Volume 85, Issue 1 - Fachtagung TEMPERATUR 2017 in Berlin (Teil 2) / Jörg Hollandt, Steffen Rudtsch, Thomas Fröhlich

Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit werden Aufbau und Entwicklung eines neuen Messsystems zur Kalorimetrie an dünnen Schichten für den Temperaturbereich bis ca. 1000 ℃ vorgestellt. Im Folgenden werden das Messverfahren, die Hochtemperatur-Dünnschichtkalorimetrie (Thin-Film Calorimetry, TFC), sowie ein Modell zur Datenauswertung beschrieben. Die zentrale Komponente des Messsystems bilden hochtemperaturstabile piezoelektrische Resonatoren aus Langasit-Einkristallen (LGS, La 3 Ga 5 SiO 14 ), die als planare Temperatursensoren betrieben werden. Auf diese werden die zu untersuchenden Aktivschichten abgeschieden. Zur Bestimmung der auf den Temperatursensoren aufgetragenen Schichtmasse wird der piezoelektrische Sensor aus Langasit selbst als Mikrowaage betrieben. Temperaturänderungen durch Wärmeabgabe oder -aufnahme, wie sie durch Phasenumwandlungen in den zu untersuchenden Schichten verursacht werden, beeinflussen die Resonanzfrequenz des Resonators. Gegenwärtig können auf diese Weise kleine Wärmemengen ab 1,2 mJ detektiert werden. Die detektierten Temperaturänderungen werden in Enthalpien umgerechnet.

Zusammenfassung In diesem Beitrag werden zerstörungsfreie Untersuchungen mittels aktiver Thermografie an Probekörpern aus CFK und GFK mit unterschiedlichen künstlichen Fehlstellen vorgestellt. Dabei wird die zeitliche und örtliche Temperaturverteilung nach der Erwärmung mit Blitzlampen oder mit einem Infrarot-Strahler mit einer Infrarot-Kamera erfasst. Zur späteren Rekonstruktion der Messdaten wurde ein numerisches Modell entwickelt. Dazu war die Bestimmung der thermophysikalischen und optischen Materialeigenschaften erforderlich, was in diesem Beitrag ebenfalls beschrieben wird. Die Ergebnisse der numerischen Modellierung werden mit den experimentellen Untersuchungen der aktiven Thermografie verglichen. Weiterhin werden die experimentellen Untersuchungen hinsichtlich der beiden Materialsysteme CFK und GFK und unter Berücksichtigung der Teiltransparenz des GFK-Materials sowie der unterschiedlichen Anregungsquellen bewertet.

Zusammenfassung Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Entwicklung eines langwelligen Strahlungsthermometers zur berührungslosen Messung von Oberflächentemperaturen in stationären Gasturbinen während des Betriebs der Turbinen innerhalb des EU-geförderten Projektes „Sensors Towards Advanced Monitoring and Control of Gas Turbine Engines (Acronym STARGATE)“. Im Rahmen der Arbeit wurden die infrarot-optischen Eigenschaften der Wärmedämmschichten und der vorhandenen Brenngase am ZAE Bayern bei hohen Temperaturen bis 1600 K und Drücken bis 13 bar bestimmt. Mit Hilfe dieser experimentellen Charakterisierungen konnte ein geeigneter Spektralbereich um 10 μm für das langwellige Strahlungsthermometer identifiziert werden. Entsprechend dieser Erkenntnisse wurde zunächst ein Laboraufbau mit geeigneten optischen Bauteilen (Filter, IR-Wellenleiter, etc.) realisiert und verifiziert. Anschließend wurde ein Prototyp für Messungen in Gasturbinen während des Betriebs der Turbinen entwickelt und in einem Turbinenteststand der Firma Siemens AG in Berlin erfolgreich getestet. Abschließend wurde eine Unsicherheitsanalyse durchgeführt, die eine erweiterte Messunsicherheit der gemessenen Temperaturen von etwa ± 30 K ergab.

Zusammenfassung An der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) wurden die vorhandenen Messanlagen zur Emissionsgradmessung um die Möglichkeit der Messung des Emissionsgrads an semitransparenten Materialien erweitert. Ein für diesen Zweck geeigneter Probenhalter wurde entworfen, durch Simulationen optimiert und realisiert. Einige Bauteile, die teilweise eine komplexe interne Struktur aufweisen, wurden durch selektives Laserschmelzen im Pulverbett (SLM) gefertigt. Zur Auswertung der mit dem neuen Probenhalter gewonnenen Daten wurde ein vereinfachtes Strahlungstransportmodell aufgestellt.

Zusammenfassung Der Vergleich der Temperaturwerte, die von unterschiedlichen Thermometern wiedergegeben werden, ist eine fundamentale Aufgabe in der Thermometrie. Hierzu ist es notwendig die verschiedenen Interpolationsinstrumente zwischen den Fixpunkten der Internationalen Temperaturskala von 1990 (ITS‑90) zu vergleichen, um konsistente Temperaturwerte mit geringsten Unsicherheiten zu messen. Besonders zwischen den Erstarrungspunkten von Aluminium (660.323  ○ C) und Silber (961.78  ○ C) sind diese Vergleiche wichtig. Trotzdem gibt es nur sehr wenige Vergleichsmessplätze für diesen Temperaturbereich mit einer ausreichenden Temperaturstabilität. Ein führender Hersteller von Wärmerohren und die PTB haben gemeinsam ein neues System entwickelt, das auf einem Natriumwärmerohr und einer mechanischen Druckregelung basiert. Dieser sogenannte „Very Stable Temperature Comparator (VSTC)“ kombiniert die exzellente Temperaturhomogenität, die von Wärmerohröfen bekannt ist, mit einer Stabilität im Millikelvinbereich, die durch die Regelung des Natriumdampfdruckes erreicht wird. Mit diesem Messplatz können die Messwerte von bis zu fünf Thermometern bei beliebigen Temperaturen zwischen 600  ○ C und 1000  ○ C verglichen werden. Erste Messungen zeigen eine Temperaturstabilität von 1.4 mK bei 1000  ○ C. Der VSTC und seine mechanische Druckregelung werden genauer beschrieben. Dabei werden auch die Aspekte diskutiert, die notwendig sind, um ein sicheres Arbeiten mit Natrium als Arbeitsmedium des Wärmerohres zu gewährleisten.

Zusammenfassung Für elektrische Entladungen, die bei niedrigen Spannungen von 20–40 V und Strömen von 40–100 mA nach der Öffnung eines elektrischen Kontaktes in explosiven Atmosphären auftreten, wurden erste spektroskopische Untersuchungen hinsichtlich der dabei entstehenden Temperatur durchgeführt. Diese Metalldampf-Entladungen, die ähnlich dem „kurzen Bogen“ (short arc) sind, werden im international standardisierten Funkenprüfgerät gemäß IEC 60079-11 erzeugt, um die Eignung elektrischer Komponenten in explosionsgeschützten Bereichen zu beurteilen. Die Temperatur ist bei diesen komplexen Zündvorgängen, die im Funkenprüfgerät auftreten, ein Schlüsselparameter. Einerseits ist die Temperatur der Kontaktmaterialien für die Beurteilung der zwingend erforderlichen Vorprozesse vor der Hauptentladung relevant, andererseits kann die Wirkung der Entladung durch die Elektronen-, Ionen und Gastemperatur charakterisiert werden. Dieser Artikel beschreibt den aktuellen Stand zur Temperaturmessung dieser elektrischen Entladungen, einschließlich der Herausforderungen, die dem genaueren Verständnis dieser Entladungsvorgänge und des thermochemischen Zündprozesses dienen sollen. Für Entladungen mit 30 V und 100 mA unter den genannten Rahmenbedingungen wurden Anregungstemperaturen im Bereich von 3500–5000 K gemessen und berechnet.

Zusammenfassung Durch die enorme Entwicklung der Mikrobolometertechnologie hat sich die Thermografie in den letzten Jahren sehr stark entwickelt. So hat sie sich fest als Messtechnik für Temperaturen von Oberflächen etabliert. In diesem Beitrag wird nun untersucht, durch welche physikalischen Randbedingungen die weiteren Entwicklungen von Mikrobolometern hinsichtlich der thermischen, räumlichen und zeitlichen Auflösung begrenzt werden. Die minimal erreichbare NETD , die sogenannte BLIP-NETD (BLIP: Background Limited Infrared Performance), wird durch das Strahlungsrauschen der Objektstrahlung bestimmt. Sie hängt u. a. von der Pixelfläche und der Bandbreite der Signalauswertung ab. Der kleinste auflösbare Messfleck ist durch die Fraunhofer -Beugung an einer kreisrunden Apertur entstehende Airy -Scheibe gegeben. Aus der optischen Modulationsübertragungsfunktion ( MTF O ) ergibt sich der kleinste sinnvolle Pixelabstand.

Zusammenfassung Um die Genauigkeit und Dynamik der Lufttemperaturmessung speziell für Anwendungen in der Interferometrie und Maschinenkalibrierung zu verbessern, wurde ein neuer hochdynamischer Temperaturfühler in zwei Varianten entwickelt. Der neue Sensor basiert auf einem drahtgewickelten Pt100-Sensor, der keine Richtungsabhängigkeit in den dynamischen Eigenschaften aufweist und in einem feuchten Medium kalibriert werden kann. Es gibt zwei Varianten: einen hochdynamischen Sensor und einen robusteren Sensor mit nur wenig schlechteren dynamischen Eigenschaften. Um die Genauigkeit zu steigern, wurde der Sensor mit einer integrierten Messelektronik ausgestattet, die eine Kalibrierung der ganzen Messkette in einem Zug erlaubt. Eine Klimamessstation für 15 drahtgebundene und 15 Funkfühler ist verfügbar. Die folgenden Parameter wurden erreicht: t 63  = 4.3 s, Messintervall ≥ 0.9 s, Auf”-lösung: 0.1 mK (drahtgebunden), 1 mK (drahtlos), Genauigkeit: typisch ±50 mK (abhängig von der Kalibrierung). Weitere Anwendungsgebiete sind z. B. die Überwachung und Qualifizierung von Messräumen, Klimakammern und Messaufbauten.