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 


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 


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 


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 


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


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] 


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


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 


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


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


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


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


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


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


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


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


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 


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


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 


� 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


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 


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


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: 


� 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


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


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


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 


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


Abb. 2.5: Thermolacke auf Bauteil [14] 

34


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 


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


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 


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


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 


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


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


� 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


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


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


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


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


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 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


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


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 


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 


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


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 


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 


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 


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 


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


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 


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 


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 


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


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


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 


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


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


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] 

[2] 

[3] 

[4] 

[5] 

[6] 

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“Thermochromic Polymers” 

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John Wiley & Sons; New York 2003 

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“Wärme- und Stoffübertragung” 

Springer Verlag 

Berlin Heidelberg, 1996 

Prinzler, Michael 

“ Entwicklung einer Meßkammer zur grundsätzlichen Untersuchung der Kühllufteinblasung 

in Gebieten lokaler Strömungsablösung und Messung der Fluidströmung und der 

adiabaten Filmkühleffektivität“ 

Diplomarbeit 

Brandenburgische Technische Universität Cottbus 

Hille, Dominik 

„Verifizierung der eingesetzten Messtechnik zu Bestimmung des lokalen Wärmeübergangs 

an der längs angeströmten ebenen Platte bei unterschiedlicher Vorderkantengeometrie“ 

Studienarbeit 

Brandenburgische Technische Universität Cottbus, 2002 

TC Handbuch zur Temperaturmessung mit Thermoelementen und Widerstandsthermometern 

TC Meß- und Regeltechnik GmbH; www.tcgmbh.de 

Nitsche 

Strömungsmeßtechnik 

Springer Verlag, 1994 

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Pressure and Temperature Sensitive Paints 

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Band 3, Optik 

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Temperature sensing with thermocromic liquid crystals 

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Kowalewski Tomasz A. 

[12] 

Particle Image Velocimetry and Thermometry using thermochromic liquid crystals 

[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 


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]) 


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


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]) 


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 


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] 


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 


77



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 


M 2 

0 1 2 3 4 5 6 7 


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 


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 


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 


Abb. 7.15: Filmkühleffektivität bei M 1 

ηad entlang der Mittellinie M 1,5 

0 5 10 15 20 25 30 

Bohrungsende 

x/d 


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 


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. 7.4: 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

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

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