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Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Temperatursensorsystem zur berührungslosen Temperaturmessung von Gasströmungen mit einer Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht einer vorbestimmten Frequenz mit einer Laserlichtaustrittsoptik, mit einem Messkopf mit einer Empfangsvorrichtung zum Empfang von Streulicht und mit einer Analyseeinheit zur Analyse des empfangenen Streulichts.
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Aufgrund wissenschaftlicher oder industrieller Problemstellungen in Bereichen wie Verbrennungsprozessen im Kraftwerksbereich, Antriebserzeugung in Motoren und Triebwerken, Verfahren zur Prozesstechnik oder Kühlprozessen ist häufig die genaue Kenntnis der Temperaturverteilung einer Gasströmung erforderlich.
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Zur Erfassung der Temperaturverteilung in Gasströmungen sind diverse Messtechniken bekannt. Häufig wird ein Punktmessverfahren, das Thermosonden einsetzt, verwendet, über das die Temperatur in einem Punkt gemessen wird, wobei durch Verschieben der Sonde eine räumliche Information entlang der Sondenposition erhalten werden kann. Die Sonden befinden sich jedoch bei der Messung im Bereich der Gasströmung, so dass es zu einer Beeinflussung der physikalischen Eigenschaften der zu untersuchenden Strömungen am Messort selbst kommen kann. Daher ist ein derartiges Messverfahren häufig nachteilig. Ferner besteht die Gefahr, dass durch sehr heiße oder reaktive Strömungen der Sondenkörper zerstört wird.
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Es existieren ferner störungsfreie optische Messverfahren, die Oberflächentemperaturen messen können, die auf der Pyrometrie, Infrarot-Detektoren oder temperatursensitiven Farben basieren. Diese Verfahren liefern jedoch keine Temperaturinformationen im Strömungsvolumen. Ferner existieren faseroptische Temperatursonden, die den Rayleigh-, Raman- oder Brillouin-Streueffekt innerhalb einer Faser nutzen und somit nur die Temperaturmessung entlang der Faser ermöglicht.
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Schließlich existieren laseroptische Temperaturmessmethoden, wie Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF), kohärente Anti-Raman-Streuung (CARS) oder Rayleigh-Streuung, die jedoch in den bekannten Verfahren für die Sende- und Empfangsoptiken mindestens zwei optische Zugänge benötigen.
US 2003/0 048 831 A1 offenbart eine derartige optische Temperaturmessmethode.
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Aus der
DE 20 2011 110 039 U1 der Anmelderin ist ferner eine Messvorrichtung bekannt, die mehrere Zustandsgrößen einer Fluidströmung bestimmt, wobei diese Messvorrichtung mindestens vier optische Zugänge benötigt.
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Insbesondere bei der Vermessung von Gasströmungen, die eine sehr hohe Temperatur aufweisen, wie sie beispielsweise in Brennkammern im Kraftwerksbereich oder bei Motoren oder Triebwerken herrschen, ist es erforderlich, dass die Anzahl der Zugänge möglichst gering und klein gehalten und darüber hinaus die Gasströmung nicht beeinflusst wird.
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Ein berührungsloses Vermessen der Temperatur der Gasströmung mit nur einem Zugang zu der Gasströmung ist somit erstrebenswert.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Temperatursensorsystem zu schaffen, das von einfachem Aufbau ist und für die Temperaturmessung von Gasströmungen lediglich einen Zugang zu der Gasströmung benötigt.
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Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
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Bei einem optischen Temperatursensorsystem zur berührungslosen Temperaturmessung von Gasströmungen mit einer Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht einer vorbestimmten Frequenz mit einer Laserlichtaustrittsoptik, mit einem Messkopf mit einer Empfangsvorrichtung zum Empfang von Streulicht und mit einer Analyseeinheit zur Analyse des empfangenen Streulichts ist vorgesehen, dass die Laserlichtaustrittsoptik in dem Messkopf angeordnet ist und dass der Messkopf eine für die Laserlichtaustrittsoptik und die Empfangsvorrichtung gemeinsame Abbildungsoptik aufweist, wobei die Abbildungsoptik das Laserlicht auf ein Messvolumen fokussiert und durch das Laserlicht in dem Messvolumen erzeugtes Streulicht zu der Empfangsvorrichtung leitet.
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Durch die Integration der Laserlichtaustrittsoptik in dem Messkopf wird erreicht, dass lediglich ein Zugang für den Messkopf zu der Gasströmung geschaffen werden muss. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Bohrung in einer die Gasströmung begrenzenden Wandung erfolgen.
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Da der Messkopf eine für die Lichtaustrittsoptik und die Empfangsvorrichtung gemeinsame Abbildungsoptik aufweist, wird erreicht, dass das aus der Lichtaustrittsoptik auf das Messvolumen abgestrahlte Laserlicht in diesem fokussiert wird, so dass die Temperatur in einem vorgegebenen Messvolumen gemessen werden kann. Das Laserlicht wird von Molekülen in dem Messvolumen gestreut, wobei das somit erzeugte Streulicht über die Abbildungsoptik zu der Empfangsvorrichtung geleitet wird. Die Erfindung sieht vor, dass das in Rückwärtsrichtung zu der Strahlrichtung des Laserlichts gestreute Streulicht zu der Empfangsvorrichtung geleitet wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Messkopf sehr kompakt ausgestaltet werden kann, da die Laserlichtaustrittsoptik und die Empfangsvorrichtung nah beieinander in dem Messkopf positioniert werden können. Mit anderen Worten: Bei dem erfindungsgemäßen Messkopf ist verwirklicht, dass die Sende- und Empfangsoptik in einem Bauelement vereinigt sind.
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Durch die gemeinsame Abbildungsoptik für Laserlichtaustrittsoptik und die Empfangsvorrichtung wird erreicht, dass die Empfangsvorrichtung gezielt das in dem Messvolumen gestreute Streulicht empfangen kann, da das von der Abbildungsoptik zu der Empfangsvorrichtung geleitete Streulicht parallel zu dem aus der Laserlichtaustrittsoptik austretenden Laserlicht verläuft. Die Abbildungsoptik bildet somit eine konfokale Anordnung für das Laserlicht und das Streulicht.
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Das erfindungsgemäße Temperatursensorsystem ermöglicht die Untersuchung eines Messvolumens in einer Gasströmung, ohne dass diese beeinflusst wird. Die konfokale Anordnung für das Laserlicht und das Streulicht ermöglicht ein klar definiertes Messvolumen, wodurch seine sehr hohe räumliche Auflösung erzeugt werden kann. Durch einfaches Verschieben des Messkopfes oder der in dem Messkopf angeordneten Sensorik kann das Messvolumen in der Strömung ebenfalls verschoben werden, wobei durch die Anordnung der Laserlichtaustrittsoptik und der Empfangsvorrichtung in dem Messkopf diese gleichzeitig mitbewegt werden. Es muss somit keine weitere Anpassung der Sensorik für eine Temperaturmessung erfolgen, da das System einen festen Fokus besitzt. Die Verwendung einer gemeinsamen Abbildungsoptik hat darüber hinaus den Vorteil, dass bei dem auf das Messvolumen fokussierte Laserlicht und somit dem Sendesignal und bei dem zu der Empfangsvorrichtung geleiteten Streulicht und somit dem Empfangssignal eventuell durch die Abbildungsoptik hervorgerufene Fehler in gleicher Weise auftreten, so dass diese auf einfache Art und Weise berücksichtigt werden können.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Abbildungsoptik eine Abbildungslinse aufweist.
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Das Vorsehen einer Abbildungslinse ermöglicht die konfokale Anordnung der Sende- und Empfangsoptik auf besonders einfache Art und Weise. Die Abbildungsoptik kann somit sehr kompakt ausgebildet sein, so dass der gesamte Messkopf als kompaktes Bauelement gestaltet werden kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Brennweite der Abbildungslinse dem Abstand des Messkopfes von dem Messvolumen entspricht. Die Abbildungslinse ist somit an dem dem Messvolumen zugewandten Ende des Messkopfes angeordnet. Durch das Vorsehen einer Abbildungslinse, deren Brennweite dem Abstand des Messkopfes von dem Messvolumen entspricht, kann die Abbildungsoptik alleinig durch die Abbildungslinse ausgebildet werden, ohne dass weitere optische Elemente notwendig sind.
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Die Empfangsvorrichtung kann eine Empfangsoptik aufweisen. Auf diese Weise kann das von der Abbildungsoptik zu der Empfangsvorrichtung geleitete Streulicht in vorteilhafter Weise in die Empfangsvorrichtung eingeleitet werden. Dabei kann die Empfangsvorrichtung beispielsweise eine Sammellinse aufweisen. Da das in dem Messvolumen erzeugte Streulicht nach Auftreffen auf die Abbildungsoptik parallel zu dem auf die Abbildungsoptik auftretenden Laserlicht verläuft, kann mittels der Sammellinse in vorteilhafter Weise nur das Streulicht, das in dem Messvolumen hervorgerufen ist, in die Empfangsvorrichtung eingeleitet werden, indem die Sammellinse dieses Licht auf einen Eingang in die Empfangsvorrichtung fokussiert. Insbesondere können die Sammellinse und die Abbildungslinse koaxial angeordnet sein. Auch die Laserlichtaustrittsoptik kann koaxial zu der Abbildungslinse und der Sammellinse und zwischen den beiden Linsen angeordnet sein.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Laserlichtaustrittsoptik über eine erste Lichtleitfaser mit der Laserlichtquelle verbunden ist. Somit der Messkopf sehr kompakt ausgebildet sein, da die Laserlichtquelle, die üblicherweise relativ viel Platz benötigt, außerhalb des Messkopfes angeordnet sein kann. Auch kann vorgesehen sein, dass die Empfangsvorrichtung über eine zweite Lichtleitfaser mit der Analyseeinheit verbunden ist. Dies bewirkt, dass auch die Analyseeinheit außerhalb des Messkopfes angeordnet werden kann. Somit kann der Messkopf sehr kompakt ausgebildet werden, so dass der für das erfindungsgemäße Temperatursensorsystem benötigte optische Zugang zu der Gasströmung sehr klein gehalten werden kann.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Analyseeinheit ein Rayleighstreulichtsignal auswertet. Über das Rayleighstreulicht lässt sich in besonders vorteilhafter Weise die Temperatur in dem Messvolumen bestimmen. Bei dem erfindungsgemäßen Temperatursensorsystem, bei dem die Analyseeinheit das Rayleighstreulichtsignal auswertet, besteht ferner der Vorteil, dass durch die Auswertung des in der Rückwärtsstreurichtung gestreuten Streulichts keine Abhängigkeit der Intensität des Rayleighstreulichts von der Polarisationsrichtung des Laserlichts besteht. Dadurch sind die in vorbekannten Messverfahren notwendigen zusätzlichen Elemente, wie beispielsweise Polarisatoren oder Lambda/2-Platten zur Einstellung einer festen Polarisationsrichtung nicht notwendig. Darüber hinaus muss bei der Verwendung von Lichtleitfasern nicht darauf geachtet werden, dass polarisationserhaltene Lichtleitfaser verwendet werden.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Analyseeinheit einen Filter zum Filtern des empfangenen Streulichts aufweist. Der Filter kann beispielsweise als Absorptionszelle ausgebildet sein. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Filter die vorbestimmte Frequenz des Laserlichts aus dem empfangenen Streulicht filtert. Somit kann das Rayleighstreulicht von Störlicht aus Oberflächenreflexen oder Staubpartikelstreuung befreit werden, wodurch eine mittels des erfindungsgemäßen Temperatursensorsystems durchgeführte Messung robust gegenüber derartigen Störsignalen ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Messkopf eine Normierungsempfangseinheit und die Laserlichtaustrittsoptik einen Strahlteiler aufweist, wobei über den Strahlteiler ein Teil des Laserlichts auf die Normierungsempfangseinheit geleitet wird. Die Normierungsempfangseinheit kann beispielsweise eine Photodiode aufweisen. Dadurch kann die Genauigkeit einer mit dem Temperatursensorsystem gemessenen Temperatur erhöht werden, da die Sendeleistung der Laserlichtquelle normiert werden kann.
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Der Strahlteiler kann beispielsweise einen Reflektionsgrad von 1 bis 5% und einen Transmissionsgrad von 95 bis 99° aufweisen und beispielsweise als beschichtete Glasplatte ausgebildet sein.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Messkopf einen Druckmessausgang einer Druckmessvorrichtung aufweist. Die Druckmessvorrichtung kann ein herkömmliches Druckmessgerät sein, das in Fluidverbindung mit dem in dem Messkopf angeordneten Ausgang ausgebildet ist. Für die Analyse des empfangenen Streulichts ist es vorteilhaft, wenn unmittelbar an dem Ausgang des Messkopfes eine statische Druckmessstelle angeordnet ist, die durch den in dem Messkopf angeordneten Ausgang gebildet ist.
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Im Folgenden wird unter die Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Temperatursensorsystems,
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2 eine schematische Darstellung eines Messkopfes eines erfindungsgemäßen Temperatursensorsystems und
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3 eine Prinzipdarstellung des FRS-Verfahrens.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes optisches Temperatursensorsystem 1 schematisch dargestellt. Das optische Temperatursensorsystem dient zur berührungslosen Temperaturmessung von Gasströmungen 100.
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Das Temperatursensorsystem 1 weist eine Laserlichtquelle 3 und einen Messkopf 5 auf. Der Messkopf 5, der in 1 stark vergrößert dargestellt ist, beinhaltet eine Laserlichtaustrittsoptik 7 und eine Empfangsvorrichtung 9. Die Laseraustrittsoptik 7 ist über eine erste Lichtleitfaser 11 mit der Laserlichtquelle 3 verbunden.
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In der Laserlichtaustrittsoptik 7 wird das aus der ersten Lichtleitfaser 11 austretende Laserlicht durch eine Sammellinse kollimiert und in Richtung einer Abbildungsoptik 15 gestrahlt. Die Abbildungsoptik 15 besteht aus einer Abbildungslinse 17 und das Laserlicht 19 wird von der Abbildungslinse 17 auf ein in der Gasströmung 100 angeordnetes Messvolumen 110 fokussiert. Die Brennweite der Abbildungslinse 17 entspricht somit dem Abstand des Messkopfes 5 von dem Messvolumen 110.
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Das auf das Messvolumen 110 fokussierte Laserlicht 19 wird an Molekülen der Gasströmung 100 in dem Messvolumen 110 gestreut. Dabei entsteht in Rückwärtsrichtung der Strahlrichtung des Laserlichts 19 Streulicht 21, das wiederum auf die Abbildungsoptik 15 trifft. Das Streulicht 21 wird mittels der Abbildungsoptik kollimiert und zu der Empfangsvorrichtung 9 geleitet. Da nur das in dem Messvolumen 110 und somit in dem Fokus der Abbildungslinse 17 erzeugte Streulicht von der Abbildungsoptik 15 kollimiert wird, kann dieses in vorteilhafter Weise mit der Empfangsvorrichtung 9 empfangen werden. Dazu weist die Empfangsvorrichtung 9 eine Empfangsoptik 23 auf, die durch eine Sammellinse 25 gebildet sein kann.
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Das mittels der Empfangsvorrichtung 9 empfangene Streulicht wird über eine zweite Lichtleitfaser 27 zu einer Analyseeinheit 29 geleitet. In der Analyseeinheit 29 wird das empfangene Streulicht zur Temperaturbestimmung analysiert.
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Die erste Lichtleitfaser 11 kann beispielsweise eine single-mode-Faser sein zur besseren Fokussierung des Laserlichts. Die zweite Lichtleitfaser 27 kann beispielsweise eine multi-mode-Faser sein.
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Die optische Anordnung in dem Messkopf 5 bildet somit eine konfokale Anordnung für das Sende- und das Empfangssignal, so dass eine konfokale Abbildung erzeugt wird, bei der nur Streulicht aus dem Messvolumen in der Fokalebene der Abbildungslinse in die Empfangsvorrichtung 9 geleitet wird.
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In der Analyseeinheit 29 wird das empfangene, über die zweite Lichtleitfaser 27 zu der Analyseeinheit 29 geleitete Streulichtsignal zunächst über eine erste Linse 31 kollimiert und in einen Filter in Form einer Absorptionszelle 33 geleitet. Anschließend wird das gefilterte Signal durch eine zweite Linse 35 auf eine Photodiode 37 fokussiert. Die Photodiode 37 erzeugt ein elektrisches Messsignal, das an einen nicht dargestellten Auswertecomputer geleitet wird.
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Die Absorptionszelle 33 enthält einen molekularen Dampf, wobei das Transmissionsminimum einer Absorptionslinie des molekularen Dampfes in dem Bereich der von der Laserlichtquelle 3 erzeugten Laserlichts liegt. Bei dem Durchleiten des Streulichtsignals durch die Absorptionszelle 33 wird das spektrale Profil des Streulichtsignals von den überlagerten Störsignalen, wie Mie-Streulicht an Staubpartikeln oder geometrische Reflexe an Oberflächen, befreit. Somit gelangen lediglich die Anteile des spektralen Profils außerhalb des Absorptionsbereiches einer Absorptionslinie der Absorptionszelle 33 aus der Absorptionszelle 33 zu der zweiten Linse 35. Die Auswertung des Signals, das FRS-Verfahren (Filtered Rayleigh Scattering) genannt wird, wird anhand der Prinzipdarstellung in 3 gezeigt.
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Die Laserlichtquelle 3 kann beispielsweise Laserlicht mit einer Wellenlänge von 532 nm erzeugen, so dass die Betriebsfrequenz der Laserlichtquelle 3 mit der Lage einer Absorptionslinie des Moleküls-Jod zusammenfällt. In der Absorptionszelle 33 kann daher beispielsweise Joddampf enthalten sein.
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Der Messkopf 5 kann ferner eine Normierungsempfangseinheit 39 aufweisen, auf die ein Teil des Laserlichts gestrahlt wird. Dazu weist die Laserlichtaustrittsoptik 7 einen Strahlteiler 41 auf, der einen kleinen Anteil des Laserlichts auf die Normierungsempfangseinheit 39 reflektiert. Der Strahlteiler 41 kann beispielsweise eine beschichtete Glasplatte sein. Die Normierungsempfangseinheit 39 kann beispielsweise eine Photodiode aufweisen, die ein Signal an den Auswertecomputer leitet. Auf diese Weise lässt sich das Laserlicht 19 leistungsnormieren.
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Das Temperatursensorsystem 1 kann ferner eine Druckmessvorrichtung 43 aufweisen, die einen Druckmessausgang 45 in dem Messkopf 5 aufweist. Dadurch kann eine statische Druckmessstelle unmittelbar an dem Ausgang des Messkopfes 5 platziert werden. Der Druckmessausgang 45 kann beispielsweise über einen Schlauch mit einer Auswerteeinheit der Druckmessvorrichtung 43 verbunden sein.
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Die über die Druckmessvorrichtung 43 gemessenen Druckwerte sowie die über die Normierungsempfangseinheit 39 ermittelten Leistungswerte können ebenfalls zu dem Auswertecomputer geleitet werden, wodurch eine sehr genaue Temperaturberechnung möglich ist.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung des Messkopfes 5 bewirkt, dass dieser sehr kompakt ausgebildet sein kann, wodurch der optische Zugang zu der Gasströmung 100 sehr klein gehalten werden kann. Darüber hinaus ist lediglich ein einziger optischer Zugang zu der Gasströmung 100 für die Temperaturmessung notwendig.
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Die Abbildungslinse 17, die Laserlichtaustrittsoptik 7 und die Sammellinse 25 sind koaxial zueinander angeordnet, wobei die Laserlichtaustrittsoptik 7 zwischen der Sammellinse 25 und der Abbildungslinse 17 liegt. Dadurch wird in dem auf die Sammellinse 25 gestrahlten Streulichtsignal durch die Laserlichtaustrittsoptik 7 ein Schatten gebildet, der sich jedoch lediglich auf die Intensität des empfangenen Signals auswirkt.
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In 2 ist der Messkopf 5 eines erfindungsgemäßen Temperatursensorsystems schematisch in einer Messöffnung 120 einer die Gasströmung umgebenden Wandung 130 dargestellt. Durch eine lineare Verschiebung des Messkopfes innerhalb der Messöffnung 120 kann der Fokuspunkt der Abbildungslinse, wie durch die Pfeile angedeutet ist, verschoben werden, wodurch auch das Messvolumen 110 verschoben wird. Dadurch können Temperaturwerte entlang einer die Gasströmung 100 durchquerenden Linie bestimmt werden.
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Die Messöffnung 120 kann beispielsweise durch ein Fenster 140 zu der Gasströmung 100 hin verschlossen sein.
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Dadurch, dass die Empfangsvorrichtung und die Laserlichtaustrittsoptik beide in dem Messkopf 5 angeordnet sind und somit bei dem Verschieben des Messkopfes 5 mitbewegt werden, ist keine Anpassung der Sendeeinheit des Laserlichts und der Empfangseinheit des Streulichts aneinander notwendig, so dass nach dem Verschieben des Messkopfes unmittelbar eine Temperaturmessung erfolgen kann. Dadurch ist das erfindungsgemäße Temperatursensorsystem in besonders vorteilhafter Weise einsetzbar.
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Das erfindungsgemäße Temperatursensorsystem ist insbesondere geeignet, um in allgemeinen gekapselten technischen Strömungen entlang einer Linie die Temperaturwerte der Strömungsgase berührungslos zu bestimmen. Technische Strömungen können z. B.
- – die Innenströmung eines Automobilzylindermotors,
- – die Innenströmung eines Flugzeugtriebwerks,
- – das aus der Brennkammer tretende Abgas einer stationären Gasturbinenbrennkammer,
- – die Luftströmung eines Windkanals,
- – die Innenströmung von Heizungs-/Lüftungs-/Klimaanlagen,
- – die technische Strömung von Maschinen zur Verfahrens- und Prozesstechnik, wie beispielsweise bei der Pulverherstellung, pneumatischen Förderung, Syntheseprozesse, Trocknung, Verdampfung, Destillation usw.
sein.
