PSP
Pressure Sensitive Paint
Im Bereich der optischen Druckverteilungsmessung hat sich in den vergangen-
en Jahren die Pressure Sensitive Paint (PSP) Technik als zuverlässiges Arbeits-
werkzeug von Großforschungseinrichtungen wie z.B. dem DLR in Göttingen, der
ONERA in Frankreich, dem JAXA in Japan und der NASA in den USA, etabliert. Bei
dieser Technik wird als wesentliches Messprinzip die Deaktivierung photochemisch
angeregter Farbstoffmoleküle mittels Sauerstoff ausgenutzt, d.h. die Tatsache,
dass die Fluoreszenz eines angeregten Farbstoffmoleküls mit Hilfe von Sauerstoff
ausgelöscht werden kann. Da die Sauerstoffkonzentration im Fluid im Gleichge-
wicht proportional zum Druck ist, kann dieser als Quenchen bezeichnete Prozess
direkt für ortsaufgelöste Druckverteilungsmessungen genutzt werden. Zu diesem
Zweck werden die fluoreszierenden Moleküle in eine sauerstoffdurchlässige Farbe
eingelagert und nach entsprechender Vorbehandlung auf die zu untersuchende
Modelloberfläche gesprüht. Die aufgesprühte Farbschicht muss dabei möglichst
dünn sein, damit eine Beeinflussung der Strömung vernachlässigt werden kann.
Auf der anderen Seite muss aber die Konzentration der fluoreszierenden Moleküle
-- bzw. die Dicke der Farbschicht -- hinreichend groß sein, damit das Signal mit
einer CCD Kamera zuverlässig aufgezeichnet werden kann. Nach dem Aufbringen
der Farbschicht und einer Kalibrierung des Messsystems bei verschiedenen Refer-
enzdrücken und Temperaturen werden die Moleküle beleuchtet und das von
den Molekülen ausgehende Licht im interessierenden Frequenzband mit Hilfe von
geeigneten CCD Kameras aufgenommen.Um zu vermeiden, dass z.B. unterschied-
liche Farbschichtdicken oder eine Variation der Beleuchtungsintensität eine räumlich
unterschiedliche Sensitivität zur Folge hat, ist eine Referenzkamera notwendig.
Um auch geringe Intensitätsunterschiede zuverlässig registrieren zu können, ist
die Verwendung hochwertiger Kameras zwingend erforderlich. Mit einer 12bit CCD
Kamera ergibt sich bei hinreichender zeitlicher Integration z.B. eine Auflösung von
ca. ±10 mbar oder sigma_cp =±0,05 und bei einer CCD Kamera mit 16bit ±1 mbar
oder sigma_cp =±0,005.
Die Pressure Sensitive Paint (PSP) Messmethode bietet trotz jahrelanger Entwick-
lung immer noch sehr viel Potential für Verbesserungen. Am Institut für Strö-
mungsmechanik und Aerodynamik werden insbesondere in den folgenden Berei-
chen die Entwicklungen vorangetrieben:
en Jahren die Pressure Sensitive Paint (PSP) Technik als zuverlässiges Arbeits-
werkzeug von Großforschungseinrichtungen wie z.B. dem DLR in Göttingen, der
ONERA in Frankreich, dem JAXA in Japan und der NASA in den USA, etabliert. Bei
dieser Technik wird als wesentliches Messprinzip die Deaktivierung photochemisch
angeregter Farbstoffmoleküle mittels Sauerstoff ausgenutzt, d.h. die Tatsache,
dass die Fluoreszenz eines angeregten Farbstoffmoleküls mit Hilfe von Sauerstoff
ausgelöscht werden kann. Da die Sauerstoffkonzentration im Fluid im Gleichge-
wicht proportional zum Druck ist, kann dieser als Quenchen bezeichnete Prozess
direkt für ortsaufgelöste Druckverteilungsmessungen genutzt werden. Zu diesem
Zweck werden die fluoreszierenden Moleküle in eine sauerstoffdurchlässige Farbe
eingelagert und nach entsprechender Vorbehandlung auf die zu untersuchende
Modelloberfläche gesprüht. Die aufgesprühte Farbschicht muss dabei möglichst
dünn sein, damit eine Beeinflussung der Strömung vernachlässigt werden kann.
Auf der anderen Seite muss aber die Konzentration der fluoreszierenden Moleküle
-- bzw. die Dicke der Farbschicht -- hinreichend groß sein, damit das Signal mit
einer CCD Kamera zuverlässig aufgezeichnet werden kann. Nach dem Aufbringen
der Farbschicht und einer Kalibrierung des Messsystems bei verschiedenen Refer-
enzdrücken und Temperaturen werden die Moleküle beleuchtet und das von
den Molekülen ausgehende Licht im interessierenden Frequenzband mit Hilfe von
geeigneten CCD Kameras aufgenommen.Um zu vermeiden, dass z.B. unterschied-
liche Farbschichtdicken oder eine Variation der Beleuchtungsintensität eine räumlich
unterschiedliche Sensitivität zur Folge hat, ist eine Referenzkamera notwendig.
Um auch geringe Intensitätsunterschiede zuverlässig registrieren zu können, ist
die Verwendung hochwertiger Kameras zwingend erforderlich. Mit einer 12bit CCD
Kamera ergibt sich bei hinreichender zeitlicher Integration z.B. eine Auflösung von
ca. ±10 mbar oder sigma_cp =±0,05 und bei einer CCD Kamera mit 16bit ±1 mbar
oder sigma_cp =±0,005.
Die Pressure Sensitive Paint (PSP) Messmethode bietet trotz jahrelanger Entwick-
lung immer noch sehr viel Potential für Verbesserungen. Am Institut für Strö-
mungsmechanik und Aerodynamik werden insbesondere in den folgenden Berei-
chen die Entwicklungen vorangetrieben:
- Datenerfassung mit CCD und CMOS Kameras
- Beleuchtung mit Blitzlampen, Dioden und Lasern
- Datenauswertung und Analyse unter Berücksichtigung von Deformationen und Vibrationen von Modellen und Temperaturdrift
- simultaner Einsatz mit anderen optischen Messtechniken wie z.B. PIV, Deformationsmesstechnik und IR Thermographie.
