변경 감지를 통한 유동 분석

이러한 유동을 측정하는 데는 입자 이미지 속도 측정(PIV)과 같은 시각적 방법을 포함하여 다양한 방법을 사용할 수 있습니다. 고해상도 카메라는 유동 내에서 표시된 입자를 추적하고 그 움직임을 분석하는 데 사용됩니다. 독일 Aachen에 위치한 iLA_5150 GmbH도 현재 EBIV를 사용하고 있습니다. 이는 이벤트 기반 입자 이미지 속도 측정(Event Based Particle Image Velocimetry)의 약자로, 유동과 그 속도의 정성적과 정량적 시각화를 위한 새로운 광학 방법입니다. 이 솔루션은 PIV와 이벤트 기반 카메라를 결합한 것으로, IDS Imaging Development Systems GmbH의 uEye EVS를 사용합니다. 이 산업용 카메라의 혁신적인 센서 기술로 빠르고 격렬한 움직임에도 역동적이고 효율적인 감지가 가능합니다.

애플리케이션

EBIV 방법에서는 흐르는 유체에 작은 입자를 추가하여 평면, 즉 광 단면에 조명을 비춥니다. 입자는 LED 조명 섹션에 들어오고 나갈 때 개별 조명 펄스를 생성합니다. 이러한 로컬 밝기의 변화는 카메라 픽셀에 의해 독립적으로 기록되어 “change events (이벤트 변경)” 데이터 스트림으로 PC에 전송됩니다. 따라서 기존 카메라와 달리 이벤트 기반 카메라는 이미지 필드에 등록된 밝기 변화에만 반응합니다. 배경이나 변화하지 않는 조명 표면과 같은 고정된 산란광은 측정 신호를 생성하지 않습니다. 이렇게 하면 데이터 양이 상당히 줄어듭니다.

최대 10,000프레임률

데이터 스트림에는 기본적으로 어떤 일이 언제, 어디서 발생하는지에 대한 정보가 포함됩니다. 세부적으로는 센서의 픽셀 좌표, 픽셀 이벤트의 마이크로초 타임스탬프 및 이벤트에 대한 정보입니다: ON 또는 OFF. 이를 통해 강도가 증가하는 경우(ON 이벤트)와 강도가 감소하는 경우(OFF 이벤트)를 구분할 수 있습니다. 적절한 소프트웨어를 사용하면 스트림을 공간 정보와 스트림의 선형 시간축을 모두 사용할 수 있는 이미지 매트릭스로 변환할 수 있습니다. 이 결과는 고속 카메라의 매우 빠른 프레임률과 유사합니다.
"EBIV 측정 방법은 기존 이미징 방법과 근본적으로 다릅니다. 일반적으로 매우 많은 양의 데이터를 생성하므로 이를 처리할 수 있는 강력한 주변기기가 필요합니다. 1000헤르츠 이상의 탁월한 프레임 속도를 구현하기 위한 이미지 기반 카메라는 매우 복잡하고 고가의 제품이어야 합니다. 이벤트 기반 카메라 기술을 사용하면 초당 몇 기가비트의 USB을 와 같은 표준 PC 인터페이스로 초당 10,000fps 의 프레임률을 구현할 수 있습니다. 이벤트 기반 모델의 가격은 유사한 속도의 고속 카메라보다 훨씬 저렴하기 때문에 소규모 교육 및 연구 기관에서도 많은 관심을 받고 있습니다."라고 iLA_5150 GmbH의 개발 책임자 André Brunn 박사님이 설명합니다.

추가 처리

데이터 스트림은 온라인 유동 시각화를 위해 이미지 데이터로 변환되어리 프론트엔드 즉 EBIV 뷰어에 표시됩니다. 또한 사용자는 이미지 카메라의 노출 시간에 해당하는 통합 시간과 시퀀스의 시간 증분, 즉 두 개의 연속 촬영 사이의 기간을 선택할 수 있습니다. 클래식 이미지 필터도 사용할 수 있습니다. 이러한 설정을 통해 사용자는 이동 경로 표시를 최적화하고 개별 검사 목표에 맞게 조정할 수 있습니다. 미세한 유동의 디테일과 대규모 패턴을 모두 더 명확하게 인식할 수 있습니다. 측정 결과를 재조정할 수 있는 기능은 이벤트 기반 접근 방식의 또 다른 장점입니다.

카메라 및 소프트웨어

카메라의 경우 iLA 는 IDS 의 uEye XCP-E 카메라를 사용합니다. 이 작고 가벼운 산업용 카메라는 이벤트 기반 센서 기술을 제공하는는 견고한 다이캐스트 아연 하우징(29 × 29 × 17mm) 모델로, 나사식 USB Micro-B 연결이 가능합니다. 모든 표준 C-마운트 렌즈 크기와 호환됩니다. 산업용, 비산업용 어플리케이션에 모두 활용 가능합니다. 통합 이벤트 기반 비전 센서(EVS)는 Sony와 Prophesee가 개발했습니다. 이 제품은 효율적인 분석, 시각화, 커스터마이징을 위해 완벽하게 통합된 소프트웨어 도구와 모델, API 및 기타 교육 및 개발 리소스를 Metavision SDK가 지원합니다.

이를 기반으로 개발된 iLA_5150/PIVTec의 EBIV 뷰어는 유동 시각화 애플리케이션에 특별히 맞춤화되어 있습니다.

전망

유체 시스템과 프로세스를 최적화하려면 유동 조건에 대한 자세한 지식이 필요합니다. 정성적 유동 시각화는 효과를 이해하고 적절한 제어 메커니즘을 개발하는 데 가능합니다. 하지만 지금까지 높은 시간 해상도로 빠른 유동을 이미징하는 것은 일반적으로 고가의 고속 카메라로만 가능했습니다. 이벤트 기반 카메라 기술은 기술적 노력이 훨씬 적게 드는 것과 동시에에 비용 효율적인 대안을 제공합니다. 이러한 '간단한' 방법은 특히 교육과 연구 분야에서 필요했습니다. 이 기술을 사용하면 데이터 양이 감소하여 주변장치가 데이터 전송에 제한을 받지 않고 여러 대의 카메라 또는 대규모 카메라 어레이를 데이터 전송에 제한을 받지 않습니다. uEye EVS 모델은 컴팩트한 디자인으로 모바일 애플리케이션에도 이상적입니다. 즉, 인위적인 유동모델이나 채널에 의존할 필요 없이 실제 애플리케이션 환경을 직접 분석할 수 있게 되었습니다.

따라서: 이벤트 기반 카메라는 효율적이고 경제적인 고해상도 시각화 및 유동의 정량화를 지원합니다. 생성되는 데이터의 양이 적기 때문에 많은 프로세스를 거의 실시간으로 분석할 수 있어 완전 자동화된 시스템에 사용하기에도 좋습니다. 입자 이미지 속도 측정(PIV)과 같은 기존 유량 측정 방법을 원활하게 통합 및 확장할 수 있습니다. 이 기술은 움직이는 입자나 진동하는 표면 등 산란광 강도의 변화로 유동 정보를 캡처하는 모든 곳에서 사용할 수 있습니다.