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<!DOCTYPE html>

<title>Particle Image Velocimetry</title>

</head>

<h1 id="firstHeading" class="firstHeading mw-first-heading"><span class="mw-page-title-main">Particle Image Velocimetry</span></h1>

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</div>

<p><b>Particle Image Velocimetry (PIV)</b> ist ein berührungsloses optisches Verfahren zur Bestimmung von <a href="Geschwindigkeitsfeld" title="Geschwindigkeitsfeld">Geschwindigkeitsfeldern</a> in der <a href="Str%C3%B6mungsmechanik" title="Strömungsmechanik">Strömungsmechanik</a>. In kurzem zeitlichen Abstand werden Partikel im <a href="Fluid" title="Fluid">Fluid</a> fotografiert. Aus den Partikelpositionen auf den Bildern kann die Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit näherungsweise gemittelt werden.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Geschichte">Geschichte</h2></div>

<p>1977 entwickelten drei Forschungsgruppen unabhängig voneinander die ersten quantitativen Particle Image Velocimetry Messungen. Das Verfahren wurde zunächst teils als Laser Speckle Velocimetry eingeordnet, jedoch wurden bereits einzelne Partikel verfolgt. Zu Beginn wurden die Bilder auf <a href="Fotografischer_Film" title="Fotografischer Film">Film</a> aufgenommen und die Bewegung der Partikel händisch vermessen. Dies änderte sich ab 1983, als erstmals vorgeschlagen wurde, die Auswertung über eine Autokorrelation durchzuführen. Die damaligen Computer waren jedoch nicht leistungsfähig genug, um die 2D-Korrelation zu berechnen, weshalb weiter viel von Hand ausgewertet wurde. Eine wesentliche Verbesserung des Verfahrens erfolgte 1986 durch den Einsatz doppelt gepulster Laser. In den 1990er Jahren wurde der Film nach und nach durch digitale Bilderfassung abgelöst. Damit kamen auch sogenannte Interline Transfer Kameras auf, die über einen Zwischenspeicher zwei Fotos direkt nacheinander aufnehmen konnten. Gleichzeitig kamen auch 3D-Verfahren auf, welche mit zwei Kameras ein 3D-Vektorfeld erfassen konnten.<sup id="cite_ref-1" class="reference"><a href="#cite_note-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Prinzip">Prinzip</h2></div>

<p>Einem zu untersuchenden <a href="Fluid" title="Fluid">Fluid</a> werden kleinste <a href="Teilchen" title="Teilchen">Partikel</a> zugesetzt. Bei Strömungsanalysen in Wasser werden meist mikroskopisch kleine, mit Luft gefüllte Glaskugeln verwendet. Ebenso geeignet sind Kunststoffpartikel aus <a href="Polyamide" title="Polyamide">Polyamid</a>.<sup id="cite_ref-2" class="reference"><a href="#cite_note-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> In Gasen werden die Partikel beispielsweise aus herkömmlichem <a href="Speisefette_und_Speise%C3%B6le" title="Speisefette und Speiseöle">Speiseöl</a><sup id="cite_ref-:0_3-0" class="reference"><a href="#cite_note-:0-3"><span class="cite-bracket">[</span>3<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> oder einem Testfluid wie DEHS mittels Druckluft erzeugt. Der Durchmesser der Partikel liegt zwischen 0,5 und 50 <a href="Meter#Dezimale_Vielfache" title="Meter">Mikrometer</a>. Die <a href="Dichte" title="Dichte">Dichte</a> der Partikel sollte ähnlich der Dichte des zu untersuchenden Fluids gewählt werden. Ein zu einer Ebene aufgeweiteter <a href="Laser" title="Laser">Laserstrahl</a> beleuchtet in einer Ebene die Partikel pulsierend. Während eines Pulses werden in kurzem Abstand zwei Bilder geschossen. Meist werden hierzu zwei CCD-Chips einer Kamera verwendet. Der zeitliche Abstand der Auslöseverzögerung muss an die Hauptströmungsgeschwindigkeit angepasst werden. Je schneller die Strömung ist, umso kürzer muss der Abstand der Auslöseverzögerung gewählt werden. Die Partikel bewegen sich in der Zeit zwischen den beiden Bildern mit der lokalen Strömungsgeschwindigkeit. Das von den Partikeln reflektierte Licht der beiden Pulse wird mit einem <a href="Objektiv_(Optik)" title="Objektiv (Optik)">Objektiv</a> auf den <a href="CCD-Sensor" title="CCD-Sensor">CCD-Sensor</a> einer Kamera abgebildet und anschließend digital weiterverarbeitet.<sup id="cite_ref-4" class="reference"><a href="#cite_note-4"><span class="cite-bracket">[</span>4<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Zweibildverfahren">Zweibildverfahren</h3></div>

<p>Für jeden Lichtpuls wird ein eigenes Bild der strömenden Partikel aufgenommen. Die Ermittlung der Geschwindigkeitskomponenten in der Bildebene gelingt durch die Berechnung der <a href="Kreuzkorrelation" title="Kreuzkorrelation">Kreuzkorrelationsfunktion</a> zwischen benachbarten Bildbereichen in beiden Bildern. Mit den Methoden der <a href="Photogrammetrie" title="Photogrammetrie">Photogrammetrie</a> kann die Kamera <a href="Kalibrierung" title="Kalibrierung">kalibriert</a> werden, damit die Bewegung aus den Bildkoordinaten in räumliche Koordinaten umgerechnet werden kann.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Einzelbildverfahren">Einzelbildverfahren</h3></div>

<p>Eine Variante des Verfahrens arbeitet mit einem einzelnen Bild für die Auswertung. Die Intensität des Beleuchtungspulses wird dabei während der Belichtung des Bildes variiert. Dadurch zeichnet jedes Teilchen durch seine Bewegung eine Spur im Bild, deren Helligkeit zwischen Anfang und Ende abnimmt. Der Spur kann somit eine Richtungs- und Geschwindigkeitsinformation zugeordnet werden. Die nachfolgende 3-D-Auswertung erfolgt genau wie beim Zweibildverfahren.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading4"><h4 id="Zweifarbverfahren">Zweifarbverfahren</h4></div>

<p>Statt die Intensität des Beleuchtungspulses zu variieren, können auch zwei verschiedenfarbige Lichtimpulse verwendet werden. Es entsteht ein farbkodiertes Abbild. Per Farbfilter können aus dem Einzelbild zwei Bilder erstellt werden, die jeweils den Zeitpunkt einer farbigen Belichtung abbilden. Anschließend erfolgt die Auswertung wie beim Zweibildverfahren.<sup id="cite_ref-5" class="reference"><a href="#cite_note-5"><span class="cite-bracket">[</span>5<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Vorteil dieses Verfahrens ist, dass kostengünstigere Kameras eingesetzt werden können.<sup id="cite_ref-6" class="reference"><a href="#cite_note-6"><span class="cite-bracket">[</span>6<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Einschränkungen"><span id="Einschr.C3.A4nkungen"></span>Einschränkungen</h2></div>

<p>Für die Particle Image Velocimetry wird ein guter optischer Zugang zur Messstrecke benötigt, was nicht immer gut möglich ist. Der Messbereich wird durch die Leistungsfähigkeit des Lasers beschränkt. Das Verfahren ist sehr aufwendig.<sup id="cite_ref-:0_3-1" class="reference"><a href="#cite_note-:0-3"><span class="cite-bracket">[</span>3<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Der Messbereich ist durch die minimale und maximale detektierbare Verschiebung von Teilchen begrenzt. Teils ist es nicht möglich, sehr langsame und schnelle lokale Strömungszustände in einer Abbildung darzustellen. Aufwendigere Verfahren umgehen dieses Problem mit Mehrfachbelichtungen unterschiedlicher Dauer.<sup id="cite_ref-7" class="reference"><a href="#cite_note-7"><span class="cite-bracket">[</span>7<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Weblinks">Weblinks</h2></div>

<ul><li><a rel="nofollow" class="external text" href="https://pivlab.blogspot.com">PIVlab: Open-source PIV Software für MATLAB, PIV Bilder/Videos etc.</a></li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Einzelnachweise">Einzelnachweise</h2></div>

<li id="cite_note-1"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-1">↑</a></span> <span class="reference-text">R. J. Adrian: <cite style="font-style:italic">Twenty years of particle image velocimetry</cite>. In: <cite style="font-style:italic">Experiments in Fluids</cite>. <span style="white-space:nowrap">Band<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>39</span>, <span style="white-space:nowrap">Nr.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>2</span>, August 2005, <a href="Internationale_Standardnummer_f%C3%BCr_fortlaufende_Sammelwerke" title="Internationale Standardnummer für fortlaufende Sammelwerke">ISSN</a> <span style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://zdb-katalog.de/list.xhtml?t=iss%3D%220723-4864%22&key=cql">0723-4864</a></span>, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>159–169</span>, <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.1007/s00348-005-0991-7">10.1007/s00348-005-0991-7</a></span> (<a rel="nofollow" class="external text" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s00348-005-0991-7">springer.com</a> [abgerufen am 16. September 2023]).<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Ajournal&rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Particle+Image+Velocimetry&rft.atitle=Twenty+years+of+particle+image+velocimetry&rft.au=R.+J.+Adrian&rft.date=2005-08&rft.doi=10.1007%2Fs00348-005-0991-7&rft.genre=journal&rft.issn=0723-4864&rft.issue=2&rft.jtitle=Experiments+in+Fluids&rft.pages=159-169&rft.volume=39" style="display:none"> </span></span>

</li>

<li id="cite_note-2"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-2">↑</a></span> <span class="reference-text">Sven Scharnowski, Christian J. Kähler: <cite style="font-style:italic">Particle image velocimetry - Classical operating rules from today’s perspective</cite>. In: <cite style="font-style:italic">Optics and Lasers in Engineering</cite>. <span style="white-space:nowrap">Band<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>135</span>, Dezember 2020, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>106185</span>, <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2020.106185">10.1016/j.optlaseng.2020.106185</a></span> (<a rel="nofollow" class="external text" href="https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0143816619318287">elsevier.com</a> [abgerufen am 16. September 2023]).<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Abook&rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Particle+Image+Velocimetry&rft.atitle=Particle+image+velocimetry+-+Classical+operating+rules+from+today%E2%80%99s+perspective&rft.au=Sven+Scharnowski%2C+Christian+J.+K%C3%A4hler&rft.btitle=Optics+and+Lasers+in+Engineering&rft.date=2020-12&rft.doi=10.1016%2Fj.optlaseng.2020.106185&rft.genre=book&rft.pages=106185&rft.volume=135" style="display:none"> </span></span>

</li>

<li id="cite_note-:0-3"><span class="mw-cite-backlink">↑ <sup><a href="#cite_ref-:0_3-0">a</a></sup> <sup><a href="#cite_ref-:0_3-1">b</a></sup></span> <span class="reference-text"><span class="cite"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/particle-image-velocimetry"><i>Particle Image Velocimetry - an overview | ScienceDirect Topics.</i></a><span class="Abrufdatum"> Abgerufen am 16. September 2023</span>.</span><span style="display: none;" class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Adc&rfr_id=info%3Asid%2Fde.wikipedia.org%3AParticle+Image+Velocimetry&rft.title=Particle+Image+Velocimetry+-+an+overview+%7C+ScienceDirect+Topics&rft.description=Particle+Image+Velocimetry+-+an+overview+%7C+ScienceDirect+Topics&rft.identifier=https%3A%2F%2Fwww.sciencedirect.com%2Ftopics%2Fengineering%2Fparticle-image-velocimetry"> </span></span>

</li>

<li id="cite_note-4"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-4">↑</a></span> <span class="reference-text"><span class="cite"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.dlr.de/as/desktopdefault.aspx/tabid-183/251_read-12796/"><i>DLR - Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik - Particle Image Velocimetry (PIV).</i></a><span class="Abrufdatum"> Abgerufen am 16. September 2023</span>.</span><span style="display: none;" class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Adc&rfr_id=info%3Asid%2Fde.wikipedia.org%3AParticle+Image+Velocimetry&rft.title=DLR+-+Institut+f%C3%BCr+Aerodynamik+und+Str%C3%B6mungstechnik+-+Particle+Image+Velocimetry+%28PIV%29&rft.description=DLR+-+Institut+f%C3%BCr+Aerodynamik+und+Str%C3%B6mungstechnik+-+Particle+Image+Velocimetry+%28PIV%29&rft.identifier=https%3A%2F%2Fwww.dlr.de%2Fas%2Fdesktopdefault.aspx%2Ftabid-183%2F251_read-12796%2F"> </span></span>

</li>

<li id="cite_note-5"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-5">↑</a></span> <span class="reference-text">Michael J. Stucky, Enrico Nino, Boguslaw Gajdeczko, Philip G. Felton: <cite style="font-style:italic">Two-color particle image velocimetry technique for an internal combustion engine</cite>. In: <cite style="font-style:italic">Experimental Thermal and Fluid Science</cite>. <span style="white-space:nowrap">Band<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>8</span>, <span style="white-space:nowrap">Nr.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>4</span>, Mai 1994, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>305–314</span>, <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.1016/0894-1777%2894%2990060-4">10.1016/0894-1777(94)90060-4</a></span> (<a rel="nofollow" class="external text" href="https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/0894177794900604">elsevier.com</a> [abgerufen am 16. September 2023]).<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Ajournal&rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Particle+Image+Velocimetry&rft.atitle=Two-color+particle+image+velocimetry+technique+for+an+internal+combustion+engine&rft.au=Michael+J.+Stucky%2C+Enrico+Nino%2C+Boguslaw+Gajdeczko%2C+...&rft.date=1994-05&rft.doi=10.1016%2F0894-1777%2894%2990060-4&rft.genre=journal&rft.issue=4&rft.jtitle=Experimental+Thermal+and+Fluid+Science&rft.pages=305-314&rft.volume=8" style="display:none"> </span></span>

</li>

<li id="cite_note-6"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-6">↑</a></span> <span class="reference-text">Andres A. Aguirre-Pablo, Meshal K. Alarfaj, Er Qiang Li, J. F. Hernández-Sánchez, Sigurdur T. Thoroddsen: <cite style="font-style:italic">Tomographic Particle Image Velocimetry using Smartphones and Colored Shadows</cite>. In: <cite style="font-style:italic">Scientific Reports</cite>. <span style="white-space:nowrap">Band<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>7</span>, <span style="white-space:nowrap">Nr.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>1</span>, 16. Juni 2017, <a href="Internationale_Standardnummer_f%C3%BCr_fortlaufende_Sammelwerke" title="Internationale Standardnummer für fortlaufende Sammelwerke">ISSN</a> <span style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://zdb-katalog.de/list.xhtml?t=iss%3D%222045-2322%22&key=cql">2045-2322</a></span>, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>3714</span>, <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.1038/s41598-017-03722-9">10.1038/s41598-017-03722-9</a></span> (<a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.nature.com/articles/s41598-017-03722-9">nature.com</a> [abgerufen am 16. September 2023]).<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Ajournal&rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Particle+Image+Velocimetry&rft.atitle=Tomographic+Particle+Image+Velocimetry+using+Smartphones+and+Colored+Shadows&rft.au=Andres+A.+Aguirre-Pablo%2C+Meshal+K.+Alarfaj%2C+Er+Qiang+Li%2C+...&rft.date=2017-06-16&rft.doi=10.1038%2Fs41598-017-03722-9&rft.genre=journal&rft.issn=2045-2322&rft.issue=1&rft.jtitle=Scientific+Reports&rft.pages=3714&rft.volume=7" style="display:none"> </span></span>

</li>

<li id="cite_note-7"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-7">↑</a></span> <span class="reference-text">Tim Persoons, Tadhg S. O’Donovan: <cite style="font-style:italic">High Dynamic Velocity Range Particle Image Velocimetry Using Multiple Pulse Separation Imaging</cite>. In: <cite style="font-style:italic">Sensors</cite>. <span style="white-space:nowrap">Band<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>11</span>, <span style="white-space:nowrap">Nr.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>1</span>, 23. Dezember 2010, <a href="Internationale_Standardnummer_f%C3%BCr_fortlaufende_Sammelwerke" title="Internationale Standardnummer für fortlaufende Sammelwerke">ISSN</a> <span style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://zdb-katalog.de/list.xhtml?t=iss%3D%221424-8220%22&key=cql">1424-8220</a></span>, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>1–18</span>, <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.3390/s110100001">10.3390/s110100001</a></span> (<a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.mdpi.com/1424-8220/11/1/1">mdpi.com</a> [abgerufen am 16. September 2023]).<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Ajournal&rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Particle+Image+Velocimetry&rft.atitle=High+Dynamic+Velocity+Range+Particle+Image+Velocimetry+Using+Multiple+Pulse+Separation+Imaging&rft.au=Tim+Persoons%2C+Tadhg+S.+O%E2%80%99Donovan&rft.date=2010-12-23&rft.doi=10.3390%2Fs110100001&rft.genre=journal&rft.issn=1424-8220&rft.issue=1&rft.jtitle=Sensors&rft.pages=1-18&rft.volume=11" style="display:none"> </span></span>

</li>

</ol></div><div><div class="zim-footer">

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