Absorptionsbildgebung dünner Flüssigkeitsfilme
Flüssigkeitsfilme spielen in vielen praktischen Prozessen (z. B. Tribologie, Wärmemanagement, Energieumwandlung, Wasserentsalzung und Brandbekämpfung) eine wichtige Rolle, unabhängig davon, ob sie diese unterstützen oder unbeabsichtigt beeinträchtigen können. Daher ist eine detaillierte Charakterisierung der zeitlichen Entwicklung von wässrigen Filmen wünschenswert, um diese Prozesse zu optimieren und weiterzuentwickeln. Dies erfordert vorzugsweise nicht-invasive Messtechniken, um die wässrigen Filme hinsichtlich Filmdicke, gelöster Stoffkonzentration, räumlicher Ausdehnung und zeitlicher Entwicklung dieser Größen zu charakterisieren.
Die Lichtabsorption eignet sich gut für diesen Zweck, wenn der Flüssigkeitsfilm charakteristische Absorptionslinien im untersuchten Spektralbereich aufweist. Bei wässrigen Filmen eignen sich die Wasserabsorptionsbanden im (Nah-)Infrarotspektralbereich gut für Absorptionsmessungen. In Kombination mit Diodenlasern als Lichtquelle wird dieses Verfahren häufig in der Gasphasenanalyse eingesetzt, wo Gasgemische punktuell hinsichtlich ihrer Konzentrationen und Temperaturen analysiert werden. Unter Verwendung des Wasserabsorptionsbandes bei ~1,4 µm wurde dieses Verfahren erfolgreich für die punktuelle Charakterisierung von wässrigen Filmen im Bereich von 100–1000 µm Filmdicke eingesetzt, wobei gleichzeitig die Konzentration eines gelösten Stoffes oder die Temperatur des Films bestimmt wurde. Die Erweiterung des nutzbaren Spektralbereichs auf längere Wellenlängen ermöglichte die Verwendung stärkerer Absorptionsbanden (bei 1,9 oder 3 µm) und damit die Möglichkeit, geringere Filmdicken zu messen. Ebenso können die Schichtdicke und die Konzentration von zwei gelösten Harnstoffderivaten einer wässrigen Lösung gleichzeitig gemessen werden. Der Einsatz von Nahinfrarotkameras mit räumlich und zeitlich aufgelöster Detektion ermöglicht dynamische Filmdicken-Bildgebungsmessungen dünner Wasserfilme.
Optischer Aufbau für einen zeitmultiplexierten (TDM) Dünnschicht-Absorptionsbildsensor im Reflexionsmodus, der das spiegelnd reflektierte Licht von einem polierten Substrat (a) oder das diffus zurückgestreute Licht von einer mattierten Oberfläche (b) nutzt. Beide Fälle unterscheiden sich nur in der Anordnung des Detektors. FC: Faserkombinator, PM-SMF: polarisationserhaltende Einmodenfaser, A: Dämpfungsglied, C: Kollimator, P: Polarisator, T: Teleskopoptik. Eine vergrößerte Ansicht der in das Sondenvolumen eintretenden und aus diesem austretenden Strahlen ist unter jedem Aufbau dargestellt. Das Quarzfenster ist optional und wird hier verwendet, um variable Schichtdicken für Kalibrierungsmessungen zu erzeugen.
2D-Filmdickenbilder (farbcodierte Dickenwerte) und Profilkurven entlang zweier orthogonaler Achsen über das Bild (rote und blaue Linien). Nicht verarbeitete Bildbereiche sind schwarz gefärbt. (a) Spiegelreflexionsmodus (Abb. 1a) für eine polierte Aluminiumträgerfläche; (b) orthogonaler Reflexionsmodus (Abb. 1b) für eine diffuse oder mattierte Aluminiumträgerfläche. Der weiße Pfeil in der linken Abbildung zeigt die Einfallsrichtung der Laserstrahlen auf die Ziele an.
Bilder mit einer Kameraintegrierungszeit von 1 ms aus einem 100-Hz-Film, der eine 50-prozentige Wasser/Ethanol-Mischung (nach Masse) zeigt, die mit einer Spritze (außerhalb des Bildes links) auf ein geneigtes (durch Schwerkraft unterstütztes Fließen von links nach rechts) mattiertes Substrat injiziert wird. (a) fast trockenes Substrat vor dem Auftreffen der Flüssigkeit, (b)−(d) Flüssigkeitsfluss 370, 1200 bzw. 3230 ms nach dem Auftreffen. Der weiße Pfeil in der oberen linken Abbildung zeigt die Einfallsrichtung der Laserstrahlen auf die Ziele an.
Bei Kraftstofffilmen, wie beispielsweise einem Ersatzkraftstoff aus Isooktan und hochkonzentriertem Toluol, könnte die Filmdicke auch durch Absorptionsmessungen bestimmt werden. Toluol ist ein weit verbreiteter Fluoreszenz-Tracer, der Forschern hilft, die Verdunstungs- und Verbrennungsprozesse von Kraftstofffilmen sichtbar zu machen. Direkteinspritzmotoren können Kraftstofffilme in der Größenordnung von Mikrometern erzeugen, während die Verbrennungsumgebung aufgrund von Absorptionsstörungen durch andere während des Aufheizens und der Verbrennung vorhandene Stoffe zusätzliche Herausforderungen mit sich bringt.
Es wurde eine multispektrale UV-VIS-Absorptionstechnik entwickelt, um die Verdampfung des Kraftstofffilms auch unter Verbrennungsbedingungen mithilfe eines Hochgeschwindigkeits-2D-Bildgebungssystems zu detektieren. Während die Absorptionsinformationen des flüssigen Kraftstofffilms mit einer LED mit einer Wellenlänge von 265 nm im UV-Bereich erfasst werden, können andere Störungen – wie die Absorption durch Toluoldampf, die Streuung durch die Flüssigkeit, die Extinktion durch Ruß und Rußvorläufer sowie die Glühung des Rußes – die tatsächliche Absorption negativ beeinflussen. Um diesen Störungen entgegenzuwirken, werden zusätzliche LEDs und morphologische Bildverarbeitung eingesetzt. Dieser multispektrale Ansatz ermöglicht räumlich-zeitlich aufgelöste Messungen der Kraftstofffilmdicke.
Die Absorptionskonzepte lassen sich durch verschiedene Lichtquellen wie Diodenlaser oder spektral gefilterte Breitbandlichtquellen sowie Detektoren wie Fotodioden oder Bildpixelkameras erweitern. Bislang hat sich die Absorptionsspektroskopie im Bereich der Flüssigkeitsfilm-Messung als sehr anpassungsfähig erwiesen.
a) Dünne Brennstofffilme werden durch die optisch zugängliche Atmosphärendruck-Konstantstromanlage mit Injektor und Zündelektroden erzeugt.
b) Optisches Layout um den Testbereich der Strömungsanlage.