¿Qué es la Velocímetríca por Imagen de Partículas?

La velocimetría por imagen de partículas (PIV) es una técnica de medición óptica láser no intrusiva para la investigación y el diagnóstico de procesos de flujo, turbulencia, microfluidos, atomización por pulverización y combustión.

Principio de medida de la Velocimetría por Imagen de partículas

La velocimetría PIV es una técnica de campo de flujo completo que proporciona mediciones instantáneas del vector de velocidad en una sección transversal de un flujo.

El flujo está sembrado con partículas trazadoras. Las partículas se iluminan en el área objetivo con una lámina luminosa al menos dos veces en un intervalo corto de tiempo. La cámara toma imágenes del área objetivo y captura cada pulso de luz en cuadros de imagen separados. El desplazamiento de la partícula entre los pulsos de luz se puede utilizar para determinar los vectores de velocidad.

El área de medición depende de varios factores, incluida la potencia del láser, la siembra, la sensibilidad de la cámara y la velocidad del flujo.

Un potente láser equipado con componentes ópticos genera una lámina de luz, que normalmente se pulsa para producir un efecto estroboscópico.

Se miden dos componentes de velocidad, pero el uso de un enfoque estereoscópico permite registrar los tres componentes de velocidad, lo que da como resultado vectores de velocidad instantáneos en 3D para toda el área. El uso de cámaras digitales modernas y hardware informático dedicado da como resultado mapas de velocidad en tiempo real. 

Los vectores de velocidad se derivan de subsecciones del área objetivo del flujo sembrado de partículas, midiendo el movimiento de partículas entre dos pulsos de luz:

El flujo se ilumina en la zona objetivo con una lámina luminosa. La lente de la cámara reproduce el área objetivo en el conjunto de sensores de una cámara digital. La cámara es capaz de capturar cada pulso de luz en marcos de imagen separados.

Una vez que se registra una secuencia de dos pulsos de luz, las imágenes se dividen en pequeñas subsecciones llamadas áreas de interrogación (IA). Las áreas de interrogación de cada cuadro de imagen, I1 e I2, están correlacionadas entre sí, píxel por píxel.

La correlación produce un pico de señal, identificando el desplazamiento de partículas común, DX. Mediante la interpolación de subpíxeles se consigue una medición precisa del desplazamiento y, por tanto, también de la velocidad, obteniéndose un mapa del vector de velocidad en toda el área objetivo, repitiendo la correlación cruzada para cada área de interrogación en los dos cuadros de imagen capturados por la cámara.

   La correlación de las dos áreas de interrogación, I1 e I2, da como resultado el desplazamiento de partículas DX, representado por un pico de señal en la correlación C(DX).

Grabar ambos pulsos de luz en el mismo cuadro de imagen, para rastrear los movimientos de las partículas, brinda una idea visual clara de la estructura del flujo. En los flujos de aire, las partículas de siembra suelen ser gotas de aceite en el rango de 1 µm a 5 µm, mientras que para aplicaciones con agua, la siembra suele ser de poliestireno, poliamida o esferas huecas de vidrio en el rango de 5 µm a 100 µm. Se puede utilizar cualquier partícula que siga el flujo satisfactoriamente y disperse suficiente luz para ser capturada por la cámara.

El número de partículas en el flujo es de cierta importancia para obtener un buen pico de señal en la correlación cruzada. Como regla general, en cada área de interrogatorio se deben ver de 10 a 25 imágenes de partículas.

Imágenes de partículas de doble pulsación.

Cuando se conocen el tamaño del área de interrogación, el aumento de la imagen y el espesor de la lámina de luz, se puede definir el volumen de medición.

Resolución espacial y rango dinámico

Al configurar una medición PIV, la longitud lateral del área de interrogación, dIA y la ampliación de la imagen, s'/s, se equilibran con el tamaño de las estructuras de flujo que se van a resolver. Una forma de expresar esto es exigir que el gradiente de velocidad sea pequeño dentro del área de interrogación:

La velocidad más alta medible está limitada por partículas que viajan más allá del tamaño del área de interrogación dentro del tiempo, Dt. El resultado es una pérdida de correlación entre los dos cuadros de imagen y, por tanto, una pérdida de información de velocidad. Como una regla de oro:

En los sistemas PIV normales, la tercera componente de la velocidad es "invisible" debido a la geometría de la imagen. Esta tercera componente se puede derivar utilizando dos cámaras en una disposición estereoscópica.

Configuración experimental para mediciones PIV estereoscópicas del flujo detrás de un modelo de automóvil.

 Principales características y beneficios de la velocimetría por imagen de partículas:

• Técnica no intrusiva. Mide las velocidades de partículas del tamaño de una micra que se encuentran inmersas en el flujo.
• Rangos de velocidad desde cero a supersónica.
• Principio óptico, basado en imágenes, pudiendo comparar los resultados con lo que se puede ver en las imágenes.
• Diferentes opciones de medición:
• 2 componentes en un plano: PIV planar. Da como resultado planos 2D con componentes de velocidad U y V
• 3 componentes en un plano: PIV estéreo. Da como resultado planos 2D con componentes de velocidad U, V y W
• 3 componentes en un volumen: La velocimetría volumétrica mide U, V y W en un volumen 3D
• Amplio rango de dominio de medición: Desde menos de 1 mm² hasta varios m²
• Alta resolución espacial: Con cámaras que ofrecen hasta 29 MP, se pueden resolver incluso escalas pequeñas.
• Alta resolución temporal: Las cámaras modernas de alta velocidad ofrecen una resolución de hasta 25 kHz a 1 MP; recortar el sensor aumenta aún más la velocidad
• Mapas vectoriales de velocidad instantánea en una sección transversal del flujo.
• Obtención de los tres componentes de velocidad con el empleo de una disposición estereoscópica.
• Con secuencias de mapas vectoriales de velocidad, se encuentran disponibles estadísticas, correlaciones espaciales y otros datos relevantes.

Los resultados son similares a los de la dinámica de fluidos computacional (CFD)

Principales Componentes de los sistemas de velocimetría por Imagen de partículas (PIV):

La mayoría de sistemas incluyen, al menos los siguientes componentes:

• Iluminación: 

            Láser

            Óptica de lámina de luz

• Adquisición de imágenes:

           Cámara

           Lentes y filtros

• Adquisición/procesamiento de datos:

           Sincronizador

           Software

• Generación de partículas: 

            Generador de partículas

            Material de siembra

• Accesorios: 

            Herramientas de calibración

            Soportes para cámaras

            Sistemas de posicionamiento

Rosetta Technology ofrece una gama de soluciones de velocímetríca por imangen de partículas (PIV) que se adaptan a una gran variedad de necesidades de investigación. Los sistemas básicos utilizan una sola cámara, para medir dos componentes de velocidad en un plano, mientras que los sistemas más avanzados utilizan múltiples cámaras para medir tres componentes de velocidad, ya sea en un plano o en un volumen.

Análisis avanzado y visualización de datos:

Con el software de imágenes dispondrá de capacidades avanzadas de análisis y visualización. Podrá crear gráficos y animaciones 2D y 3D de calidad a partir de los datos medidos. Para lograr trazabilidad y comodidad, no es necesario exportar ni reimportar datos. Todos los datos se conservan en DynamicStudio. 

No deje de consultar la amplia gama de instrumentación que ofrece Rosetta Technology  para medida y control de anemometría, presión, caudal y temperatura de líquidos y gases en todo tipo de ensayos y estudios de fluidodinámica.

Si desea recibir información adicional o que nos pongamos en contacto con Ud. para comentar más en detalle esta u otras soluciones, no tiene más que llamarnos al 91 805 19 10 o enviarnos un e-mail. ¡Estaremos encantados de ayudarle!