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Messen der Strahlmittelgeschwindigkeit

Particle Image Velocimetry im Einzelbildverfahren

Beim Shotpeening ist die Strahlmittelgeschwindigkeit ein maßgeblicher Parameter für die Strahlintensität. Die Geschwindigkeit von Strahlmittelpartikeln soll deshalb ca. 100 mm nach dem Austritt aus einer Sandstrahldüse gemessen werden. Die zu erwartenden Werte liegen grob zwischen 50 und 150 m/s. Die Partikel bestehen aus weißer Keramik, sind kugelförmig und haben, in diesem Fall, einen Durchmesser zwischen 400 und 600 µm.

Die Messung erfolgt angelehnt an das Einzelbildverfahren einer „Particle Image Velocimetry“ genannten Messmethode. Dabei werden die zu messenden Partikel mit einem Laserstrahl belichtet und die Reflektionen der Partikel ausgewertet. Während der Belichtung entsteht eine sogenannte Bewegungsunschärfe, welche im direkten Zusammenhang mit der Belichtungszeit und der Strahlmittelgeschwindigkeit steht. Bei vorgegebener Belichtungszeit lässt sich die Geschwindigkeit aus der Länge der gemessenen Spuren errechnen.

Aufbau:

Aufbau zur Messung der Strahlmittelgeschwindigkeit

Im Bild ist der Versuchsaufbau zu erkennen. Rechts die eingespannte Strahldüse, links etwas dahinter ein Aluminiumgehäuse mit einer schnellen Fotodiode des Typs SFH203 (Rise/Fall-Time=5ns) in Hellschaltung. Die Kamera ist in einem Winkel von 90 Grad seitlich zur Düsenöffnung positioniert. Die Verlängerung der Düsenöffnung liegt genau auf der Abbildungsebene der Kamera.

Belichtung:

Belichtet wird in einem komplett abgedunkelten Raum mit einem „Laser-Blitz“. Er erzeugt in einem Abstand von ca. 500 mm einen ovalen Lichtfleck mit einer Größe von ca. 100 x 500 mm.

Lichtfleck ohne Kollimator

Die Länge des Impulses und damit die Blitzdauer ist auf 200 µSekunden eingestellt. Der entstehende Blitz wird mit der Fotodiode gemessen. Er entspricht der eingestellten Impulsdauer von 200 µS.

Puls von 200 Mikrosekunden

Das entstandene Foto:

Die Kamera wird bei offenem Verschluss in Stellung „Bulb“ mit Fernauslöser bedient. Für die Belichtungszeit ist ausschließlich die Dauer des Laserpulses maßgebend. Auf diese Weise belichtete Fotos lassen sich gut auswerten. Die belichteten Strahlmittelpartikel hinterlassen eine Bewegungsunschärfe, deren Länge der in der Belichtungszeit zurückgelegten Strecke entspricht.

Strichlänge als Maß für die Strahlmittelgeschwindigkeit

Hier gibt es ein größeres Foto.

Über das Foto wird ein Raster mit bekannter Kantenlänge gelegt. An diesem Raster lässt sich die während der Belichtungszeit zurückgelegte Strecke leicht ausmessen.

Foto mit aufgelegtem Raster

Messergebnis:

Die Kantenlänge eines Quadrates des Rasters beträgt 2,42 mm. Mit dieser bekannten Größe lassen sich die zurückgelegten Wegstrecken nun vergleichen. Sie erstrecken sich über eine Länge von 5,5 bis 6,7 Quadraten.
Das entspricht Wegstrecken zwischen 13,3 und 16,2 mm. Die Blitzdauer von 200µs entspricht 1/5000 Sekunde. Multipliziert man die Wegstrecke mit 5000, so ergibt das Geschwindigkeiten zwischen 66,5 und 81,0 m/s.

■  Die Strahlmittelpartikel verlassen die Düse mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.

Vorteil des Einzelbildverfahrens:

Üblicherweise werden bei den PIV-Messverfahren zwei Bilder in einem bestimmten zeitlichen Abstand voneinander gemacht und Partikelmuster im Computer auf ihren räumlichen Versatz hin überprüft. Da sich aber nicht alle Partikel mit derselben Geschwindigkeit bewegen, wird bei diesem Verfahren nur die durchschnittliche Geschwindigkeit aller Partikel gemessen.
Der Vorteil des von uns verwendeten Einzelbild-Verfahrens liegt darin, dass wir nicht die durchschnittliche Geschwindigkeit aller Partikel, sondern die Geschwindigkeit jedes einzelnen Partikels messen können.

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