Entwicklung eines laseroptischen Messverfahrens zur Quantifizierung der Schichtdicke von Wasserfilmen

Wässrige Flüssigkeitsfilme treten in unzähligen technischen Anwendungen als gewollter oder unerwünschter Effekt auf. Zum Verstehen und Optimieren dieser Prozesse sind Informationen bezüglich der Schichtdicke sowie des zeitlichen Verhaltens des Films unabdingbar. Ein Messverfahren, das es ermöglicht Flüssigkeitsfilme hinsichtlich ihrer Dicke und Form zu erfassen, würde einen großen Beitrag zum Erreichen dieser Ziele leisten. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte und angewandte, quantitative Verfahren zur Messung von Wasserfilmdicken auf Oberflächen basiert zum einen auf der Laser-induzierten Fluoreszenz sowie auf der spontanen Ramanstreuung an Wassermolekülen. Im Vergleich zu bestehenden Messmethoden bieten diese den Vorteil einer zweidimensionalen Auflösung auch für die Detektion verdampfender Wasserfilme. Die Fluoreszenz stammt dabei von zugesetzten Tracersubstanzen, deren Fluoreszenzintensität in Abhängigkeit von Konzentration und Temperatur untersucht wurde. Zur Anwendung in verdampfenden Systemen, in denen der Tracer ein koevaporatives Verhalten zeigen soll, wurden Gleichgewichtsberechnungen durchgeführt, um an die Verdampfungseigenschaften von Wasser angepasste Fluoreszenzmarker auszuwählen. Ethyl-Acetoacetat erfüllt die geforderten Eigenschaften und wurde als Tracer für die hier vorgestellten Untersuchungen verwendet.

Kalibriermessungen an bekannten Schichtdicken in einer Kalibrierzelle liefern den Zusammenhang des detektierten Signals von der Filmdicke für einen Schichtdickenbereich von 5 bis 1000 ¿m. Während für erste grundlegende Untersuchungen die Filme mit einer Pipette sowie eines Injektors auf eine transparente Oberfläche aufgebracht wurden, wird in einem zweiten Schritt die Übertragung auf ein technisches System, einen Strömungskanal mit der Möglichkeit einer Einspritzung der Tracer-Wasser-Lösungen vollzogen. Hier werden Schichtdicken auf einer metallischen Oberfläche bestimmt. Phasenaufgelöste Messungen liefern eine Aussage über die zeitliche Entwicklung der Filme während des Einspritzvorgangs. Sie geben neben der Kontur ebenfalls eine Aussage hinsichtlich der aufgebrachten Flüssigkeitsmasse, während zeitlich aufgelöste Untersuchungen den Vorgang der Filmverdampfung auf einer beheizten Oberfläche betrachten. Schichtdickenmessungen im Einzelschuss bieten die Möglichkeit Bewegungen der Filmoberfläche zu visualisieren.