DE954201C

DE954201C - Method and device for measuring the temperature of gaseous objects to be measured, in particular flames

Info

Publication number: DE954201C
Application number: DEO4241A
Authority: DE
Inventors: Andre Moutet
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1954-04-27
Filing date: 1955-04-22
Publication date: 1956-12-13

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Temperatur von gasförmigen MeBobjekten, insbesondere Flammen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung-zur Messung der Temperatur von gasförmigen Meßobjekten, insbesondere von leuchtenden oder nicht leuchtenden Flammen.Method and device for measuring the temperature of gaseous Measurement objects, in particular flames The invention relates to a method and a Device for measuring the temperature of gaseous objects to be measured, in particular of luminous or non-luminous flames.

Bekanntlich kann man die Temperatur eines gasförmigen Meßobjektes, insbesondere einer Flamme, dadurch bestimmen, daß man durch das Meßobjekt ein Lichtbündel (Meßbündel) schickt, welches von einer Lichtquelle, z. B. einem Glübfaden, ausgesandt wird und dessen Strahlungsenergie E für eine bestimmte Wellenlänge A, bekannt ist. Zur Feststellung der Temperatur der Flamme muß dann für die gleiche Wellenlänge einerseits die Energie E (z-a) + e des aus dem Meßobjekt austretenden Bündels gemessen werden, welche durch die Summe der von der Flamme nicht absorbierten EnergieE (1-a) des Meßbündels und der von der Flamme selbst ausgesandten Energie c gebildet wird, und andererseits dieser Wert e allein, wobei a der Absorptionskoeffizient der Flamme für die Wellenlänge A, ist.As is known, the temperature of a gaseous object to be measured, in particular a flame, can be determined by sending a light beam (measuring beam) through the object to be measured, which is emitted by a light source, e.g. B. a glow filament, is sent and the radiation energy E for a certain wavelength A is known. To determine the temperature of the flame, the energy E (za) + e of the bundle emerging from the measuring object must be measured for the same wavelength, which is the sum of the energy E (1-a) of the measuring bundle and the energy c emitted by the flame itself is formed, and on the other hand this value e alone, where a is the absorption coefficient of the flame for the wavelength A.

Bisher wurden die beiden Werte nacheinander z. B. unter Benutzung eines drehbaren Verschlusses gemessen, welcher das Meßbündel abwechselnd durchläBt und abblendet. Bei schnell veränderlichen Temperaturen kam man jedoch zu derartig hohen Frequenzen für die periodische Abblendung des Meßbündels, daß diese Abblendung schwierig, wenn nicht unmöglich wurde.So far, the two values were successively z. B. using measured by a rotatable fastener, which alternates the measuring beam lets through and fades out. With rapidly changing temperatures, however, you came at such high frequencies for the periodic dimming of the measuring beam that this stopping down became difficult, if not impossible.

Die Erfindung bezweckt insbesondere, diese Schwierigkeit auszuschalten.In particular, the invention aims to obviate this difficulty.

Gemäß der Erfindung wird das Lichtbündel vor dem Meßobjekt teilweise, vorzugsweise auf die Hälfte seines Querschnitts, abgeblendet und werden hinter dem Meßöbjekt, jeweils in den Grenzen des abgeblendeten bzw. des nicht abgeblendeten Teils, die Strahlungsenergien der beiden aus dem Meßobjekt austretenden Bündel bestimmt.According to the invention, the light beam in front of the measurement object is partially preferably to half its cross-section, dimmed and be behind the Measurement object, in each case within the limits of the dimmed or not dimmed In part, the radiation energies of the two bundles emerging from the test object are determined.

Auf diese Weise können gleichzeitig und kontinuierlich die beiden Werte "E (i-a) + e" und "e" gemessen werden, was die Erfindung besonders für die Messung von schnell veränderlichen Temperaturen geeignet macht.In this way the two can simultaneously and continuously Values "E (i-a) + e" and "e" are measured, which makes the invention especially for the Measurement of rapidly changing temperatures makes it suitable.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.The invention is described below by way of example with reference to the drawing explained.

Fig. i und 2 zeigen das optische Schema eines erfindungsgemäßen Meßgeräts; Fig. 3 zeigt ebenfalls schematisch die verschiedenen Teile des Geräts, welche sich vor dem Meßobjekt, insbesondere einer Flamme, befinden, dessen Temperatur gemessen werden soll; Fig. 4 zeigt eine Einzelheit der Fig. 3 ; Fig. 5 schließlich zeigt schematisch die Empfangsgeräte, welche hinter einem Spektrographen oder einem ähnlichen Gerät angeordnet sind, auf dessen Eingangsschlitz die aus der Flamme kommenden Strahlungen projiziert werden.Figs. I and 2 show the optical scheme of a measuring device according to the invention; Fig. 3 also shows schematically the various parts of the device which are in front of the object to be measured, in particular a flame, whose temperature is measured shall be; Figure 4 shows a detail of Figure 3; Fig. 5 finally shows schematically the receiving devices, which are behind a spectrograph or a similar one Device are arranged, on whose entrance slit the radiation coming from the flame projected.

Durch die Flamme, deren Ebene durch die Ebene A-A der Fig. i angegeben ist, wird ein Lichtstrahlenbündel geschickt, welches Meßbündel genannt wird und von einer Lichtquelle i erzeugt wird, deren Strahlungsenergie E für eine gegebene Wellenlänge bekannt ist. Diese Lichtquelle kann z. B. durch einen Wolfram faden einer Lampe von 6 V und ioo W gebildet werden.By the flame, the plane of which is indicated by plane A-A of Fig. I is, a light beam is sent, which is called the measuring beam and is generated by a light source i, the radiation energy E of which for a given Wavelength is known. This light source can, for. B. thread through a tungsten a lamp of 6 V and 100 W.

Zwischen dieser Lichtquelle i und der Ebene A-A der Flamme ist zunächst eine Blende 2 und hierauf eine Optik 3 angeordnet, welche das Bild des Glühfadens i vergrößert in der Ebene B-B an der Stelle i. wiedergibt. In der gleichen Ebene ist erfindungsgemäß eine verstellbare Blende mit einer scharfen, geradlinigen Kante vorgesehen, welche nachstehend »Messer« genannt ist und dazu dient, einen Teil, und zwar vorzugsweise die Hälfte, des Bildes i" abzublenden, das in der Ebene B-B durch das von der Lichtquelle i ausgesandte Bündel gebildet wird. Mit Hilfe einer zweiten Optik 4 wird das Bild i" in der Ebene A-A an der Stelle ib wieder gebildet, wobei dieses Bild nur zur Hälfte aus dem von dem Glühfaden i kommenden Meßbündelbesteht, währenddie andereHälfte durchdas Messer verdunkelt ist. Eine dritte, hinter der Flamme liegende Optik 5 projiziert die "von der Fläche des Bildes ib kommenden Strahlen auf den Eingangsschlitz eines Zerstreuungssystems, insbesondere eines Spektrographen, dessen Eingangsschlitz mit einer Feldlinse 6 (Fig.2) versehen ist, während das innere optische System dieses Spektrographen schematisch durch 7 und sein Ausgangsschlitz durch 8 angedeutet sind.Between this light source i and the plane A-A of the flame is first a diaphragm 2 and arranged thereon an optics 3, which the image of the filament i enlarged in plane B-B at point i. reproduces. In the same plane is according to the invention an adjustable diaphragm with a sharp, straight edge provided, which is hereinafter referred to as the "knife" and serves to cut a part, and preferably half of the image i ″ that is in plane B-B is formed by the beam emitted by the light source i. With the help of a second optics 4, the image i "is formed again in the plane A-A at the point ib, only half of this image consists of the measuring bundle coming from the filament i, while the other half is obscured by the knife. A third, behind that Optics 5 lying in the flame project the rays coming "from the surface of the image ib onto the entrance slot of a diffusion system, in particular a spectrograph, whose entrance slit is provided with a field lens 6 (Fig.2), while the inner optical system of this spectrograph schematically through 7 and its exit slit are indicated by 8.

Infolge der teilweisen Abblendung des Bildes i" der Lichtquelle des Meßbündels mittels des Messers hat nur der zu dem Spektrographen gelangende und durch diesen hindurchgehende nicht abgeblendete Teil des Bündels eine Energie, welche dem obigen Wert E (i - a) + e entspricht, während der Teil des Bündels, welcher dem durch das Messer abgeblendeten Querschnitt entspricht, nur die EiZergie e hat. Zur Bestimmung des Wertes E (i - a) + e einerseits und des Wertes e andererseits für eine bestimmte Wellenlänge ;, genügt es, hinter dem Spektrographen die beiden obigen Teile des Bündels voneinander zu trennen und sie auf zwei verschiedene Empfänger (z. B. zwei Photozellen) wirken zu lassen.As a result of the partial dimming of the image i "of the light source of the measuring beam by means of the knife, only that part of the beam that reaches the spectrograph and does not pass through it has an energy which corresponds to the above value E (i - a) + e, during the Part of the bundle, which corresponds to the cross-section masked by the knife, only has the EiZergy e. To determine the value E (i - a) + e on the one hand and the value e on the other hand for a certain wavelength; it is sufficient to follow the spectrograph with the to separate the two above parts of the bundle and let them act on two different receivers (e.g. two photocells).

Hierfür wird hinter dem Ausgangsschlitz 8 des Spektrographen mittels einer Optik 9- das menochromatische Bild der Lichtquelle in der Ebene C-C wieder hergestellt, und es wird an der Stelle, an welcher dieses Bild wieder hergestellt wird, ein Aluminiumspiegel :[o angeordnet, welcher z. B. den Teil des Bündels, welcher dem abgeblendeten Querschnitt entspricht und dessen Energie dem Wert e entspricht, zu einem Empfänger R1 ablenkt, während der Teil des Bildes, welcher der nicht abgeblendeten Zone entspricht und dessen Energie dem Wert E (i -a) + e entspricht, nicht abgelenkt wird und auf einen Empfänger R, fällt. Die Angaben dieser Empfänger gestatten somit die Bestimmung der Energien dieser beiden Teile des Bündels.For this purpose, behind the exit slot 8 of the spectrograph by means of an optical system 9 - the menochromatic image of the light source in the plane C-C again and it is restored to the point where this image was created is arranged, an aluminum mirror: [o which z. B. the part of the bundle which corresponds to the shaded cross-section and whose energy corresponds to the value e, to a receiver R1 while the part of the image which is not masked out Zone corresponds and whose energy corresponds to the value E (i -a) + e, not deflected becomes and falls on a receiver R,. The details of these recipients thus permit determining the energies of these two parts of the bundle.

Fig. g, 4 und 5 zeigen die Hauptteile des Geräts, dessen Aufbau dem in Fig. i und 2 dargestellten Schema entspricht.Fig. G, 4 and 5 show the main parts of the device, the structure of which in Fig. i and 2 corresponds to the scheme shown.

Gemäß Fig. 3 sind die Lampe i mit Wolframfaden, die Blende 2, das optische System 3, der Halter des Messers ii und das optische System 4 auf einem gemeinsamen Sockel 12 angebracht und von einem Gehäuse 13 umschlossen. Das Messer ii kann sowohl waagerecht als auch lotrecht verstellt werden. Diese Verstellung erfolgt mit Hilfe von zwei lotrecht bzw. waagerecht angeordneten Schrauben 14 und 15. Die das Meßbündel unterteilende scharfe Kante des Messers ist gemäß Fig. 4 die auf der linken Seite des Messers liegende lotrechte Kante.According to Fig. 3, the lamp i with tungsten filament, the aperture 2, the optical system 3, the holder of the knife ii and the optical system 4 on one common base 12 attached and enclosed by a housing 13. The knife ii can be adjusted horizontally as well as vertically. This adjustment takes place with the help of two vertically or horizontally arranged screws 14 and 15. The sharp edge of the knife dividing the measuring bundle is according to FIG perpendicular edge on the left side of the knife.

Fig. 5 zeigt schematisch den Spektrographen 7, an dessen Ausgang das Bündel durch einen Spiegel 16 au£ einen regelbaren Schlitz 1,7 geworfen wird. Das optische System 8 erzeugt das Bild der Lichtquelle des Bündels an der Stelle des Aluminiumspiegels io, welcher, wie bereits oben ausgeführt, einen Teil des Bündels auf den Empfänger R1 wirft, während der Rest des Bündels nicht abgelenkt wird und auf den Empfänger R2 fällt. Das Gerät ist noch mit Mitteln zur Regelung der Breite des Schlitzes 17, des Wertes von R und des Parallelismus sowie mit Mitteln für die Scharfeinstellung des Bildes versehen, wobei die letzteren Mittel mit den Zahlen 18, ig und 2o bezeichnet sind.Fig. 5 shows schematically the spectrograph 7, at the output of which the The bundle is thrown through a mirror 16 onto an adjustable slot 1.7. That optical system 8 generates the image of the light source of the beam at the location of the Aluminum mirror io, which, as already stated above, is part of the bundle on the receiver R1 while the rest of the bundle is not deflected and falls on receiver R2. The device is still with means for regulating the width of slot 17, the value of R and parallelism, as well as means for the Focusing the image provided, the latter means using the numbers 18, ig and 2o are designated.

Bei der Benutzung des obigen Geräts für die Messung der Temperatur eines Meßobjektes, insbesondere einer Flamme, zieht man zunächst das Messer ii vollständig zurück und bringt den Glühfaden der Lampe i auf die gewünschte Glühtemperatur. Die Empfänger R1 und R2 liefern dann Angaben, welche zu Anfang nicht unbedingt gleich sind, da Unterschiede dadurch entstehen können, daß der Spiegel io das Bündel nicht in genau gleichen Teilen ablenkt, daß die Empfindlichkeiten der Empfänger nicht gleich sind und daß der Spiegel io einen Reflexionskoeffizienten hat, der kleiner als l ist. Natürlich darf der Unterschied der Angaben der Empfänger nicht von Unterschieden der Strahlung der verschiedenen Abschnitte des Glühfadens herrühren, da die Gleichmäßigkeit der Strahlung des ganzen Glühfadens eine wesentliche Bedingung für befriedigende Meßergebnisse ist.When using the above device to measure temperature of an object to be measured, in particular a flame, the knife ii is first pulled completely back and brings the filament of lamp i to the desired glow temperature. the Recipients R1 and R2 then provide information which is not necessarily at the beginning same because differences can arise from the fact that the mirror is not the bundle in exactly equal parts that distracts the sensitivities of the recipient not are equal and that the mirror io has a reflection coefficient which is smaller than l is. Of course, the difference in the information provided by the recipient must not differ from any difference of the radiation from the different sections of the filament, as the uniformity the radiation of the whole filament an essential condition for satisfactory Measurement results is.

Die etwaigen Unterschiede der Angaben der beiden Empfänger werden dann durch die Einstellung des Verstärkers des einen oder des anderen Empfängers ausgeglichen, bis die Angaben der beiden Empfänger die gleichen sind. Hierauf wird das Messer in das Bündel hineinbewegt und in die richtige Stellung gebracht, welche die ist, in welcher die Anzeige des Empfängers R1 auf den Nullpunkt zurückgeht, während die Anzeige des Empfängers R2 unverändert bleibt. In diesem Augenblick teilt das Messer das Lichtbündel genau in der gleichen Weise in zwei Teile wie der Spiegel io, und die Vorrichtung ist zur Registrierung der beiden Werte "E (i - a) + e° und "e" bereit. Man bringt nun das. Gerät in bezug auf die Flamme, deren Temperatur gemessen werden soll, in eine solche Lage, daß das Bild lb in die Ebene der Flamme fällt, und mißt die von dem Empfänger R1 bzw. von dem Empfänger R2 empfangenen Energien, wobei die von dem Empfänger R1 empfangene dem Wert e und die von dem Empfänger R2 empfangene dem Wert E (i -a) + e entspricht. Da die Strahlungsenergie des Meßbündels ebenfalls bekannt ist, besitzt man so alle zur Berechnung der Flammentemperatur erforderlichen Parameter. Da die beider. Werte E (i -a) + e und e gleichzeitig und fortlaufend ohne Zuhilfenahme irgendeines beweglichen mechanischen Teils erhalten werden, gestattet die obige Vorrichtung die Bestimmung der Temperatur einer Flamme, welche sich sehr schnell ändert. Sie ist daher besonders für die Untersuchung von Detonations- oder Explosionserscheinungen geeignet. Die Anzeigen der beiden Empfänger R1 und R2 entsprechen zwar nicht genau den gleichen Zonen der Flamme, aber immerhin sehr benachbarten Zonen. Bei Verringerung der Oberflächen dieser Zonen auf den mit den Empfindlichkeiten der Empfänger verträglichen..Mindestwert (die Gesamtfläche des untersuchten Gebiets kann ein Bruchteil von i mm2 sein und z. B. etwa 1/1o mm 2 betragen) ist jedoch der Fehler, welcher davon herrührt, daß die untersuchten Zonen nicht zusammenfallen, vernachlässigbar, selbst bei einer Flamme, welche sich nicht im thermischen Gleichgewicht befindet. Natürlich ist dieser Fehler bei einer Flamme mit thermischem Gleichgewicht nicht vorhanden.Any differences in the information from the two receivers are then compensated for by adjusting the amplifier of one or the other receiver until the information from the two receivers is the same. The knife is then moved into the bundle and brought into the correct position, which is that in which the display of the receiver R1 goes back to the zero point, while the display of the receiver R2 remains unchanged. At this point the knife divides the light beam into two parts in exactly the same way as the mirror io, and the device is ready to register the two values "E (i - a) + e ° and" e " In relation to the flame, the temperature of which is to be measured, the device is in such a position that the image Ib falls in the plane of the flame, and measures the energies received by the receiver R1 and from the receiver R2, respectively, the energies received by the Receiver R1 received the value e and that received by receiver R2 corresponds to the value E (i -a) + E. Since the radiation energy of the measuring beam is also known, all the parameters required to calculate the flame temperature are available E (i -a) + e and e are obtained simultaneously and continuously without the aid of any moving mechanical part, the above device makes it possible to determine the temperature of a flame which changes very rapidly and is therefore special suitable for the investigation of detonation or explosion phenomena. The displays of the two receivers R1 and R2 do not correspond exactly to the same zones of the flame, but at least very adjacent zones. If the surfaces of these zones are reduced to the minimum value compatible with the sensitivities of the receiver (the total area of the area examined can be a fraction of i mm2 and, for example, about 1/10 mm 2), however, the error is which of these originates from the fact that the zones examined do not coincide, negligibly, even with a flame which is not in thermal equilibrium. Of course, this error does not exist with a flame with thermal equilibrium.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Method for measuring the temperature of a gaseous test object, in particular a flame, in which a light bundle (measuring bundle) is sent through this test object, the radiation energy of which is known for a certain wavelength, characterized in that the light bundle in front of the test object is partially, preferably half its cross-section, is masked and that behind the measurement object, in each case within the limits of the masked or non-masked part, the radiation energies of the two measuring beams emerging from the measurement object are determined.

2. Device for performing the method according to claim i, characterized in that between the light source (i) of the bundle and the main plane (AA) of the measurement object, in particular the flame, the temperature of which is to be measured, an optic (3) is arranged, which reproduces the image of the light source in a plane (BB) lying in front of the measurement object, and that a diaphragm is arranged in this plane, which intercepts a part, preferably half, of the rays forming the image of the light source, and that also a second optic (q.) is arranged between this latter plane (BB) and the plane (A -A) of the measurement object, which forms the partial image of the light source in the plane (A -A) of the measurement object, and that finally a third lens (5 ) is arranged behind the Meßobj ekt, which ect the rays emerging from the part of the Meßobj in which the second optics (q.) Without the partial glare through the aperture (ii) the entirety of the image of the light source gebil det would have to the input of a dispersing device, e.g. B. a spectrograph projected.

3. Device according to claim 2, characterized in that the diaphragm has the shape of a Knife with a sharp, straight edge and that it is attached so that that their position relative to the measuring bundle can be regulated. q.

Apparatus according to claim 2 and 3, characterized by means arranged behind the spectrograph, which that from the part of the measurement object corresponding to the area of the image of the light source Divide emerging bundles into two parts, one of which is the non-dimmed Part of the image of the light source and the other the shaded part of this image corresponds, and that these sub-bundles operate two different receivers z. B. two photocells.

5. Apparatus according to claim q., Characterized in that behind the exit slit (8) of the spectrograph a monochromatic image of the Light source forming optics (g) is arranged, one at the point of formation this image arranged mirror (io) is formed so that it is one of the parts of the light beam, which z. Corresponds to the shaded section, to a first receiver (R1) deflects, while the other does not deflect from the mirror and the portion of the light beam corresponding to the non-shielded portion second receiver (R2) falls.