Erweiterung einer Apparatur zur winkelabhängigen Bestimmung des Emissionsgrades bei hohen Temperaturen

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1 Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. Erweiterung einer Apparatur zur winkelabhängigen Bestimmung des Emissionsgrades bei hohen Temperaturen M. Rydzek, T. Stark, M. Arduini-Schuster, J. Manara Tagung des AK-Thermophysik am 03. und 04. Mai 2012 in Graz

2 MOTIVATION - ANWENDUNG Bedeutung des Emissionsgrades: Generell: Wärmeübertragung durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung. Wärmestrahlung bei hohen Temperaturen immer bedeutender. Für reale Oberflächen schwer zu berechnen. Materialcharakterisierung und Optimierung Berührungslose Temperaturbestimmung (Pyrometrie) Allgemeine Definition des Emissionsgrads: Der Emissionsgrad ist definiert als Quotient aus der abgestrahlten Leistung eines realen Körpers und der abgestrahlten Leistung eines schwarzen Körpers gleicher Temperatur. ε = I I Probe Schwarzkörper

3 MÖGLICHKEITEN ZUR BESTIMMUNG DES EMISSIONSGRADES Indirekte radiometrische Messung : Bestimmung von Reflexionsund Transmissionsgrad mittels integrierender Kugel. Berechnung des Emissionsgrades! ε g = 1 T gh R gh Probe Detektor Detektor Probe Einfallende Strahlung Einfallende Strahlung

4 MÖGLICHKEITEN ZUR BESTIMMUNG DES EMISSIONSGRADES Direkte radiometrische Messung: Direkte Bestimmung der emittierten Wärmestrahlung! Ofen Probe im Ofen heizen Emittierte Strahlung detektieren Vergleich mit Schwarzkörperstrahlung bei gleicher Temperatur ε ' ' λ λ ( λ, ϑ, ϕ, T ) = ' λ,s i ( λ, ϑ, ϕ, T ) i ( λ, T ) Detektor Probe/Schwarzkörper

5 MESSAUFBAU Schwarzkörper: Realisierung durch Hohlraumstrahler. Homogene Temperatur innerhalb des Hohlraums. Lambert sche Reflexion an den Wänden. α Berechnung des Emissionsgrades des Schwarzkörpers aus dem Oberflächenemissionsgrad: ε λ,sk = 1 ρ λ,sk ε λ, = mit 0 5 OF, ε λ, > SK, für l / r > 10 ρ = 1 1 ρ 0 99 λ,of λ,of α ε sin ² = ε SK: Schwarzkörper OF: Oberfläche λ,of λ,of 1+ 1 l r 2 l 2r

6 BESTIMMUNG DES EMISSIONSGRADES Intensität der Probe: i ' ' ' ( T,T ) = ε ( T ) i ( T ) ρ ( T ) i ( T ) ' λ p u λ p λ,s p + Emission der Probe ρ λ, hg = ρλ,gh ' ε λ + ρ λ,gh =1 λ, hg p λ, s Reflektion der Umgebungsstrahlung u T U T P In die Berechnung des Emissionsgrades fließen neben der gemessenen Intensität auch die Temperatur der Probe und der Umgebung ein!

7 MESSAUFBAU Bruker Vertex 70v EMMA KBr-Linsen

8 MESSAUFBAU Bruker Vertex 70v EMMA KBr-Linsen

9 MESSAUFBAU Thermographie Vakuumtopf und Ofen: Konstante Umgebungstemperatur

10 VERSUCHSAUFBAU

11 KALIBRIERUNG [ ] ' ' Bestimmung der Gerätefunktion: i ( T ) = C ( λ) i ( T + C ( λ) λ, korrigiert 1,2,3 2 λ,gemessen 1,2,3) 1 Konstante C 1 berücksichtigt die Wärmestrahlung, die das Spektrometer selbst emittiert. Konstante C 2 umfasst die Anbauteile wie Spiegel, Blenden, Linsen usw. Messung von 3 Schwarzkörperspektren. Vergleich mit berechneten Planckkurven: 3 Gleichungen pro Wellenlänge 3N Gleichungen für 2N+3 Variablen (N Wellenlängen und 3 Temperaturen) Lösung des linearen Gleichungssystems mittels Least-Square-Methode. Anpassung der gemessenen Spektren an die theoretisch berechneten.

12 KALIBRIERUNG Bestimmung der relativen Unsicherheit der Kalibrierung: 0,010 relative Unsicherheit der Kalibrierung 0,008 0,006 0,004 0,002 0,000-0,002-0,004-0,006-0,008 Spektrum 1 Spektrum 2 Spektrum 3-0, Wellenlänge λ / µm

13 MESSUNGEN - TEMPERATURABHÄNGIG Keramikprobe (TiO 2 / Y 2 O 3 ): Zusammensetzung: 78,5 % Yttriumoxid 21,5 % Titandioxid 1,0 0,9 0,8 Eigenschaften: Probendicke: 3 mm Porosität: 45 % Änderung des spektralen Emissionsgrads über weite Bereiche relativ gering. Deutliche Absorptionspeaks bei ca. 3 µm und 6,3 µm. Emissionsgrad ε λ 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 25 C 370 C 540 C 685 C 815 C 930 C 985 C 0, Wellenlänge λ / µm

14 MESSUNGEN - TEMPERATURABHÄNGIG Keramikprobe (TiO 2 / Y 2 O 3 ): Zusammensetzung: 78,5 % Yttriumoxid 21,5 % Titandioxid Eigenschaften: Probendicke: 3 mm Porosität: 45 % Rückgang der Absorptionspeaks mit steigender Probentemperatur. Desorption von gebundenem Wasser aus der Probe. Verbleib von gebundenen OH-Gruppen bei höheren Temperaturen auf Grund unterschiedlicher Bindungsenergien. Emissionsgrad ε λ 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Wellenlänge λ / µm 400 C 500 C 600 C 700 C

15 MESSUNGEN WINKELABHÄNGIG (NICHTLEITER) Keramikprobe (TiO 2 / Y 2 O 3 ) bei T = 750 C: Zusammensetzung: 60,0 % Yttriumoxid 40,0 % Titandioxid Eigenschaften: Probendicke: 2 mm Porosität: 50 % Emissionsgrad ε λ 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0, ,2 0,1 0, Wellenlänge λ / µm

16 MESSUNGEN WINKELABHÄNGIG (NICHTLEITER) Keramikprobe (TiO 2 / Y 2 O 3 ) bei T = 750 C: Zusammensetzung: 60,0 % Yttriumoxid 40,0 % Titandioxid Eigenschaften: Probendicke: 2 mm Porosität: 50 % Emissionsgrad ε λ 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0, ,2 0,1 0, Wellenlänge λ / µm

17 MESSUNGEN WINKELABHÄNGIG (NICHTLEITER) Keramikprobe (TiO 2 / Y 2 O 3 ) bei T = 750 C: Zusammensetzung: 60,0 % Yttriumoxid 40,0 % Titandioxid Eigenschaften: Probendicke: 2 mm Porosität: 50 % Emissionsgrad 1,0 0,8 0,6 0,4 0, Winkel/ 12.2µm 40 20µm 7µm ,0 90

18 MESSUNGEN WINKELABHÄNGIG (HALBLEITER / GEMISCHE) V2A-Stahl bei T = 750 C: Zusammensetzung: Rostfreie Edelstahllegierung 18,0 % Chromanteil 10,0 % Nickelanteil Eigenschaften: Passivschicht an der Oberfläche schützt vor Oxidation Emissionsgrad 0,25 0,20 0,15 0,10 0, Winkel/ 5µm 14µm ,00 90

19 MESSUNGEN WINKELABHÄNGIG (LEITER) Kupferprobe bei λ = 5 µm: Eigenschaften: polierte Kupferoberfläche Auf Grund des geringen Emissionsgrades ist die insgesamt abgestrahlte Intensität der Probe sehr niedrig. Emissionsgrad ε λ 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0, Winkel/ 490 C 670 C ,00 90

20 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Zusammenfassung: Umfassende Charakterisierung der Proben in einem großen Temperatur- und Winkelbereich möglich. Weitgehend automatisierte Messungen mittels PC-Ansteuerung. Ausblick: Erweiterung des zugänglichen Temperaturbereichs auf rund T = 1400 C. Erweiterung des auflösbaren Spektralbereichs. Verbesserung der Temperaturbestimmung.

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