Schlieren System

The Schlieren phenomena

In general deflection of light beams passing through an inhomogeneous media is called the Schlieren phenomena. The phenomena can be the effect of surface roughness of transparent solids and/or changing properties in fluids and gases. What is similar in these effects is that the light beams deflect causing image distortion in an optical system. As an example, on figure 1. ábrán a thermal boundary layer is shown above the hot roof of a car. Light beams passing through this boundary layer will deflect distorting the image of the bars behind the car.
The phenomena is fairly complex, however in some special cases it can be well described. Based on these special cases the schlieren phenomena can be used for visualization and measurement purposes as well.

Physical background

Let’s consider a gaseous media with a distribution in its properties including the refractive index of the gas. The change of the refractive index field can be described with the gradient as it is a scalar filed: grad(n). If the light beams are passing through a media in which the gradient of the refractive index is constant (see Figure 2 than the light beams will change their lineal propagation into a circular path with a radii of R.

 

The radi of the new path is the following:

 

Angle of reflection

The angle of deflation is defined as the angle between the original lineal path and the tangent line of the new curved path (see Figure 3):

Physical properties affecting the refractive index

The refractive index depends on the wavelength and on the properties of the gas it is passing through. The latter ones are temperature, pressure, material properties, composition (in case of gas mixture)
     
For a given material the refractive index is dependent on the density. Considering the equation of state for that gas (the equation of state gives a relation betveen density, temperature and pressure) it is obvious that the refractive index is a function of pressure and temperature:
   
The so-called Gladstone-Dale equation gives the relation between the refractive index and density:
   
Applying the ideal gas law for two states: :
 
Substituting the Gladstone-Dale equation:
    , and:
For an isobaric process:
 

The light Figure 4 the refractive index is shown as the function of temperature at ambient pressure. At high temperature ranges the curve becomes flat. In case of a measurement of temperature based on a refractive index measurement one should count with decreasing sensitivity at high temperatures.

Schlieren equipments with parallel lightbeams

The scematic of a Schlieren equipment operating with parallel lightbeams is shown on Figure 5. 5. ábra.

The light source is placed on the left side. The light beams are collected with a lens system in the plane of the slot (R). With this set up the light source acts as a „slot light source”. After leaving the slot light enters the Schlieren objectives – and the subject in between them – and is collected in the plane of the knife (B). The image of the subject is formed in the plane of projection after going through an additional lens system.6. ábra).

The light 6. ábrából The maximal angle between two light beams
  , for low angles : :  
Tekintsük R rés hosszabbik élét a lap síkjára merőlegesnek (3. ábra). O2 fókuszsíkjában helyezzük el B Schlieren blendét (kés) úgy, hogy a blende éle párhuzamos legyen a rés hosszabbik élével (s1 a rés rövidebbik éle). A B blendét felfelé mozgatva R rés képéből egyre nagyobb részt takar ki, míg végül teljesen ki nem takarja. A kitakarásnak megfelelően S’ ernyőn a megvilágítás erőssége egyenletesen – az ernyő bármely pontjában egyformán – csökken.
Tegyünk S tárgy helyébe egy olyan síkot, amely csak egy pontban (P) képes a fénysugarakat átereszteni. Ebben az esetben a P ponton áthaladó fénysugarak egy  szögű fénykúpot alkotnak. A fénykúp sugarai a párhuzamos fénysugarakból kerülnek ki, minden irányhoz tartozó sugárnyalábból egy-egy. Ennek a fénykúpnak is egy s1szélességű rés a képe B blende síkjában, a fénysugarak S’ ernyőn egy pontban (P’) egyesülnek. Tehát a vizsgált térrész, vagy tárgy egy pontjának képe a leképzésben szintén pont. Ha a P pontban a fénysugarak iránya – Schlieren következtében – megváltozik, a rés képe eltolódik annak megfelelően, hogy az eltolódás a blende élével párhuzamosan felfelé, vagy lefelé történt. Ha a réskép lefelé tolódik el, akkor a blende annak egy részét kitakarja, a létrejövő P’ képpont megvilágításának erőssége csökken. Ellentétes irányú eltérülés esetén a képpont világosabb lesz. Mivel ez érvényes P síkjának bármely pontjára a Schlieren helyek egy időben mutathatók ki.
A Schlieren blende alaphelyzetét alkalmasan megválasztva – Schlierentől mentes körülmények között a résképet részben már kitakarja – a blende élére merőleges irányban az elhajlások mindkét irányban kimutathatók. Azon pontok megvilágítása, amelyek a blende él felé hajlottak el gyengébb lesz – az alap megvilágításhoz képest – míg, amelyek az ellenkező irányban térültek el, azoké erősebb.
A blende élével párhuzamos elhajlásokra a megvilágítás erőssége nem változik, így azokra a rendszer érzéketlen. Ezért a gyakorlatban két rés – és vele párhuzamos állású blende – állás mellett kell felvételeket készíteni. Célszerű a két állást úgy megválasztani, hogy azok egymással derékszöget zárjanak be.
Az eltérülési szög a kés pozíciójának és a Schlieren objektívek fókusztávolságának ismeretében számítható.

Méréshatár, érzékenység

A méréshatár vizsgálatánál azt kell tudnunk, hogy mekkora az a legnagyobb eltérülési szög, amit a rendszer még ki tud mutatni. A 16. ábra alapján belátható, hogy ha a rés képe „s1 mértékben” eltérül, akkor a kitakarás teljes, további eltérülés ebben az irányban már nem okoz változást a megvilágítás erősségében.

Közelítőleg írható:
az adott készüléken mérheto” legnagyobb szögelhajlás.
A fenti egyenletből látható, hogy a méréshatár s1 változtatásával változtatható (pl. növelhető, ha a kialakult Schlieren képen a teljes kivilágosodás, vagy teljes elsötétedés kialakul, lásd 7. ábra. Fontos ugyanakkor megjegyezni, hogy a rés változtatása hatással van az érzékenységre is.
Az érzékenység azt a minimális változást jelenti, amit egy módszerrel már észlelni lehet. Esetünkben ez a minimális eltérülési szög, amit tételezzünk fel a legnagyobb eltérülési szög ’p’ százalékának:
 
Az érzékenység ennek reciproka:

Látható., hogy ’s1’ résméret növelésével az érzékenység csökken.

A tanszéki Schlieren berendezés

A tanszéki Schlieren berendezés vázlata a 10. ábrán látható. A fényforrás higanygőz lámpa, a rés és a kés pozíciója precízen állítható. A Schlieren objektívek átmérője 80 mm, ez a vizsgálható térrész méretének felső korlátja.

Színes Schlieren felvételek

Lehetőség van a rés (10. ábra – 2) helyére színes illetve csíkos diát elhelyezni (lásd. 11. ábra).

A színes dia használata esetén, ha üres vizsgálótér mellett a dia pozícióját változtatjuk, akkor – feltéve, hogy a rés legfeljebb olyan vastag, mint a dián lévő csíkok vastagsága – egységes színű, alap megvilágítású képet kapunk. Az ekkor látható – 0 eltérülésű fénysugarakhoz tartozó szín – színt alapszínnek nevezzük.
Ha a vizsgálótérben Schlieren tartalmú tárgyat, vagy közeget helyezünk el, akkor az eltérülések eredményeként különböző színű zónák jönnek létre a leképzés során. Ekkor az eltérülési szög a színes dia csíkjainak vastagságából és a szín sorrendből számítható ki.

Példák:

Referenciák

1. Gary S. Settles: Schlieren and Shadowgraph Imaging in the Great Outdoors , Proceedings of PSFVIP-2, Honolulu, USA, May 16-19, 1999
   http://www.mne.psu.edu/psgdl/psfvip2.pap.copyrightedimages.pdf
2. http://www.la.dlr.de/ra/sart/projects/lfbb/colorschlieren.jpg

1.ábra – A tanszéki lángterjedési sebesség mérő berendezés elvi felépítése

1 – Nyomásszabályzó 2 – Gázóra (levegő) 3 – Gázóra (földgáz) 4 – Nyomáskülönbség mérő 5 – Mágnes szelep 6 – Furattárcsás áramlás szabályzó 7 – Keverőtér 8 – Visszaégés gátló / kontrolégő 9 – Gyújtóláng 10 – Stopper 11 – Jelfeldolgozó és stopper vezérlő 12 – Lefuvató szelep 13 – Nyomás ellenörző „U” cső 14 – Gyújtóelektróda 15 – Lángcső 16 – Lángfont érzékelő ionizációs detektor 17 – Töltés kapcsoló

A láng spektroszkópiai berendezés

Láng spektrofotométer felépítése:

A láng spektrofotométer elemei:

Célzó kamera a hozzá tartozó optikával, mechanikával és elektronikával:

Mérő optikai rendszer:

Polikromátor egység:

Elektronika:

PC SW: