Anwendung sowie Bewertung der LCT/TLC - Lehrstuhl ...

Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Fakultät Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen
Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe des Instituts Verkehrstechnik
Anwendung sowie Bewertung der LCT/TLC (temperatursensitive
Flüssigkristalle) an einem einfachen Versuchsaufbau im
Vergleich zu Analogiemessverfahren
Studienarbeit von
cand. ing. Stefan Kimmig
Cottbus, im Mai 2007
Vorgelegt am : Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe
der BTU Cottbus
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.P. Berg
Betreuer : Dipl.-Ing. Michael Prinzler

Eidesstattliche Erklärung
Eidesstattliche Erklärung
Ich versichere, die vorliegende Studienarbeit allein angefertigt und außer den angegebenen
keine weiteren Hilfsmittel verwendet zu haben.
Cottbus, den 20.04.2007
Stefan Kimmig
1

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Eidesstattliche Erklärung..........................................................................................................1
Inhaltsverzeichnis.....................................................................................................................2
Formelzeichen..........................................................................................................................3
Einleitung..................................................................................................................................4
1 Einordnung und Wirkungsweisen von TLC.....................................................................5
1.1 Grundlagen...........................................................................................................5
1.2 Flüssigkristalle ......................................................................................................6
1.3 Flüssigkristallarten................................................................................................7
1.3.1 Nematische Phase....................................................................................7
1.3.2 Smektische Phase ....................................................................................8
1.3.3 Cholesterische Phase ...............................................................................9
1.3.4 optische Aktivität der cholesterischen Phase..........................................10
1.4 Thermochrome Polymere ...................................................................................13
1.4.1 Thermochrome Polymere basierend auf Bragg Reflektion .....................13
1.4.2 Thermochrome Gele basierend auf Bragg Reflektion.............................15
1.4.3 Konjugierte Polymere basierend auf Lichtabsorption .............................16
1.4.4 Konjugierte Polymere in Gelverbunden ..................................................17
1.4.5 Transparente und Lichtstreuende Polymere...........................................18
1.4.6 Zusammenfassung und Anwendung von thermochromen Polymeren ...20
2 Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen auf Oberflächen ......................23
2.1 Thermographie in Wärmebildgeräten oder Thermografiekameras.....................23
2.2 Strahlungspyrometrie..........................................................................................25
2.3 Thermoelemente.................................................................................................27
2.4 Widerstandsthermometer ...................................................................................29
2.5 Temperaturlacke.................................................................................................33
2.6 Temperatursensitive Farben...............................................................................35
2.7 Vergleich einzelner Temperaturmessverfahren..................................................36
3 Kühlfilmeffektivität und ihre Messung............................................................................37
3.1 Kühlfilmeffektivität...............................................................................................37
3.2 Direkte Messverfahren........................................................................................39
3.3 Indirekte Messverfahren .....................................................................................40
3.4 TLC- Folien als direktes Messverfahren .............................................................42
3.5 TLC- Bildauswertung ..........................................................................................43
3.6 Vergleich ADT-Naphthalin-TLC’s........................................................................46
4 Auslegung und Versuchsaufbau ...................................................................................47
4.1 Allgemein............................................................................................................47
4.2 Kompressor und Ruhekessel..............................................................................48
4.3 Angeströmte Platte .............................................................................................50
4.4 Luftkonditionierung .............................................................................................53
4.5 Lichtquelle und Bilderfassung.............................................................................55
4.6 Mess- und Regeltechnik .....................................................................................56
5 Versuchsdurchführung..................................................................................................58
5.1 Recovery – Messungen ......................................................................................58
5.2 Einstellung der Ausblasung ................................................................................60
5.3 Folien Kalibrierung..............................................................................................62
5.4 Versuchsdurchführung........................................................................................63
5.5 Auswertung.........................................................................................................64
5.6 Fehlerbetrachtung...............................................................................................67
5.7 Zusammenfassung und Ausblick........................................................................69
6 Literatur.........................................................................................................................70
7 Anhang..........................................................................................................................71
2

Formelzeichen
Formelzeichen
Lateinische Buchstaben
Zeichen Bedeutung Einheit
q& Wärmestromdichte 2
W / m
Q& Wärmestrom J / t
m& Massenstrom kg/s
A, F Fläche m 2
C Konzentration %
d, D Lochdurchmesser m
d charakteristische Länge m
Enr Aktivierungsenergie für nicht strahlende Prozesse J
H Farbton, Hue °
I Lichtintensität %
k thermoelektrischer Koeffizient V / K
M Ausblaserate ---
n Reflektionsindex ---
p Gangunterschied m
P Länge des Helixmoleküls m
P Strahlleistung des schwarzen Körpers W
R universelle Gaskonstane J / mol ⋅ K
Re Reynoldszahl ---
S Sättigung %
T Temperatur K
Uth Thermospannung V
v, u, c Geschwindigkeit m / s
Griechische Zeichen
Zeichen Bedeutung Einheit
−1
α Temperaturkoeffizient K
2
α Wärmeübergangskoeffizient W / K ⋅ m
δ Grenzschichtdicke m
ε Emissionskoeffizient ---
η adiabate Kühleffektivität ---
θ Helixorientierungsrichtung °
λ Lichtwellenlänge m
ν Kinematische Viskosität 2
m / s
ρ Stoffdichte
3
kg / m
σ Stefan-Bolzmann-Konstante
−8
2
5, 6703⋅10
W / K ⋅ m
3

Einleitung
Einleitung
Diese Studienarbeit befasst sich mit einer untergeordneten Gruppe der Flüssigkristalle und
will ihre besonderen physikalischen und chemischen Eigenarten zur Temperaturbestimmung
auf Oberflächen nutzen.
Die intensive Erforschung der mesomorphen Phase zwischen Kristallen und Flüssigkeiten
hat in den letzten 20 Jahren eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für Flüssigkristalle
geschaffen. Vor allem in der Dünnschichttechnologie sind Flüssigkristalle mittlerweile nicht
mehr wegzudenken, sei es in LC Displays (LC= Liquid Crystal) oder in TFT- Bildschirmen.
Auch zukünftige Fenster könnten Flüssigkristallen einen großen Anwendungsbereich bieten.
Diese dunkeln sich je nach einfallender Lichtintensität selbstständig ab, ohne dass mecha-
nisch arbeitende Jalousien notwendig wären. Das Gebiet der Flüssigkristalle ist weiterhin ein
Forschungsschwerpunkt der Chemie und so ist in Zukunft mit Verbesserungen der momen-
tanen und Erschließung neuer Anwendungsbereiche zu rechnen.
Für die Oberflächentemperaturmessung ist jedoch nur ein Teilbereich der Flüssigkristalle
interessant. Die temperatursensitiven Flüssigkristalle, so genannte TLC’s (thermochromic
liquid crystal’s), sollen in dieser Arbeit auf ihre Anwendbarkeit zur direkten Temperaturmes-
sung auf Oberflächen untersucht werden. Dazu soll ein einfacher Versuchsaufbau im Göttin-
ger Windkanal des Lehrstuhls VFA der BTU Cottbus dienen.
TLC’s reagieren ab bestimmten Temperaturen mit einem Farbumschlag, der direkt auf die
Oberflächentemperatur zurückzuführen ist. Somit ermöglichen sie eine großflächige, berüh-
rungslose Temperaturermittlung, die vor allem bei der Untersuchung von umströmten Objek-
ten sinnvoll eingesetzt werden kann. Aufgrund ihrer begrenzten Temperaturbeständigkeit
beschränkt sich die Anwendung auf Ähnlichkeitsversuche in der Grundlagenforschung. Am
Lehrstuhl VFA beispielsweise, befassen sich diese Versuche mit der Bestimmung von Kühl-
filmeffektivitäten in verschiedenen Bauteilkühlkonfigurationen.
Die Aufgabe dieser Arbeit besteht in einer grundlegenden Studie über thermochrome Flüs-
sigkristalle sowie der Schaffung eines funktionierenden Versuchsaufbaus mit den
Möglichkeiten des Lehrstuhls. Des Weiteren soll ein Vergleich hinsichtlich Genauigkeit und
Anwendbarkeit zu einem anderen, bereits am Lehrstuhl experimentell verwendeten,
Kühlfilmeffektivitätsmessverfahren gezogen werden. Dafür sollen die Ergebnisse der
Flüssigkristallmessmethode mit denen der Ammoniak- Diazo- Technik, einem
Analogiemessverfahren, im gleichen Versuchsaufbau miteinander verglichen werden.
4

Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
1 Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
1.1 Grundlagen
Alle Stoffe werden grundlegend in Kristalle und Flüssigkeiten unterschieden. Kristalle sind
Festkörper und besitzen Grundeinheiten, so genannte Elementarzellen, in allen drei
Raumrichtungen in regelmäßiger Anordnung. Es ist damit in allen Raumrichtungen über die
Elementarzelle hinaus eine klare Positionsordnung vorhanden. Diese kann aufgrund ihrer
weiten Auswirkung auf die Eigenschaften der Stoffe auch als Positionsfernordnung
bezeichnet werden und ist die Grundlage für die bekannten anisotropen
(richtungsabhängigen) Charakteristiken (Brechungsindex, Härte, Leitfähigkeit usw.) aller
festen Stoffe.
Dahingegen sind Flüssigkeiten fluide (d.h. fließfähige) Stoffe. In ihnen kann es zu
Wechselwirkung zwischen nahe gelegenen Elementarzellen kommen. Sie besitzen aber
keine Positionsfernordnung und haben somit stark isotrope Eigenschaften (in alle
Richtungen gleich).
Die Eigenschaften eines Flüssigkristalls bewegen sich zwischen denen der Kristalle und
Flüssigkeiten. Erkennbar ist dabei ein Übergangsstadium zwischen der fest-kristallinen,
dreidimensional geordneten Phase und der nicht ferngeordneten isotropen
Flüssigkeitsphase. Sie sind fluide, weisen aber dennoch die für einen Kristall typischen
anisotropen Eigenschaften auf. Die eigentliche Bezeichnung für Flüssigkristalle lautet
Mesogene, was im Griechischen sinngemäß die Mitte zwischen zwei Phasen beschreibt.
Im Phasendiagramm werden die Stoffe auch als mesomorph beschrieben. Flüssigkristalle
besitzen keine Positionsfernordnung wie im Kristall, wohl aber eine Positionsordnung. Damit
wird auch ausgeschlossen, dass es sich um Kristalle mit sehr geringer Fließgrenze handelt.
Somit kann sich der Ordnungszustand eines Mediums nicht nur bei Phasenänderung,
sondern auch innerhalb einer Phase ändern. Er wird bestimmt durch die Dimension der
Positions- und Orientierungsfernordnung der Moleküle, welche sich im festen und im
flüssigen Medium ändern können.
5

1.2 Flüssigkristalle
Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
Da Flüssigkristalle Stoffe sind, die sich in ihren Eigenschaften zwischen Kristallen und Flüs-
sigkeiten bewegen, werden sie auch kristalline Flüssigkeiten oder flüssige Kristalle genannt.
Es sind heute mehrere Tausend Substanzen bekannt, die diese typischen Eigenschaftskom-
binationen innerhalb bestimmter Temperaturbereiche aufweisen und deshalb zu den Flüs-
sigkristallen gezählt werden.
Aufgrund ihrer leicht verschiebbaren Moleküle zählen diese Medien eigentlich zu den Flüs-
sigkeiten, es gibt jedoch so starke Wechselwirkung zwischen einzelnen Molekülen und ihrer
Umgebung, dass es zur Ausbildung von Domänen kommt, in denen eine einheitliche Orien-
tierung in mindestens einer Raumrichtung vorliegt. Dies gilt als erkennbarer Ordnungszu-
stand und bewirkt Anisotropieerscheinungen, die nur für Kristalle charakteristisch sind. Die
physikalischen Eigenschaften verhalten sich also ähnlich zu den kristallinen Medien stark
richtungsabhängig. Ursachen dieser Phänomene können z.B. elektrischer oder magnetischer
Natur sein. Flüssigkristallmoleküle weichen daher stark von der Kugelform ab und sind unter
den organischen Substanzen zu finden. Ihre Molekülform ist entweder annähernd stäbchen-
förmig (kalamatisch) oder scheibchenförmig (diskotisch).
Ein Medium kann durch Änderung der Temperatur (thermotropes Verhalten), des Druckes
(barotropes Verhalten) oder durch Konzentrationsänderung mit einem Lösungsmittel (lyotro-
pes Verhalten) in die mesomorphe Phase eintreten und damit die für Flüssigkristalle typi-
schen Eigenschaften zeigen.
Eine Substanz kann beim Phasenübergang von kristallin (dreidimensional ferngeordnet) zu
flüssig-isotrop (nulldimensional ferngeordnet) auch verschiedene mesomorphe Phasen an-
nehmen. Beim Übergang von smektisch zu nematisch kommt es zu einem stufenweisen
Ordnungsabbau.
6

1.3 Flüssigkristallarten
Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
Je nach Anordnung und Orientierung der Moleküle im Medium unterscheidet man verschie-
dene Arten von Flüssigkristallen. Die wichtigsten Gruppen sollen hier kurz beschrieben wer-
den.
1.3.1 Nematische Phase
Die Moleküle sind in eine Vorzugsrichtung orientiert und müssen eine lang gestreckte,
elipsoidähnliche (kalamitische) Form besitzen. Diese uniaxiale Symmetrie der nematischen
Phase führt zu anisotropen, richtungsabhängigen, physikalischen Eigenschaften [10].
Der Ordnungszustand wird durch die Lage des Einzelmoleküls in einem konstanten, von
anderen Molekülen aufgebauten elektrischem Feld beschrieben. Die Felder werden aber nur
in einem kleinen Bereich als konstant angenommen und ändern sich in ihrer Richtung mit
größerem Bereich beträchtlich. Die genauen Vorgänge im molekularen Bereich konnten bis-
her noch nicht vollständig erklärt werden.
Nematische Flüssigkristalle besitzen eine optische Achse parallel zur Molekülachse. Sie sind
in der Regel doppelbrechend und besitzen demnach einen polarisations- und richtungsab-
hängigen Brechungsindex. Aufgrund der inneren elektrischen Felder lassen sich die Molekü-
le elektrisch polarisieren. Diese Eigenschaft wird bei Flüssigkristallanzeigen ausgenutzt,
auch LCD’s genannt (Liquid Crystal Display).
Wichtiger ist jedoch die Reaktion der Moleküle auf das Licht als elektromagnetische Erschei-
nung. Diese bewirkt ein Schwingen der Moleküle im Takt der Lichtfrequenz, hervorgerufen
durch die entgegengesetzte Aufladung der Molekülenden. Es entsteht ein Dipol. In der ne-
matischen Phase sind benachbarte Domänen meist verschieden orientiert, somit kommt es
zu unterschiedlichen Brechzahlen und häufiger Reflexion und Brechung des Lichts. Die Fol-
ge ist ein milchig trübes Aussehen der Schicht.
Diese Eigenschaft wird oft bei Fensterscheiben genutzt die ihre Lichtdurchlässigkeit zwi-
schen milchigtrüb und transparent mit Erreichen des flüssig-isotropen Zustands ändern.
Abb. 1.1:Nematische Anordnung
[10]
Abb. 1.2: nematisch unter Lichtmikroskop
[13]
7

1.3.2 Smektische Phase
Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
In der smektischen Phase sind die Moleküle nicht nur in ihrer Ausrichtung, sondern auch in
ihrer Lage zueinander orientiert und bilden dementsprechend Ebenen aus (Abb. 1.3). Die
Stäbchenmoleküle sind dabei in Schichten angeordnet, welche leicht gegeneinander ver-
schiebbar sind. Innerhalb einer solchen Schicht können die Stäbchenmoleküle regellos oder
auch strukturiert vorliegen: Es ergeben sich so verschiedene smektische Phasen, die man
durch angehängte Großbuchstaben unterscheidet (smektisch A, smektisch B, und so fort,
derzeit reicht diese Nummerierung bis smektisch K). Auch die smektische Phase ist meist
optisch einachsig, es gibt aber verschiedene Anordnungen (Abb. 1.4, Abb. 1.5) bei denen die
Rotationssymmetrieachse der Molekülvorzugsrichtung verloren geht. Die Molekülebenen
werden verdreht und somit das Medium optisch zweiachsig sowie auch optisch aktiv. Damit
ist das Medium in der Lage die Polarisationsebene des Lichtes zu drehen. Dieses Phänomen
hat allerdings erst bei den cholesterischen Medien größere Bedeutung, da die Ganghöhe
zwischen den Molekülen in der smektischen Phase zu gering ist.
Die technische Anwendung dieser Form der Flüssigkristalle ist beschränkt. Smektische Flüs-
sigkristalle findet man unter anderem in Waschmitteln und vielen Seifen.
Abb. 1.3: Semektische Anordnung [10]
Abb. 1.4: smektischA unter Lichtmikroskop [13]
Abb. 1.5: smektischB unter Lichtmikroskop [13]
8

1.3.3 Cholesterische Phase
Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
In der cholesterischen Phase findet man die nematische Molekülorientierung wieder. Ihr Auf-
bau ist allerdings weitaus komplizierter. Die Substanzen bestehen aus flachen, lang ge-
streckten Molekülen, die in asymmetrischen, teilweise aus der „Breitseite“ des Moleküls aus-
tretenden Baugruppen enden. Dadurch ordnen sie sich um einen bestimmten kontinuierlich
verdrehten Winkel an und es ergibt sich eine helikale Überstruktur mit erheblicher Länge. Die
Periodizität in der Struktur beträgt typischerweise einige 100 nm. Die Phase ist optisch ein-
achsig, wobei das „Helix-Zentrum“ die optische Achse bildet (Abb. 1.6).
Diese größeren Abstände fördern den Effekt der optischen Aktivität des cholesterischen Me-
diums.
Als optisch aktiv werden Substanzen mit chiralen Molekülen bezeichnet, welche die Polarisa-
tionsrichtung des Lichtes nach links oder rechts verdrehen können. Für viele Derivate des
Cholesterins scheint dies charakteristisch zu sein. Aus diesem Grund wird die Cholesteri-
sche Phase auch verbreitet als „chiral nematic“ bezeichnet.
Je nach Art der Substanz lagern sich die Moleküle in einem linken- oder rechten Drehsinn
an.
Die thermochromen Flüssigkristalle, welche in dieser Arbeit zur Anwendung kommen, basie-
ren auf Stoffen in der cholesterischen Phase. Um den Effekt der temperaturabhängigen
Farbveränderung der Flüssigkristalle zu erklären, ist ein kleiner Exkurs in die besonderen
optischen Eigenschaften der cholesterischen Phase nötig.
Abb. 1.6: Cholesterische Anordnung
aus [10]
Abb. 1.8: cholesterisch unter
Lichtmikroskop [13]
Abb. 1.7: Cholesterische Anordnung aus [2]
9

Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
1.3.4 optische Aktivität der cholesterischen Phase
Eine Besonderheit zeigt sich bei der Durchstrahlung mit linear polarisiertem Licht parallel zur
optischen Achse. Nach dem Durchgang ist das Licht unter- und oberhalb eines stoffabhängi-
gen Grenzwertes λ0 elliptisch polarisiert. Bei Erreichen der Wellenlänge λ0 geht es in zirkular
polarisiertes Licht über. Auch der Reflexionsgrad weist ein Maximum bei λ0 auf, wobei reflek-
tiertes und durchgehendes zirkular polarisiertes Licht den entgegengesetzten Drehsinn auf-
weisen. Das linear polarisierte Licht wird in diese zwei Anteile zerlegt und Experimente ha-
ben gezeigt, dass Licht im gleichen Drehsinn wie das cholesterische Medium bei λ0 total-
reflektiert wird.
Das sich so ergebende, kontinuierlich verdrillte optische Medium wirkt als eindimensionaler
photonischer Kristall mit einer photonischen Bandlücke für zirkular polarisiertes Licht mit der
gleichen Händigkeit wie die helikale Ordnung. Cholesterische Flüssigkristallfilme zeigen des-
halb Selektivreflexion von zirkular polarisiertem Licht [10]. Im Gegensatz zur Reflexion an
metallischen oder herkömmlichen dielektrischen Spiegeln bleibt die Händigkeit (d.h. die
Richtung) der Zirkularpolarisation gleich. Das Phänomen beschreibt Abb. 1.10 anschauli-
cher. Das zirkularpolarisierte Licht wird im gleichen Drehsinn reflektiert.
Für eine Beleuchtung des chiral nematischen Films mit normalem Weißlicht hat dies eine
Reflektion in verschiedenen Farben zur Folge. Der Effekt ist vor allem vor einem völlig
schwarzen Hintergrund sichtbar und wird in der hier beschriebenen Messmethode ausge-
nutzt. Abb. 1.9 zeigt, dass der Gangunterschied p der cholesterischen Phase für eine ausrei-
chende Reflektion in der gleichen Dimension wie das einfallende Licht liegen sollte.
10

Abb. 1.9: Reflektionsumschlag [2]
Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
Abb. 1.10: Reflektion nach Moleküldrehsinn [2]
Abb. 1.11: Polarisierung einzelner Farben [2]
Folgende Größen haben auf die besonderen Eigenschaften der cholsterischen oder chiral
nematischen Flüssigkristalle Einfluss:
� Gangunterschied p der Moleküle, (vgl. Kapitel 1.4.1)
� Brechungsindex
� Richtung und Polarisation des einfallenden Lichts
� Lage der Helix-Achsen
Bei der Molekülanordnung werden hauptsächlich drei Varianten unterschieden.
Abb. 1.12: cholesterische Anordnungen [2]
Entsprechend der Abbildung ist die Betrachtungsrichtung senkrecht von oben:
a) Die planar oder auch „Grandjean“ Anordnung, in der die Blickrichtung der Achs-
richtung der Helix entspricht.
b) Die „fingerprint“ Textur, in der man seitlich auf die einheitlichen Helixachsen blickt.
Dadurch ändert sich der Brechungsindex periodisch in Abhängigkeit von der
11

Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
Blickrichtung. Durch gekreuzte Polarisationsfilter wirken die Reflektionen wie ein
Fingerabdruck.
c) Das focal conic Gefüge ist eine besondere Form mit einer zufälligen Anordnung in
der Horizontalachse. Im Extremfall bilden die Helixachsen Ellipsen oder Hyper-
beln.
Durch eine veränderte Lage der Helixmoleküle wird die Reflektion des einfallenden Lichts
stark beeinflusst. Sowohl die Wellenlänge als auch die Intensität können stark durch den
Winkel verändert werden.
Abb. 1.13: Achsenwinkel abhängige Reflektion [2]
a) zeigt die Reflektion in der Helix bei planar Ausrichtung
b) die Änderung der Reflektion durch Achsenneigung
Abb. 1.14: Wellenlänge-Winkel [2]
Abb. 1.14 gibt die Intensitäts- und Wellenlängenänderungen in Winkelabgängigkeit wieder.
12

1.4 Thermochrome Polymere
Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
Die verstärkte Forschung auf dem Gebiet der Polymere hat in den letzten Jahrzehnten er-
staunliche Entdeckungen hervorgebracht. So wurden Stoffe entdeckt, die durch eine be-
stimmte Stimulierung von außen ihre optischen Eigenschaften stark ändern. Je nach Art der
äußeren Beeinflussung wurden die Polymere in photochrom (bei Licht), elektrochrom (elekt-
risches Feld), piezochrom (Druck) oder auch thermochrom (Temperatur) klassifiziert. Es e-
xistieren noch weitere Formen der Polymeranregung, für diese Arbeit sind allerdings nur die
thermochromen Polymere von Bedeutung.
Die sichtbaren optischen Veränderungen bei thermochromen Polymeren beruhen auf dem
so genannten thermochromen Effekt. Aufgrund von unterschiedlichen chemischen und phy-
sikalischen Wirkungsweisen lässt sich die Art der Reaktion, welche den thermochromen Ef-
fekt auslöst, nochmals unterteilen. Im Folgenden sollen diese Reaktionsarten in vereinfachter
Form erklärt werden. Für eine ausführliche Beschreibung von chemischen Reaktionen und
Aufbau der Polymere wird auf die angegebene Fachliteratur verwiesen [1]; [2]; [3]. In 6.9 ist
der prinzipielle Aufbau der in dieser Arbeit verwendeten TLC- Folien beschrieben
1.4.1 Thermochrome Polymere basierend auf Bragg Reflektion
Wie bereits geschildert, gibt es verschiedene Strukturen der Flüssigkristalle. Bei diesen Po-
lymeren handelt es sich um cholesterische Stoffe, die eine helikale Struktur besitzen.
Dies ist für das Verhalten der Polymere bei sich ändernder Temperatur von entscheidender
Bedeutung. Der Stoff besteht vereinfacht aus einer Molekülkette, die periodisch aufgebaut ist
und bis zu 100nm lang sein kann. Bei größerer Temperatur dehnt sich die Kette aus und wird
länger, der Abstand zwischen den Molekülen wächst. Der Vorgang ist reversibel bei kleiner
werdenden Temperaturen. Somit ändern sich auch die geometrischen Beziehungen inner-
halb der Molekülkette und die reflektierte Wellenlänge wird verändert. Die bildliche Vorstel-
lung eines Akkordeons liegt nahe.
Einfallendes Licht der Wellenlänge λ wird somit nach der Bragg-Bedingung verschieden ge-
beugt. Im Zusammenhang mit dieser Gleichung steht in der Literatur meist die Reflektion des
Lichtes. Mikroskopisch gesehen ist es allerdings eine Beugung an der Kristalloberfläche,
makroskopisch entsteht der Eindruck einer Reflektion.
Für cholsterische Flüssigkristalle gilt:
λ = ⋅ P ⋅cosθ
n Formel 1.4.1
13

Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
Dabei steht n für den Reflektionsindex des verwendeten Flüssigkristalls und P für die Länge
des Helixmoleküls. Sehr wichtig ist jedoch der Winkel des einfallenden Lichts zur Orientie-
rungsrichtung der Helix (θ). Da eine sichtbare Farbe somit nicht nur von der Temperatur,
sondern auch von der Positionierung der Lichtquelle abhängig ist, werden mögliche Anwen-
dungen stark eingeschränkt.
Bei dieser Art des thermochromen Effekts kann das einfallende Licht im kompletten sichtba-
ren Farbspektrum gebeugt werden. Je nach chemischer Zusammensetzung der Polymere
können jedoch Unterschiede in der Farbanzeige bei gleicher Temperatur entstehen.
Es ist auch möglich die Länge der Helixmoleküle (P) elektrisch zu variieren und damit durch
Beugung des einfallenden Lichts seine Wellenlänge zu verändern. TFT Bildschirme basieren
auf dieser Eigenschaft der thermochromen Polymere. Die Moleküllänge wird hier zwischen
zwei Transistoren gesteuert und erzeugt die Farbbildpunkte auf Fernsehern und Monitoren.
Für Temperaturmessungen sind diese cholesterischen Flüssigkristalle ebenfalls kommerziell
erhältlich. Als Folien, bestehend aus einer schwarzen Unterschicht, einer Flüssigkristall-
schicht und einem schützenden transparenten Polyester sollen sie im Versuch zu dieser Ar-
beit Anwendung finden.
Die Bandbreite der erfassbaren Temperatur mit einer Folie oder eines thermochromen Poly-
mers kann von 1K bis zu maximal 20K variiert werden, je nach chemischer Zusammenset-
zung, wobei sich die Färbung der Folie beim Verlauf durch die Bandbreite kontinuierlich än-
dert. Begrenzt wird der Messbereich zwischen einer Starttemperatur, bei der das Licht in
eine sichtbare Farbe gebeugt wird und dem Clearing Point, an dem eine sich nicht mehr än-
dernde Färbung einsetzt.
Festzuhalten ist, dass mit Folien, die eine Bandbreite von einem Kelvin und weniger aufwei-
sen, auch eine dementsprechend hohe Genauigkeit der Temperaturmessung erzielt werden
kann.
Mittlerweile existiert eine große Anzahl an bekannten Stoffen, die thermochrom reagieren.
Oftmals kommen sie in Verbünden mit nicht thermochromen Polymeren zum Einsatz. Hier
werden sie in einer Art Matrix verwendet und zeigen dabei ihre typische selektive Reflexion
in Temperaturabhängigkeit. In einem solchen „Polymer Netzwerk“ werden auch Stoffe ver-
wendet, welche durch ihr Temperaturverhalten eine „eingebettete“ Helix in ihrer Länge steu-
ern können, d.h. die reflektierte Wellenlänge hängt von der Dehnung bzw. Stauchung des
nicht thermochromen Polymers ab.
Neben den Folienprodukten existieren auch Kolloide und Lösungen, die thermochrome Po-
lymere enthalten. Jedoch ist ihre Anwendbarkeit zur Temperaturmessung begrenzt und ges-
taltet sich im besten Fall äußerst schwierig. Grund ist die schon angesprochene Winkelab-
14

Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
hängigkeit des einfallenden Lichtes auf die reflektierte Wellenlänge der Moleküle. Da sich die
Verbindungen in Lösungen frei bewegen, ist der Einfallswinkel schwer kontrollierbar.
1.4.2 Thermochrome Gele basierend auf Bragg Reflektion
Diese Systeme bestehen aus einem Polymer und einer organischen Lösung. Bei diesen
Gemischen tritt eine Farbveränderung zwischen dem Schmelzpunkt der Lösung sowie der
Übergangstemperatur von Lösung zu Gel auf. Hierbei wird die thermochrome Reaktion der
Mikrostruktur des Gels zugeschrieben.
Im Verbundsystem aus einer Trägerschicht mit einem thermochromen Gel lassen sich auch
großflächige Folien herstellen. Als Besonderheit der Gele ist ihre hohe Volumenänderung im
Reaktionsbereich zu nennen. So entspricht eine Wellenlängenänderung des reflektierten
Lichts von 400 auf 800nm einer Ausdehnung der Moleküle um den Faktor 2 in alle Richtun-
gen, das heißt einer Verachtfachung des Volumens. Die Wellenlänge nimmt bei dieser Reak-
tion mit steigender Temperatur ab.
Eine Unterart sind kristalline, gallertartige Felder, die temperaturabhängige Bragg- Reflektion
zeigen, ohne die Wellenlänge des Lichts zu verändern. Dabei bilden einige Stoffverbindun-
gen in entionisiertem Wasser kubische Felder aus, deren Dichte vorgibt wie stark die Bragg-
Reflektion ausfällt.
Bei einer PNIPAM Verbindung [3] beispielsweise liegt die Maximaltemperatur bei etwa 40°C.
Hier wird fast das komplette eingestrahlte Licht reflektiert. Die untere Temperaturgrenze be-
trägt 10°C, da sich die Moleküle hier schon berühren und eine weitere Expansion ohne Effekt
ist.
15

Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
1.4.3 Konjugierte Polymere basierend auf Lichtabsorption
Wie auch bei den vorangegangen chemischen Verbindungen ist die Reaktionsfähigkeit von
konjugierten Polymeren schon länger bekannt und wurde auch mehrfach beschrieben. Sie
können Licht im sichtbaren Bereich absorbieren oder stark reflektieren.
Der Molekülaufbau gibt diesen Stoffen ihren Namen und verursacht gleichzeitig auch das
hier beschriebene Phänomen. Bei kleinen Änderungen des stofflichen Aufbaus, wie sie bei-
spielsweise auch bei Phasenänderungen vorkommen, kann die kleinste Modifikation hier zu
signifikanten Farbveränderungen führen.
Im Regelfall ist die Änderung reversibel, kann jedoch durch kinetische Effekte irreversibel
werden.
Wie bereits in den Grundlagen beschrieben, existieren mehrere mesogene Phasen, wie die
smektische oder die cholesterische, bei den Flüssigkristallen. Konjugierte Polymere ändern
ihre mesogene Phase bei Temperaturveränderung und damit auch ihre Farbe. Als Beispiel
sei die Verbindung: poly[2’,5’-bis(hexadecyloxy)-1,4-phenylene-1,3,4-oxadiazol-2,5-diyl] ge-
nannt, welche zwischen 25-140°C kontinuierliche Farbveränderung von gelb-grün bis blau
zeigt und dabei die Phase von smektisch H zu smektisch A ändert.
Für die kommerzielle Herstellung werden oft thermochrome Materialien in Mikrokapseln ver-
wendet, da bereits sehr geringe Mengen ausreichen, um einen sichtbaren thermochromen
Effekt zu erreichen. Sie werden in Trägersubstanzen wie Farben oder Gummis eingebetet
und zeigen die gewünschten Effekte zu niedrigeren Kosten.
In kommerzieller Anwendung sind auch die so genannten „leuco dyes“ zu finden, die sich
farblos oder schwach gefärbt zeigen.
Die folgende Abbildung stellt ein Beispiel für eine reversible thermochrome Reaktion dar.
Abb. 1.15: Reaktionsbeispiel [3]
Es handelt sich hierbei um ein Gemisch aus 1 wt% 2-chloro-6-diethylamino-3-methylfluoran,
5 wt% 2,2’-bis(4-hydroxyphenyl)-propane, und 94 wt% 1-hexadecanol, welches über der
16

Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
Kristallisationstemperatur von 48°C farblos ist und sich unterhalb dieser Temperatur kaminrot
verfärbt.
Das Beispiel dient nur zur einfachen Verdeutlichung der komplexen chemischen Reaktionen
während des thermochromen Effekts.
Obwohl thermochrome Mikrokapseln vor allem wirtschaftlich große Vorteile besitzen, ist ihre
Herstellung kompliziert und die Anwendung stark eingeschränkt.
Wie bei allen Flüssigkristallen ist der Funktionsbereich durch das begrenzte Temperaturfens-
ter, in dem die mesomorphe Phase existiert, auf etwa -50 bis 150°C limitiert. Hinzu kommt
eine schwache Scherstabilität der Verbunde mit Mikrokapseln.
1.4.4 Konjugierte Polymere in Gelverbunden
Ähnlich der thermochromen Reaktion mittels der Bragg-Reflektion wird auch an der Möglich-
keit geforscht, konjugierte Polymere in Gelverbunde zu integrieren. Bisher gab es im Ver-
gleich zu den anderen Reaktionsarten eher wenige Veröffentlichungen zu diesem Thema.
Das Prinzip gleicht stark dem in 1.4.2 beschriebenen. Auch hier kommt es bei Erwärmung
des Gemisches über die Transitionstemperatur zwischen Gel und Flüssigkeit zu molekularen
Reaktionen, die eine Färbung verursachen. Farbe und Reaktionstemperatur sind dabei durch
die Wahl des Polymergemisches sowie der Lösung beeinflussbar.
Der einfache Wechsel zwischen vollständig transparent und gefärbt erschließt diesen Hydro-
gelen eine Reihe von Anwendungsgebieten. Dazu gehören die schon angesprochenen intel-
ligenten Fenster (smart windows) sowie Farbfilter. Ein großer Vorteil gegenüber Gelen die
auf Bragg-Reflektion beruhen, besteht darin, dass sich konjugierte Polymere während des
Prozesses nicht ausdehnen. Dadurch sind sie auch in großflächigen Anwendungen leichter
verwendbar.
17

Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
1.4.5 Transparente und Lichtstreuende Polymere
Der Thermochrome Effekt zeigt sich je nach chemischen Zusammensetzungen sehr ver-
schieden. Eine weitere Möglichkeit der Reaktion ist ein einfacher Wechsel des thermochro-
men Stoffes zwischen einem transparenten und einem diffus Licht streuenden Zustand, in-
dem der Brechungsindex variiert.
Dabei kann im Stoff ein isotrop/anisotroper Phasenwechsel oder ein Phasenabscheidungs-
prozess stattfinden. In diesem Bereich werden wiederum zwei Arten unterschieden, Poly-
mergemische und Polymergele.
Thermotrope Polymerblenden
Generell ist festzuhalten, dass in der Literatur thermochrome Polymere in den meisten Fällen
als thermotrop beschrieben werden. Es ist dabei aber in beiden Fällen das Gleiche gemeint.
Für Gemische gilt, dass
nur wenige Polymere existieren, die sich in allen Konzentrationsverhältnissen mischen las-
sen. Hinzu kommen Stoffe oder Stoffpaarungen, von denen bekannt ist, dass ihre Mischbar-
keit mit steigender Temperatur fallen oder sinken kann. Das heißt, eine Mischung ist nur o-
berhalb bzw. unterhalb einer kritischen Lösungstemperatur möglich. Die Temperatur ist da-
bei je nach Gemisch verschieden. Entscheidend ist, dass die Stoffe im gemischten Zustand
transluzent sind. Ungemischt erscheinen sie transparent bis milchig trüb.
Für die kommerzielle Anwendung sind vor allem Gemische interessant, welche als Sonnen-
schutz dienen können und somit über eine niedrigere kritische Lösungstemperatur verfügen.
Die Anwendung und Erforschung ist daher stark auf den Temperaturbereich zwischen 20-
40°C ausgerichtet, das Potential der Gemische reicht hingegen über 100°C hinaus.
Thermotrope Polymergele
Sie basieren entweder auf lyotrop flüssigkristallinen Phasen oder aber auf dem Prinzip eines
Phasenwechsels der Gemischbestandteile durch Erhitzung, was eine sehr viel höhere Rele-
vanz in der Praxis hat.
Lyotrope Flüssigkristalle wurden schon kurz unter 1.2 erwähnt. Sie bestehen aus einem Po-
lymer in einer wässrigen oder organischen Lösung. Die Konzentration bestimmt, wann die
Lösung Flüssigkristall-Eigenschaften annimmt und damit transparent ist oder Licht reflektiert.
Beim Phasenwechsel durch Erhitzung geht das Polymergemisch von der Flüssigkristallpha-
se in die isotrope Flüssigphase über. Dieser so genannte Clearing Point (Clearing Tempera-
ture) kann dabei zwischen 15 und 90°C variiert werden. Versuche haben gezeigt, dass die
Transparenz mit höherer Temperatur stark steigt.
18

Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
Als Basis der Gele können auch synthetische oder preiswertere Biopolymere eingesetzt
werden. Sie funktionieren etwa im Bereich zwischen Raumtemperatur und ca. 60°C. Hinzu
kommen Mischungen von thermotropischen, wässrigen Polymersystemen mit Salzen, die je
nach Konzentration ihren Clearing Point nach oben oder unten ändern können.
Gelverbindungen mit reversiblen Lichtstreuungs- und Farbsteuerungseigenschaften
Es existieren hierüber hinaus noch weitere kleinere Untergruppen von Stoffverbindungen, die
thermochrome Eigenschaften zeigen. In dieser Arbeit soll diese kombinierte Variante aus
veränderbaren optischen Eigenschaften die letzte beschriebene Form der thermochromen
Flüssigkristalle bleiben.
In dieser Art der Polymergemische finden quasi zwei getrennte Reaktionen statt. Die Verbin-
dung an sich besteht aus mehreren ph-sensitiven Farbindikatoren sowie einem normalen
thermotropen Polymer, dessen Eigenschaft durch die Indikatoren nicht verändert wird. Dem
Wechsel zwischen transparent und lichtstreuend liegt wieder eine Phasentrennung bei be-
stimmter Temperatur zu Grunde. Die Veränderung der Farben hat hingegen keinen ther-
mochromen Effekt zum Hintergrund. Vielmehr verändert sich der ph- Wert der Verbindung
mit der Temperatur. Dadurch zeigen die integrierten Indikatoren je nach Temperatur eine
geänderte Farbe an.
19

Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
1.4.6 Zusammenfassung und Anwendung von thermochromen Polymeren
Wie die bisherigen Ausführungen zeigten, ist der Bereich der organischen Chemie, in den
der Großteil an thermochromen Verbindungen fällt, sehr komplex und viele Möglichkeiten
sind noch unentdeckt. Aber genau darin liegt auch das Zukunftspotential der TLC’s. Ihre An-
wendungsmöglichkeiten steigen mit jeder weiteren Entdeckung.
Zurzeit sind kommerzielle Anwendungen in zwei große Bereiche einzuteilen. Der eine nutzt
die thermochromen Eigenschaften als Temperaturanzeigen, der andere die optischen Mög-
lichkeiten für Filter und Blenden.
Farbveränderungen mittels TLC’s sind schon bei Textilien, Spielzeug, Thermometern für
Aquarien, Kaffeetassen oder Weinflaschenetiketten für die optimale Genusstemperatur zu
finden. Hohes Potential existiert vor allem in der Sicherheitstechnik in der Prozessüberwa-
chung, bei Überhitzung und Temperaturkontrolle für die Industrie oder im Straßenverkehr,
wo Warnschilder tatsächliche Vereisungen anzeigen könnten.
Die optischen Anwendungen sind in den TFT Bildschirmen zu finden (1.4.1). Größte Entwick-
lungsmöglichkeiten bietet jedoch vor allem die Architektur. Moderne Gebäude werden oft mit
riesigen Glasfassaden konstruiert. Gründe sind zumeist die Optik oder neue Energiekonzep-
te. Viel Glas verspricht weniger künstliches Licht im Innern und geringere Heizkosten im Win-
ter durch natürliche Sonnenwärme. Problematisch werden die Fensterflächen jedoch im
Sommer, wenn sich die Gebäude zu stark erwärmen und die eingesparte Energie über eine
Raumklimatisierung wieder verloren geht. Konventionelle Lösungen sind dann mechanische
Blenden, die das Gesamtbild der Konstruktion wieder zerstören. Alternativen werden in Zu-
kunft von TLC’s geschaffen. Die ebenfalls angedeuteten „smart windows“ könnten Abhilfe
bringen und ihre Serienreife ist schon in einigen Experimenten erfolgreich getestet worden.
Einschränkungen
In der vorgenommenen Unterteilung und Beschreibung sind natürlich auch Grenzen für die
Anwendung der thermochromen Flüssigkristalle aufgetaucht. Diese sollen nun zusammenge-
tragen werden.
Da es in dieser Arbeit vor allem um die Temperaturmessung mit TLC’s geht, werden sich die
beschriebenen negativen Eigenschaften vor allem darauf beschränken. Hinzu kommt, dass
das Forschungsgebiet der Flüssigkristalle einer hohen Dynamik unterliegt und sich mit der
Zeit auch Grenzen der Anwendung nach außen verschieben können. Das bedeutet weitere
20

Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
Grenzen in bekannten und möglicherweise auch die Erschließung von neuen Anwendungen
der TLC’s.
Als erstes steht das begrenzte Temperaturband, in dem Flüssigkristalle existieren und das
damit ihre Anwendung auf Temperaturen zwischen ca. -40 bis 140°C eingrenzt. Da es sich
um ein berührendes Messverfahren handelt, ist auch das umgebende Medium zu beachten.
Polymere können durch Säuren oder Ähnliches zerstört werden.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist UV-Strahlung. Einige TLC Gemische werden durch eine UV-
induzierte Photopolymerisation bei der Herstellung fixiert um ihre Reaktion auf eine bestimm-
te Temperatur zu begrenzen. TLC- Folien sind dagegen beispielsweise mit einer Schutzfolie
gegen UV-Strahlung ausgestattet. Zum Problem wird UV-Licht allerdings bei mikroendkap-
selten Lösungen ohne Schutzschicht. Diese werden unter dem Einfluss der UV- Strahlung
zerstört. Der Effekt ist aber auch nutzbar für irreversible Temperaturaufnahmen, wobei die
Farbe durch die UV-Einstrahlung fixiert werden kann.
Alle Eigenschaften und gezeigte Reaktionen sind stark von der Stoffkombination abhängig.
Darunter fällt auch die Reversibilität, da die Verbindungen eine Zeit brauchen um wieder in
ihren ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Je nach Art der Verbindung können diese
Zeitspannen stark voneinander abweichen. Hinzu kommt, dass auch die im Versuch ver-
wendeten Folien eine Wärmespeicherung zeigten, dadurch wird die Reaktionszeit der Folien
nach ihrer Erwärmung verringert wenn sie in einem vorhergehenden Versuch schon einmal
bis zu ihrer Starttemperatur erwärmt wurden. Dies ist besonders in zeitlich nah beieinander
liegenden Versuchen von Bedeutung.
Abschließend soll die Tabelle eine bessere Gesamtübersicht über die erläuterten Untergrup-
pen und Wesensarten des thermochromen Effekts geben.
21

Polymerklasse
cholesterische Flüssigkristalle
Polymergele
kubische Verbunde in
Gelen
konjugierte Polymere
konjugierte Polymere in
Gelverbindungen
Thermotrope Polymer-
blenden
Thermotrope Polymergele
Gele mit Licht- und Farbsteuerungseigenschaften
Einordnung und Wirkungsweisen von TLC
Tabelle 1.4.1: Vergleichstabelle Flüssigkristalle
Grundlage
der Reaktion
Bragg-
Reflektion
Bragg-
Reflektion
Bragg-
Reflektion
Licht- absorption
Licht- absorption
variabler
Brechungs-
index
variabler
Brechungs-
index
Brechungs-
index, phsensitive
Indikatoren
Temperaturbereich
ca. 0-
100°C
ca. 0-
100°C
im Beispiel
10-
40°C
-35-
140°C
10-80°C
ca. 0-
>100°C
ca. 15-
90°C
ca. 20-
50°C
Bandbreite
1-20K
k.A. >25K
möglich
k.A. >30K
möglich
Reaktion
bei bestimmter
Temperatur
Reaktion
bei bestimmter
Temperatur
ca. 5-80K
ca. 10-75K
je nach
Gemisch
und Indikatoren
Art der Reaktion
reversible
Farbver-
änderung
reversible
Farbver-
änderung
variable
stärke der
Lichtstreu-
ung
Wechsel von
farblos zu
bestimmter
Farbe
Wechsel von
farblos zu
bestimmter
Farbe
Transparent-
transluzenter
Wechsel
Transparent-
transluzenter
Wechsel
Transparent-
transluzenter
Wechsel und
Farbänderung
Besonderheiten
hohe Genauigkeit ±0,5K; Farbe in
Abhängigkeit von Lichteinfallswinkel,
UV- Strahlungsanfällig
stark temperaturabhängige Volumenveränderung,
Farbe in Abhängigkeit
von Lichteinfallswinkel, UV-
Strahlungsanfällig
Temperaturbereich in Abhängigkeit
der Molekülgröße
Funktionsanfällig auf kinetische
Effekte, geringe Scherstabilität v.a.
bei eingebetteten Mikrokapseln,
über 200°C stabil
Funktionsanfällig auf kinetische
Effekte, geringe Scherstabilität v.a.
bei eingebetteten Mikrokapseln,
über 200°C stabil
v.a. zwischen 20-40°C in smart
windows eingesetzt, Wechsel bei
zunehmender und abnehmender
Temperatur möglich
Transparenz steigt mit höherer
Temperatur, Wechsel bei zunehmender
und abnehmender Temperatur
möglich
Farbverlauf in Indikatorabhängigkeit
22

Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen auf Oberflächen
2 Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen
auf Oberflächen
2.1 Thermographie in Wärmebildgeräten oder Thermografiekameras
Funktionsprinzip:
Feste Oberflächen strahlen über der absoluten Nullpunkttemperatur (-273,15°C) elektromag-
netische Strahlung aus. Je nach Oberflächentemperatur besitzt diese Strahlung eine be-
stimmte Wellenlänge und Intensität (nach Stefan und Boltzmann). Vereinfacht kann man
sagen, dass die Atome oder Moleküle im Feststoff bei Temperaturen über 0 Kelvin um ihre
Gleichgewichtslage schwingen. Dabei wirken sie wie hertzsche Dipole und senden elektro-
magnetische Wellen aus, die als Wärmestrahlung nachweisbar ist. Mit höherer Temperatur
werden die Schwingungen stärker, die elektromagnetische Strahlung intensiver und ihre
Wellenlänge nimmt ab.
Jeder Körper strahlt in Abhängigkeit von seiner Temperatur in einem bestimmten Wellenlän-
genbereich und besitzt ein Ausstrahlungsmaximum bei einer temperaturabhängigen Wellen-
länge. Das Plancksche Strahlungsgesetz bietet die genaue Beschreibung dieser Eigenschaf-
ten. Demnach strahlen heißere Körper stärker, in einem größeren Wellenlängenbereich und
haben ihr Ausstrahlungsmaximum bei kürzeren Wellenlängen.
Über die Strahlungsintensität kann damit nach dem Gesetz von Stefan und Boltzmann, die
Temperatur eines Objektes berührungslos bestimmt werden. Dabei gilt, dass mit kühler wer-
dendem Material sich das Licht in den langwelligen Spektralbereich verschiebt.
Stefan – Boltzmann – Gesetz:
4
P = ε × σ × A×
( T )
Formel 2.1.1
Nach dem Gesetz sendet der Strahler über 0 Kelvin Strahlung aus, deren Leistung mit zu-
nehmender Temperatur mit der vierten Potenz steigt. Dies ist auch der Hauptgrund, weshalb
sich die Thermographie so hervorragend für die Temperaturbestimmung nutzen lässt und
eine sehr hohe Genauigkeit erzielt.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil ist der Emissionsgrad des strahlenden Körpers. Als Stoff-
kennzahl bietet er den Vergleich zum schwarzen Strahler (ε=1) und damit ein Verhältnis zwi-
schen realer und idealer ausgesandten Strahlung. In Abhängigkeit von Material, Spektralbe-
reich ∆λ, Temperatur, Oberflächenbeschaffenheit und Abstrahlrichtung ändert sich der Emis-
sionsgrad und verschlechtert dabei gegebenenfalls die Messgenauigkeit.
23

Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen auf Oberflächen
Thermografiekameras arbeiten im Infrarotbereich bei Wellenlängen zwischen 3 bis 14 µm.
Die Strahlung ist für das menschliche Auge nicht sichtbar und entspricht Temperaturen von
unter 600°C.
Bei solch geringen Temperaturen wird das Energieangebot der Strahlung sehr gering und
die Anforderungen an die Sensoren sind ungleich größer als bei höheren Temperaturen. Die
Sensoren sollen die empfangene Strahlung in elektrische Signale umwandeln, die am Ende
das Bild ergeben. Da sie in jedem Fall eine eigene Temperatur besitzen, senden sie selbst
ebenfalls Infrarot-Strahlung aus und es kommt zu einem Rauschen was die eigentlichen
Temperaturmessungen stark negativ beeinflusst. Um diesen Effekt zu minimieren, arbeiten
diese hochauflösenden Kameras mit gekühlten Sensoren (bei ca. 80K), die nur ein minima-
les eigenes Rauschen besitzen. Kühlmittel ist zumeist Stickstoff. Es existieren auch einfa-
chere Geräte ohne gekühlte Sensoren, diese sind aber für Messanwendungen generell un-
geeignet.
Im nichtsichtbaren Spektralbereich verwendet man Graustufen zur Temperaturunterteilung.
Für den Benutzer werden diese Graustufen häufig mit Falschfarben verändert, um eine bes-
sere Auswertung zu ermöglichen.
Anwendungen:
Vorteile:
� Im zivilen Bereich: Isolationsprüfungen, Energie- und Wärmeverteilungen, Ris-
se in Rohrleitungen, Brandherde in verrauchten Gebäuden entdecken, For-
schung und Entwicklung und auch in der Medizin
� Im militärischen Bereich: getarnte Objekte oder Personen aufspüren
� Berührungsloses Messverfahren
� hochgenaue Temperaturauflösung (0,05K)
� Schnelllaufende Prozesse wie Verbrennungen oder Explosionen erfassbar
� flächenförmige Messung
� Kameragröße mit gewöhnlichen Videokameras vergleichbar
� kein Einfluss auf das zu messende Objekt
� je nach Speichergröße beliebig viele Bilder in kurzen Zeitintervallen möglich
(0,8s)
� auch Echtzeitthermographie möglich, Kameras aber noch teurer
� Bilder sehr leicht mit PC verarbeitbar, Kameras verfügen über entsprechende
Ausgänge
24

Nachteile:
Bewertung
Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen auf Oberflächen
� Eigenerwerbung einer Thermographiekamera sehr kostenintensiv ( ab ca.
30000 Euro)
� Dienstleister bieten sich an, speziell bei nur geringer Anzahl an Messungen
� preiswerte Alternative sind IR-Viewer, sie sind aber nicht kalibrierbar und fin-
den nur Anwendung bei Polizei, BGS und Feuerwehr
� sehr aufwendige Kühlung
� Tiefenwirkung der Messung praktisch null, Messung nur an Oberfläche
� Betrachtung nur durch Infrarot transparente Medien möglich, bei Luft u. a.
durch Wasserdampf und Kohlendioxid beeinflusst und insgesamt stark wellen-
längenabhängig, „atmosphärische Fenster“ beeinflussen Transmission weni-
ger stark
� Interpretation der Ergebnisse in Bildform erfordern entsprechendes Know-How
Die Thermographie ist das beste existierende Oberflächentemperaturmessverfahren. Hin-
sichtlich Auflösung und Genauigkeit (bis 0,05K) in der Oberfläche ist die Thermographie von
allen anderen möglichen Verfahren unerreicht. Dagegen sprechen die immensen Kosten, die
mit der Anschaffung einer Thermographiekamera und nötiger Software sowie Zubehör ver-
bunden sind. Dies ist auch der entscheidende Aspekt für diese Studienarbeit. Ziel sind mög-
lichst genaue Messungen bei im vergleichsweise (Thermographie) geringen Kosten.
2.2 Strahlungspyrometrie
Sie basiert auf denselben physikalischen Grundlagen wie die Thermografie. Um aber eine
Oberflächentemperatur möglichst genau zu bestimmen, benötigt man neben der Strahlungs-
intensität, auch den spektralen Emissionsgrad des emittierenden Körpers. Dies stellt ein
großes Problem dar, denn der Emissionsgrad verändert sich stark bei Oberflächenverunrei-
nigungen und hängt auch selbst von der Temperatur und damit der Wellenlänge ab. Generell
sollte der Emissionsgrad so hoch wie möglich liegen, um eine Messung zu ermöglichen. Vor
allem bei blanken Metallen wird dies zum Problem, da sie nur kleine Emissionsgrade besit-
zen.
Zur Erzielung einer höchst möglichen Genauigkeit, wird in einigen Pyrometern eine Zweit-
messung mit Hilfe eines Lasers durchgeführt. Dieser bestimmt den genauen Emissionsgrad
und damit auch die exakte Temperatur der Oberfläche.
Die Pyrometrie ist in Temperaturbereichen von -50 bis +3500°C einsetzbar, misst die Tem-
peratur allerdings nur punktuell auf der Oberfläche.
25

Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen auf Oberflächen
Je nach Objektmaterial und Temperatur kommen verschiedene Wellenlängen und Sensoren
zum Einsatz. Beispielsweise werden bei Raumtemperatur Wellenlängen im mittleren Infra-
rotbereich mit thermischen oder pyroelektrischen Sensoren verwendet. Bei Temperaturen
jenseits von 350°C können IR-Fotodioden im nahen Infrarotbereich eingesetzt werden. Ab
etwa 700°C werden Sensoren im sichtbaren Spektralbereich verwendet.
Pyrometer sind besonders bei sehr hohen Temperaturen geeignet. Ihre Anwendung ist zu
höheren Temperaturen besser erweiterbar.
Vorteile:
Nachteile:
� berührungslos, keine Gefahr der Beschädigung von empfindlichen Objekten
� sehr schnelle Messungen (ms Bereich)
� sehr großer Temperaturmessbereich möglich
� kein Verschleiß
� keine Temperatur-Beeinflussung des Messobjekts oder Fehler durch mangel-
haften Wärmekontakt
� auch bewegte Objekte messbar
� Messung von aggressiven Medien oder in stark beeinflussenden Umfeldern
(z.B. EM-Felder)
� punktuelles Temperaturmessverfahren
� Tiefenmessung nicht möglich
� falscher Emissionsgrad verfälscht Ergebnisse erheblich
� keine großflächige Messung möglich
26

2.3 Thermoelemente
Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen auf Oberflächen
Thermoelemente sind im eigentlichen Sinne punktuelle Temperaturmesser. Daher kommen
sie auch in sehr kleinen Bauformen vor. Für eine zweidimensionale Temperaturbestimmung
benötigt man somit eine Matrix aus mehreren Elementen. Die Abstände zwischen den
Messpunkten sind stark von der Bauform der einzelnen Elemente abhängig. Sie begrenzen
dadurch die Auflösung einer Thermoelementmatrix, da zwischen ihnen keine Messung mög-
lich ist.
Funktionsprinzip:
Thermoelemente nutzen den so genannten Seebeck-Effekt. Dabei wird in einem elektrischen
Leiter, der sich in einem Temperaturgefälle befindet, ein Elektronenfluss angeregt. Dieser
entsteht durch die elektromotorische Kraft (EMK), die zum Temperaturgefälle proportional ist.
Somit lässt sich an den Enden des Leiters ein Spannungsunterschied feststellen, der von
Temperaturdifferenz und den thermoelektrischen Eigenschaften des Leitermaterials abhän-
gig ist. Jedes Metall besitzt einen thermoelektrischen Koeffizienten, der meist gegen Platin
bestimmt wird und die Höhe der entstehenden Spannung beschreibt.
Für eine Temperaturmessung verwendet man zwei Leitermaterialien mit möglichst unter-
schiedlichen Koeffizienten. Die Leiter werden an der Temperaturmessstelle miteinander ver-
bunden. Durch die Temperaturdifferenz zwischen Verbindungsstelle sowie den beiden En-
den und durch die unterschiedlich starke EMK in den beiden Leitern bildet sich eine tempera-
turabhängige Spannung aus. Die verbundenen Leiter werden auch als Thermopaar, die re-
sultierende Spannung als Thermospannung bezeichnet.
Die Thermospannung bewegt sich im geringen Mikrovoltbereich und entsteht, sobald die
Temperatur über 0K liegt. Die thermoelektrische Spannungsreihe (DIN EN 60584) beinhaltet
die Koeffizienten zu den verschiedenen möglichen Leitermaterialien und ermöglicht damit
eine klare Aussage zur Temperatur an der gemessenen Stelle [7].
( k − k ) ⋅ ∆T
U th = NiCr Ni
Formel 2.3.1
Die Formel 2.3.1 kann bei bekannter gemessener Spannung nach der gemessenen Tempe-
ratur umgestellt werden. ( Hier für ein Nickel-Chrom-Nickel Thermoelement)
Thermoelemente messen keine „absolute“ Temperatur, sondern nur eine Differenz zwischen
zwei Messstellen. Sie werden deshalb auch als Temperaturfühler bezeichnet. Die genormte
27

Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen auf Oberflächen
Spannungsreihe bezieht sich bei der Spannungsangabe des Elements immer auf 0°C. Somit
benötigt man bei einer technischen Anwendung eine so genannte Vergleichstelle, an der die
Temperatur bekannt ist. In den meisten Thermoelementen ist diese Vergleichsstelle auf klei-
nem Bauraum integriert. Danach wird die Spannung mit Leitungen aus gleichem Material
(Kupfer) zu einem Messinstrument geführt um weitere Thermospannungen zu unterbinden.
In Formel 2.3.1 bezieht sich das ∆T auf die Differenz zwischen gemessener Temperatur und
der angesprochenen Vergleichstemperatur.
Abb. 2.1: Aufbau Thermoelement [7]
Für die Berechnung der Thermospannung nach [7] gilt:
U = U
+ U
Thermospannung
gemesseneSpannung
Vergleichsstellenspannung
Formel 2.3.2
Nach Formel 2.3.2 ist entweder eine konstante Temperatur an der Vergleichsstelle nötig o-
der das zusätzliche Erfassen der Temperatur an der Vergleichsstelle während der Messung.
Da nach dem Wirkprinzip nur elektrische Signale entstehen, wird die Auswertung, Verarbei-
tung und Speicherung sehr einfach. Problematisch ist das relativ schwache Ausgangssignal,
dass der Temperaturdifferenz nicht linear folgt. Hierfür werden zusätzliche Signalverstärker
und Linearisierungsgeräte eingesetzt.
Thermoelemente erzielen eine hohe Messgenauigkeit von einem zehntel Kelvin und besser
je nach Genauigkeit der Kalibrierung. Ihr Einsatzbereich liegt zwischen -250°C und 3000°C.
Vorteile:
� verhältnismäßig kleine Temperaturmessgeräte
� genaue Temperaturbestimmung
� sehr preiswerte Bauteile
� -einfache Handhabung und Auswertung
� robust und vielseitig anwendbar
28

Nachteile:
Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen auf Oberflächen
� nur punktuelle Messung; für eine 2-dimensionale Anwendung wird eine Matrix
aus mehreren Thermoelementen benötigt, wobei die Baugröße die Abstände
der Messung und damit die Auflösung angibt
� 2D-Anwendung ungeeignet, da auch der finanzielle Vorteil der einzelnen Ele-
mente durch die hohe benötigte Anzahl zum Teil eliminiert wird
2.4 Widerstandsthermometer
Abb. 2.2: Mantel-Thermoelement [7]
Zusammen mit den Thermoelementen gehören sie zu den industriell meist verbreiteten
Temperaturmesssonden.
Das Funktionsprinzip eines Widerstandsthermometers beruht auf der temperaturabhängigen
Veränderung des elektrischen Widerstands bei jedem leitenden Stoff. Mit steigender Tempe-
ratur werden die thermischen Schwingungen der Atome im Gitter stärker, womit auch der
elektrische Widerstand des Leiters zunimmt.
Für eine gute Anwendbarkeit in der Praxis sollten die verwendeten Metalle eine möglichst
große Widerstandsänderung über die Temperatur zeigen, das heißt der Werkstoff besitzt
einen hohen Temperaturkoeffizienten α. Um genaue Messergebnisse zu erzielen, ist eine
möglichst gleichmäßige Änderung des Widerstands im Metall zur umgebenden Temperatur
erforderlich. Auch Verunreinigungen und auf das Metall wirkende mechanische Spannungen
führen zur Veränderung des elektrischen Widerstands und sind dabei bei Herstellung und
Anwendung der Messgeräte zu minimieren.
Vor allem sehr reine Edelmetalle eigenen sich sehr gut für die Messwiderstände aufgrund
ihrer großen Temperaturkoeffizienten. Es wird dabei in Heißleiter mit negativen Temperatur-
koeffizienten (NTC-Widerstände) und Kaltleiter mit positiven (PTC-Widerstände), unterschie-
den. Der eigentliche Widerstand wird auch als Thermistor bezeichnet und besteht häufig aus
Platin. Weitere verwendete Metalle sind unter anderen Cu, Ni, Ag, Au, sie variieren in ihrer
Temperaturanwendbarkeit und decken damit verschiedene Einsatzbereiche ab. Hinzu kom-
29

Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen auf Oberflächen
men Molybdän-Dünnfilmwiderstände (für -50…200°C) und verschiedene, bisher aber nicht
genormte Halbleitermaterialien.
Um die Austauschbarkeit zwischen einzelnen Messgeräten zu gewährleisten, sind die Ei-
genschaften der Widerstandsmetalle in Normen festgehalten (Bsp.: Platin DIN EN 60751).
Da die Widerstandsverläufe über die Temperatur häufig nicht linear sind, erfolgt ihre Be-
schreibung über Polynome, die je nach gewünschter Genauigkeit Terme einer höheren Ord-
nung mitberücksichtigen. Die für die Potenzreihenentwicklung nötigen Koeffizienten bestim-
men die materialspezifischen Eigenschaften und sind ebenfalls in der Norm zu finden.
Weil bei dieser Temperaturmessung der metallische Leiter stromdurchflossen ist, findet auch
im Metall eine Selbsterwärmung statt, die vor allem bei sehr genauen Messungen zu berück-
sichtigen ist. In Abhängigkeit von Stromstärke, Widerstand des Leiters, dem Medium und
seiner Strömungsgeschwindigkeit kann der Fehler schnell bei mehreren hundertstel Kelvin
liegen. In den meisten Fällen gibt der Hersteller einen so genannten Selbsterwärmungskoef-
fizienten an.
Widerstandsthermometer messen im Gegensatz zu Thermoelementen die absolute anlie-
gende Temperatur. Damit entfallen Vergleichsstellen und Thermoleitungen für die Auswer-
tung. Sie sind in Temperaturbereichen von -200°C bis 850°C einsetzbar und erreichen eine
Genauigkeit von ±0,02K. Ihre Ausgangsgrößen sind wie bei Thermoelementen elektrische
Signale. Diese werden aber nicht erzeugt, sondern benötigen eine externe Spannungsquelle
am Sensor [7].
Vorteil:
Nachteil:
� genauer als Thermoelemente, mit stabileren Messeigenschaften
� elektrische Ausgangssignale vereinfachen Weiterverwendung
� einfache Handhabung und Auswertung
� robust und vielseitig anwendbar
� Geräte unterliegen keiner starken Alterung
� ungeeignet für eine 2-dimensionale Temperaturmessung
� teurer als Thermoelemente
30

Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen auf Oberflächen
Abb. 2.3: Widerstandsthermometer [7]
Sonderbauformen: Folien-, Dünn- und Dickfilm-Messwiderstände
Die Folienwiderstände kommen häufig in Thermometern zum Einsatz. Sie bestehen aus ei-
nem Platindraht der zwischen zwei Polyamidfolien geklebt wird. Diese Temperaturmesser
haben eine Dicke von 0,1-0,15 mm und zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität aus. Bei
Temperaturen zwischen -80 bis +230°C werden sie deshalb oft an Rohrleitungen eingesetzt
[7].
Fertigungsverfahren aus der Halbleitertechnik ermöglichen die Herstellung von so genannten
Dünn- und Dickfilm-Messwiderständen. Hierbei wird eine 1 µm dünne Platinschicht auf ein
Aluminiumoxid-Substrat, welches auch als Trägermaterial dient, aufgedampft. Anschließend
wird die Platinschicht mit Hilfe eines Lasers strukturiert und auf den Nennwiderstand abge-
glichen und alles mit einer Glasschicht versiegelt. Damit liegt die Gesamtdicke des Mess-
elements, je nach Herstellung, noch unter den Folienwiderständen.
Vorteile gegenüber normalen Widerstandthermometern:
� kürzere Ansprechzeit durch geringere thermische Masse
� unempfindlicher gegen Stöße und Vibrationen
� Großserienfertigung besser möglich
31

Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen auf Oberflächen
Dickfilm-Messwiderstände werden durch Aufdrucken einer Glas-Platinpaste auf ein Substrat
hergestellt. Über das Aufdruckverfahren sind auch komplexere, zylindrische Messwiderstän-
de zu fertigen. Die Einsatztemperaturen liegen zwischen -50 und +500°C.
Nachteile:
� bei großen Messbereichen kann sich das Platin nicht spannungsfrei auf dem
Substrat ausdehnen
� Sensoren trotz Glasversiegelung verschmutzungsanfällig
� komplizierte Herstellung und Trägersubstrateigenschaften können zu Quali-
tätsänderungen zwischen den Chargen führen
� ungenauer als Drahtwiderstände (eine Größenordnung)
Abb. 2.4: Folien-, Dick- und Dünnfilmmesswiderstände [7]
32

2.5 Temperaturlacke
Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen auf Oberflächen
Die zu vermessende Oberfläche wird bei diesem Verfahren mit einer Lackschicht überzogen,
die bei bestimmten Temperaturen ihre Farbe irreversibel ändert. Die Farbänderung wird im
Lack enthaltenen Salzen zugeschrieben. Diese reagieren bei hohen Temperaturen chemisch
und bilden neue Stoffe, welche visuell durch die Farbe sichtbar sind. Mit dem Verfahren kön-
nen dabei selbst komplexeste Geometrien beschichtet werden, ohne das Wärmeverhalten
des Bauteils an sich zu verfälschen. Die erreichten Farben der Temperaturlacke sind dabei
irreversibel und bilden nur die maximal erreichte Temperatur in diesem Bereich ab. Für die
Auswertung und Zuordnung der jeweiligen Farben zu den Temperaturen ist sehr viel „Know-
How“ und Erfahrung nötig.
Vorteile:
Nachteile:
� Temperaturbestimmung auf sehr komplexen Oberflächen
� hoher Temperaturbereich für u.a. triebwerksnahe Anwendungen; je nach Art
des Lackes Einsatzbereiche von 120-590°C (MC-Lacke) und 500-1300°C (TP-
Lacke), in denen sich die Farbe in 4-5 Stufen ändert
� leichte Erfassung von „Hot-Spots“ auf der Oberfläche, leichte Identifikation von
Punkten, die stark thermisch beansprucht sind
� relativ kostengünstig im Versuch, Instrumentierung entfällt, dafür ist allerdings
Montage und Demontage im Anwendungsgebiet zu berücksichtigen
� direkter Vergleich der Ergebnisse mit analytisch bestimmten Werten, nachdem
komplette Geometrie mit Farbverläufen in PC übertragen wurde
� Auswertung nur von absoluten Fachkräften möglich und kosten- weil zeitinten-
siv
� irreversible Farbänderung; keine Temperaturänderung über eine Zeitspanne
detektierbar
� Genauigkeit nicht im Bereich von Thermoelementen oder Thermographiekame-
ras, da die Farben nur in wenigen Stufen und bei bestimmten Temperaturen
umschlagen
� für Vergleich mit analytischen Berechnungen muss Bild in PC übertragen wer-
den, per Hand oder mit Hilfe von Scannern
33

Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen auf Oberflächen
Abb. 2.5: Thermolacke auf Bauteil [14]
34

Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen auf Oberflächen
2.6 Temperatursensitive Farben
Die auch als TSP bezeichneten Farben basieren auf Polymeren, in denen temperatur-
sensitive Moleküle eingebettet sind. Das Prinzip beruht auf der Lumineszenz, im speziellen
der Thermolumineszenz. Diese beschreibt das Vermögen eines Stoffes, Licht bei dem Rück-
fall aus einem angeregten Zustand auszusenden. Die Anregung erfolgt hierbei durch die
thermische Energie. Die Lichtintensität steigt mit zunehmender Temperatur. Dieser Effekt
wird auch als thermisches Quenchen bezeichnet und bildet somit die Hauptgrundlage für die
Reaktion bei temperatursensitiven Farben.
Über einen bestimmten stoffabhängigen Temperaturbereich kann das Verhältnis zwischen
Lumineszenz Intensität I und der absoluten Temperatur T in der Arrhenius Formel beschrie-
ben werden [9]:
I( T ) Enr
⎛ 1 1
ln = ⎜ −
I ( T ) R ⎝ T T
ref
ref
⎞
⎟
⎠
Formel 2.6.1
Die Temperatursensitiven Farben stehen in engem Zusammenhang mit den ebenfalls oft
eingesetzten drucksensitiven Farben (PSP). Sie bieten vor allem in der Luftfahrttechnik viel-
fältige Anwendungen zur Strömungsvisualisierung und Auswertung.
Vorteile:
Nachteile:
� Beschichtung und Vermessung von komplexen Geometrien
� relativ preiswerte Farben
� direkter Vergleich der Ergebnisse mit analytisch bestimmten Werten, nachdem
komplette Geometrie mit Farbverläufen in PC übertragen wurde
� unter Laborbedingungen bis maximal 450°C einsetzbar, eingeschränkter Ein-
satz z.B. direkt im Triebwerkstest
� Farbschichten sind konstant dünn aufzutragen
� schwierige Auswertung der Farben mit Rückschlüssen auf die Temperatur, Er-
fahrung nötig
� Einlesen der Ergebnisse in PC sehr zeitaufwendig
35

2.7 Vergleich einzelner Temperaturmessverfahren
Thermographie
Temperaturbereich
-50- 150°C je
nach Kamera
Pyrometrie -50- 3500°C
Genauigkeit
Messgeschwindigkeit
+/- 0,02K kurz
+/- 1K je nach
Temperatur
höher
Thermoelemente -250- 3000°C +/- 0,1K sehr kurz
Widerstandsthermometer -200- 850°C +/- 0,02K kurz
Dünn- u. Dickfilm-
Messwiderstände
Temperaturlacke
Temperatur Sensitive
Farben
Thermochrome Flüssigkristalle
(verwendete Folien)
dünn -80-
230°C dick -50-
500°C
Lackabhängig
120-1300°C
bis 450°C
ca.-40-140°C
+/- 0,2K kurz
(10-50K
Bereich)
(5-10K
Bereich)
Mess- geometrie
alle plane Flächen
möglich
Alternative Möglichkeiten der Temperaturerfassungen auf Oberflächen
Kontakt- messung
nein
sehr kurz punktförmig nein
lang über
gesamten
Versuch
lang über
gesamten
Versuch
Vibrationsbeständigkeit
unnötig; keine Kontaktmessung
unnötig; keine Kontaktmessung
Reproduzierbarkeit
sehr gut
sehr gut
Langzeit- stabilität
Geräte mit
hoher Lebensdauer
Geräte mit
hoher Lebensdauer
punktförmig ja sehr robust gut befriedigend
über Länge des
Widerstands
quasi 1D; sehr
kleine Flächen
2D mit komplexen
Geometrien
2D mit komplexen
Geometrien
bis

Kühlfilmeffektivität und ihre Messung
3 Kühlfilmeffektivität und ihre Messung
3.1 Kühlfilmeffektivität
Vor allem in Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken werden die verwendeten Materialien bis
an ihre Grenzen belastet. Dies ist jedoch die logische Folge der Weiterentwicklung, da höhe-
re Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrade einhergehen mit extremen Temperaturen.
Die höchstbelasteten Komponenten sind die Turbinen direkt hinter der Brennkammer. Ihre
Aufgabe besteht darin, ein zum Teil über 2000 K heißes, schnelles Gas durch Umlenkung in
Rotationsenergie umzusetzen. Was stark vereinfacht folgt, ist entweder Schub im Flugtrieb-
werk oder auf einem Generator erzeugte elektrische Energie bei der Gasturbine.
In jedem Fall sind die dabei wirkenden Temperaturen auf die Turbinenschaufeln zu groß, als
das die hoch entwickelten, verwendeten Nickelsuperlegierungen einem direkten Kontakt
standhalten könnten.
Um trotzdem weit über dem eigenen Materialschmelzpunkt arbeiten zu können, werden Tur-
binenschaufeln mit kälterer Verdichterluft „gekühlt“. Der Begriff Kühlluft sollte hier relativ be-
trachtet werden, da die hierfür benutzte Hochdruckverdichterluft bis zu 900 K heiß sein kann.
Dennoch reicht die Temperaturdifferenz zum Heißgas aus, um einen schützenden Kühlfilm,
ein Gemisch aus Kühlluft und Heißgas, um die rotierende Schaufel zu legen. Im Idealfall ha-
ben die Turbinenschaufeln nie direkten Kontakt mit dem Heißgas und somit eine weit aus
höhere Lebensdauer.
Es werden drei Schaufelfühlungskonzepte unterschieden:
1. Konvektionskühlung (Prallkühlung); findet nur im Inneren der Schaufel statt und
kühlt über den Wärmetransport aus dem Schaufelinneren
2. Filmkühlung; Ausblasungen über Bohrungen an besonders beanspruchten
Schaufelbereichen (Vorder- und Hinterkante)
3. Effusionskühlung; theoretisch effektivstes Kühlungsverfahren, poröse Wände ver-
sprechen hohen Wärmeübergang bei minimalen Kühlluftbedarf, v.a. Fertigungs-
und Verschmutzungsprobleme (Lochverstopfung) verhinderten bisherigen Einsatz
in der Praxis
Für diese Arbeit soll die Filmkühlung im Vordergrund stehen. Diese Kühlung basiert auf zwei
Vorgängen. Zum einen auf konvektiver Wärmeaufnahme: In den Bereichen, wo der Kühlluft-
strahl aus den Kühlungsbohrungen tritt, reduziert er die Materialtemperatur im bohrungsna-
hen Bereich spürbar. Sowie zum anderen durch Wärmeeinkopplung an der Schaufeloberflä-
che. Hier findet nach der Ausblasung ein Durchmischungsprozess zwischen Kühlluft und
37

Kühlfilmeffektivität und ihre Messung
Heißgas statt, wodurch Wärme aus der Schaufel abtransportiert und zusätzlich eine schüt-
zende Oberflächenisolierung hergestellt wird. Durch den Mischungsvorgang wird dabei
stromab der Ausblasebohrung die wandnahe Grenzschicht gestört, was einer Erhöhung des
Wärmetransports gleichkommt und somit die Kühlung verbessert. Dieser Vorgang wird auch
als hydrodynamische Wirkung des Kühlfilms bezeichnet und ist damit der zweite Einflussfak-
tor auf die Kühlung neben dem Wärmeübergang α bei der Konvektion.
Abb. 3.1: Filmgekühlte Turbinenschaufeln [14]
Die Ausblasung der Verdichterluft erfolgt also durch die Schaufel von innen nach außen
(Abb. 3.1). Der Winkel der Ausblasung muss so flach wie möglich gewählt werden.
Grund ist der Stufenwirkungsgradverlust bei zu starker Beeinflussung der Hauptheißgas-
strömung durch die Durchmischung von Kühlluft und Heißgas. Dadurch soll vermieden wer-
den, dass der gewonnene Wirkungsgrad durch Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur bei
der Kühlung der Turbinenschaufeln wieder verzehrt wird.
Zur Beschreibung der Effizienz eines Kühlverfahrens dient die adiabate Kühleffektivität η.
T
η =
T
∞
∞
− T
W
− T
K
Formel 3.1.1
Der Quotient aus den Temperaturdifferenzen zwischen Heißgas und Wand, sowie Heißgas
und Kühlluft. Bei den besseren Kühlungsvarianten geht η gegen eins.
In diesem Versuchsaufbau entspricht die Kanaltemperatur T0 der Heißgastemperatur T∞.
38

3.2 Direkte Messverfahren
Kühlfilmeffektivität und ihre Messung
Eine direkte Messung im stationären Gleichgewicht findet entweder bei konstanter Wand-
temperatur oder konstanter Wärmestromdichte statt.
UHF-Uniform Heat Flux
Diese Messmethode arbeitet mit über der Oberfläche konstanter Wärmestromdichte. Dabei
wird mittels Heizdrähten oder –folien eine Oberflächenheizung realisiert. Die darauf aufge-
brachte elektrische Leistung wird dem Wärmestrom gleichgesetzt. Durch Messung der örtli-
chen Temperaturverteilung und unter Einbeziehung des konstanten Heizstroms, ist der örtli-
che Wärmeübergangskoeffizient direkt berechenbar.
α = &(
T − T∞
)
q W
Formel 3.2.1
Die örtliche Temperatur ist durch Temperaturelemente, Widerstandsthermometer etc. sowie
auch berührungsfrei durch Infrarot-Kameras bestimmbar.
UWT-Uniform Wall Temperature
Hier bildet eine konstante Wandtemperatur die Grundlage. Da es äußerst schwierig ist, eine
isotherme Oberfläche zu gewährleisten, findet das Verfahren auch weniger starke Anwen-
dung im Vergleich zu UHF.
Die Methode benötigt sehr schnelle Regler, welche die in die Wand eingebrachten Heizele-
mente nachkorrigieren. Die Temperaturmessung kann auch hier mit einem Feld aus Ther-
moelementen erfolgen. Die örtliche Wärmeübergangszahl kann über die benötigte Wärme-
menge der Heizelemente pro Flächeneinheit näherungsweise bestimmt werden.
∆Q&
α = ⋅
∆F
( T
W
1
− T
∞
Dickfilm-Messung
)
Formel 3.2.2
In diesem Bereich ist das in dieser Arbeit untersuchte Messverfahren mit thermochromen
Flüssigkristallen anzusiedeln.
39

Kühlfilmeffektivität und ihre Messung
Diesem liegen die schon vielfach angesprochenen Farbreaktionen von Flüssigkeiten bei be-
stimmten Temperaturen zu Grunde. Bei der Messung wird die Färbung über ein Bildverarbei-
tungssystem aufgezeichnet und jeder Farbe ist eine entsprechende Temperatur zuzuordnen.
3.3 Indirekte Messverfahren
Indirekte Messverfahren nutzen Analogien in physikalischen Vorgängen.
Bei Experimenten zur Bestimmung der Kühlfilmeffektivität kommt dabei die Analogie zwi-
schen Wärme- und Stofftransport zur Anwendung.
Am Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe wurden in der Vergangenheit
verschiedene Analogieverfahren zur Bestimmung der Kühleffektivität auf Schaufelgeometrien
eingesetzt.
Dabei wurden mit der Ammoniak-Diazo-Technik (ADT) sowie dem Naphtalin Verfahren wert-
volle Erfahrungen gesammelt und gute Messergebnisse erzielt. Diese Verfahren haben sich
bewehrt und sollen nun durch ein mögliches drittes, direktes Messverfahren mit TLC Folien
ergänzt werden. Dieses Kapitel beschäftigt sich nun mit den bereits verwendeten Verfahren,
die abschließend in 3.6 in ihren Eigenschaften sowie Vor- und Nachteilen mit dem TLC- Ver-
fahren verglichen werden.
Ammoniak-Diazo-Technik
Diese Technik gehört zu den remissionsfotometrischen Methoden. Das zu vermessende
Objekt wird mit einer Trägerfolie belegt, die mit einer wässrigen Mangan-II-Chlorid-Lösung
versetzt ist. Der das Messobjekt umströmenden Luft wird eine geringe Menge Ammoniak
beigemischt. Dabei muss gewährleistet sein, dass die Ammoniakverteilung in der umströ-
menden Luft homogen ist. Je nach örtlichem Stoffübergang reagiert die Oberfläche mit einer
dunkelbraunen Mangandioxid-Verfärbung. Es kommt zur Ausbildung verschiedener Graustu-
fen, welche mit einem Bildverarbeitungssystem der örtlichen Stoffübergangszahl zugewiesen
werden können.
Nach der Wärme- und Stofftransportanalogie verhalten sich Temperaturen und Konzentrati-
onen bei der Filmkühleffektivität proportional zueinander.
T
η =
T
∞
∞
− T
W
− T
K
C
=
C
∞
∞
− C
− C
W
K
Formel 3.3.1
Dieser Zusammenhang wurde in der Literatur bereits vielmals hergeleitet. Zur ausführlichen
Beschreibung und Herleitung möchte ich auf die Quellen [4], [5], [6] verweisen.
40

Naphthalin Messverfahren
Kühlfilmeffektivität und ihre Messung
Naphthalin ist ein sublimierender Stoff, der seinen Aggregatzustand direkt von kristallin in
gasförmig ändert. Bei den Sublimationsmethoden, zu denen auch das Naphthalin Verfahren
zählt, erlaubt die Stärke der sublimierten kristallinen Schicht direkte Rückschlüsse auf den
örtlichen Wärmeübergang.
Im Messverfahren wird ein Sublimat möglichst gleichmäßig auf die Modelloberfläche aufge-
tragen. Da sich die sublimierte Schichtdicke äquivalent zum Wärmeübergang verhält, ist eine
genaue Ermittlung der Schichtdicke vor und nach dem Versuch von Nöten.
Neben Naphthalin sind auch Eis, Jod, Kampfer oder Thymol gängige, verwendete sublimie-
rende Stoffe. In der Regel werden aber Stoffe verwendet, die bei Raumtemperatur im kristal-
linen Zustand vorliegen.
Ziel des Verfahrens ist die Ermittlung des lokalen Stoffübergangskoeffizienten β, welcher in
proportionalem Zusammenhang mit dem Wärmeübergangskoeffizienten α steht.
Eine genaue Beschreibung und Formelherleitungen sind in den Quellen [4][5][6] zu finden.
Neben der guten Auflösung der örtlichen Wärmeübergangszahlen, kämpft das Messverfah-
ren jedoch mit einigen Problemen. Es muss ist die Herstellung einer homogenen Schichtdi-
cke auf dem Modell zu gewährleistet werden. Hinzu kommt, dass Gebiete mit hohen Gra-
dienten der Stoffübergangszahlen zu Oberflächendeformationen führen und somit Grenz-
schichtstörungen auslösen. Auch eine online Messung ist mit den Sublimationsmethoden
nicht möglich, da die Schichtdickenveränderung dabei ebenfalls online überwacht werden
müsste.
41

Kühlfilmeffektivität und ihre Messung
3.4 TLC- Folien als direktes Messverfahren
TLC Applikationen
Wie bereits in den Grundlagen beschrieben, sind Flüssigkristalle sehr flüchtige Stoffe unter
atmosphärischen Bedingungen. Sie verflüchtigen sich innerhalb weniger Stunden bis Tagen.
Um sie dennoch für Messungen einsetzen zu können, sind vor allem zwei Verfahren ge-
bräuchlich.
1. Einkapselung: Die reinen Flüssigkristallpartikel werden in ein Polymer einge-
schlossen. Resultat ist ein kugelartiges Gebilde, das wenige µm
bin wenige mm groß sein kann. Der reaktive Flüssigkristall ist
von der Atmosphäre abgeschlossen und kann auch in Farben
gemischt werden.
2. Foliengebrauch: Hierbei werden die TLC’s auf eine durchsichtige Folie appliziert
und von der hinteren Seite mit einer schwarzen Schutzschicht
von der Umgebung getrennt. Folien dieser Art werden weitaus
häufiger eingesetzt.
Die bei den Versuchen eingesetzten Folien setzten sich im Wesentlichen aus drei Schichten
zusammen (Abb. 7.9). Im nicht reaktiven Zustand, außerhalb der ersten Farbreaktionstempe-
ratur, sind die Flüssigkristalle farblos. Die Folie erscheint durch die schwarze Hintergrund-
schicht ebenfalls schwarz und leicht glänzend. In dieser Anwendung müssen Flüssigkristalle
auf einer schwarzen Schicht aufgetragen werden, um Lichtreflexionen so gering wie möglich
zu halten. Die zweite Grenzschicht ist häufig eine transparente Polymerschicht, welche die
Flüssigkristalle von äußeren Einflüssen wie Schmutz, aber auch UV-Licht schützt.
Um Fehlerquellen im Versuch zu reduzieren, sollte auf einige typische Parameter der Folien
geachtet werden und der gesamte Versuchsaufbau gegebenenfalls angepasst werden.
Eigenschaften:
� Folien besitzen unterschiedliche Starttemperaturen und Bandbreiten, das um-
strömende Medium muss entsprechend konditioniert werden
� Das Temperaturarbeitsfenster der TLC’s ist im bisher kommerziell erhältlichen
Bereich auf etwa -20-80°C begrenzt
� Polymere besitzen keine hohe chemische Resistenz, ätzende Medien oder
ähnliches wirken zerstörend
� Reinigung der Folien ist möglich, kann bei Benutzung zu grober Fasermateria-
lien zu starken Verkratzungen der Oberfläche führen und damit die Bildqualität
verschlechtern
42

Kühlfilmeffektivität und ihre Messung
� Bilderfassung ist senkrecht über der Messoberfläche zu installieren, um win-
kelabhängige Farbänderungen und Bildverzerrungen zu vermeiden
� TLC Folien reagieren nicht in so extrem starker Belichtungswinkelabhängigkeit
wie mikro gekapselte Lösungen, dennoch ist eine immer gleich starke Be-
leuchtung aus gleich bleibender Richtung sinnvoll um Messungen exakt mit-
einander vergleichen zu können
� Die Beleuchtung sollte gleichmäßig und diffus erfolgen, da direkte Lichtein-
strahlung von den Folien reflektiert wird und den entstehenden überbelichte-
ten Punkten der Folie keine Farbe mehr zugewiesen werden kann
� Foliendicke ist je nach Hersteller unterschiedlich, hat aber großen Einfluss auf
die Grenzschicht des umströmenden Mediums (verwendete Folien sind ca.
0,7 mm stark)
� Kurze Versuchszeiten verringern einen zu starken Wärmeübergang in der Fo-
lie und in die Wand, daher sind Wandwerkstoffe mit geringem α zu wählen;
eventuell sind online Temperaturüberprüfungen mit Thermoelementen oder
ähnlichem nötig
� Komplexe oder zu stark gekrümmte Oberflächen sind mit TLC Folien schwer
zu bestücken
Bei Versuchen mit TLC Folien sollten diese Punkte beachtet werden um ein möglichst gutes
Ergebnis zu gewährleisten.
3.5 TLC- Bildauswertung
Flüssigkristalle eigenen sich um sowohl stationäre, als auch transiente Temperaturfelder im
begrenzten Maß ihrer Bandbreite zu visualisieren.
Problematisch ist die Bewertung der gewonnenen Bilder, da jeder Mensch ein subjektives
Farbempfinden besitzt und es ihm somit unmöglich ist, feine Farbnuancen sicher zu unter-
scheiden. Vom Menschen getroffene Aussagen zu den Farbreaktionen sind deshalb nur als
qualitativ anzusehen und haben nur stark begrenzte Aussagekraft.
Zur Bildauswertung ist eine Bilderfassung nötig, welche die Färbung der Flüssigkristalle stets
gleich erfasst und so eine nachträgliche Auswertung der einzelnen Pixel ermöglicht.
Sehr gut sind dazu Kameras geeignet, die das Bild direkt digitalisieren und damit eine PC
gestützte Auswertung stark vereinfachen. Dazu gehören CCD („charge-coupled device“) die
mittlerweile sehr verbreitet sind und auch bei dieser Arbeit Anwendung finden.
Die Aufnahmen werden in die rote, grüne und blaue Farbkomponente zerlegt und getrennt
voneinander gespeichert. Als Bewertung dient die Farbtonanalyse vom Menschen oder die
43

Kühlfilmeffektivität und ihre Messung
Auswertung von Schmalbandspektren der Intensitäten nach Helligkeiten der Bilder. Als
Schmalbandspektren werden diejenigen Flüssigkristalle bezeichnet, deren Bandbreite unter
einem Kelvin liegt.
Die heute weit verbreiteten Digitalkameras haben die Auswertung von thermochromen Reak-
tionen stark verbessert. Durch eine direkte digitale Bilderfassung konnte die Messgenauig-
keit gegenüber der subjektiven Farbtonanalyse um ein Vielfaches gesteigert werden. Digital-
kameras ermöglichen eine quantitative Aussage über die Temperaturverteilung der vermes-
senen Fläche. Diese Vorgehensweise zur Temperaturmessung wird auch als Digital Particle
Image Thermometry (DPIT) bezeichnet.
HSI 2 - Darstellung
Es existieren verschiedene Möglichkeiten, die Bildinformationen für den PC verständlich zu
zerlegen und damit eine Auswertung zu ermöglichen. Die bedeutendste stellt die HSI 2 - Dar-
stellung dar.
Die Abkürzung steht dabei für die wichtigsten Parameter dieser Bildauswertung.
H steht für den Farbton (Hue) der dominierenden, reflektierten Lichtwellenlänge des TLC’s
und damit in direkter Temperaturabhängigkeit zur Messfläche.
Die Lichtintensität I (Intensity) oder auch nur Helligkeit, zieht den Vergleich zu einer
Schwarz-Weiß-Aufnahme des Bildes und wird aus der Summe der drei Grundfarben gebil-
det:
I =
( R
2
+ G
3
2
+ B
2
)
Formel 3.5.1
In einer 8-Bit Darstellung nimmt die maximale Helligkeit bei einem weißen Bild beispielswei-
se den Wert 255 (2 8 ) an.
Als drittes Merkmal beschreibt die Sättigung S (Saturation) die Farbreinheit oder auch Farb-
tiefe der Aufnahme. Sie ist die Differenz aus einem „weißen Hintergrund“ (255) und der In-
tensität der Abbildung:
min( R,
G,
B)
S = 255⋅
( 1−
)
I
Formel 3.5.2
44

Kühlfilmeffektivität und ihre Messung
Reine Farben besitzen eine Sättigung von 100%, sie haben somit einen maximalen Wert von
255.
Der Farbton errechnet sich als Sättigungswert der dominierenden Farbe. Jeder einzelner
Pixel des von der Kamera aufgezeichneten RGB- Bildes wird in Farbton, Sättigung und In-
tensität transformiert.
Die reinen Farben Rot, Grün und Blau korrespondieren dabei mit Farbtonwerten von 0, 126
und 252. Somit lässt sich die Temperatur anhand einer Kalibrierungskurve bestimmen. Dabei
ist zu beachten, dass der Zusammenhang zwischen Farbton und Temperatur stark nichtline-
ar ist.
Abb. 3.2: Beispiel einer Kalibrierkurve für TLC's [11]
Abb. 3.2 zeigt ein Beispiel für ein Kalibrierpolynom 8ter Ordnung aus experimentell ermittel-
ten Punkten. Hier sind deutlich hohe Gradienten im Rot-Grün Übergang erkennbar. Diese
sind die größten Fehlerquellen, da eine kleine Farbtonabweichung große Temperaturverän-
derungen nach sich zieht und der relative Fehler somit stark ansteigt.
Je nach Anwendungsfall müssen auch andere Störungen wie Reflektion und Streuung be-
rücksichtigt werden. Sie können zu unerwarteten Farbverschiebungen oder Bildstörungen
führen, die bei der Kalibrierung berücksichtigt werden müssen. Zur Ergebnisaufbereitung
eigenen sich Glättung, Mittelung oder Interpolation je nach Anwendung.
Zweckmäßig ist eine Kalibrierung unter Versuchsbedingungen mittels RGB-Bildern. Dies
beinhaltet insbesondere gleiche Beobachtungswinkel bei Versuch und Kalibrierung. Winkel-
änderungen von je 10° können beispielsweise zu einer Zunahme der gemessenen Tempera-
tur von jeweils 0,07°C führen [12].
45

Kühlfilmeffektivität und ihre Messung
3.6 Vergleich ADT-Naphthalin-TLC’s
Art
Ammoniak-Diazo-Technik Naphthalin-Verfahren Thermochromic LC's
remissionsfotometrische
Methode
Sublimationsmethode Dickfilm Flüssigkristalle
Einsatztemperatur v.a. Raumtemperatur v.a. Raumtemperatur ca. -20-80°C
Art der Umströmung
Vorteile
Nachteile
stationär stationär
hohe örtliche Auflösung bei
großen, auch gekrümmten
Flächen, einfache Handhabung
keine Online-Messung möglich
Grenzschichtbeeinflussung
durch Trägerfolie möglich, hohe
Anfälligkeit auf Veränderungen
der Konzentrationen und Temperaturen
während des Versuchs
hohe örtliche Auflösung bei
großen, auch gekrümmten
Flächen
keine Online-Messung möglich,
homogene Beschichtung
herstellen, Grenzschichtbeeinflussung,
bei hoher Auflösung
extrem lange Messzeiten bei
Schichtdickenermittlung wodurch
der Fehler steigt, Abtrag
stark temperaturabhängig,
entsprechend hohe
Fehlerquellen durch lange
Auswertungen für hohe
Auflösungen
Im Rahmen der Folienbandbreite
auch begrenzt
instationär möglich
Ermittlung der Temperatur für
alle Messpunkte, in Abhängigkeit
von der Folie möglich,
keine Luftbelastung, Bildauswertung
wenig zeitintensiv
Homogen durchwärmte experimental
Luft erzeugen; Wandtemperatur
möglichst konstant
halten, Wärmebewegung in
der Folie kann Messergebnisse
verfälschen (im Rahmen
der Folienbandbreite), relative
Dicke führt zu Grenzschichtbeeinflussung,
keine komplexen
Geometrien
46

Auslegung und Versuchsaufbau
4 Auslegung und Versuchsaufbau
Ziel dieser Arbeit sollte die Auslegung und der Aufbau eines einfachen Versuchs für Mes-
sungen der Filmkühleffektivität mit thermochromen Flüssigkristallen (nachfolgend TLC's ge-
nannt) sein. Als Ergänzung zu den am Lehrstuhl bereits verwendeten indirekten Filmkühl-
und Wärmeübergangsmessverfahren sollen die TLC’s ein direktes Messen ermöglichen.
Als anschauliche Referenz für eine abschließende Bewertung dient eine Vergleichsmessung
mit möglichst gleichen Randbedingungen zwischen dem Ammoniak- Diazo Verfahren und
den thermochromen Flüssigkristallen.
4.1 Allgemein
Thermochrome Flüssigkristalle zeigen durch ihre hohe optische Aktivität eine Farbverände-
rung in Abhängigkeit der anliegenden Temperatur. Dieser Effekt sollte im Versuchsaufbau
als direktes Messverfahren zur Bestimmung von Temperaturen auf einer umströmten Platte
ausgenutzt werden. Es sollte somit die Kühlfilmeffektivität mit einer direkten Temperaturmes-
sung bestimmt werden. Für den Versuch wurden reversible TLC's verwendet, die für mehre-
re Versuche Verwendung fanden.
Realisiert wurde ein Versuchsaufbau im Göttingerwindkanal mit einer einfachen angeström-
ten Platte, auf der sich senkrecht zur Messstrecke Kühlluftbohrungen befanden. Die Mess-
strecke wurde durch den Kanalquerschnitt von 58x58 cm begrenzt und ist ca. 70 cm lang.
Auf die Platte wurden hinter den Kühlluftbohrungen die TLC’s in Folienform aufgeklebt.
Senkrecht darüber wurde eine CCD-Kamera für die Aufnahme der Farbreaktion installiert.
Als helle und möglichst diffuse Lichtquelle diente eine Stroboskoplampe, welche ebenfalls in
fester Position über der Messebene installiert war.
Der Versuchsaufbau orientierte sich vor allem an den Eigenschaften der TLC's. Die notwen-
digen Recherchen haben ergeben, dass je nach chemischer Zusammensetzung die Tempe-
raturbereiche, in denen sie verwendbar sind, stark divergieren. Das Einsatzspektrum liegt bei
etwa -20°C bis 80°C, in diesem Bereich arbeiten die Folien reversibel darüber hinaus können
die Verbindungen zerstört werden.
Die Bandbreite wird durch die Farbveränderung des TLC's zwischen Rot(Start)-Grün-Blau
und den dazugehörigen Temperaturen bestimmt. Außerhalb dieses Temperaturbereichs sind
sie farblos oder nehmen eine sich über die Temperatur nicht mehr ändernde Farbe an. Die
47

Auslegung und Versuchsaufbau
verwendeten TLC's sind jedoch außerhalb beider Grenzen farblos. Die Bandbreite kann zwi-
schen einem und mehreren Kelvin liegen.
Die elementare Aufgabe für den Versuchsaufbau war, eine möglichst exakte Herstellung und
Regulierung der ausgeblasenen Kühlluft zu erzielen. Diese musste sich nicht nur in der
Bandbreite der TLC’s befinden, sondern nach Möglichkeit auch genau auf die Temperaturen
der einzelnen Farbumschlagpunkte einstellbar sein.
Die Kühlluft muss somit nach den Start- und Endtemperaturen des verwendeten TLC's
konditioniert werden. Diese Temperaturwerte bewegen sich im Zehntelgrad Genauigkeitsbe-
reich, was hohe Ansprüche an die Regelung stellt und damit das größte Problem im Ver-
suchsaufbau darstellte.
Im Versuch wurde die Kühlluft erwärmt, die ausgeblasene Luft liegt über der Raumtempera-
tur und der Temperatur im Windkanal. Prinzipiell ist es leichter Luft, in den gewünschten Ge-
nauigkeitsbereich zu erwärmen, als sie abzukühlen. Hinzu kommen die begrenzten, zur Ver-
fügung stehenden finanziellen Mittel, weshalb der Aufbau möglichst einfach gehalten werden
sollte, ohne die tatsächlichen Ergebnisse tiefgreifend zu beeinflussen.
Der Windkanal wurde für den Versuch leicht umgebaut, um die Erwärmung der umgewälzten
Luft durch Antrieb und Kühllufteintrag zu verringern. Durch eine Verkleinerung und Drehung
des Ansaugkanals um 180° wird ein größerer Anteil nicht umgelaufener Hallenluft angesaugt
und die Erwärmung der Kanalströmung verringert.
4.2 Kompressor und Ruhekessel
Eine wichtige Einflussgröße ist die im Versuch verwendete Druckluft. Der Versuchsaufbau ist
in 6.3 beschrieben und auch durch die im Labor vorhandenen Geräte nicht mehr entschei-
dend modifizierbar. Die Druckluft wurde über eine Kupferrohrringleitung direkt aus dem Ru-
hekessel entnommen. Der Kompressor arbeitete dabei nicht kontinuierlich, sondern schaltet
nach einer bestimmten Druckabnahme im Kessel zu. Der Einfluss der sich dabei auf die
Drucklufttemperatur niederschlägt, wurde in einer Recovery-Messung ermittelt und in einem
extra Punkt abgearbeitet. (5.1)
Die Größe des Ruhekessels limitierte zusätzlich die Länge des Versuches. Er wird auf 7bar
aufgeladen und entspannt während des Versuches auf 5bar, darunter schaltet sich wieder
der Kompressor ein.
Die Versuche haben gezeigt, dass der verwendete Massenstromregler den steigenden
Druck während der Aufladung nicht zu 100% ausregeln kann und der Massenstrom dabei
geringfügig fluktuiert. Die Änderungen sind allerdings nicht so immens, dass sie zu signifi-
48

Auslegung und Versuchsaufbau
kanten Änderungen der Ausblaserate führen. Um dennoch eine Beeinflussung der Strö-
mungsprofile in den einzelnen Löchern zu vermeiden, fanden die Versuche im Fenster zwi-
schen den Kompressoraufladungen statt.
Der verwendete Kompressor saugt die Luft direkt durch das schmierende Öl an. Dadurch
enthält die Druckluft Ölpartikel, die in der Vergangenheit zum Versagen des Massenstrom-
reglers geführt haben. Das Öl in der Luft führte zu einem Quellen der Dichtungen im Regler,
der somit nicht mehr funktionstüchtig war.
In diesem Versuch ist zwischen Kompressor und Ruhekessel ein Trockner installiert, welcher
einen Großteil des Restöls aus der Luft filtert. Bei weiteren Versuchen und längerer Arbeit
mit dem Massenstromregler in Verbindung mit dem Kompressor ist die Funktion des Reglers
öfter zu überprüfen.
49

4.3 Angeströmte Platte
Auslegung und Versuchsaufbau
Auslegung Kühlluftbohrungen und Anströmung
Die begrenzenden Parameter des Versuchsaufbaus waren vor allem der zur Verfügung ste-
hende Windkanal und der Massenstromregler zur Kühlluftversorgung. Für die gesamte Kühl-
luftversorgung standen somit 46 g/s regelbare Luft zur Verfügung und eine maximal erreich-
bare Windkanalgeschwindigkeit von 20 m/s.
Des Weiteren ist die Ausblaserate M für die Filmkühlung von entscheidender Bedeutung.
v
M =
v
Ausblasung
Windkanal
Formel 4.3.1
Als konstante Arbeitsgeschwindigkeit des Windkanals während der Versuche, wurden 20
m/s gewählt und eine Ausblaserate von möglichst M=3 realisiert werden.
Zusätzlich wurde schon im Vorfeld festgelegt, dass eine Filmkühlung durch mehrere Bohrun-
gen erzeugt werden soll, um damit auch eine mögliche Beeinflussung und Vermischung der
Kühlluftstrahlen zu untersuchen.
Nach folgenden Formeln erfolgte eine rechnerische Abschätzung in EXCEL © und die Aus-
wahl des verwendeten Bohrungsdurchmessers sowie der Bohrungsanzahl.
m& = ρ ⋅ A⋅
c
Formel 4.3.2
kg
ρ = 1, 2
Formel 4.3.3
3
m
4 d
π
A = ⋅
2
Massenstrom gesamt bei Ausblaserate
[g/s]
I II III
einzel Massenstrom
[g/s] bei M=1
Bohrungsanzahl
Geschw.
[m/s]
Bohrung [m]
Formel 4.3.4
ρ (40°C)
[kg/m^3] ca:
8,7965 17,5929 26,3894 1,7593 5 20,00 0,010 1,12
10,6437 21,2874 31,9311 2,1287 5 20,00 0,011 1,12
12,6669 25,3338 38,0007 2,5334 5 20,00 0,012 1,12
10,5558 21,1115 31,6673 1,7593 6 20,00 0,010 1,12
12,7725 25,5449 38,3174 2,1287 6 20,00 0,011 1,12
15,2003 30,4006 45,6008 2,5334 6 20,00 0,012 1,12
12,3150 24,6301 36,9451 1,7593 7 20,00 0,010 1,12
14,9012 29,8024 44,7036 2,1287 7 20,00 0,011 1,12
17,7337 35,4673 53,2010 2,5334 7 20,00 0,012 1,12
50

Auslegung und Versuchsaufbau
Aus der Abschätzung wurde eine Platte mit sieben Bohrungen bei einem Durchmesser von
10 mm gewählt. Der Bohrungswinkel beträgt 30° und war aus Fertigungsgründen nicht fla-
cher ausführbar.
Stolperdraht
Eine effektive Filmkühlung erfordert einen hohen Stoff- und Wärmetransport im zu kühlenden
Bereich. Dieser benötigt allerdings die Ausbildung einer turbulenten Grenzschicht. In diesem
Versuchsaufbau muss ein laminar- turbulenter Umschlag erzwungen werden, um über den
Kühlluftausblasungen eine größtmögliche turbulente Grenzschicht zu erhalten.
Als Hilfsmittel dient ein „Prandtlscher- Stolperdraht“, der möglichst nah an der Plattenvorder-
kante positioniert wird.
Zur Dimensionierung und Positionierung des Drahtes wurden folgende Formeln herangezo-
gen:
u
u
δ
x
∞
ν
∞
ν
⋅ d
≥ 900
⋅ x
5
> 5 ⋅10
−1/
5
= 0,
37 ⋅ Re x
Formel 4.3.5
Formel 4.3.6
Formel 4.3.7
Die Formel 4.3.5 und Formel 4.3.6 beschreiben dabei den Draht in Größe und Position.
Formel 4.3.7 schätzt die Höhe der turbulenten Grenzschicht nach dem Draht als laminar-
turbulenten Umschlagpunkt ab.
Mit Hilfe der Formeln wurde ein Drahtdurchmesser von 2 mm gewählt. Er befindet sich 30
mm hinter der Plattenvorderkante, weitere 165 mm entfernt beginnen die Kühlluftausblasun-
gen. Nach Formel 4.3.7 lässt sich die Höhe der turbulenten Grenzschicht über den Ausbla-
sungen somit auf ca. 4,5 mm abschätzen, wobei der tatsächliche reale Wert etwas höher
liegen dürfte.
Resultat
Für einen möglichst geringen Wärmeübergang und damit geringer Beeinflussung auf die
gemessene Temperatur besteht die Platte aus Plexiglas, was zusätzlich den Vorteil leichter
51

Auslegung und Versuchsaufbau
Verarbeitbarkeit bietet. Damit war auch eine kostengünstige Herstellung der Kühlluftbohrun-
gen gesichert.
Die Platte reicht beidseitig über die Kanalwand hinaus, um Strömungsbeeinflussungen durch
Verwirbelungen und Strömungsabrisse, welche von umströmten Kanten ausgehen, zu mini-
mieren. Ihre Breite wurde auf 700 mm festgelegt. Für die Höhe waren vor allem die Zufüh-
rungen von Kühlluft durch Schläuche sowie der Messinstrumentierung ausschlaggebend.
Hinzu kommt, dass der Kanalquerschnitt nicht um einen zu hohen Anteil blockiert werden
sollte. Dabei kann es zu hohen Strömungsbeschleunigungen infolge der Querschnittverringe-
rung kommen. Bei einer Kanalhöhe von 58 cm und einer Plattenhöhe von 3 cm entspricht
das einem annehmbaren Anteil von 5,17% der Querschnittsfläche.
Als Vorderkantendesign wurde eine runde Form gewählt. Diese stellt eine gute Umströmung
bei geringer Strömungsbeschleunigung sicher und neigt zusätzlich nicht zu Grenzschichtab-
rissen.
Die Bohrungslöcher wurden mit 12 mm Durchmesser gefräst und danach Plexiglasrohre mit
10 mm Innendurchmesser eingeklebt. Vom Plenum bis zu jedem der sieben Löcher führt ein
Gummischlauch, der bei Umlenkungen von annährend 90° leicht abknicken kann und damit
fast keine Luft mehr passieren lässt. Da die Schläuche in diesem 90° Winkel an die Bohrung
geführt werden müssen, wurde versucht, die Plexiglasrohre mit einem Heißluftföhn umzu-
formen und einen 90° Winkel mit möglichst gering geändertem Querschnitt herzustellen. Fer-
tigungstechnisch ist dies natürlich kein gutes Mittel um sieben absolut gleiche 90° Biegungen
zu erzeugen. Der resultierende unterschiedliche Querschnitt kann ein Grund für die gemes-
senen Unterschiede in Druck- und Temperaturverteilung sein. Vergleichsmessungen zwi-
schen einem Pitotrechen und der 1D Hitzdrahtmessung haben ebenfalls gezeigt, das auch
die sieben einzelnen Bohrungsgeometrien eine zu hohe fertigungstechnische Anforderung
darstellten und von einander abweichen (5.2). So kann mit einer punktuellen Druckmessung
über den Bohrungen nicht auf eine Gleichverteilung des Massenstroms geschlossen werden.
52

4.4 Luftkonditionierung
Auslegung und Versuchsaufbau
Das grundlegende Problem der Kühlluftkonditionierung wurde bereits angesprochen und als
eine der wichtigsten Fragen im Hinblick auf das Gelingen des Versuchsaufbaus herausge-
stellt.
Die Druckluft, aus der die Kühlluft gewonnen wird, unterliegt, nach der Auswertung der vo-
rangegangenen Recoverytemperaturmessung (5.1), vor allem der ständigen Erwärmung des
Raumes. Was unter anderem bedeutet, dass die Messungen stark vom am Versuchstag
vorkommenden Wetter abhängig sind und gerade jahreszeitlich extreme Unterschiede in den
Messergebnissen vorkommen könnten. Die Luft, mit der der Kompressor arbeitet, kann nicht
konstant gehalten werden. Somit kommt es automatisch je nach Tageszeit zu einer Erwär-
mung oder Abkühlung während des Versuchs.
Um trotzdem bei jeglicher Witterung beziehungsweise Jahreszeit Versuche durchführen zu
können, sollten mehrere TLC-Folien verwendet werden, die bei verschieden hohen
Temperaturen auslösen und jeweils eine Bandbreite von 5 Kelvin oder mehr besitzen.
Um die Bandbreite der Folien voll auszunutzen, sollte ihre Starttemperatur über oder genau
in der Umgebungstemperatur liegen. Die „Kühlluft“ wird dann auf die gewünschte Endtempe-
ratur erhitzt.
Aus den recherchierten Angaben zu kommerziell erhältlichen TLC- Folien und ihren Band-
breiten wurde der Heizer ausgelegt.
Auslegung Lufterhitzer
Zur Abschätzung der benötigten Heizleistung wurden der maximal mögliche Massenstrom
(0,046 kg/s), die spezifische Wärmekapazität von Luft bei konstantem Druck (1,01 kJ/Kg* K)
sowie eine Erwärmung von ∆T herangezogen. Der Temperatur liegt eine angenommene
Raumtemperatur von 20°C zugrunde. Da die Bandbreite der verwendeten Folien nicht über
50°C hinausgeht, wurde somit eine Erwärmung des maximalen Luftmassenstroms um 30K
angenommen.
Nach:
Leistung = cP
⋅ ∆T
⋅ m&
Leistung = 1,
212kW
Formel 4.4.1
Nach dieser Auslegung wurde der Heizer bestellt und gefertigt. Seine Heizleistung beträgt
1,5 kW.
53

Luft im Aufbau
Auslegung und Versuchsaufbau
Die gewünschte Ausblaserate M wird über den Massenstromregler eingestellt. Hinter einem
kleinen Gleichrichterpacket schließt sich der Lufterhitzer der Firma Volta an. Die Steuerung
erfolgt über einen Leistungsregler mit Phasenanschnittssteuerung. Als positiven Nebenef-
fekt, hat eine kontinuierliche Temperaturveränderung in der Halle während des Betriebs mit
Lufterhitzung und Regelung keinen Einfluss mehr auf den Versuch.
Dem Heizer nachfolgend ist wiederum ein Gleichrichter eingebracht, um eine möglichst lami-
nare Strömung und somit eine hinreichend gute Gleichverteilung der Luft zu gewährleisten.
Für das anschließende Plenum und die Verteilung der Luft auf sieben gleiche Massenströme
ist dies von hoher Bedeutung. Das Plenum liegt wie Kühlung und Heizregister ebenfalls hori-
zontal (Abb. 7.6) und besitzt einen runden Ausgang in dessen Mitte ein Kegel sitzt. Am Rand
des Austritts sind die sieben Abgänge zur Bohrlochversorgung in gleichen Abständen ge-
bohrt.
Bisher wurden beim Lehrstuhl VFA vor allem Erfahrungen mit einem Sammelplenum in der
umströmten Platte gesammelt. Das Konzept wurde in diesem Versuchsaufbau bewusst ge-
ändert. Zum Einen, um auch die Möglichkeit einer einzelnen Bohrungsversorgung zu unter-
suchen und andererseits hätte sich die Plattendicke mit einem innen liegenden Plenum stark
vergrößert. Der Verblockungsgrad des Windkanals wäre stark gestiegen, die Luft wohl noch
stärker aus dem Messbereich abgelenkt werden. Dies hätte somit die Umströmung der Platte
negativ beeinflusst.
Im Versuch hat die Umstellung des Prinzips Vor- und Nachteile gezeigt.
Das Heizregister ist nicht in der Lage, die Luft im kompletten Querschnitt homogen zu er-
wärmen. Dies führt zu unterschiedlichen Temperaturen der Luft in den aufgeteilten sieben
Kühlbohrungen. Für eine Betrachtung der Kühlfilmeffektivität unter gegenseitiger Beeinflus-
sung mehrerer Bohrungen ist dieser Umstand fatal und verhindert konkrete Aussagen. Dafür
wären gleiche Austrittstemperaturen aus allen Löchern nötig. Um eine bessere Durchmi-
schung zu erzielen, wurde ein handelsüblicher PC- Lüfter, welcher gegen die eigentliche
Strömungsrichtung arbeitet, installiert. Somit konnten die Temperaturunterschiede zwischen
den Löchern signifikant vermindert werden.
Positiv ist die genaue Einstellbarkeit der einzelnen Löcher und ihres Massenstroms mit Hilfe
von einfachen Schlauchschellen. Somit kann auch der Einfluss des negativen Effekts mini-
miert werden. Die genaue Massenstromeinstellung erfolgt über einen Pitotrechen und eine
1D-Hitzdrahtmessung, welche die Strömungsprofile der kompletten Bohrungsreihe ermittelt
(5.2).
54

Auslegung und Versuchsaufbau
Um eine vorzeitige Erwärmung des Windkanals ohne Messung zu vermeiden, gibt es für
jede Kühlluftbohrung einen 3-Wegehahn. Dieser ermöglicht, die Luft durch einen Bypass
auszublasen, solange die gewünschte Temperatur noch nicht erreicht ist. Zur genauen
Regelung sind diverse Thermoelemente mit hoher Genauigkeit nötig.
Das Prinzip stellte sich leider nicht als besonders hilfreich heraus, da sich die Strecke zwi-
schen der Kühlluftregulierung und der Ausblasung während des Bypassbetriebs nicht mit
erwärmt. Dadurch muss die Luft nach dem Umschalten zur Messstrecke erst die Zufüh-
rungsschläuche erwärmen und hat bei der Ausblasung nicht die gewünschte Starttempera-
tur.
4.5 Lichtquelle und Bilderfassung
Das Licht soll möglichst diffus oder in einem dauerhaft unveränderten Winkel die TLC- Folie
beleuchten. Die Farben könnten sich in Abhängigkeit vom Winkel der Einstrahlung ändern
und damit eine entsprechende Messungenauigkeit verursachen. Des Weiteren ist eine direk-
te ultraviolette Einstrahlung zu vermeiden, da diese zerstörerisch auf Thermochrome Flüs-
sigkristalle wirkt und in jedem Fall die Lebensdauer und Reaktionsfähigkeit der Stoffe stark
mindert.
Im hier beschriebenen Versuchsaufbau wurde dafür eine Stroboskoplampe verwendet, deren
Lichtintensität durch einen eingebauten Dimmer gut regelbar ist. Die Lampe ist direkt über
der Messoberfläche installiert und erzielt somit eine gute und gleichmäßige Ausleuchtung.
Die CCD- Kamera wurde senkrecht über der Platte angebracht. Die Bildqualität ist über die
Blende, Beleuchtungszeit und den Autofokus leicht einstellbar.
Die TLC- Folie besitzt eine stark spiegelnde Oberfläche, was zu Reflektionserscheinungen
auf den Bildern führt. Um diesen Effekt zu vermeiden, wurde senkrecht über die Windkanal-
messstrecke eine schwarze Oberfläche in Form eines Tuches installiert. Dies verhindert die
Reflektionen auf der Folie und damit eine mögliche Verfälschung des von der Kamera auf-
genommenen Farbtons im Bild.
55

4.6 Mess- und Regeltechnik
Auslegung und Versuchsaufbau
Der Versuchsaufbau beinhaltet verschiedene Messgeräte zur Ermittlung von Temperaturen,
Drücken und Spannungen zur Steuerung und Ermittlung der relevanten Parameter, Ausbla-
serate und Lufttemperatur. Hinzu kommt die Aufzeichnung und Auswertung dieser Größen
am PC mit Hilfe von diversen LabVIEW Programmen.
Im Folgenden werden die Reglung des Versuchs und die daran beteiligte Hardware be-
schrieben.
Druckmessung
Zur Einstellung der Ausblaserate wird die Kanalgeschwindigkeit ermittelt. Dies geschieht
durch ein Prandtl’sches Staurohr und der damit ermittelten Differenz von Total- und Stau-
druck. Die zusätzlich benötigte Dichte wird aus der Umgebungstemperatur berechnet.
Die Druckerfassung erfolgt über das temperatur- kompensierte Druckmessmodul DSA 3018
von Scanivalve mit einer Genauigkeit von 0,2% im FS-Bereich von bis zu 2500 Pa. Da der
Druck gegen die Atmosphäre gemessen wird, muss der Umgebungsdruck bei Berechnungen
abgezogen werden. Bestimmt wird dieser durch das Paroscientific 740-16B mit einer Mess-
genauigkeit von 0,01% (±1 Pa).
Die Messwerte werden direkt über eine RS232 Schnittstelle in den Messwerterfassungs- PC
übertragen.
Abb. 4.1: DSA 3018 Abb. 4.2: Paroscientific 740-16B
56

Temperaturen
Auslegung und Versuchsaufbau
Zur Temperaturmessung während des Versuchs dienen Nickel-Chrom-Nickel Thermoele-
mente. Die Messwerte werden durch einen Ahlborn Almemo MU-Stecker mit integrierter
Vergleichsmessstelle gebündelt erfasst und über eine RS232 Schnittstelle in den PC über-
tragen.
Lufterhitzer
Dieser wird über ein Leistungsteil mit Phasenanschnitt geregelt. Als Steuerung findet ein von
Hand regelbares Potentiometer Anwendung. Für die genaue Spannungseinstellung wurde
während der Versuche ein digitales Multimeter parallel geschaltet.
Massenstromregler
Die Regelung des Massenstroms erfolgt über ein analoges Spannungssignal zwischen 0 und
10 V. In der Steuerungssoftware ist die Kalibriergerade des Gerätes hinterlegt und ermög-
licht damit die Massenstromeinstellung in sehr kurzer Zeit. Wahlweise ist das Gerät auch mit
einem Handpotentiometer regelbar.
Die Regelung im Versuch erfolgte durch eine BNC- Kabelverbindung zum Regler und ein
entsprechendes LabVIEW Programm auf dem PC.
57

5 Versuchsdurchführung
5.1 Recovery – Messungen
Versuchsdurchführung
Die Relevanz der genauen Kühllufttemperatureinstellung für die Funktion der TLC’s wurde
bereits vielfach geschildert. Schon eine Temperaturänderung von wenigen zehntel Kelvin
kann auf die thermochromen Flüssigkristalle und ihre Farbreflektionen großen Einfluss ha-
ben.
Für den beschriebenen Versuch wurde Druckluft genutzt, deren Temperatur nicht direkt be-
einflussbar war und sich durch den Aufbau zeitlich ändern konnte.
Der Aufbau zur Drucklufterzeugung im Labor beinhaltet einen Kompressor, einen Lufttrock-
ner, sowie einen großen, 6 m 3 fassenden Ruhekessel als Zwischenspeicher für die Luft.
Im Versuch ist diese erzeugte Druckluft mit ihren Kennzahlen entscheidend für die resultie-
rende Genauigkeit der konditionierten Luft und damit der Messung mit den TLC’s.
Mögliche Einflüsse auf die Druckluft:
Der Kompressor arbeitet in Intervallen, in denen er den Luftdruck im Kessel auf zirka 7 bar
erhöht. Durch die Druckluftabnahme während des Versuchs verringert sich der Druck im Ru-
hekessel. Bei etwa 5 bar schaltet sich der Kompressor wieder zu und stellt den Druck von 7
bar her.
Hierbei könnte es durch vom Kompressor eingebrachte Wärme zu Temperaturerhöhungen in
der Druckluft kommen. Es besteht auch die Möglichkeit, dass durch erhöhte Strömungsge-
schwindigkeit mit der Druckerhöhung, die Totaltemperatur in der Rohrleitung abnimmt.
Diese Möglichkeiten sollten nun in einem Vorversuch auf ihre Einflüsse für das spätere Ex-
periment am Windkanal untersucht werden. Es wurden Messungen mit einer Recovery-
Sonde für Totaldruck und Recovery-Temperatur in einem einfachen Rohr (d=35 mm) vorge-
nommen.
Die Druckluft wurde dabei aus der Kupferringleitung entnommen und über einen einfachen
Regelschieber an der Luftentnahmestelle auf den nötigen Massenstrom eingestellt. Gemes-
sen wurde der Luftmassenstrom über einen Schwebekörper mit Messzylinder.
Dazu wurden in einem Abstand von jeweils zirka 1,5 m drei Temperaturaufnehmer für die
Raumluft installiert. Sie sind gemittelt und ergeben die Raumtemperatur in den Diagrammen.
58

Ergebnisse
Versuchsdurchführung
Eine genaue Massenstromeinstellung erwies sich als nahezu unmöglich, da es durch die
Intervallarbeitsweise des Kompressors eine ständige Schwankung gibt, die mit der Handre-
gelung nicht nachzuregulieren ist. Die angegebenen Werte, 50 und 100 m 3 /h (etwa 17 bzw.
33 g/s) sind deshalb auch als Mittelwerte für den Massenstrom zu verstehen.
Die ungemittelten Temperaturmesswerte zeigen eine Schwankung der Temperatur, die auf
die Ungenauigkeit der Thermoelemente zurückzuführen ist. Dabei hat die Recovery Tempe-
ratur eine Abweichung vom Mittelwert von +/- 0,5K und die Raumtemperaturwerte pendeln
um etwa +/- 0,2 bis 0,3K. Die höhere Ungenauigkeit ist wohl auf die schnelle, turbulente
Rohrströmung zurückzuführen.
Da die Messungenauigkeit der verwendeten Nickel-Chrom-Nickel Thermoelemente bei etwa
1,5K liegt, sind die gemessenen Temperaturen als korrekt einzuschätzen.
Tendenziell ist ein Anstieg der Recovery- und der Raumtemperatur zu beobachten. Es ist
aber keine signifikante Änderung der Temperatur beim Einschalten des Kompressors
ersichtlich. Somit ist festzuhalten, dass die Kompressortakte, wenn überhaupt, nur sehr
geringen Einfluss auf die Lufttemperatur haben. Der Wärmeeintrag des Kompressors ist für
die Luftkonditionierung zu vernachlässigen.
Auch ein Temperaturrückgang durch Strömungsgeschwindigkeitserhöhung, ist in beiden
Diagrammen nicht detektierbar (Abb. 7.2, Abb. 7.3).
Über die gesamte Versuchszeit wird ersichtlich, dass sich die Versuchshalle langsam er-
wärmt hat. Vor allem an dem Diagramm ohne Durchfluss wird dies deutlich. Hier gibt es Ab-
sätze, in denen die Temperatur sprunghaft steigt (Abb. 7.3). Dies ist damit zu erklären, dass
diese Messwerte vor und nach den durchströmten Versuchen aufgenommen wurden und
somit zeitlich mehr als 40 min auseinander liegen. Während des gesamten Versuches
kommt es in 1 h 45 min zu einer Hallenerwärmung von etwa einem Kelvin. Die Erwärmung
der Halle scheint nach diesem Vorversuch der einzig relevante Faktor für die Luftkonditionie-
rung zu sein. Bei einer Erwärmung von 0,5K in einer Stunde sollte dies jedoch für den Ver-
such kein großes Problem darstellen. Die ausgeblasene Kühlluft soll im Lufterhitzer wesend-
lich schneller erwärmt werden und kann somit auch die kontinuierliche Erwärmung der Halle
ausgleichen.
59

5.2 Einstellung der Ausblasung
Versuchsdurchführung
Im Versuch soll nicht nur die Wirkungsweise der TLC- Folien untersucht, sondern auch die
gegenseitige Beeinflussung zwischen mehreren Ausblasbohrungen visualisiert werden. Aus
diesem Grund wurde der Aufbau auf eine Kaskade von sieben parallel angeordneten Lö-
chern ausgelegt. Ziel ist einen möglichst gleichförmigen Kühlfilm zu erzeugen, der über TLC-
Folien und eine Vergleichsmessung mit der Ammoniak-Diazo-Technik visualisierbar ist.
Für einen gleichmäßig ausgeprägten Kühlfilm sind etwa gleiche Massenströme aus allen
Bohrungen der Kaskade einzustellen.
Massenstromeinstellung 1.Näherung mit Pitotrechen
Eine erste Voreinstellung wird mit Hilfe eines Pitotrechens (Abb. 5.1) und der Ermittlung des
Staudrucks über den Bohrungen getroffen. Da die Luft aus allen Bohrungen identische Tem-
peratur und Dichte aufweist, entspricht eine Gleichverteilung des Staudrucks auch gleichen
Massenströmen. Die Messung erfolgt, sowohl axial als auch horizontal gemittelt, über jedem
Loch gleichzeitig bei einem Plattenabstand von ca. 5 mm. Der Rechen ist im Winkel der
Ausblasung angestellt und somit parallel zur Hauptausblasrichtung.
Abb. 5.1: Pitotrechen
Die Einstellung erfolgt online während der Messung. Das DSA-Modul erfasst die Staudrücke,
welche in einem LabView –Programm verarbeitet und ausgegeben werden. Über eine
Schlauchklemme an jeder der sieben Zuführungen wird der Querschnitt und somit der Mas-
senstrom nachgeregelt.
60

Versuchsdurchführung
Massenstromeinstellung 2.Näherung mit 1D-Hitzdrahtsonde
Da sich die Staudruckbestimmung auf nur einen Punkt der Ausblasung beschränkt, ist auch
nur eine begrenzte Aussage über den gesamten Massenstrom der jeweiligen Bohrung mög-
lich. Um den Massenstrom exakter bestimmen und einstellen zu können, wird eine 1D-
Hitzdrahtsonde in Abständen von 1 mm über die Ausblaskaskade traversiert (Abb. 5.2).
Abb. 5.2: 1D Hitzdraht
Die Sonde wird ebenfalls im Ausblaswinkel angestellt und in ca. 10 mm Höhe mittig über die
Bohrungen traversiert. Der Abstand ist aufgrund der Verblockung des Freiluftstrahls durch
den Sondenkopf mit Absicht größer als möglich gewählt worden. Das Verfahren ist zeitinten-
siver als die Staudruckmessung, da jede geringfügige Verstellung der Schlauchquerschnitte
eine neue Messung erfordert und somit ein vollständiges Abfahren der Kaskade. Die verbes-
serte Aussagekraft legitimiert dieses Vorgehen jedoch und beide Einstellungen ergänzen
sich gut.
61

5.3 Folien Kalibrierung
Versuchsdurchführung
Für eine korrekte Temperaturzuweisung entsprechend der Folienfärbung ist eine Kalibrie-
rung nach dem in 3.5 beschrieben System nötig.
Dabei wurde darauf geachtet, mit möglichst nahen Versuchsrandbedingungen zu kalibrieren.
Das heißt, die Folie wurde im selben Kamera- und Beleuchtungswinkel zum späteren Ver-
such angeordnet.
Es erwies sich als äußerst schwer, eine homogene Erwärmung der gesamten Folie auf die
exakten Farbumschlagpunkte herzustellen. Aus diesem Grund wurde die Folie vor der Kalib-
rierung auf Temperaturen außerhalb der reaktiven Bandbreite erwärmt (ca.50°C) und die
Kalibrierbilder während der Abkühlung aufgenommen. Um Erwärmung und Abkühlung über
die kalibrierte Folienfläche (d= 6,5 cm) möglichst homogen zu gestalten, wurde die Folie mit-
tig auf eine runde Aluplatte geklebt. Diese wurde bei den Bildaufnahmen für möglichst gerin-
ge Wärmeübergänge auf einen Styroporblock gelegt (Abb. 7.7). Somit konnte die Abkühlung
der Folie verlangsamt werden und ermöglichte Bildaufzeichnungen in Abständen von etwa
0,5 Kelvin. In einer Abkühlphase war es möglich, etwa 30 Bilder mit entsprechenden Tempe-
raturen aufzunehmen. Ein Beispiel ist unter Abb. 7.8 zu finden.
Die Temperatur zu den entsprechenden Bildern wurde mit einem Pyrometer erfasst, dessen
Position während der Messung ebenfalls unverändert blieb. Der dafür nötige Emissionsgrad
der Folie wurde durch eine Ulbrichtsche Halbkugel auf ε=0,889 bestimmt. Als zusätzliche
Referenz wurde ein kalibriertes Thermoelement neben der Folie aufgeklebt und die Tempe-
ratur mit dem Messwert des Pyrometers verglichen.
Anschließend erfolgte die Zerlegung der Bilder nach dem HSI/HSL- Farbraum in Farbton,
Helligkeit und Intensität. Im nächsten Schritt weist ein Auswertungsprogramm der ermittelten
Temperatur den Grauwert des entsprechenden Farbtonbildes zu und erstellt durch mehrere
Stützpunkte ein Kalibrierpolynom.
Resultat ist eine Funktion zwischen dem Farbtongrauwert, welcher zwischen 0 (Rot) und 255
(Blau) liegt und der Temperatur, die dem Grauwert bzw. der Farbe entspricht.
Die Kalibrierung der 20-25°C Folie ergab das unter 6.4 zu findende Polynom 6. Ordnung.
62

5.4 Versuchsdurchführung
Versuche mit TLC- Folie 20-25°C
Versuchsdurchführung
Die Versuche wurden an zwei Tagen mit annährend gleichen meteorologischen Be-
dingungen durchgeführt. Dabei wurden Ausblaseraten von 0,5; 1; 1,5; 2 und 3 unter-
sucht.
Die Vorgehensweise wurde in allen Versuchen gleich behalten:
� Alle nötigen LabView Programme starten
� nötiger Luftmassenstrom eingestellt und durch den Bypass geleitet
� Versuchdatenaufzeichnung starten
� Heizleistung auf einen konstanten Spannungswert eingestellt
� Heiztemperatur T9 beobachtet, bis auf einen konstanten Wert einge-
stellt
� Windkanal, Stroboskop und Kamera eingeschaltet
� Kühlluft von Bypass zur Plattendurchströmung geschalten
� Aufnahme von Serienbildern mit der CCD- Kamera bis die Kühllufttem-
peratur T1 24°C überschritten hat, Bildspeicherung direkt auf dem PC
� Kühlluft wieder durch Bypass schalten, Versuchende
Alle Eckdaten zu den durchgeführten Versuchen sind unter 6.8 zu finden. Sowie der
Ablauf der Bildbearbeitung unter 6.10.
Referenzversuche mit Ammoniak- Diazo- Technik (ADT)
Die grundlegenden Prinzipien der ADT sind bei Prinzler [5] erklärt. Der hier verwand-
te Aufbau ist sehr ähnlich dem in dieser Arbeit beschriebenen.
Für einen aussagekräftigen Vergleich zwischen TLC- Folie und ADT wurden nahezu
alle Randbedingungen gleich behalten. Die Diazo- Folie wurde ähnlich der TLC- Fo-
lie auf der Platte angeordnet und das Ammoniak-Luftgemisch vor dem Heizer in den
Versuchsaufbau eingeführt.
Bei identischen Ausblaseraten wurden die Versuche mit der ADT wiederholt.
63

5.5 Auswertung
Versuchsdurchführung
Die qualitative Untersuchung der TLC- Bilder zeigte mit höheren Ausblaseraten eine Ver-
schiebung der Bereiche höchster Kühlung. Die Farben höchster Temperatur zeigten sich im
Bohrungsnahbereich (x/D1 bis x/D3) dabei nicht mehr direkt hinter den Bohrungen sondern
dazwischen (Abb. 7.13 sowie Vergleich Abb. 5.3 und Abb. 5.4). Das Diagramm zeigt eine
Einschnürung von außen nach innen mit steigendem M. Die Vergleichmessungen mit der
ADT zeigten dasselbe Verhalten in der qualitativen Auswertung. Dies ist möglicherweise auf
die nicht geschlossene Messstrecke zurückzuführen. Während der Versuche war ein Luftzu-
strom aus der unmittelbaren Kanalumgebung in die Messstrecke zu beobachten, welcher die
Kühlfilmausprägung vor allem in den Randbereichen der 1. und 7. Bohrung beeinflusst. So
sind hinter diesen Ausblasungen mit größer werdendem x/D keine Kühlfilme mehr zu erken-
nen, was auf einen Kaltlufteintrag von außerhalb des Messbereichs schließen lässt (Abb.
5.3); der die warme Kühlluft stark abkühlt.
Die Farbtonbilder zeigen den unmittelbaren Vergleich zwischen hoher und niedriger Ausbla-
serate mit den beschriebenen Auswirkungen. Die hellgrauen Bereiche zeigen hohe Tempe-
raturen und damit hohe Kühlfilmeffektivitäten an. In den weißen Bereichen haben die Folien
ihre Starttemperatur nicht erreicht.
Abb. 5.3: Farbtonbild für M=0,5 Abb. 5.4: Farbtonbild für M=3
Beide Messverfahren zeigten auch das typische, räumlich spätere Anlegen des Kühlfilms mit
höherem M, da die Kühlluft nach der Ausblasung durch ihren höheren Impuls weiter in den
Hauptluftstrahl eindringt, sich stärker vermischt und entfernter wieder anlegt. Aus der stärke-
ren Vermischung folgt eine Verringerung der Temperatur, die durch die Stoffanalogie der
ADT auch sehr gut in den Graustufen nachzuvollziehen ist. Dies in gleicher Weise bei den
TLC Aufnahmen zu erkennen, ist leider nur bedingt möglich. Wahrscheinlichste Gründe sind
eine gemessene Ungleichverteilung der Temperatur aus den Kühlluftbohrungen der Platte,
die zwischen kühlster (1 und 7) sowie wärmster (3) Bohrung bis zu 4 Kelvin beträgt, sowie
die Wärmeleitung durch die Platte selbst, die eine unkontrollierte Farbänderung der TLC-
Folie erzeugt.
64

Versuchsdurchführung
Die Diagramme Abb. 7.14 bis Abb. 7.17 zeigen den unmittelbaren Vergleich der Ammoniak
Diazo Technik mit den Ergebnissen der thermochromen Flüssigkristalle für M=0,5; 1; 1,5
sowie 2. Für M=3 konnte keine ADT Messung erstellt werden, somit ist auch kein Vergleich
möglich.
Aus den Versuchen wird deutlich, dass die TLC gemessene Kühlfilmeffektivität (KFE) in
allen Fällen deutlich unter der mittels ADT ermittelten KFE liegt. Es sollte aber unbedingt
beachtet werden, dass die hier aufgeführten Ergebnisse der TLC Versuche keineswegs mit
den optimal eingestellten Randbedingungen erzielt wurden. Das augenscheinlich beste Er-
gebnis wurde bei M=0,5 ermittelt. Bei diesem Versuch waren die Kühllufttemperatur (T4),
Heizleistung und Versuchszeit offensichtlich sehr günstig gewählt (Abb. 7.14), so dass nach
ADT- und TLC- Versuch die Ergebnisse hier am ehesten vergleichbar sind.
η[%]
80
70
60
50
40
30
20
10
η ad entlang der Mittellinie M 0,5
0
0 5 10 15 20 25 30
Bohrungsende
x/d
Messung1_ADT Messung10_TLC
Für höhere Ausblaseraten sollten in Zukunft eine längere Versuchszeit und eine höhere
Kühltemperatur gewählt werden. Diese kann auch über der Bandbreite der TLC- Folie liegen,
da die Kühlluft nach Durchmischung mit dem Hauptluftstrahl eine in jedem Fall geringere
Temperatur aufweisen sollte.
Auffällig ist ein Anstieg der KFE in allen TLC Messungen ab ca. x/D15, der keinem normalen
Kühlfilmverlauf entspricht und auch nicht durch die ADT Messung bestätigt werden konnte.
Es ist somit von einem generellen Messfehler auszugehen, der durch den Aufbau entstan-
den ist. Grund könnte die bereits erwähnte Wärmeleitung durch die verwendete Plexiglas-
platte sein, die zu einem unkontrollierten Wärmeeintrag in die Folie führt. Da die ADT Mes-
sung von dem Problem nicht betroffen ist, muss es sich um einen verfälschenden Tempera-
tureinfluss handeln, der nicht von der Umströmung herrührt.
Es ist auch denkbar, dass die Beleuchtungsposition den Fehler verursacht hat. Die Strobo-
skoplampe befindet sich über dem hinteren Ende der Platte in Strömungsrichtung gesehen
(Abb. 7.4). Dadurch wird der hintere Folienbereich in einem anderen Winkel beleuchtet als
der vordere Teil, was zu einer leicht veränderten Farbreflektion der Flüssigkristalle über die
65

Versuchsdurchführung
gesamte Folienlänge führen könnte. Da sich die Beleuchtungsposition während aller Versu-
che nicht verändert hat und der Fehler bei allen Ausblaseraten in etwa demselben Bereich
auftritt (KFE Anstieg ab ca. x/D15), ist der Einfluss des Beleuchtungswinkels auf die TLC-
Messung in weiteren Versuchen zu untersuchen.
66

5.6 Fehlerbetrachtung
Versuchsdurchführung
Neben den in 3.4 angesprochenen grundsätzlichen Problemen beim Umgang mit TLC Fo-
lien, hat der Versuchsaufbau einige weitere Schwierigkeiten bei der ihrer Verwendung offen-
bart. Diese Erfahrungen sollten in zukünftigen Versuchsaufbauten mit Flüssigkristallinen Fo-
lien unbedingt berücksichtigt werden.
� Probleme bei der genauen Temperatureinstellung und –regelung im Aufbau
und bei der Kalibrierung. Die Temperatur auf zehntel Grad genau einzustellen
und zu messen, gestaltet sich als äußerst schwer und stellt eine signifikante
Fehlerquelle dar. Vor allem im Startbereich der Folien zwischen Rot und Grün,
zeigt das Kalibrierpolynom starke Gradienten. Dies führt zu höheren Messun-
genauigkeiten, wenn die Temperaturen in diesem Bereich nicht exakt bestimmt
sind.
� Das außen liegende Plenum erwies sich für einen Versuch, der konstante
Temperaturen über die Bohrungen benötigt als ungeeignet. Trotz guter Durch-
mischung und einer gemessenen Temperaturverteilung von ±0,7 Kelvin direkt
hinter der Luftaufteilung, zeigte sich die Luft aus Bohrung 3 in allen Versuchen
als die wärmste. Der Unterschied lag bei ca. 4 Kelvin zur Bohrung mit niedrigs-
ter Temperatur. Obwohl gleiche Baulängen in isolierten Zufuhrschläuchen be-
nutzt wurden, konnte der Wärmeübergang nicht in allen Versorgungsleitungen
gleich gehalten werden. Diese nicht gleiche Temperaturverteilung der Kühlluft-
bohrungen begrenzt die Aussagekraft über den resultierenden Kühlfilm erheb-
lich. Eine mögliche Lösung wäre eine Veränderung der Luftkonditionierung, für
eine homogene Temperaturverteilung in der Kühlluft.
� Obwohl die Folien eine sehr schnelle Reaktion bei Erwärmung und Abkühlung
zeigten, spielen Wärmeleitungsvorgänge in der Struktur eine nicht zu vernach-
lässigende Rolle. Mit längerer Versuchszeit werden beispielsweise die nahen
Bereiche einer Heißstelle ebenfalls warm und zeigen dies über ihre Farbe an.
Es kommt bei langen Versuchen zu einer Verwischung der Temperaturgren-
zen, wobei der genaue Einfluss in weiteren Experimenten überprüft werden
sollte.
� Die verwendete Plexiglasplatte hat ebenfalls einen Einfluss auf die Wärme-
übergänge beim Versuch. Sie verhält sich bei langen Versuchen mit höheren
Temperaturen wie ein Wärmespeicher und beeinflusst so die Folienfärbung.
Die Aufnahmen ohne Ausblasung haben einen gleichmäßigen Farbton der
Platte gezeigt, so dass von einer homogenen Wärmeabgabe der Platte auszu-
67

Versuchsdurchführung
gehen ist. Dies hat Auswirkungen bei kurzen, aufeinander folgenden Versu-
chen. In Zukunft sollte das Plattenmaterial einen niedrigen Wärmeübergangs-
koeffizienten mit guter Verarbeitbarkeit kombinieren, eventuell auch in Misch-
bauweise. Aufgrund seiner guten Verarbeitbarkeit wurde in diesem Versuch
Plexiglas gewählt.
� Neben dem Wärmeübergang ist auch die Wärmeleitung durch das Plattenma-
terial nicht zu vernachlässigen und stellt eine mögliche Fehlerquelle dar. Wär-
meleitvorgänge sind eine mögliche Ursache für den Anstieg der Kühlfilmeffekti-
vität nach x/D15. Die Wärmeleitfähigkeit des Plattenmaterials ist zu minimieren.
� Der Einfluss des Beleuchtungswinkels auf die mit TLC- Folien gemessenen
Kühlfilmeffektivitäten muss überprüft werden, der Anstieg der KFE ab x/D=15
könnte auch eine unzureichend diffuse Folienbeleuchtung als Quelle haben
� Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Versuche zeigten nur bedingte
Reproduzierbarkeit der Ergebnisse bei gleicher Ausblaserate. Gründe dafür
sind: unterschiedlich lange Versuchszeiten von Bypassöffnung bis zur Auf-
nahme, sowie nicht gleiche Windkanal- und Plattentemperaturen zu Beginn
des Versuchs. Somit waren die Ergebnisse der TLC Messungen nur qualitativ
mit den ADT Versuchen vergleichbar.
� Verbesserungsvorschläge: Heizleistung muss je nach M angeglichen werden,
ein optimale Einstellung sollte in nachfolgenden Versuchen gefunden werden;
Versuche zeitlich je nach M anpassen und konstant für Vergleiche zwischen
gleichen Ausblaseraten halten
� Zur Bestimmung der Kühlfilmeffektivität ist eine genaue Information über die
Wandtemperatur ohne Strömungsbeeinflussung nötig. Um diese zu erhalten
muss sich die Folie zu Versuchsbeginn ohne Kühlluft in ihrer ausgelösten
Bandbreite befinden. Zur Überprüfung wäre ein Testbild mit der CCD- Kamera
nötig, was sofort in den HLS- Farbraum zerlegt wird. Eine komplett schwarz ge-
färbte Folie im Farbtonanteil wäre mit Rot gleichbedeuten und den Startpunkt
der Messung festlegen. Die Wandtemperatur wäre somit auch im nicht Kühlluft
beeinflussten Bereich bestimmt.
� Für eine bessere Kühlfilmausprägung wäre eine geschlossene Messstrecke
sinnvoll, um ein Einströmen älterer Hallenluft von außen zu vermeiden.
68

Versuchsdurchführung
5.7 Zusammenfassung und Ausblick
Die Erstellung dieser Arbeit hat den Nachweis erbracht, dass es prinzipiell möglich ist in ei-
nem einfachen Versuchsaufbau mit thermochromen Flüssigkristallen Oberflächentemperatu-
ren und damit auch Kühlfilmeffektivitäten zu messen. Zum Umfang der Arbeit zählen die Ka-
librierung der Folien, die Ausleuchtung des Aufbaus, die Bilderfassung sowie die Bildauswer-
tung.
Die Messung von M=0,5 zeigte recht gut vergleichbare Ergebnisse zwischen TLC Versuch
und ADT Verfahren. Durch optimierte Einstellungen zwischen Ausblaserate, Heizleistung,
Kühllufttemperatur und Versuchszeit sind sicherlich auch für M=1; 1,5 und 2 bessere Ergeb-
nisse zu erreichen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sich die TLC- Folien durchaus zur Tempe-
raturermittlung auf ebenen Flächen eignen. Sie zeigen im Vergleich zu der zuverlässig arbei-
tenden ADT im Bereich bis x/D15 die qualitativ ähnliche Ergebnisse, sind aber aufgrund des
noch zu optimierenden Versuchsaufbaus nicht zu gleichen quantitativen Aussagen fähig.
Für eine weitere Anwendung als Ergänzung oder Ersatz zur Ammoniak- Diazo- Technik in
komplexeren Versuchen, sollten weitere Vergleichsmessungen zwischen ADT und TLC- Ver-
fahren durchgeführt werden. Ziel sollte es sein durch optimale Einstellung der veränderbaren
Parameter, ein möglichst auch quantitativ gleichwertiges Ergebnis zur ADT zu erreichen.
Dabei ist zu erwarten, dass die höchstmögliche Genauigkeit von der Qualität der Kühlluft, der
ideal isolierten Wand sowie einer möglichst diffusen Beleuchtung des Versuchs abhängig ist.
In dem Aufbau dieser Arbeit konnte keine homogene Temperaturverteilung über die Kühlluft-
bohrungen realisiert werden, deshalb sollte das Kühlluftkonditionierungskonzept in zukünfti-
gen Versuchen sehr gut überlegt werden.
Des Weiteren sollten Tests zur Verwendung an gekrümmten Oberflächen folgen, die eben-
falls mit ADT Messungen verglichen werden, um den genauen Einfluss des Kamerawinkels
auf die Folienfärbung zu ermitteln. Für eine Messung des Kühlfilms auf gekrümmten Schau-
felprofilen muss dieser Einfluss bestimmt werden, da er die Grundlage für den Einsatz von
Flüssigkristallen bei Temperaturmessungen auf triebwerksähnlichen Schaufeln ist.
69

6 Literatur
[1]
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in Gebieten lokaler Strömungsablösung und Messung der Fluidströmung und der
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Diplomarbeit
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an der längs angeströmten ebenen Platte bei unterschiedlicher Vorderkantengeometrie“
Studienarbeit
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TC Handbuch zur Temperaturmessung mit Thermoelementen und Widerstandsthermometern
TC Meß- und Regeltechnik GmbH; www.tcgmbh.de
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Kowalewski Tomasz A.
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[13] www.lci.kent.edu
[14] www.rolls-royce.com/deutschland/
70

7 Anhang
Anhang
6.1 Diagramme Recovery Messung
Temperatur [°C]
22
21
20
19
18
17
16
15
11:59:03
Temperatur [°C]
22
21,5
21
20,5
20
19,5
12:01:08
12:03:14
12:05:19
12:46:24
Messung bei 0m^3/h
12:48:29
12:50:34
Zeit
12:52:39
12:54:45
12:56:50
12:59:41
13:43:01
T_recovery T_Raum Luftdruck [Pa]
Abb. 7.1: Recovery Messung 1
Messung bei 50 m^3/h
19
13:03:01 13:10:13 13:17:25 13:24:37
Zeit
13:31:49 13:39:01
T_Raum [°C] T_recovery [°C] P_total [Pa]
Linear (T_recovery [°C]) Linear (T_Raum [°C])
Abb. 7.2: Recovery Messung 2
101175
100975
100775
100575
100375
100175
99975
99775
99575
120000
110000
100000
90000
80000
70000
60000
50000
40000
30000
20000
Druck [Pa]
Druck [Pa]
71

Temperatur [°C]
22
21,5
21
20,5
20
19,5
Anhang
Messung bei 100 m^3/h
19
12:11:00 12:18:12 12:25:24
Zeit
12:32:36 12:39:48
T_Raum [°C] T_recovery [°C] P_total [Pa]
Linear (T_recovery [°C]) Linear (T_Raum [°C])
Abb. 7.3: Recovery Messung 3
200000
180000
160000
140000
120000
100000
80000
60000
40000
20000
0
Druck [Pa]
72

6.2 Plattenzeichnung
Anhang
73

6.3 Versuchsaufbau
Anhang
74

6.4 Aufbaubilder
Anhang
Abb. 7.4: Platte im Windkanal
Abb. 7.5: Platte und Folie im Windkanal
Abb. 7.6: gesamt Aufbau
75

6.5 Kalibrierbeispielbild
Abb. 7.7: Aufbau Kalibrierung
Anhang
6.6 Kalibrierpolynom für 20-25°C Folie
Temperatur [°C]
29,0
27,0
25,0
23,0
21,0
19,0
17,0
Abb. 7.8: Beispielbild bei 23,6°C
y = 6,149E-11x 6 - 3,068E-08x 5 + 5,856E-06x 4 - 5,312E-04x 3 + 0,02321x 2 - 0,4243x + 23,09
15,0
20 40 60 80 100 120 140 160 180
Grauw erte
76

Anhang
6.7 CTA Ergebnisse für die Kühlluftausblasung
Geschwindigkeit [m/s]
Geschwindigkeit [m/s]
12
10
8
6
4
2
0
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
M 0,5
0 1 2 3 4 5 6 7
Kühlluftbohrungen
M 1
0 1 2 3 4 5 6 7
Kühlluftbohrungen
77

Geschwindigkeit [m/s]
Geschwindigkeit [m/s]
30
25
20
15
10
5
0
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Anhang
M 1,5
0 1 2 3 4 5 6 7
Kühlluftbohrungen
M 2
0 1 2 3 4 5 6 7
Kühlluftbohrungen
Eine CTA Messung bei M3 ist aufgrund der begrenzten Kalibrierung des Gerätes (bis
45m/s) nicht mehr möglich gewesen.
78

6.8 Versuchseckdaten
Datum
Versuch
Ausblaserate
Heizspan- nung
[V]
res. T9 Heizer
[°C]
Anhang
Kamera Stroboskop Bildgrößen
Blende
Belichtungszeit
Dimmer
Speed
Programm
T1 Bohrung4
[°C]
Versuchszeit
bis Bild
30.03.2007 Messung 1 1 3,55 54 1/2 1/10 1:30 99 1 23,9 ca. 105 s
30.03.2007 Messung 2 1,5 3,55 47,5 1/2 1/10 1:30 99 1 28,3 48 s
30.03.2007 Messung 3 2 3,55 41 1/2 1/10 1:30 99 1 24,8 71 s
30.03.2007 Messung 4 3 3,55 34 1/2 1/10 1:30 99 1 25,5 11 s
30.03.2007 Messung 5 3 2,5 28 1/2 1/10 1:30 99 1 24 31 s
30.03.2007 Messung 6 2 2 27,5 1/2 1/10 1:30 99 1 23,8 48 s
30.03.2007 Messung 7 1,5 2,5 34,3 1/2 1/10 1:30 99 1 24,7 54 s
30.03.2007 Messung 8 1 2,5 40,3 1/2 1/10 1:30 99 1 24 83 s
30.03.2007 Messung 9 0,5 2,5 56,2 1/2 1/10 1:30 99 1 --- ---
02.04.2007 Messung 10 0,5 2,5 56,1 1/2 1/10 1:30 99 1 24 97 s
02.04.2007 Messung 11 0,5 2,5 52,5 1/2 1/10 1:30 99 1 23,8 ca. 180 s
02.04.2007 Messung 12 1 2,5 39,4 1/2 1/10 1:30 99 1 24 45 s
02.04.2007 Messung 13 1,5 2,5 33,9 1/2 1/10 1:30 99 1 23,7 37 s
02.04.2007 Messung 14 2 3,55 40,3 1/2 1/10 1:30 99 1 23,8 6 s
02.04.2007 Messung 15 3 3,55 32,9 1/2 1/10 1:30 99 1 23,9 3 s
6.9 Prinzipieller Aufbau von Flüssigkristallfolien
Polyester
film
Black graphic
print
Black
backing
Release
liner
Abb. 7.9: TLC- Folienaufbau von Hallcrest
White graphic
print
Liquid crystal
inks
Adhesive
79

6.10 Ablauf Bildauswertung
� Bilderfassung mit Digitalkamera
� Bildsicherung auf PC
Anhang
� Bildzuschnitt auf die Folienumrisse Abb. 7.10
� Bildzerlegung in den HSV/HSI Farbraum
� Sicherung des Farbtonbildes H Abb. 7.11
� Auswertung des Farbtonbildes durch Software (Grauwert- Temperaturzuwei-
sung)
� Generierung des η-x/D Diagramms über einen gewählten Bildausschnitt
Abb. 7.10: CCD Kamerabild geschnitten
Temperatur [°C]
22,4
22,2
22
21,8
21,6
21,4
21,2
Messung10_M0,5_Mittellinie
Abb. 7.11: resultierendes Farbtonbild H
21
0 5 10 15 20 25 30
x/D
Abb. 7.12: Verlauf über mittlere Pixellinie der Bohrung 4
80

6.11 Auswertungen
Temperatur M2 und
M3
η[%]
80
70
60
50
40
30
20
10
23
22,5
22
21,5
21
20,5
Anhang
Temperaturverteilungen an x/D2
20
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Lochmitte von Loch
M3 M2 M0,5 M1
Abb. 7.13: Temperaturverschiebung an x/D2
η ad entlang der Mittellinie M 0,5
25
20
15
10
5
Temperatur M0,5 und
M1
0
0 5 10 15 20 25 30
Bohrungsende
x/d
Messung1_ADT Messung10_TLC
Abb. 7.14: Filmkühleffektivität bei M 0,5
81

η [%]
η [%]
η [%]
80
70
60
50
40
30
20
10
80
70
60
50
40
30
20
10
0
80
70
60
50
40
30
20
10
Anhang
η ad entlang der Mittellinie M 1
0
0 5 10 15 20 25 30
Bohrungsende
x/d
Messung2_ADT Messung8_TLC
Abb. 7.15: Filmkühleffektivität bei M 1
ηad entlang der Mittellinie M 1,5
0 5 10 15 20 25 30
Bohrungsende
x/d
Messung3_ADT Messung2_TLC
Abb. 7.16: Filmkühleffektivität bei M 1,5
η ad entlang der Mittellinie M 2
0
0 5 10 15 20 25 30
Bohrungsende
x/d
Messung4_ADT Messung3_TLC
Abb. 7.17: Filmkühleffektivität bei M 2
82

6.12 Abbildungsverzeichnis
Anhang
Abb. 1.1:Nematische Anordnung [10] ......................................................................................7
Abb. 1.2: nematisch unter Lichtmikroskop [13] ........................................................................7
Abb. 1.3: Semektische Anordnung [10]....................................................................................8
Abb. 1.4: smektischA unter Lichtmikroskop [13] ......................................................................8
Abb. 1.5: smektischB unter Lichtmikroskop [13] ......................................................................8
Abb. 1.6: Cholesterische Anordnung aus [10]..........................................................................9
Abb. 1.7: Cholesterische Anordnung aus [2]............................................................................9
Abb. 1.8: cholesterisch unter Lichtmikroskop [13]....................................................................9
Abb. 1.9: Reflektionsumschlag [2]..........................................................................................11
Abb. 1.10: Reflektion nach Moleküldrehsinn [2] .....................................................................11
Abb. 1.11: Polarisierung einzelner Farben [2] ........................................................................11
Abb. 1.12: cholesterische Anordnungen [2] ...........................................................................11
Abb. 1.13: Achsenwinkel abhängige Reflektion [2] ................................................................12
Abb. 1.14: Wellenlänge-Winkel [2] .........................................................................................12
Abb. 1.15: Reaktionsbeispiel [3].............................................................................................16
Abb. 2.1: Aufbau Thermoelement [7] .....................................................................................28
Abb. 2.2: Mantel-Thermoelement [7]......................................................................................29
Abb. 2.3: Widerstandsthermometer [7]...................................................................................31
Abb. 2.4: Folien-, Dick- und Dünnfilmmesswiderstände [7]....................................................32
Abb. 2.5: Thermolacke auf Bauteil [14] ..................................................................................34
Abb. 3.1: Filmgekühlte Turbinenschaufeln [14] ......................................................................38
Abb. 3.2: Beispiel einer Kalibrierkurve für TLC's [11].............................................................45
Abb. 4.1: DSA 3018................................................................................................................56
Abb. 4.2: Paroscientific 740-16B ............................................................................................56
Abb. 5.1: Pitotrechen..............................................................................................................60
Abb. 5.2: 1D Hitzdraht ............................................................................................................61
Abb. 5.3: Farbtonbild für M=0,5..............................................................................................64
Abb. 5.4: Farbtonbild für M=3.................................................................................................64
Abb. 7.1: Recovery Messung 1 ..............................................................................................71
Abb. 7.2: Recovery Messung 2 ..............................................................................................71
Abb. 7.3: Recovery Messung 3 ..............................................................................................72
Abb. 7.4: Platte im Windkanal ................................................................................................75
Abb. 7.5: Platte und Folie im Windkanal ................................................................................75
Abb. 7.6: gesamt Aufbau........................................................................................................75
Abb. 7.7: Aufbau Kalibrierung ................................................................................................76
Abb. 7.8: Beispielbild bei 23,6°C............................................................................................76
Abb. 7.9: TLC- Folienaufbau von Hallcrest ............................................................................79
Abb. 7.10: CCD Kamerabild geschnitten................................................................................80
Abb. 7.11: resultierendes Farbtonbild H.................................................................................80
Abb. 7.12: Verlauf über mittlere Pixellinie der Bohrung 4.......................................................80
Abb. 7.13: Temperaturverschiebung an x/D2.........................................................................81
Abb. 7.14: Filmkühleffektivität bei M 0,5.................................................................................81
Abb. 7.15: Filmkühleffektivität bei M 1....................................................................................82
Abb. 7.16: Filmkühleffektivität bei M 1,5.................................................................................82
Abb. 7.17: Filmkühleffektivität bei M 2....................................................................................82
83