DE4134313C2 - Infrarot-Meßverfahren und -Meßanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Infrarot-Meßverfahren und eine Infra­ rot-Meßanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 4.

Es sind Meßverfahren und -anordnungen bekannt, unter anderem auch sol­ che, die aus Genauigkeitsgründen gleichzeitig in unterschiedlichen Spek­ tralbereichen arbeiten, bei denen die Temperaturverteilung an der festen Oberfläche eines im konvektiven Wärmeaustausch mit dem Umgebungs­ medium stehenden Körpers auf der Basis des Stefan-Boltzmann′schen- Strahlungsgesetzes aus der von der Oberfläche emittierten Wärmestrah­ lung unter Berücksichtigung des Emissionsverhältnisses errechnet wird, wobei derartige Meßsysteme üblicherweise eine Wärmebildkamera zur Oberflächenabtastung und einen zugeordneten Bildschirm zur Grauton- oder Falschfarbendarstellung der Oberflächen-Temperaturverteilung ent­ halten. Die Feststellung der örtlichen Wärmestromdichte oder der konvek­ tiven Wärmeübergangszahl (Nusselt-Zahl) ist mit den bekannten Meßsy­ stemen jedoch nur bei instationären Wärmeströmungen auf der Grundlage der Fourier-Gleichungen möglich. Ist die Oberflächentemperatur hingegen zeitlich konstant oder ihre zeitliche Änderung innerhalb der zur Verfügung stehenden Meßdauer sehr klein, wie dies z. B. bei der experimentellen Un­ tersuchung an Modellen von Raumfluggeräten in hypersonischen, inter­ mittierend arbeitenden Hochenthalpie-Windkanälen der Fall ist, so ist man darauf angewiesen, im Inneren des Körpers mit einem definierten Abstand zur Körperoberfläche Temperaturfühler, z. B. Thermoelemente, zu implan­ tieren, um auf diese Weise zusätzlich zur Oberflächentemperatur auch eine Innentemperatur des Körpers und hieraus den lokalen Temperaturgradien­ ten zur Ermittlung der örtlichen Wärmestromdichte und des Wärmeüber­ gangs-kennwertes an der Körperoberfläche bestimmen zu können. Eine solche Meßmethode ist mit einem großen Instrumentierungsaufwand ver­ bunden und auf eine relativ grob gerasterte Meßpunkt-Anordnung be­ schränkt und führt im allgemeinen wegen der thermischen Störwirkung der Temperaturfühler, etwa hinsichtlich des Wärmeleitkoeffizienten, zu einer höchst unerwünschten Verfälschung des Meßergebnisses.

Weiterhin sind aus der DE 29 17 653 A1 oder dem Journal of the American Ceramic Society, vol. 58, no. 1, p. 58-62, Jan-Feb. 1975 Meßverfahren zur Temperaturermittlung an zwei in Wärmestromrichtung voneinander beab­ standeten Stellen bekannt, die nach dem Lambertschen Absorptionsgesetz auf der Grundlage einer schichtdickenabhängigen Intensitätsschwächung einer Wärmestrahlung beim Durchgang durch ein semitransparentes Medi­ um arbeiten, also einer Schicht, die bezüglich der Infrarotstrahlung in je­ dem Meßbereich sowohl teilabsorbierend also auch teilweise strahlungs­ durchlässig ist. Nachteilig an diesen bekannten Meßmethoden ist, daß so­ wohl die spektrale Absorptionskennlinie als auch die Schichtdicke der semitransparenten Schicht exakt vorvermessen werden müssen.

Aus der DE-OS 20 64 292 ist es ferner bekannt, die örtliche Wärmestrom­ dichte eines Körpers aus zwei, in Wärmestromrichtung versetzt zueinander gemessenen Temperaturwerten zu ermitteln.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßverfahren und eine Meßanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch bei stationären oder sich während der Meßdauer nur minimal ändernden Temperaturverhältnissen eine einfache, berührungs- und rückwirkungsfreie Ermittlung sowohl der Außen- als auch der Innenflächentemperatur einer oberflächenseitigen Teilzone eines wärmedurchströmten Körpers gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 ge­ kennzeichnete Meßverfahren bzw. die im Patentanspruch 4 gekennzeichne­ te Meßanordnung gelöst.

Erfindungsgemäß wird aufgrund der besonderen, strahlungsspezifischen Ausbildung der oberflächenseitigen Teilzone des Körpers in Verbindung mit einem hierauf spektralselektiv abgestimmten Mehrkanal-Meßgerät auf der Grundlage des Plankschen Strahlungsgesetzes eine feste Zuordnung der in den einzelnen Infrarot-Wellenlängebereichen ermittelten Tempera­ turwerte zur Außen- und Innenfläche der oberflächenbildenden Teilzone erhalten und dadurch auch bei stationären oder quasi-stationären Wär­ meströmungen eine einfache und zuverlässige Bestimmung des Tempera­ turgradienten gewährleistet, ohne daß hierfür baulich und meßtechnisch problembehaftete Temperatursensoren im Körperinneren angeordnet oder die Absorptionskennlinie und die Schichtdicke der Teilzone exakt vorver­ messen werden müssen.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung betrifft die Ermittlung der örtlichen Wärmestromdichte, die gemäß den Ansprüchen 2 und 5 nach Maßgabe der Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Innenflächen­ temperatur der oberflächenbildenden Teilzone bestimmt wird. Die Ver­ wendung der Temperaturdifferenz als Bestimmungsgröße für die örtliche Wärmestromdichte hat den Vorteil, daß der Störeinfluß der Hintergrund­ strahlung und der Strahlungsverluste des Körpers weitgehend kompensiert und dadurch der rein durch Wärmeleitung und Konvektion erzeugte Wär­ mestrom erheblich genauer gemessen werden kann.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht gemäß den Ansprüchen 3 bzw. 6 darin, daß aus dem erfindungsgemäß ermittelten lokalen Temperaturgradienten die örtlichen Wärmeübergangs-Kennwerte zwischen der festen Außenfläche der oberflächenbildenden Teilzone und einem strömenden Medium errechnet werden, aus denen sich dann - wegen der Ähnlichkeit von Wärmestrom- und hydrodynamischen Strömungsfel­ dern - die für viele strömungstechnische Anwendungsfälle, etwa bei Flug­ körpern, wichtige Grenzschichtdicke des strömenden Mediums im Bereich der Außenfläche des Körpers ergibt.

Gemäß Anspruch 7 schließlich wird zur Flächenabtastung zweckmäßiger­ weise eine Mehrkanal-Wärmebildkamera mit einem zugeordneten Bild­ schirm zur visuellen, thermographischen Darstellung der Meßergebnisse, also z. B. der Verteilung des Temperaturgradienten oder der Wärmestrom­ dichte, in Grautonwerten oder in Falschfarben verwendet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in ihrer einzigen Figur eine Infrarot-Meßanordnung gemäß der Erfindung in stark schematisierter Darstellung.

Die gezeigte Infarot-Meßanordnung dient dazu, durch zeitgleiche Messung zweier in Wärmestromrichtung q zueinander versetzter Temperarturwerte, T_o und T_u, die Verteilung des örtlichen Temperaturgradienten und hieraus der Wärmestromdichte an der Außenfläche 2 eines mit einem strömenden Medium M in konvektivem Wärmekontakt stehenden Körpers 4, z. B. ei­ nes in einem Hochenthalpie-Windkanal einer kurzzeitigen Hyperschall­ strömung ausgesetzten Flugkörpers, zu ermitteln.

Zu diesem Zweck ist der Körper 4 in einer oberflächenseitigen, sich von der Außenfläche 2 bis zum Meßort der Temperatur T_u erstreckenden Teil­ zone 6 spektralselektiv in einem ersten Infrarot-Wellenlängenbereich strahlungsabsorbierend und in einem hiervon abgegrenzten, zweiten Infra­ rot-Wellenlängenbereich strahlungstransparent ausgebildet; im übrigen werden die physikalischen Eigenschaften des Körpers 4, insbesondere sei­ ne Oberflächenbeschaffenheit, seine Wärmeleitfähigkeit und sein Emissi­ onsvermögen, durch die transparente Ausbildung der Teilzone 6 nicht ver­ ändert.

Hierdurch wird für die von der Außenfläche 2 ausgehende Wärmestrah­ lung eine feste Zuordnung zwischen dem Wellenlängenbereich und dem Emissionsort erreicht, dergestalt, daß die Strahlungsenergieanteile im er­ sten Wellenlängenbereich der festen Außenfläche 2 und die Energieanteile im zweiten Wellenlängenbereich der die Bezugsfläche für die Temperatur T_u bildenden Innenfläche 8 der Teilzone 6 entstammen.

Für die Teilzone 6 kommen zahlreiche Materialien in Betracht, beispiels­ weise Glas mit einer Schichtdicke von 1-2 mm, das eine Wärmeleitfähig­ keit von etwa 1 W/mK und im Wellenlängenbereich zwischen 0,5 und 2,0 µm einen Transmissionsgrad von ca. 0,9 und im Wellenlängenbereich zwi­ schen 5 und 6 µm einen Absorptionsgrad von nahezu 1 besitzt.

Die Außenfläche 2 wird über einen einzigen optischen Weg gleichzeitig in beiden Wellenlängenbereichen mit Hilfe eines spektralselektiv auf die Teilzone 6 abgestimmten Zweikanal-Wärmebildgerätes 10 abgetastet. Die­ ses enthält ein optisches Linsensystem 12 zur Fokussierung des Infrarot- Strahlenbündels, sowie einen nachgeschalteten, halbdurchlässigen Spiegel 14 zur Aufspaltung des Strahlenbündels in zwei Teilbündel, die jeweils nach Passieren eines optischen Filters 16 bzw. 18 auf einen Infrarotdetek­ tor 20 bzw. 22 auftreffen. Die beiden Filter 16 und 18 besitzen unter­ schiedliche, auf die spektralselektiven Materialeigenschaften der Teilzone 6 des Körpers 4 abgestimmte Spektralbereiche, so daß die Wärmestrahlung der im Bildfeld des Bildgeräts 10 liegenden Außenfläche 2 von beiden Detektoren 20 und 22 simultan, aber jeweils im ersten und im zweiten Wellenlängenbereich getrennt erfaßt wird. Als Detektoren 20, 22 sind je­ weils thermische Detektoren oder für schnelle Vorgänge stickstoffgekühlte Quantendetektoren vorgesehen, die nach Art von Bildsensoren als Detek­ tormosaike ausgebildet sind und im jeweiligen Wellenlängenbereich unter Berücksichtigung des Emissionsverhältnisses der Außen- bzw. Innenfläche 2 bzw. 8 des Körpers 4 mit Hilfe eines Schwarzkörperstrahlers 24 geeicht werden, welcher über einen beweglichen Spiegel 26 in den Strahlengang eingeblendet wird. Hierdurch wird für jedes Element der Detektoren 20 und 22 eine Eichkurve der Temperatur als Funktion der auftreffenden Strahlungsintensität erhalten.

Auf diese Weise werden durch das Wärmebildgerät 10 die Temperaturen auf der Außenfläche 2 (über den Detektor 20) und gleichzeitig an der In­ nenfläche 8 des Körpers 4 (über den Detektor 22) gemessen. Dabei ist zu beachten, daß die Temperaturmeßpunkte T_o1 und T_u1 eines unter dem Win­ kel α schräg zur Oberflächennormalen N geneigten Wärmestrahls A nicht auf der Flächennormalen N liegen, sondern gegenüber dieser unter Be­ rücksichtigung der Strahlenbrechung an der Außenfläche 2 seitlich zuein­ ander versetzt sind. Um dennoch bezüglich der Flächennormalen N dec­ kungsgleiche Temperaturbilder zu erhalten, wird die Verteilung des Nei­ gungswinkels α und der entsprechende seitliche Meßpunkt-Versatz in ei­ ner Recheneinheit 28 abgelegt, in der die jeweils von den Detektorelemen­ ten der Detektormosaike 20 und 22 gelieferten Meßsignale hinsichtlich flächennormaler Temperaturwertpaare T_o und T_u korreliert werden.

Aus den so erhaltenen Außen- und Innenflächen-Temperaturwerten wird gleichzeitig in einer zusätzlichen Rechenstufe 30 die örtliche Wär­ mestromdichte in der Teilzone 6 errechnet, und zwar unter Einbeziehung der Wärmeleitfähigkeit und der Schichtdicke der Teilzone 6, wobei die Schichtdicke entweder fest vorgegeben ist oder während der Oberflächen­ abtastung etwa im Wege einer Interferenzmessung, z. B. der vom Körper 4 ausgehenden Wärmestrahlung, ermittelt wird. Aus der Wärmestromdichte lassen sich in der Rechenstufe 30 die örtlichen Wärmeübergangs- Kennwerte für die konvektive Wärmeübertragung zwischen dem strömen­ den Medium M und der Außenfläche 2 bestimmen.

Auf einem Bildschirm 32 werden wahlweise die Außen- oder Innenflä­ chen-Temperaturverteilung oder der Verlauf der Temperaturdifferenz, T_o-T_u, bzw. des Temperaturgradienten an der Außenfläche 2 oder die Ver­ teilung der örtlichen Wärmestromdichte oder der Wärmeübergangskenn­ werte in visueller, thermographischer Form in Grautonwerten oder Falschfarben dargestellt. Die Bilder können über eine Video-Schnittstelle aufgezeichnet werden.

Claims (7)

1. Infrarot-Meßverfahren zur berührungslosen, rückwirkungsfreien Temperarturermittlung an einer oberflächenseitigen Teilzone eines mittels Wärmeleitung wärmedurchströmten Körpers, bei dem die von der Körperoberfläche ausgehende Infrarot-Strahlung gemessen und hieraus unter Berücksichtigung des Emissionsverhältnisses die Oberflächentemperatur bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper in der oberflächenseitigen Teilzone spektralselektiv in einem ersten Infrarot-Wellenlängenbereich strahlungsabsorbierend und in einem hiervon abgegrenzten, zweiten Infrarot-Wellen­ längenbereich strahlungstransparent, auf der Innenseite der Teilzone jedoch strahlungsemittierend ausgebildet und die von der Außenflä­ che der Teilzone ausgehende Strahlungsenergie im ersten und im zweiten Wellenlängenbereich jeweils getrennt gemessen und die Temperatur auf der Außenfläche der Teilzone nach Maßgabe des Energieanteils im ersten und die Temperatur an der Innenfläche der Teilzone nach Maßgabe des Energieanteils im zweiten Wellenlän­ genbereich bestimmt wird.

2. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieanteile im ersten und im zweiten Wellenlängenbereich zeitgleich gemessen werden und mit den hieraus ermittelten Tempe­ raturwerten sowie der Wärmeleitfähigkeit und der Dicke der ober­ flächenbildenden Teilzone die örtliche Wärmestromdichte des Kör­ pers bestimmt wird.

3. Meßverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrom im Körper durch eine konvektive Wärmeübertra­ gung zwischen einem strömenden Medium und der festen Außenflä­ che der Teilzone erzeugt und der örtliche Wärmeübergangs- Kennwert nach Maßgabe der Wärmestromdichte an der Außenfläche der Teilzone bestimmt wird.

4. Infrarot-Meßanordnung zur Ermittlung der Temperatur an der Au­ ßen- und der Innenfläche einer oberflächenseitigen Teilzone eines mittels Wärmeleitung wärmedurchströmten Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (4) in der oberflächenseitigen Teilzone (6) spektralselek­ tiv in einem ersten Infrarot-Wellenlängenbereich strahlungsabsorbie­ rend und in einem hiervon abgegrenzten, zweiten Infrarot-Wellen­ längenbereich strahlungstransparent und an der Innenfläche (8) der Teilzone im zweiten Wellenlängenbereich strahlungsemittierend ausgebildet ist und ein die von der Außenfläche (2) der Teilzone ausgehende Wärmestrahlung getrennt in den beiden Wellenlängen­ bereichen ermittelndes Mehrkanal-Meßgerät (10) zur Bestimmung der Temperatur (T_o) an der Außenfläche der Teilzone aus dem Strahlungsenergieanteil im ersten und der Temperatur (T_u) an der Innenfläche der Teilzone aus dem Strahlungsenergieanteil im zwei­ ten Wellenlängenbereich vorgesehen ist.

5. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät (10) zur zeitgleichen Ermittlung der Außenflächen- und der Innenflächentemperatur (T_o, T_u) ausgebildet und an eine Re­ cheneinheit (28) zur Berechnung der Wärmestromdichte des Körpers (4) in Abhängigkeit von den örtlichen Außen- und Innenflä­ chen-Temperaturwerten sowie der Schichtdicke und der Wärmeleit­ fähigkeit der oberflächenseitigen Teilzone (6) angeschlossen ist.

6. Meßanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Recheneinheit (28) bei einer konvektiven Wärmeübertragung zwischen einem strömenden Medium (M) und der festen Außenflä­ che (2) der Teilzone (6) eine die örtlichen Wärmeübergangswerte in Abhängigkeit von der Wärmestromdichte an der Außenfläche ermit­ telnde Rechenstufe (30) zugeordnet ist.

7. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßgerät (10) eine Mehrkanal-Wärmebildkamera mit einer in den beiden Wellenlängenbereichen getrennten Abtastung der im Kamera-Bildfeld liegenden Außenfläche (2) und ein zugeordnetes Bildwiedergabegerät (32) zur bildpunktanalogen, visuellen Darstel­ lung der für die einzelnen Bildfeldpunkte der Kamera ermittelten thermischen Kennwerte vorgesehen sind.