DE19809792C2 - Vorrichtung zur Messung der Emission und/oder Absorption eines heißen Gases oder Plasmas - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung hat eine im wesentlichen geschlossene Kammer (2), die in ihrem Innenraum ein zu untersuchendes Medium (3) aufweist. Außenseitig an der Kammer (2) ist zum Auskoppeln optischer Strahlung aus dem Medium (3) wenigstens eine Empfängersonde (5) angeordnet, die einen optischen Zugang zu der Kammer (2) hat. Der Empfängersonde (5) ein mit einer Meß- und Auswerteeinrichtung verbundener optischer Empfänger (7) zugeordnet. Zur richtungsaufgelösten Erfassung von in Richtung eines Meßpfades (8) aus dem Innenraum der Kammer (2) in die Empfängersonde (5) einfallender optischer Strahlung weist die Empfängersonde eine Strahlführung mit einer Abbildungsoptik (9) auf. Die Vorrichtung ermöglicht eine richtungsselektive Messung aus einem Teilvolumen der Kammer (2) austretender optischer Strahlung (Fig. 1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Emission und/oder Absorption eines heißen Gases oder Plasmas als zu untersuchendes Medium in einer im wesentlichen geschlossenen Kammer entlang eines optischen Meßpfades.

Aus EP 0 593 413 A1 kennt man bereits eine Vorrichtung zur Messung der Emission eines in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine befindlichen Verbrennungsmediums, die zum Auskoppeln von dem Verbrennungsmedium ausgesendeter optischer Strahlung eine Vielzahl von Auskoppelanordnungen aufweist. Die Auskoppelanordnungen haben jeweils eine Kugellinse, die in einem die Brennkammer begrenzenden Dichtelement angeordnet und mit der Brennkammer optisch verbunden ist. Die Kugellinse ist mit einem Ende eines Lichtleiters optisch gekoppelt, das in das Dichtelement eingesetzt ist. Mit seinem anderen Ende ist der Lichtleiter mit einem optischen Empfänger verbundenen. Die Kugellinsen weisen jeweils einen divergenten Akzeptanzwinkel und koppeln emittierte Strahlung in den ihnen jeweils zugeordneten Lichtleiter ein. Die Vorrichtung ermöglicht jedoch nur eine relativ schlechte Ortsauflösung der von dem Verbrennungs­ prozeß emittierten Strahlung. Auch ist die Vorrichtung nicht zur Messung der Absorption des Verbrennungsmediums geeignet.

Aus US 4,393,687 ist auch bereits eine Vorrichtung bekannt, die zur Messung der Emission eines in der Brennkammer eines Otto-Motors ablaufenden Verbrennungsprozesses eine Zündkerze aufweist, deren Zentralelektrode als Hohlleiter ausgebildet ist, in dessen Innenkern ein optischer Lichtleiter angeordnet ist. Zum Auskoppeln opti­ scher Strahlung aus dem in der Brennkammer befindlichen Verbrennungs­ medium grenzt der Lichtleiter mit seinem einen Axialende an die Brennkammer an und ist mit seinem anderen Axialende an einen optischen Empfänger herangeführt, der zum Detektieren von bei klopfender Verbrennung auftretenden Intensitätsschwankungen der von dem Verbrennungsmedium emittierten Strahlung mit einer Meß- und Auswerteeinrichtung verbunden ist. Die vorbekannte Vorrichtung ermöglicht zwar ein frühzeitiges Erkennen von Verbrennungsklopfen im Motor, jedoch sind die mit der Vorrichtung detektierten optischen Signale für eine weitergehende Untersuchung des in der Brennkammer ablaufenden Verbrennungsprozesses, wie sie beispielsweise für die Entwicklung schadstoffarmer Motoren wünschenswert ist, nur sehr begrenzt geeignet. Eine Absorptionsmessung ist damit nicht möglich.

Auch bei der Vorrichtung gemäß DE 37 27 018 A1 ist eine Zündkerze vorgesehen, in deren Zentralelektrode ein optischer Lichtleiter angeordnet ist. Die Vorrichtung ermöglicht die Bestimmung des Luft/Kraftstoffverhältnisses in einem Verbrennungsmotor, ist jedoch nicht für Absorptionsmessungen und räumlich definiert aufgelöste Emissionsmessungen geeignet.

Aus Applied Optics, 18, 1979, Seiten 3819-3825 ist ferner eine Vorrichtung zur Messung des CARS-Spektrums eines im der Brennkammer einer Brennkraftmaschine befindlichen Verbrennungsmediums bekannt, wobei die Strahlung von zwei verschiedenen Wellenlängen, _λ1 und _{λ 2}, im gemeinsamen Fokus, das heißt punktförmig das Meßsignal bei einer dritten Wellenlänge _λ3 anregt. Die Vorrichtung weist eine im Strahlengang zweier kollinearer Laserstrahlen angeordnete Abbildungsoptik zum Einkoppeln der in den Innenraum der Brennkammer abgebildeten zwei Laserstrahlen auf. Diese werden durch ein in der Kammerwand der Brennkammer angeordnetes und gegen diese abgedichtetes, von der Abbildungsoptik getrenntes optisches Einkoppelfenster in die Brennkammer eingekoppelt. Das bei der dritten Wellenlänge _λ3 emittierte Signal wird an der gegenüberliegenden Seite der Brennkammer mittels eines dort befindlichen optischen, gegen die Kammerwand abgedichteten Auskoppelfensters aus der Brennkammer ausgekoppelt. Im Strahlengang des aus der Brennkammer ausgekoppelten Signals ist eine weitere Abbildungsoptik angeordnet, mittels der die Strahlung gebündelt und zu optischen Empfängern geleitet wird. Die vorbekannte Vorrichtung unterscheidet sich also prinzipiell von einer Vorrichtung zur Emissions- und/oder Absorptionsmessung. Sie hat außerdem den Nachteil, daß eine in der Praxis unvermeidbare Lageveränderung der Brennkammer, die vor allem durch beim Verbrennungsprozeß auftretenden Vibrationen oder Schwingungen verursacht sein kann, die Ortsauflösung der Messung verschlechtert oder sogar verhindert.

Die in Applied Optics, 23, 194, Seiten 1347-1352 beschriebene Vorrichtung ist ebenfalls für das CARS-Verfahren konzipiert, so daß die oben genannte Abgrenzung gilt. Auch bei dieser Vorrichtung erfolgt das Ein- und Auskoppeln der Prüfstrahlen mittels in die Kammerwand eingesetzter optischer Fenster und es ergibt sich auch hier eine entsprechend geringe Ortsauflösung der Messung und Nichtberücksichtigung von Störungen durch Vibrationen.

Aus DE 196 06 005 C1 ist eine Vorrichtung zur Messung der Teilchengröße von isolierten und in Aggregaten vorliegenden Primärteilchen bekannt. Die Vorrichtung hat einen Laser mit einer Optik zum Einkoppeln eines Prüfstrahls in ein zu untersuchendes, die Primärteilchen aufweisendes Volumen. Mittels des Prüfstrahls werden die Primärteilchen bestrahlt und die aufgrund der erhöhten Teilchentemperatur verstärkte thermische Strahlung wird mit mehreren Detektoren gemessen, deren Meßrichtung quer zu dem Prüfstrahl orientiert ist. Es handelt sich hierbei um eine thermische Strahlungsanregung mittels eines intensiven Laserpulses, die sich grundsätzlich von einer Emissions- und/oder Absorptionsmessung unterscheidet.

In EP 0 529 324 A2 ist eine Vorrichtung beschrieben, die eine an einem Durchbruch einer Brennkammerwand angeordnete Auskoppel­ anordnung mit einer Sammellinse zum Detektieren von einem in der Brennkammer befindlichen Medium emittierten optischen Strahlung aufweist. Die Vorrichtung ermöglicht jedoch keine Absorptionsmessung.

Die aus DE 38 39 348 A1 bekannte Vorrichtung dient zur Messung der Partikelbelastung in einem Auspuffendrohr. Dabei wird mittels einer Leuchtdiode optische Strahlung erzeugt und über einen Glasstab an einem Durchbruch der Wandung des Auspuffrohrs in dieses eingekoppelt. Die Strahlung durchläuft das Innere des Auspuffrohrs entlang eines optischen Meßpfades und wird an einem an der gegenüberliegenden Seite des Auspuffrohrs befindlichen weiteren Durchbruch der Auspuffrohrwandung aus dem Inneren des Auspuffrohrs ausgekoppelt und mittels eines benachbart zu diesem Durchbruch angeordneten Umlenkspiegels in den Meßpfad zurückreflektiert. Die reflektierte optische Strahlung wird dann erneut in den Glasstab eingekoppelt und zu einem optischen Empfänger geleitet. Das Innere des Auspuffrohres wird entlang des Meßpfades divergent und vergleichsweise großvolumig durchstrahlt. Eine räumlich definierte Emissions- und/oder Absorptionsmessung entlang eines optischen Meßpfades ist damit nicht möglich.

Bei der aus DE 43 20 943 A1 bekannten Meßanordnung zur simultanen Messung der Raman- und Rayleighstreuung im Brennraum von Ver­ brennungsmotoren wird durch ein Fenster in der Zylinderwand eines Verbrennungsmotors ein Laserstrahl in den Brennraum eingekoppelt, mit dem das in dem Brennraum befindliche Verbrennungsgemisch zur optischen Emission angeregt wird. Zur Messung der Streudaten wird über ein Fenster im Kolben des Verbrennungsmotors in einer quer zu dem Laserstrahl orientierten Richtung optische Strahlung aus dem Brennraum ausgekoppelt. Mittels der Meßanordnung ist eine ortsaufgelöste Meßwerterfassung entlang eines optischen Meßpfades praktisch nicht möglich.

Aus DE 94 14 467 U1 ist ein Raman-Spektrometer bekannt, bei dem mittels eines Lichtleiterbündels ein Laserstrahl in eine Probe eingekoppelt wird. Das an der Probe gestreute Raman-Licht wird mittels eines zweiten Lichtleiterbündels zu einem optischen Empfänger geleitet. Die in die Lichtleiterbündel ein- bzw. ausgekoppelte Strahlung wird über Umlenkoptiken geführt. Auch diese Anordnung läßt eine räumlich definiert aufgelöste Emissions- und/oder Absorptionsmessung nicht zu.

Bei der aus DE 196 41 867 A1 bekannten Vorrichtung wird mittels eines die Kammerwand einer Brennkammer durchsetzenden Lichtleiters optische Strahlung in das im Inneren der Brennkammer befindliche Verbrennungsmedium divergent eingekoppelt. Die an dem Verbrennungs­ medium gestreute optische Strahlung wird mittels weiterer Lichtleiter, die in eine in die Kammerwand eingesetzte Zündkerze integriert sind, unter einem Winkel zur eingekoppelten optischen Strahlung ausgekoppelt. Die Vorrichtung ermöglicht nur eine geringe Ortsauflösung der Streulichtmessung, jedoch keine räumlich definierte Emissions- und/oder Absorptionsmessung entlang eines optischen Meßpfades.

Aus DE 44 02 310 A1 ist eine Empfängersonde zur Erfassung von Intensität und Spektrum eines Verbrennungsvorgangs im Brennraum eines Verbrennungsmotors bekannt. Die Empfängersonde ist in einen Wandungsdurchbruch des Zylinderkopfs eines Verbrennungsmotors eingesetzt. Sie weist eine an den Brennraum angrenzende Aufnahmeoptik auf, die einen großen Raumwinkel in dem Brennraum erfaßt. Daher ist ebenfalls keine räumlich definierte Emissions- und/oder Absorptionsmessung entlang eines optischen Meßpfades möglich.

Die aus DE 43 09 531 A1 bekannte Vorrichtung zur Untersuchung von vorzugsweise lebenden Objekten weist eine einzige Glasfaser zum divergenten Einkoppeln von Licht in das Objekt auf. An einer der Einkoppelstelle gegenüberliegenden Austrittsstelle wird ein Teil des durch das Objekt transmittierten Lichts in das Ende eines Glasfaserbündels eingekoppelt und zu einer an dem anderen Ende des Glasfaserbündels angeordneten Detektor mit einer Optik und einem Photomultiplier geleitet. Auch diese Vorrichtung ermöglicht nur eine begrenzte Ortsauflösung der Messung.

Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine detailliertere ortsaufgelöste Messung der Emission und/oder Absorption eines heißen Gases oder Plasmus in einer im wesentlichen geschlossenen Kammer entlang eines optischen Meßpfades ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Vorrichtung ermöglicht eine definierte Abbildung von Teil­ volumina des in der Kammer schwer zugänglichen Mediums, so daß der Prozeßablauf in dem Medium in bestimmten Teilbereichen des Mediums lokal untersucht werden kann. Dabei kann ein Teilvolumen des Innenraums der Kammer mit dem Prüfstrahl durchstrahlt werden. Durch Messung der Intensitätsschwächung des Prüfstrahls beim Durchtritt entlang des gewählten optischen Meßpfades durch das Medium läßt sich die Absorption des Mediums in dem durchstrahlten Teilvolumen ermitteln. Dies kann beispielsweise in der Weise geschehen, daß mit dem optischen Empfänger zunächst die Intensität des Prüfstrahls vor Beginn des Meßvorganges bei aus dem Innenraum der Kammer entfernten oder bei thermisch inaktivem Medium gemessen und anschließend eine weitere Intensitäts­ messung bei in dem Innenraum befindlichen, thermisch aktivem Medium durchgeführt wird. Aus der Differenz der so ermittelten Meßwerte läßt sich dann die Absorption des Mediums bestimmen. Somit ermöglicht die Vorrichtung sowohl eine Absorptions- als auch eine Emissions­ messung und damit eine Temperaturmessung in dem in der Kammer befindlichen Medium. Durch die druckdicht mit der Kammerwand verbundenen Einstrahl- und Auskoppelanordnungen lassen sich Verbrennungsprozesse bei hohen Drücken bis 400 Megapascal untersuchen. Mit der Vorrichtung können beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor detailliertere Informationen über die Ausbreitung der Flammenfront und Temperaturen in dem Brennraum bzw. der Kammer gewonnen werden. Selbstverständlich kann die Vorrichtung aber auch für Messungen an anderen schwer zugänglichen industriellen Prozessen, wie sie in Plasmen, technischen Verbrennungen oder Turbinen vorkommen, verwendet werden.

Besonders vorteilhaft ist, wenn am Umfang der Kammer wenigstens eine weitere Auskoppelanordnung angeordnet ist, wobei die Meßpfade der Auskoppelanordnungen im wesentlichen in einer gemeinsamen Meßebene verlaufen und einander kreuzen. Es sind also unter verschiedenen Winkeln das Medium durchsetzende Meßpfade oder Gruppen von nebeneinander angeordneten Meßpfaden vorgesehen, so daß die von dem Medium in Richtung der einzelnen Meßpfade emittierte Strahlung jeweils gemessen werden kann. Aus den Meßwerten läßt sich dann durch tomografische Rekonstruktion orts- und zeitaufgelöst die Emission und/oder Absorption in dem Medium ermitteln.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die optische Strahlungsquelle ein Laser. Dadurch kann eine Prüf­ strahlung hoher Intensität erreicht werden, so daß auch Medien, die eine intensive thermische Eigenstrahlung emittieren, untersucht werden können.

Vorteilhaft ist, wenn im Strahlengang zwischen optischer Strahlungs­ quelle und Einstrahlanordnung eine Strahl-Unterbrechungsvorrichtung, vorzugsweise eine Bragg-Zelle angeordnet ist. Der Prüfstrahl kann dann zur wechselweisen Messung von Emission und Absorption in dem Medium periodisch unterbrochen bzw. moduliert werden. Dadurch kann mit nur einem optischen Empfänger quasi zeitgleich sowohl der zeitliche Verlauf der Absorption, als auch derjenige der Emission bezüglich des Meßpfades ermittelt werden.

Besonders vorteilhaft ist, wenn am Umfang der Kammer verteilt mehrere, jeweils einander zugeordnete Einstrahlanordnungen und Auskoppelanordnungen angeordnet sind, und wenn die Meßpfade dieser einander zugeordneten Einstrahlanordnungen und Auskoppelanordnungen im wesentlichen in einer gemeinsamen Meßebene verlaufen und einander kreuzen. Das Medium kann dann mit unter verschiedenen Winkeln angeordneten Prüfstrahlen oder Gruppen von nebeneinander angeordneten Prüfstrahlen gleichzeitig durchstrahlt werden, wobei jeweils die Absorption der einzelnen Prüfstrahlen ermittelt werden kann. Durch tomografische Rekonstruktion läßt sich dann aus den Absorptionsmeß­ werten die Absorption in der Meßebene ortsaufgelöst und gegebenen­ falls zeitaufgelöst bestimmen. Wenn im Strahlengang von der optischen Strahlungsquelle zu den Einstrahlanordnungen eine Strahlunter­ brechungsvorrichtung angeordnet ist, ist es sogar möglich, zusätzlich zu der Absorption auch die von dem Medium emittierte thermische Strahlung zu messen. Dadurch kann auf einfache Weise unmittelbar aus den Meßdaten für Emission und Absorption die räumliche Temperatur- und/oder Konzentrations- bzw. Dichteverteilung in dem Medium durch tomographische Rekonstruktion bestimmt werden, ohne daß es dazu der Kenntnis atomarer und/oder molekularer Daten des zu untersuchenden Mediums oder der Spezies bedarf. Dabei wird davon ausgegangen, daß in dem Zeitraum zwischen aufeinanderfolgenden Emissions- und Absorptionsmessungen keine nennenswerten Unterschiede hinsichtlich der Absorption und der Emission des Mediums in dem Detektionsbereich auftreten.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß zusätzlich zu mehreren Auskoppelanordnungen, deren Meßpfade im wesentlichen in einer gemeinsamen Meßebene verlaufen und einander kreuzen, am Umfang der Kammer verteilt mehrere einander zugeordnete Einstrahlanordnungen und Auskoppelanordnungen vorgesehen sind, deren Meßpfade ebenfalls einander kreuzen und im wesentlichen in der Meßebene oder etwas zu dieser versetzt verlaufen. Mit dieser Vorrichtung können gleichzeitig sowohl die Absorption als auch die thermische Emission bezüglich mehrerer sich kreuzender Meßpfade bestimmt werden, so daß durch tomografische Rekonstruktion, Absorption, Emission und/oder die Temperatur in der Meßebene orts- und gegebenenfalls zeitaufgelöst bestimmt werden kann. Dabei wird davon ausgegangen, daß in den voneinander zugeordneten Absorptions- und Emissions-Meßpfaden jeweils durchlaufenen Teilvolumina des Mediums im Meßzeitpunkt keine nennenswerte Unterschiede hinsichtlich der Absorption und der Emission des Mediums vorhanden sind. Dies kann dadurch sichergestellt werden, daß die einander zugeordneten Absorptions- und Emissions-Meßpfade räumlich dicht zueinander benachbart angeordnet werden.

Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, daß wenigstens eine Einstrahl- und/oder zumindest eine Auskoppelanordnung zum gleichzeitigen Ein- oder Auskoppeln mehrerer Prüf- oder Meßstrahlen mit einem zu der optischen Strahlungsquelle oder dem optischen Empfänger führenden, mehrere Lichtleiter aufweisenden Lichtleiterbündel zum Weiterleiten des Signals verbunden ist. Mit einer einzigen Strahlführung können dann mehrere Prüfstrahlen gleichzeitig in das Medium eingekoppelt und/oder mehrere Meßstrahlen aus diesem ausgekoppelt werden. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakt aufgebaute Meßvorrichtung.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der jeweilige Lichtleiter lösbar mit der Einstrahl- und/oder der Auskoppelanordnung verbunden ist. Die Einstrahl- und/oder die Auskoppelanordnung kann dann bei Bedarf leicht ausgewechselt werden, ohne daß dazu die Kammer demontiert werden muß. Wenn die Kammer der Brennraum eines Verbrennungsmotors ist, kann die Einstrahl- und/oder die Auskoppelanordnung beispielsweise in einer von außen zugänglichen, im Motorblock oder dem Zylinderkopf des Motors befindlichen Inspektionsöffnung angeordnet sein, so daß die Einstrahl- und/oder die Auskoppelanordnung, wenn sie beispielsweise durch Verbrennungsrückstände verschmutzt ist, ohne eine Demontage des Zylinderkopfs vom Motorblock ausgewechselt werden kann.

Zweckmäßigerweise weist wenigstens eine Auskoppelanordnung und/oder zumindest eine Einstrahlanordnung ein dem Innenraum der Kammer zugewandtes optisches Fenster auf, das gegen den Innenraum der Kammer abgedichtet ist. Die Strahlführung mit der Abbildungsoptik ist dann gegen Verschmutzung durch das Medium geschützt.

Vorteilhaft ist, wenn die Einstrahlanordnung und die Auskoppel­ anordnung auf derselben Seite der Kammer angeordnet sind und wenn auf der gegenüberliegenden Seite der Kammer eine Strahlumlenkein­ richtung zum Umlenken eines von der Einstrahlanordnung ausgesandten Prüfstrahls zu dem der Auskoppelanordnung zugeordneten Empfänger vorgesehen ist. Da die Strahlumlenkeinrichtung nur relativ wenig Platz benötigt, kann sie beispielsweise auch an einer schlecht zugänglichen Stelle in der Kammerwand angeordnet sein.

Vorteilhaft ist, wenn die Einstrahlanordnung und die Auskoppel­ anordnung eine Einheit bilden und eine gemeinsame optische Strahlführung aufweisen und wenn zum Trennen von ein- und ausfallender Strahlung ein Strahlteiler, insbesondere ein dichroitischer Spiegel, im Strahlengang angeordnet ist. Zum Ein- und Auskoppeln der Strahlung wird also die gleiche Strahlführung verwendet, so daß der Platzbedarf für den optischen Zugang zu der Kammer entsprechend klein ist.

Zweckmäßigerweise weist die Einstrahlanordnung zum Erzeugen einer inkohärenten Prüfstrahlung eine Streuscheibe auf. Dabei werden durch die Streuscheibe Interferenzen in der mittels des Lasers erzeugten Prüfstrahlung weitestgehend vermieden.

Vorteilhaft ist, wenn im Strahlengang zwischen der Auskoppelanordnung und dem optischen Empfänger, vorzugsweise zwischen einer als Kollimator dienenden Gradientenindexlinse des Lichtleiters und dem Empfänger ein Interferenzfilter angeordnet ist. Dadurch kann die spektrale Detektionsbreite auf einfache Weise an den Wellenlängen­ bereich der Laserstrahlung und/oder eine Absorptionswellenlänge des zu untersuchenden Mediums angepaßt werden.

Zweckmäßigerweise ist wenigstens eine Auskoppel- und/oder Einstrahlanordnung winkelförmig ausgebildet, wobei innerhalb der Strahlführung zur Strahlumlenkung wenigstens eine Umlenkoptik, vorzugsweise ein Umlenkspiegel angeordnet ist, die vorzugsweise als Abbildungsoptik ausgebildet ist. Die winkelförmige Ausbildung der Auskoppel- und/oder Einstrahlanordnung ermöglicht auch an schlecht zugänglichen Stellen, beispielsweise unter einem Auspfuff- oder Ansaugkrümmer eines Verbrennungsmotors einen optischen Zugang zu der das Medium aufweisenden Kammer, beispielsweise dem Brennraum des Motors. Wenn die Strahlumlenkung gleichzeitig als Abbildungsoptik ausgebildet ist, weist die Auskoppel- und/oder Einstrahlanordnung besonders kompakte Abmessungen auf.

Besonders vorteilhaft ist, wenn in der Kammerwand und/oder der Einstrahl- und/oder Auskoppelanordnung eine Heizung für das jeweilige optische Fenster vorgesehen ist. Dadurch kann einem vorzeitigen Verschmutzen des optischen Fensters durch in dem Medium enthaltene Bestandteile, beispielsweise durch Kraftstofftropfen entgegengewirkt werden.

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

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Messung der Absorption und/oder der Emission eines im Brennraum eines Verbrennungsmotors befindlichen Verbrennungsgases, wobei der Motorblock und die damit verschraubten Einstrahl- und Auskoppel­ anordnungen im Schnitt dargestellt sind,

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Messung der Absorption und/oder der Emission eines im Brennraum eines Verbrennungsmotors befindlichen Verbrennungsgases, wobei die Meßpfade für die Absorptions- und die Emissionsmessung in dem Brennraum räumlich getrennt voneinander angeordnet sind,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Strahlungsintensität einer aus dem Brennraum nach Fig. 1 in Richtung eines Meßpfades austretenden Strahlung, während des Ver­ brennungsvorganges im Motor,

Fig. 4 eine teilweise Darstellung der Vorrichtung nach Fig. 1, während des Kalibrierens mit einem Referenzstrahler,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der mit der Vorrichtung nach Fig. 1 gemessenen Strahlungsintensität eines Kalibrier­ strahlers und eines Lasers, wobei auf der Abszisse der Kehrwert der schwarzen Temperatur und auf der Ordinate die normierte Strahlungsintensität in logarithmischer Darstellung aufgetragen sind,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Intensität als Funktion der Wellenlänge für zwei verschiedene Farbstofflaser und die als Meßwellenlänge gewählte Kalium-Linie sowie die Durchlaßkurve eines Linienfilters,

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine zwischen Motorblock und Zylinderkopf eines Motors angeordnete Fensterplatte, mit der mehrere Einstrahl- und Auskoppelanordnungen lösbar und druckdicht verbindbar sind,

Fig. 8 und 9 einen Längsschnitt durch die Mittelebene einer als Hohlsonde ausgebildeten Einstrahlanordnung,

Fig. 10 einen Längsschnitt durch eine als Hohlsonde ausgebildete Auskoppelanordnung,

Fig. 11 einen Längsschnitt durch die Mittelebene einer Ein­ strahlanordnung, die eine einstückig mit einem optischen Fenster ausgebildete Abbildungsoptik aufweist,

Fig. 12 eine Vorrichtung, bei der Einstrahl- und Auskoppel­ anordnung eine Einheit bilden und eine gemeinsame optische Strahlführung aufweisen, wobei auf der der Auskoppel- und/oder Einstrahlanordnung gegenüberliegenden Seite der Kammer ein Umlenkspiegel angeordnet ist,

Fig. 13 und 14 einen Querschnitt durch die Längsmittelebene einer winkelförmig ausgebildeten Einstrahlanordnung und

Fig. 15 einen Teilquerschnitt durch einen Verbrennungsmotor mit einer winkelförmigen Einkoppelsonde.

Eine im ganzen mit 1 bezeichnete Vorrichtung weist eine im wesentlichen geschlossene Kammer 2 auf, die hier als Anwendungsbei­ spiel den Brennraum eines Verbrennungsmotors bildet (Fig. 1). Im Innenraum der Kammer 2 ist ein zu untersuchendes Medium 3 angeordnet, nämlich das Verbrennungsgas des Motors. Außenseitig an der Kammer 2 ist zum Auskoppeln optischer Strahlung aus dem Medium 3 in einer eine Kammerwand 4 durchsetzenden Öffnung eine dicht gegen die Kammerwand 4 abschließende Auskoppelanordnung 5 angeordnet, die einen optischen Zugang zu der Kammer 2 hat. Die Auskoppelanordnung 5 ist rückseitig mit einem Gradientenindex-Lichtleiter 6 mit einem optischen Empfänger 7 verbunden, der an einer Meß- und Auswerteein­ richtung angeschlossen ist.

Zur richtungsaufgelösten Erfassung von in Richtung eines Meßpfades 8 aus dem Innenraum der Kammer 2 in die Auskoppelanordnung 5 einfallender optischer Strahlung weist die Auskoppelanordnung 5 eine Strahlführung mit einer Abbildungsoptik 9 auf. Die Vorrichtung 1 ermöglicht die Messung einer aus einem bestimmten Teilvolumen der Kammer 2 in Richtung des Meßpfades 8 in die Auskoppelanordnung 5 einfallenden optischen Strahlung.

Die Vorrichtung 1 weist ferner eine der Auskoppelanordnung 5 zugeordnete Einstrahlanordnung 10 auf, die einen optischen Zugang zu der Kammer 2 hat und über einen Gradientenindex-Lichtleiter 11 mit einem Laser 12 in Einstrahlverbindung steht. Die Einstrahl­ anordnung 10 hat eine Strahlführung mit einer Abbildungsoptik 13 zum Einkoppeln eines den Innenraum der Kammer 2 entlang des Meßpfades 8 durchsetzenden Prüfstrahls.

Wie aus Fig. 1 erkennbar ist, ist die Einstrahlanordnung 10 in einer die der Auskoppelanordnung 5 gegenüberliegende Kammerwand 4 durchsetzenden Wandungsöffnung angeordnet, an der die Auskoppel­ anordnung 5 von der Außenseite der Kammerwand 4 zugänglich ist. Die mit der Einstrahlanordnung 10 in die Kammer 2 eingekoppelte Prüfstrahlung durchläuft das Medium 3 und tritt dann in die Auskoppelanordnung 5 ein, die über einen Gradientenindex-Lichtleiter 12 mit dem optischen Empfänger 7 verbunden ist.

In dem Strahlengang von dem Laser 12 zu der Einstrahlanordnung 10 ist eine Bragg-Zelle 14 als Strahl-Unterbrechungseinrichtung angeordnet. Dadurch kann die Prüfstrahlung periodisch unterbrochen werden.

Fig. 3 zeigt den mit dem Empfänger 7 gemessenen Signalverlauf, der entlang des Meßpfades 8 in die Auskoppelanordnung 5 eingestrahl­ ten optischen Strahlung während eines in der Kammer 2 ablaufenden Verbrennungsprozesses. Deutlich ist erkennbar, daß der Prüfstrahl periodisch ein- und ausgeschaltet wird. Vor Beginn des Verbrennungs­ prozesses (in Fig. 3 links) herrscht in dem in der Kammer 2 des Motors befindlichen Medium 3 noch eine vergleichsweise niedrige Temperatur. Demgemäß strahlt das Medium 3 praktisch keine Eigenstrahlung ab und weist nur eine sehr geringe Absorption für die Prüfstrahlung auf. Der Prüfstrahl wird deshalb nahezu vollständig durch das Medium 3 transmittiert. Während der Einschaltdauer des Prüfstrahls entspricht deshalb das Meßsignal des an der Aus­ strahlseite des Mediums 3 angeordneten Empfängers 7 der Eintritts­ intensität L_λ,1 des in das Medium 3 mit der Einstrahlanordnung 10 eingekoppelten Prüfstrahls.

Während des Verbrennungsprozesses (Fig. 3 Mitte und rechts) strahlt das Medium 3 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 optischen Empfänger 7. Bei eingeschaltetem Prüfstrahl addiert sich zu der thermischen Eigenstrahlung des Mediums 3 die durch das Medium 3 transmitierte Prüfstrahlung. Die Austrittsintensität L_λ,2 des Prüfstrahls nach dem Durchlaufen des Mediums 3 entspricht deshalb dem Signalunterschied an dem optischen Empfänger 7 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 des Meßpfades 8 nach der Formel (L_λ,1-L_λ,2)/L_λ,1 errechnen.

In Fig. 3 ist die Einschaltdauer des Prüfstrahls mit t_e und die Unterbrechungsdauer mit t_u gekennzeichnet. Diese Zeitdauern können beispielsweise jeweils etwa 1 Mikrosekunde 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 3 in dem Detektionsbereich ergeben.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 werden die Absorption und die thermische Eigenstrahlung des Mediums 3 gleichzeitig gemessen. Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird dazu das Medium 3 entlang eines Meßpfades 8 mit einem Prüfstrahl durchstrahlt. Für den Prüfstrahl wird zunächst die Eintrittsintensität L_λ,1 beim Eintritt in die Kammer 2 mit dem der an der Prüfstrahlaustrittsseite der Kammer 2 angeordneten Auskoppelanordnung 5 zugeordneten optischen Empfänger 7 bei thermisch inaktivem oder aus der Kammer entfernten Medium 3 indirekt gemessen. Während des zu untersuchenden, in der Kammer ablaufenden Verbrennungsvorgangs, wird mit dem Empfänger 7 die Austrittsintensität L_λ,2 nach dem Durchlaufen des Prüfstrahls durch das Medium 3 gemessen.

Die Emissionsintensität L_λ,3 der thermischen Eigenstrahlung des Mediums 3 wird in Richtung eines von dem Meßpfad 8 abweichenden Emissionsmeß­ pfad 8' gemessen. Die von den einander zugeordneten Meßpfaden 8, 8' jeweils durchsetzten Teilvolumina sind so dicht zueinander benachbart angeordnet, daß davon ausgegangen werden kann, daß in diesen Teilvolumina keine nennenswerten Unterschiede hinsichtlich der Absorption beziehungsweise der Emission des Mediums 3 in dem Detektionsbereich auftreten.

Wie aus Fig. 2 erkennbar ist, wird mittels der Abbildungsoptik 13 der Einstrahlanordnung 10 ein Laserstrahl 21 eines Lasers 12 entlang des Meßpfades 8 in die Kammer 2 eingekoppelt. Zwischen dem Laser 12 und der Kammer 2 ist im Strahlengang des Laserstrahls 21 eine Streuscheibe 25 zum Beseitigen der Kohärenz angeordnet.

Die aus dem Medium 3 in Richtung der Meßpfade 8, 8' austretende Strahlung wird mittels der Abbildungsoptik 9 einer Mehrfachsonde jeweils in eine Gradientenindexlinse 17, 17' eingekoppelt, die über die Gradientenindex-Lichtleiter 16, 16' mit den Empfängern 7, 7' für die aus den aus den einzelnen Meßpfaden 8, 8' ausgekoppelte Strahlung verbunden ist. Die Meßpfade 8, 8' sind etwas geneigt zueinander angeordnet, so daß deren Projektionen auf die Gradienten­ indexlinsen 17, 17' räumlich voneinander beabstandet sind. Zwischen der Kammer 2 und den Empfängern 7, 7' ist ein Neutralfilter 15 im Strahlengang angeordnet.

Mit dem Empfänger 7' kann die von dem Medium 3 entlang des Meßpfades 8' abgestrahlte thermische Strahlung weitestgehend unabhängig von dem Prüfstrahl des Meßpfades 8 detektiert werden. Der optische Empfänger 7 liefert das Summensignal aus der Prüfstrahlung und der thermischen Eigenstrahlung des Mediums 3. Somit können mit der Vorrichtung nach Fig. 2 gleichzeitig die Emission und die Absorption in dem Medium 3 gemessen werden.

Die aus dem Medium 3 austretenden Prüfstrahlen durchlaufen ferner einen Linienfilter 18, der im Strahlengang zwischen der Kammer 2 und den optischen Empfängern 7, 7' angeordnet ist. Auch bei der Vorrichtung nach Fig. 1 ist im Strahlengang zwischen Auskoppel­ anordnung 5 und Empfänger 7 ein Linienfilter 18 angeordnet. Die Durchlaßkurve 19 des Linienfilters 18 ist auf eine Absorptions- bzw. Emissionswellenlänge des Mediums 3 abgestimmt. In Fig. 6 ist deutlich erkennbar, daß die Durchlaßkurve 19 und somit die spektrale Detektionsbreite der Strahldichtemessung im wesentlichen dem wellenlängenabhängigen Intensitätsverlauf der hier als Meßwellenlänge gewählten Kalium-Linie 20 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 18 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 Linienfilters 18 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 3 bekannt sind. In dem Beispiel nach Fig. 6 ist die spektrale Detektionsbreite durch das Linienfilter 18 auf die untersuchte Eigenstrahlung (hier: Kalium-Linie 10) eingestellt und soweit wie möglich spektral eingeschränkt. Wie aus Fig. 6 erkennbar ist, ist die durch die Durchlaßkurve 19 des Linienfilters 18 vorgegebene spektrale Detektionsbreite kleiner als die Breite der Kalium-Linie 20. Um zumindest die Breite der Kalium-Linie 20 zu überdecken, ist der Frequenzgang des Laserstrahls 21 mittels eines Lyotfilters verbreitert. In Fig. 6 ist beispielhaft der Frequenzgang 22 für die mittels Ein-Platten-Lyotfilter und der Frequenzgang 23 für die mittels Drei-Platten-Lyotfilter verbreiterte Laserstrahlung wiederge­ geben.

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 aufgelöst das Temperaturfeld im untersuchten Teilvolumen des durchstrahlten Mediums 3.

Zum Kalibrieren der zu messenden Temperatur wird anstelle des Mediums 3 ein Kalibrierstrahler 24, zum Beispiel eine Wolframbandlampe in der Kammer 2 oder dem Meßvolumen angeordnet, was in Fig. 4 schematisch dargestellt ist.

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der Strahlungsintensität als Funktion der schwarzen Temperatur in Wienscher Näherung unter Verwendung realer Meßdaten. Aus den Meßgrößen Eintrittsintensität 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 3 gemäß der in Fig. 5 angegebenen Formel ermittelt. Der hierfür benötigte Zusammenhang zwischen der Emissionsintensität L_λ,3 mit der schwarzen Temperatur S_λ ergibt sich aus der Kalibrierung des Meßpfades 8, 8' beziehungsweise des Detektionsstrahlenganges mit dem Kalibrierstrahler 24.

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 Faserstrahls 21 läßt sich eine schwarze (Wiensche) Temperatur S_λ,Laser zuordnen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 sind am Umfang der Kammer 2 verteilt, mehrere, jeweils einander zugeordnete Einstrahlanordnungen 10 und Auskoppelanordnungen 5 angeordnet. Die Meßpfade 8 dieser einander zugeordneten Einstrahlanordnungen 10 und/oder Auskoppelanordnungen 5 verlaufen im wesentlichen in einer gemeinsamen Meßebene, die der Querschnittsebene in Fig. 7 entspricht. Wie aus Fig. 7 weiter erkennbar ist, sind drei Gruppen mit jeweils vier in der Meßebene parallel zueinander angeordneten Meßpfaden 8 vorgesehen. Die Meßpfade unterschiedlicher Gruppen sind in der Meßebene unter einem Winkel zueinander angeordnet, so daß sich die Meßpfade 8 an einer Vielzahl von Kreuzungspunkten schneiden. Die Einstrahlanordnungen 10 sind jeweils über Gradientenindex-Lichtleiter 11 mit einer gemeinsamen Strahlteilervorrichtung verbunden, die zum Einkoppeln eines Laserstrahls 21 im Strahlengang eines Lasers 12 angeordnet ist. Zwischen dem Laser 12 und der Strahlteilervorrichtung ist zum periodischen Unterbrechen des Laserstrahls 21 eine Bragg-Zelle 14 im Strahlengang angeordnet. Wie vorstehend erläutert, kann für jeden der Meßpfade 8 jeweils die Absorption und die Emission in dem Medium 3 ermittelt werden. Aus den Absorptions- und Emissionsmeßwerten lassen sich Absorption, Emission und Temperatur in dem Medium orts- und zeitaufgelöst rekonstruieren.

Wie aus Fig. 8 bis 10 erkennbar ist, sind die Auskoppelanordnung 5 und die Einstrahlanordnung 10 jeweils als Hohlsonde ausgebildet. Diese weist ein im wesentlichen etwa zylindrisches Sondengehäuse 26 mit einer Innenhöhlung 27 auf, die in Gebrauchsstellung den optischen Zugang zu der Kammer 2 bildet. An ihrem in Gebrauchs­ stellung dem Innenraum der Kammer 2 zugewandten Ende ist in die Innenhöhlung 27 ein optisches Fenster 28 eingesetzt, welches die Innenhöhlung 27 gasdicht gegen den Innenraum der Kammer 2 abdichtet und das Eindringen von Schmutz in die Innenhöhlung 27 verhindert.

An ihrem dem Fenster 28 abgewandten rückseitigen Ende haben die Auskoppelanordnung 5 und die Einstrahlanordnung 10 jeweils einen Steck-Anschluß für einen zu dem Laser 12 oder dem optischen Empfänger 7, 7' führenden, lösbar mit der Auskoppelanordnung 5 und/oder Einstrahlanordnung 10 verbindbaren Gradientenindex-Lichtleiter 6, 11, der an seinem dem Sondengehäuse 26 zugewandten Ende eine Gradientenindexlinse 17, 17', 29 als Kollimator aufweist. Zwischen dem optischen Fenster 28 und der Gradientenindexlinse 17, 17', 29 ist eine Linse als Abbildungsoptik 9, 13 im Strahlengang angeordnet.

Zur Beseitigung der Kohärenz des in die Einstrahlanordnung 10 einge­ koppelten Laserlichts befindet sich im Strahlengang zwischen der Abbildungsoptik 13 und der Gradientenindexlinse 29 die Streuscheibe 25.

An seinem in Gebrauchsstellung der Kammer 2 zugewandten Ende weisen die Auskoppelanordnung 5 und die Einstrahlanordnung 10 an ihrem Außenumfang jeweils ein Außengewinde auf, das zum gasdichten Verbinden mit der Kammerwand 4 jeweils zu einem in der Kammerwand 4 befindlichen Innengewinde paßt. Damit Auskoppelanordnung 5 und Einstrahlanordnung 10 nicht versehentlich vertauscht werden können, weisen die Außengewinde 30 von Auskoppelanordnung 5 und Einstrahl­ anordnung 10 eine unterschiedliche Geometrie, insbesondere eine unterschiedliche Gewindesteigung auf. An dem dem optischen Fenster 28 abgewandten Ende sind zum Fixieren und Lösen der Gewindever­ schraubung außenseitig an dem Sondengehäuse 26 Angriffsstellen 31 für einen Schraubenschlüssel vorgesehen.

Wie aus Fig. 11 ersichtlich ist, kann die Abbildungsoptik 9, 13 auch einstückig mit dem optischen Fenster ausgebildet sein.

Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 12 sind die Einstrahlanordnung 10 und die Auskoppelanordnung 5 auf derselben Seite der Kammer 2 angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Seite der Kammer 2 ist eine Strahlumlenkeinrichtung 32 zum Umlenken eines von der Einstrahl­ anordnung 10 ausgesandten Prüfstrahls zu dem der Auskoppelanordnung 5 zugeordneten Empfänger 7, 7' vorgesehen.

Die Einstrahlanordnung 10 und die Auskoppelanordnung 5 bilden eine Baueinheit und weisen eine gemeinsame Abbildungsoptik 9 sowie eine gemeinsame Gradientenindexlinse 17 als Kollimator für den Gradientenindex-Lichtleiter 6 auf. Zum Trennen von ein- und ausfallender Strahlung ist ein dichroitischer Spiegel 33 im Strahlengang zwischen der Auskoppel­ anordnung 5 und/oder Einstrahlanordnung 10 und der Bragg-Zelle 14 angeordnet, der die aus dem Medium rückgekoppelte Strahlung auf den optischen Empfänger 7 leitet.

Die in Fig. 13 und 14 gezeigten Einstrahlanordnungen 10 sind winkelförmig ausgebildet und weisen eine 90°-Strahlumlenkung auf. Innerhalb der Strahlführung ist zur Strahlumlenkung ein Umlenkspiegel 34 angordnet, der als Fokussierspiegel ausgebildet ist und gleichzeitig die Abbildungsoptik bildet. Die Einstrahlanordnung 10 nach Fig. 14 hat zusätzlich zu dem Fokussierspiegel noch einen ebenen Umlenkspiegel 35 für eine weitere 90°-Strahlumlenkung. Dabei sind die Umlenkspiegel 34, 35 so angeordnet, daß sich eine Strahlumlenkung in entgegengesetzten Richtungen ergibt, so daß der in die Einstrahlanordnung 10 eintretende und der aus der Einstrahl­ anordnung 10 austretende Lichtstrahl zueinander parallelversetzt sind.

Fig. 15 zeigt die Einstrahlanordnung 10 nach Fig. 14 in Gebrauchs­ stellung. Deutlich ist zu erkennen, daß die Geometrie der Einstrahlanordnung 10 an die Platzverhältnisse an der Außenseite der Kammerwand 4 angepaßt ist. Um ein einfaches Austauschen der Einstrahlanordnung 10 ohne eine Demontage des darüber befindlichen Ansaugkrümmers 27 zu ermöglichen, weist die Einstrahlanordnung 10 einen Bajonettanschluß auf, der mit einem dazu passenden, an der Kammerwand 4 vorgesehenen Kupplungsteil verbindbar ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 ist am Außenumfang des optischen Fensters 28 eine elektrische Heizung 36 angeordnet, die eine das Fenster 28 umfangsseitig umschließende Heizwicklung hat. Durch das Beheizen des Fensters 28 wird einer Verschmutzung durch Kondensatbildung an dem Fenster 28 entgegengewirkt.

Insgesamt ergibt sich somit eine Vorrichtung, die eine im wesentlichen geschlossene Kammer 2 hat, welche in ihrem Innenraum ein zu untersuchendes Medium 3 aufweist. Außenseitig an der Kammer 2 ist zum Auskoppeln optischer Strahlung aus dem Medium 3 wenigstens eine Auskoppelanordnung 5 angeordnet, die einen optischen Zugang zu der Kammer 2 hat. Der Auskoppelanordnung 5 ist ein mit einer Meß- und Auswerteeinrichtung verbundener optischer Empfänger 7, 7 zugeordnet. Zur richtungsaufgelösten Erfassung von in Richtung eines Meßpfades 8, 8' aus dem Innenraum der Kammer 2 in die Auskoppelanordnung 5 einfallender optischer Strahlung weist die Auskoppelanordnung eine Strahlführung mit einer Abbildungsoptik 9 auf. Die Vorrichtung ermöglicht eine richtungs­ selektive Messung der aus einem Teilvolumen der Kammer 2 austretender optischer Strahlung.

Claims (18)

1. Vorrichtung zur Messung der Emission und/oder Absorption eines heißen Gases oder Plasmas als zu untersuchendes Medium (3) in einer im wesentlichen geschlossenen Kammer (2) entlang eines optischen Meßpfades (8, 8'), mit

• 1. einer optischen Strahlungsquelle,
• 2. einer an einem Durchbruch einer Kammerwand (4) angeordneten und druckdicht mit dieser verbundenen Einstrahlanordnung (10), die mit der optischen Strahlungsquelle in optischer Strahlverbindung steht, und einer Abbildungsoptik (9) zum Einkoppeln eines den Innenraum der Kammer (2) entlang des Meßpfades (8, 8') durchsetzenden Prüfstrahls,
• 3. mit einer an einem Durchbruch einer Kammerwand (4) angeordneten und druckdicht mit dieser verbundenen Auskoppelanordnung (5), die mit der Einstrahlanordnung (10) in optischer Strahlverbindung steht und einer Abbildungs­ optik (9) zum Auskoppeln des den Innenraum der Kammer (2) entlang des Meßpfades (8, 8') durchsetzenden Prüfstrahls,
• 4. mit einem mit einer Meß- und Auswerteeinrichtung verbundenen optischen Empfänger (7, 7'), der mit der Auskoppelanordnung (5) in optischer Strahlverbindung steht,

wobei die Einstrahlanordnung (10) und die Auskoppelanordnung (5) jeweils für sich oder Einstrahlanordnung (10) und Auskoppelanordnung (5) zusammengefaßt eine eigenständige Baueinheit bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang der Kammer (2) wenigstens eine weitere Auskoppel­ anordnung (5) angeordnet ist, wobei die Meßpfade (8, 8') der Auskoppelanordnungen (5) im wesentlichen in einer gemeinsamen Meßebene verlaufen und einander kreuzen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Strahlungsquelle ein Laser (12) ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen optischer Strahlungsquelle und Einstrahlanordnung (10) eine Strahl- Unterbrechungsvorrichtung, vorzugsweise eine Bragg-Zelle (14), angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang der Kammer (2) verteilt mehrere, jeweils einander zugeordnete Einstrahlanordnungen (10) und Auskoppelanordnungen (5) angeordnet sind, und daß die Meßpfade dieser einander zugeordneten Einstrahlanordnungen (10) und Auskoppelanordnungen (5) im wesentlichen in einer gemein­ samen Meßebene verlaufen und einander kreuzen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu mehreren Auskoppelanordnungen (5), deren Meßpfade (8, 8') im wesentlichen in einer gemein­ samen Meßebene verlaufen und einander kreuzen, am Umfang der Kammer (2) verteilt, mehrere einander zugeordnete Einstrahl­ anordnungen (10) und Auskoppelanordnungen (5) vorgesehen sind, deren Meßpfade (8) ebenfalls einander kreuzen und im wesentli­ chen in der Meßebene oder etwas zu dieser versetzt verlaufen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Einstrahlanordnung (10) und/oder zumindest eine Auskoppelanordnung (5) zum gleich­ zeitigen Ein- oder Auskoppeln mehrerer Prüf- oder Meßstrahlen mit einem zu der optischen Strahlungsquelle oder dem optischen Empfänger (7, 7') führenden, mehrere Lichtleiter (Gradientenindex-Lichtleiter 6, 11, 16, 16') aufweisenden Lichtleiterbündel verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Lichtleiter (Gradientenindex-Lichtleiter 6, 11, 16, 16') lösbar mit der Einstrahlanordnung (10) und/oder der Auskoppelanordnung (5) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Auskoppelanordnung (5) und/oder zumindest eine Einstrahlanordnung (10) ein dem Innenraum der Kammer (2) zugewandtes optisches Fenster (28) aufweist und daß das Fenster (28) gegen den Innenraum der Kammer (2) abgedichtet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstrahlanordnung (10) und die Auskoppelanordnung (5) auf derselben Seite der Kammer (2) angeordnet sind und daß auf der gegenüberliegenden Seite der Kammer (2) eine Strahlumlenkeinrichtung (32) zum Umlenken eines von der Einstrahlanordnung (10) ausgesandten Prüfstrahls zu dem der Auskoppelanordnung (5) zugeordneten Empfänger (7, 7') vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Baueinheit bildende Einstrahlanordnung (10) und Auskoppelanordnung (5) eine gemeinsame optische Strahlführung aufweisen und daß zum Trennen von ein- und ausfallender Strahlung ein Strahlteiler, vorzugsweise ein dichroitischer Spiegel (33) im Strahlengang angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der an eine Einstrahlanordnung (10) und/oder Auskoppelanordnung (5) angeschlossene Lichtleiter (Gradientenindex-Lichtleiter 6, 11, 13, 16, 16') an seinem der Einstrahlanordnung (10) und/oder der Auskoppelanordnung (5) zugewandten und/oder seinem der Einstrahlanordnung (10) und/oder der Auskoppelanordnung (5) abgewandten Ende eine Gradientenindexlinse (17, 29) als Kollimator aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstrahlanordnung (10) zum Erzeugen einer inkohärenten Prüfstrahlung eine Streuscheibe (25) aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen der Auskoppel­ anordnung (5) und dem optischen Empfänger (7, 7'), vorzugsweise zwischen der als Kollimator dienenden Gradientenindexlinse (17, 29) des Lichtleiters (Gradientenindex-Lichtleiter 6, 11, 16, 16') und dem Empfänger (7, 7'), ein Interferenzfilter angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Auskoppelanordnung (5) und/oder Einstrahlanordnung (10) winkelförmig ausgebildet ist und daß innerhalb ihrer Strahlführung zur Strahlumlenkung wenigstens eine Umlenkoptik, vorzugsweise ein Umlenkspiegel (34, 35), angeordnet ist, die vorzugsweise als Abbildungsoptik ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammerwand (4) und/oder der Einstrahlanordnung (10) und/oder der Auskoppelanordnung (5) eine Heizung für das jeweilige optische Fenster (28) vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstrahlanordnung (10) und/oder Auskoppelanordnung (5) ein Außengewinde (30) zum Einschrauben in eine Gewindebohrung der Kammerwand oder einen Bajonett­ anschluß aufweist und daß sich rückseitig an das Außenge­ winde (30) oder den Bajonettanschluß eine umlaufende Dicht­ fläche anschließt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zum Kalibrieren eines in dem Medium (3) gemessenen Temperaturmeßwertes ein Kalibrierstrahler (24) mit einer bekannten schwarzen Temperatur vorgesehen ist.