Dieser Beitrag wurde auf dem 22nd International Symposium on Application of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics vorgestellt, das vom 29. Juni bis 2. Juli 2026 in Lissabon, Portugal, stattfand. Die Arbeit eröffnet eine neue Perspektive auf Spraydiagnostik, Spray-Monitoring und Tropfenmessung, indem sie das Gedächtnis von Messungen in sich dynamisch verändernden Sprays untersucht.
Konferenzbeitrag: On the Memory of Measurements in Spray Diagnostics
Titel: On the Memory of Measurements in Spray Diagnostics
Autoren: M.R.O. Panão, P. Rehberg und W. Schäfer
Affiliationen:
ADAI, Universität Coimbra, Portugal
AOM-Systems GmbH, Deutschland
Fachbereich Physik, TU Darmstadt, Deutschland
ai-quanton GmbH, Deutschland
Sprays sind hochdynamische Systeme. Während einer Messung können sich Betriebsbedingungen wie Einspritzdruck, Durchfluss oder Messposition ändern. Gleichzeitig können sich auch die gemessene Tropfengröße, die Tropfengeschwindigkeit und die Tropfenankunftsrate verändern. Eine Spraymessung lässt sich daher nicht immer als Sammlung unabhängiger und stationärer Ereignisse betrachten.
Die Arbeit untersucht, was geschieht, wenn sich das Spray verändert, während die Messung noch läuft. Statt jeden detektierten Tropfen nur als isoliertes Ereignis zu interpretieren, wird die Messung als zeitabhängige Informationsaufzeichnung behandelt. In diesem Zusammenhang kann die aktuelle Messung Spuren der jüngsten Vergangenheit enthalten. Die Autoren bezeichnen dieses Konzept als Gedächtnis von Messungen in der Spraydiagnostik.
Ziel ist es, die klassische Spraycharakterisierung um eine zusätzliche infodynamische Charakterisierungsebene zu erweitern. Diese Ebene soll beschreiben, wie sich der Informationszustand eines Sprays im Laufe der Zeit ändert und wie viel Information über vorangegangene Tropfenereignisse in nachfolgenden Messungen noch nachweisbar ist.
TSTOF-basierte Tropfenmessung
Die experimentelle Studie nutzt ein Time-Shift-Time-of-Flight-Messsystem (TSTOF) zur Charakterisierung einzelner Tropfen. TSTOF verbindet das Time-Shift- und das Laufzeitprinzip und wertet die zeitabhängigen Lichtstreusignale aus, die entstehen, wenn Tropfen geformte Laserstrahlen durchqueren.
TSTOF ist ein zählendes Messverfahren. Einzelne Tropfenereignisse werden detektiert und anhand von Parametern wie Tropfengröße, Tropfengeschwindigkeit, Ankunftszeit und Zwischenankunftszeit charakterisiert. Dieses ereignisbasierte Messprinzip eignet sich besonders zur Untersuchung der zeitlichen Struktur von Sprayprozessen.
Der Versuchsaufbau besteht aus einer Spraykammer mit geschlossenem Kreislauf, einer TSTOF-Messsonde und einer Flachstrahldüse von Lechler. Druck, Durchfluss und Messposition wurden zusammen mit den Tropfenmessungen aufgezeichnet. Die Messposition wurde über einen Bereich von 50 mm variiert, der Spraydruck zwischen 2 und 6 bar eingestellt.
Insgesamt wurden 85 Messungen durchgeführt: 81 statische und 4 dynamische Messungen. Bei den statischen Messungen blieben die Betriebsbedingungen konstant. Bei den dynamischen Messungen wurden ausgewählte Parameter verändert, während die Aufzeichnung der Tropfendaten fortgesetzt wurde.
Spray-Monitoring jenseits klassischer Statistik
Die klassische Spraydiagnostik beschreibt Sprays üblicherweise anhand von Mittelwerten, Verteilungen und statistischen Momenten von Tropfengröße und -geschwindigkeit. Diese Parameter bleiben unverzichtbar, beschreiben aber nicht zwangsläufig die gesamte innere Vielfalt eines Sprays oder wie sich diese Vielfalt während einer Messung entwickelt.
So können beispielsweise zwei unterschiedliche Größen- oder Geschwindigkeitsverteilungen ähnliche Mittelwerte ergeben und dennoch verschiedene Sprayzustände repräsentieren. Verändert sich das Spray während der Datenerfassung, reagieren kumulative statistische Größen zudem nur langsam auf diese Veränderungen.
Der Lissabonner Beitrag führt daher eine zusätzliche Beschreibung auf Grundlage von Informationstheorie und Infodynamik ein. Einzelne Größen-, Geschwindigkeits- und Zeitklassen werden als mögliche Mikrozustände des Sprays interpretiert. Ihre gemeinsame statistische Verteilung repräsentiert einen informationellen Makrozustand des lokalen Sprays.
Diese zusätzliche Ebene ersetzt etablierte Parameter wie den mittleren Tropfendurchmesser oder die mittlere Geschwindigkeit nicht. Sie ergänzt sie vielmehr, indem sie die in den Messdaten enthaltene Vielfalt und zeitliche Entwicklung beschreibt.
Informatur und Messgedächtnis
Ein zentrales Konzept der Studie ist die Informatur (informature). Sie dient dazu, die Informationsmenge zu quantifizieren, die mit der Verteilung der gemessenen Sprayeigenschaften verbunden ist. Die Arbeit wertet außerdem eine differentielle Form der Informatur aus, um Änderungen des Informationszustands des Sprays zu verfolgen.
Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass Änderungen des Einspritzdrucks die Tropfengeschwindigkeit und den Informationszustand des Sprays deutlich verändern können. Während konventionelle Mittelwerte die Verschiebung der Geschwindigkeit beschreiben, liefert der informationsbasierte Parameter ein zusätzliches Maß dafür, wie sich die Vielfalt der gemessenen Tropfenpopulation verändert.
Das zweite wesentliche Konzept der Arbeit ist die Messgedächtnisspur (measurement memory trace). Jedes Tropfenereignis wird durch Tropfengröße, Geschwindigkeit und Zwischenankunftszeit beschrieben. Der Zusammenhang zwischen aufeinanderfolgenden Ereignissen wird anschließend mithilfe der Transinformation (Mutual Information) untersucht.
Vereinfacht gesagt stellt die Methode die Frage: Wie viel Information über den nächsten gemessenen Tropfen ist bereits im aktuellen Tropfenereignis enthalten?
Um einen echten zeitlichen Zusammenhang von Korrelationen zu unterscheiden, die durch den endlichen Stichprobenumfang entstehen, wird die gemessene Ereignisfolge mit zufällig permutierten Folgen verglichen. Die daraus resultierende korrigierte Gedächtnisspur liefert ein quantitatives Maß für die zeitliche Abhängigkeit innerhalb der Spraymessung.
Dynamische Veränderungen in einem Spray erkennen
Die Experimente zeigen, dass abrupte Änderungen der Betriebsbedingungen eines Sprays charakteristische Reaktionen in der korrigierten Gedächtnisspur hervorrufen können. Unter vergleichsweise stabilen Betriebsbedingungen bleibt die korrigierte Gedächtnisspur nahe null. Durchläuft das Spray eine schnelle Veränderung, können deutliche Änderungen im Gedächtnissignal auftreten.
Allmähliche Veränderungen sind komplexer. In diesen Fällen müssen die Gedächtnisspur und der Verlauf der Informatur gemeinsam interpretiert werden. Diese Kombination liefert eine vollständigere Beschreibung davon, wie sich das Spray während der Messung entwickelt.
Entscheidend ist, dass eine Spraymessung nicht mehr nur als statistisches Endergebnis betrachtet wird. Sie wird als sich entwickelnde Folge von Tropfenereignissen behandelt, in der bereits die zeitliche Reihenfolge nützliche Information enthält.
Bedeutung für die Echtzeit-Spraydiagnostik
Dieses Konzept ist besonders relevant für die Echtzeit-Spraydiagnostik und das Spray-Monitoring. Industrielle und wissenschaftliche Sprays arbeiten häufig unter transienten oder instationären Bedingungen. Ein Messsystem muss daher nicht nur die aktuelle Tropfengröße und -geschwindigkeit erfassen, sondern auch erkennen, ob sich der zugrunde liegende Sprayzustand verändert.
Die Kombination konventioneller Tropfencharakterisierung mit informationsbasierter Analyse kann zusätzliche Einblicke in Übergänge des Sprays liefern, die sich allein anhand gemittelter Parameter nur schwer erkennen lassen.
Mögliche Anwendungen sind Modellvalidierung, Sensorentwicklung, Prozessüberwachung, Prozessregelung, Zerstäubungsforschung und die Charakterisierung sich dynamisch verändernder Sprays.
Eine neue Charakterisierungsebene für Sprays
Die in Lissabon vorgestellte Arbeit erweitert die klassische TSTOF-basierte Tropfenmessung um eine infodynamische zeitliche Charakterisierungsebene. Ziel ist nicht, etablierte Sprayparameter zu ersetzen, sondern Information über die zeitliche Struktur der Messung hinzuzufügen.
Damit lässt sich ein Spray nicht nur danach charakterisieren, was es jetzt ist – etwa anhand seiner Tropfengrößen- und Geschwindigkeitsverteilungen –, sondern auch danach, wie es sich im Laufe der Zeit verändert und wie viel seiner jüngsten Messhistorie im aktuellen Signal noch nachweisbar ist.
Das Konzept eröffnet eine neue Forschungsrichtung für die laserbasierte Spraydiagnostik, in der Sprays als komplexe, sich entwickelnde Systeme und nicht nur als stationäre statistische Ensembles behandelt werden.
