Laseroptische Messsysteme werden vielseitig eingesetzt, unter anderem für die Messung der Strömung in Blasen und Tropfen. Beispielsweise ist die Messung in Tropfen von besonderem Interesse für die Brennstoffzellenforschung, da das Wasserkondensat die Leistungsfähigkeit der Zelle stark mindern kann. Bei der laseroptischen Messung durch die dynamische Phasengrenzfläche erhöht sich aufgrund der zufälligen Lichtbrechung die Messunsicherheit erheblich. Um dem entgegenzuwirken, wurde in dieser Arbeit untersucht, wie sich der in der Astronomie weitverbreitete Ansatz einer aktiven Wellenfrontkorrektur auf die laseroptische Strömungsmesstechnik für die Korrektur einer zufällig dynamisch streuenden Phasengrenzfläche mit nur einem optischen Zugang durch die Grenzfläche übertragen lässt. Als neuartiger Leitstern wurde hierfür der Fresnel-Reflex der Oberfläche als Fresnel Guide Star (FGS), welcher alle Informationen über die optische Störung enthält, untersucht und eingesetzt. Validiert wurde der neue Leitstern exemplarisch für die zwei laseroptischen Messverfahren Laser-Doppler-Velocimetrie (LDV) und Particle-Image-Velocimetrie (PIV). Für das bildgebende Messverfahren PIV wurde ein Regelsystem realisiert, welches eine adaptive optische Korrektur einer oszillierenden Wasseroberfläche durchführt. Das System besteht aus einem Hartmann-Shack-Sensor (HSS), einer Signalverarbeitungseinheit und einem 69-elementigen deformierbaren Membranspiegel. Dabei muss die Signalverarbeitungseinheit aus dem Hartmannogramm die Wellenfront des FGS rekonstruieren, die Stellgröße berechnen und den Membranspiegel ansteuern. Diese komplexe Multiple-Input-Multiple-Output(MIMO)-Regelungsaufgabe stellt besondere Anforderungen an das System, da die Wasseroberfläche mit mehreren hundert Hertz schwingt und das System für eine hinreichende Reserve somit eine Regelrate im Kilohertzbereich haben muss. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurde als hybride Recheneinheit ein Field- Programmable System-on-Chip (FPSoC) eingesetzt. Dieser vereint eine Central Processing Unit (CPU) und einen Field-Programmable Gate Array (FPGA) auf einem einzigen monolithischen Chip als eine sehr leistungsfähige Symbiose beider Architekturen. Das System erreicht eine Regelrate von 3,5 kHz und war in der Lage, die optische Störung mit einer Dämpfungsbandbreite von bis zu 150 Hz zu dämpfen. Bei der PIV-Messung wurde die Erhöhung der Standardunsicherheit des Geschwindigkeitsfeldes, verursacht durch die Oszillation der Phasengrenzfläche, um 67 % reduziert. Das System kann beispielsweise für die Optimierung von Brennstoffzellen eingesetzt werden, um die Tropfeninnenströmung in den auf der chemisch aktiven opaken Membran kondensierten Tropfen mit nur einem einzigen optischen Zugang durch die streuende Grenzfläche zu messen. Damit könnte der Gleitprozess des Tropfens an der Membranoberfläche verstanden werden und das Wasser effektiver abtransportiert werden, um die Leistungsfähigkeit der Zelle zu steigern. Weitere Anwendungsgebiete sind die Strömungsmessung in Taylorblasen, Regentropfen oder Flüssigkeitskühlfilmen mit offener Oberfläche. Generell hat der neue FGS zusammen mit dem Regelungssystem das Potenzial, die optische Messung durch eine dynamische oszillierende Grenzfläche zu verbessern oder überhaupt erst zu ermöglichen. / Laser optical measurement systems are used in a variety of applications, e.g. the flow measurement in bubbles and droplets. The flow in droplets is of particular interest for fuel cell research, since water condensate can significantly reduce the efficiency of the cell. In laser-optical measurements the dynamic motion of the phase boundary increases the measurement uncertainty significantly because of the random refraction of light. Therefore this thesis investigates how the approach of an active wavefront correction, which is widely used in astronomy, can be applied to laser-optical flow measurement techniques for the correction of a dynamic phase boundary with only one optical access through the interface. For this purpose, the Fresnel reflection of the surface was investigated, which is called Fresnel Guide Star (FGS). It contains all information about the optical distortion. The new guide star was validated exemplarily for the two laser optical measurement techniques Laser Doppler Velocimetry (LDV) and Particle Image Velocimetry (PIV). For PIV a control system consisting of a Hartmann-Shack-Sensor (HSS), a signal processing unit and a 69-element deformable membrane mirror was realized, which performs an adaptive optical correction of the moving water surface. Therefore the signal processing unit must reconstruct the wavefront of the FGS from the Hartmannogram, calculate the set value and control the membrane mirror. This complex Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) control task results in extensive demands on the control system, since the water surface oscillates with several hundred hertz and the system must therefore have a control rate in the kilohertz range to ensure sufficient reserve. In order to meet these requirements, a Field- Programmable System-on-Chip (FPSoC) was used as hybrid computing unit. It combines a Central Processing Unit (CPU) and an Field-Programmable Gate Array (FPGA) on a single monolithic chip as a very powerful symbiosis of both architectures. The system achieved a control rate of 3,5 kHz and was able to attenuate the optical distortion with an attenuation bandwidth of up to 150 Hz. In the PIV measurement, the increase in the standard uncertainty of the velocity field caused by the oscillation of the phase boundary was reduced by 67 %. The system could be used for the optimization of fuel cells to measure the internal flow in the droplets condensed on the chemically active membrane with only one optical access through the fluctuating interface. This would allow the sliding process of the droplet on the membrane surface to be understood and the water to be removed more effectively in order to increase the performance of the cell. Further applications are flow measurement in bubbles, raindrops or liquid cooling films with an open surface, where the system expands the field of application for computational laser metrology. In general, the new FGS together with the low latency control system have the potential to improve the optical measurement through dynamically oscillating interfaces or to make the measurement possible at all.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:75637 |
| Date | 09 August 2021 |
| Creators | Radner, Hannes |
| Contributors | Czarske, Jürgen, Osten, Wolfgang, Hampel, U., Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | info:eu-repo/grantAgreement/Deutschen Forschungsgemeinschaft/Reinhart-Koselleck-Projekt/CZ55-30/ |
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