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Prof. Dr. Uwe Hampel
Head Experimental Thermal Fluid Dynamics
u.hampel@hzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2772
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Optischer Mikrogasblasensensor

Zielstellung

Für die Detektion und Vermessung von kleinen Gasblasen in Flüssigkeiten wurde ein optischer Sensor entwickelt, der auf einer videoendoskopischen Strömungsbeobachtung basiert und mit einer modernen Bildverarbeitungssoftware für die Erkennung und Vermessung von Einzelblasen gekoppelt ist. Aktuell werden für Detektion, Charakterisierung und Vermessung von Partikeln und Kleinstgasblasen oft optische Sensoren eingesetzt, die die Lichtstreuung an Partikeln zur Messung nutzen. Jedoch sind solche Sensoren meist sehr komplex (z. B. LDA, PDPA) und teuer und erfordern einen nicht immer gewährleistbaren mehrfachen optischen Zugang zur Strömung. Solche Sensoren wurden zumeist für einen universellen Einsatz bei Partikeldetektionsaufgaben entwickelt, die Partikel verschiedenster Größen, Formen und Brechzahlen sowie verschiedene Strömungsformen und Strömungsphasen umfassen. Ein konzeptionell einfacher Ansatz zur Partikel- und Gasblasenmessung für Partikel- und Blasengrößen zwischen ca. 3 µm und 3 mm besteht in einem optischen Transilluminationsverfahren mit angeschlossener digitaler Bildverarbeitung. Dieses Verfahren erreicht zudem eine sehr hohe, durch die Güte des optischen Systems und die Auflösung des Bilddetektors bestimmte, Genauigkeit bei der Bestimmung volumetrischer und formspezifischer Partikelparameter, besonders bei hohen Gasgehalten/Partikeldichten und komplexen Partikelformen.

Der Sensor

Der prinzipielle Aufbau des optischen Sensors im Bild rechts dargestellt. Er besteht aus einem Gehäuse zur Aufnahme der CCD-Kamera und der Ansteuerelektronik sowie einem ca. 150 mm langen zylindrischen Schaft. Am Ende des Schaftes befindet sich der 1,5 mm weite Messspalt, durch welchen ein Teil der Strömung geführt und beobachtet wird. Das Licht zur Durchstrahlung des Spaltes wird von einer in der Sensorspitze angeordneten Hochleistungs-LED erzeugt. Diese kann gleichzeitig synchron zum Belichtungssignal der CCD-Kamera kurzzeitig (bis 1 µs) gepulst werden, um auch Messungen in Strömungen mit bis zu 5 m/s Geschwindigkeit zu ermöglichen. Das Abbild des Messspaltes wird durch eine Endoskopoptik im Schaft zur CCD-Kamera übertragen. Gasblasen bilden sich dabei als dunkle Schatten über einem hellen Bildhintergrund ab. Durch die kurze Belichtungszeit können die Bilder leicht verrauscht sein, was eine besonders robuste Bildauswertung erfordert. Das Signal-Rausch-Verhältnis in den Bildern liegt bei kürzester Belichtungszeit (1 µs) bei ca. 10. Die Größe eines Digitalbildes der Kamera beträgt 640 x 480 Pixel x 8 bit, wobei ein Pixel einer optischen Auflösung von ca. 4 µm entspricht.
 
Prinzipieller Aufbau und Fotot des optischen Sensors

Bildverarbeitung

Der Sensor wird vom Mess-PC aus gesteuert, wobei zur Vermessung einer konkreten Strömungssituation zunächst mehrere hundert Bilder in einer Sequenz aufgezeichnet werden. Diese werden anschließend in einer ersten Bildverarbeitungsfolge zu Binärbildern verarbeitet, in welchen der Hintergrund durch einen Wert und der Blasenschatten durch den zweiten Bildwert repräsentiert sind. Zu diesem Zweck erfolgt eine Dunkel- und Shadingkorrektur mit anschließender Identifikation und Extraktion des Hintergrundes mittels Boundary-Fill-Algorithmus sowie das vollständige Füllen der Gasblasenregionen mittels Region-Fill-Algorithmus. Im Ergebnis dieses Transformationsprozesses sind die Pixel entsprechend ihrer Zugehörigkeit zu Hintergrund oder Blasenschatten gelabelt.

Prinzipielle Schritte zur Blasenidentifikation

In einem zweiten Schritt, der Bildanalyse, werden die vorhandenen Gasblasen identifiziert und vermessen. Dabei stehen zwei Algorithmen zur Auswahl. Bei dem ersten Algorithmus wird jede zusammenhängende Bildregion aus Blasenpixeln als eine Gasblase angenommen und aus der Fläche dieser Region wird ein äquivalenter Blasendurchmesser bestimmt. Dabei wird nicht berücksichtigt, dass ein solche Region aus mehreren, im Strahlengang zum Aufnahmezeitpunkt hintereinander liegenden und sich damit partiell verdeckenden Einzelblasen bestehen kann. Die Auflösung solcher Cluster in Einzelblasen ist mit einem intelligenten Mustererkennungsalgorithmus möglich, welcher auf Basis der Hough-Transformation für Kreisprimitive arbeitet. Bei diesem wird jedes Cluster anhand seiner Kontur in kreisförmige Primitive zerlegt, die den Einzelblasen entsprechen. Damit erreicht dieses Verfahren insbesondere bei größeren Gasgehalten eine kaum zu überbietende Genauigkeit in der Einzelblasenidentifikation und -vermessung.

Identifizierte Gasblasen und Blasengrößenverteilung

Anwendungsgebiete

Der optische Sensor zur Mikrogasblasenanalyse kann in verschiedensten Bereichen der Industrie und Wissenschaft eingesetzt werden, bei denen die Entstehung, die Lösung oder das Verhalten von Mikrogasblasen von diagnostischem Interesse sind. Beispiele sind die Untersuchung von

  • chemischen Reaktionen mit lokaler Gasfreisetzung oder Verdampfung,
  • Elektrolyse,
  • Fermentationsprozesse,
  • Kavitation,
  • Siedevorgängen und
  • Gaslöslichkeit und Gasdisperson in Flüssigkeiten.

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