SCHLIEREN
LÁNGCSŐ
LÁNGSPEKTROSZKÓP
SCHLIEREN

Schlieren

A Schlieren jelenség

A „Schlieren” jelenség alatt optikai inhomogenitásokon áthaladó fénysugarak irányváltozását értjük. Az optikai inhomogenitás önmagában tág fogalom, kialakulhat szilárd testeknél pl.: felületi egyenetlenségeknek köszönheto”en, vagy gáznemű közegeknél pl.: a sűrűség rohamos változása esetén. Az optikai inhomogenitásokban közös, hogy a rajtuk való áthaladás során a fénysugarak eltérülnek: képtorzulás alakul ki. Az 1. ábrán látható esetben egy autó tetején kialakult termikus határréteg okozza a Schlieren jelenséget, ami a háttérben látható rács párhuzamos vonalait eltorzítja.
A jelenség összetett, de némely esetben jól leírható törvényszerűségek szerint megy végbe, ezért a Schlieren módszerek fizikai jelenségek megmutatására és számszerűsítésére is alkalmasak (kvalitatív és kvantitatív felhasználás).

1. ábra – Termikus határréteg autó tetején [1]

Fizikai háttér

Tekintsünk valamilyen közeget, melyben a törésmutató eloszlása nem konstans, hanem folyamatosan változik. Ekkor a törésmutató mező változása vektorral, vagyis a törésmutató mező gradiensével jellemezhető. Ha egy fénysugár egy ilyen folytonosan változó törésmutatójú közegrészen halad át, akkor adott pontban egy R sugarú görbe pályára áll rá a 2. ábrán látható módon.

 

2. ábra – Fénysugár elhajlása folytonosan változó törésmutatójú közegben

R görbületi sugárra írható:

 

Az eltérülési szög értelmezése

Ha egy fénysugár x távolságot tesz meg egy grad (n) -nel jellemzett, folytonosan változó törésmutatójú közegben, akkor az eltérülési szög a görbe vonal érintője és a zavartalan fényterjedéshez tartozó egyenes által bezárt szög:

3. ábra – Az eltérülés szögének értelmezése

A törésmutatót befolyásoló fizikai jellemzők

A törésmutató általában függ a fény hullámhosszától; a közeg – melyen a fény áthalad – hőmérsékletétől, nyomásától és anyagi minőségétől, keverék esetén a komponensek koncentrációjától.
     
Adott anyagi minőség esetén a törésmutató a sűrűségtől függ. A gázokra vonatkozó állapotegyenletek figyelembevételével – az állapotegyenlet egyértelmű összefüggést teremt a sűrűség, a nyomás és a hőmérséklet között – a törésmutató változása a hőmérséklet és nyomásváltozást is mutatja.
   
A törésmutató hőmérséklet és nyomásfüggésének leírásában igen fontos a Gladstone – Dale összefüggés:
   
Az ideális gáztörvényt ugyanazon anyag két állapotára felírva :
 
Behelyettesítve a Gladstone – Dale egyenletet, írható:
    , illetve:  .
Izobár folyamatnál  :
 

A 4. ábrán atmoszférikus nyomású levegő törésmutatójának hőmérsékletfüggése látható. Megfigyelhető, hogy a hőmérséklet emelkedésével a görbe ellaposodik, ami egy – a törésmutató hőmérsékletfüggésére alapozó – mérés érzékenységét magas hőmérséklettartományban lerontja.

4. ábra – Környezeti nyomású levego” törésmutatója a ho”mérséklet függvényében

Párhuzamos sugármenetű Schlieren berendezések

Egy párhuzamos sugármenetű Schlieren berendezés egyszerűsített vázlatát mutatja az 5. ábra.

 

5. ábra – Schlieren berendezés vázlata

R	Rés
O1,O2	Schlieren objectívek
S	Tárgy
B	Blende (kés)
S’	Vetítés síkja

A fényforrás – az ábra bal oldalán – képét egy kondenzor lencserendszer egyesíti R rés helyén. R rés fényforrásnak tekinthet?. O1és O2 azonos kiképzés? lencséket jelölnek, így az O1- O2lencserendszer az R rés éles képét hozza létre O2 fókuszsíkjában (ez a sík megegyezik B kés síkjával). A fénysugarak a továbbiakban egy vetít?lencsén haladnak át, amely S tárgy képét hozza létre S’ megfigyelési síkban. Az R rés adott pontjából kiinduló fénysugarak O1-en áthaladva párhuzamos sugarakat alkotnak. Tekintve, hogy ez R bármely pontjára igaz belátható, hogy párhuzamos sugárnyalábokat kapunk (6. ábra).

6. ábra – Párhuzamos sugárnyalábok kialakulása

A 6. ábrából leolvasva a párhuzamos sugárnyalábok maximális szögeltérése:
  , ami kis szögekre :  
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.

7. ábra – a, Nincs kitakarás  b, Teljes kitakarás

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.

8. ábra – A vizsgált termikus határrétegben teljes elsötétedés alakult ki9. ábra – Termikus határréteg képe a blende elmozdítása esetén

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.

10. ábra – A tanszéki Schlieren berendezés vázlata (Schlieren – Aufnahmegerät 80)

1	Fényforrás
2	Kondenzor
3	Rés
4,6	Schlieren Objektívek
5	Vizsgálandó tárgy
7	Blende
8	Fotó objektív
9	Vetítő objektív
10	Matt üveg / Vetítés helye
11	Eltéríto tükör
12	Leképező objektív
13	Mattüveg / kés pozíciójának ellenőrzése

Színes Schlieren felvételek

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

11. ábra – Schlieren berendezéshez használható színes dia

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:

12. ábra – Rakétamodell körüli áramlás szemléltetése színes Schlieren technikával [2]

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

LÁNGCSŐ
A lángterjedési sebesség mérő berendezés felépítése

A rendszer gáz ellátása hálózati vezetékes gáz útján történik, míg a levegő ellátását egy ventilátor biztosítja. Mind a gáz, mind a levegő egy meghatározott mennyiségének szállítása egy keverőtéren keresztül történik az elégetésre és a keverék elegy sebességének mérésére szolgáló üvegcsőbe.

A gáz és a levegő útja a keverőtérig megegyezik. Külön-külön gázórával mérjük a eltérő koncentráció értékek beállításához szükséges mennyiségeket, majd egy kézi vezérlésű mágnesszelepeken keresztül juttatjuk a keverőtérbe. Itt jön létre a keverékképzés. A másik
lehetőség a mennyiségek beállítására az azonos kialakítású furattárcsák alkalmazása, amelyek az osztókörön különböző átmérőjú furatokkal rendelkeznek. A két tárcsával azonos nyomáson, eltérő furatátmérőkkel, azonos áramlási idő esetén a térfogatáramot lehet változtatni. A furat átmérők arányából számítható a gáz/levegő aránya.
A keverőtérből a beállított gáz/levegő elegy az ábrán látható módon feltölti a mindkét végén zárt üvegcsövet. Az üvegcső alsó zárófedele egy visszagyulladásgátló betéthez kapcsolódik. Ennek kettős szerepe van. Egyrészt az égés során a visszagyulladást akadályozza meg, másrészt a mérőcső beállított koncentrációjú keverékkel való feltöltődését is jelzi. A visszagyulladásgátló betét is telítődik az éghető eleggyel, amit a végén elhelyezett gyújtóláng meggyújt.
A mérésre szolgáló üvegcsőben az égőképes keveréket egy kézi vezérlés gyújtó elektródával gyújtjuk meg. A üvegcső alján és a végén két ionizációs detektor található, amelyek érzékelik a lángfront kialakulását, és a lángfront futásának befejezését. A két ionizációs érzékelő alternatív kapcsolóként egy relén keresztül indítja, illetve leállítja az elektromos stoppert a mérés során.

A tanszéki lángterjedési sebesség mérő berendezés elvi felépítése a 1. ábrán látható.

 


 

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

LÁNGSPEKTROSZKÓP

A láng spektroszkópiai berendezés

A BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék az OpLab Kft-t bízta meg a lángok spektroszkópiai analizálására alkalmas spektrofotométer megtervezésével és kivitelezésével.
A lángokban lezajló reakciók, különböző rövidéletű gyökök illetve égéstermékek képződését a lángsugárzás spektrális összetételének mérésével, illetve a spektrális eloszlás időbeli változásának követésével határozzuk meg. Meghatározható, hogy a lángnak (tűztérnek) bizonyos térfogatában milyen gyökök, égéstermékek keletkeznek, ezzel a láng egyes részeiben lejátszódó reakciók meghatározhatók. Így lehetőség nyílik különböző összetételű tüzelőanyagok égési folyamatainak összehasonlítására.
Alapvetően OH, CH, C2, HCO gyökök valamint CO, CO2 és NO égéstermékek kemiluminescens vizsgálata a cél. A spektrofotométer cserélhető rácsainak segítségével ezen komponensek emissziós spektruma felvehető.

Láng spektrofotométer felépítése:

 

 
1.ábra: a láng spektrofotométer blokkvázlata (kamera üzemmódban)
 

A láng spektrofotométer elemei:

Célzó kamera a hozzá tartozó optikával, mechanikával és elektronikával:

Az egység egy USB-re csatlakoztatható panelkamerából, a mérő optikai útból kiforgatható speciális leképző optikából és az azt mozgató léptetőmotorból áll.
A mérő kvarc optika és a forgatható leképző optika együttesen alkotja a kamera objektívét, amely egy méter távolságból 10 cm átmérőjű tárgyat képez le ¼ colos érzékelőre. Nagyobb érzékelő esetén arányosan nagyobb felületet képez le.

Mérő optikai rendszer:

A kvarc objektív 1 méter távolságból a láng 1 cm átmérőjű felületét képezi le a kvarc száloptika 0,5 mm átmérőjű bemenő felületére. A száloptika másik vége úgy van kialakítva, hogy az egy vonalba rendezett 50 mm átmérőjű szálak egyúttal a polikromátor belépő rését képezik.

Polikromátor egység:

A holografikus konkáv lencse képezi le az 50 mm széles rést a 25,4 mm hosszúságú 1024 pixeles NMOS diódasorra. Az alkalmazható rácsok: 200-500 nm, 270-570 nm, 340-840 nm. A rács cseréje esetén a kiértékelő SW azonosításra szolgáló könyvtárát is cserélni kell.

Elektronika:

A diódasor analóg jelét kondicionálás után 16 bites AD átalakító digitalizálja. A mérési adatok átmeneti tárolás után az USB-n keresztül továbbítódnak a PC-be. A vezérlési és kommunikációs feladatokat a mikrokontroller végzi. A kamera és a mérőrendszer USB felületeit a kétportos USB HUB helyettesíti, ily módon csak egyetlen USB kábelre van szükség.

PC SW:

A PC-n futó program feladata a műszer USB-n keresztül történő vezérlése, valamint a mért spektrumok megjelenítése és kiértékelése. A program lehetővé tesz az azonosításra szolgáló spektrumkönyvtárak felvételét és kalibrációs függvények kialakítását, valamint a mért adatok MS EXCEL-be továbbítását.