PIV měření je nezbytnou pomůckou například při experimentech souvisejících s vnějším obtékáním těles, tedy například pro návrh tvaru karosérií dopravních prostředků. Je využívána ale také pro měření v potrubních systémech, pro medicínské aplikace, v energetice a v mnoha dalších oborech. Představíme princip metody a její aplikaci pro měření rychlostí ve vodě i ve vzduchu, současně bude měřicí systém využit i pro vizualizaci proudění.
Metoda Particle Image Velocimetry patří mezi optické anemometrické metody. Umožňuje měřit rychlostní pole v průhledných tekutinách, primárně tedy ve vodě a vzduchu ale potenciálně i v dalších plynech a kapalinách. Výhodou PIV metody je její minimální invazivnost, při správném použití tedy nehrozí, že bychom si výsledky ovlivnili použitím metody samotné.
Velmi užitečným nástrojem pro studium proudění je také vizualizace proudění. V případě experimentu pro PIV měření často stačí jen změnit způsob snímání osvětlené oblasti s částicemi. Pokud použijeme kameru nebo fotoaparát s delší expozicí snímání, získáme trajektorie částic, ze kterých lze vyhodnotit například charakter proudění, oblasti odtržení, bod přilnutí apod. Tyto vizualizace hrají často klíčovou roli při návrhu celého experimentu i studovaného objektu.
Do měřené tekutiny jsou přidány speciální částice, které musí věrně sledovat pohyb tekutiny. Na částice jsou kladeny náročné požadavky ohledně jejich hustoty, velikosti, odrazivosti ale i například zdravotní nezávadnosti. Měřená oblast s částicemi je v krátkých záblescích osvětlována laserovým světlem. S laserem je synchronizována kamera, která částice snímá. Protože je záblesk velmi krátký, jsou částice na snímcích ostré, jakoby „zmrazené“. Pokud snímky pořizujeme těsně za sebou se známou časovou prodlevou, lze z polohy částic na po sobě jdoucích snímcích vyhodnotit jejich rychlost.
Snímky jsou dále softwarově zpracovány. Nejdříve je obvykle odstraněn šum, zesílen signál a jsou aplikovány různé masky, které odstraní nezajímavé části obrazu. Dále jsou snímky rozděleny na menší oblasti (tzv. podoblasti o velikosti např. 8×8, 16×16 nebo 32 x32 pixelů). Každá z těchto podoblastí je unikátní rozmístěním obrazů částic. Pomocí algoritmů založených na FFT (rychlé Fourierově transformaci) je hledána nejlepší shoda mezi podobou oblasti na jednom snímku s některou z oblastí na následném snímku. Po nalezení nejpodobnějších oblastí je stanoveno jejich vzájemné posunutí a je speciálními algoritmy dále zpřesňováno. Tak se získá informace o posunutí v pixelech za určitou časovou jednotku. K převodu do standardních jednotek rychlosti (m/s) je nutné dát softwaru informaci o rozměrovém měřítku toho, co je zobrazeno na snímku, tedy provést tzv. kalibraci. Výsledkem je rychlostní pole o hustotě vektorů, která odpovídá počtu vyhodnocovaných podoblastí.
S použitím low-cost systémů a open-source softwarů je možné metodou PIV získat jednoduše a s vynaložením nízkých nákladů poměrně reálné a vypovídající výsledky.
Low-cost PIV systémy tvoří jednoduché laserové diody a kvalitnější fotoaparát nebo i kamera mobilního telefonu. Pokud ale chceme měřit s velkou přesností a rozlišením, v malých nebo naopak velkých oblastech, neobejdeme se bez kvalitního laseru a jedné nebo více kamer. PIV lasery jsou většinou typu Nd:Yag, které generují zelené světlo s vlnovou délkou 532 nm. Na toto světlo jsou totiž velmi citlivé i kamerové čipy. Lasery umožňují vytvářet velmi krátké pulzy, klidně i v řádu jednotek ns (proto, aby částice nebyly na snímku rozmazané). Pro snímání se dnes používají kamery se CMOS čipy, které dokáží vytvořit dva dvojsnímky velmi rychle za sebou (až v řádu stovek ns). Tato frekvence je důležitá proto, aby částice nestihly snímanou oblast úplně opustit a software je mohl identifikovat na obou snímcích. Tyto specializované přístroje jsou finančně velmi nákladné, ale jejich výhodou jsou poměrně široké možnosti využití.
S použitím speciálních barviv lze měřit například teplotní pole v kapalinách, stanovit koncentrace látek v kapalinách ale například i měřit velikosti částic. Při použití dvou a více kamer můžeme získat informaci o 3d proudění v rovině (3d PIV) ale i v objemu (stereo PIV). Speciální PIV systémy jsou určeny pro měření v mikrokanálech nebo i medicínských aplikacích. Velmi užitečným nástrojem pro studium proudění je také vizualizace proudění. V případě experimentu pro PIV měření často stačí jen změnit způsob snímání osvětlené oblasti s částicemi. Pokud použijeme kameru nebo fotoaparát s delší expozicí snímání, získáme trajektorie částic, ze kterých lze vyhodnotit například charakter proudění, oblasti odtržení, bod přilnutí apod. Tyto vizualizace hrají často klíčovou roli při návrhu celého experimentu i studovaného objektu.
