Konstrukce optomechanických zařízení pro měření vlastností tekutin Jan Hošek Ústav přístrojové a řídicí techniky, Fakulta strojní, ČVUT v Praze, e-mail:
[email protected] Abstrakt Článek podává přehled o konstrukci vybraných optomechanických zařízení a použitých metodách pro měření různých vlastností tekutin i vícefázových soustav. Celkem jsou prezentovány čtyři konkrétní realizované optomechanická zařízení použitá pro měření vlastností kondenzace par, vnitřních parametrů laserem indukované kavitační bubliny, metody na sledování a určování pozice a velikosti kulových objektů v prostoru pomocí jediné kamery a zařízení pro měření povrchového napětí velmi malého vzorku tekutiny. Klíčová slova: konstrukce, měření, vlastnosti tekutin, optické metody
1. Úvod Měření fyzikálních vlastností tekutin je v současnosti významným problémem, ať už z pohledu studia fyziky tekutin na vědecké úrovni, a nebo v aplikacích v řadě průmyslových technologií. Proto jsou různé fyzikální vlastnosti tekutin a jejich soustav studovány již od 17. století a metody měření jednotlivých fyzikálních parametrů jsou neustále vyvíjeny, zdokonalovány tak, aby maximálně využily možnosti současného technického poznání. Protože parametry většiny používaných tekutin, zejména vody, jsou velmi přesně změřeny a tabelovány pro běžně používané rozsahy teploty, tlaků, příměsí a dalších parametrů, je v současné době nutné měření parametrů i ve fyzikálních podmínkách, které nejsou stabilní, avšak přesto se i v běžných dějích vyskytují. Těmi jsou například vznik kondenzátu, kavitace, přechlazené stavy a další a k tomu je nutné vyvinout odpovídající měřicí techniku. Základním požadavkem na měřicí zařízení a zvolenou měřicí metodu by mělo být dosažení očekávané přesnosti naměřené veličiny, bez toho, aby měřicí zařízení ovlivnilo chování tekutin ve svých nestabilních stavech. Z tohoto důvodu je velmi vhodné použít pro měření vybraných fyzikálních veličin optické metody, které jen minimálně interagují s měřenou tekutinou. V článku jsou tedy prezentovány čtyři typy optomechanických zařízení vyvinutých na odboru přesné mechaniky a optiky fakulty strojní ČVUT ve spolupráci s dalšími institucemi, zejména s Ústavem termomechaniky AV ČR a University of Applied Sciences Emden v Německu, které slouží pro měření vybraných parametrů tekutin.
2. Zařízení pro měření kondenzace Zařízení pro měření kondenzace v rázové trubici bylo vyvinuto na základě požadavků Ústavu termomechaniky AV ČR. Zařízení slouží pro určení vlivu různých příměsí (kyselina sírová, kyselina dusičná, kyselina mravenčí, čpavek atd.) a různých nosných plynů (dusík, helium, argon, kyslík, oxid uhličitý atd.) na kondenzaci vody, etylalkoholu a dalších kapalin. Výstupními hodnotami navrženého zařízení je měření časového průběhu poloměru kondenzujících kapek, určení počtu kondenzujících kapek v měřeném prostoru a určení parametrů rozdělení poloměrů kondenzujících kapek.
Z povahy měřené vícefázové tekutiny, jejím vývojem a omezením její existence časem 12 ms, bylo pro měření využito jevu rozptylu záření na kondenzujících mikrokapičkách. Navržené zařízení využívá měření parametrů Mieova rozptylu pro určení požadovaných vlastností kondenzace. Přestože pokusy s měřením Mieova rozptylu na drobných částicích byly prováděny od počátku minulého století, díky matematické složitosti vyhodnocení naměřených dat nebyla tato měření prakticky použitelná až do nástupu počítačů v 60.letech 20. století. První praktická měření rozptylu a extinkce záření na kondenzující kapalině s numerickým vyhodnocením dle Mieova rozptylu byla popsána v pracích Walterse [1], [2], Twomeye [3] a Szymanského [4]. V posledních letech pak v pracích Smolderse [5] a Lamanna [6], kteří již měřili kondenzaci na více vlnových délkách a v kombinaci s holografickými metodami. Optický detektor, který byl navržen, vychází ze současných trendů využitých v těchto pracích a využívá měření rozptylu – synchronizované měření extinkce na více vlnových délkách, a rozptylu do 90°. Zásadním přínosem navrženého zařízení je možnost měření nejen statického kondenzátu, ale dynamických dějů, které se během kondenzace odehrají za velmi krátký čas v řádech desítek ms. 2.1. Konstrukce experimentálního zařízení Metoda detekce kondenzujících kapek je v navržené optické aparatuře řešena měřením rozptýleného světla do 90° pomocí dvou fotonásobičů a prošlého světla na čtyřech vlnových délkách: 250, 365, 577 a 1014 nm separovaných interferenčními filtry o pološířce 10 nm. Vyhodnocování rozdělení velikostí kapek z měřených dat je provedeno pomocí řešení inverzní metody k výpočtu Mieova rozptylu na kapkách hledaných parametrů. Zdrojem záření pro měření na těchto vlnových délkách je 100W rtuťová výbojka umístěná ve speciálně konstruovaném osvětlovacím zařízení. To zajišťuje kolimovaný polychromatický svazek o průměru 20 mm procházející měřeným prostorem, ze kterého je vyseparováno tepelné záření pomocí kapalinového filtru plněným vodou. Ten odfiltruje právě ty složky záření, které by jinak mohly být kondenzátem absorbovány a ovlivňovat tak průběh kondenzace. Navržené zařízení je navíc doplněno měřením dopředného rozptylu do 15° včetně měření extinkce, kde zdrojem záření je kolimovaný diodový laser o vlnové délce 675 nm. Toto měření slouží pro snadné odhalení rozdělení kapek s velkou disperzí poloměrů. Jako detektory byly použity fotodiody Hamamatsu S 1336-44BQ s dvoustupňovým zesilovačem a fotonásobiče Hamamatsu R1477-06. Všechna naměřená data z experimentu jsou zaznamenávána pomocí 12 bitové měřicí karty PCX1230 firmy Tedia umožňující záznam se vzorkovací frekvencí na každý měřený kanál 10 MHz. To dává přibližně 12000 měřených vzorků měření za dobu trvání měření z každého detektoru, které jsou následně numericky zpracovány speciálně připraveným programem. Celkové optické schéma uvedeného zařízení je zobrazeno na obrázku 1. Mechanická konstrukce celého zařízení je složena ze tří samostatných částí – osvětlovací soustavy, detektoru extinkce a detektoru rozptylu do 90°. Osvětlovací soustava i detektor extinkce je umístěn na samostatné nosné konstrukci, oddělené od experimentální rázové trubice, aby měření extinkce nebylo ovlivněno vibracemi způsobenými rázem v trubici. Svazek mezi jednotlivými optickými částmi a komorou rázové trubice je kryt proti parazitnímu světlu gumovými manžetami. Jedinou výjimkou jsou dva fotonásobiče detekující rozptyl do 90°, které bylo možné i s objektivem zakomponovat přímo do těla měřicí komory díky jejich kompaktnímu konstrukčnímu řešení. Pohled na výsledné konstrukční řešení navrženého zařízení je na obrázku 2, kde vlevo je pohled na vnitřní uspořádání detektoru se čtyřmi měřicími místy fotodiod a měřením rozptýleného záření do 15° pomocí fotonásobiče. Vpravo je pohled na vnitřní uspořádání osvětlovací soustavy s referenční větví pro měření stability rtuťové výbojky a na středním obrázku je pohled na obě části namontované na nosné konstrukci.
Obr.1: Optické schéma zařízení pro měření vlastností kondenzace v rázové trubici
Obr.2: Detail detektoru (vlevo), celkový pohled, detail osvětlovací části (vpravo)
Navržené a zkonstruované měřicí zařízení je schopné detekovat a vyhodnocovat rozptýlené záření od minimálního počtu 150 kondenzujících kapek v měřeném prostoru tvaru komolého kužele o objemu přibližně 4,6 cm3. Rozměry kapek, jejichž rozptyl je možné zaznamenat, se pohybuje v hodnotách 0,5µm – 2,5 µm, přičemž horní hranice je omezena maximálním rozměrem kapek, do kterého jsou schopné za dobu 12 ms v rázové trubici dorůst a nikoliv možnostmi měřicího zařízení. Detailní informace o principu a konstrukci uvedeného zařízení je možné nalézt v odkazech [7], [8], [9].
3. Zařízení pro měření hustoty uvnitř kavitační bubliny Problematika kavitace je vysoce aktuální téma pro řadu technických oborů, kde vyvolává nežádoucí defekty materiálů. Nicméně problém kavitace se vyskytuje i v daleko choulostivějších aplikacích, jako jsou například chirurgické operace na lidském těle pomocí pulsního laseru, například odstraňování nádorů, při kterých vznikají kavitační bubliny, které poškozují okolní tkáň. Proto bylo ve spolupráci s University of Applied Sciences Emden v Německu vyvinuto nové a unikátní zařízení pro měření vlastností uvnitř laserem indukované kavitační bubliny. 3.1. Princip měřicího zařízení Kavitační děj je časově omezený děj, při kterém na dvoufázovou soustavu kapalina plyn působí prudká změna tlaku, která vyvolá zánik nebo rozpad bublin za vzniku rázových vln. Navrhované měřicí zařízení muselo být schopné sledovat a měřit časové a prostorové závislosti změn fyzikálních veličin uvnitř kavitační bubliny. Ta je generována ve vodě pomocí Tm:YAG pulzního laseru BAASEL Lasertech BLM 800 o vlnové délce 2000 nm fokusovaného do optického vlákna s průměrem 670 µm, jehož konec byl ponořen do lázně. V ní je laserový puls vodou silně absorbován, za vzniku kavitační bubliny. Jednotlivé pulzy byly generovány v Q-switch módu s délkou pulzu 1 µs. Maximální průměr sledované kavitační bubliny byl přibližně 4 mm a délka celého kavitačního děje 430 µs. Fyzikální veličinou dostatečně reprezentující fyzikální podmínky uvnitř kavitující bubliny byla zvolena hustota. Tu lze určit na základě Lorentz-Lorenzovi rovnice z měření indexu lomu uvnitř bubliny. M N 2 −1 A= m 2 (1) ρ N +2 Pro měření indexu lomu uvnitř bubliny je použito druhé měřicí vlákno, které je umístěno na stojánku umožňující nastavení jeho polohy ve všech třech souřadnicích. Tím je možné nastavit polohu konce vlákna tak, aby se v jisté fázi kavitačního procesu bubliny dostal do jejího vnitřního prostoru a tam provedl měření. Pro určení přesné polohy konce vlákna vůči poloze kavitační bubliny a přívodního vlákna je celý proces sledován pomocí mikroskopu LEICA MZ6 vybaveného CCD kamerou. Index lomu v prostoru před koncem měřicího optického vlákna je určován na základě měření změn odrazivosti. Zdrojem záření pro měření odrazivosti je kontinuální He-Ne laser laser POLYTEC PL 750 na vlnové délce 632,8 nm, pro kterou je hodnota absorpce kapaliny zanedbatelná. Odražené záření je detektováno pomocí fotonásobiče HAMAMATSU H 5783 a měřený signál je zaznamenáván a ukládán pomocí osciloskopu TEKTRONIX TDS 684 A, který je zapojen do trigrovaného časového okruhu. Pro aktivní řízení expozice v kterémkoli časovém okamžiku kavitačního procesu byl osvětlovací laser řízen pomocí zpožďovače a pulsního generátoru STANFORD RESEARCH SYSTEM DG 535, který dokáže řídit zpoždění signálu s krokem 1 ps. Schéma celého experimentálního zařízení je vidět na obrázku 1.
Obr.3: Schéma uspořádání měření vlastností uvnitř laserem indukované kavitační bublin Hodnotu indexu lomu prostředí před měřicím optickým vláknem uvnitř kavitační bubliny lze určit z hodnoty odrazivosti R na konci vlákna: 1− R N = NF , (2) 1+ R kde NF je index lomu optického vlákna a který vychází ze vztahu mezi odrazivostí v kolmém směru a změnou indexu lomu na odrazném rozhraní. Pro správné vyhodnocení měřených hodnot indexů lomu je nutné provést kalibraci měření měřením odrazivosti na konci vlákna na vzduchu a v destilované vodě se známými hodnotami indexů lomu. Pro určení hustoty par uvnitř bubliny je nutné použít rovnici pro molární lámavost tekutin, protože hodnota molární lámavosti zůstává zachována při různých hodnotách tlaku i při změně stavu tekutiny. Výsledná rovnice pro určení hodnoty hustoty média uvnitř kavitační bubliny před měřicím vláknem je dána vztahem: N 2 + 2 N 2 −1 ρ = ρ 0 02 . (3) N0 −1 N 2 + 2 kde index 0 znamená normální stav kapaliny – destilované vody. Z opakovaných měření v jedné poloze optických vláken vůči sobě vyplývá, že tvorba kavitačních bublin pomocí Tm:YAG laseru a Q-switch módu při zachování konstantní energie laserového pulsu je dobře opakovatelná. Proto bylo možné určit prostorový průběh časových změn rozložení hustoty uvnitř kavitační bubliny měřením v různých místech různých bublin.
Chronologicky seřazené snímky na obrázku 4 ukazují celý kavitační proces pro jednu polohu měřicího vlákna.
Obr.4: Přehled snímků kavitačního procesu v intervalech 40 µs. Ten začíná absorpcí energie pulsu, při které dojde k emisi tlakových vln a vzniku kavitační bubliny. Ta expanduje a po dosažení maximálního rozměru začne kolabovat. Kolaps bubliny končí za vzniku rázových vln. Poté se zbytky bubliny oddělí od přívodního optického vlákna a nastává jejich reexpanze a opětovný kolaps se vznikem dalších tlakových vln. V několika experimentech byl pozorován vznik i terciální kavitační bubliny, její expanze a kolaps. Celý kavitační proces včetně jedné reexpanze trvá přibližně 1,2 ms, avšak vlivem nestabilního chování reexpandující bubliny jsou všechna měření prováděna pouze pro primární kavitační bublinu s životností přibližně 450 µs. Bližší informace o zařízení a měření je možné nalézt v publikacích [10] nebo [11].
4. Zařízení pro měření polohy a velikosti sférických objektů v prostoru Jak je z předchozí kapitoly patrné, je přítomnost cizích fází, zejména bublin, v průmyslových technologických systémech a technologiích pracujících s tekutinami značně nežádoucí nebo indikující technologický problém, jako například v hydrodynamických strojích nebo sklářském průmyslu. Na druhé straně jsou průmyslové technologie, kde je jejich přítomnost a optimalizované rozložení v prostoru nutná, jako je například v chemických reaktorech. Proto je problému detekce bublin a určování jejich kinetických parametrů věnována poslední dobou velká pozornost. Příkladem toho jsou nedávné publikace různých metod sledování různých parametrů vícefázových směsí, které jsou v současné době především založeny na metodách Particle Image Velocimetry (PIV) [12], [13]. Zásadní nevýhodou těchto metod je pro měření v prostoru použití více kamer pro dosažení stereoefektu, což měřicí systém zesložiťuje a zdražuje. Proto je snaha o vývoj nových měřicích metod, které určují polohu, velikost a rychlost jednotlivých částic v prostoru jinými metodami, například s využitím interference [14], rozptylu světla [15] nebo holografických metod [16], [17]. Avšak tyto metody jsou také založeny na velice sofistikovaném přístupu, který je v průmyslové praxi s obtížemi použitelný. Velice jednoduchou metodu měření vícefázových systémů pomocí jediné kamery založení na defokusačním principu představili Willert, C. E., Gharib [18], která dává dostatečnou přesnost a přitom jednoduché technické řešení. Prezentovaná vyvinutá metoda měření polohy a velikosti sférických objektů v prostoru dává podobné výsledky s ještě jednodušším technickým vybavením. 4.1. Princip měření pomocí jediné kamery Nová metoda je založena na využití anamorfotického optického systému za předpokladu znalosti tvaru měřeného tělesa. Nejjednodušším případem obvyklého tvaru měřeného tělesa je koule. Tento objekt je pak anamorfotickým systémem zobrazen s různým zvětšením ve dvou rovinách kolmých na optickou osu systému. Vzhledem k tomu, že hodnota zvětšení obrazu závisí také na vzdálenosti předmětu je možné na základě poměru velikosti obrazu sférického tělesa ve dvou směrech a pozice v obrazové rovině dopočítat velikost předmětu i jeho pozici v prostoru. K měření lze využít tři základní konfigurace měřicího systému. Lze použít kameru se speciálně vyvinutým anamorfotickým objektivem. Dále lze použít standardní objektiv s anamorfotickou předsádkou. Poslední možností aplikovatelnou zejména v průmyslové praxi je možnost využít anamorfotických vlastností skleněných válcových trubic. Na obrázku 5 jsou ukázky závislostí hodnot elipticity obrazu kulového předmětu jako funkcí hloubky předmětu ve válcové trubici o průměru 100 mm a pozorovacího úhlu od optické osy.
Obr. 5: Funkční závislosti anamorfotického zobrazení pomocí válcové trubice.
Ukázky vlivu změny vzdálenosti předmětu na tvar obrazu pomocí anamorfotické optiky je zobrazen a obrázku 6:
Obr. 6: Přehled obrazů 1,5 mm velké skleněné kuličky při změně polohy o 4 mm (vlevo) a pohled na bubliny přibližně stejné velikosti od sebe vzdálených 75 mm (vpravo). V současné době je prezentovaná metoda funkčně testována a její očekávaná rozlišovací schopnost je přibližně 0,02 mm pro určování polohy v předmětové rovině a velikosti objektu a 0,3 mm pro určování polohy objektu podél optické osy. Bližší informace je možné nalézt v odkazech [19], [20] a [21].
5. Zařízení pro měření povrchového napětí přechlazené kapaliny Povrchové napětí kapalin je materiálová vlastnost vypovídající o vnitřní struktuře tekutin a změně fáze materiálu či fázových složek při jeho teplotních změnách. Například hodnoty povrchového napětí vody jsou tabelovány a publikovány společností International Association for the Properties of Water and Stream – (IAPWS 1994). Nicméně uvedené hodnoty povrchového napětí jsou tabelované pouze pro teploty nad trojným bodem vody, přestože byla voda v kapalném stavu experimentálně pozorována až do teplot 205 K. Proto je ve spolupráci s Ústavem termomechaniky AV ČR vyvíjeno zařízení, které umožní měřit hodnoty povrchového napětí i pro přechlazenou kapalinu až do teploty -18°C. Základními požadavky na experimentální zařízení je použití minimálního množství měřené tekutiny, a zároveň velmi krátký čas měření v přechlazeném stavu, kratší než 1 s. Tyto požadavky vyplývají z pravděpodobnosti zmrznutí přechlazené kapaliny, ke kterému nesmí v průběhu měření dojít. Jako nejlepší metoda pro měření povrchového napětí kapaliny v podchlazeném stavu byla vybrána metoda vyvinutá Fergusonem [22] a později aplikovaná Hackerem [23] pro jeho měření, která pro měření využíval vzorek o objemu do 1 mm3. Schéma měřicí metody je zobrazeno na obrázku 7. Uvedená metoda využívá principu kapilárního tlaku. Malé množství kapaliny je umístěno do tenké kapiláry a na okrajích kapaliny se vytvoří menisky, kde na každém menisku vzniká tlakový rozdíl: 1 1 ∆p = γ + , r1 r2
(4)
kde γ je hodnota povrchového napětí a r1 a r2 jsou hlavní poloměry křivosti menisku v kapiláře. Za předpokladu, že měřený objem kapaliny posuneme působením protitlaku v kapiláře tak, že jeho jeden konec se bude dotýkat konce kapiláry, až přejde v rovinnou
plochu, jak je naznačeno na obrázku 7, bude jeho tlakový příspěvek zanedbatelný. Hodnotu povrchového napětí měřené kapaliny pak lze snadno určit ze vztahu:
r 2
γ = ∆p ,
(5)
kde pro malé průměry kapiláry je kontaktní úhel kapaliny blízký nule a poloměr křivosti menisku je roven poloměru křivosti kapiláry.
Obr. 7: Schéma měření povrchového napětí v kapiláře dle Fergusona.
Pro očekávanou přesnost měření hodnoty povrchového napětí vody v podchlazeném stavu 0,1% vycházejí požadavky na měřicí systém: 1) měřit rozdíl tlaků z obou stran kapaliny s přesností 0,85 Pa 2) kapilára musí mít zajištěn konstantní kruhový průřez v celé délce kapaliny 3) musí být zajištěna dostatečná rovinnost menisku na konci kapiláry lepší než 500 D, kde D je průměr kapiláry Pro splnění této podmínky musela být vyvinuta optická metoda a zařízení zajišťující měření rovinnosti menisku na malé ploše vnitřního průměru kapiláry, jejíž výstupní veličina bude udávat okamžik měření tlakového rozdílu odpovídajícího hledanému povrchovému napětí. 5.1. Měření rovinnosti menisku na konci kapiláry
Nejběžnější metodou pro měření kvality povrchu jsou interferenční metody, které měří kvalitu povrchu podle počtu zobrazených interferenční proužků. Tyto metody jsou velmi citlivé pro měření malých hodnot poloměrů křivosti a nebo rovinnosti na velkých plochých. V případě malé plochy odpovídající velikosti vnitřního průměru kapiláry 0,3 mm jsou necitlivé pro měření poloměrů křivosti nad přibližně 100 mm, kdy by na povrchu menisku nebyly pozorovány interferenční proužky, ale pouze tmavé nebo světlé pole. Další, podstatně nákladnější metodou je použití interference s využitím fázového posuvu. Nevýhodou těchto zařízení je ovšem citlivost na vnější podmínky a délka měření nad 2 s. Proto tento typ zařízení není možné použít. Poslední možností je tedy použití metod založených na principu geometrické optiky. Hacker (1951) ve svých měřeních použil metodu pozorování obrazu plošného zdroje od menisku na konci kapiláry, kdy rovinnost považoval za dostatečnou ve chvíli, kdy byl vidět obraz zdroje po celé ploše menisku. Schéma měřicí metody je uvedeno na obrázku 8. Z teoretického rozboru [24], [25] je patrné, že princip správně funguje jen za předpokladu, že plošný zdroj dané velikosti je přesně umístěn ve vzdálenosti od menisku tak, aby při rovinném menisku
jeho krajní úhel odpovídal hodnotě aperturního úhlu mikroskopu. Jinak dochází k posunu zobrazení zdroje po ploše menisku od nekonečného poloměru křivosti k jeho jisté konečné hodnotě. Navíc obraz menisku je nesymetrický a značně ovlivněn kvalitou přípravy konce kapiláry. Nicméně metoda je za správných pracovních podmínek velice citlivá.
Obr. 8: Teoretické schéma měření rovinnosti menisku na konci kapiláry použité Hackerem.
Přesto byla navržena nová metoda měření rovinnosti menisku na konci kapiláry, která je založena na autokolimačním principu. Její schéma je zobrazeno na obrázku 9:
Obr. 9: Schéma navržené metody určení rovinnosti menisku při měření povrchového napětí dle Furgesona.
Výhodou tohoto uspořádání je jeho kompaktnost, symetrie odrazu od menisku a především možnost umístit do obrazové roviny objektivu clonu s integrálním fotodetektorem. Tvar menisku je pak jednoduše vyjádřen hodnotou výstupního napětí z fotodetektoru, kdy maximální intenzita výstupní veličiny nastává pro rovinný meniskus. V případě, že meniskus nebude rovinný, obraz zdroje nebude v rovině clony, ale dojde k jeho defokusaci. V rovině clony bude rozložení intenzity odraženého záření dáno konvoluční funkcí a část záření bude odcloněno. Hodnota úbytku záření vlivem odclonění lze pak přibližně spočítat za předpokladu náhrady konvoluční funkce podle rovnice 6. 2 1 h AC f ´ + 1, ∆I ≈ 1 m 2 h f ´ 2
(6)
pro hodnoty ohniskové vzdálenosti menisku f2´ > 0 a f2´ < 0 a kde hAC je poloviční průměr aperturní clony systému, která odpovídá průměru měřené kapiláry, h je poloměr zdroje záření a zároveň clony v ohniskové rovině objektivu o ohniskové vzdálenosti f´. Numerické simulace citlivosti obou metod na změnu poloměru křivosti menisku pro různé parametry konstrukčního uspořádání je uvedeno na grafu na obrázku 10:
Obr. 10: Porovnání citlivosti obou měřicích metod.
Z grafu je patrné, že obě metody jsou dostatečně citlivé pro potřeby sledování rovinnosti menisku na kapiláře o vnitřním průměru 0,3 mm. Přesto je v současné době experimentálně zkoušeno použití kombinace obou metod pro zvýšení citlivosti celého zařízení při zachování jednoduchosti analogového výstupního signálu z měřicího zařízení.
6. Závěr Byl podán přehled o čtyřech optickomechanických zařízeních využívajících bezkontaktních optických metod k měření vybraných fyzikálních parametrů tekutin. Tato zařízení byla uvedena do provozu a nebo se na jejich vývoji dále pokračuje. Jedná se zpravidla o unikátní zařízení stavěná za specifickým účelem. Bližší informace o konkrétním konstrukčním nebo
metodickém řešení jednotlivých prezentovaných zařízení je možno nalézt v uvedené literatuře a nebo přímo u autora článku. Tato práce byla podpořena grantem GA ČR 101/05/2214.
Literatura [1]
Walters P. T., Optical measurement of water droplets in wet steam, Conf. Wet Steam 4, Paper 32/73, Warwick,1973. [2] Walters P. T., Practical applications of inverting spectral turbidity data to provide aerosol size distributions, Applied Optics, 19, 2353 – 5365, 1980. [3] Twomey S., Comparsion of constrained linear inversion and iterative nonlinear algorithm applied to the indirect estimation of particle size distribution, J. Comp. Phys., 18, 188 – 200, 1975. [4] Szymanski W. W., M. E. H. van Dongen, Absolute aerosol number concentration measurement by simultaneous observation of extinction and scattered light, J. Aerosol Sci., 21, 441 – 451, 1990. [5] Smolders H. J., M. E. H. van Dongen, Non-linear wave phenomena in a gas-vapour mixture with phase transition, Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven, 1992. [6] Lamanna G., On Nucleation and Droplet Growth in Condensing Nozzle Flows, Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven, 2000. [7] Hošek J., Hrubý J., Studenovský K., Optical Setup for Condensation Measurement with a Shock tube, Czech-Finish Aerosol Symposium, Prague, May 23-26, 2002. [8] Hošek J., Studenovský K., J. Hrubý, Konstrukce optické aparatury pro měření kondenzace v rázové trubici, Jemná mechanika a optika, 48, 249-253, 2003. [9] Hošek J., Uchycení a justáž rozměrných funkčních částí optického zařízení, Jemná mechanika a optika, 50, 168-170, 2005. [10] Hošek J., Garen W., Neu W., Schönig H., Hopfmüller A., Vapor Density Measurement inside Laser induced Capitation Bubbles, Laser-Assisted Microtechnology (LAM-2000), St. Petersburg, Russia, August 23-25, 2000. [11] J. Hošek, W. Garen: "Optická metoda měření prostorového rozložení hustoty uvnitř kavitační bubliny", Jemná mechanika a optika, 49, 146-150, 2004. [12] Hassan, Y. H., Multiphase Flow Visualization Utilizing Particle Image Velocimetry (PIV), 2nd Int. Workshop on PIV, Fukui, Japan, 1997. [13] Lindken, R., Merzkirch, W., A novel PIV technique for measurement in multi-phase flows and its application to two-phase bubbly flows, 4th International Symposium on Particle Image Velocimetry, Göttingen, Germany, 2001. [14] Niwa, Y., Kamiya, Y., Kawaguchi, T., Maeda, M., Bubble Sizing by Interferometric Laser Imaging, 10th International Symposium on Application of Laser Technique to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, 2000. [15] Guerrero, J. A., Mendoza, S., Moreno, F., Mfunes-Gallanzi, D., Fernandez-Orozco, S., Particle positioning from CCD images: experiments and comparison with the generalized Lorenz-Mie theory, Meas. Sci. Technol. 11, 568-575, 2000. [16] Pu, Y. Song, X. Meng, H., Off-axis holographic particle image colorimetric for diagnosing particulate flows, Experiment in Fluids, S117-S128, 2000. [17] Pan, G., Meng, H.. Digital Holographic PIV for 3D flow measurement, IMECE200233173, New Orleans, Louisiana, November 17-22, 2002. [18] Willert, C. E., Gharib, M., Three-dimensional particle imagining with a single camera, Exp. Fluids 12, 353-358, 1992.
[19] Hošek J., Monolens System for Bubble Dimension and Position Measurement, Inženýrská mechanika 2006, Národní konference s mezinárodní účastí, Svratka, 15.18.5.2006. [20] Hošek J., Optical Determination of the Radius and Position of Spherical Objects by Monolens Camera System, 5th International Conference on Advanced Engineering Design, 11-14 June, 2006, Prague, Czech Republic. [21] Hošek J., Zařízení pro určení polohy a/nebo velikosti alespoň jednoho sférického tělesa v měřeném prostoru tekutiny, Patentová přihláška č.: 2005-672, 2005. [22] Ferguson, A., On the measurement of the surface tension of a small quantity of liquid, Proc. Phys. Soc. (London) 36, 37-43, 1924. [23] Hacker, P. T., Technical Note 2510, in: National Advisory Committee for Aeronautics, 1951. URL http://naca.larc.nasa.gov/reports/1951/naca-tn-2510/naca-tn-2%510.pdf. [24] Hošek J. , Studenovský K., Surface Tension Measurement of Small Volume of Liquid, 5th International Conference on Advanced Engineering Design, Prague, June 11-14, 2006. [25] Hošek J., Small Area Curvature Measurement, XV Czech-Polish-Slovak Optical Conference, Liberec, September 11-15, 2006.
