本发明专利技术涉及一种光学地测量在封闭截面中的流体(10)的体积流的流动测量方法以及用于此的流动测量装置(1)，其有至少一个光源(11)和至少一个传感器单元(12)，通过传感器单元在测量平面(14)之内检测在流体(10)中存在的颗粒(13)。通过光源(11)照亮至少一个测量平面和存在于其中的颗粒(13)，提供具有至少两个或多个单个探测器(12a、12b、12c、12b)的传感器单元(12)，通过传感器单元输出传感器信号(S)，其中，在传感器单元(12)之后连接计算单元(16)，在使用空间滤波技术的情况下，通过计算单元以对单个探测器(12a、12b、12c、12b)的单个信号积分和加权的方式，实时地处理所感器信号(S)，并作为输出信号(18)输出。
Flow measurement method and flow measurement device for optical flow measurement
【技术实现步骤摘要】
流动测量方法以及用于光学的流动测量的流动测量装置
本专利技术涉及一种光学地测量在封闭截面中的流体的体积流的流动测量方法，以及一种用于此的流动测量装置，流动测量装置具有至少一个光源和至少一个传感器单元，通过传感器单元在测量平面之内检测在流体中存在的颗粒。
技术介绍
很多流量测量方法是扩散性测量方法，这种方法影响流动并且进而例如引起可能的测量误差。此外，存在以不同的工作原理为基础的非扩散性方法。通过用于流动测量的非扩散性方法，不会像通过在流动中插入测量感应器进行测量那样干扰在管区段中的流体流动，从而在原理方面，非扩散性测量方法是优选的。因此，在用于测量流体的流动速度的非扩散性方法中，不必进行与流体的机械交互或耦合，然而与在借助于例如伸入流动的流体中的测量感应器的机械的相互作用的流动测量中相比，测量成本明显更高。这种类型的过程适宜地可应用的非扩散性流量和体积流测量方法基于不同的工作原理。可在不改动管的情况下使用声学的方法，然而声学的方法仅仅提供积分的值。科里奥利方法确定积分的质量流。磁性感应的方法以传导性液体为前提。用于确定流量或体积流的过程适宜的光学传感器原理目前尚未被实现并且也未在文献中已知。根据在管中的流动形态的流量和体积流测量需要连续地、时间上离散地且能实时地测量该流动形态。目前已知的用于确定体积流的光学流动技术不能实时地连续地时间上离散地以低的硬件成本确定在管区段中的流动形态。用于例如也在管区段之内的流动测量的光学方法基于，例如当流体流过管区段时，将电磁波、尤其是光射入流体中。基本上可分为，逐点的测量方法，积分的测量方法和空间离散的测量方法。用于逐点的测量方法的示例是激光多普勒技术。在此，始终仅仅能测量局部非常有限的区域，并且通过得到的小的测量区域，仅仅能不准确地说明流体的总体积流。尤其是，这涉及具有显著的或者甚至动态变化的流动形态的流动。典型地，对于静态的流动，通过扫描流形实现利用激光多普勒技术进行体积流测量。在专利文献DE102005042954A1中将激光多普勒技术扩展用于为空间离散地确定流动形态。然而，在此描述的流形传感器需要高的成本以用于实现、校正和耦合叠加的发散的干涉带结构。也必须光学地和/或机械地进行干涉结构与过程的匹配。此外，激光多普勒技术始终需要相干光以及进而激光辐射源。此外，传感器不能直接通过弯曲的表面测量，因为由此干扰了干涉模型。积分的方法是例如从专利文献CA2439242A1中已知的光学的行进时间或相关性流量测量仪。该方法将在整个流动形态上的信号积分。换算成体积流需要用于流动形态的复杂的假设模型。不利的是，与速度相关的或与安装相关的流动形态变化降低了测量精度和/或动态区域。已知的用于确定流体的空间离散的流动速度的光学测量方法是所谓的颗粒图像测速。颗粒图像测速确定在流动中存在且成像的颗粒的局部二维的偏移。该偏移估算或者以交叉相关(颗粒图像测速，简称PIV)为基础或者以图像特征追踪(颗粒追踪测速，简称PTV)为基础。由于为了评估图像数据和计算局部的速度矢量需要非常高的计算功率，不能毫无问题地实现流体的流动速度的连续的实时测量。为此所需的测量技术，尤其是为了提供高的计算功率所需的硬件，成本非常高。此外，颗粒图像测速需要成像的均匀聚焦。对于在例如圆形管中的体积流测量和/或对于倾斜的观察方向，不能给出充分的聚焦均匀性，并且成像质量局部变化。为了在倾斜的观察方向时均匀的成像质量，颗粒图像测速使用所谓的沙姆定律组件。在光机械方面，颗粒图像测速在结构中成本高，并且由于微透镜阵列不适合用于所有图像传感器。此外，颗粒图像测速需要图像标定。在学术文献中和商业范围中都未知借助于颗粒图像测速进行连续的时间离散的实时体积流测量。另一用于确定运动的光学方法是成像的空间滤波技术。典型地，空间滤波技术实现成用于表面的单分量的逐点的速度确定的逐点的技术。从非常多的单个控制信号的叠加中得到空间滤波信号。一些学术上的努力致力于将空间滤波技术用于确定空间离散的流动速度。例如，在SchaeperM,DamaschkeN,KühnV,S(2011)的“ParticleimagevelocimetrybyusingopticalspatialfilteringmethodPIV'11”中(第9届颗粒图像测速国际学术交流会，神户，日本)，将空间滤波技术用于空间离散地测量流动速度场。相对于颗粒图像测速，成像的空间滤波技术的优点是，显著降低了用于确定局部图像偏移的计算开销。在SteinmetzT,SchaeperM,KostbadeR,DamaschkeN,(2018)的“AccuracyofTime-ResolvedVelocityEstimationbyAdaptiveSpatialFilterVelocimetryinComparisontoP1VCrossCorrelation”中(第19届关于激光和成像技术在流体机械中的应用的国际学术交流会，里斯本，葡萄牙)，表明，利用空间滤波技术可实现与颗粒图像测速相似的精度。而在其它方面，得到与在颗粒图像测速中相同的缺点。空间滤波技术也用于在毛细管中的速度确定。在专利文献DE102010030835A1中，描述了用于确定沿着一维的路径，例如沿着毛细管的单分量速度的系统。在此涉及积分的方法，该方法确定该流动方向的速度信息。在BergelerS,KrambeerH(2004)的“Novelopticalspatialfilteringmethodsbasedontwo-dimensionalphotodetectorarrays”中(MeasSeiTechnol15:1309)以及在Menn(2010)的“OptischeMessungderFlieβgeschwindigkeitvonErythrozytenzurErfassungderMikrozirkulation”(机械学院，罗斯托克大学)中，也将空间滤波技术用于在玻璃毛细管中确定积分的单分量流动形态。由于在体积上的照明以及由此存在的在观察方向上的累积，不能确定纯粹的一维的流动形态，而是仅仅可确定在深度范围上的速度平均值。由于多个散射光信号的时间积分和叠加，也不再能时间上离散地实现位置滤波信号的评估。就此而言，在此也涉及空间和时间上积分的方法，该方法提供静态流动的流形平均值。为了得到均匀的成像性能，也需要体积上的照明。由于体积上的照明和由此带来的深度累积，为了定量的流量确定，需要用于流动形态的假设模型。在Bergeler和Krambeer(2004)以及Menn(2010)的文献中，相应地仅仅涉及关于测得的流动形态的形状的定性说明以及相对于理论走向的定量缩放。总地来说，这种方法不具有实时性，并且不具有足够的时间分辨率，并且此外也限制在已知的流动形态上。此外，该方法需要非常高的散射颗粒浓度和大的散射光颗粒，并且不能检测在流动中的局部横向分量(例如在流体的涡流或例如在流体的旋流时，在流动横截面中产生该横向分量)。
技术实现思路
本专利技术的目的是，进一步改进用于本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种流动测量方法，该流动测量方法用于光学地测量在封闭截面中的流体(10)的体积流，设有至少一个光源(11)和至少一个传感器单元(12)，通过所述传感器单元在测量平面(14)之内检测在流体(10)中存在的颗粒(13)，其特征在于，/n-通过所述光源(11)照亮至少一个测量平面和存在于其中的颗粒(13)，其中，/n-提供具有至少两个或多个单个探测器(12a、12b、12c、12b)的传感器单元(12)，通过所述传感器单元输出传感器信号(S)，以及/n-在传感器单元(12)之后连接计算单元(16)，在使用空间滤波技术的情况下，通过所述计算单元以对单个探测器(12a、12b、12c、12b)的单个信号积分和加权的方式，实时地处理所述传感器信号(S)，并且作为输出信号(18)输出。/n
【技术特征摘要】
20181205 DE 102018131059.51.一种流动测量方法，该流动测量方法用于光学地测量在封闭截面中的流体(10)的体积流，设有至少一个光源(11)和至少一个传感器单元(12)，通过所述传感器单元在测量平面(14)之内检测在流体(10)中存在的颗粒(13)，其特征在于，
-通过所述光源(11)照亮至少一个测量平面和存在于其中的颗粒(13)，其中，
-提供具有至少两个或多个单个探测器(12a、12b、12c、12b)的传感器单元(12)，通过所述传感器单元输出传感器信号(S)，以及
-在传感器单元(12)之后连接计算单元(16)，在使用空间滤波技术的情况下，通过所述计算单元以对单个探测器(12a、12b、12c、12b)的单个信号积分和加权的方式，实时地处理所述传感器信号(S)，并且作为输出信号(18)输出。
2.根据权利要求1所述的流动测量方法，其特征在于，在传感器单元(12)和计算单元(16)之间布置现场可编程门阵列(15)，该现场可编程门阵列以一程序配置运行，利用该程序配置由传感器单元(12)检测的以运动的颗粒(13)为基础的图像点和/或图像线，生成颗粒(13)的以及进而流体(10)的运动矢量。
3.根据权利要求2所述的流动测量方法，其特征在于，在计算单元(16)之后连接输出模块(17)，由计算器单元(16)将颗粒(13)以及进而流体(10)的运动矢量输出给所述输出模块(17)，以及通过所述输出模块根据颗粒(13)的运动矢量将流体(10)的流动速度作为输出信号(18)输出。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的流动测量方法，其特征在于，所述传感器单元(12)借助于至少一个CMOS传感器(19)和/或CCD传感器和/或光电二极管(20)组件构成。
5.根据上述权利要求中任一项所述的流动测量方法，其特征在于，为第一测量平面(14)分配第一传感器单元(12)，以及为第二测量平面(14)分配第二传感器单元(12)，其中，至少两个测量平面(14)在流体的流动方向(22)上前后相继地依次布置。
6.根据权利要求5所述的流动测量方法，其特征在于，以与光源(11)的光的辐射...
【专利技术属性】
技术研发人员：B·维尔克，N·达马什克，A·克莱恩瓦切特，M·谢珀，
申请(专利权)人：西卡西伯特博士及屈恩有限及两合公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE
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