Pressure Sensitive Paint (PSP)

Im Bereich der optischen Druckverteilungsmessung hat sich in den vergangenen Jahren die Pressure Sensitive Paint (PSP) Technik als zuverlässiges Arbeitswerkzeug 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 Gleichgewicht proportional zum Druck ist, kann dieser als Quenching 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 Kamera zuverlässig aufgezeichnet werden kann. Nach dem Aufbringen der Farbschicht und einer Kalibrierung des Messsystems bei verschiedenen Referenzdrücken und Temperaturen werden die Moleküle beleuchtet und das von den Molekülen ausgehende Licht im interessierenden Frequenzband mit Hilfe von geeigneten Kameras aufgenommen. Um zu vermeiden, dass z.B. unterschiedliche 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 Kamera ergibt sich bei hinreichender zeitlicher Integration z.B. eine Auflösung von ca. ±10 mbar oder sigma_cp= ±0,05 und bei einer Kamera mit 16bit ±1 mbar oder sigma_cp =±0,005.

Die Pressure Sensitive Paint Messmethode bietet trotz jahrelanger Entwicklung immer noch sehr viel Potential für Verbesserungen. Am Institut für Strömungsmechanik und Aerodynamik werden insbesondere in den folgenden Bereichen 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