Hardware-effiziente Auswertealgorithmen für die bildgebende Echtzeit-Messung partikelbeladener Strömungen am Beispiel thermokinetischer Beschichtungsverfahren

Abstract

Fertigungsprozesse, die auf partikelbeladenen Strömungen wie dem thermokinetischen Beschichten basieren, sind sensitiv hinsichtlich der Geschwindigkeiten und Verteilungen der Partikel in der Strömung. Die Partikelgeschwindigkeiten und Partikelverteilungen beeinflussen insbesondere die Eigenschaften der gefertigten Werkstücke oder Beschichtungen. Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist die Untersuchung und Entwicklung effizienter Auswertealgorithmen zur Messung von Partikelgeschwindigkeiten in Echtzeit. Die Algorithmen basieren auf dem Particle Image Velocimetry-Verfahren, das eine hohe Toleranz gegenüber Störeinflüssen, wie fehlerhafter Partikelabbildungen und Bildrauschen, besitzt. Zur Beurteilung der Messunsicherheit der Auswertealgorithmen wurden typische Partikelcharakteristika sowie die physikalischen Abläufe bei der bildgebenden Messung an partikelbeladenen Strömungen modelliert und ein Software-Werkzeug für das Erzeugen von Bildern mit Partikelabbildungen implementiert. Die erzeugten Bilder dienen als Grundlage für die Auswertealgorithmen, um eine Untersuchung der Messergebnisse dieser Algorithmen für beliebige, modellierte Partikelanordnungen mittels virtueller Messungen zu ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden geeignete Auswertealgorithmen sowie ein intelligentes Kamerasystem zur Bestimmung von Partikelgeschwindigkeiten vorgeschlagen und als Messsystem realisiert. Eine wesentliche Eigenschaft dieses Kamerasystems ist die Extraktion der Messdaten in der Sensorik in Echtzeit auf Basis der vorgeschlagenen Hardware-effizienten Auswertealgorithmen. Ein Demonstrator wurde erfolgreich zur Echtzeit-Messung von Partikelgeschwindigkeiten an thermokinetischen Beschichtungsprozessen eingesetzt. The results of manufacturing processes that are based on particle flows depend on the velocities and distribution of those particles inside the flow. Subjects of this thesis are hardware-efficient algorithms for the real-time image-based measurement of particle velocities. The algorithms are based on Particle Image Velocimetry techniques, which have a high tolerance against various sources of error such as overlaid particle projections and noise. In order to evaluate the accuracy of the measurement algorithms, distinctive particle characteristics and the physical processes during image capturing have been modeled and a software tool for generating particle images was implemented. The generated images serve as a basis for the measurement algorithms to evaluate the results of those algorithms for arbitrary, modeled particle distributions by using virtual measurements. Within the scope of this thesis, measurement algorithms and a smart camera for determining particle velocities were proposed and combined to an imaging measurement system. A substantial property of this imaging system is the real-time availability of measurement data due to the proposed hardware-efficient measurement algorithms. A demonstrator was successfully implemented and applied to real-time measurements of particle velocities on thermal spray processes.