CIS Systems : Применение цифрового генератора задержки STC810 для синхронного запуска лазера и динамической съемки пламени

1. Предпосылки к применению

В науке о горении важно иметь глубокое понимание динамики вихрей пламени, а также параметров образования и распределения загрязняющих веществ, таких как сажа.

Подобные исследования помогают оптимизировать эффективность сгорания и сократить выбросы загрязняющих веществ, при этом позитивно влияя на энергопотребление и защиту окружающей среды. Однако, из-за сложного характера внутренних вихрей пламени и высокой скорости изменений, традиционными методами измерения часто трудно получить информацию о вихрях достаточной точности.

Цифровая трассерная визуализация (PIV), как бесконтактный гидродинамический метод, продемонстрировала значительные преимущества для визуализации и количественной оценки распределения скоростей вихревых структур.

В методе анализируется смещение частиц в двух или более последовательных кадрах для расчета скорости вихревого потока путем введения частиц-индикаторов и облучения их лазером, используется высокоскоростная камера для захвата рассеянного или отраженного света.

Роль цифровых генераторов задержки в таких экспериментах имеет решающее значение из-за необходимости точно контролировать время импульсов, генерируемых источником лазерного излучения, точной синхронизации со временем экспозиции высокоскоростной камеры.

Положение трассирующих частиц на конкретной стадии горения может быть точно зафиксировано путем настройки генератора задержки для исследования сложной структуры вихревых потоков пламени. В то же время, для исследования распределения загрязняющих веществ, таких как сажа, метод PIV, который в основном фокусируется на сборе информации о скорости потока, может работать вместе с другими технологиями оптической диагностики, например, с лазерно-индуцированной флуоресценцией (LIF).

Регулирование генератора задержки и импульсов так, чтобы соответствующее оборудование для визуализации могло регистрировать положение частиц сажи в пламени в нужное время, позволяет исследовать динамический процесс образования и распределения сажи.

Таким образом, цифровой генератор задержки и импульсов является основным компонентом для высокоточного контроля времени, обеспечивая мощную техническую поддержку в изучении динамики вихрей пламени и распределения сажи в сочетании с трассирующими частицами метода цифровой трассерной визуализации (PIV). Данный прибор представляет собой мощный инструмент для исследований микромасштабных физических явлений в процессе горения.

STC810 ​​– это высокоточный цифровой генератор задержки и импульсов, имеющий до 8 каналов синхронного триггерного выхода, которые могут настраиваться отдельно, например по таким параметрам, как задержка и ширина импульса. STC810 обеспечивает разрешение импульса до 10 пс, межканальный джиттер менее 35 пс.

Прибор особенно подходит для точного синхронного управления несколькими устройствами в системе. STC810 может быть использован для синхронного управления экспериментальной системой исследования вихревых структур в пламени и распределения сажи, а также выполнения динамической съемки.

2. Протокол эксперимента

В эксперименте цифровой генератор задержки и импульсов STC810 ​​использовался, чтобы генерировать многоканальные выходные импульсы, которые одновременно запускали лазер для генерации высокоэнергетических импульсов и две высокоскоростные камеры Photron для захвата динамического поля потока пламени и поля распределения сажи.

Экспериментальное оборудование: восьмиканальный цифровой импульсный генератор задержки и импульсов STC810, лазер Edgewave, высокоскоростная камера Photron.

3. Ход эксперимента и результаты

3.1. Проверка стабильности импульса:

Таблица 1. Настройки параметров STC810 для проверки стабильности импульса

Результаты проверки стабильности импульса:

Как показано на рисунке 2, нарастающие фронты сигналов для каналов CH2 и CH3 совпадают, а форма сигнала четкая и без фазового дрожания.

3.2. Тестирование синхронизации лазера и камеры:

STC810 ​​запускается, используя нарастающий фронт триггерного сигнала излучения лазера Edgewave с частотой 10 кГц и энергией около 9 мДж на один импульс. STC810 запускает две синхронизированные между собой высокоскоростные камеры Photron ​с частотой съемки 10 кГц, время начала экспозиции двух камер контролируется задержкой каналов CH2 и CH3, а время начала записи сигнала контролируется каналом CH4. 

Таблица 2. Настройки параметров STC810 для тестирования синхронизации ​​лазера и камеры

Результаты теста синхронизации лазера и камеры: лазер срабатывает стабильно, энергия и задержка не колеблются. Изменяя время задержки сигнала синхронизации камеры, можно наблюдать стабильное изменение яркости лазера без джиттера. Две камеры записывают изображение синхронно.

3.3.  Динамическая съемка поля распределения сажи в поле потока пламени:

Цифровой импульсный генератор задержки и импульсов STC810 использовался, чтобы запустить лазер и две высокоскоростные камеры для захвата динамического поля потока пламени и поля распределения сажи. Временной интервал составлял 100 мкс, а время экспозиции – 2 мкс для каждого снимка. Расчет поля потока пламени осуществляется путем отслеживания изменения положения трассирующих частиц методом цифровой трассерной визуализации (PIV) для последовательных кадров.

(а) Общий вид

(б) Увеличенные фрагменты

Рисунок 1. (а, б) Пример снимков, сделанных одновременно двумя камерами

Результаты теста синхронизации двух камер:

На рисунке 1 показаны изображения, снятые двумя работающими синхронно высокоскоростными камерами соответственно, область в виде белых точек – сигнал, возникающий из-за рассеяния лазерного  излучения на частицах цифровой трассерной визуализации (PIV). На рисунке 1 (б) показана увеличенная лентообразная белая слоистая область, которая отмечена красным на рисунке 1 (а), она является сигналом рэлеевского рассеяния, излучаемого сажей в пламени под действием лазера. Видно, что изображения, сделанные двумя камерами, очень похожи, это указывает на то, что лазер синхронизирован с обеими камерами.

Рисунок 2. Изображения с одной камеры, интервал кадров Δt = 100 мкс

Результаты теста покадровой съемки с одной камеры:

На рисунке 2 показаны 8 изображений, снятых последовательно с интервалом 100 мкс. Низкоскоростная вихревая структура в области оттока пламени обведена красным. Видно, что с течением времени она вращается по часовой стрелке и заставляет лентообразную сажу в правом нижнем углу удлиняться и деформироваться.

Изменение изображения от кадра к кадру происходит непрерывно, что свидетельствует о стабильном захвате камерой поля потока пламени и поля распределения сажи.

4. Выводы

Восьмиканальный цифровой генератор задержки и импульсов STC810 ​​— это гибкое и точное устройство, разработанное для решения сложных задач современных научных исследований.

Устройство имеет восемь независимо управляемых выходных каналов, что позволяет пользователю в зависимости от задач эксперимента, гибко настраивать такие параметры, как задержка, ширина импульса и частота. Кроме того, STC810 ​​поддерживает перекрестную обработку, обеспечивая задержку до 70 наносекунд в режиме внешнего триггера, обладая при этом пороговым значением запуска всего 0,25В.

STC810 ​​также совместим с запуском по нарастающему и спадающему фронту и способен поддерживать согласование как низких, так и высоких импедансов, что значительно расширяет диапазон его применения и адаптируемость под различные задачи.

Кроме того, для повышения удобства и точности работы STC810 ​​оснащен интеллектуальной системой управления программным обеспечением, независимо разработанным CISS. Эта система визуализирует настройку параметров, что эффективно упрощает проведение экспериментов, что облегчает проведение научных исследований.

На практике STC810 ​​способен генерировать стабильный импульс, который может эффективно синхронизировать лазер с высокоскоростной камерой, позволяющей стабильно фиксировать вихри пламени и распределение сажи. Эти функции делают STC810 ​​полезным в широком спектре научных областей: от физики и химии до биомедицины.

В целом, STC810 ​​— это высокопроизводительный и широко применяемый надежный исследовательский инструмент.

5. Предлагаемое решение

Восьмиканальный цифровой генератор задержки и импульсов STC810, независимо разработанный CISS, представляет собой удобное и сложное устройство синхронизации по времени, предназначенное для научных исследований. Устройство имеет восемь независимо управляемых выходных каналов, что позволяет гибко настраивать такие параметры, как задержка, ширина импульса и частота.

Кроме того, устройство поддерживает перекрестную обработку со встроенными значениями задержек до 70 наносекунд и порогом запуска всего 0,25В в режиме внешнего триггера. STC810 ​​также совместим с запуском по переднему и заднему фронту и способен поддерживать согласование как низких, так и высоких импедансов.

STC810 ​​оснащен интеллектуальной системой управления программным обеспечением собственной разработки, позволяющей выполнять операции с высокой точностью. Программное обеспечение не только визуализирует настройку параметров, но и упрощает проведение экспериментов, что облегчает проведение научных исследований.

Вне зависимости от того, нужно ли регулировать задержку или настраивать такие значения параметров, как ширина импульса и частота – STC810 ​​обеспечивает надежную работу во время эксперимента.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности
по поставке оборудования на территории РФ