Strömungsbilder von bewegten Teilchen mit der Wärmebildkamera aufnehmen
(Bachelorarbeit von Moritz Rüge)Einleitung
Heute werden Wärmebildkameras für den normalen technischen Anwendungsbereich wie bei der Gebäudesanierung, Aufspüren von hohen elektrischen Widerständen oder Fehlfunktionen, mit der Folge von Wärmeentwicklungen im elektrotechnischen-/elektronischen Bereich, eingesetzt. Der Anschaffungswert ist von der Anzahl der Pixel abhängig und liegt bei einigen hundert Euro bis zu einem fünfstelligen Betrag.
Durchführung Experiment
Eine solche Kamera, Flir E40, wurde zur Messung von Luft-Strömungen in einem Förderkanal herangezogen. Das Messproblem liegt vor allem bei der Nichtdurchdringung von Materialien. Das bezieht sich auch auf transparente Stoffe wie Glas und Acryglas. Die Lösung war ein Sichtfenster im Förderrohr, das mit einer transparenten Geschenkfolie (Polypropylen) abgedeckt wurde. Diese PP-Folie absorbiert in Näherung ca. 22% der zu messenden Wärmestrahlung. Ein weiteres Problem war die Unterscheidbarkeit (Temperaturkontrast) von Rohr und Kügelchen. Da die Kügelchen eine zu geringe Wärmekapazität aufweisen, wurde das Rohr erwärmt und die Kügelchen behielten ihre Umgebungstemperatur. Aufgezeichnet wurde der Vorgang mit einem Video der Infrarotkamera, das später ausgewertet wurde.
Abb. 1 links: Messaufbau mir Förderrohr, Gebläse und Auffangschirm (unten), zwei 100 W Lampen für ein sichtbares Video. Aufgeheizt wurde das Rohr mit einen Fön.
Abb. 2 rechts: Messaufbau der Transmissionsmessung der PP-Folie (rechts vorne)
Styroporkügelchen: d = 6 mm und Rohrdurchmesser d = 14 mm.
Über die Zugabe von Partikeln (Tracer) in eine Strömung werden bei diesem Verfahren auf Art, Geschwindigkeit und Richtung der Strömung Rückschlüsse gezogen. Strömungen werden durch Stromlinien anschaulich gemacht. Sie beschreiben den Weg der Strömung. Verengen sich Stromlinien, beispielsweise an einem Hindernis, so nimmt ihre Geschwindigkeit zu, da dasselbe Volumen V im gleichen Zeitraum transportiert werden muss.
Die oben besprochenen Verfahren haben das Problem, dass sie alle die Strömung stören. Es treten im wesentlichen Reibung, Turbulenzen, Strömungswiderstand, Massenträgheit und Druck auf. Deshalb sollten die Partikel so klein wie möglich sein.
Abb. 3: Styroporkügelchen im Strömungskanal
Abb. 4: Styroporkügelchen im Strömungskanal
Video: Styroporkügelchen im Strömungskanal
Quelle Ermittlung des Transmissionsgrades der Folie:
[1] H. Grötzebauch: Versuche zum Treibhauseffekt. Url: http://didaktik.physik.fu-berlin.de/home/download/TE/Treibhauseffekt.html