Messtechnik am Institut für Mehrphasenströmungen
Makroskopische Particle Image Velocimetry (PIV)
Endoskopische Particle Image Velocimetry
Micro Particle Image Velocimetry (µPIV)
Spektrales konfokales Laserscanning Mikroskop
Farbstofflaser
Faseroptische Konzentrationsmesstechnik für Blasensäulen- und Schlaufenreaktoren
Molecular Tagging Verlocimetry
Mikropraktikumsanlage
Makroskopische Particle Image Velocimetry (PIV)
Die Particle Image Velocimetry (PIV) hat sich in vielen Bereichen der Verfahrenstechnik zur Vermessung von Strömungsfeldern etabliert. Das Institut für Mehrphasenströmungen der Technischen Universität Hamburg-Harburg verfügt über ein System aus einem gepulsten Dual YAG-Laser der Firma Quantel Ltd. und einer digitalen CCD Kamera der Firma PCO AG. Der Laser emittiert polarisiertes Licht in einem gebündelten Strahl, das über einen im Raum frei beweglichen Arm in eine Lichtschnittoptik eingekoppelt wird. Der Strahl wird dort zu einem zweidimensionalen Lichtschnitt aufspannt, welcher durch die gewünschte Messposition geführt wird. Die Bildaufnahme erfolgt im rechten Winkel zu dieser Ebene. Abbildung 3 zeigt beispielhaft einen Versuchsaufbau für die Vermessung der Strömung in einem Rührkessel. Dem Medium werden Tracerpartikel zugegeben, die durch die definierte Wellenlänge des Laserlichtes zum Fluoreszieren angeregt werden. Mit zwei Lichtimpulsen wird jeweils ein Bild der fluoreszierenden Partikel aufgenommen. So ergeben sich Bildpaare, die mittels einer Kreuzkorrelation ausgewertet werden. Abbildung 1 zeigt ein einzelnes Rohbild, Abbildung 2 die Auswertung einer Versuchsreihe.
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| Abb. 1: PIV-Aufnahme in einem Rührkessel |
Abb. 2: Auswertung einer Versuchsreihe |
Technische Daten des Systems
Laser
- gepulster Dual-Nd:YAG-Laser der Firma Quantel (BSLT 220)
- Wellenlänge: 532 nm
- Leistungsstufe: Klasse 4, max 230 mJ
- Pulsfrequenz: max. 25 Hz (im Doppelpuls)
Kamera
- pco.1600 Bildfrequenz: max. 15 Hz Doppelbildrate
- Auflösung: 1600 x 1200 Pixel
Steuerung
- Synchronizer der Firma ILA GmbH
Messwerterfassung - Auswertung
- Software: VidPIV der Firma ILA GmbH
- Hardware: QuadCore Centrino PC mit 16 GB RAM
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| Abb. 3: Versuchsaufbau für PIV-Messungen an einem Rührkessel |
Endoskopische Particle Image Velocimetry (Endoscopic PIV)
Die Particle Image Velocimetry (PIV) hat sich in vielen Bereichen der Verfahrenstechnik zur Vermessung von Strömungsfeldern etabliert. Die non-invasive PIV erlaubt in Mehrphasensystemen mit hoher Dispersphasenkonzentration allerdings keine Messungen, da Feststoffpartikel, Tropfen oder Gasblasen in zu hoher Dichte die freie Sicht auf die Lichtschnittebene behindern. Unter diesen Bedingungen ist es möglich, mit Hilfe von Endoskopen näher an die zu untersuchende Messebene zu gelangen. Als Grundaufbau dient dabei ein konventionelles PIV-System. Am IMS kommt hierfür ein System bestehend aus einem gepulsten Dual YAG-Laser der Firma Quantel Ltd. und einer digitalen CCD Kamera der Firma PCO AG zur Anwendung.
Technische Daten des Systems
Laser
- gepulster Dual-Nd:YAG-Laser der Firma Quantel (BSLT 220)
- Wellenlänge: 532 nm
- Leistungsstufe: Klasse 4, max 230 mJ
- Pulsfrequenz: max. 25 Hz (im Doppelpuls)
Kamera
- pco.1600 Bildfrequenz: max. 15 Hz Doppelbildrate
- Auflösung: 1600 x 1200 Pixel
Steuerung
- Synchronizer der Firma ILA GmbH
Messwerterfassung - Auswertung
- Software: VidPIV der Firma ILA GmbH
- Hardware: QuadCore Centrino PC mit 16 GB RAM
Abb. 1:
Digitale CCD Kamera mit Endoskop
Der Laser emittiert polarisiertes Licht in einem gebündelten Strahl, das über einen im Raum frei beweglichen Arm in eine endoskopische Lichtschnittoptik eingekoppelt wird. Hierfür wird der Strahl zu einem zweidimensionalen Lichtschnitt aufspannt und sehr nah an die gewünschte Messposition geführt. Im rechten Winkel zur Lichtschnittebene wird die CCD-Kamera mit endoskopischer Sonde positioniert. Abbildung 1 zeigt beispielhaft den Versuchsaufbau mit einer endoskopischen Kamerasonde. Dem Medium werden Streupartikel zugegeben, die durch die definierte Wellenlänge des Laserlichtes zum Fluoreszieren angeregt werden. Nach zwei Lichtimpulsen wird jeweils ein Bild der fluoreszierenden Partikel aufgenommen. So ergeben sich Bildpaare, die mittels Kreuzkorrellation ausgewertet werden. Abbildung 2 zeigt ein einzelnes Rohbild, Abbildung 3 die Auswertung einer Versuchsreihe.
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| Abb. 2: Endoskopische PIV-Aufnahme |
Abb. 3: Auswertung einer Versuchsreihe |
Micro Particle Image Velocimetry (µPIV)
Berührungslose laseroptische Messung von stationären und instationären Geschwindigkeitsfeldern in Apparaten mit geringen Abmessungen (µm- bis mm-Skala)
Eine der Kernkompetenzen des Instituts für Mehrphasenströmungen an der Technischen Universität Hamburg-Harburg ist die laseroptische Vermessung von Geschwindigkeitsfeldern mittels Particle Image Velocimetry (PIV).
Das Institut verfügt über ein PIV System der Firma ILA GmbH. Dieses System ermöglicht auch die Anwendung der Laser Induzierten Fluoreszenz (LIF) sowie die Erweiterung zur Micro-Particle Image Velocimetry (µPIV). Eine Erweiterung zum High-Speed-µPIV befindet sich im Aufbau.
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| Abb. 1: Schema des µPIV-Systems am Beispiel der Vermessung des Geschwindigkeitsfeldes im Nachlauf einer umströmten Hohlfasermembran |
Prinzip der Messtechnik
Mit der µPIV-Messtechnik lassen sich Geschwindigkeitsfelder bestimmen, indem Tracerpartikel, welche der Fluidbewegung trägheitslos folgen, mit einem Laser zur Fluoreszenz angeregt und mit einer CCD-Kamera erfasst werden. Durch Korrelation von Tracerpunkten auf zwei Folgebildern wird die Bewegung der Tracer ermittelt und ihre Geschwindigkeit und Richtung errechnet. Abb. 1 zeigt das Messprinzip schematisch.
Spezifikationen des Systems
Laser:
- Gepulster Dual-Nd:YAG-Laser der Firma Quantel (BSLT 220)
- Wellenlänge: 532 nm (mittels Farbstofflaser durchtrimmbar von Nah-Infrarot bis Nah-UV)
- Leistungsstufe: Klasse 4, max. 230 mJ (gepulst)
- Pulsfrequenz: max. 25 Doppelpulse pro s, min. 1 µs Pulsabstand
Der Laser kann mittels Spiegelarm an unterschiedliche Anlagen gekoppelt werden.
Mikroskop:
inverses Forschungsmikroskop Olympus IX71.
Objektive: 4x, 10x, 20x, 40x (Abb. 2).
Mittels einer Schaukel-Aufhängung lassen sich sowohl vertikale als auch horizontale Strömungen untersuchen.
Probenpositionierung:
Kreuztisch OWIS PKTM 100, motorisiert
- Stellweg: 100 mm je Achse
- Präzision: < 25 µm
Kamera:
pco.1600 mit Doppelshutter. Doppelbildrate: max. 15 Hz
Steuerung:
ILA Synchronizer (externe Triggerung möglich)
Messwerteerfassung:
- Software: VidPIV der Firma ILA GmbH
- Hardware: QuadCore Centrino PC mit 16 GB RAM
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| Abb. 2: µPIV-System (Mikroskop A, Laser- und LED-Einkopplung B, Kamera-Einkopplung C, Kreuztisch D, Farbstofflaser E, Schaukel F) |
Spektrales konfokales Laserscanning Mikroskop FluoView 1000 (FV 1000, Olympus) mit höchster spektraler und räumlicher Auflösung auf der Basis des motorisierten inversen Forschungsmikroskops IX-81
Dem Institut für Mehrphasenströmungen der Technischen Universität Hamburg Harburg stehen für Forschungsarbeiten modernste Laborausrüstungen zur Verfügung. Dazu zählt vor allem das konfokale Laserscanning Mikroskop FluoView 1000, welches am Institut für die Vermessung lokaler Konzentrationsfelder Verwendung findet. Abbildung 1 zeigt das konfokale Mikroskop der Firma Olympus.
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| Abb. 1: konfokales Laserscanning Mikroskop FluoView 1000 der Firma Olympus |
Besonderheiten:
- Das System ist mit einem vom Hersteller entwickelten SIM-Scanner ausgestattet, der über zwei unabhängige, vollständig synchronisierte Laserscanner verfügt. Beide erlauben die simultane, d.h. gleichzeitige Laserstimulation und konfokale Beobachtung, so dass schnelle Reaktionen ohne Zeitverzögerung untersucht werden können.
- Die Laserleistung wird erstmalig in der konfokalen Laserscanning Mikroskopie über eine Feedback Schleife konstant gehalten, so dass stets identische Anregungsbedingungen vorliegen.
- Das FluoView 1000 erlaubt die Verwendung von UV-Lasern (351nm), sichtbaren Lasern und IR-Lasern (ca. 1250nm) an einem Setup. Die Einkopplung erfolgt über 3 getrennte Kollimatoroptiken.
- Es können weitere Lasersysteme wie z.B. UV Argon (351nm), 405nm Laserdiode (50mW), 440nm Laserdiode (25mW), 559nm Laserdiode (20mW), 635nm Laserdiode (20mW), IR-Laser nachgerüstet werden.
- Zur Ausstattung gehören Steuerungsrechner mit Analysesoftware und Aufnahmesoftware sowie ein 30“ TFT-Monitor. Das umfangreiche Softwarepaket umfasst 3D-Visualisierung, Experimentmanager, Kolokalisationen etc.
- Ein vibrationsisoliertes Tischsystem ist vorhanden. Mittels einer Kippvorrichtung lassen sich auch vertikale Anordnungen untersuchen. Diese Kippvorrichtung befindet sich im Aufbau.
Spezifikationen:
Laser:
multiline Argon (30mW): 458nm, 488nm, 514nm
Mikroskop:
Konfokales Laserscanningmikroskop Fluoview 1000 auf der Basis des motorisierten inversen Forschungsmikroskops IX-81
Bildauflösung/Scangeschwindigkeit:
Die Bildauflösung des Fluoview 1000-Scanners liegt bei maximal 4096x4096, die maximale Scangeschwindigkeit bei 16 frames/sec bei 256x256.
Ortsauflösung:
Die maximale Ortsauflösung liegt weit unter 1µm.
Probenpositionierung:
Die Probe wird über einen motorischen xy-Tisch verfahren.
Messwerteerfassung:
Software: Imaris der Firma Bitplane AG
Farbstofflaser
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| Abb.1: Farbstofflaser PULSARE Pro (Quelle: Fine Adjustment) |
Farbstofflaser Pulsare Pro:
- Einzelgitter 2400 l/mm, 355nm & 532nm Pumpoptik
- Abstimmungsbereich 350nm – 740nm
- Bandbreite < 0.06cm-1 @ 570nm
Laserspezifikation
| conversion efficiency: Nd:YAG pumped 532nm |
25% @ 630nm DCM 28% @ 565nm Rhodamine 6G |
| wavelength reproducibility | < 0.005nm |
| absolute accuracy | < 0.01nm |
| scan linearity | < 0.002nm |
Faseroptische Konzentrationsmesstechnik für Blasensäulen- und Schlaufenreaktoren
Zur non-invasiven Konzentrationsmessung von gelöstem Sauerstoff steht am IMS eine faseroptische Messtechnik der Firma Presens zur Verfügung. Hierbei dient ein hauchdünner fluoreszierender Pad an der Innenwandung eines transparenten Gefäßes oder Reaktors als Indikator, der mit einer außenliegenden faseroptischen Anregungs- und Ausleseeinheit ausgewertet wird. Abbildung 1 und 2 zeigen ein Beispiel der Verwendung an einem Treibstrahlreaktor im Technikum des Institutes.
![]() Abbildung 1: Innerer Sensorspot und äußeres Glasfaserkabel |
![]() Abbildung 2: Rechnergestützter Transmitter im Versuchsaufbau |
Funktionsweise
Im Gegensatz zum LIF-Verfahren wird nach Anregung der Fluoreszenspartikel des Pads mit einer definierten Wellenlänge nicht nur die Intensität der Fluoreszens der Sensorpads zur Auswertung herangezogen, sondern auch die Phasenverschiebung des zurückkehrenden Fluoreszenslichtes. Hierbei wird die Veränderung durch das dynamische Quenching ausgenutzt, wie Abbildung 3 zeigt. Durch Auswertung dieser Parameter lassen sich Sauerstoffkonzentrationen ermitteln, nähere Informationen unter www.PreSens.de
Abb. 3: Einfluss des Sauerstoffs auf die Luminiszens (Quelle: PreSens)













