DE19809792A1 - Vorrichtung zum Untersuchen eines Mediums - 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) ist 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 Stahlung (Fig. 1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einer im wesentlichen geschlossenen Kammer, die in ihrem Innenraum ein zu untersuchendes Medium, insbesondere ein heißes Gas oder Plasma aufweist, wobei außenseitig an der Kammer zum Auskoppeln optischer Strahlung aus dem Medium wenigstens eine Empfängersonde an­ geordnet ist, die einen optischen Zugang zu der Kammer hat, wobei der Empfängersonde ein mit einer Meß- und Auswerteeinrichtung verbundener optischer Empfänger zugeordnet ist.

Aus US 4,393,687 kennt man bereits eine Vorrichtung der ein­ gangs genannten Art, die zum Beobachten eines Verbrennungsprozesses im Brennraum eines Otto-Motors eine Zündkerze aufweist, deren Zentralelektrode als Hohlleiter ausgebildet ist, in dessen Innenkern ein optischer Lichtleiter angeordnet ist. Zum Auskoppeln optischer Strahlung aus dem in dem Brennraum befindlichen Verbrennungs­ medium grenzt der Lichtleiter mit seinem einen Axialende an den Brennraum 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 im Brennraum ablaufenden Verbrennungsprozesses, wie sie beispielsweise für die Entwicklung schadstoffarmer Motoren wünschenswert ist, nur sehr begrenzt geeignet.

Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine detailliertere Untersuchung des in der Kammer befindlichen Mediums ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Empfängersonde zur richtungsaufgelösten Erfassung von in Richtung eines Meßpfades aus dem Innenraum der Kammer in die Empfängersonde einfallender optischer Strahlung eine Strahlführung mit einer Abbildungsoptik aufweist. Dadurch ist eine definierte Abbildung von Teilvolumina des in der Kammer schwer zugänglichen Mediums möglich, so daß der Prozeßablauf in dem Medium in bestimmten Teilbereichen des Mediums lokal untersucht werden kann. Dadurch können beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor detailliertere Informationen über die Ausbreitung der Flammfront 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 verteilt mehrere Empfängersonden angeordnet sind, deren Meßpfade 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 in dem Medium ermitteln.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß wenigstens einer Empfängersonde eine einen optischen Zugang zu der Kammer aufweisende Einstrahlsonde zugeordnet ist, die mit einer optischen Strahlungsquelle, insbesondere einem Laser in Einstrahl­ verbindung steht, daß die Einstrahlsonde eine Strahlführung mit einer Abbildungsoptik zum Einkoppeln eines den Innenraum der Kammer entlang eines Meßpfades durchsetzenden optischen Prüfstrahls hat, und daß die Empfängersonde an der Austrittsstelle des Prüfstrahls aus der Kammer angeordnet ist. Mit der Vorrichtung kann also ein Teilvolumen des Innenraums der Kammer mit einem Prüfstrahl durchstrahlt werden. Durch Messung der Intensitätsschwächung des Prüfstrahls beim Durchtritt 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 bei aus dem Innenraum der Kammer entferntem oder bei thermisch inaktivem Medium gemessen und anschließend eine weitere Intensitätsmessung 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.

Vorteilhaft ist, wenn zusätzlich zu wenigstens einer Empfängersonde der eine Einstrahlsonde zugeordnet ist, zumindest eine weitere Empfängersonde vorgesehen ist. Dadurch ist eine gleichzeitige Absorptions- und Emissionsmessung in dem in der Kammer befindlichen Medium möglich.

Vorteilhaft ist, wenn im Strahlengang von der Lichtquelle zu der Einstrahlsonde eine Strahl-Unterbrechungsvorrichtung, insbeson­ dere 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 Einstrahlsonden und Empfängersonden angeordnet sind, und daß die Meßpfade dieser einander zugeordneten Einstrahlsonden und Empfängersonden 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 Einstrahlsonden 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 Unter­ schiede hinsichtlich der Absorption und der Emission des Mediums in dem Detektionsbereich auftreten.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß zusätzlich zu mehreren Empfängersonden deren Meßpfade im wesentlichen in einer gemeinsamen Meßebene verlaufen und einander kreuzen, am Umfang der Kammer verteilt mehrere einander zugeordnete Einstrahlsonden und Empfängersonden 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 sind.

Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, daß wenigstens eine Einstrahl- und/oder zumindest eine Empfängersonde zum gleichzeitigen Ein- oder Auskoppeln mehrerer Prüf- oder Meßstrahlen mit einem zu der optischen Strahlungsquelle oder dem optischen Empfänger führenden, mehrere Lichtleiter aufweisenden Lichtleiterbündel 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 wenigstens eine Einstrahlsonde und/oder zumindest eine Empfängersonde als Hohl-Sonde ausgebildet ist, die einen rückseitigen Anschluß für einen zu der optischen Strahlungsquelle oder dem optischen Empfänger führenden, vorzugsweise lösbar mit der Sonde verbindbaren Lichtleiter aufweist, und daß die Strahlführung mit der Abbildungsoptik innerhalb der Sonde angeordnet ist. Die Sonde kann dann lösbar mit der Kammer verbindbar sein, so daß sie bei Bedarf leicht ausgewechselt werden kann, ohne daß dazu die Kammer demontiert werden muß. Wenn die Kammer der Brennraum eines Verbrennungsmotors ist, kann die Sonde beispielsweise in einer von außen zugänglichen, im Motorblock oder dem Zylinderkopf des Motors befindlichen Inspektionsöffnung angeordnet sein, so daß die Sonde, wenn sie beispielsweise durch Verbrennungsrückstände verschmutzt ist, ohne eine Demontage des Zylinderkopfs vom Motorblock ausgewechselt werden kann. Vorzugsweise ist die Sonde an einem Wandungsdurchbruch der Kammerwand druckdicht mit dieser verbunden. Dadurch lassen sich Verbrennungsprozesse bei Drücken bis 400 Megapascal untersuchen.

Zweckmäßigerweise weist wenigstens eine Empfängersonde und/oder zumindest eine Einstrahlsonde ein dem Innenraum der Kammer zugewandtes optisches Fenster auf, das vorzugsweise in der Hohl-Sonde angeordnet ist und das Innere der Sonde gegen den Innenraum der Kammer abdichtet. Die Strahlführung mit der Abbildungsoptik ist dann gegen Verschmutzung durch das Medium geschützt.

Vorteilhaft ist, wenn die Einstrahlsonde und die Empfängersonde auf derselben Seite der Kammer angeordnet sind und wenn auf der gegenüberliegenden Seite der Kammer eine Strahlumlenkeinrichtung zum Umlenken eines von der Einstrahlsonde ausgesandten Prüfstrahls zu dem der Empfängersonde 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 Einstrahlsonde und die Empfängersonde eine Einheit bilden und insbesondere eine gemeinsame, optische Strahlführung aufweisen und wenn zum Trennen von ein- und aus fallender 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 ist als optische Strahlungsquelle ein Laser vorgesehen, wobei die Einkoppelvorrichtung zum Erzeugen einer inkohärenten Prüfstrahlung eine Streuscheibe aufweist. Dadurch kann eine Prüfstrahlung hoher Intensität erreicht werden, so daß auch Medien, die eine intensive thermische Eigenstrahlung emittieren, untersucht werden können. Dabei werden durch die Streuscheibe Interferenzen in der Prüfstrahlung weitestgehend vermieden.

Vorteilhaft ist, wenn im Strahlengang von der Empfängersonde zu 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 Wellenlängenbereich der Laserstrahlung und/oder eine Absorptionswellenlänge des zu untersuchenden Mediums angepaßt werden.

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

Besonders vorteilhaft ist, wenn in der Kammerwand und/oder der Sonde eine Heizung für das (die) optische(n) 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 Empfängersonden 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 Verbrennungs­ vorganges 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 Kalium-Linie sowie die Durchlaßkurve eines Linien­ filters,

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine zwischen Motorblock und Zylinderkopf eines Motors angeordnete Fensterplatte, mit der Einstrahl- und Empfängersonden lösbar und druck­ dicht verbindbar sind,

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

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

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

Fig. 12 eine Vorrichtung, bei der Einstrahl- und Empfängersonde eine Einheit bilden und eine gemeinsame optische Strahlführung aufweisen, wobei auf der der Sonde gegenüberliegenden Seite der Kammer ein Umlenkspiegel angeordnet ist,

Fig. 13 und 14 einen Querschnitt durch die Längsmittelebene einer winkelförmig ausgebildeten Einstrahlsonde 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 den Brennraum eines Verbrennungsmotors bildet (Fig. 1). Im Innenraum der Kammer 2 ist ein zu untersuchendes Medium 3 angeordnet, nämlich das Ver­ brennungsgas 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 Empfängersonde 5 angeordnet, die einen optischen Zugang zu der Kammer 2 hat. Die Empfängersonde 5 ist rückseitig mit einem Gradientenindex-Lichtleiter 6 mit einem optischen Empfänger 7 verbunden, der an einer Meß- und Auswerteeinrichtung angeschlossen ist.

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 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 Empfängersonde 5 einfallenden optischen Strahlung.

Die Vorrichtung 1 weist ferner eine der Empfängersonde 5 zugeordnete Einstrahlsonde 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 Einstrahlsonde 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 Einstrahlsonde 10 in einer die der Empfängersonde 5 gegenüberliegende Kammerwand 4 durch­ setzenden Wandungsöffnung angeordnet, an der die Empfängersonde 5 von der Außenseite der Kammerwand 4 zugänglich ist. Die mit der Einstrahlsonde 10 in die Kammer 2 eingekoppelte Prüfstrahlung durchläuft das Medium 3 und tritt dann in die Empfängersonde 5 ein, die über einen Gradientenindex-Lichtleiter 12 mit dem optischen Empfänger 7 verbunden ist.

In dem Strahlengang von dem Laser 12 zu der Einstrahlsonde 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 Empfängersonde 5 eingestrahlten 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 Einstrahlsonde 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 transmittierte 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 Intensität L_λ,1 beim Eintritt in die Kammer 2 mit dem der an der Prüfstrahlaustrittsseite der Kammer 2 angeordneten Empfängersonde 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 Intensität 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 1 in dem Detektionsbereich auftreten.

Wie aus Fig. 2 erkennbar ist, wird mittels der Abbildungsoptik 13 der Einstrahlsonde 10 ein 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 2 einer Mehrfachsonde in 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' ausge­ koppelte Strahlung verbunden ist. Die Meßpfade 8, 8' sind etwas geneigt zueinander angeordnet, so daß deren Projektionen auf die Gradientenindexlinsen 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 Empfängersonde 5 und Empfänger 7 ein Linienfilter 18 angeordnet. Die Durchlaßkurve 19 des Linienfilters 18 ist auf eine Absorptions- bzw. Emissions­ wellenlänge 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 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 17) 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 1-Platten-Lyotfilter und der Frequenzgang 23 für die mittels 3-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 zumessenden Temperatur wird anstelle des Mediums 3 ein Kalibrierstrahler 24, zum Beispiel eine Wolframband­ lampe in der Kammer 2 oder dem Meßvolumen angeordnet, was in Fig. 4 schematisch dargestellt ist.

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung der Strahlungs­ intensität als Funktion der schwarzen Temperatur in Wienscher Nährung unter Verwendung realer Meßdaten. Aus den Meßgrößen Eintritts­ intensität L_λ,1, Austrittsintensität L_λ,2 und Emissionsintensität L_λ,3 wird mittels der Strahlungsgesetze von Kirschhoff und Wien direkt die Temperatur des Mediums 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 Meßpfads 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 c₂/_λ. Es kommt bei der Kalibrierung also nur auf die Bestimmung einer durch die Geometrie der Optik bedingten, prinzipiell sogar berechenbaren Proportionalitätskonstante an. Der Strahldichte des Prüfstrahls beziehungsweise des Laserstrahls 4 läßt sich eine schwarze (Wiensche) Temperatur S_λ,Laser zuordnen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 sind am Umfang der Kammer 2 verteilt mehrere, jeweils einander zugeordnete Einstrahlsonden 10 und Empfängersonden 5 angeordnet. Die Meßpfade 8 dieser einander zugeordneten Sonden 5, 10 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 von sind in der Meßebene unter einem Winkel zueinander angeordnet, so daß sich die Meßpfade 8 an einer Vielzahl von Kreuzungspunkten schneiden. Die Einstrahlsonden 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 Empfängersonde 5 und die Einstrahlsonde 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 Gebrauchsstellung 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 Empfängersonde 5 und die Einstrahlsonde 10 jeweils einen Steck- Anschluß für einen zu dem Laser 12 oder dem optischen Empfänger 7, 7' führenden, lösbar mit der Sonde 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 Gradienten­ indexlinse 17, 17', 29 ist eine Linse als Abbildungsoptik 9, 13 im Strahlengang angeordnet.

Zur Beseitigung der Kohärenz in die Einstrahlsonde 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 Empfängersonde 5 und die Einstrahlsonde 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 Empfängersonde 5 und Einstrahlsonde 10 nicht versehentlich vertauscht werden können, weisen die Außengewinde 30 von Empfängersonde 5 und Einstrahlsonde 10 eine unterscheidliche Geometrie, insbesondere eine unter­ schiedliche Gewindesteigung auf. An dem dem optischen Fenster 28 abgewandten Ende sind zum Fixieren und Lösen der Gewindeverschraubung 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 Einstrahlsonde 10 und die Empfängersonde 5 auf derselben Seite der Kammer 2 angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Seite der Kammer 2 ist eine Strahlumlenk­ einrichtung 32 zum Umlenken eines von der Einstrahlsonde 10 ausgesandten Prüfstrahls zu dem der Empfängersonde 5 zugeordneten Empfänger 7, 7' vorgesehen ist.

Die Einstrahlsonde 10 und die Empfängersonde 5 bilden eine Baueinheit und weisen eine gemeinsame Abbildungsoptik 9 sowie eine gemeinsame Gradientenindexlinse 17 als Kollimator für den Lichtleiter 6 auf. Zum Trennen von ein- und ausfallender Strahlung ist ein dichroiti­ scher Spiegel 33 im Strahlengang zwischen der Sonde 5, 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 Einstrahlsonden 10 sind winkelförmig ausgebildet und weisen eine 90°-Strahlumlenkung auf. Innerhalb der Strahlführungist zur Strahlumlenkung ein Umlenkspiegel 34 angeordnet, der als Fokussierspiegel ausgebildet ist und gleichzeitig die Abbildungsoptik bildet. Die Einstrahlsonde 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 ent­ gegengesetzten Richtungen ergibt, so daß der in die Einstrahlsonde 10 eintretende und der aus der Einstrahlsonde 10 austretende Lichtstrahl zueinander parallelversetzt sind.

Fig. 15 zeigt die Einstrahlsonde 10 nach Fig. 14 in Gebrauchs­ stellung. Deutlich ist zu erkennen, daß die Geometrie der Einstrahlsonde 10 an die Platzverhältnisse an der Außenseite der Kammerwand 4 angepaßt ist. Um ein einfaches Austauschen der Einstrahlsonde 10 ohne eine Demontage des darüberbefindlichen Ansaugkrümmers 27 zu ermöglichen, weist die Einstrahlsonde 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 Empfängersonde (5) angeordnet, die einen optischen Zugang zu der Kammer (2) hat. Der Empfängersonde (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 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.

Claims (19)

1. Vorrichtung mit einer im wesentlichen geschlossenen Kammer (2), die in ihrem Innenraum ein zu untersuchendes Medium (3), insbesondere ein heißes Gas oder Plasma aufweist, wobei außenseitig an der Kammer (2) zum Auskoppeln optischer Strahlung aus dem Medium (3) wenigstens eine Empfängersonde (5) angeordnet ist, die einen optischen Zugang zu der Kammer (2) hat, wobei der Empfängersonde (5) ein mit einer Meß- und Auswerteeinrichtung verbundener optischer Empfänger (7, 7') zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängersonde (5) zur richtungsaufgelösten Erfassung von in Richtung eines Meßpfades (8, 8') aus dem Innenraum der Kammer (2) in die Empfängersonde (5) einfallender optischer Strahlung eine Strahlführung mit einer Abbildungsoptik (9) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang der Kammer (2) verteilt mehrere Empfängersonden (5) angeordnet sind, deren Meßpfade (8, 8') im wesentlichen in einer gemeinsamen Meßebene verlaufen und einander kreuzen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer Empfängersonde (5) eine einen optischen Zugang zu der Kammer (2) aufweisende Einstrahlsonde (19) zugeordnet ist, die mit einer optischen Strahlungsquelle, insbesondere einem Laser (12) in Einstrahlverbindung steht, daß die Einstrahlsonde (10) eine Strahlführung mit einer Abbildungsoptik (13) zum Einkoppeln eines den Innenraum der Kammer (2) entlang eines Meßpfades (8) durchsetzenden optischen Prüfstrahls hat, und daß die Empfängersonde (5) an der Austrittsstelle des Prüfstrahls aus der Kammer (2) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu wenigstens einer Empfängersonde (5), der eine Einstrahlsonde (10) zugeordnet ist, zumindest eine weitere Empfängersonde (5) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang von der optischen Strahlungsquelle zu der Einstrahlsonde (10) eine Strahl- Unterbrechungsvorrichtung, insbesondere eine Bragg-Zelle (14) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang der Kammer (2) verteilt mehrere, jeweils einander zugeordnete Einstrahlsonden (10) und Empfängersonden (5) angeordnet sind, und daß die Meßpfade dieser einander zugeordneten Sonden (5, 10) im wesentlichen in einer gemeinsamen Meßebene verlaufen und einander kreuzen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu mehreren Empfängersonden (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 sonden (10) und Empfängersonden (5) vorgesehen sind, deren Meßpfade (8) ebenfalls einander kreuzen und im wesentlichen in der Meßebene oder etwas zu dieser versetzt verlaufen.

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

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Einstrahlsonde (10) und/oder zumindest eine Empfängersonde (5) als Hohl-Sonde ausgebildet ist, die einen rückseitigen Anschluß für einen zu der optischen Strahlungsquelle oder dem optischen Empfänger (7, 7') führenden, vorzugsweise lösbar mit der Sonde (5, 10) verbindbaren Lichtleiter (6, 11, 16, 16') aufweist, und daß die Strahlführung mit der Abbildungsoptik (9, 13) innerhalb der Sonde angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Empfängersonde (5) und/oder zumindest eine Einstrahlsonde (10) ein dem Innenraum der Kammer (2) zugewandtes optisches Fenster (28) aufweist und daß das Fenster (28) vorzugsweise in der Hohl-Sonde (5, 10) angeordnet ist und das Innere der Sonde (5, 10) gegen den Innenraum der Kammer abdichtet.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstrahlsonde (10) und die Empfänger­ sonde (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 Einstrahlsonde (10) ausgesandten Prüfstrahls zu dem der Empfängersonde (5) zugeordneten Empfänger (7, 7') vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstrahlsonde (10) und die Empfänger­ sonde (5) eine Baueinheit bilden und insbesondere eine gemeinsame, optische Strahlführung aufweisen und daß zum Trennen von ein- und ausfallender Strahlung ein Strahlteiler, insbesondere ein dichroitischer Spiegel (33) im Strahlengang angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der an eine Einstrahlsonde (10) beziehungs­ weise an eine Empfängersonde(S) angeschlossene Lichtleiter (6, 13, 16, 16') an seinem der Sonde (5, 10) zu- und/oder seinem der Sonde (5, 10) abgewandten Ende eine Gradienten­ indexlinse (17, 29) als Kollimator aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als optische Strahlungsquelle ein Laser (12) vorgesehen ist und daß die Einstrahlsonde (10) zum Erzeugen einer inkohärenten Prüfstrahlung eine Streuscheibe (25) aufweist.

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

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Empfängersonde (5) und/oder Einstrahlsonde (10) winkelförmig ausgebildet ist und daß innerhalb der Strahlführung zur Strahlumlenkung wenigstens ein Umlenkspiegel (34, 35) oder dergleichen Umlenkoptik angeordnet ist, die vorzugsweise als Abbildungsoptik ausge­ bildet ist.

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

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde ein Außengewinde (30) zum Einschrauben in eine Gewindebohrung der Kammerwand oder einen Bajonettanschluß aufweist und daß sich rückseitig an das Außengewinde (30) oder den Bajonettanschluß eine umlaufende Dichtfläche anschließt.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Kalibrieren eines in dem Medium (3) gemessenen Temperaturmeßwertes einen Kalibrierstrahler (24) mit einer bekannten schwarzen Temperatur aufweist.