergrundbild erzeugt wird, mit dem dann die Einzelbilder zur Messung von Abweichungen verglichen werden.






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