DE102015215793A1

DE102015215793A1 - Messvorrichtung zum Messen der Strahlungsdichte eines Sonnenofens sowie Messverfahren

Info

Publication number: DE102015215793A1
Application number: DE102015215793.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Willsch
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2017-02-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Messen der Strahlungsdichte eines Sonnenofens mit einem diffus transmittierenden flächigen Messelement (14) zur Anordnung in den Strahlengang (16) eines Sonnenofens (12), einer Kamera (18), die in Richtung des Strahlengangs (16) hinter dem flächigen Messelement (14) angeordnet ist, wobei die Kamera (18) zum Erfassen des durch das flächige Messelement hindurchtretenden Lichts auf die stromabwärtige Seite des Messelements (14) gerichtet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Messen der Strahlungsdichte eines Hochleistungsstrahlers sowie ein hierfür verwendbares Messelement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Messen der Strahlungsdichte eines Sonnenofens. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Messen der Strahlungsdichte eines Hochleistungsstrahlers sowie ein Messelement, das hierfür verwendbar ist.
Ein Sonnenofen kann Sonnenlicht um einen Faktor von mehr als 4500 konzentrieren. Diese Strahlung kann für verschiedenste Experimente verwendet werden, zum Beispiel für die Untersuchung einzelner Komponenten von Solarkraftwerken oder für Experimente im Bereich der solaren Chemie und der Materialforschung. Der Vorteil gegenüber einem herkömmlichen elektrisch oder fossil betriebenen Ofen besteht in der besonderen Regelbarkeit der Energiezufuhr, nämlich der konzentrierten Strahlung. Mittels optischer Einrichtungen, beispielsweise Blenden oder Shutter, kann die Energiezufuhr innerhalb weniger Zehntelsekunden an- beziehungsweise abgeschaltet werden. Dies ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen zum Beispiel Temperaturgradienten (Thermoschock) auf Oberflächen bestrahlter Objekte von Interesse sind oder zum Beispiel als Ersatz für das Spiegelfeld (Heliostatfeld) einer Solarturmanlage. Darüber hinaus bietet ein Sonnenofen gegenüber einem herkömmlichen Ofen die Möglichkeit, gezielt bestimmte Wellenlängenbänder im Sonnenlicht zu nutzen (zum Beispiel für chemische Reaktionen oder Versuche bezüglich der Materialalterung).
Konzentrierte Strahlung kann auch anders als solar erzeugt werden. Grundsätzlich eignen sich hierzu auch Lampen mit hoher Leistung, die ein dem Tageslicht ähnliches Spektrum aufweisen und bei denen elliptische Reflektoren zum Einsatz kommen (beispielsweise der DLR XENON-Hochleistungsstrahler).
Um die Strahlung eines Sonnenofens oder Hochleistungsstrahlers wissenschaftlich oder für technische Entwicklungen nutzen zu können, muss die tatsächlich auf das zu untersuchende Objekt eintreffende Strahlungsdichte bekannt sein. Typischerweise verläuft die Verteilung gaußförmig, das heißt sie hat ein ausgeprägtes Maximum und ferner ausgeprägte Flanken. Maximalwerte können ca. 4 bis 5 MW/m² erreichen.
Ein derartiges Strahlungsprofil eines Sonnenofens oder Strahlers entspricht oft nicht dem, was in einem Experiment gefordert wird. Es erfolgt somit oftmals eine Änderung des Strahlungsprofils durch das Vorschalten von optischen Bauelementen wie Filtern, Scheiben oder Sekundärkonzentratoren. Solche optischen Elemente bringen die Schwierigkeit mit sich, dass ihre Strahlungsdichte und ferner der Verlauf ihrer Strahlungsdichte am Strahlenausgang gemessen werden muss.
Um die Strahlungsdichte der konzentrierten Strahlung zu messen, werden in der Regel Radiometer oder Kalorimeter verwendet. Diese Messvorrichtungen geben aber nur Aufschluss über die Intensität der Strahlung an einem bestimmten Punkt. Um eine Aussage darüber zu treffen, wie die Strahlungsdichte in ihrer gesamten Größe und Form aussieht, muss eine berührungslose optische Messtechnik, meist in Form einer Kamera, verwendet werden. Diese wird auf ein diffus reflektierendes Messziel oder Target gerichtet und fotografiert dieses ab. Eine derartige Anordnung, die aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist beispielhaft in 1 dargestellt. Die Kamera 18 ist hierbei auf das reflektierende Target 11 gerichtet, das im Strahlengang 16 hinter einem optischen Bauteil, beispielsweise einem Konzentrator 20, angeordnet ist.
Nachteilig bei dieser Messmethode ist, dass immer eine freie Sicht auf das Messtarget gewährleistet sein muss. Problematisch wird es in dem Fall, in dem das Messtarget beispielsweise sehr nah hinter dem Konzentrator angeordnet ist. Ein solches Szenario ist beispielhaft in 2 dargestellt. Hier ist es notwendig, die Kamera 18 stark zur Seite zu versetzen, so dass sie mit einem großen Winkel θ auf das Messtarget gerichtet ist. Die räumliche Enge kann neben dem Konzentrator 20 auch durch ein weiteres optisches Bauteil 22 erzeugt werden, das im Strahlengang angeordnet werden muss, beispielsweise ein Filter (siehe 2).
In dem dargestellten Aufbau ist es erst möglich, ausreichende Lambertsche Eigenschaften des Messtargets zu erreichen, wenn dieses einige Zentimeter hinter dem Strahlenausgang des letzten optischen Objekts im Strahlengang 16 angeordnet ist. Diese Voraussetzungen können nicht immer erfüllt werden. Hierdurch können unter Umständen Fehlmessungen entstehen, die dadurch bedingt sind, dass die Kamera zu weit seitlich versetzt angeordnet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messvorrichtung zum genaueren Messen der Strahlungsdichte eines Sonnenofens bereitzustellen. Ferner soll ein Verfahren zum genaueren Messen der Strahlungsdichte eines Hochleistungsstrahlers bereitgestellt werden. Weiterhin soll ein Messelement zum genaueren Messen der Strahlungsdichte eines Sonnenofens bereitgestellt werden.
Die Lösung der Aufgaben erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1, 7 und 10.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zum Messen der Strahlungsdichte eines Sonnenofens weist ein diffus transmittierendes flächiges Messelement zur Anordnung in dem Strahlengang eines Sonnenofens auf. Ferner weist sie eine Kamera auf, die in Richtung des Strahlengangs hinter dem Messelement angeordnet ist. Es ist bevorzugt, die Kamera seitlich versetzt zur Mittelachse des Strahlengangs insbesondere außerhalb des Strahlengangs anzuordnen, so dass sie der hoch energetischen Lichtstrahlung nicht ausgesetzt ist.
Erfindungsgemäß ist die Kamera zum Erfassen des durch das flächige Messelement hindurchtretenden Lichts auf die stromabwärtige Seite des Messelements gerichtet. Dies bedeutet, dass die Kamera auf diejenige Seite des flächigen Messelements gerichtet ist, aus der das Licht heraustritt und die insbesondere von der Lichtquelle abgewandt ist.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung unterscheidet sich vom Stand der Technik dadurch, dass anstelle einer Reflexionsmessung eine Transmissionsmessung durchgeführt wird. Anstelle eines reflektierenden Targets wird somit ein diffus transmittierendes flächiges Messelement verwendet. Hierdurch ist es möglich, dieses flächige Messelement mit einem sehr geringen Abstand oder auch unmittelbar hinter einem optischen Bauteil im Strahlengang, beispielsweise einem Filter oder einem Sekundärkonzentrator, anzuordnen, da die Kamera ihr Bild nicht mehr seitlich an diesem Bauteil vorbei aufnehmen muss. Somit ist es möglich, die Kamera in einem kleineren Winkel gegenüber der Mittelachse des Strahlengangs anzuordnen, was eine genauere Messung ermöglicht.
Es ist bevorzugt, dass das flächige Messelement Lambertsche Eigenschaften aufweist, so dass die von ihm ausgehende Strahlungsdichte in alle Richtungen gleich ist.
Weiterhin ist bevorzugt, dass das flächige Messelement aus Keramik, insbesondere aus Aluminiumoxid ausgebildet ist und insbesondere eine Dicke von 0,3 bis 1 mm aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kamera in einem Winkelbereich zwischen –35 Grad und 35 Grad um die Mittelachse des Strahlengangs versetzt angeordnet. Hierbei verläuft das Messelement insbesondere senkrecht zu dieser Mittelachse.
Das Messelement kann als Messfläche ausgebildet sein, deren Größe und Abmessungen auf den jeweiligen Anwendungszweck angepasst werden können. Unter einer flächigen Ausgestaltung des Messelements wird verstanden, dass seine Ausdehnung in einer ersten und zweiten Dimension um ein Vielfaches größer ist als seine Dicke. Seine Dicke kann, wie bereits dargestellt, in einem Bereich unter 1 mm liegen, während seine Länge und Breite beispielsweise wenige Zentimeter betragen kann. Die genauen Abmessungen des Messelements hängen von der jeweiligen Anwendung und insbesondere von den Abmessungen des optischen Elements ab, hinter dem in Strahlungsrichtung das Messelement angeordnet ist. Beispielsweise kann ein Sekundärkonzentrator einen Ausgangsdurchmesser von einigen Zentimetern aufweisen, so dass die Abmessungen des Messelements auf diese Größe abgestimmt werden können. Allerdings kann der Strahlenausgang von verwendeten optischen Komponenten je nach Anwendung von nur wenigen Millimetern bis hin zu mehreren Zentimetern (beispielsweise 50 cm) variieren. Entsprechend kann die Größe des Messelements in diesem Bereich angepasst werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Messelement weiß ist, so dass sichergestellt werden kann, dass sämtliche Wellenlängenanteile des Lichtstrahls in gleicher Weise das Messelement passieren und dieses nicht als optischer Filter fungiert.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann ferner ein zusätzliches optisches Bauteil aufweisen, das im Strahlengang angeordnet ist. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen optischen Filter, einen Sekundärkonzentrator, einen Shutter oder ähnliche optische Bauteile handeln. Das Messelement ist in Richtung des Strahlengangs unmittelbar hinter oder mit einem maximalen Abstand von 3 mm, bevorzugt 2 mm und besonders bevorzugt 1 mm hinter dem optischen Bauteil angeordnet.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Messen der Strahlungsdichte eines Hochleistungsstrahlers, beispielsweise eines Sonnenofens oder eines Hochleistungsstrahlers mit einer künstlichen Lichtquelle, beispielsweise einem XENON-Kurzbogen-Strahler. Das erfindungsgemäße Verfahren kann durchgeführt werden unter Verwendung einer Vorrichtung wie sie bisher beschrieben wurde. Es umfasst die folgenden Schritte:
Ein diffus transmittierendes flächiges Messelement wird im Strahlengang des Hochleistungsstrahlers angeordnet. Eine Kamera wird in Strahlungsrichtung hinter dem Messelement angeordnet.
Es erfolgt ein Erfassen des durch das flächige Messelement hindurchtretenden Lichts an der stromabwärtigen Seite des flächigen Messelements durch die Kamera.
Es ist bevorzugt, dass die Kamera gegenüber der Mittelachse des Strahlengangs, insbesondere um bis zu 35 Grad seitlich versetzt, hinter dem Messelement angeordnet ist. Weiterhin ist es bevorzugt, dass hierbei ein optisches Entzerren des schräg aufgenommenen Kamerabildes erfolgt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden durch die Kamera mehrere Bilder des Messelements aufgenommen, wobei bei jedem Bild die Strahlungsdichte des hindurchtretenden Lichts ermittelt wird und die Ergebnisse anschließend gemittelt werden. Hierdurch kann ein genaueres Messergebnis erzielt werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Messelement zum Messen der Strahlungsdichte eines Sonnenofens.
Das Messelement ist flächig ausgebildet und ferner diffus transmittierend. Weiterhin weist das flächige Messelement Lambertsche Eigenschaften auf, so dass die von ihm ausgehende Strahlungsdichte in alle Richtungen gleich ist.
Das flächige Messelement kann aus Keramik, insbesondere aus Aluminiumoxid ausgebildet sein und insbesondere eine Dicke von 0,3 bis 1 mm aufweisen.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:
1 und 2 Messanordnungen gemäß dem Stand der Technik,
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
1 und 2 wurden bereits in Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert.
Wie in 3 dargestellt, weist die erfindungsgemäße Messvorrichtung einen schematisch dargestellten Sonnenofen 12 auf, in dessen Strahlengang 16 ein Sekundärkonzentrator 20 angeordnet ist. Unmittelbar hinter diesem Sekundärkonzentrator 20, beziehungsweise mit einem sehr kleinen räumlichen Abstand zu diesem, ist das diffus transmittierende flächige Messelement 14 angeordnet. Dieses kann insbesondere an genau derjenigen Stelle angeordnet sein, an der später das Experiment durchgeführt werden soll. Hierdurch ist es möglich, die Strahlungsdichte des Sonnenofens genau in der Messebene zu bestimmen.
Seitlich versetzt von der Mittelachse m des Strahlungsgangs 16 hinter dem flächigen Messelement 14 ist eine Kamera, beispielsweise eine CCD Kamera 18, angeordnet, die auf die stromabwärtige Seite des Messelements 14 gerichtet ist.
Das erfindungsgemäße diffus transmittierende Messelement kann einfach und flexibel in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungszweck positioniert werden.
Messungen der Strahlungsdichte können somit schnell und zuverlässig durchgeführt werden.

Claims

Messvorrichtung zum Messen der Strahlungsdichte eines Sonnenofens (12), wobei die Messvorrichtung aufweist: ein diffus transmittierendes flächiges Messelement (14) zur Anordnung in den Strahlengang (16) eines Sonnenofens (12), eine Kamera (18), die in Richtung des Strahlengangs (16) hinter dem flächigen Messelement (14) angeordnet ist, wobei die Kamera (18) zum Erfassen des durch das flächige Messelement hindurchtretenden Lichts auf die stromabwärtige Seite des Messelements (14) gerichtet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Messelement (14) Lambertsche Eigenschaften aufweist, so dass die von ihm ausgehende Strahlungsdichte in alle Richtungen gleich ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Messelement (14) aus Keramik, insbesondere aus Aluminiumoxid ausgebildet ist und insbesondere eine Dicke von 0,3 bis 1 mm aufweist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (18) in einem Winkelbereich zwischen –35 Grad und 35 Grad um die Mittelachse (m) des Strahlengangs (16) angeordnet ist, wobei das Messelement (14) insbesondere senkrecht zur dieser Mittelachse (m) angeordnet ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (14) weiß ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein optisches Bauteil (20), das im Strahlengang (16) angeordnet ist, insbesondere einen optischen Filter oder einen Sekundärkonzentrator, wobei das Messelement (14) in Richtung des Strahlengangs (16) unmittelbar hinter oder mit einem maximalen Abstand von 3 mm, bevorzugt 2 mm und besonders bevorzugt 1 mm hinter dem optischen Bauteil (20) angeordnet ist.
Verfahren zum Messen der Strahlungsdichte eines Hochleistungsstrahlers (12), insbesondere eines Sonnenofens, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Anordnen eines diffus transmittierenden Messelements (14) in den Strahlengang (16) des Hochleistungsstrahlers (12), Anordnen einer Kamera (18) in Strahlungsrichtung hinter dem Messelement (14), Erfassen des durch das flächige Messelement hindurchtretenden Lichts an der stromabwärtigen Seite des flächigen Messelements (14) durch die Kamera (18).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (18) gegenüber der Mittelachse (m) des Strahlengangs (16), insbesondere bis zu einem Winkel von 35 Grad seitlich versetzt, hinter dem Messelement (14) angeordnet ist, wobei ein optisches Entzerren des schräg aufgenommenen Kamerabildes erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kamera (18) mehrere Bilder des Messelements (14) aufgenommen werden, wobei bei jedem Bild die Strahlungsdichte des hindurchtretenden Lichts ermittelt wird und die Ergebnisse anschließend gemittelt werden.
Messelement zum Messen der Strahlungsdichte eines Sonnenofens (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (14) flächig ausgebildet ist und diffus transmittierend ist, wobei das Messelement (14) Lambertsche Eigenschaften aufweist, so dass die von ihm ausgehende Strahlungsdichte in alle Richtungen gleich ist.
Messelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Messelement (14) aus Aluminiumoxid ausgebildet ist und insbesondere eine Dicke von 0,3 bis 1 mm aufweist.