Pressure Sensitive Paint (PSP, Drucksensitve Farbe)

Auf dem Gebiet der optischen Druckverteilungsmessung hat sich die Pressure Sensitive Paint (PSP)-Technik in den letzten Jahren als zuverlässiges Arbeitsmittel bei Großforschungseinrichtungen wie dem DLR in Göttingen, der ONERA in Frankreich, der JAXA in Japan und der NASA in den USA etabliert. Diese Technik nutzt als wesentliches Messprinzip die Deaktivierung photochemisch angeregter Farbstoffmoleküle durch Sauerstoff, d. h. die Tatsache, dass die Fluoreszenz eines angeregten Farbstoffmoleküls mit Hilfe von Sauerstoff ausgelöscht werden kann. Da die Sauerstoffkonzentration in der Luft im Gleichgewicht proportional zum Druck ist, kann dieser als Quenching bezeichnete Vorgang direkt für ortsaufgelöste Druckverteilungsmessungen genutzt werden. Dazu werden die fluoreszierenden Moleküle in einem sauerstoffdurchlässigen Lack eingelagert und nach entsprechender Vorbehandlung auf die Oberfläche des zu untersuchenden Modells aufgebracht. Die aufgetragene Farbschicht muss so dünn wie möglich sein, damit ein Einfluss auf die Strömung vernachlässigt werden kann. Andererseits muss die Konzentration der fluoreszierenden Moleküle - bzw. die Dicke der Lackschicht - ausreichend hoch sein, damit das Signal mit einer Kamera zuverlässig erfasst werden kann. Nach dem Auftragen der Beschichtung und der Kalibrierung des Messsystems bei verschiedenen Referenzdrücken und -temperaturen werden die Moleküle beleuchtet und das von den Molekülen emittierte Licht im interessierenden Frequenzband mit geeigneten Kameras aufgenommen. Eine Referenzkamera ist notwendig, um zu vermeiden, dass z.B. unterschiedliche Farbschichtdicken oder eine Variation der Beleuchtungsintensität zu einer räumlich unterschiedlichen Empfindlichkeit führen. Um auch kleine Intensitätsunterschiede zuverlässig registrieren zu können, ist der Einsatz von qualitativ hochwertigen Kameras zwingend erforderlich. Mit einer 12bit-Kamera und ausreichender zeitlicher Integration ergibt sich eine Auflösung von ±10 mbar oder sigma_cp= ±0,05 und mit einer Kamera mit 16bit ±1 mbar oder sigma_cp =±0,005.
Die Pressure Sensitive Paint Messmethode bietet trotz jahrelanger Entwicklung noch viel Potential für Verbesserungen. Am Institut für Strömungsmechanik und Aerodynamik werden Entwicklungen insbesondere in den folgenden Bereichen vorangetrieben:

  • Datenerfassung mit CCD- und CMOS-Kameras
  • Beleuchtung mit Blitzlampen, Dioden und Lasern
  • Datenauswertung und -analyse unter Berücksichtigung von Verformung und Vibration der Modelle und Temperaturdrift
  • Gleichzeitiger Einsatz mit anderen optischen Messverfahren wie PIV, Deformationsmessungen und IR-Thermografie