DE19809791C1 - Verfahren zum ortsaufgelösten Messen der Temperatur in einem Medium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum ortsaufgelösten Messen der Temperatur in einem eine thermische Eigenstrahlung emittierenden Medium.

Aus EP 0 283 047 A2 kennt man bereits ein holografisches Verfahren zur ortsaufgelösten Bestimmung der Temperatur in einem Gas. Bei diesem Verfahren werden von dem zu untersuchenden Gas zwei Differenzhologramme aufgenommen, indem für jedes dieser Differenzho­ logramme jeweils auf einer Fotoplatte im Doppelbelichtungsverfahren zwei holografische Abbildungen des zu untersuchenden Gases überlagert werden. Dabei werden als Lichtquelle für die beiden überlagerten holografischen Abbildungen Laser unterschiedlicher Frequenz verwendet, deren Licht jeweils von dem zu untersuchenden Gas absorbiert wird. Aus den Differenzhologrammen wird dann jeweils durch tomografische Rekonstruktion die Dichtedifferenz in dem Gas ortsaufgelöst ermittelt. Der Quotient der gemessenen Dichtediffe­ renzen erlaubt dann die ortsaufgelöste Bestimmung der Temperatur in dem Gas auf numerischem Wege. Dieses Verfahren hat sich jedoch in der Praxis als relativ aufwendig erwiesen, da für die Bestimmung der Temperaturverteilung in dem Gas jeweils zwei Differenz­ hologramme angefertigt und ausgewertet werden müssen.

Es ist auch bereits ein Verfahren bekannt, bei dem ein zu untersuchendes Gas mittels ultravioletter, sichtbarer oder infraroter Strahlung unter verschiedenen Winkeln durchstrahlt und aus der Projektion dieser Strahlung die Absorption und/oder die Dichte des Gases ortsaufgelöst in einer Ebene rekonstruiert wird. Bei diesem Verfahren ist jedoch eine Temperaturbestimmung in dem Gas nur bei genauer Kenntnis der Molekulardaten möglich. Diese liegen jedoch meistens nicht vor.

Auch bei dem aus US 4,790,652 bekannten Absorptions-Meßverfahren, bei dem ein zu untersuchendes gasförmiges Medium mit einer breitbandigen optischen Strahlung durchstrahlt wird, ist zur .Bestimmung der Temperatur in dem Medium die Kenntnis von Molekular­ daten erforderlich.

Aus DE 25 44 544 A1 ist ferner ein Verfahren zur Messung einer Gastemperatur bekannt, bei dem Gasatome mittels eines elektro­ magnetischen Prüfstrahls vom Grundzustand in einen angeregten Zustand angehoben werden, von dem aus temperaturbedingte Übergänge zu höheren Anregungsstufen auftreten, die beim anschließenden Zerfall Strahlung freisetzen. Diese wird unter einem Winkel zur Einstrahlrichtung des Prüfstrahls gemessen, um an der Stelle, an der sich Einstrahl­ richtung und Beobachtungsrichtung kreuzen, die Temperatur zu bestimmen. Das vorbekannte Verfahren ermöglich nur eine punktförmige Temperaturmessung.

Bei dem aus US 4,428,058 bekannten 2-Wellenllängen-Temperaturmeß­ verfahren wird ein Medium mit elektromagnetischer Strahlung durchstrahlt, wobei Meßwerte für die durch das Medium bewirkte Absorption der Strahlung und für die Emission des Mediums für wenigstens zwei Wellenlängen bestimmt werden. Aus den Meßwerten wird dann die Temperatur in dem Medium errechnet. Das Verfahren ermöglicht jedoch keine ortsaufgelöste Temperaturmessung.

Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, das eine vereinfachte ortsaufgelöste Messung der Temperatur in einem eine thermische Eigenstrahlung emittierenden Medium ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß das Medium entlang von sich in diesem kreuzenden, im wesentlichen in einer Meßebene angeordneten Meßpfaden jeweils mit einem optischen Prüfstrahl durchstrahlt wird, wobei zeitlich nacheinander für jeden Meßpfad jeweils die Absorption und die thermische Eigenstrahlung des Mediums gemessen werden, indem bei zugeschaltetem Prüfstrahl die Schwächung des Prüfstrahls beim Durchgang durch das Medium und bei unter­ brochenem oder zumindest intensitätsreduziertem Prüfstrahl die von dem Medium in Richtung des Meßpfades abgestrahlte thermische Eigenstrahlung gemessen wird, und wobei aus den Meßwerten für die Absorption und die Eigenstrahlung des Mediums die ortsaufgelöste Temperatur in der Meßebene mit einem Tomografie-Verfahren rekonstruiert wird.

Erfindungsgemäß wird also das Absorptions-Tomografieverfahren mit einem Emissions-Tomografieverfahren kombiniert. Dadurch kann auf einfache Weise unmittelbar aus den Meßdaten die räumliche Temperatur- und/oder Konzentrationsverteilung in dem Medium ermittelt werden, ohne daß es dazu der Kenntnis atomarer bzw. molekularer Daten des zu untersuchenden Mediums oder der Spezies bedarf. Insgesamt ergibt sich also ein Verhältnisverfahren, mit dem Temperatur- und Absorptions- bzw. Dichteverteilungen unmittelbar und mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung ermittelt werden können. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Absorption oder die Emission eines Mediums beispielsweise im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Bereich quasi simultan bestimmt werden. Das Verfahren eignet sich auch für eine ortsaufgelöste Tempera­ turmessung in Niederdruck- und Hochdruckvorgängen. So können beispielsweise Temperaturfelder im Verbrennungsraum eines Motors unter hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung gemessen und gegebenenfalls visualisiert werden. Da das Verfahren sowohl ortsaufgelöste Temperatur- als auch Konzentrations-Meßwerte einer in dem Medium enthaltenen Spezies liefert, können wertvolle Informationen über den Ablauf von Verbrennungsvorgängen, beispiels­ weise in Verbrennungsmotoren gewonnen werden.

Erwähnt werden soll noch, daß bei der Messung der Emission die von dem Medium selbst ausgesendete Strahlung ausgenutzt wird. Dadurch kann auf eine künstliche Anregung des Mediums verzichtet werden.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die Prüfstrahlen zum wechselweisen Messen der Absorption und der Eigenstrahlung des Mediums periodisch unterbrochen und/oder in ihrer Intensität verändert werden. Dadurch ist es möglich, den zeitlichen Verlauf der Temperatur in dem Medium ortsaufgelöst zu ermitteln. So können beispielsweise der Temperatur­ verlauf und die Konzentrationsverteilung im Brennraum eines Otto- Motors in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel bzw. zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines einzigen motorischen Zyklus mit dem Verfahren gemessen werden.

Die vorstehend genannte Aufgabe kann bei einem Verfahren der eingangs genannten Art auch dadurch gelöst werden, daß gleichzeitig die Absorption und die thermische Eigenstrahlung des Mediums gemessen werden, indem das Medium entlang von sich in diesem kreuzenden, im wesentlichen in einer Meßebene angeordneten Absorptions-Meßpfaden mit Prüfstrahlen durchstrahlt wird, und für jeden Absorptions-Meßpfad die Absorption durch Messen der Schwächung der Intensität des Prüfstrahls beim Durchgang durch das Medium ermittelt wird, und indem die von dem Medium in Richtung von im wesentlichen in der Meßebene angeordneten, sich in dieser kreuzenden und von den Absorptions-Meßpfaden abweichenden Emissions-Meßpfaden abgestrahlte thermische Eigenstrahlung gemessen wird, und wobei aus den Meßwerten für die Absorption und die Eigenstrahlung des Mediums die ortsaufgelöste Temperatur in der Meßebene mit einem Tomografie­ verfahren rekonstruiert wird.

Die Absorptions- und die Emissions-Meßpfade sind also versetzt zueinander angeordnet, beispielsweise derart, daß sie unter einem Winkel etwas gegeneinander geneigt und/oder etwas seitlich voneinander beabstandet sind. Die Absorptions- und Emissions-Meßpfade durchlaufen somit in dem zu untersuchenden Medium unterschiedliche Teilvolumina. Dabei wird davon ausgegangen, daß in den von einander zugeordneten Absorptions- und Emissions-Meßpfaden jeweils durchlaufenen Teilvolumina im Meßzeitpunkt keine nennenswerten Unterschiede hinsichtlich der Absorption und der Emission des Mediums vorhanden sind. Dies kann dadurch erreicht werden, daß einander zugeordnete Absorptions- und Emissions-Meßpfade räumlich dicht zueinander benachbart angeordnet werden. Das Verfahren ermöglicht also eine gleichzeitige Messung von Absorption und Emission und somit der Temperatur- und Dichteverteilung in dem Medium und eignet sich deshalb insbesondere zum Untersuchen schnell ablaufender thermischer Vorgänge. Im übrigen entsprechen die Vorteile des Verfahrens im wesentlichen denen des Verfahrens nach Patent­ anspruch 1.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß zum Kalibrieren der zu messenden Temperatur anstelle des Mediums ein Kalibrierstrahler mit einer bekannten schwarzen Referenz­ temperatur in der Meßebene angeordnet wird. Die von dem Kalibrier­ strahler abgegebene schwarze Strahlung wird dann in der gleichen Weise gemessen, wie die Eigenstrahlung des Mediums. Mit dem durch den Kalibriervorgang erhaltenen Emissions-Meßwert kann dem für die Messung verwendeten Prüfstrahl eine schwarze Temperatur zu­ geordnet werden. Mittels der Strahlungesetze von Kirchhoff und Wien läßt sich dann direkt die Temperatur aus den für das Medium ermittelten Absorptions-Meßwerten beispielsweise in Kelvin oder Grad Celsius bestimmen.

Bei einem Medium, das nur eine sehr geringe Eigenemission aufweist, ist es vorteilhaft, wenn dem Medium zum Verbessern der thermischen Eigenstrahlung wenigstens ein thermisch anregbarer Stoff beigefügt wird. Das Verfahren kann dadurch auch bei Medien mit geringer Eigenstrahlung angewendet werden. So kann beispielsweise zur Temperaturmessung im Brennraum eines Otto-Motors dem Verbrennungs­ gemisch eine sehr geringe Konzentration eines Kalium-Emitters beigefügt werden, um eine Emissionsmessung im Bereich der Kalium- Resonanzlinie bei 766,5 Nanometern durchzuführen. Dabei liegt die Konzentration des Kalium-Emitters in dem Verbrennungsgemisch im Bereich natürlicher Natrium-Verunreinigungen, so daß ein Einfluß des Kalium-Zusatzes auf den Verbrennungsablauf ausgeschlossen werden kann.

Besonders vorteilhaft ist, wenn zum Ermitteln der Absorption des Mediums entlang der Meßpfade die Austrittsintensität des Prüfstrahls nach dem Durchlaufen des Meßpfades zeitlich nacheinander einerseits bei in dem Meßpfad angeordnetem, thermisch aktivem Medium und andererseits bei aus dem Meßpfad entfernten oder thermisch inaktivem Medium gemessen wird. Die Absorption des Prüfstrahls kann dadurch auf einfache Weise mittels eines einzigen optischen Sensors, beispielsweise eines Fotomultipliers ermittelt werden.

Vorteilhaft ist, wenn mehrere Prüfstrahlen durch Strahlteilung aus einem Laserstrahl gewonnen werden. Dadurch können auf einfache Weise eine Vielzahl von Prüfstrahlen aus einem entsprechend energiereichen Laserstrahl bereitgestellt werden.

Zweckmäßigerweise wird die Prüfstrahlung mittels flexibler Lichtleiter an das zu untersuchende Medium heran- und/oder von diesem weggeführt. Das Meßverfahren kann dadurch bei Messungen an Vorrichtungen, die mechanische Schwingungen aufweisen, wie beispielsweise Verbrennungsmotoren, besser angewendet werden. Dabei wird die Strahlungsquelle für die Prüfstrahlung und ein ggfs. vorhandener Strahlteiler und/oder ein Strahlungsdetektor von der zu untersuchenden Vorrichtung mechanisch entkoppelt angeordnet, wobei Relativbewegungen zwischen der Strahlungsquelle bzw. dem Strahlungsdetektor und der Vorrichtung durch die Lichtleiter ermöglicht werden.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen zum Teil stärker schematisiert:

Fig. 1 einen Querschnitt durch die Meßebene einer Lasertomografie-Vorrichtung zum Messen des örtlichen und zeitlichen Verlaufs von Temperatur und Dichte im Verbrennungsraum eines Motors,

Fig. 2 eine Vorrichtung zur kombinierten Emissions-Absorptions­ messung mit periodischer Prüfstrahlunterbrechung zur ortsaufgelösten Ermittlung der Temperatur im Brennraum eines Motors, wobei vereinfacht nur ein einziger Strahlengang dargestellt ist,

Fig. 3 eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Temperaturmessung im Brennraum eines Motors, wobei die Meßpfade für die Absorptions- und die Emissionsmessung in dem Brennraum räumlich getrennt voneinander angeordnet sind,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Strahlungsintensität einer aus dem Brennraum nach Fig. 2 in Richtung eines Meßpfades austretenden Strahlung, während des Verbrennungsvorganges im Motor,

Fig. 5 eine teilweise Darstellung einer Laser-Tomografievor­ richtung, die mit einem Kalibrierstrahler auf eine Referenztemperatur kalibriert wird,

Fig. 6 eine grafische Darstellung der mit der Laser-Tomografie­ vorrichtung nach Fig. 2 oder 3 gemessenen Strahlungs­ intensität eines Kalibrierstrahlers und eines Lasers, wobei auf der Abszisse der Kehrwert der schwarzen Temperatur und auf der Ordinate die normierte Strahlungs­ intensität in logarithmischer Darstellung aufgetragen sind,

Fig. 7 eine grafische Darstellung der Intensität als Funktion der Wellenlänge für zwei verschiedene Farbstofflaser und die Kalium-Linie sowie die Durchlaßkurve eines Linienfil­ ters,

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine zwischen Motorblock und Zylinderkopf eines Motors angeordnete Fensterplatte, mit der Einstrahl- und Empfängersonden lösbar verbunden sind,

Fig. 9 einen Schnitt durch die Mittelebene der in Fig. 8 gezeigten Einstrahlsonde und

Fig. 10 einen Schnitt durch die Mittelebene der in Fig. 8 gezeigten Empfängersonde.

Bei einem Verfahren zum ortsaufgelösten Messen der Temperatur in einem eine thermische Eigenstrahlung emittierenden, im Brennraum eines Verbrennungsmotors angeordneten Mediums 1 wird das Medium 1 entlang von sich kreuzenden, im wesentlichen in einer Meßebene 2 angeordneten Meßpfaden 3 jeweils mit einem optischen Prüfstrahl durchstrahlt (Fig. 1 und 2). Dabei wird zeitlich nacheinander für jeden Meßpfad 3 jeweils die Absorption und die thermische Eigenstrahlung des Mediums 1 gemessen, indem bei zugeschaltetem Prüfstrahl die Schwächung der Intensität des Prüfstrahls beim Durchgang durch das Medium 1 und bei unterbrochenem Prüfstrahl die von dem Medium 1 in Richtung des Meßpfades 3 abgestrahlte thermische Eigenstrahlung gemessen wird. Aus den Meßwerten für die Absorption und für die Eigenstrahlung des Mediums 1 wird die Temperatur in der Meßebene ortsaufgelöst mit einem Tomografieverfahren rekon­ struiert. Entsprechend kann auch die Absorptions- und/oder Dichteverteilung in dem Medium 1 tomografisch rekonstruiert werden.

Wie aus Fig. 1 erkennbar ist, wird die zum Durchstrahlen der Meßpfade 3 verwendete Prüfstrahlung aus dem Laserstrahl 4 eines Lasers 5 abgeleitet. Zum periodischen Ein- oder Ausschalten der Prüfstrahlen wird der Laserstrahl 4 mit einem akustooptischen Koppler 6 moduliert. Anschließend wird der Laserstrahl 4 mit einer Strahlteilervorichtung 7 in mehrere Lichtleiterbündel 8 eingekoppelt, die jeweils mehrere Lichtleiter aufweisen.

Die Lichtleiterbündel 8 führen jeweils zu einer Einstrahlsonde 9, die an einer den Brennraum des Motors umgrenzenden, zwischen Motorblock und Zylinderkopf befindlichen Fensterplatte 10 angeordnet sind. Mittels der Einstrahlsonde 9 wird aus den Lichtleiter­ bündeln 8 jeweils eine der Anzahl der darin enthaltenen Lichtleiter entsprechende Anzahl etwa parallel zueinander verlaufender und in der Meßebene 2 angeordneter Prüfstrahlen in das Medium 1 eingekop­ pelt, mit denen dieses entlang der Meßpfade 3 durchstrahlt wird. Zur Vermeidung von Interferenzen weist die Einstrahlsonde 9 eine in dem Strahlengang des Prüfstrahls angeordnete Streuscheibe 24 auf. Dieser ist in Einstrahlrichtung eine Fokussieroptik 25 nachgeschaltet, die den Prüfstrahl auf einen in dem Medium 1 befindlichen Meßort abbildet.

Für den Eintritt der Prüfstrahlen in den Brennraum des Motors und für deren Austritt aus dem Brennraum sind an der Fensterplatte 10 optische Fenster 11 vorgesehen.

Wie aus Fig. 1 deutlich erkennbar ist, wird das Medium 1 in der Meßebene 2 unter verschiedenen Winkeln jeweils mit mehreren Prüfstrahlen durchleuchtet. Dadurch ergeben sich in dem Medium 1 eine Vielzahl von Kreuzungsstellen, die jeweils von zwei oder mehr Prüfstrahlen gleichzeitig durchstrahlt werden. Die aus dem Medium 1 austretenden Prüfstrahlen werden zum Messen ihrer Strahlungs­ intensität mit einer eine Abbildungsoptik 12 aufweisenden Empfängersonde 13 jeweils auf einen Fotomultiplier 14 projiziert. Dabei ist für Prüfstrahlen, welche das Medium 1 in derselben Richtung durchlaufen jeweils eine gemeinsame Abbildungsoptik 12 vorgesehen.

Die aus dem Medium 1 austretenden Prüfstrahlen durchlaufen jeweils einen Linienfilter 15, der zwischen dem Medium 1 und dem Fotomulti­ plier 14 angeordnet ist. Die Durchlaßkurve 16 des Linienfilters 15 ist auf eine Absorptions- bzw. Emissionswellenlänge des Mediums 1 abgestimmt. In Fig. 7 ist deutlich erkennbar, daß die Durchlaßkurve 16 und somit die spektrale Detektionsbreite der Strahldichtemessung im wesentlichen dem wellenlängenabhängigen Intensitätsverlauf der Kalium-Linie 17 entspricht. Die spektrale Breite der Prüfstrahlung sollte immer größer oder mindestens gleich der spektralen Breite der untersuchten Eigenstrahlung sein, da die Breite der spektralen Detektion, die durch den Linienfilter 15 vorgegeben wird, oft nicht auf oder unter die spektrale Breite der untersuchten Eigenstrahlung - hier die Kalium-Linie - eingeschränkt werden kann. In diesem Fall ist es notwendig, die gesamte Durchlaßbreite des Filters 15 mit der Hintergrundstrahlung des Prüfstrahls spektral zu überdecken.

Der Effekt einer zu geringen Spektralbreite der Prüfstrahlung kann aber auch rechnerisch berücksichtigt werden, wenn die spektrale Breite und Form der untersuchten Resonanzstrahlung des Mediums 1 bekannt sind. In dem Beispiel nach Fig. 7 wird die spektrale Detektionsbreite durch das Linienfilter 15 auf die untersuchte Eigenstrahlung (hier: Kalium-Linie 17) eingestellt und soweit wie möglich spektral eingeschränkt. Wie aus Fig. 7 erkennbar ist, ist die durch die Durchlaßkurve 16 des Linienfilters 15 vorgegebene spektrale Detektionsbreite kleiner als die Breite der Kalium-Linie 17. Um zumindest die Breite der Kalium-Linie 17 zu überdecken, wird der Frequenzgang des Laserstrahls 4 mittels eines Lyotfilters verbreitert. In Fig. 7 ist beispielhaft der Frequenzgang 18 für die mittels 1-Platten-Lyotfilter und der Frequenzgang 19 für die mittels 3-Platten-Lyotfilter verbreiterte Laserstrahlung wiederge­ geben.

Fig. 4 zeigt den Signalverlauf eines der Fotomultiplier 14 vor und während eines in dem Brennraum des Motors ablaufenden Verbrennungs­ prozesses. Deutlich ist erkennbar, daß der Prüfstrahl periodisch ein- und ausgeschaltet wird. Vor Beginn des Verbrennungsprozesses (in Fig. 4 links) herrscht in dem in dem Brennraum befindlichen Medium 1 noch eine vergleichsweise niedrige Temperatur. Demgemäß strahlt das Medium 1 praktisch keine Eigenstrahlung ab und weist nur eine sehr geringe Absorption für die Prüfstrahlung auf. Der Prüfstrahl wird deshalb nahezu vollständig durch das Medium 1 transmittiert. Während der Einschaltdauer des Prüfstrahls entspricht deshalb das Meßsignal des an der Ausstrahlseite des Mediums 1 angeordneten Fotomultipliers 14 der Eintrittsintensität L_λ,1 des in das Medium 1 eingekoppelten Prüfstrahls.

Während des Verbrennungsprozesses (Fig. 4 Mitte und rechts) strahlt das Medium 1 aufgrund der dann erhöhten Temperatur in dem Detektionsbereich thermische Eigenstrahlung ab. Die Emissions­ intensität L_λ,3 resultiert bei unterbrochenem Prüfstrahl in einem Meßsignal an dem Fotomultiplier 14. Bei eingeschaltetem Prüfstrahl addiert sich zu der thermischen Eigenstrahlung des Mediums 1 die durch das Medium 1 transmittierte Prüfstrahlung. Die Austritts­ intensität L_λ,2 des Prüfstrahls nach dem Durchlaufen des Mediums 1 entspricht deshalb dem Signalunterschied an dem Fotomultiplier 14 zwischen unmittelbar zueinander benachbarten Einschalt- und Unterbrechungsphasen des Prüfstrahls. Aus den Intensitäten L_λ,1, L_λ,2 und L_λ,3 läßt sich die Absorption entlang eines Meßpfades 3 nach der Formel (L_λ,1 - L_λ,2)/L_λ,1 errechnen.

In Fig. 4 ist die Einschaltdauer des Prüfstrahls mit t_e und die Unterbrechungsdauer mit t_u gekennzeichnet. Diese Zeitdauern können beispielsweise jeweils etwa eine Microsekunde betragen. Der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden und einander zugeordneten Absorptions- und Emissionsmessungen ist so gewählt, daß sich in diesem Zeitraum keine nennenswerten Unterschiede hinsichtlich der Absorption und der Emission des Mediums 1 in dem Detektionsbereich ergeben.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 werden die Absorption und die thermische Eigenstrahlung des Mediums 1 gleichzeitig gemessen. Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 wird dazu das Medium 1 entlang von sich in diesem kreuzenden, im wesentlichen in einer Meßebene 2 angeordneten Absorptions-Meßpfaden 3' mit Prüfstrahlen durchstrahlt. Für jeden Prüfstrahl wird dann zunächst die Intensität L_λ,1 beim Eintritt in den Brennraum mit dem an der Prüfstrahl-Austrittseite des Brennraums angeordneten Fotomultipliers 14 bei thermisch inaktivem oder aus dem Brennraum entfernten Medium 1 indirekt gemessen. Während des zu untersuchenden, in dem Brennraum ablaufenden Verbrennungsvorgangs, wird mit dem Fotomultiplier 14 die Austrittsintensität L_λ,2 nach dem Durchlaufen des Prüfstrahls durch das Mediums 1 gemessen.

Die Intensität L_λ,3 der thermischen Eigenstrahlung des Mediums 1 wird in Richtung von im wesentlichen in der Meßebene 2 an­ geordneten, sich in dieser kreuzenden und von den Absorptions- Meßpfaden 3' abweichenden Emissions-Meßpfaden 3" gemessen. Die von einander zugeordneten Absorptions-Meßpfaden 3' und Emissions- Meßpfaden 3" jeweils durchsetzen Teilvolumina sind so dicht zueinander benachbart angeordnet, daß davon ausgegangen werden kann, daß in diesen Teilvolumina keine nennenswerten Unterschiede hinsichtlich der Absorption bzw. der Emission des Mediums 1 in dem Detektionsbereich auftreten.

Wie aus Fig. 3 erkennbar ist, werden die aus dem Medium 1 austretenden Meßpfade 3', 3" mit der Abbildungsoptik 12 nach dem Durchlaufen eines Neutralfilters 20 und des Linienfilters 15 auf eine Projektionsfläche 21 projiziert. Der Absorptions-Meßpfad 3' und der Emissions-Meßpfad 3" sind etwas geneigt zueinander angeordnet, so daß deren Projektionen auf der Projektionsfläche 21 räumlich voneinander beabstandet sind und mittels Lichtleitern 22 zu getrennten Fotomultipliern 14' bzw. 14" geführt werden können. Mit dem Fotomultiplier 14" kann die von dem Medium entlang des Emissions-Meßpfades 3" abgestrahlte thermische Strahlung weitestgehend unabhängig von dem Prüfstrahl des Meßpfades detektiert werden. Entsprechend liefert der Fotomultiplier 14' das Summensignal aus der Prüfstrahlung und der thermischen Eigenstrahlung des Mediums 1. Somit kann mit der Vorrichtung nach Fig. 3 gleichzeitig die Emission und die Absorption in dem Medium 1 gemessen werden.

Aus den Meßdaten für die Eintrittsintensität L_λ,1, die Austritts­ intensität L_λ,2 und die Emissionsintensität L_λ,3 läßt sich nach den Strahlungsgesetzen von Kirchhoff und Planck bzw. Wien direkt die Temperatur ermitteln. Aus der tomografischen Rekonstruktion der mit vielen Strahlen gewonnenen Absorptions- und Emissionsdaten ergibt sich zeitlich und örtlich aufgelöst das Temperaturfeld im untersuchten Teilvolumen des durchstrahlten Mediums 1.

Zum Kalibrieren der zumessenden Temperatur-Meßwerte wird anstelle des Mediums 1 ein Kalibrierstrahler 23, zum Beispiel eine Wolframbandlampe in dem Brennraum oder dem Meßvolumen angeordnet, was in Fig. 5 schematisch dargestellt ist.

Fig. 6 zeigt eine graphische Darstellung der Strahlungs­ intensität als Funktion der schwarzen Temperatur in Wienscher Nährung unter Verwendung realer Meßdaten. Aus den Meßgrößen Eintritts­ intensität L_λ,1 Austrittsintensität L_λ,2 und Emissionsintensität L_λ,3 wird mittels der Strahlungsgesetze von Kirschhoff und Wien direkt die Temperatur des Mediums 1 gemäß der in Fig. 6 angegebenen Formel ermittelt. Der hierfür benötigte Zusammenhang zwischen der Emissionsintenstät L_λ,3 mit der schwarzen Temperatur S_λ ergibt sich aus der Kalibrierung des Meßpfads 3, 3" beziehungsweise des Detektionsstrahlenganges mit dem Kalibrierstrahler 23.

Die Arrhenius-Darstellung zeigt den in Wienscher Nährung linearen Zusammenhang zwischen dem natürlichen Logarithmus der Strahlungs­ intensität L_λ und dem Kehrwert der schwarzen Temperatur S_λ mit der bekannten Steigung c_2/λ. Es kommt bei der Kalibrierung also nur auf die Bestimmung einer durch die Geometrie der Optik bedingten, prinzipiell sogar berechenbaren Proportionalitätskonstante an. Der Strahldichte des Prüfstrahls beziehungsweise des Laserstrahls 4 läßt sich eine schwarze (Wiensche) Temperatur S_λ, Laser zuordnen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 sind am Umfang der Fensterplatte 10 verteilt mehrere, jeweils einander zugeordnete Einstrahlsonden 9 und Empfängersonden 13 angeordnet, die lösbar mit der Fensterplatte 10 verbunden sind. Ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, sind mehrere sich kreuzende, im wesentlichen in einer Meßebene angeordnete Meßpfade 3 vorgesehen.

Die Empfängersonden 13 und die Einstrahlsonden 9 der in Fig. 8 gezeigten Anordnung sind in Fig. 9 und 10 detailliert dargestellt. Deutlich ist erkennbar, daß die die Einstrahlsonde 9 und die Empfängersonde 13 jeweils als Hohlsonde ausgebildet sind. Diese weist ein im wesentlichen etwa zylindrisches Sondengehäuse 26 mit einer Innenhöhlung 27 auf, die in Gebrauchsstellung den optischen Zugang zu dem Medium 1 bildet. An ihrem in Gebrauchsstellung dem Meßvolumen bzw. dem Medium 1 zugewandten Ende ist in die Innenhöhlung 27 das optische Fenster 11 eingesetzt, welches die Innenhöhlung 27 gasdicht gegen das Medium abdichtet und somit das Eindringen von Schmutz in die Innenhöhlung 27 verhindert.

An ihrem dem Fenster 11 abgewandten rückseitigen Ende haben die Einstrahlsonde 9 und die Empfängersonde 13 jeweils einen Steck- Anschluß für einen zu dem Laser 5 oder dem Fotomultiplier 14, 14', 14" führenden, lösbar mit der Sonde 9, 13 verbindbaren Gradienten­ index-Lichtleiter 22, der an seinem dem Sondengehäuse 25 zugewandten Ende einen Kollimator 28 aufweist. Zwischen dem optischen Fenster 11 und dem Kollimator 28 ist eine Linse als Abbildungsoptik 12, 25 im Strahlengang angeordnet.

Zur Beseitigung der Kohärenz in die Einstrahlsonde 9 eingekoppelten Laserlichts befindet sich im Strahlengang zwischen der Abbildungs­ optik 25 und dem Kollimator 28 die Streuscheibe 24.

An seinem in Gebrauchsstellung dem Medium 1 zugewandeten Ende weisen die Einstrahlsonde 9 und die Empfängersonde 13 an ihrem Außenumfang jeweils ein Außengewinde 29 auf, das zum gasdichten Verbinden mit der Fensterplatte 10 jeweils zu einem darin befindlichen Innengewinde paßt. Damit Einstrahlsonde 9 und Empfängersonde 13 nicht versehentlich vertauscht werden können, weisen die Außengewinde 29 von Einstrahlsonde 9 und die Empfängersonde 13 eine unter­ schiedliche Geometrie, insbesondere eine unterschiedliche Gewindesteigung auf.

Insgesamt ergibt sich somit ein ein Verfahren zum ortsaufgelösten Messen der Temperatur in einem eine thermische Eigenstrahlung aufweisenden Medium 1, bei dem das Medium 1 entlang von sich in diesem kreuzenden, etwa in einer Meßebene angeordneten Meßpfaden 3 jeweils mit einem Laserstrahl durchstrahlt wird. Für jeden Meßpfad 3 wird zeitlich nacheinander jeweils die Absorption und die Eigenstrahlung des Mediums gemessen, indem bei zugeschaltetem Laserstrahl die Schwächung dessen Intensität beim Durchgang durch das Medium 1 und bei unterbrochenem oder intensitätsreduziertem Laserstrahl die von dem Medium 1 in Richtung des Meßpfades 3 abgestrahlte Eigenstrahlung gemessen wird. Aus den Meßwerten für Absorption und Eigenstrahlung wird die Temperatur in der Meßebene mit einem Tomographie-Verfahren rekonstruiert. Die Emission und die Absorption in dem Medium 1 kann auch gleichzeitig gemessen werden, wenn für die Absorptions- und die Emissionsmessung räumlich voneinander getrennte Meßpfade 3', 3" vorgesehen sind.

Claims (8)

1. Verfahren zum ortsaufgelösten Messen der Temperatur in einem eine thermische Eigenstrahlung emittierenden Medium (1), insbesondere einem heißen Gas oder Plasma, wobei das Medium (1) entlang von sich in diesem kreuzenden, im wesentli­ chen in einer Meßebene (2) angeordneten Meßpfaden (3) jeweils mit einem optischen Prüfstrahl durchstrahlt wird, wobei zeitlich nacheinander für jeden Meßpfad (3) jeweils die Absorption und die thermische Eigenstrahlung des Mediums (1) gemessen werden, indem bei zugeschaltetem Prüfstrahl die Schwächung der Intensität des Prüfstrahls beim Durchgang durch das Medium (1) und bei unterbrochenem oder zumindest intensi­ tätsreduziertem Prüfstrahl die von dem Medium (1) in Richtung des Meßpfades (3) abgestrahlte thermische Eigenstrahlung gemessen wird und wobei aus den Meßwerten für die Absorption und die Eigenstrahlung des Mediums (1) die ortsaufgelöste Temperatur in der Meßebene (2) mit einem Tomographieverfahren rekonstruiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfstrahlen zum wechselweisen Messen der Absorption und der Eigenstrahlung des Mediums (1) periodisch unterbrochen und/oder in Ihrer Intensität verändert werden.

3. Verfahren zum ortsaufgelösten Messen der Temperatur in einem eine thermische Eigenstrahlung emittierenden Medium (1), insbesondere einem heißen Gas oder Plasma, wobei gleichzeitig die Absorption und die thermische Eigenstrahlung des Mediums (1) gemessen werden, indem das Medium (1) entlang von sich in diesem kreuzenden, im wesentlichen in einer Meß­ ebene (2) angeordneten Absorptions-Meßpfaden (3') mit Prüfstrahlen durchstrahlt wird, und für jeden Absorptions- Meßpfad (3') die Absorption durch Messen der Schwächung der Intensität des Prüfstrahls beim Durchgang durch das Medium (1) ermittelt wird, und indem die von dem Medium (1) in Richtung von im wesentlichen in der Meßebene (2) angeordneten, sich in dieser kreuzenden und von den Absorptions-Meßpfaden (3') abweichenden Emissions-Meßpfaden (3") abgestrahlte thermische Eigenstrahlung gemessen wird und wobei aus den Meßwerten' für die Absorption und die Eigenstrahlung des Mediums die ortsaufgelöste Temperatur in der Meßebene mit einem Tomographieverfahren rekonstruiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Kalibrieren anstelle des Mediums ein Kalibrierstrahler (23) mit einer bekannten schwarzen Referenz­ temperatur in der Meßebene (2) angeordnet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Medium (1) zum Verbessern der thermischen Eigenstrahlung wenigstens ein thermisch anregbarer Stoff beigefügt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ermitteln der Absorption des Mediums (1) entlang der Meßpfade (3, 3') die Austrittsintensität des Prüfstrahls nach dem Durchlaufen des Meßpfades (3, 3') zeitlich nacheinander einerseits bei in dem Meßpfad (3, 3') angeordnetem, thermisch aktivem Medium (1) und andererseits bei aus dem Meßpfad (3, 3') entfernten oder thermisch inaktivem Medium (1) gemessen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Prüfstrahlen durch Strahlteilung aus einem Laserstrahl (4) gewonnen werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Prüfstrahlen mittels flexibler Lichtleiter (8, 22) an das zu untersuchende Medium (1) heran- und/oder von diesem weggeführt werden.