DE69513550T2

DE69513550T2 - Vorrichtung zur optischen Messung von Kryogentemperaturen

Info

Publication number: DE69513550T2
Application number: DE69513550T
Authority: DE
Inventors: Stephane Bertrand; Georges Boulon; Jacky Y. Rouhet; Gilbert M. Tribillon
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1994-03-30
Filing date: 1995-03-24
Publication date: 2000-04-27
Anticipated expiration: 2015-03-25
Also published as: ES2141901T3; EP0675348B1; DE69513550D1; US5980105A; US6017148A; US6086250A; EP0675348A1; FR2718237A1; FR2718237B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen von Kryogentemperaturen zwischen 20 und 120 K (Temperaturen, die insbesondere bei Sauerstoff und Wasserstoff in flüssiger Phase vorliegen) durch optische Techniken unter Verwendung von Photolumineszenzkristallen.
Das Messen von Temperaturen mit Hilfe von Photolumineszenzkristallen ist heute allgemein bekannt und beruht auf der Tatsache, daß die Dauer des exponentiellen Abklingens der Lumineszenz eines Leuchtstoffkristalls von der Temperatur abhängt, wenn dieser durch eine Lichtquelle angeregt wird.
Die Patentanmeldung EP 0 259 027 offenbart eine solche optische Meßvorrichtung unter Verwendung eines Leuchtstoffes auf der Basis von Aluminiumoxid und Chrom. Das Patent US 4 895 156 beschreibt ein weiteres Anwendungsbeispiel einer solchen Vorrichtung auf dem medizinischen Gebiet und zitiert in der Beschreibung mehrere Artikel und Patente, die dergleichen betreffen und die zeigen, daß mehrere Kristalle zur Verfügung stehen, um einen großen Temperaturbereich abzudecken.
Trotz dieser vielfältigen Literatur und obwohl industrieller Bedarf besteht, wurde bisher kein Temperaturmeßfühler vorgeschlagen, der Hochleistungsmessungen zuließe, d. h. mit Ansprechzeiten, die unter einer Millisekunde liegen, und Meßfrequenzen, die bis zu 1000 Messungen pro Sekunde gehen, wobei extreme Umgebungsbedingungen wie Kryogentemperaturen von 20 bis 120 K und hohe Drücke bis zu 200 bar zulässig sein sollen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine solche optische Temperaturmeßvorrichtung. Die Erfindung ermöglicht sowohl das Messen der Temperatur bewegter Fluide als auch bewegter Oberflächen bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten oder Verschiebege schwindigkeiten in der Ordnung von 100 bis 300 m/s. Außerdem wird eine einfache, robuste und zuverlässige Vorrichtung angegeben, die außerdem Messungen an schwer zugänglichen Orten ermöglicht. Genauer gesagt muß die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen von sehr stark oxidierenden Flüssigkeiten wie Sauerstoff z. B. angepaßt werden.
Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrichtung zur optischen Messung von Temperaturen von Kryogenfluiden oder beweglichen Oberflächen in solchen Fluiden durch Analyse des Abklingens der Lumineszenz eines dotierten Kristalls, wobei diese Vorrichtung eine Lichtquelle zum Anregen des Kristalls, eine optische Faser zum Transportieren des Lichtflusses, der durch diese Quelle emittiert wurde, bis zum Kristall und zum Zurückleiten zu einer Detektoreinheit für die Lumineszenzlichtemission des Kristalls als Ergebnis und eine Meßsonde, gegenüber der sich das Fluid oder die bewegliche Oberfläche verschiebt, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der dotierte Kristall entweder aus einem Strontiumfluorid, dotiert mit zweiwertigem Ytterbium (SrF2 : Yb2+), oder einem Calciumfluorid, dotiert mit zweiwertigem Ytterbium (CaF2 : Yb2+), besteht.
Durch Auswählen dieser zwei Arten von Leuchtstoffen und Ausnutzen ihrer Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen ist es möglich, eine Vorrichtung zum optischen Messen von Temperaturen in extremen Umgebungen mit sehr hoher Präzision zu schaffen.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die insbesondere zum Messen von Temperaturen bei beweglichen Oberflächen einer kryogenen Flüssigkeit gedacht ist, besteht die Meßsonde dieser Vorrichtung aus einem Gehäuse, in welchem eine metallische Kapillare angeordnet ist, die wenigstens eine optische Faser zum Übertragen von Lichtfluß, der von der Lichtquelle ausgesendet wurde, und zum Zurückübertragen von Emissionslicht, das durch den dotierten Kristall zurückgeworfen wird, umgibt, und der dotierte Kristall liegt in Form einer kristallinen Bedeckung vor, die einen vorgegebenen Ort der zu untersuchenden Oberfläche bedeckt.
Das Vorhandensein einer metallischen Kapillare um die optische Faser erlaubt es durch Beschränken der thermischen Ansprechzeit der Sonde, besonders leistungsfähige Messungen zu ermöglichen, dadurch daß eine perfekte notwendige Stabilität bei hohen Drücken und Strömungsgeschwindigkeiten sichergestellt wird.
Vorzugsweise umfaßt die Meßsonde außerdem eine optische Faser zum Übertragen und zum Aufnehmen einer Lichtemission zum Synchronisieren, und die zu untersuchende Oberfläche umfaßt außerdem wenigstens eine Marke, die dieses Emissionslicht reflektiert und in Richtung der Bewegung der Oberfläche in einem vorgegebenen Abstand von der kristallinen Bedeckung angeordnet ist.
So wird es möglich, eine Messung an einem vorgegebenen Ort der zu untersuchenden Oberfläche durchzuführen, ohne daß es notwendig ist, diese gesamte Oberfläche mit Leuchtstoff zu bedecken. Darüber hinaus ist bei drehenden Körpern eine zusätzliche Messung der Geschwindigkeit für die Synchronisierung der Temperaturmessungen nicht weiter unverzichtbar. Die Meßsonde kann eine einzige bidirektionelle Faser umfassen, die umgeben ist durch eine metallische Kapillare, wobei die Einheit in dem Gehäuse angeordnet ist, oder auch eine Übertragungsfaser für den Lichtfluß von der Lichtquelle und wenigstens eine Aufnahmefaser zum Rückübertragen von Emissionslicht, zurückgeworfen durch die kristalline Bedeckung, umfaßt, wobei diese Fasern jeweils von einer metallischen Kapillare umgeben sind.
Vorzugsweise umfaßt das Gehäuse außerdem eine optische Linse am Ausgang der optischen Faser oder Fasern.
Um die Leistung der obigen Sonden bei niedrigen Geschwindigkeiten zu verbessern, kann eine Komplementärfokussierungsvorrichtung zwischen der Sonde und der zu untersuchenden Oberfläche am Ausgang von Aufnahmefasern angeordnet werden.
Wenn die Sonde eine Synchronisationsfaser umfaßt, wird die Anregungslichtquelle gesteuert durch eine Detektorvorrichtung, die den Lichtfluß empfängt, der von einem Synchronisationsemitter ausgesendet wurde und durch Reflexionsmarken zurückgeworfen wurde, wobei die Detektoreinheit sukzessive die Lichtemissionen empfängt, die durch die kristalline Bedeckung über jede der Aufnahmefasern emittiert wurde, und daß sie außerdem einen Verarbeitungsschaltkreis umfaßt, der Informationen von der Lichtquelle, der Detektoreinheit und einen Speicher mit vorgegebenen Werten empfängt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine vollständig automatische Messung der Temperatur an einem vorgegebenen Ort, und die Anwesenheit von Reflexionsmarken, durch die eine genaue Kenntnis der Verschiebungsgeschwindigkeit des Körpers abgeleitet wird, erlaubt es einerseits, die Messung an diese Geschwindigkeit anzupassen, indem die Aufnahmefasern gewählt werden, die bei der Messung berücksichtigt werden müssen, und andererseits, daß die Laser-Anregungsquelle in einem geeigneten Moment ausgelöst wird.
Der Verarbeitungsschaltkreis umfaßt einen ersten Schaltkreis zum Bestimmen der Abklingdauer T der Lumineszenz der kristallinen Bedeckung und einen zweiten Schaltkreis zur Berechnung der Temperatur der zu untersuchenden Oberfläche aus den in dem Speicher abgelegten Werten. Außerdem kann er einen dritten Schaltkreis zum Berechnen der Verschiebegeschwindigkeit der zu untersuchenden Oberfläche umfassen.
In einer zweiten Ausführungsform für das Messen von kryogenen Fluiden in Bewegung besteht die Meßsonde aus einem Gehäuse, an dessen Boden der dotierte Kristall angeordnet ist, und einer metallischen Kapillare besteht, die eine optische Faser für die Übertragung des Lichtflusses von der Lichtquelle und zur Rückübertragung der Lichtemission, zurückgeworfen durch den dotierten Kristall in dem Gehäuse in Kontakt mit dem dotierten Kristall umgibt.
Aufgrund dieser Struktur ist es möglich, Sonden mit sehr kleinen Ausmaßen und besonders robuste Sonden aufgrund der Tatsache herzustellen, daß eine metallische Kapillare verwendet wird, wobei letztere darüber hinaus Ansprechzeiten bei der Messung ermöglicht, die besonders kurz sind.
Bei einer Ausführungsform besteht die Meßsonde aus einem Gehäuse, auf dessen Boden sich der dotierte Kristall in Form einer kristallinen Bedeckung befindet, wobei eine Kapillare eine optische Faser für die Übertragung des Lichtflusses von der Lichtquelle und zur Rückübertragung der Lichtemission, zurückgeworfen durch die kristalline Bedeckung, umgibt, angeordnet in dem Gehäuse gegenüber der Bedeckung, so daß zwischen dem Ende dieser Faser und der Bedeckung eine Kammer definiert wird, und das Gehäuse umfaßt wenigstens eine Eingangsöffnung für das Fluid senkrecht zur Achse der Faser und mündend in der Kammer und wenigstens eine Ausgangsöffnung für das Fluid gegenüber der ersten.
Aufgrund des direkten Kontaktes zwischen Fluid und Leuchtstoff ergibt sich das thermische Gleichgewicht der Sonde sehr schnell, und die Ansprechzeiten, die erreichbar sind, können weiter reduziert werden. Außerdem bedeutet das Fehlen eines Kontaktes zwischen der Faser und dem Leuchtstoff, daß eine metallische Kapillare nicht benötigt wird.
Vorzugsweise umfaßt die Meßsonde eine einzige Eingangs- und Ausgangsöffnung, gebildet durch eine Öffnung in dem Gehäuse in Höhe der Kammer.
Vorzugsweise ist eine optische Linse am Ausgang der Faser in Höhe der Wand der Kammer gegenüber der kristallinen Beschichtung angeordnet.
Selbstverständlich und insbesondere für die Bestimmung der Temperatur von sich drehenden Körpern kann die erfindungsgemäße Vorrichtung umgesetzt werden mit einer einzigen Meßsonde mit einer Synchronisationsfaser, einer Übertragungsfaser und einer einzigen Aufnahmefaser wie mit mehreren Meßsonden (eine einzige Sonde wie angegeben und Sonden, die jeweils mit einer einzigen Aufnahmefaser versehen sind), die über den sich drehenden Körper verteilt sind und voneinander mit einem Winkel α beabstandet sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Beispielen, auf die die Erfindung nicht eingeschränkt ist, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen:
Fig. 1 zeigt Anregungs- und Abklingkurven der Lumineszenz eines dotierten Kristalls,
Fig. 2 zeigt schematisch allgemein eine optische Temperaturmeßvorrichtung unter Ausnutzung der Analyse des Abklingens der Lumineszenz eines dotierten Kristalls,
die Fig. 3, 4, 5a und 5b zeigen Beispiele für Meßsonden, die umgesetzt werden mit der Vorrichtung nach Fig. 2 zum Messen von Temperaturen sich bewegender Fluide,
die Fig. 6 und 7 sind Beispiele von Meßsonden, die umgesetzt sind in der Vorrichtung nach Fig. 2, um die Temperaturen von sich bewegenden Oberflächen zu messen,
Fig. 8 ist ein weiteres Beispiel der Meßsonde, wobei mehrere Aufnahmefasern für die Lumineszenz des angeregten Kristalls verwendet werden,
Fig. 9 zeigt Anregungs- und Abklingkurven der Lumineszenz eines dotierten Kristalls im Fall der Sonde nach Fig. 8,
Fig. 10 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Sonde nach Fig. 8, gedacht für Messungen bei niedrigen Verschiebegeschwindigkeiten,
Fig. 11 ist ein Prinzipschema der Signalverarbeitungseinheit einer Meßsonde des Typs nach Fig. 8,
die Fig. 12 und 13 zeigen unterschiedliche charakteristische Signale der Verarbeitungseinheit nach Fig. 10, und
Fig. 14 zeigt schematisch die Konfiguration von mehreren Meßsonden, die in der Umgebung eines sich drehenden Körpers angeordnet sind.
Das Grundprinzip des Messens von Temperaturen mittels photolumineszenter Kristalle und optischer Fasern ist allgemein bekannt und beruht auf der Messung der Dauer der Abklingzeit τ bei der Lumineszenzlichtemission eines kristallinen Leuchtstoffes, nachdem dieser optisch durch einen Lichtpuls von einer Lichtquelle wie z. B. einer Xenon-Lampe oder einer Elektrolumineszenzdiode angeregt worden ist.
Das Abklingen der Lumineszenz erfolgt exponentiell (siehe Fig. 2.)
I = I&sub0; e t/τ,
wobei τ = die Abklingdauer ist, die von der Temperatur und von dem verwendeten Kristall abhängt.
Die Fig. 2 zeigt ein prinzipielles Schema eines Beispiels einer Meßvorrichtung, bei der das genannte Verfahren zum Messen von Temperaturen umgesetzt ist. Diese Vorrichtung umfaßt ei nerseits eine Anregungslichtquelle 1, die Lichtpulse für einen dotierten Kristall aussendet, welcher das aktive Element einer Meßsonde 2 ist, und andererseits einen Lumineszenzdetektor 3, der die Lumineszenzlichtemission durch den dotierten Kristall zurück empfängt. Optische Fasern 4, 5, 6 stellen die Übertragung der Anregungslichtpulse zur Sonde und die Rückleitung der Lichtemission des Kristalls zum Detektor sicher. Vorzugsweise ist zum Beschränken der Zahl der in der Vorrichtung verwendeten Fasern ein Teiler 7 am Eingang der bidirektionellen Meßfaser 5, die an der Sonde 2 endet, angeordnet. Wenn notwendig erlauben Fokussierungsvorrichtungen 8, das Licht am Eingang und am Ausgang der unterschiedlichen optischen Fasern zu fokussieren.
Die Erfinder haben festgestellt, daß mit den tatsächlich verwendeten Leuchtstoffen die bisherige Vorrichtung es nicht ermöglichte, leistungsfähige Messungen bei extremen Umweltbedingungen durchzuführen. Insbesondere existiert bis heute keine Meßvorrichtung für Temperaturen von Fluiden oder beweglichen Oberflächen über Temperaturbereiche von 20 bis 200 K und Drücken, die bis 200 bar gehen können. Außerdem entwickelten die Erfinder zwei Kristalle, die mit zweiwertigem Ytterbium dotiert sind, einmal Strontiumfluorid (SrF2 : Yb2+) und einmal Calciumfluorid (CaF2 : Yb2+), die gute Eigenschaften bei tiefen Temperaturen zeigen und die verwendet werden, um eine speziell angepaßte Meßvorrichtung zu realisieren. Der erste Leuchtstoff wird vorzugsweise in einem ersten Temperaturbereich zwischen 20 und 80 K verwendet, der zweite in einem zweiten zwischen 80 und 120 K. Die Leuchtstoffe haben den Vorteil, eine sehr hohe Empfindlichkeit bei tiefen Temperaturen zu zeigen und Abklingdauern, die ausreichend klein sind (< 1 ms), um Aufnahmeraten bis zu 1000 Messungen pro Sekunde zu erlauben, jedoch ausreichend hoch, um parasitäre Lumineszenzeffekte bei sehr kurzen Dauern zu überschreiten. Die Anregung dieser Leuchtstoffe wird mittels einer Laserquelle erreicht, die im Ultravioletten bei einer Wellenlänge von etwa 350 nm arbeitet, wobei die photolumineszente Emission im sichtbaren Spektrum jeweils um 650 nm (SrF2 : Yb2+) bzw. 560 Nm (CaF2 : Yb+) auftritt.
Für die Messung der Temperatur von kryogenen Fluiden kann die Meßsonde 2 unterschiedliche Strukturen aufweisen, wie sie in den Fig. 3 bis 5b dargestellt sind.
In Fig. 3 umfaßt die Sonde 2 ein Gehäuse 20 in Form einer Röhre, an deren Boden der dotierte Kristall 22 angeordnet ist. Eine Kapsel (Kapillare) 24, die metallisch ist, umgibt das freie Ende der einzigen optischen Meßfaser 5 und ist gedacht, sie zu stützen, wobei sie an den Kristall geklebt ist und das Gehäuse verschließt. Der Kristall steht so direkt in Kontakt mit dem Ausgangsende der Faser und wird durch seine Einkapselung in dem Gehäuse vor direkter Einwirkung des Fluids geschützt. Vorzugsweise hat der Boden dieses Gehäuses eine reduzierte Dicke, die aber ausreicht, um die Festigkeit der Sonde sicherzustellen, die somit sehr kleine Dimensionen (zwischen 2 und 10mal dem Durchmesser der optischen Faser, in der Praxis 2 bis 3 mm) aufweisen kann, wodurch ihre Verwendung an schwer zugänglichen Orten ermöglicht wird. Außerdem ist es wichtig, daß der Rückgriff auf eine metallische Kapillare es ermöglicht, die thermische Ansprechzeit der Sonde gegenüber Glaskapillaren nach dem Stand der Technik zu reduzieren.
Bei der Sonde nach Fig. 4, die besonders angepaßt wurde für Verschiebungen bei mittleren Geschwindigkeiten, so daß sehr hohe Ansprechzeiten (< 1 ms) aufgrund des direkten Kontakts zwischen Leuchtstoff und Fluid ermöglicht werden, ist der Boden des Gehäuses (der ein Ziel für den Lichtfluß der Faser bilden) bedeckt mit einer Leuchtstoffbedeckung 22, der eine Wand einer Kammer 26 bildet, wobei die gegenüberliegende Wand zu dieser ersten Wand den Leuchtstoff aufnimmt und durch eine optische Linse 28 gebildet wird, die ein Fenster bildet und auf deren hinterer Fläche die Kapillare 24 aufgeklebt ist, die die Faser 5 umgibt. Diese Kammer umfaßt Zugangsöffnungen (Eingänge) 30 und Austrittsöffnungen (Ausgänge) 32 für das Fluid, das durch sie strömt, die einander gegenüberliegend senkrecht zur Achse der Faser angeordnet sind. In der Fig. 5a (und Fig. 5b, die eine Schnittansicht in der Ebene Vb-Vb ist) sind die Öffnungen ersetzt durch eine einzige Öffnung 34, die in dem Gehäuse 20 in Höhe der Kammer 26 vorgesehen ist. Unter Berücksichtigung des Fehlens des Kontaktes zwischen der Leuchtstoffauskleidung und der optischen Faser ist es nicht notwendig, daß die Kapillare metallisch ist, und eine Glaskapillare kann daher in den zwei letzten Ausführungsformen verwendet werden. Dagegen erfordert der direkte Kontakt zwischen Fluid und Leuchtstoff nicht, daß ein thermisches Gleichgewicht vor der Durchführung der ersten Messung erreicht wird, wodurch ermöglicht wird, die Ansprechzeit der Sonde wesentlich zu reduzieren.
Bei jeder dieser Konfigurationen wird die Leuchtstoffbedeckung aus einem dotierten, obengenannten Fluid-Puder erzeugt, das mit einem Kleber gemischt wird, der für die tiefen Temperaturen ausgelegt ist. Es sei vermerkt, daß eine Mischung dieses Puders mit einem Metalloxidpuder, getränkt in Silizium, ebenso vorstellbar ist, wobei diese Mischung auf den Boden des Gehäuses durch ein geeignetes Verfahren abgeschieden wird.
Für die Messung der Temperatur von nicht beweglichen Wänden kann die Meßsonde vereinfacht werden, wie es die Strukturen in den Fig. 6 und 7 zeigen.
In Fig. 7 ist die Struktur der Sonde beschränkt auf das offene Gehäuse 20 (ohne Boden), in welchen die metallische Kapillare 24 angeordnet ist, die die Faser 5 umgibt, deren freies Ende direkt auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet ist, während in Fig. 6 das Gehäuse 20 abgeschlossen wird durch die optische Linse, die das Fenster 28 bildet, wobei die Faser und die Kapillare, die jene umgibt, auf ihrer früheren Fläche festgeklebt sind. Bei den zwei Konfigurationen liegt der Leuchtstoff in Form einer direkten Bedeckung auf der zu untersuchenden feststehenden Oberfläche vor, die sich über dem Ende der Sonde befindet. Die Arten der Bedeckung, die verwendet werden, sind selbstverständlich identisch mit den vorhandenen.
Um die Temperaturmessungen auf der Oberfläche von Wänden mit Translationsbewegung wie Rotationsbewegung durchführen zu können, wird dagegen vorgeschlagen, wie in Fig. 8 gezeigt eine Temperatursonde mit mehreren Fasern auszustatten, wobei eine 50 die Übertragung des Lichtflusses von der Anregungsquelle 1 zu der betrachteten Wand 9 sicherstellt und die anderen, z. B. die zwei Fasern 51, 52, ohne daß diese Zahl einschränkend gemeint sei, dieses auffangen und zurück zum Detektor 3 für die Lumineszenzemission der Leuchtstoffbedeckung übertragen. Wie oben werden die Fasern von einer metallischen Kapillare 24 umgeben und eventuell von der Wand 9 durch eine optische Linse beabstandet. Die Fasern sind in Richtung der Verschiebung der Wand ausgerichtet, wobei die Faser für die Übertragung des Anregungsflusses 50 notwendigerweise vor den Aufnahmefasern für die Lumineszenzemission 51, 52 angeordnet ist.
Die Fig. 9 zeigt die aufgenommenen Signale am Ausgang der zwei Empfängerfasern nach Fig. 8 in bezug auf das Signal 10 der Anregung von der Übertragungsfaser und in bezug auf die Eigenschaft 12 des Abklingens des Leuchtstoffes. Der Punkt A (siehe Fig. 8) wird zum Zeitpunkt t&sub0; durch den Lichtfluß angeregt, der aus der Übertragungsfaser 50 austritt. Bei t&sub0; + Δt empfängt die erste Aufnahmefaser 51 das Lumineszenzlicht des Punktes A, und bei t&sub1; + Δt geschieht das gleiche bei der zweiten Aufnahmefaser 52. Die Abklingdauer t ist also einfach proportional zum Logarithmus das Verhältnisses der empfangenen Lichtflüsse (oder der Intensitäten I des Lichtes).
Die Empfindlichkeit der Sonden nach Fig. 8, d. h. mit einer Übertragungsfaser und wenigstens zwei Aufnahmefasern, kann bei der Messung von Temperaturen von beweglichen Oberflächen, die sich mit geringer Geschwindigkeit bewegen, verbessert werden durch das Hinzufügen einer optischen komplementären Linse 36 zwischen dem Ende der Sonde 2 und der zu untersuchenden Oberfläche 9 (Fig. 10). Somit ist es möglich, indem diese Linse in einem vorgegebenen Abstand zwischen der Wand und der Sonde angeordnet wird, die Photolumineszenz an zwei Punkten X und Y der Leuchtstoffbedeckung 22 in einem kleineren Abstand zu messen als in dem Abstand Δa, den zwei aufeinanderfolgende Fasern zueinander einhalten. Je kleiner der Abstand Δb zwischen X und Y ist, um so einfacher ist es, die Temperatur der Leuchtstoffschicht bei niedrigen Verschiebegeschwindigkeiten der zu untersuchenden Oberfläche zu messen.
Fig. 11 zeigt schematisch die Einheit der Meßvorrichtung für Kryogentemperaturen gemäß der Erfindung. Die Sonde 2 ist in bezug auf die zu untersuchende Oberfläche 9 angeordnet, die wenigstens partiell mit der Leuchtstoffbedeckung 22 bedeckt ist. Darüber hinaus und vorzugsweise ist die Oberfläche 9 mit Reflexionsmarken 40 versehen, die einen vorgegebenen und bekannten Abstand Δx voneinander haben und in einem vorgegebenen Abstand von der kristallinen Bedeckung angeordnet sind. Die Sonde umfaßt eine optische Faser 49 für die Synchronisation, die einerseits mit einem Synchronisationsemitter 41 verbunden ist, vorzugsweise in Form einer Diode, die eine kontinuierliche Emission im sichtbaren Spektrum oder infraroten Spektrum ermöglicht, und andererseits mit einem Detektor 42, der eine durch die Reflexionsmarken 40 zurückübertragene Emission ermöglicht. Dieser Detektor 41 gibt am Ausgang ein Steuersignal für den Laseremitter 1 aus, der zu einer Zeit t&sub0;, die vorgegeben ist und von dem Weg der Marken 40 abhängt, das Anregungslicht für die Leuchtstoffbedeckung aussendet. Die Aufnahmefasern 51, 52, 53 etc. der Sonde mit vorgegebener, aber variabler Anzahl je nach gewünschter Verschiebegeschwindigkeit, sind jeweils mit der Detektoreinheit für die Lumineszenz 3 verbunden, die zu den Durchlaufzeiten t&sub1;, t&sub2;, t&sub3; etc. die Intensität des Lichtstromes, der sukzessive durch jede der Fasern 51, 52, 53 etc. empfangen wurde, ausgibt. Ein erster Rechenschaltkreis 43 ermöglicht es, ausgehend einerseits von den durch die Einheit 3 ausgegebenen Intensitätsunterschieda-und andererseits aufgrund der Kenntnis des Moments t&sub0; der Steuerung der Laserquelle 1, die Abklingdauer τ zu berechnen. Die Temperatur der Oberfläche 9 ergibt sich danach unter Verwendung eines zweiten Rechenschaltkreises 44, der sie bestimmt, indem er diese Abklingdauer τ mit einer Gruppe von vorgegebenen Werten (festgelegt durch vorherige Eichung) vergleicht, die vorher in einer Tabelle oder einem Speicher 46 abgelegt worden sind. Außerdem ist ein dritter Rechenschaltkreis 45 mit dem Detektor 42 verbunden, der einfach die Bestimmung der Geschwindigkeit der Verschiebung der Oberfläche 9 aufgrund der vergangenen Zeit zwischen dem Durchlaufen der zwei Reflexionsmarken erlaubt. Vorzugsweise bilden die unterschiedlichen Rechenschaltkreise einen einzigen Verarbeitungsschaltkreis 400. Es sei betont, daß die Anwesenheit von Aufnahmefasern in großer Zahl bei der Messung es ermöglicht, nur bestimmte von ihnen auszuwählen, was damit die Verarbeitung von Signalen vereinfacht. Ebenso wie vorher kann eine optische Linse für die komplementäre Fokussierung vor den Aufnahmefasern angeordnet werden, um die Messungen bei niedrigen Geschwindigkeiten zu vereinfachen.
Die Fig. 12 und 13 erläutern die Funktion der Vorrichtung nach Fig. 11. Die Synchronisationsfaser 49 überträgt sichtbares oder IR-Licht von dem Emitter 41 und von jeder der Marken 40 reflektiertes 60, 61. Die zwei Lichtpulse 60, 61 erlauben nach einem Zeitintervall td die Ausgabe eines Steuerimpulses 62 der Laserquelle 1, deren sehr kurze Emission im ultravioletten Spektrum damit zu einem präzisen Zeitpunkt t0 des Durchlaufens der Leuchtstoffbedeckung vor der Übertragungsfaser 50 erfolgt (der Abstand zwischen den Marken 40 und der Bedeckung 22 ist in der Tat bekannt). Diese gibt zu diesem präzisen Zeitpunkt den Lichtpuls 63 für die Anregung des Leuchtstoffes aus, dessen Lumineszenz 64 (sichtbare Fluoreszenz im Fall der Kristalle SrF2 : Yb2+ und CaF2 : Yb2+) danach sukzessiv als 65, 66, 67 etc. durch die verschiedenen Aufnahmefasern gemessen wird.
Im Fall der Messungen der Temperatur von sich drehenden Körpern bei großer Geschwindigkeit kann die Struktur der Sonde 2 auf die Synchronisationsfaser 49, die Übertragungsfaser 50 und nur eine einzige Aufnahmefaser, z. B. 51, reduziert werden. Die Auslösung der Laserquelle bei t&sub0; nach dem Durchtritt von zwei Marken hat die Anregung der Leuchtstoffbedeckung auf den Körper an einem vorgegebenen Ort desselben zufolge, und eine erste Messung wird beim Zeitpunkt t&sub1; durchgeführt, wobei die zweite bei der folgenden Rotation bei t1 + T erfolgt (wobei T die Rotationsperiode des sich drehenden Körpers ist). Je nach Abklingdauer des Leuchtstoffes und Drehgeschwindigkeit des sich drehenden Körpers kann die Anregung der Beschichtung bei jeder Umdrehung erfolgen oder nicht.
Die Berechnungen haben gezeigt, daß Messungen bei Temperaturen von flüssigem Wasserstoff bei sich drehenden Körpern und Drehgeschwindigkeiten zwischen etwa 18 500 und 74 000 U/min durchgeführt werden können mit einer Bedeckung aus Calciumfluorid, dotiert mit zweiwertigem Ytterbium, und daß bei Geschwindigkeiten zwischen etwa 256 500 und 1 025 600 U/min diese Messungen ebenso durchgeführt werden können mit einer Strontiumfluoridbedeckung, dotiert mit zweiwertigem Ytterbium. Desgleichen sind bei Temperaturmessungen im Bereich des flüssigen Sauerstoffs bei einer Calciumfluoridbedeckung, dotiert mit zweiwertigem Ytterbium, diese möglich bei Geschwindigkeiten zwischen 150 000 und 600 000 U/min.
Um den Geschwindigkeitsbereich bei Drehungen zu vergrößern, der erreichbar ist, und so eine bessere Anpassung der Meßvorrichtung an die Funktionsbedingungen des sich drehenden Körpers 250 zu erreichen, ist es möglich, wie in Fig. 14 gezeigt, an die Sonde mit vereinfachter Struktur wie oben 200 eine oder mehrere Aufnahmesonden 210, 220 z. B. hinzuzufügen, die um den sich drehenden Körper verteilt sind. Diese Aufnahmesonden 210, 220 umfassen nur eine einzige optische Faser 52, 53 zum Messen der Lumineszenz. So kann bei einer Drehung des sich drehenden Körpers (während der Periode T) eine Zahl von Messungen durchgeführt werden, die gleich der Zahl der um den Körper herum angeordneten Sonden ist. Jedoch werden je nach Geschwindigkeit der Rotation lediglich die durch bestimmte Aufnahmesonden aufgefangenen Intensitäten genutzt.
Wenn α den Winkel (in Radian) zwischen zwei benachbarten Sonden 200, 210 oder 210, 220 bezeichnet und N die Drehgeschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute anzeigt, so ist die Zeit des Durchtritts zwischen zwei Sonden gegeben durch die folgende Gleichung: Δt = 30α/πN, wodurch unter Berücksichtigung des Intervalls, in dem Messungen möglich sind, nämlich
τ/2 < Δt < 2τ,
der folgende Bereich für die meßbaren Rotationsgeschwindigkeiten festgelegt wird:
15α / πτ < N < 60α / πτ.
Bei den obigen Merkmalen ergibt sich, daß das Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung besonders in bezug auf die Geschwindigkeit (10 bis 1 000 000 U/min) und Druck (0 bis 200 bar, oder sogar darüber, je nach Größe der Sonde) groß ist. Die Messung der Temperaturen von kryogenen Fluiden mit Strömungsgeschwindigkeit bis zu 300 m/s oder sogar mehr (je nach Dimension der Sonden) und der Oberflächen, die sich mit diesen Geschwindigkeiten in einem solchen Fluid bewegen, ist somit ohne spezielle Einschränkungen möglich. Die spezielle Struktur der Meßsonde ermöglicht Messungen in explosionsgefährdeter Umgebung ohne spezielle Vorsorge und hohem Risiko elektromagnetischer Störungen. In ihrer vereinfachten Version mit einer einzigen Faser, die von einer metallischen Kapilla re umgeben ist, ist die Aufnahmesonde besonders kompakt und robust. Außerdem werden die Probleme im Zusammenhang mit Messungen in sehr stark oxidierendem Milieu oder bei schwierigem Zugang durch die vorliegende Erfindung einfach gelöst.
Die Wahl der Leuchtstoffe in der Meßvorrichtung erlaubt es, eine sehr hohe Empfindlichkeit bei niedrigen Temperaturen zu erreichen und eine Abklingdauer τ, die klein genug ist, um Aufnahmeraten in hohem Bereich zu erzielen, die bis zu 1000 Messungen pro Sekunde gehen können, die aber ausreichend groß sind, um parasitäre Lumineszenzen von sehr kurzer Dauer zu überschreiten.

Claims

1. Vorrichtung zur optischen Messung von Temperaturen von Kryoganfluiden oder beweglichen Oberflächen in solchen Fluiden durch Analyse des Abklingens der Lumineszenz eines dotierten Kristalls, wobei diese Vorrichtung eine Lichtquelle (1) zum Anregen des Kristalls, eine optische Faser (4, S. 6; 50, 51, 52, 53) zum Transportieren des Lichtflusses, der durch diese Quelle emittiert wurde, bis zum Kristall und zum Zurückleiten zu einer Detektoreinheit (1) für die Lumineszenzlichtemission des Kristalls als Ergebnis und eine Meßsonde (2; 200, 210, 220), gegenüber der sich das Fluid oder die bewegliche Oberfläche verschiebt, umfaßt,

dadurch gekennzeichnet, daß

der dotierte Kristall (22) entweder aus einem Strontiumfluorid, dotiert mit zweiwertigem Ytterbium (SrF2 : Yb2+), oder einem Calciumfluorid, dotiert mit zweiwertigem Ytterbium (CaF2 : Yb2+), besteht.

2. Vorrichtung zur optischen Messung von Kryogentemperaturen nach Anspruch 1, insbesondere ausgelegt zum Messen von Temperaturen von beweglichen Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (2, 200) aus einem Gehäuse (20) besteht, in welchem eine metallische Kapillare (24) angeordnet ist, die wenigstens eine optische Faser (5; 50) zum Übertragen von Lichtfluß, der von der Lichtquelle ausgesendet wurde, und zum Zurückübertragen von Emissionslicht, das durch den dotierten Kristall zurückgeworfen wird, umgibt, und daß der datierte Kristall in Form einer kristallinen Bedeckung (22) vorliegt, die einen vorgegebenen Ort der zu untersuchenden Oberfläche (9) bedeckt.

3. Vorrichtung zur optischen Messung von Kryogentemperaturen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (2) außerdem eine optische Faser (49) zum Übertragen und zum Aufnehmen einer Lichtemission zum Synchronisieren umfaßt und daß die zu untersuchende Oberfläche (9) außerdem wenigstens eine Marke (40) umfaßt, die dieses Emissionslicht reflektiert und in Richtung der Bewegung der Oberfläche in einem vorgegebenen Abstand von der kristallinen Bedeckung (22) angeordnet ist.

4. Vorrichtung zur optischen Messung von Kryogentemperaturen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde eine einzige bidirektionelle Faser (5) umfaßt, die umgeben ist durch eine metallische Kapillare (24), wobei die Einheit in dem Gehäuse (20) angeordnet ist.

5. Vorrichtung zur optischen Messung von Kryogentemperaturen nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde eine Übertragungsfaser (50) für den Lichtfluß von der Lichtquelle (1) und wenigstens eine Aufnahmefaser (51, 52) zum Rückübertragen von Emissionslicht, zurückgeworfen durch die kristalline Bedeckung (22), umfaßt, wobei diese Fasern jeweils von einer metallischen Kapillare (24) umgeben sind.

6. Vorrichtung zur optischen Messung von Kryogentemperaturen nach Anspruch 5, soweit dieser sich auf Anspruch 3 bezieht, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine einzige Aufnahmefaser (51) umfaßt.

7. Vorrichtung zur optischen Messung von Kryogentemperaturen nach den Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (20) außerdem eine optische Linse (28) umfaßt, die am Ausgang der optischen Faser oder Fasern (5; 49, 50, 51, 52) angeordnet ist.

8. Vorrichtung zur optischen Messung von Kryogentemperaturen nach Anspruch 5 oder Anspruch 7, soweit dieser einzig von Anspruch 5 abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine komplementäre Fokussierungsvorrichtung (36) zwischen der Sonde (2) und der zu untersuchenden Oberfläche (9) und am Ausgang der Aufnahmefasern (51, 52) angeordnet umfaßt.

9. Vorrichtung zur optischen Messung von Kryogentemperaturen nach Anspruch 5, soweit dieser von Anspruch 3 abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungslichtquelle (1) gesteuert wird durch eine Detektorvorrichtung (42), die den Lichtfluß empfängt, der von einem Synchronisationsemitter (41) ausgesendet wurde und durch Reflexionsmarken (40) zurückgeworfen wurde, wobei die Detektoreinheit (1) sukzessive die Lichtemissionen empfängt, die durch die kristalline Bedeckung (22) über jede der Aufnahmefasern (51, 52, 53) emittiert wurde, und daß sie außerdem einen Verarbeitungsschaltkreis (400) umfaßt, der Informationen von der Lichtquelle (1), der Detektoreinheit (3) und einem Speicher (46) mit vorgegebenen Werten empfängt.

10. Vorrichtung zur optischen Messung von Kryogentemperaturen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungsschaltkreis einen ersten Schaltkreis (43) zum Bestimmen der Abklingdauer τ der Lumineszenz der kristallinen Bedeckung (22) und einen zweiten Schaltkreis (44) zur Berechnung der Temperatur der zu untersuchenden Oberfläche (9) aus den in dem Speicher (46) abgelegten Werten umfaßt.

11. Vorrichtung zur optischen Messung von Kryogentemperaturen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungsschaltkreis (400) außerdem einen dritten Schaltkreis (45) zum Berechnen der Geschwindigkeit der Verschiebung der zu untersuchenden Oberfläche (9) umfaßt.

12. Vorrichtung zur optischen Messung von Kryogentemperaturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde aus einem Gehäuse (20), an dessen Boden der dotierte Kristall (22) angeordnet ist, und einer metallischen Kapillare (24) besteht, die eine optische Faser (5) für die Übertragung des Lichtflusses von der Lichtquelle (1) und zur Rückübertragung der Lichtemission, zurückgeworfen durch den dotierten Kristall in dem Gehäuse in Kontakt mit dem dotierten Kristall umgibt.

13. Vorrichtung zur optischen Messung von Kryogentemperaturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde aus einem Gehäuse (20) besteht, auf dessen Boden sich der dotierte Kristall in Form einer kristallinen Bedeckung (22) befindet, wobei eine Kapillare (24) eine optische Faser (5) für die Übertragung des Lichtflusses von der Lichtquelle (1) und zur Rückübertragung der Lichtemission, zurückgeworfen durch die kristalline Bedeckung, umgibt, angeordnet in dem Gehäuse gegenüber der Bedeckung, so daß zwischen dem Ende dieser Faser und der Bedeckung eine Kammer (26) definiert wird, und daß das Gehäuse wenigstens eine Eingangsöffnung (30, 34) für das Fluid senkrecht zur Achse der Faser und mündend in der Kammer (26) und wenigstens eine Ausgangsöffnung (32, 34) für das Fluid gegenüber der ersten umfaßt.

14. Vorrichtung zur optischen Messung von Kryogentemperaturen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (2) eine einzige Eingangs- und Ausgangsöffnung in Form einer Öffnung (34) in dem Gehäuse (20) in Höhe der Kammer (26) aufweist.

15. Vorrichtung zur optischen Messung von Kryogentemperaturen nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Linse (28) am Ausgang der Faser (5) in Höhe der Wand der Kammer (26) gegenüber der kristallinen Bedeckung (22) angeordnet ist.

16. Vorrichtung zur optischen Messung von Kryogentemperaturen, speziell eingerichtet für die Bestimmung der Temperatur von sich drehenden Körpern, dadurch gekennzeichnet, daß sie verwendet wird mit einer einzigen Meßsonde (200) nach Anspruch 6.

17. Vorrichtung zur optischen Messung von Kryogentemperaturen, speziell eingerichtet für die Bestimmung von Temperaturen von sich drehenden Körpern, dadurch gekennzeichnet, daß sie eingesetzt wird mit mehreren Meßsonden (200, 210, 220) nach Anspruch 4 oder Anspruch 6, wobei diese Sonden um den sich drehenden Körper (250) verteilt sind und voneinander einen Abstand von einem Winkel α einhalten.