DE4200309A1 - Vorrichtung und verfahren zur ermittlung der stroemung eines stroemungsmediums - Google Patents
Vorrichtung und verfahren zur ermittlung der stroemung eines stroemungsmediumsInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermitt
lung der Strömung eines Strömungsmediums innerhalb eines vor
gebbaren Meßraumes. Des weiteren betrifft die vorliegende Er
findung ein Verfahren zur Ermittlung der Strömung eines Strö
mungsmediums innerhalb eines vorgebbaren Meßraumes, insbeson
dere zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Strömungsmeßvorrichtungen sind unter Ausnutzung entsprechender
Verfahren in den unterschiedlichsten Ausgestaltungen aus der
Praxis bekannt. So läßt sich die Strömung eines Strömungsmedi
ums beispielsweise über die zwischen durchströmten Leitern auf
tretende Corioliskraft ermitteln. Ebenso sind rein mechanische
Vorrichtungen zur Ermittlung der Strömung eines Strömungsmedi
ums bekannt, wonach durch das Strömungsmedium ein im Strömungs
pfad angeordnetes Laufrad oder dergleichen angetrieben wird.
Strömungsmeßvorrichtungen der zuvor beschriebenen Art sind je
doch in der Praxis äußerst problematisch, da sie einen erhebli
chen apparativen Aufwand zum Leiten des Strömungsmediums erfor
dern. Vor allem aber steht die Vorrichtung in direktem Kontakt
mit dem Strömungsmedium, so daß die Handhabung beispielsweise
radioaktiver Strömungsmedien oder mit sonstigen Schadstoffen
kontaminierter Strömungsmedien äußerst problematisch ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung zur Ermittlung der Strömung eines Strömungsme
diums sowie ein entsprechendes Verfahren anzugeben, bei der
bzw. bei dem die Strömung quasi kontaktlos ohne zusätzliche
Leitungssysteme innerhalb eines frei definierbaren Meßraumes
mit einfachen technischen Mitteln ermittelbar ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung der Strömung
eines Strömungsmediums, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe
gelöst ist, ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 be
schrieben. Danach sind zwei lichtoptisch arbeitende Detektoren
und mindestens ein über eine Schnittstelle mit den Detektoren
verbundener Prozessor vorgesehen. Der Prozessor dient zur Auf
nahme bzw. Verarbeitung elektrischer Bildsignale der Detekto
ren. Die Detektoren sind dabei derart angeordnet, daß deren
Meßraum, d. h. Meßkegel, Meßpyramide, Meßtetraeder oder derglei
chen, durch gegenseitiges Überschneiden einen gemeinsamen Meß
raum aufspannen, in dem sie im Strömungsmedium mitbewegte Ob
jekte im Zeitverlauf unabhängig voneinander detektieren. Der
Prozessor ermittelt dann - über einen entsprechenden Algorith
mus - aus den Bildsignalen beider Detektoren die Lage der ein
zelnen Objekte innerhalb des Meßraumes. Im Zeitverlauf werden
entsprechend die Lageänderungen der Objekte und somit die Strö
mungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums ermittelt.
Hinsichtlich einer eindeutigen Erfassung der jeweiligen Lage
der im Strömungsmedium befindlichen Objekte ist es von beson
derem Vorteil, wenn die Detektoren identischen Abstand zum
Schnittpunkt der Mittellinien ihrer Meßkegel, Meßpyramiden,
Meßtetraeder oder dergleichen, d. h. zum Zentrum, aufweisen. Ein
Einjustieren der Vorrichtung ist dadurch im übrigen wesentlich
vereinfacht.
In weiter vorteilhafter Weise bilden die Detektoren mit den
Mittellinien ihrer Meßkegel, Meßpyramiden, Meßtetraeder oder
dergleichen einen bestimmten Winkel zueinander, der größer als
0° und kleiner als 180° zuzüglich bzw. abzüglich der Summe der
halben horizontalen Öffnungswinkel der Meßkegel oder dgl. der
beiden Detektoren ist. Ungeachtet dieses grundsätzlich mögli
chen Bereichs einer winkelmäßigen Anordnung der Detektoren zu
einander ist es von ganz besonderem Vorteil, wenn die Detekto
ren mit den Mittellinien ihrer Meßkegel zwei der drei Achsen
eines kartesischen Koordinatensystems bilden. Eine solche Aus
gestaltung erleichtert die numerische Auswertung der Objektko
ordinaten insoweit, als durch die Detektoren selbst ein karte
sisches Koordinatensystem zumindest im Rahmen zweier Achsen
aufgespannt ist.
Als lichtoptische Detektoren lassen sich in vorteilhafter Weise
Fotoaufnehmer oder Videokameras verwenden. Aufgrund der Notwen
digkeit zweier solcher Videokameras ist es von weiterem Vor
teil, wenn diese identische Objektive bei beliebigen Brennwei
ten und Blickwinkeln aufweisen. Insbesondere beim Einsatz der
Videokamera direkt im Strömungsmedium könnte diese in einem ab
geschirmten oder wasserdichten Gehäuse angeordnet sein, so daß
diese dem Strömungsmedium gegenüber geschützt ist.
Die Videokamera könnte sowohl als Analogkamera als auch als Di
gitalkamera ausgeführt sein. Bei Verwendung einer Analogkamera
müßte dieser Videokamera ein Analog-Digital-Wandler nachge
schaltet sein, damit die Bildsignale bzw. Bildinformationen zur
Ablage in einem binären Bildspeicher digitalisiert werden.
Im Hinblick auf die eindeutige Definition des Meßraumes und im
Hinblick auf eine eindeutige Detektion der im Strömungsmedium
befindlichen Objekte ist es von ganz besonderem Vorteil, wenn
eine besondere Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten des Meß
raumes vorgesehen ist. Diese Beleuchtungseinrichtung könnte als
Lampe bzw. als Leuchte ausgeführt sein. Diese Leuchte wäre dann
bevorzugt in Richtung der dritten Achse des durch die beiden
Videokameras bereits im Rahmen zweier Achsen vorgegebenen kar
tesischen Koordinatensystems gerichtet, so daß die Blickfelder
der beiden Videokameras und der Lichtkegel der Beleuchtungsein
richtung durch gegenseitige Überlagerung den Meßraum insgesamt
vorgeben bzw. definieren.
Hinsichtlich einer einwandfreien Datenübertragung zwischen den
Detektoren bzw. Videokameras und dem bereits zuvor angespro
chenen Prozessor zur Verarbeitung der Bildinformationen sind
zwischen den Sensoren bzw. Videokameras und dem Prozessor ana
loge und/oder digitale Datenübertragungsleitungen vorgesehen.
So könnte im Falle der Verwendung einer Analogkamera zwischen
der Videokamera und einem Analog-/Digitalwandler eine analoge
Datenübertragungsleitung und zwischen dem Analog-/Di
gitalwandler und dem Prozessor eine digitale Datenübertra
gungsleitung vorgesehen sein.
Insbesondere dann, wenn die Strömungsbedingungen in dem zu un
tersuchenden Strömungsmedium eine Echtzeit-Verarbeitung der
Bilddaten nicht zulassen, könnte in besonders vorteilhafter
Weise zwischen den Detektoren bzw. Videokameras und dem bild
verarbeitenden Prozessor ein besonderes Speichermedium zur Zwi
schenspeicherung der Bildsignale vorgesehen sein. Bei diesem
Speichermedium kann es sich in besonders einfacher Weise um
einen Videorecorder zur Aufnahme der von den Videokameras er
zeugten Einzelbilder handeln. Auch wäre der Einsatz eines opti
schen, elektronischen oder magnetischen Binär-Datenspeichers
möglich, wobei hier vorzugsweise digitalisierte Bilddaten abge
speichert würden.
Die eingangs erwähnte Schnittstelle zur Übertragung der elek
tronischen Bildsignale der Detektoren auf den Prozessor könnte
im Sinne einer Bildverarbeitungskarte ausgebildet sein. Die
durch das Speichermedium gespeicherten und ggf. durch den Pro
zessor verarbeiteten bzw. aufbereiteten digitalen Bildinforma
tionen könnten über eine weitere oder über die gleiche Bildver
arbeitungskarte in analoge Bildinformationen rückgewandelt und
zur Echtzeit-Darstellung sowie zur Kontrolle der Bildverarbei
tungsprozesse auf einem Monitor dargestellt werden. Somit hätte
man eine wirkungsvolle Überwachungsmöglichkeit der einzelnen
Bildverarbeitungsschritte zur Ermittlung der Strömungsgeschwin
digkeit.
Zur Beschleunigung der Bildverarbeitungsprozesse könnte in wei
ter vorteilhafter Weise im Signalpfad direkt vor und/oder di
rekt nach dem Binär-Datenspeicher ein Echtzeit-Binärdaten-Kon
verter (Input- und Output-Look-Up-Table) vorgesehen sein. Auch
diese Elemente könnten integrale Bestandteile der Bildverarbei
tungskarte sein.
Die zur Visualisierung der Strömung dienenden Objekte sind in
besonders vorteilhafter Weise der Dichte des Strömungsmediums
zumindest weitgehend angepaßt. Dadurch ist gewährleistet, daß
diese Objekte in der Strömung quasi schweben und sich nicht ab
setzen oder an die Oberfläche der Strömung bewegen. Im Falle
von gasförmigen Strömungsmedien eignen sich besonders Kugeln
aus Styropor, die von einer gasförmigen Strömung stets mitge
rissen werden. Bei flüssigem Strömungsmedium lassen sich beson
ders gut Polyethylen-Objekte verwenden, die entsprechend der
Dichte des Strömungsmediums mehr oder weniger mit Flußspat oder
dgl. gemischt werden können.
Die Objekte sind in weiter vorteilhafter Weise an ihrer Ober
fläche derart beschaffen, daß die an ihnen auftretenden Rei
bungskräfte bei einer im Verhältnis zu den zu untersuchenden
Strömungsgeschwindigkeiten geringen Relativgeschwindigkeit die
in der Strömung an ihnen auftretenden Trägheitskräfte überwie
gen. Feldkräfte im Meßraum, beispielsweise die Schwerkraft,
werden durch entsprechende Korrekturrechnung im Prozessor weit
gehend eliminiert.
Der ein Verfahren betreffende Teil der der erfindungsgemäßen
Lehre zugrundeliegenden Aufgabe wird durch die Merkmale des Pa
tentanspruches 23 gelöst. Danach sind zur Ermittlung der Strö
mung eines Strömungsmediums innerhalb eines vorgebbaren Meßrau
mes folgende Vefahrensschritte vorgesehen:
Zunächst einmal werden sich mitbewegende Objekte in das Strö
mungsmedium gegeben, die zur Visualisierung der Strömung die
nen. Zur eigentlichen Messung werden zwei vorzugsweise als Ka
meras ausgeführte Detektoren und ggf. eine Leuchte derart an
geordnet, daß sich deren Meßkegel, Blickfelder oder dgl. und
ggf. der Lichtkegel der Leuchte überschneiden und dabei einen
gemeinsamen Meßraum im Bereich des Strömungsmediums bilden. Die
Detektoren bzw. Kameras werden mittels eines in den Meßraum
einzubringenden Kalibrierkörpers justiert. Dann erfolgt die
Aufnahme von Meßsignalen bzw. Bildern durch die Detektoren bzw.
Kameras in zeitlichen Abständen. Die Meß- bzw. Bildsignale wer
den in digitale Form gewandelt und einem Prozessor zugeleitet.
Dort erfolgt eine Verarbeitung der Meß- bzw. Bilddaten im Sinne
einer Mustererkennung zur Ermittlung der räumlichen Lageände
rung der Objekte im Zeitverlauf und somit zur Ermittlung der
Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums.
Vor der Übertragung in den Prozessor können die Meß- bzw. Bild
signale je Detektor bzw. Kamera in einen vorzugsweise digitalen
Datenspeicher übertragen werden. Dies ist insbesondere dann von
Vorteil, wenn eine Echtzeitverarbeitung der Daten aufgrund ei
ner sehr schnellen Bildfolge bei entsprechender Strömungsge
schwindigkeit nicht möglich ist.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, den Gegenstand der vor
liegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und
weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Pa
tentansprüche 2 bis 23 sowie 25, andererseits auf die Erläute
rung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeich
nung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevor
zugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung
werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen der Lehre
erläutert.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung die Anordnung von
Detektoren und Beleuchtung im Raum bei einem Ausfüh
rungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 in einer schematischen Darstellung im Sinne eines
Blockschaltbildes die Verarbeitung eines Video-Si
gnals bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 3 in einer schematischen Darstellung im Sinne eines
Blockschaltbildes die im Rahmen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung verwendete Bildverarbeitungskarte,
Fig. 4 in einer schematischen Darstellung die Blickkegel der
Kameras und Detektion von Objekten im Strömungsme
dium,
Fig. 5 in einer schematischen Darstellung das
Detektionsprinzip zur Ermittlung der Strömungsge
schwindigkeit und
Fig. 6 eine Referenzmatrix gemäß Einzel-Referenz-Verfahren
als Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung - teilweise - ein
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Er
mittlung der Strömung eines Strömungsmediums innerhalb eines
vorgebbaren Meßraumes 1. In erfindungsgemäßer Weise sind zwei
lichtoptisch arbeitende Detektoren vorgesehen, wobei es sich
hier um zwei Kameras 2 handelt.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen gemeinsam, daß die Kameras 2 über eine
Schnittstelle 3 mit einem Prozessor 4 zur Aufnahme bzw. Verar
beitung elektronischer Bildsignale der Kameras 2 verbunden
sind. Bei dem Prozessor handelt es hier um einen Personal Com
puter (PC).
Fig. 1 zeigt besonders deutlich, daß die Kameras 2 derart ange
ordnet sind, daß deren Meßkegel 5 bzw. Blickfeld durch gegen
seitiges Überschneiden einen gemeinsamen Meßraum 1 aufspannen,
in dem sie im Strömungsmedium mitbewegte Objekte 6 im Zeitver
lauf unabhängig voneinander detektieren. Der Prozessor 4 ermit
telt aus den Bildsignalen beider Kameras 2 die Lage bzw. im
Zeitverlauf die Lageänderung der Objekte 6 und somit die Strö
mungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums.
Bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel weisen die Kameras 2
identischen Abstand zum Schnittpunkt der Mittellinien 7 ihrer
Meßkegel, d. h. zum Zentrum, auf.
Die Kameras 2 sind gemäß der Darstellung in den Fig. 1 und 4 so
angeordnet, daß die Mittellinien 7 der Meßkegel 5 einen Winkel
von etwa 90° zueinander bilden. Genauer gesagt bilden die Kame
ras 2 mit den Mittellinien 7 ihrer Meßkegel 5 zwei der drei
Achsen eines kartesischen Koordinatensystems.
Gemäß der Darstellung in Fig. 3 handelt es sich bei den verwen
deten Kameras 2 um analog arbeitende Videokameras. Folglich
sind den Kameras 2 Analog-Digital-Wandler 8 nachgeschaltet, die
auf einer als Schnittstelle 3 dienenden, entsprechenden
Bildverarbeitungskarte 9 angeordnet bzw. dort integriert sein
können.
In Fig. 1 ist des weiteren angedeutet, daß zum Beleuchten des
Meßraumes 1 eine besondere Beleuchtungseinrichtung 10 bzw. eine
Lampe vorgesehen ist. Die Beleuchtungseinrichtung 10 ist in
Richtung der dritten Achse des kartesischen Koordinatensystems
zum Zentrum hin gerichtet. Folglich bilden die Blickfelder bzw.
Meßkegel 5 der beiden Kameras 2 und der Lichtraum, der Lichtke
gel oder dgl. der Beleuchtungseinrichtung 10 durch gegenseitige
Überlagerung den Meßraum 1. Die Beleuchtungseinrichtung 10 ist
vorzugsweise derart ausgeführt, daß sie paralleles Licht aus
sendet. Es kann sich dabei um eine Punktlichtquelle mit Para
bolspiegel und einer vorzugsweise quadratischen Blende handeln.
Zwischen den Kameras 2 und dem Prozessor 4 sind sowohl analoge
als auch digitale Datenübertragungsleitungen 11, 12 vorgesehen,
was insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht. Des weiteren ist zwi
schen den Kameras 2 und dem Prozessor 4 ein Speichermedium in
Form eines Binär-Datenspeichers 13 vorgesehen. Sowohl der Ana
log-Digital-Wandler 8 als auch der Binär-Datenspeicher 13 sind
auf der Bildverarbeitungskarte 9 angeordnet. Des weiteren ist
dort gemäß der Darstellung in Fig. 3 eine Anzeige-Logik 14 vor
gesehen, von welcher aus die Daten an einen Monitor 15 geleitet
werden. Mit anderen Worten werden die durch das Speichermedium
bzw. den Binär-Datenspeicher 13 gespeicherten und ggf. durch
den Prozessor 4 verarbeiteten bzw. aufbereiteten digitalen
Bildinformationen mittels der Bildverarbeitungskarte 9 in ana
loge Bildinformationen rückgewandelt und zur Echtzeit-Darstel
lung sowie zur Kontrolle der Bildverarbeitungsprozesse auf dem
Monitor 15 dargestellt.
Des weiteren ist in den Fig. 4 und 5 lediglich schematisch an
gedeutet, daß zur Visualisierung der Strömung besondere Objekte
6 vorgesehen sind. Diese Objekte 6 sind in etwa der Dichte des
Strömungsmediums angepaßt. Die Objekte 6 sind an ihrer Oberflä
che derart beschaffen, daß die an ihnen auftretenden Reibungs
kräfte bei einer im Verhältnis zu den zu untersuchenden Strö
mungsgeschwindigkeiten geringen Relativgeschwindigkeit die in
der Strömung an ihnen auftretenden Trägheitskräfte überwiegen.
Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist folgendes
auszuführen:
Die beiden Kameras 2 sind, wie bereits zuvor beschrieben, so
anzuordnen, daß sich deren Blickfelder bzw. Meßkegel 5 im zu
untersuchenden Raum überschneiden und so den Meßraum 1 bilden.
Die Lage der Brennpunkte der beiden Kameras 2, deren Blickrich
tung im Raum, die Brennweite der Objektive sowie ggf. deren Ab
bildungseigenschaften (Verzerrung, etc.) müssen im Rahmen der
gewünschten Meßgenauigkeit bzw. Auswertbarkeit entsprechend ex
akt bekannt sein bzw. vermessen oder einjustiert werden. Eine
Justierung der Vorrichtung erfolgt mit Hilfe eines in den Meß
raum 1 einzubringenden Kalibrierkörpers. Nähere Ausführungen
hierzu erübrigen sich unter Hinweis auf aus dem Stand der Tech
nik bekannten einschlägigen Kalibrierverfahren.
In bestimmten zeitlichen Abständen werden von beiden Kameras 2
in den jeweiligen digitalen Bildspeicher 13 je ein Bild übertra
gen, und darauf mit einem Mustererkennungsverfahren die Flä
chenschwerpunkte der auf dem Bild abgebildeten Objekte 6 bzw.
sog. Tracer-Teilchen bestimmt. Zusätzlich wird die Größe der
Fläche (Anzahl der Bildpunkte) ermittelt.
Für den Fall eines synchronen Bildeinzuges von jeder der beiden
Kameras 2 werden nun mit den vorher ermittelten Projektions-be
stimmenden Parametern für jede Koordinate (Flächen-Schwer
punkts-Koordinate - sollte möglichst aus Genauigkeitsgründen
ein Kreismittelpunkt bei Kugeln als Tracer-Teilchen sein) eines
Tracer-Teilchens bzw. Objektes 6 auf den beiden Bildern die
Gleichung des Projektionsstrahls vom Kamera-Brennpunkt in den
Raum berechnet (siehe Darstellung in Fig. 4). Für jeden dieser
Strahlen des einen Kamerabildes wird nun mit allen Strahlen des
anderen Kamerabildes der minimale Abstand der beiden Strahlen
im Raum berechnet, und mit einem Maximal-Abstandswert vergli
chen. Dieser wird aus
- a) der Größe der Tracer-Teilchen bzw. Objekte 6 und
- b) den Toleranzen für die gesamte Abbildungsgenauig keit der Kameras bestimmt.
Ist der minimale Abstand der Geraden kleiner als der Schwell
wert, so wird zunächst angenommen, daß sich zum Aufnahmezeit
punkt der beiden Bilder an der berechneten Stelle im Raum
(genau: die Mitte der Minimalen-Abstandslinie zwischen beiden
Strahlen) ein Teilchen befunden haben kann. Ist ein solcher
"Schnittpunkt" für die beiden beteiligten Projektionsstrahlen
der einzige (keiner der beiden Strahlen hat noch andere
Schnittpunkte mit einem oder mehreren anderen Strahlen der je
weiligen anderen Kamera 2), dann ist dieser Schnittpunkt eine
"eindeutige" Teilchenposition. Anderenfalls liegt lediglich
eine "mögliche" Teilchenposition vor.
Werden die Bilder der beiden Kameras 2 nicht zeitsynchron ein
gezogen, dann wird zum Schwellwert ein Abstand addiert, der
sich aus dem Produkt des zeitlichen Versatzes der beiden Bilder
mit der für die Auswertung vorzugebenden maximalen Strömungsge
schwindigkeit ergibt. Resultat der Auswertung eines Bildpaares
ist also eine bestimmte Anzahl von Teilchenkoordinaten, die den
Zusatz "eindeutige" oder "mögliche" Position tragen. Beide Ty
pen von Bilddaten gehen in die weitere Verarbeitung, d. h. in
die Verfolgung dieser Teilchen innerhalb des beobachteten Rau
mes bzw. Meßraumes 1, ein.
Grundvoraussetzung für die Verfolgungsauswertung, d. h. die Zu
ordnung von Positionen des einen Zeitpunktes zu denen eines
früheren oder späteren, ist, daß es für das zu untersuchende
Strömungsgeschehen möglich sein muß, eine in diesem Raum maxi
mal auftretende Geschwindigkeit anzugeben. In der Regel wird es
bei der Anwendung des Verfahrens so sein, daß diese Geschwin
digkeit je nach Abschätzbarkeit des Strömungsvorganges weit
über der tatsächlichen Strömungsgeschwindigkeit liegen wird.
Eine solche freie Wahl der maximalen Strömungsgeschwindigkeit
schränkt jedoch das Verfahren lediglich hinsichtlich der
"Ausbeute" ermittelter Strömungsvektoren ein. Da diese Auswer
tung nach der eigentlichen Messung durchgeführt werden kann (in
Echtzeit werden nur die Teilchenpositionen auf den Kamera
bildern bestimmt und gespeichert), kann sie ggf. mit einem bes
seren Vorgabewert wiederholt werden (bis das "nicht erklärbare"
Verschwinden eines Objekts 6 gemeldet wird). Die Auswertung
wird unmöglich, wenn die Länge, die sich aus der Differenzzeit
zwischen den beiden beteiligten Bildpaaren und der vorzugeben
den maximalen Strömungsgeschwindigkeit berechnet, größer wird
als die Hälfte der kleinsten Kantenlänge des Meßvolumens
(vorausgesetzt, die Strömungsrichtung ist nicht bekannt bzw.
nicht eindeutig ausgerichtet). Dann kann nämlich nicht mehr
mit Sicherheit gesagt werden, ob nicht die beteiligten Teilchen
aus dem seitlichen Rand eingedrungen sind, oder dorthin ver
schwunden sind (vgl. Fig. 5). Anders ausgedrückt ist der Rand
bereich eine Zone, in der Teilchenpositionen nur dann ausgewer
tet werden können, wenn mindestens die eine beteiligte Position
nicht in diesem Bereich, sondern in dem nicht mit dieser Unsi
cherheit behafteten zentralen Bereich des Meßraumes 1 liegt.
Der Randbereich erstreckt sich nun aber von jeder der Beran
dungsflächen des Meßraumes 1 zur Mitte hin (orthogonal auf
diese Fläche) mit exakt dieser kritischen Länge "maximale Ge
schwindigkeit mal Differenzzeit" und würde, falls diese Länge
die halbe Kantenlänge des Meßraumes 1 übersteigt, den gesamten
Meßraum 1 ausfüllen, und damit die Auswertung unmöglich machen.
Praktisch bedeutet dies die Notwendigkeit, von der vollautoma
tischen Echtzeit-Messung auf eine der beschriebenen Möglichkei
ten mit Zwischenaufzeichnung auszuweichen.
Das Verfahren selbst besteht nun gemäß der Darstellung in Fig.
5 darin, innerhalb einer um ein Objekt 6 herum gedachten Kugel
17 zur Zeit 1 mit einem Radius mit eben dieser beschriebenen
kritischen Länge eines oder mehrere Objekte 6 zur Zeit 2 zu
finden. Wird nur eines gefunden, und ist weder das zur Zeit 1
noch das zur Zeit 2 im kritischen Randbereich, ist die Zuord
nung durchführbar. War die vorgegebene Strömungsgeschwindigkeit
tatsächlich größer als die maximal vorkommende, kann sich das
Objekt 6 zur Zeit 1 nicht weiter als eben bis zum Rand dieser
Kugel bewegt haben, also gemäß Objekt zur Zeit 2.
Weitere Voraussetzung ist natürlich, daß das Objekt zur Zeit 1
und das Objekt zur Zeit 2 in ihrer Positionskennung die Bezeich
nung eindeutig tragen. Dieses ist die Basis des Verfahrens, und
gleichzeitig Garant für eine absolut sichere Zuordnung. Es ist
aber durchaus möglich, komplexere Zuordnungen in eindeutige Zu
ordnungen zu transformieren.
Dazu wird auf das "Einzel-Referenz-Verfahren" gemäß der Dar
stellung in Fig. 6 verwiesen, wonach mehrere mögliche Objekt-
Partner der Zeit 2 auf einen reduziert werden. Alle möglichen
Verfolgungen werden in einer zweidimensionalen Matrix, bei der
auf der einen Achse die Partner zur Zeit 1 und auf der anderen
Achse die Partner zur Zeit 2 aufgetragen werden, erfaßt.
Aus Gründen der besseren Verständlichkeit sei zunächst einmal
angenommen, es gäbe nur solche Positionen mit der Kennung
"eindeutig". Desweiteren sei angenommen, keine dieser Positio
nen liege im kritischen Randbereich. Gibt es nun in einer
Spalte oder in einer Zeile der Matrix gemäß Fig. 6 eine einzige
Zuordnung, hat also das entsprechende Objekt zum Zeitpunkt 1
nur einen einzigen anderen Partner zum Zeitpunkt 2, dann kann
der Partner nicht weiter Partner für Teilchen des ersten Zeit
punktes sein. Wenn also in einer Zeile nur eine Zuordnung exi
stiert, müssen alle weiteren Zuordnungen der betreffenden
Spalte gelöscht werden. Dadurch werden aber möglicherweise an
dere Zuordnungen eindeutig, d. h. der Suchalgorithmus wird so
lange wiederholt, bis keine weiteren Zuordnungen mehr gelöscht
werden können. Der unauflösbare Rest von Zuordnungen wird als
nicht verfolgbar eliminiert.
Das Verfahren wird nun aber noch wesentlich aufwendiger, da
sowohl die in der Positionsbestimmung gewonnene Bezeichnung
"mögliche Position" als auch die Lage einer Position im Randbe
reich berücksichtigt werden müssen. Die Vorgehensweise ist dann
wie folgt
Bei der Verfolgungsauswertung werden grundsätzlich alle Posi
tionen berücksichtigt. Nur diejenigen Positionen, die gleich
zeitig die Merkmale "eindeutig" und "nicht im Randbereich" er
füllen, sind aufgrund der Verfahrenslogik in der Lage, im Ein
zel-Referenz-Verfahren andere Zuordnungen zu löschen. Solche
Positionen sind quasi sicher und können nicht einfach elimi
niert werden. Tritt dagegen eine Kombination der Merkmale
"beide eindeutig", aber "eine davon im Randbereich" auf, so
kann nur derjenige Partner eine Löschung verursachen, der nicht
im Randbereich liegt bzw. lag. Folglich kann je nach Situation
entweder nur die Zeile oder nur die Spalte gelöscht werden, was
nichts anderes bedeutet, als daß der Partner im Randbereich nur
aus der Mitte stammen kann. Genau das gleiche Prinzip kann auf
eine Kombination der Merkmale "eindeutig" und "nicht eindeutig"
angewandt werden. Bleibt hier der sicheren Position nur noch
die mögliche Position als Partner (das ist ein verdecktes Ob
jekt), dann wird die mögliche Position als einzige Alternative
zur sicheren bzw. eindeutigen Position.
Allerdings existiert noch eine - wenn auch nur untergeordnete -
zusätzliche Erschwernis. Bei einer Begrenzung des Meßraumes
durch einen Lichtkegel bzw. vertikalen Lichtschacht gibt es im
oberen und im unteren Endbereich des Meßraumes 1 Ecken, die nur
die eine Kamera "sieht", die andere aber nicht. In der Projek
tion dieser Ecken auf das Kamerabild sind dies Sektoren, die
wie Dreiecke von oben und von unten ins Bild ragen. In diesen
Sektoren werden nun aber sowohl Objekte abgebildet, die nur
diese Kamera sieht, als auch solche Objekte, die auch die an
dere Kamera "sieht". Die entscheidende Rolle spielt hier die
Tiefe des Objekts im Meßraum. Diese Sektoren werden daher als
"possibly single referenced sectors" bezeichnet. Entsprechend
wird ein Objekt aus diesem Bereich ebenfalls mit diesem zusätz
lichen Titel versehen. Unter Zugrundelegung ähnlicher Kriterien
gemäß voranstehender Beschreibung wird das Objekt korrekt mit
in den Algorithmus aufgenommen. Bei fehlender Begrenzung des
Meßraumes durch vertikale Ausleuchtung treten solche Sektoren
dann zusätzlich auch an den seitlichen Bildrändern auf, wodurch
sich das Verfahren jedoch nicht grundliegend ändere.
Abschließend sei noch hervorgehoben, daß das voranstehend erör
terte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
des erfindungsgemäßen Verfahrens die beanspruchte Lehre nicht
einschränkt, diese vielmehr beispielhaft erörtert.
Claims (25)
1. Vorrichtung zur Ermittlung der Strömung eines Strömungsme
diums innerhalb eines vorgebbaren Meßraumes (1),
gekennzeichnet durch zwei lichtoptisch ar
beitende Detektoren (2) und einen über eine Schnittstelle (3)
mit den Detektoren (2) verbundenen Prozessor (4) zur Aufnahme
bzw. Verarbeitung elektronischer Bildsignale der Detektoren
(2), wobei die Detektoren (2) derart angeordnet sind, daß deren
Meßkegel (5) oder dgl. durch gegenseitiges Überschneiden einen
gemeinsamen Meßraum (1) aufspannen, in dem sie im Strömungsme
dium mitbewegte Objekte (6) im Zeitverlauf unabhängig voneinan
der detektieren und wobei der Prozessor (4) aus den Bildsigna
len beider Detektoren (2) die Lage bzw. im Zeitverlauf die La
geänderung der Objekte (6) und somit die Strömungsgeschwindig
keit des Strömungsmediums ermittelt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Detektoren (2) identischen Abstand zum Schnittpunkt der
Mittellinien (7) ihrer Meßkegel (5), Meßpyramiden oder dgl.,
d. h. zum Zentrum, aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Detektoren (2) mit den Mittellinien (7) ihrer Meß
kegel (5), Meßpyramiden oder dgl. einen Winkel zueinander bil
den, der größer als 0° und kleiner als 180° zuzüglich bzw. ab
züglich der Summe der halben horizontalen Öffnungswinkel der
Meßkegel (5) der beiden Detektoren (2) ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Detektoren (2) mit den Mittellinien (7) ihrer Meß
kegel (5), Meßpyramiden oder dgl. zwei der drei Achsen eines
kartesischen Koordinatensystems bilden.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die lichtoptischen Detektoren (2) als Video
kameras ausgeführt sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Videokameras (2) identische Objektive aufweisen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich
net, daß die Videokamera (2) in einem abgeschirmten oder
wasserdichten Gehäuse angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Videokamera (2) als Analogkamera ausge
führt ist und daß der Videokamera ein Analog-Digital-Wandler
(8) nachgeschaltet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Videokamera (2) als Digitalkamera ausge
führt ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine Beleuchtungseinrichtung (10) zum Be
leuchten des Meßraumes (1) vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Beleuchtungseinrichtung (1) als Lampe ausgeführt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lampe paralleles Licht aussendet und vorzugsweise als
Punktlichtquelle mit Parabolspiegel und quadratischer Blende
ausgeführt ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 10 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung
(10) in Richtung der dritten Achse des kartesischen Koor
dinatensystems zum Zentrum gerichtet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
die Blickfelder bzw. Meßkegel (5) der beiden Videokameras (2)
und der Lichtkegel der Beleuchtungseinrichtung (10) durch ge
genseitige Überlagerung den Meßraum (1) vorgeben.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß zwischen den Detektoren (2) bzw. Videokameras
und dem Prozessor (4) analoge und/oder digitale Datenübertra
gungsleitungen (11 und/oder 12) vorgesehen sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge
kennzeichnet, daß zwischen den Detektoren (2) bzw. Videokameras
und dem Prozessor (4) ein Speichermedium zur Zwischenspeiche
rung der Bildsignale vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
das Speichermedium als Videorekorder ausgeführt ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
das Speichermedium als optischer, elektrischer bzw. elektroni
scher oder magnetischer Binär-Datenspeicher (13) ausgeführt
ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch ge
kennzeichnet, daß es sich bei der Schnittstelle (3) um eine
Bildverarbeitungskarte (9) handelt.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß
die durch das Speichermedium gespeicherten und ggf. durch den
Prozessor (4) verarbeiteten bzw. aufbereiteten digitalen
Bildinformationen vorzugsweise mittels der Bildverarbeitungs
karte (9) in analoge Bildinformationen wandelbar und zur Echt
zeit-Darstellung sowie zur Kontrolle der Bildverarbeitungspro
zesse auf einem Monitor (15) darstellbar sind.
21. Vorrichtung nach Anspruch 18 und ggf. Anspruch 19 oder 20,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschleunigung der Bildverar
beitungsprozesse im Signalpfad direkt vor und/oder direkt nach
dem Binär-Datenspeicher (13) Echtzeit-Binärdaten-Konverter
(Input- und Output-Look-Up-Tables) vorgesehen sind.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch ge
kennzeichnet, daß die zur Visualisierung der Strömung dienenden
Objekte (6) in etwa der Dichte des Strömungsmediums angepaßt
sind.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß
die Objekte (6) an der Oberfläche derart beschaffen sind, daß
die an ihnen auftretenden Reibungskräfte bei einer im Verhält
nis zu den zu untersuchenden Strömungsgeschwindigkeiten gerin
gen Relativgeschwindigkeit die in der Strömung an ihnen auftre
tenden Trägheitskräfte überwiegen.
24. Verfahren zur Ermittlung der Strömung eines Strömungsmedi
ums innerhalb eines vorgebbaren Meßraumes, insbesondere zum Be
treiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrens
schritte:
Zugabe von sich mitbewegenden Objekten in das Strömungs medium;
Anordnung zweier vorzugsweise als Kameras ausgeführter Detektoren und ggf. einer Leuchte derart, daß sich deren Meßke gel, Blickfelder oder dgl. und ggf. der Lichtkegel der Leuchte überschneiden und dabei einen gemeinsamen Meßraum im Bereich des Strömungsmediums bilden;
ggf. Justieren der Detektoren bzw. Kameras mittels eines in den Meßraum einzubringenden Kalibrierkörpers;
Aufnahme von Messungen bzw. Bildern durch die Detektoren bzw. Kameras in zeitlichen Abständen;
Wandlung der Meß- bzw. Bildsignale in digitale Form;
Übertragung der Meß- bzw. Bildsignale in einen Prozessor;
Verarbeitung der Meß- bzw. Bilddaten im Sinne einer Mu stererkennung zur Ermittlung der Lageänderung der Objekte im Zeitverlauf und somit zur Ermittlung der Strömungsgeschwindig keit des Strömungsmediums.
Zugabe von sich mitbewegenden Objekten in das Strömungs medium;
Anordnung zweier vorzugsweise als Kameras ausgeführter Detektoren und ggf. einer Leuchte derart, daß sich deren Meßke gel, Blickfelder oder dgl. und ggf. der Lichtkegel der Leuchte überschneiden und dabei einen gemeinsamen Meßraum im Bereich des Strömungsmediums bilden;
ggf. Justieren der Detektoren bzw. Kameras mittels eines in den Meßraum einzubringenden Kalibrierkörpers;
Aufnahme von Messungen bzw. Bildern durch die Detektoren bzw. Kameras in zeitlichen Abständen;
Wandlung der Meß- bzw. Bildsignale in digitale Form;
Übertragung der Meß- bzw. Bildsignale in einen Prozessor;
Verarbeitung der Meß- bzw. Bilddaten im Sinne einer Mu stererkennung zur Ermittlung der Lageänderung der Objekte im Zeitverlauf und somit zur Ermittlung der Strömungsgeschwindig keit des Strömungsmediums.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß
die Meß- bzw. Bildsignale vor der Übertragung in den Prozessor
je Detektor bzw. Kamera in einen vorzugsweise digitalen Daten
speicher übertragen werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4200309A DE4200309A1 (de) | 1992-01-09 | 1992-01-09 | Vorrichtung und verfahren zur ermittlung der stroemung eines stroemungsmediums |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4200309A DE4200309A1 (de) | 1992-01-09 | 1992-01-09 | Vorrichtung und verfahren zur ermittlung der stroemung eines stroemungsmediums |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4200309A1 true DE4200309A1 (de) | 1993-07-15 |
Family
ID=6449229
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4200309A Ceased DE4200309A1 (de) | 1992-01-09 | 1992-01-09 | Vorrichtung und verfahren zur ermittlung der stroemung eines stroemungsmediums |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4200309A1 (de) |
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8131 | Rejection |