TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Vliv koncentrace na přesnost kalibrační křivky systému PLIF Bakalářský projekt Jakub Hoffmann a Tomáš Louč Liberec 2011 Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

systému PLIF/Originální zadání práce Originální zadání práce Zadání 1. Seznamte se s problematikou měření teplotních polí metodou PLIF 2. Na základě teoretických poznatků připravte odpovídající koncentrace vodných roztoků fluorescenčních barviv 3. Prověřte citlivost jednotlivých koncentrací na určité teplotní spektrum 4. Na jednoduché laboratorní úloze demonstrujte jeden vybraný roztok, naměřené výsledky zpracujte Termíny Datum zadání práce: 5. října 2010 Plánované datum odevzdání: 20. května 2011 Vedoucí práce Ing. Darina Jašíková Odborný konzultant práce Ing. Michal Kotek Literatura [1] Planar-LIF Software, Installation and User s guide, Dantec Dynamics, 2002 [2] Odborné články

systému PLIF/Abstrakt Prohlášení Byli jsem seznámeni s tím, že na náš bakalářský projekt se plně vztahuje zákon č. 121/2000 o právu autorském, zejména 60 (školní dílo). Bereme na vědomí, že TUL má právo na uzavření licenční smlouvy o užití našeho bakalářského projektu a prohlašujeme, že s o u h l a s í m e s případným užitím našeho bakalářského projektu (prodej, zapůjčení apod.). Jsme si vědomi toho, že užít náš bakalářský projekt či poskytnout licenci k jeho využití můžeme jen se souhlasem TUL, která má právo od nás požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše). Bakalářský projekt jsme vypracovali samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím projektu a konzultantem. Datum Podpis 3

systému PLIF/Abstrakt Abstrakt Seznámení s problematikou měření teplotních polí metodou PLIF, která vychází z vlastností fluorescenčních barviv, což je reakce intenzity vyzařovaného světla na nějaký budící impulz energie. V rámci tohoto projektu byla vypracována krátká rešerše ve které byli autoři seznámeni s možností použití fluorescenčních barviv a s tím, že neexistuje pouze fluorescenční barvivo Rhodamin B, ale i další fluorescenční barviva. V dalším fázi toho projektu byly připraveny různé koncentrace Rhodaminu B ve vodě a byly proměřeny kalibrační křivky v plném rozsahu teplotního spektra. Na závěr byla provedena laboratorní úloha s ponorným vařičem, při které byl demonstrován vybraný roztok o dané koncentraci a zjištěna použitelnost roztoku v daném teplotním rozsahu. Introduction with measurement of temperature fields by PLIF method, which is based on properties of fluorescent dyes. It is reaction intensity of emitted light on an excitation pulse energy. In this project, the authors were introduced to options of using fluorescent dyes and with fluorescent dye Rhodamine B, but with other fluorescent dyes too. In the next phase of the project were prepared different concentrations of Rhodamine B in water and calibration curves were measured in the full temperature range. Finally, the laboratory task was performed with an underwater stove. And in this task was demonstrated selected solution of the concentration and was detected usability of the solution in the temperature range. 4

systému PLIF/Obsah Obsah 1. Úvod... 6 2. Postup měření... 9 2.1 Výpočty... 10 2.2 Použité přístroje... 11 2.3 Schémata pro měření a fotografie z měření... 12 3. Kalibrace měření... 17 4. Kalibrace obrázky... 18 4.1 Kalibrace pro E = 800... 18 4.2 Kalibrace pro E = 500... 20 4.3 Kalibrace pro E = 200... 22 4.4 Kalibrace s vnořenou topnou spirálou, E = 500... 24 5. Kalibrační křivka... 26 5.1 Graf kalibračních křivek... 27 6. Zásady pro správné měření... 28 Závěr... 28 Použitá literatura... 29 5

systému PLIF/Úvod 1. Úvod Četné studie užívají LIF metodu jako diagnostickou metodu, která umožňuje měřit proudění tekutin nebo také měření teplot. Zvláště měření teploty je velice rozšířené. Umožňuje zjistit specifickou informaci o fyzikálních procesech, jako je jejich přirozené proudění, turbulentní míchaní a přechod tepla v laboratorních prouděních, dále 1) tribologické proudění nebo například odpařující se nebo hořící kapičky. [1] 1) Tribologie je vědecký obor, zabývající se procesy tření, opotřebení a mazání strojních součástek. Metoda PLIF je založena na použití fluorescenčního barviva, které je přidáno do měřené tekutiny. My jsme použili fluorescenční barvivo Rhodamine B. Fluorescenční barvivo je osvětleno optickým nožem generovaným laserem, optický nůž má tloušťku několika milimetrů, částice barviva pak emitují světlo o jiné vlnové délce než je vlnová délka světla emitovaného laserem. Intenzita světla re-emitovaného fluorescenčním barvivem je úměrná intenzitě optického nože (v daném místě) a hustotě značkovacích částic (Rhodaminu B v daném místě) a teplotě (v daném místě). Při použití filtru, který propustí jen světlo emitované fluorescenčním barvivem, je možné tuto světelnou intenzitu oddělit od intenzity laseru a určit tak koncentraci nebo teplotu. Barevný filtr se umisťuje na objektiv kamery. [2] Hlavní omezení LIF metody pro měření teploty ve vodním prostředí jsou: 1) Fluorescenční barvivo (typicky organické barvivo) musí být ve vodě rozpustné. 2) Fluorescenční barvivo musí zobrazit dostatečnou teplotní závislost při vhodném teplotním rozsahu. 3) Fluorescenční barvivo musí být fotostabilní pro experimentální podmínky, to pak přináší viditelné záření (vhodně vysoká koncentrace a laserová intenzita). 4) Absorpce a záření barviva musí být spektrálně odděleny. 5) Reabsorpce emitujícího fluorescenčního signálu musí být minimální. [1] Na základě odborné rešerše o nejběžnějších fluoreskujících barvivech používajících se pro LIF metodu se zjistilo, že Rhodamin B má jednu z největších teplotních citlivostí, pokud je vybuzen s běžnými laserovými zdroji jako argon-ion (488 a 514 nm) a Nd:YAG (532 nm). Rhodamin B je jedním z nejpoužívanějších fluorescenčních indikátorů pro měření teploty v proudící vodě díky jeho velké rozpustnosti ve vodě, nízké ceně, vysoké absorpci a vyzařování a jeho teplotní závislosti. Další barvivo ukazující dobrou rozpustnost ve vodě a nízkou cenu je Fluorescein 27 (FL27, také nazvaný Fluorescein 548; C 20 H 10 O 5 Cl). [1] 6

systému PLIF/Úvod Tab. 1.1 Teplotní charakteristiky fluoresceinů a červeně emitujících barviv [1] Typ barviva Buzení (nm) Teplotní rozsah ( C ) Teploní závislost emisí (% na C ) Reference FL27 a 532 20-80 +3.50 Present study FL b 514 20 60 +2.43 Coppeta and Rogers (1998) FL b 488 20-60 -0.16 Coppeta and Rogers (1998) FL b 488 24-46 -0.30 Walker (1987) RhB 532 20-60 -1.59 Present study RhB 532 25-85 -1.34 Saeki and Hart (2001) RhB 532 20-80 -0.80 Bruchhausen et al. (2005) RhB 514 20-60 -1.54 Coppeta and Rogers (1998) RhB 514 24-57 -1.82 Lavieille et al. (2001) RhB 488 15-40 -1.95 Sakakibara and Adrian (1999) RhB 488 20-70 -1.81 Sakakibara et al. (1993) RhB 488 15-40 -1.82 Hishida and Sakakibara (2000) Kiton Red 532 20-60 -1.58 Present study Kiton Red 514 20-60 -1.55 Coppeta and Rogers (1998) Rh101 532 20-60 -0.70 Present study Rh101 532 20-85 -0.10 Saeki and Hart (2001) a FL27 (Fluorescein 27 nebo Fluorescein 548); C20H10Cl2O5 b Disodium fluorescein; C20H10O5Na2 V tabulce jsou uvedeny druhy barviv, jejich budící vlnová délka a doporučené teplotní rozsahy, na které je lze použít. Barvivo může být nesvětlováno lasery o vlnových délkách 488 532 nm, nejsme tak limitováni použitím jednoho druhu laseru. Ovšem k vybranému laseru se z tabulky musí vybrat odpovídající typ barviva. Obr. 1.1 Závislost intenzity vyzářeného světla na teplotě a vlnové délce [1] Na Obr. 1.1 je vidět, že vyšší teploty přináší celkově vyšší fluorescenci záření, které se shoduje s výsledky COPPETA a ROGERS (1998) pro fluorescein s buzením 514,5 nm. Jak je vidět v Obr. 1.1, zářící (emisní) spektrum fluoresceinu se přesouvá k delším vlnovým délkám se stoupající teplotou. Tento 7

systému PLIF/Úvod teplotně závislý posun je detailně zobrazen na obrázku uvnitř Obr. 1.1, který zobrazuje fluorescenční záření pro teploty 24, 52 a 84 C, normalizováno maximem pro každou teplotu. Celkový rozdíl mezi špičkami fluorescence je 5 nm při rozdílu teplot 60 C či přibližně 0,008 nm na 1 C. [1] Obr. 1.2 Relativní záření spektra RhB (a), KR (b), a Rh101 (c) ve vodě pro teplotní rozsah od 24 C do 79 C [1] Obr. 1.2 zobrazuje fluorescenční spektrum tří barviv Rhodaminu ve vodném roztoku při vybuzení 532 nm s teplotním rozsahem od 22 do 80 C. Pro barviva Rhodaminu má zvýšení teploty za následek snížení fluorescenčního záření oproti FL27, kde roste fluorescenční záření s rostoucí teplotou. Grafy na obr. 1.2 zobrazují na ose x vlnovou délku (wavelength) v rozsahu od 540 do 660 nm. Pokles intenzity záření je 1,59% na 1 C pro RhB, 1,58% na 1 C pro KR a 0,70% na 1 C pro Rh101. Měřené teplotní citlivosti červených barviv se shodují s Tab. 1.1. [1] Obr. 1.3 - Absorpce a emise Rhodaminu B ve vodě [2] Obr. 1.3 zobrazuje absorpci a emisi Rhodaminu B ve vodě. Kde absorpce Rhodaminu je znázorněna modrou barvou a emise červenou barvou. Zelená čára zobrazuje vlnovou délku použitého laseru. Z obrázku je patrné, že Rhodamin B nejlépe absorbuje světlo o vlnové délce 550 nm a re-emituje světlo o vlnové délce 590 nm. 8

systému PLIF/Postup měření 2. Postup měření Na začátku našeho experimentu jsme si nejprve museli vypočítat (viz kapitola 2.1) kolik už vytvořeného roztoku s Rhodaminem B, který byl už vytvořen ve větším množství o koncentraci 0,01 %, musíme přidat do našeho požadovaného množství vody (30 l), aby nám vznikly potřebné koncentrace k našemu měření. Což byly koncentrace 0,1.10-4 %, 0,1.10-3 % a 0,1.10-2 %, z toho první dvě koncentrace jsou zpracované v této práci. Dále jsme museli vyčistit akvárium pro roztok, aby v něm nezůstaly nečistoty, které by pak plavaly v roztoku a znehodnotily měření. Propojili jsme akvárium pomocí hadic a regulačních ventilů, které sloužily ke správnému udržení hladiny v nádrži, s čerpadlem LAUDA master PROLINE RP845, které má zabudovaný i termostat, jenž nám umožňoval nastavovat požadovanou teplotu roztoku v akváriu. Schéma je na Obr. 2.3.1 v kapitole 2.3. Když jsme získali takto propojenou soustavu, mohli jsme naplnit akvárium roztokem nejslabší koncentrace. To proto, abychom pak nemuseli vypouštět akvárium a napouštět znovu o jiné koncentraci. Takto stačilo pouze přilít daný roztok o koncentraci 0,01 % a zesílit tak koncentraci na další, o řád vyšší. K našemu měření jsme poté použili pulzní laser Nd:4A6 o vlnové délce 532 nm. Ten byl umístěn před akvárium, aby laserový řez vytvořený optikou laseru procházel skrz akvárium. Tento řez, resp. jeho výřez nám snímala kamera DANTEC DYNAMICS model: C4742-53-12NRB postavená kolmo na délku akvária (na tento laserový řez). Jako poslední věc potřebná k našemu měření byl číslicový multimetr Agilent U1252A s teplotní sondou Agilent U1181A. Ta nám umožňovala snímat teplotu roztoku v akváriu při nastavování požadované teploty na termostatu. Schéma je možno vidět na Obr. 2.3.2 v kapitole 2.3, kde je schéma pro měření. Laser a kamera byly propojeny s řídícím počítačem, ve kterém byl příslušný program Dynamic studio, přes který jsme spouštěli měření a samozřejmě toto měření pak vyhodnocovali a získali výsledky v podobě kalibračních křivek. Ty se získají opakovaným získáváním hodnot pro dané teploty, u nás od 10 C do 70 C po kroku 10 C. Při každém jednotlivém kroku vytvoří kamera několik snímků, které se zprůměrují. Do kalibračního programu se ke každému zprůměrovanému snímku připíše teplota změřená v akváriu. Tím se získá bod pro kalibrační křivku. Postup při měření byl následující. Když jsme měli vše zapojené, jak mělo být (viz Obr. 2.3.1, 2.3.2 a popis výše), mohli jsme začít měřit kalibrační křivky pro zvolené koncentrace. Nejprve jsme začali nejnižší koncentrací 0,1.10-4 %. Po napuštění akvária s touto koncentrací roztoku a úspěšné cirkulaci dokola, aniž by se měnila hladina roztoku v nádrži, jsme nastavili na termostatu teplotu cca 10 C a na laseru intenzitu laseru 200. Chvíli jsme museli čekat, než se teplota cirkulovaného roztoku ustálí na cca 10 C. Když se teplota ustálila, mohli jsme počítačem spustit laser a kameru pro snímání laserového řezu. Po dokončení tohoto měření jsme jen zvýšili intenzitu laseru na 500 a opět spustili přes počítač měření. Nakonec jsme zvýšili intenzitu laseru na 800 a opět počítačem spustili měření. Tím jsme získali snímky pro 3 intenzity laseru, ale jen pro teplotu 10 C. Tento postup jsme proto opakovali po každém navýšení teploty o 10 C až do 70 C. Tím jsme získali kalibrační snímky, ze kterých se poté vytvořily v programu Dynamic studio kalibrační křivky pro intenzity laseru 200, 500 a 800 v teplotním rozsahu od cca 10 C do 70 C. Stejný postup měření by se opakoval pro další dvě koncentrace. Opět by se při každé teplotě 10, 20, 30,, 70 C spouštělo kalibrační měření pro intenzity laseru 200, 500 a 800. 9

systému PLIF/Postup měření 2.1 Výpočty Koncentrace daná: c daná = 0,1 g/l = 0,01 % Požadované koncentrace pro měření: c 1 = 0,1.10-4 % c 2 = 0,1.10-3 % c 3 = 0,1.10-2 % Výpočet celkového objemu roztoku v zapojení: Objem roztoku v akváriu: Délka akvária = 69 cm, hloubka akvária = 12,5 cm, šířka akvária = 25,5 cm V 1 = 12,5. 25,5. 69 = 0,022 m 3 = 22 dm 3 (l) Objem roztoku v čerpadle: Délka nádoby čerpadla = 31 cm, hloubka nádoby čerpadla = 15 cm, šířka nádoby čerpadla = 15 cm V 2 = 0,006975 m 3 = 6,9 dm 3 (l) cca 0,9 l (topná spirála) = 6 l Objem v hadicích: cca 1 l Celkový objem V = V 1 + V 2 + V hadice = 22 + 6 + 1 = 29 l Požadovaný objem s roztokem (zaokrouhleně): V celk = 30 l Zadání pro potřebné roztoky: Kolik ml c dané roztoku je potřeba přidat do vody, aby vznikla požadovaná koncentrace c 1, c 2, c 3 o objemu 30 litrů? Výpočet potřebného objemu dané koncentrace [3]: c c V c V daná c1, c2, c3 voda voda 1, 2,3 (1) Vcelk V c V 1, 2,3 celk c1, c2, c3 cdaná (2) Po dosazení a výpočtu: V V V c1 c2 c3 30ml 300ml 3000ml 10

systému PLIF/Postup měření 2.2 Použité přístroje Pro měření byly v laboratoři k dispozici následující přístroje - Laser Nd:4A6, 4 třída nebezpečnosti, pulzní laser o vlnové délce 532 nm - Kamera DANTEC DYNAMICS, model: C4742-53-12NRB - Čerpadlo s termostatem LAUDA master PROLINE RP845 - Teplotní sonda Agilent U1181A Teplotní rozsah: -50 C až 700 C Přesnost: 0,75 % +- 2,2 C - Multimetr Agilent U1252A - Program na PC Dynamic studio 11

systému PLIF/Postup měření 2.3 Schémata pro měření a fotografie z měření Obr. 2.3.1 Schéma zapojení č. 1 LEGENDA schéma č. 1: 1 nádrž s roztokem 2 čerpadlo s termostatem LAUDA master PROLINE RP845 3 regulační ventil 4 rozdvojka 5 regulační ventil Popis schéma č. 1: V zapojení na obrázku vidíme akvárium (1) naplněné daným roztokem (např. c 1 ). Z akvária je vyvedena hadice, která vede do vstupu čerpadla (2) vybaveného zároveň termostatem pro ohřívání a ochlazování roztoku. Roztok, jenž teče z akvária do čerpadla, může být regulován ventilem (3), který je součástí akvária. Z výstupu čerpadla je vyvedena hadice, která je vedena do rozdvojky (4). Z ní vede jedna hadice do akvária a tím se uzavírá okruh pro koloběh roztoku. Druhá hadice vyvedená z rozdvojky přes regulační ventil (5) vede zpět do čerpadla. Regulační ventily nám v zapojení slouží k udržování hladiny v akváriu. 12

systému PLIF/Postup měření Obr. 2.3.2 Schéma zapojení č. 2 LEGENDA schéma č. 2: 1 LASER Nd:4A6, 4 třída nebezpečnosti, pulzní, vlnová délka = 532 nm 2 KAMERA DANTEC DYNAMICS model: C4742-53-12NRB 3 MULTIMETR Agilent U1252A 4 snímaná plocha 5 laserový řez 6 nádrž s roztokem 7 teplotní sonda Agilent U1181A 8 čerpadlo s termostatem LAUDA master PROLINE RP845 Popis schéma č. 2: Na tomto obrázku je vidět laser (1), který díky své optice vyzařuje laserový řez (5). Tento řez osvětluje danou plochu v akváriu (6). Pro snímání výřezu (4) tohoto laserového řezu nám slouží kamera (2), která pořizuje snímky daného teplotního pole, při určité intenzitě laseru a nastavené teplotě. K měření teploty nám slouží multimetr (3) s teplotní sondou (7). 13

systému PLIF/Postup měření Obr. 2.3.3 Fotografie reálného zapojení v laboratoři V levé části obrázku je snímací kamera a výkonný laser, který vyzařuje světlo ve formě laserového nože (úzký pruh světla o šíři několika milimetrů) a osvětluje akvárium uprostřed. V pravé části dole je čerpadlo s termostatem. Obr. 2.3.4 Fotografie použitého čerpadla s termostatem LAUDA master PROLINE RP845 Na obrázku je detail použitého čerpadla s termostatem. Obsah nádrže čerpadla je cca 6 l a obsahuje topnou spirálu. 14

systému PLIF/Postup měření Obr. 2.3.5 Filtry pro kamery používající se k měření Obr. 2.3.6 Fotografie při měření s topnou spirálou Na obrázku je zřetelná vyšší koncentrace barviva Rhodaminu B ve vodě, koncentrace c = 0,1.10-4 %. 15

systému PLIF/Postup měření Obr. 2.3.7 Fotografie při měření osvětlení akvária laserovým řezem 16

systému PLIF/Kalibrace - měření 3. Kalibrace měření Kalibrace pro roztok c 1 = 0,1.10-4 % Pro každou nastavenou teplotu roztoku jsme nastavovali intenzitu laserového paprsku na 200, 500 a 800. Kalibrační náměry: Náměr Nastavená teplota [ C] 1 6,4 2 17,5 3 26,8 4 40,0 5 50,0 6 60,0 7 69,0 Pokud jsme získali požadovanou koncentraci v akváriu, můžeme začít kalibraci. Při ní se zjistí pro jaké rozmezí teplot, a či vůbec, je daná koncentrace vhodná. Výsledná křivka je vždy klesající exponenciála a daná koncentrace určuje její parametry. Hledají se na ní takové úseky, které se dají proložit přímkou při co nejmenším zkreslení, a aby byla přímka co nejstrmější. Kalibrační křivka se získá opakovaným získáváním hodnot pro dané teploty, u nás od 10 C do 60 C po kroku 10 C. Při každém jednotlivém kroku vytvoří kamera několik snímků, které se zprůměrují. Do kalibračního programu se ke každému zprůměrovanému snímku připíše teplota změřená v akváriu. Tím se získá bod pro kalibrační křivku. Pro každou koncentraci se křivka vždy posune, změní. Důležitým faktorem pro kalibraci je také použití vhodné intenzity laseru. Použitelná hodnota u nás byla 500nm. Při vyšší hodnotě blížící se stropu rozsahu laseru dochází v nižších měřených teplotách při snímání kamerou ve snímku k tzv. přepalům 1). Jedná se o nasvícení akvária velkou intenzitou laseru. Kamera, která oblast snímá, nemá dostatečnou rozlišovací schopnost (měří stupně šedi) a na výsledném snímku zobrazí v celém snímku, nebo jeho částech, jinou barvou než jaká odpovídá různým stupňům šedi, viz Kalibrace-obrázky. To je důkaz, že měřená intenzita je vyšší, než dokáže kamera rozlišit. Stejný, nebo podobný výsledek můžeme získat i při následujícím měření pro další teplotu. Při vyšších teplotách přepaly 1) mizí a výsledná křivka může být i použitelná pro určitý rozsah teplot. Pro nižší teploty je na ní tzv. přetečení pixelů (blooming) 1) lehce viditelné, jedná se o místa pro nižší teploty, kde se křivka zdá useknutá shora. 1) Přetečení pixelů (blooming) kamerou snímaná intenzita emitovaného světla je vyšší, než je její rozlišovací schopnost (lze označit i jako přepal pixelu) 17

systému PLIF/Kalibrace - obrázky 4. Kalibrace obrázky 4.1 Kalibrace pro E = 800 Obr 4.1.1 T=6 C, E=800 Obr 4.1.2 T=17 C, E=800 Obr 4.1.3 T=27 C, E=800 Intenzita na obrázku je mimo měřitelné pásmo kamery, barva neodpovídá stupňům šedi. V kalibrační křivce se projeví jako bod zcela mimo kalibrační přímku. Při proložení křivky právě touto přímkou se změní její strmost, než jaká by byla bez tohoto bloomingu. Tyto obrázky jsou pro zpracování na kalibrační křivku nevhodné, kamera nemá dostatečné rozlišení jasu. Obr 4.1.4 - T=40 C, E=800 Obr 4.1.5 - T=50 C, E=800 Obr 4.1.6 - T=60 C, E=800 Obrázek se stává použitelným pro kalibrační křivku, blooming s rostoucí teplotou mizí zvyšuje se přesnost měření. Na dalších obrázcích je vidět tento blooming minimální, při této teplotě se dostáváme do měřitelného spektra snímací kamery. Obrázek 4.1.6 ukazuje, jak by měly vypadat všechny výsledné obrázky ze snímací kamery, blooming úplně zmizel. 18

systému PLIF/Kalibrace - obrázky Obr 4.1.7 - T=69 C, E=800 Pro vyšší teploty jsme měření neprováděli. Ohřev o dalších 10 C se stával pro čerpadlo s termostatem náročnější vlivem chladnějšího okolí (ochlazování vody) a neustálého proudění kapaliny z čerpadla do akvária a z něj zpět do čerpadla. Obr 4.1.8 Výsledná kalibrační křivka pro intenzitu E=800 První body křivky mají téměř stejnou intenzitu záření, a jak je vidět na obrázcích, nelze to použít pro správnou kalibraci. Výsledná kalibrační křivka je v důsledku příliš vysokého jasu nepřesná a má díky bloomingu jiný sklon. Křivka by byla použitelná pro vyšší měřící teploty (od 40 C). 19

systému PLIF/Kalibrace - obrázky 4.2 Kalibrace pro E = 500 Obr 4.2.1 - T=7 C, E=500 Obr 4.2.2 - T=17 C, E=500 Obr 4.2.3 - T=27 C, E=500 Při intenzitě laseru E = 500 získáme viditelně rozdílný snímek oproti intenzitě E = 800. Blooming je zde menší a je pouze v části snímku. Měření získává na přesnosti. Na dalším snímku blooming mizí, snížením intenzity laseru se dostáváme do pásma rozlišení snímací kamery. Výsledné obrázky jsou už použitelné pro vytvoření kalibrační křivky s minimálním zkreslením. Obr 4.2.4 - T=40 C, E=500 Obr 4.2.5 - T=50 C, E=500 Obr 4.2.6 - T=60 C, E=500 Na obrázku 4.2.4 jsou patrné bublinky, které nepatrně přispívají ke zkreslení výsledné intenzity šedi snímané kamerou. Lze je odstranit vyčištěním stěny akvária ve snímané oblasti. Na následujícím obrázku je patrný tentýž problém jako u předchozího velké množství bublinek na stěně akvária. Obrázek 4.2.6 je již bez bublinek, lidskému oku se můžou zdát sousední obrázky stejné, ale snímací kamera rozezná i nepatrný rozdíl šedi. 20

systému PLIF/Kalibrace - obrázky Obr 4.2.7- T=69 C, E=500. Při prohlédnutí snímků je patrné, že s rostoucí teplotou klesá intenzita snímaného světla. V nižších teplotách je intenzita vyšší částice vody se pohybují jen nepatrně při nízké teplotě, tudíž částice Rhodamine 6G emitují při nasvícení laserem světlo o vlnové délce 590nm. S rostoucí teplotou se rozkmitávají částice vody, čímž se znesnadňuje nasvěcení těchto částic a jejich emitování světla pro kameru. Výsledkem je klesající intenzita snímaného emitovaného světla s rostoucí teplotou. Obr 4.2.8 Výsledná kalibrační křivka pro intenzitu E=500 Tato křivka vyšla nejlépe, snímky byly bez bloomingu a tím jsme dosáhly vyšší přesnosti měření. Při důkladném prohlédnutí uspořádání bodů je patrné, že závislost intenzity emitovaného světla na teplotě není lineární, ale spíše klesající exponenciela. Sklon a ostrost této klesající exponenciály závisí na použité koncentraci Rhodaminu B ve vodě a intenzitě nesvětlujícího laseru. 21

systému PLIF/Kalibrace - obrázky 4.3 Kalibrace pro E = 200 Obr 4.3.1 - T=6 C, E=200 Obr 4.3.2 - T=17 C, E=200 Obr 4.3.3 - T=27 C, E=200 Na těchto snících je patrné, že se nijak zásadně neliší jasem, neboli stupně šedi a již první snímek je velice tmavý. To může mít za následek malou rozlišovací schopnost výsledné kalibrační křivky. Použitá intenzita laseru E=200 je nedostačující pro získání dostatečné strmosti kalibrační křivky. Obr 4.3.4 - T=40 C, E=200 Obr 4.3.5 - T=50 C, E=200 Obr 4.3.6 - T=60 C, E=200 Obr 4.3.7 - T=69 C, E=200 Snímky pro intenzitu laseru E = 200 jasně ukazují, že zvolená intenzita je nedostačující. Rozdíly mezi stupni šedi jsou minimální a pro vyšší teploty tato intenzita nedokáže účinně osvítit barvivo emitující světlo. Výsledkem jsou velmi tmavé snímky pro kalibraci. 22

systému PLIF/Kalibrace - obrázky Obr 4.3.8 Výsledná kalibrační křivka pro intenzitu E=200 Při pohledu na kalibrační křivku je patrné, že emitovaná intenzita je velice malá a mění se minimálně s rostoucí teplotou. Pokud bychom tuto křivku použili pro měření teploty, dostali bychom výsledek s velkou chybou podobná intenzita odpovídá většímu teplotnímu rozsahu. Předešlé kalibrace jsou vhodné pro měření teploty v průhledné nádrži. Pro další testy se ovšem do nádrže mohou umístit různé teplotní prvky, například ohřívače. Při jejich vložení a následném měření teploty dochází ke zkreslení právě měřené teploty. Při kalibraci jsme měli celé zorné pole kamery prázdné a na toto prázdné pole je i provedena kalibrace. Vložením předmětu do zorného pole snímaného kamerou se nám toto pole změní. Kamera bude sice snímat stejné pole s předmětem, ale zobrazí nám rozdílnou intenzitu (teplotu). Rozdíl je způsoben nasvětlením laseru, které už není po celém zobrazeném poli, protože za předmět se světlo laseru nedostane. Proto by se pro větší přesnost měření měla kalibrace provádět s tímto vloženým předmětem. 23

systému PLIF/Kalibrace - obrázky 4.4 Kalibrace s vnořenou topnou spirálou, E = 500 Použitý roztok c 2 = 0,1.10-3 %. Obr 4.4.1 Výsledná kalibrační křivka s topnou spirálou Tuto kalibrační křivku jsme použili pro měření a zobrazení změny teploty se zapnutou topnou spirálou. 24

systému PLIF/Kalibrace - obrázky Obr 4.4.2 Detail na ohřev vody topnou spirálou Obr. 4.4.3 Ohřev vody topnou spirálou Na obrázcích je vidět stoupající proud teplé vody, jeho průběh a víry. Tato metoda je vhodná nejen ke zjišťování teploty v nádrži, ale také pro získání představy o teplotním rozložení vody a proudění při změnách teploty. Jednotlivé proudy teplé vody jsou pak na obrázcích rozpoznatelné od chladnější okolní vody. 4.4.4 Ohřev vody topnou spirálou Na tomto obrázku je v pravé části vidět jiné zbarvení. To je způsobeno tím, že osvětlení laserovým řezem se nedostane za spirálu a při snímání kamerou je tato oblast chybně interpretována jako oblast s vyšší teplotou. Proto je vhodnější provést kalibraci s již už vloženou topnou spirálou, popřípadě jiným tělesem. 25

systému PLIF/Kalibrační křivka 5. Kalibrační křivka Nejzřetelnější rozdíly v intenzitách jsou patrné v kalibrační křivce. Kalibrační křivka slouží pro měření reálných úloh. Vytváří se z jednotlivých snímků a jim odpovídajících teplot. Z těchto dvou hodnot se vytvoří bod, který se zanese do grafu. Opakovaným měřením pro vyšší teploty získáme další body křivky. Kalibrační křivka se získá vhodným proložením těchto bodů přímkou. Tuto kalibrační křivku za nás sestrojí počítač, my jsme využili služeb programu Dynamic Studio. Jednotlivé body křivky před proložením představují nějak posunutou klesající exponenciálu, jejíž parametry závisí na použité koncentraci a intenzitě laseru. Po proložení přímkou se tyto body více či méně vzdalují od získané kalibrační přímky, tudíž dochází v určitých částech křivky ke zkreslené výsledné teploty. Naměřená hodnota pomocí laseru a kamery se pak může lišit od reálné teploty naměřené teplotní sondou od pár desetin stupňů i o celé stupně. Někdy je proto výhodné nepoužít celý teplotní rozsah, pro který jsme křivku sestrojili, ale jen část. Touto změnou můžeme docílit zvýšení sklonu kalibrační křivky a tím také přesnosti na úkor zmenšeného měřitelného teplotního rozmezí. 26

systému PLIF/Kalibrační křivka 5.1 Graf kalibračních křivek Graf zobrazuje kalibrační křivky pro koncentraci c 1 = 0,1.10-4 %. 27

systému PLIF/Zásady pro správné měření 6. Zásady pro správné měření Pro měření s minimálními chybami je důležité dodržovat určité zásady: laserový nůž by měl osvítit v řezu celou nádrž kamera musí snímat vhodnou část nádrže s minimálním okolním rušením nádrž musí být, alespoň ve směru ke kameře a laseru, čistá a průhledná přívod teplé vody z topného čerpadla a odtok chladnější vody do něj by měly být co nejdále od sebe pro lepší promíchání vody všude přibližně stejná teplota eliminace lesklých ploch na nádrži a okolí při nasvětlení nádrže laserem by docházelo k odrazům světla a vznikům zkreslení eliminace odrazu laseru od vodní hladiny část nádrže nad vodní hladinou stačí přelepit černou páskou vhodné uspořádání a zapojení přívodu a odtoku vody do topného čerpadla, viz schéma č. 1 (Obr. 2.3.1) Závěr Na grafu jsou vidět kalibrační křivky pro (od shora) intenzitu laseru 800, 500 a 200. U intenzity 800 jsou patrné přepaly v první fázi kalibrace, sousední hodnoty jsou stejné maximum rozlišení kamery. Pokud bychom tyto body odstranily, strmost výsledné přímky se zvětší. Budeme moci měřit teplotu s větší přesností. Jediné omezení je, že se nám zmenší měřitelný teplotní rozsah. U intenzity laseru 500 jsme získali křivku, kterou můžeme použít v celém měřitelném rozsahu. U intenzity 200 je výsledná strmost velmi nízká, tím bude i teplotní rozlišovací schopnost nízká. Jednotlivé stupně jasu můžou splývat a výsledkem nám bude naprosto odlišná teplota, než je skutečná. Provedeným měřením bylo vyhodnoceno nejvhodnější nastavení intenzity laserového světla na atenuátoru, při maximálním nastavení intenzity světla flash lamp, jako 500. 28

systému PLIF/Použitá literatura Použitá literatura [1] Jeffrey A. Sutton, Brian T. Fisher, James W. Fleming. A laser-induced fluorescence measurement for aqueous fluid flows with improved temperature sensitivity, 2008. [2] J. Novotný, J. Matěcha, J. Nožička. PLIF METODIKA MĚŘENÍ. České vysoké učení technické v Praze, Odbor mechaniky tekutin a termodynamiky, 2003. [3] REMION, Agentura. Laboratorní průvodce [online]. [cit. 21. května 2011]. URL:<http://www.labo.cz/mft/koncentracer.php>. Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření. 29

systému PLIF/Použitá literatura 30