Techn. University, Diss., 2006--Darmstadt.

Zugl.: Karlsruhe, Techn. Univ., Diss., 2008 / Hergestellt on demand

Techn. Hochsch., Diss., 2001--Aachen.

Stationäre Gasturbinen können von großer Bedeutung für die Verlangsamung des Klima-wandels und bei der Bewältigung der Energiewende sein. Für die Weiterentwicklung von Gasturbinen zu höheren Betriebstemperaturen und damit einhergehend zu höheren Wirkungs-graden werden berührungslose Messverfahren zur Ermittlung der Oberflächentemperatur von Turbinenschaufeln und der Gastemperatur der heißen Verbrennungsgase während des Be-triebs benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit werden daher Methoden der berührungslosen Tem-peraturmessung unter Verwendung von Infrarotstrahlung untersucht. Die berührungslose Messung der Oberflächentemperatur moderner Turbinenschaufeln muss aufgrund derer infrarot-optischer Oberflächeneigenschaften im Wellenlängenbereich des mitt-leren Infrarots durchgeführt werden, in welchem die Turbinenbrenngase starke Absorptions-banden aufweisen. Zur Entwicklung eines adäquaten Strahlungsthermometers für diesen Zweck wurden im Rahmen dieser Arbeit daher durch Ermittlung von Transmissionsspektren von Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf bei hohen Temperaturen und Drücken in einer ei-gens hierfür konstruierten Heißgas-Messzelle zunächst Wellenlängenbereiche identifiziert, in welchen die geplanten Messungen möglich sind. Anschließend wurde der Prototyp eines ent-sprechend konfigurierten Strahlungsthermometers im Zuge des Testlaufes einer vollskaligen Gasturbine erfolgreich erprobt. Weiterhin wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei mögliche Verfahren zur berührungslosen Gastemperaturmessung untersucht. Das erste untersuchte Verfahren setzt ebenfalls auf Strah-lungsthermometrie. Dieses Verfahren sieht vor, aufgrund der Temperaturabhängigkeit des spektralen Transmissionsgrades in den Randbereichen von gesättigten Absorptionsbanden von Gasen aus der in diesen Bereichen transmittierten spektralen Strahldichte auf die Gastempera-tur zu schließen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Voruntersuchungen für dieses Tempera-turmessverfahren durchgeführt. So konnten auf der Grundlage von experimentell ermittelten Transmissionsspektren von Kohlenstoffdioxid bei Drücken zwischen 5 kPa und 600 kPa und Gastemperaturen zwischen Raumtemperatur und 1073 K für das geplante Verfahren nutzbare Wellenlängenintervalle insbesondere im Bereich der Kohlenstoffdioxid-Bande bei 4,26 µm identifiziert werden. Das zweite im Rahmen dieser Arbeit untersuchte Verfahren zur berührungslosen Gastem-peraturmessung basiert auf der Temperaturabhängigkeit der Wellenlängenposition der Trans-missionsminima der Absorptionsbanden von infrarot-aktiven Gasen. Im Hinblick darauf wur-de dieses Phänomen anhand von experimentell bestimmten hochaufgelösten Transmissions-spektren von Kohlenstoffdioxid überprüft. Weiterhin wurden mögliche Wellenlängenbereiche identifiziert und hinsichtlich ihrer Eignung für das geplante Verfahren charakterisiert. Als am vielversprechendsten erwiesen sich hierbei Teilbanden in den Bereichen um 2,7 µm und um 9,2 µm. Unter Beimischung von Stickstoff mit Partialdrücken von bis zu 390 kPa erwies sich zudem auch die Bande bei 4,26 µm als geeignet. Die im Rahmen dieser Arbeit experimentell ermittelten Transmissionsspektren konnten dar-über hinaus schließlich durch Vergleich mit entsprechenden HITRAN-Simulationen verifiziert werden. / Stationary gas turbines can be of significant importance for slowing down climate change and for the handling of the energy transition. The goal of the further development of gas tur-bines is to increase the operating temperatures and in consequence the efficiency factor. For this purpose, non-contact measurement methods are required to determine the surface temper-ature of turbine blades and the gas temperature of the hot combustion gases during operation. Therefore, methods of non-contact temperature measurement using infrared radiation are in-vestigated in this work. Due to the infrared-optical surface properties of modern turbine blades, non-contact tem-perature measurement has to be carried out in the mid-infrared wavelength range, where com-bustion gases of gas turbines have strong absorption bands. In order to develop an adequate radiation thermometer for this purpose, as a first step in this work, wavelength ranges were identified by determining the transmission spectra of carbon dioxide and water vapor at high temperatures and pressures in which the planned measurements are possible. Therefore, a spe-cial high-temperature high-pressure gas cell was developed. Then the prototype of a radiation thermometer, which was configured for measurements in the wavelength region identified before, was successfully tested in a full-scale gas turbine. Furthermore, two possible methods for non-contact gas temperature measurement were in-vestigated in the scope of this work. The first method examined also relies on radiation ther-mometry. Within this method, it is planned to obtain the gas temperature from the measure-ment of the spectral radiance that is transmitted in the wavelength region of the edge of a sat-urated absorption band of the gas, due to the temperature dependence of the spectral transmit-tance in this wavelength region. In this work, preliminary investigations for this temperature measurement method were carried out. Based on experimentally determined transmission spectra of carbon dioxide at pressures between 5 kPa and 600 kPa and at temperatures be-tween room temperature and 1073 K, wavelength intervals were identified that are suitable for the planned measurement method. Especially in the region of the carbon dioxide band at 4.26 µm, appropriate intervals could be found. The second method for non-contact gas temperature measurement investigated in this the-sis is based on the temperature dependence of the wavelength position of the transmission minima of the absorption bands of infrared-active gases. Therefore, this phenomenon was in-vestigated using experimentally determined high-resolution transmission spectra of carbon dioxide. Furthermore, suitable wavelength ranges with appropriate absorption bands were identified and characterized. The most promising sub-bands were found in the wavelength regions around 2.7 µm and 9.2 µm. Under addition of nitrogen with partial pressures up to 390 kPa, the carbon dioxide band at 4.26 µm also turned out to be suitable for the planned temperature measurement method. Finally, the experimentally gathered transmission spectra, which were obtained in the scope of this work, could be verified by a comparison with corresponding HITRAN-simulations.

Cette thèse de doctorat traite de la réalisation et la caractérisation métrologique d’un pyromètre à filtre accordable acousto-optique (AOTF). La première partie expérimentale de ce travail a été consacrée à l’étude du fonctionnement et de la caractérisation du filtre AOTF, la seconde, a été dédiée au développement et à l’optimisation du pyromètre AOTF.Contrairement aux pyromètres habituels dont la sélection spectrale est obtenue par un filtre interférentiel, le pyromètre accordable développé dans ce document utilise un filtre acousto-optique adapté à un étalonnage par laser. La longueur d’onde optique de mesure est imposée par la fréquence de l’onde radiofréquence appliquée au filtre acousto-optique, qui ne requiert aucun mouvement mécanique.En contrepartie, le spectre optique diffracté par ce type de filtres, présente d’importants lobes secondaires de diffraction qui dégradent le taux de réjection hors bande du pyromètre. Grace à un montage en double passage dans une configuration optique en œil de chat, les lobes secondaires de diffraction ont été fortement atténués. Le taux de diffusion optique du pyromètre est de l’ordre de 10-5 en valeur relative.La reproductibilité de sa sensibilité spectrale en longueur d’onde est de 0,01 nm et 0,1 % en amplitude sur une semaine. Ces caractéristiques, comparables à celles des meilleurs monochromateurs, permettent l'utilisation du pyromètre AOTF pour des applications métrologiques au meilleur niveau d’exactitude. L'instrument est accordable en longueur d'onde sur un domaine étendu, compris entre 600 nm et 950 nm. Il est également transportable car sa masse est inférieure à 20 kg et sa longueur inférieure à 1 m. Les performances et la caractérisation métrologique du pyromètre ont été validées par la mesure de la température thermodynamique du point du cuivre, en accord avec celle donnée dans l'EIT-90. / This PhD Thesis presents the work that has been done to design and build, along with the evaluation of the radiometric performance, of a radiation pyrometer based on acousto-optic tunable filter (AOTF). Part of this work has been given to the characterization of the acousto-optic tunable filter (AOTF); however, the other part has been dedicated to the development and the optimization of the radiation pyrometer.Unlike conventional pyrometers whose spectral selection is obtained an interference filters, the AOTF that has been used in this work enables direct calibration of the radiation pyrometer using laser sources without any interference effects. This in turns allows direct calibration of the pyrometer against the cryogenic radiometer or through trap detectors with lower uncertainty levels. The spectral range selected by the AOTF is adjusted by changing the frequency applied to the filter without any mechanical movement, which is an advantage compared to grating-based systems.One of the main limitations in using AOTF is the existence of diffraction lobes which appear beyond the in-band spectral range. These lobes result in significant deterioration in the blocking capabilities of the filter, and thus an increased out-of-band signal levels are obtained. However this has been solved by using a double-pass optical configuration, which has reduced these diffraction lobes and kept them within insignificant levels. The resultant out-of-band signal levels have been found within 10-5 of the in-band signal. The reproducibility of wavelength calibration is within 0.01 nm, yet with 0.1 % reproducibility in the amplitude of the in-band signal over a course of one week. The stability of wavelength is comparable to that found in high quality monochromators. This in turns allows the use of our pyrometer in metrological applications that require high level of accuracy. The instrument spectral coverage can be tuned over a wide spectral range, between 600 nm and 950 nm. The pyrometer is also transportable as its mass is less than 20 kg and with dimensions of 90 L x 20 H x 30 W cm. The performance and metrological characterization of the pyrometer have been validated by measuring the thermodynamic temperature of the freezing point of the copper, which was in a very good agreement with that value defined by the International Temperature Scale (ITS-90).

The aim of this master’s thesis is to give information about the thermo camera measurement with error minimization. The basic concepts of thermography are explained with an implementation of postprocesing technique which uses graphically modified thermogram back projected to the scene. This is closely related to the scene design, calibration of thermal camera with projector, image rectification, thermogram processing with highlighting of interesting information and implementation of control elements as the user interface. The results obtained are analyzed and re-evaluated.

The master‘s thesis deals with utilization of infrared camera for temperature measurement of electrical machines. The first part describes non-contact temperature measuring, the second part describes principle of sensors that evaluate quantity of incident infrared radiation. In the next part there is termovision camera SAT-HY 6800 presented and the instructional manual for SAT Report computer programme created. This computer programme is used for analyzing of termovision pictures from the SAT-HY 6800 termovison camera. The chapter 7 describes temperature measuring of one-phase asynchronous motor type J22TO484. The chapter 8 describes temperature measuring of semiconductor components of EC motor G6 series. Both of these motors are produced by ATAS elektromotory Náchod a.s. The last part of the thesis describes creation of animation of one-phase asynchronous motor type J22TO455. The animation was created in 3ds Max computer programme.