Accessible Requires Authentication Published by Oldenbourg Wissenschaftsverlag November 27, 2017

Vergleichende Analyse eines Ein- und Mehrkamerasystems zur simultanen, volumetrischen Temperatur- und Geschwindigkeitsmessung für die Mikrofluidik

Comparative analysis of a one-camera and a two-camera system for simultaneous, volumetric temperature and velocity measurements in microfluidics
Julian Massing, Christian J. Kähler and Christian Cierpka
From the journal tm - Technisches Messen

Zusammenfassung

Im folgenden Artikel wird eine optische Messtechnik vorgestellt und qualifizert, welche die simultane Bestimmung des dreidimensionalen (3D) Temperaturfeldes und der drei Komponenten des dreidimensionalen Geschwindigkeitsfeldes (3D3C) in mikrofluidischen Anwendungen ermöglicht. Dabei wird die Temperatur über das Verhältnis der Intensität der Lumineszenzsignale von zweifarbigen Polymerpartikeln ermittelt, während das Geschwindigkeitsfeld gleichzeitig anhand der Verschiebung individueller Partikelbilder berechnet werden kann. Um die Tiefeninformation zu erhalten, wird das etablierte Astigmatismus particle tracking velocimetry Verfahren verwendet. Mit der beschriebenen Methode werden simultane, volumetrische Messungen des Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldes in einem temperierten Kanal durchgeführt und mit numerischen Simulationen verglichen. Dabei werden zwei unterschiedliche Kamerasysteme verwendet, um die Emission der lumineszierenden Farbstoffen zu trennen. Einerseits kommt ein Zweikameraaufbau mit einem dichroitischen Spiegel und andererseits eine einzelne Farbkamera zum Einsatz. Die Ergebnisse zeigen eine gute qualitative Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation, wobei die Qualität der Messergebnisse für beide Kamerasysteme vergleichbar ist. Durch die Verwendung von nur einer Farbkamera kann der experimentelle Aufwand jedoch stark verringert werden.

Abstract

In the following article an optical measurement technique is introduced and qualified that allows for the simultaneous determination of the three-dimensional (3D) temperature field and the three components of the three-dimensional velocity field (3D3C) in microfluidic applications. To determine the temperature, the luminescence intensity ratio of individual two-color polymer particles is evaluated. At the same time, the velocity field is obtained from the displacement of individual tracers. To acquire the particle position in the measurement volume, the well established astigmatism particle tracking (APTV) method is used. With the described method simultaneous velocity and temperature measurements in a heated channel are performed and compared to numerical simulations. During the measurements two different camera systems are employed to separate the emission of the two luminescent dyes. On the one hand a set-up combining two cameras and a dichroic mirror is utilized and on the other hand a single color camera is used. The results show a good qualitative agreement between the experiments and the simulation for both camera systems. However, the experimental effort could substantially be reduced by using only a single color camera.

Danksagung

Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Emmy-Noether Nachwuchsgruppe „Kontrollierte elektrochemische Energieumwandlung durch oberflächennahe Strömungsbeeinflussung“ (CI 185/3) sowie durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Projektes „Schnellstart: Entwicklung eines Verfahrens zum gezielten Vorheizen einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit minimalem Energieaufwand“ (18941 N).

Received: 2017-7-20
Revised: 2017-9-4
Accepted: 2017-10-9
Published Online: 2017-11-27
Published in Print: 2018-2-23

©2017 Walter de Gruyter Berlin/Boston