DE102008026967B3

DE102008026967B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Temperatur unter einer Wärmedämmschicht

Info

Publication number: DE102008026967B3
Application number: DE200810026967
Authority: DE
Inventors: René Dr. rer. nat. Ochrombel; Bernd Dr. Ing. Hildmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2028-06-06

Abstract

Ein Verfahren zum Messen der Temperatur unter einer Wärmedämmschicht (2), wobei die Messung kontaktlos, fehlerunanfällig und kostengünstig erfolgen kann, umfasst die Schritte: - Anordnen einer nicht kubischen, doppelbrechenden Sensorkristallplatte (7) unter einer Wärmedämmschicht (2), - Erzeugen einer linear polarisierten Lichtwelle (4) auf der der Sensorkristallplatte (7) gegenüberliegenden Seite der Wärmedämmschicht (2), - Senden der linear polarisierten Lichtwelle (4) durch die Wärmedämmschicht (2) hindurch, - Durchstrahlen der doppelbrechenden Sensorkristallplatte (7) mit einer linear polarisierten Lichtwelle (4), wobei die Wellennormalenrichtung parallel zur Flächennormalen der Sensorkristallplatte (7) ist, - Linearpolarisieren der Lichtwelle (10), nachdem sie die Sensorkristallplatte (7) durchstrahlt hat, - Ermitteln der Änderung der Phasenlage, d.h. der Schwingungsrichtung, zwischen der linear polarisierten Lichtwelle (4) vor Durchstrahlen der Sensorkristallplatte (7) und der linear polarisierten Lichtwelle (12) nach Durchstrahlen der Sensorkristallplatte (7) und - Bestimmen der Temperatur in der Sensorkristallplatte (7) aus der Phansenlagenänderung. Eine entsprechende Vorrichtung (1) zum Messen der Temperatur unter einer Wärmedämmschicht (2) wird ebenfalls bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur unter einer Wärmedämmschicht.
Herkömmlicherweise werden Temperaturen mit Hilfe von Thermoelementen gemessen. Typischerweise ist unter einer Wärmedämmschicht wenig Platz für aufwändige Messeinrichtungen. Ein Thermoelement ist hierfür aufgrund seiner Größe nachteilig. Weiterhin kann mit Hilfe von Thermoelementen keine Temperaturmessung unter Wärmedämmschichten, die auf bewegte Teile aufgebracht sind, durchgeführt werden. Für die Temperaturmessung unter einer Wärmedämmschicht, die z. B. auf Turbinenschaufeln aufgebracht ist, sind Thermoelemente aufgrund der benötigten elektrischen Verbindungen und der Messelektronik ungeeignet.
Bei der Temperaturmessung unter Verwendung von sogenannten Phosphorlumineszenzschichten ist zunächst eine Kalibration durchzuführen. Für die Temperaturmessungen mit Hilfe von Phosphorlumineszenzschichten ist eine aufwändige Messelektronik nötig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen der Temperatur unter einer Wärmedämmschicht zu schaffen, wobei die Messung kontaktlos, fehlerunanfällig und kostengünstig erfolgen kann. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird definiert durch die Merkmale von Anspruch 1. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird definiert durch die Merkmale von Anspruch 6.
Bei der Messung wird unter der Wärmedämmschicht eine nicht-kubische, doppelbrechende Sensorkristallplatte angeordnet. Mit Hilfe einer Lichtquelle auf der der Sensorkristallplatte gegenüberliegenden Seite der Wärmedämmschicht wird eine linear polarisierte Lichtwelle erzeugt und in Richtung auf die Sensorkristallplatte gesendet. Die linear polarisierte Lichtwelle durchstrahlt die Wärmedämmschicht und trifft auf der Unterseite der Wärmedämmschicht auf die Sensorkristallplatte. Die Wellennormalenrichtung der linear polarisierten Lichtwelle ist parallel zur Flächennormalenrichtung der Sensorkristallplatte. Die Wellennormalenrichtung der linear polarisierten Lichtwelle steht dabei senkrecht auf der wirksamen Schnittellipse der Indikatrix der Sensorkristallplatte. Die wirksame Schnittellipse der Indikatrix der Sensorkristallplatte weist zwei unterschiedliche Hauptbrechungsindizes auf, d. h. Doppelbrechung. Die linear polarisierte Lichtwelle durchstrahlt die Wärmedämmschicht derart, dass diese linear polarisiert bleibt. Die Polarisationsrichtung der einfallenden linear polarisierten Lichtwelle ist in einem Winkel von 45° bezüglich der Hauptachsen der wirksamen Schnittellipse der Indikatrix der Sensorkristallplatte orientiert, um zu gewährleisten, dass beide Schwingungsrichtungen mit gleicher Amplitude angeregt werden.
Dadurch entsteht beim Durchstrahlen der linear polarisierten Lichtwelle durch die Sensorkristallplatte eine elliptisch polarisierte Lichtwelle. Die Lichtwelle verlässt die Sensorkristallplatte elliptisch polarisiert und wird anschließend mit Hilfe eines Glimmerkompensators nach de Sénarmont ( λ / 4-Platte) wieder linear polarisiert, wobei die linear polarisierte Lichtwelle eine geänderte Phasenlage, d. h. eine geänderte Schwingungsrichtung, gegenüber der linear polarisierten Lichtwelle vor Durchstrahlen der Sensorkristallplatte aufweist. Diese Phasenlagenänderung wird durch den Temperaturgang der Sensorkristallplatte hervorgerufen und dient als Maß für die Temperatur. Die Phasenlagenänderung der linear polarisierten Lichtwelle nach Durchstrahlen der Sensorkristallplatte gegenüber der linear polarisierten Lichtwelle vor Durchstrahlen des Kristalls wird ermittelt. Aus der ermittelten Änderung des Phasenwinkels wird die Temperatur in der Sensorkristallplatte bestimmt.
Die erfindungsgemäße Temperaturmessung erfolgt kontaktlos und ist kostengünstig und unanfällig gegenüber äußeren Störeinflüssen beim Aufnehmen des Messsignals. Das Messsignal wird nicht von Emissions- und Absorptionskoeffizienten beeinflusst. Insbesondere auf bewegten Teilen, wie z. B. Wärmedämmschichten auf Turbinenschaufeln, kann überhaupt erst eine Messung der Temperatur unter der Wärmedämmschicht mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen. Die Sensorkristallplatte kann mit einer Dicke von ca. 0,2 mm zwischen der Wärmedämmschicht und der Turbinenschaufel eingebettet werden. Eine typische Dicke einer Wärmedämmschicht auf einer Turbinenschaufel beträgt ca. 0,15 mm.
Von besonderem Vorteil ist es, die linear polarisierte Lichtwelle nach Durchstrahlen der Sensorkristallplatte zu spiegeln, so dass die gespiegelte Lichtwelle die Sensorkristallplatte ein zweites Mal durchstrahlt. Das Spiegeln der Lichtwelle kann durch einen Spiegel, der auf der der Wärmedämmschicht gegenüberliegenden Unterseite der Sensorkristallplatte angeordnet ist, vorgenommen werden. Hierdurch wird die Messung aus nur einer Richtung ermöglicht, was insbesondere bei Wärmedämmschichten auf Turbinenschaufeln aber auch bei anderen Wärmedämmschichtgeometrien von Vorteil ist.
Optische Eigenschaften der Sensorkristalle
Der Sensorkristall kann der Wirteligen Gruppe (trigonal-rhomboedrisch, tetragonal, hexagonal) angehören. Die Kristalle dieser Gruppe sind optisch einachsig. Die Indikatrix spezialisiert sich zu einem Rotationsellipsoid mit der α₃ →-Achse (parallel zu 3, 3, 4, 4, 6, 6) als Rotationsachse. In der Wirteligen Gruppe weisen alle Kristallschnitte außer dem (001)-Kristallschnitt Doppelbrechung auf. Insbesondere (hk0)-Kristallschnitte der Wirteligen Gruppe eignen sich, da die Differenz der beiden Hauptbrechungsindizes (Doppelbrechung) der Schnittellipse der Indikatrix maximal ist. Insbesondere kann der Sensorkristall ein Saphir (α-Al₂O₃ Einkristall) sein.
Alternativ kann die Sensorkristallplatte ein Kristall aus dem triklinen, aus dem monoklinen oder aus dem orthorhombischen Kristallsystem sein. Diese Kristalle sind optisch zweiachsig und enthalten u. a. Schnittellipsen der Indikatrix, die zwei unterschiedliche Hauptbrechungsindizes, d. h. Doppelbrechung, aufweisen.
Optische Eigenschaften der Wärmedämmschichten oder Wärmedämmschichtsysteme
Damit die linear polarisierte Lichtwelle beim Durchstrahlen der Wärmedämmschicht oder des Wärmedämmschichtsystems linear polarisiert bleibt, darf die wirksame Schnittellipse der Indikatrix der eingesetzten Substanzen der Wärmedämmschicht oder des Wärmedämmschichtsystems keine Doppelbrechung aufweisen.

– Dies ist der Fall bei Wärmedämmschichten oder Wärmedämmschichtsystemen, die aus kubischen Kristallen bestehen.
– Ferner bei solchen Wärmedämmschichten oder Wärmedämmschichtsystemen aus tetragonalen, hexagonalen, trigonal-rhomboedrischen Kristallen, wobei ihre symmetrisch ausgezeichnete Achse (optische Achse) parallel zur Wellennormalenrichtung orientiert sein müssen. Das heißt, Wärmedämmschichten oder Wärmedämmschichtsysteme mit [001] Textur.
– Des weiteren können Wärmedämmschichten oder Wärmedämmschichtsysteme aus triklinen, monoklinen, orthorhombischen Kristallen bestehen, wenn diese spezielle Vorzugsrichtungen (Texturen) aufweisen, derart, dass ihre optischen Achsen parallel zur Wellennormalenrichtung ausgerichtet sind.
– Wärmedämmschichten oder Wärmedämmschichtsysteme bestehend aus amorphem (glasartigem) oder dicht gesintertem, feinst polykristallinem (mit beliebiger Kristallsymmetrie) Material sind ebenfalls einsetzbar.
– Wärmedämmschichtsysteme aus Kombinationen der oben genannten Fälle sind möglich.

Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum Messen der Temperatur unter einer Wärmedämmschicht und
2 eine schematische Darstellung der Orientierung einer λ / 4-Platte zu einer Sensorkristallplatte.
1 zeigt schematisch den Aufbau der Messvorrichtung 1 zum Messen der Temperatur unter einer Wärmedämmschicht 2. Eine Lichterzeugungsvorrichtung 3 in Form einer Lichtquelle erzeugt eine linear polarisierte Lichtwelle 4 derart, welche die Wärmedämmschicht 2 durchstrahlt und dabei linear polarisiert bleibt. Die Lichtquelle 3 ist in einem Abstand von der Vorderseite 5 der Wärmedämmschicht 2 angeordnet. An der der Lichtquelle 3 gegenüberliegenden Unterseite 6 der Wärmedämmschicht 2 ist eine Sensorkristallplatte 7 angeordnet. Die Wellennormalenrichtung der linear polarisierten Lichtwelle 4 ist parallel zu der Flächennormalen der Sensorkristallplatte. Die Wärmedämmschicht hat eine Dicke von etwa 0,15 mm und die Sensorkristallplatte 7 eine Dicke von ungefähr 0,2 mm.
Die der Wärmedämmschicht 2 gegenüberliegende Unterseite 8 der Sensorkristallplatte 7 ist mit einem Spiegel 9 versehen. Der Spiegel 9 reflektiert die linear polarisierte Lichtwelle 4 nach Durchdringen der Wärmedämmschicht 2 und nach Durchdringen der Sensorkristallplatte 7, so dass die linear polarisierte Lichtwelle 4 als elliptisch polarisierte Lichtwelle 10 die Sensorkristallplatte 7 ein zweites Mal durchstrahlt.
Die Sensorkristallplatte 7 ist ein nicht-kubischer, doppelbrechender Kristallschnitt, welcher, wie in 2 gezeigt, zwei unterschiedliche Hauptbrechungsindizes n * / l und n * / j aufweist. Dadurch entsteht aus der linear polarisierten Lichtwelle 4 mit Polarisationsrichtung parallel zur Y-Achse bei Durchstrahlen der Sensorkristallplatte 7 eine elliptisch polarisierte Lichtwelle, die an einem Spiegel 9 reflektiert wird und als elliptisch polarisierte Lichtwelle 10 die Sensorkristallplatte 7 verlässt und dann die Wärmedämmschicht 2 unbeeinflusst durchstrahlt. Die elliptisch polarisierte Lichtwelle 10 wird mit Hilfe einer Linearpolarisationseinrichtung 11 in Form einer λ / 4-Platte linear polarisiert. Die so entstehende linear polarisierte Lichtwelle 12 trifft auf eine Einrichtung 13 zum Ermitteln der Änderung der Phasenlage, d. h. der Schwingungsrichtung, zwischen der linear polarisierten Lichtwelle 4 vor Durchstrahlen der Sensorkristallplatte 7 und der linear polarisierten Lichtwelle 12 nach Durchstrahlen der Sensorkristallplatte 7. Die Einrichtung 13 zum Ermitteln der Phasenlagenänderung enthält einen Polarisator 14 und einen Intensitätsdetektor 15. Mit dem Polarisator 14 wird eine phasenlagenabhängige Intensität erzeugt, die mit dem Intensitätsdetektor 15 bestimmt wird. Der Intensitätsdetektor 15 kann z. B. eine PIN-Diode sein.
Die linear polarisierte Lichtwelle 4 durchstrahlt die Wärmedämmschicht 2, wie in 2 dargestellt, derart, dass die Polarisationsrichtung der linear polarisierten Lichtwelle 4 in einem Winkel von 45° bezüglich der Hauptachsen der wirksamen Schnittellipse der Indikatrix der Sensorkristallplatte 7 liegt. Dadurch wird gewährleistet, dass beide Schwingungsrichtungen der wirksamen Schnittellipse der Indikatrix mit gleicher Amplitude angeregt werden. In 2 ist die Schwingungsrichtung der linear polarisierten Lichtwelle 4 beim Einstrahlen in die Sensorkristallplatte 7 parallel zur Y-Achse dargestellt. Bei senkrechter Einstrahlung einer linear polarisierten Lichtwelle 4 in die Sensorkristallplatte 7 (eingestrichene Größen beziehen sich auf das Präparatesystem) resultiert, bei Anregung beider Schwingungsrichtungen der wirksamen Schnittellipse der Indikatrix (gesternte Größen beziehen sich auf das Schnittellipsensystem), ein Gangunterschied Γ zwischen den beiden Teilwellen aufgrund der unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten für die jeweilige Schwingungsrichtung. Die thermische Brechwertänderung wird in linearer Näherung durch den Term dn/dT wiedergegeben und lässt sich wie folgt beschreiben:
Aufgrund einer thermischen Brechwertänderung in der Sensorkristallplatte 7 bei einem Temperaturunterschied ΔT = T – T₀ kommt es zu einer Änderung des Gangunterschieds (ΔΓ), wobei L ' / i die Durchstrahlungslänge der Sensorkristallplatte 7 ist: ΔΓ = ΔL'i (n*j – n*l ) + L'i (Δn*j – Δn*l )
Die thermische Längenänderung lässt sich in linearer Näherung über den Deformationstensor ε_ij definieren:
Die Lichtwelle verlässt die Sensorkristallplatte 7 elliptisch polarisiert und wird gespiegelt. Die gespiegelte Lichtwelle durchstrahlt die Sensorkristallplatte 7 ein zweites Mal, verlässt die Sensorkristallplatte 7 und die Wärmedämmschicht 5 elliptisch polarisiert und wird mit Hilfe einer λ / 4-Platte 11 linear polarisiert.
Zur Messung der Temperatur unter der Wärmedämmschicht 5 wird die Intensität zur Auswertung der Auslöschstellung und der Phase ϕ der linear polarisierten Lichtwelle 12 herangezogen. Durch Kombination der Beziehungen Γ = dΔn und ϕ = 2πdΔn/λ (Gesamtdurchstrahlungslänge d = 2L ' / i lässt sich die Gangunterschiedsänderung aus der Änderung der Phasenlage berechnen. Es gilt die folgende Beziehung zwischen der Phasenwinkeländerung Δϕ und der Temperaturänderung ΔT
Die Absolutwerte für die Koeffizienten α ' / ii, wie auch
bewegen sich in der Größenordnung 10^–6 bis 10^–5 K^–1. Für eine angenommene Länge L ' / i = 0,1 mm (Wellenlänge λ = 633 nm) in einem Temperaturintervall von 1000 K ergibt sich typischerweise bei einem Wert C = 10^–6 K^–1 eine Phasenwinkeländerung von Δϕ ≈ 114°.

Claims

Verfahren zum Messen der Temperatur unter einer Wärmedämmschicht (2), mit den Schritten: – Anordnen einer nicht-kubischen, doppelbrechenden Sensorkristallplatte (7) unter einer Wärmedämmschicht (2), – Erzeugen einer linear polarisierten Lichtwelle (4) auf der der Sensorkristallplatte (7) gegenüberliegenden Seite der Wärmedämmschicht (2), – Senden der linear polarisierten Lichtwelle (4) durch die Wärmedämmschicht (2) hindurch, – Durchstrahlen der doppelbrechenden Sensorkristallplatte (7) mit der linear polarisierten Lichtwelle (4), wobei die Wellennormalenrichtung parallel zur Flächennormalen der Sensorkristallplatte (7) ist, – Linearpolarisieren der Lichtwelle (10), nachdem sie die Sensorkristallplatte (7) durchstrahlt hat, – Ermitteln der Änderung der Phasenlage, d. h. der Schwingungsrichtung, zwischen der linear polarisierten Lichtwelle (4) vor Durchstrahlen der Sensorkristallplatte (7) und der linear polarisierten Lichtwelle (12) nach Durchstrahlen der Sensorkristallplatte (7) und – Bestimmen der Temperatur in der Sensorkristallplatte (7) aus der Phasenwinkeländerung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schritten „Durchstrahlen der Sensorkristallplatte” und „Linearpolarisieren der Lichtwelle” der Schritt Spiegeln der Lichtwelle (4), nachdem sie die Sensorkristallplatte zumindest teilweise durchstrahlt hat vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt „Spiegeln der Lichtwelle” unter Verwendung eines Spiegels (9) an der der Wärmedämmschicht (2) gegenüberliegenden Unterseite (8) der Sensorkristallplatte (7) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt „Linearpolarisieren der Lichtwelle” unter Verwendung einer λ / 4-Platte (11) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt „Ermitteln der Änderung der Phasenlage” die Schritte enthält: – Erzeugen einer phasenlagenabhängigen Lichtintensität, – Messen der phasenlagenabhängigen Lichtintensität, – Bestimmen der Änderung der Polarisationsrichtung aus der gemessenen Lichtintensität.
Vorrichtung (1) zum Messen der Temperatur unter einer Wärmedämmschicht (2), mit: – einer nicht-kubischen, doppelbrechenden Sensorkristallplatte (7) auf der Unterseite (6) der Wärmedämmschicht (2), – einer Lichterzeugungseinrichtung (3) zum Erzeugen einer linear polarisierten Lichtwelle (4), parallel zur Flächennormalen der Sensorkristallplatte (7), wobei die Lichterzeugungseinrichtung (3) auf der der Sensorkristallplatte (7) gegenüberliegenden Oberseite der Wärmedämmschicht (2) angeordnet ist, – einer Linearpolarisiereinrichtung (11) zum Linearpolarisieren der Lichtwelle (10), nachdem sie die Sensorkristallplatte (7) durchstrahlt hat, – einer Einrichtung (13) zum Ermitteln der Änderung der Phasenlage, d. h. der Schwingungsrichtung, zwischen der linear polarisierten Lichtwelle (4) vor Durchstrahlen der Sensorkristallplatte (7) und der linear polarisierten Lichtwelle (10) nach Durchstrahlen der Sensorkristallplatte (7), und – einer Einrichtung zum Bestimmen der Temperatur in der Sensorkristallplatte (7) aus der ermittelten Phasenwinkeländerung.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Spiegelungsvorrichtung (9) zum Spiegeln der Lichtwelle (4), nachdem sie die Sensorkristallplatte (7) zumindest teilweise durchstrahlt hat.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelungsvorrichtung (9) ein Spiegel ist, der an der der Wärmedämmschicht (2) gegenüberliegenden Unterseite (8) der Kristallplatte (7) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearpolarisierungseinrichtung (11) eine λ / 4-Platte ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Ermitteln der Phasenlagenänderung einen Polarisator (14) und einen Intensitätsdetektor (15) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6–10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkristall (7) ein tetragonaler, ein trigonal-rhomboedrischer oder ein hexagonaler Kristall, d. h. ein optisch einachsiger Kristall, ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkristallplatte (7) ein trikliner, ein monokliner oder ein orthorhombischer Kristall, d. h. ein optisch zweiachsiger Kristall, ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkristallplatte (7) senkrecht zu der Lichtwelle (4) angeordnete Schnittebenen, die zwei unterschiedliche Hauptbrechungsindizes aufweisen, enthält.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6–13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) die Wärmedämmschicht (2) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Schnittellipse der Indikatrix der eingesetzten Substanzen der Wärmedämmschicht (2) keine unterschiedlichen Hauptbrechungsindizes aufweist.