CAMERAS ET SYSTEME DE VISUALISATION

La technique PIV

La PIV – vélocimétrie par imagerie de particule est une technique très utilisé en mécanique des fluides. Apparue au début des années 1980, cette technique a fait l’objet de développement considérable concernant la caractérisation d’écoulements turbulents instationnaires depuis 1990. Son principe général consiste à enregistrer des images de particules (traceurs) à des instants successifs. La comparaison de deux images successives permet de remonter localement au déplacement du fluide et ainsi accéder au champ de vitesse à un instant donné. Cette technique contient 4 étapes : – L’ensemencement de l’écoulement : l’ajout des particules fluorescentes (ou bien des traceurs) est une étape importante de cette technique. Le principe n’est pas d’enregistrer directement la vitesse d’écoulement des fluides, mais les positions successives des points. – La création d’un plan lumineux (utilisation d’une nappe laser) : à partir d’un laser, grâce à un système optique (des lentilles sphériques ou cylindrique), on transforme le faisceau incident du laser en une nappe lumineuse de très faible épaisseur (quelques millimètres) – L’enregistrement et l’acquisition d’image par des caméras: le principe d’acquisition d’image repose sur l’enregistrement des deux images successives qui sont numérisées, puis envoyées vers un processeur. Ce dernier permet de calculer, via des méthodes d’inter-corrélation, les champs des vecteurs d’écoulement. Les caméras CCD (Charge Coupled Device) sont souvent choisies car elles constituent un bon compromis entre la rapidité de capture et la haute résolution des images. Elles permettent d’effectuer des traitements d’images pratiquement en temps réel. Les caméras sont orientées à 90°C du plan de la nappe laser. Les images sont captées puis enregistrées dans le processeur qui pilote les caméras. – Le post-traitement des données : Le traitement des images consiste à déterminer le déplacement moyen des particules dans une région spécifique de l’image. Le traitement est répété sur la totalité de l’image pour connaître l’intervalle de temps entre deux images, on peut obtenir la cartographie des vitesses. La technique PIV repose essentiellement sur l’aptitude de la caméra CCD à capter les positions initiale et finale des particules contenues dans un plan de l’écoulement afin de pouvoir calculer les champs de vecteurs correspondants. La qualité des mesures dépend donc de la qualité des images enregistrées. Pour cela, il faut conjuguer un bon ensemencement avec une bonne illumination. Cependant, une densité de particules trop importante peut empêcher la caméra de capter le moindre déplacement. Nous nous servirons donc de la PIV, qui est différente de la PTV (Cf. Figure 79) utilisé avec la VISIOVIS, sur notre fourreau transparent. Nous utiliserons une nappe laser qui va éclairer l’ensemble vis-polymère, et la caméra va être placée perpendiculairement au plan de laser. En utilisant cette technique, nous allons éviter des problèmes optiques rencontrés par les autres inventeurs de ʺfourreau transparentʺ : – Éviter les images noires quand la matière est totalement fondue dans le vis-fourreau. (Cf. Fourreau de Gao – Jin – Chapitre « État de l’art »). – Éviter les problèmes de réfraction dus à la forme cylindrique du fourreau et à la méthode PTV (Cf. VISIOVIS – Chapitre « État de l’art »). 

Principe de visualisation sur le ״fourreau à fenêtre״ 

Sur le fourreau, deux ouvertures sont faites spécialement pour les accès de la lumière et les caméras. La lumière éclaire l’ensemble vis – polymère, la caméra est placée perpendiculairement au laser qui prend l’ensemble en image. Les figure 81 et figure 82 présentent notre principe de visualisation, illustré en 2D et en 3D 

Les zones d’observation

 Avec ces trois fenêtres insérées dans le fourreau, nous pouvons envisager de suivre la matière pendant la phase de plastification dans le système vis-fourreau. La course d’injection de la machine est de 175 mm maximum, ce qui nous permet d’observer les trois zones de la vis. Les zones que nous pouvons observer : – Quand la vis est en position de recul maximal (Cf. Figure 83)  Zone 1 : milieu de la zone de compression  Zone 2 : fin de zone de compression et début de zone de pompage  Zone 3 : fin de zone de pompage – Quand la vis est en position d’avance maximale (Cf. Figure 84)  Zone 1 : fin de zone d’alimentation et début de zone de compression  Zone 2 : milieu de zone de compression  Zone 3 : fin de zone de compression et début de zone de pompage

Les outils du système de visualisation 

La lumière – le laser 

Grâce au principe de visualisation, nous pouvons utiliser une source de lumière standard en cas de travail avec les polymères non chargés. Cette source de lumière est moins puissante que le laser, elle nous permet de mieux observer la plastification du polymère. Les sources de lumière sont très importantes dans notre système. Elles sont un des paramètres de réglage pour que les caméras puissent atteindre la capacité maximale de capture et enregistrer des images durant les expériences. Le laser est choisi par rapport au traceur fluorescent (fluorescéine) car la fréquence émise par ce laser est de 473 nm (lumière bleue) – fréquence d’excitation de la fluorescéine. En faisant un montage optique, nous créons une nappe de lumière à partir de son faisceau bleu (Cf. Figure 85). Cette nappe sert à illuminer l’ensemble vis-polymère. Dans le cas d’utilisation de polymères chargés fluorescéine, le laser joue un rôle de plus : il sert à exciter les particules fluorescentes, pour les rendre visibles sur les images enregistrées.