DIN 51866-2-2001 Temperature measurement - Part 2 Rayleigh- and Raman scattering《温度测量 第2部分 瑞利和喇曼散射》.pdf

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1、DEUTSCHE NORM51866-2 DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise,nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 BerlinICS 17.200.01Temperature measurement Part 2: R

2、ayleigh and Raman scatteringMesurage de la temprature Partie 2: Dispersion de Rayleigh et RamanVorwortDie vorliegende Norm wurde vom Arbeitskreis Temperaturmessung in heien, reaktiven Gasen“ desArbeitsausschusses NMP 571/FABERG Anforderungen an und Prfung von Brenngasen“ ausgearbeitet.DIN 51866 Temp

3、eraturmessung“ besteht aus: Teil 1: bersicht ber laserspektroskopische Verfahren; Teil 2: Rayleigh- und Raman-Streuung.Der Anhang A ist informativ.EinleitungDie physikalische Grundlage fr beide Messverfahren, Rayleigh-Streuung und Raman-Streuung, ist dieStreuung von Photonen an Moleklen, wie sie bei

4、 der Einstrahlung von Photonen aus einer Lichtquelle(z. B. Laser) in ein gasfrmiges Medium beobachtet wird. Bei Streuung des Lichts bei der gleichen Wellen-lnge, wie sie eingestrahlt wurde (elastische Streuung), spricht man von Rayleigh-Streuung. Wird dieStreustrahlung bei einer gegenber der eingest

5、rahlten Wellenlnge verschobenen Wellenlnge beobachtet(inelastische Streuung), handelt es sich um Raman-Streuung. Beide Prozesse knnen zur Temperatur-bestimmung in Gasen verwendet werden. Dabei haben sie als optische Verfahren besondere Eigenschaften,nmlich: berhrungsfrei, d. h. ohne Rckwirkung auf d

6、as Messobjekt, hohe rumliche Auflsung, durch Fokussierung des Lasers bzw. Ortsauflsung des Detektors, zeitliche Auflsung, bei Verwendung gepulster Laserlichtquellen und Einzelpulstechnik.Verfahrensspezifische Vorteile:Beide Verfahren erfordern eine Laserlichtquelle mit (im Prinzip) beliebiger Wellen

7、lnge, also keineAbstimmbarkeit der Lichtquelle. Spezielle Raman-Verfahren sind selbstkalibrierend.Es muss jedoch beachtet werden, dass diese Verfahren nicht generell unter allen beliebigen Versuchsbedin-gungen angewandt werden knnen. Vielmehr bedarf es im Vorfeld einer genauen Analyse der experiment

8、ellenParameter, um eine Auswahl des Messverfahrens zu treffen und optimale Ergebnisse zu erzielen.Fr den Einsatz der Rayleigh-Streuung spricht der einfache experimentelle Aufbau, whrend Raman-Streuung auch in Messsituationen einsetzbar ist, in denen die Gaszusammensetzung stark schwankt.Entwurf Augu

9、st 2001Fortsetzung Seite 2 bis 8Normenausschuss Materialprfung (NMP) im DIN Deutsches Institut fr Normung e.V.TemperaturmessungTeil 2: Rayleigh- und Raman-StreuungRef. Nr. DIN 51866-2:2001-08Preisgr. 07 Vertr.-Nr. 0007Seite 2DIN 51866-2:2001-08Rayleigh-StreuungBei der Rayleigh-Streuung wird die Inte

10、nsitt des gestreuten Lichts (Messsignal) durch die Anzahl der im Mess-volumen vorhandenen Molekle bestimmt. Das Messsignal ist somit proportional zur Dichte des untersuchtenGases. Aus der Dichte eines Gases lsst sich bei bekanntem Druck die Temperatur bestimmen. Die Rayleigh-Streuung erfolgt unabhng

11、ig von molekularen Resonanzen. Bei Einstrahlung einer beliebigen Lichtwellenlngetragen alle im Messvolumen beleuchteten Molekle zum Messsignal bei, allerdings mit moleklspezifischen Streu-querschnitten. Fr genaue Temperaturmessungen muss daher die Gaszusammensetzung bekannt sein und beider Messsigna

12、lauswertung bercksichtigt werden. Da die Rayleigh-Streuquerschnitte umgekehrt proportional zur4. Potenz der eingestrahlten Frequenz des Anregungslichts sind, nehmen die Signalintensitten bei Anregung imkurzwelligen Spektralbereich zu. Das Messsignal wird resonant mit der Anregungswellenlnge beobacht

13、et.Streulicht, hervorgerufen durch Reflexionen an Fenstern, Gehusewnden, usw., oder Streulicht von Partikeln imGasvolumen (Mie-Streuung) kann eine schwerwiegende Verflschung des Messsignals und damit der zu bestim-menden Temperatur verursachen (siehe 1).Raman-StreuungBei der spontanen Raman-Streuung

14、 (kurz: Raman-Streuung) wird die Intensitt des gestreuten Lichts(Messsignal) durch die Anzahl der im Messvolumen vorhandenen Molekle bestimmt, jedoch werden dieMesssignale bei unterschiedlichen, moleklspezifischen Wellenlngen beobachtet. Zur Anregung kann eben-falls eine (im Grundsatz) beliebige Lic

15、htwellenlnge benutzt werden. Es sollte aber eine moleklresonanteAnregung vermieden werden. Aufgrund der sehr niedrigen Raman-Streuquerschnitte, die auch hier mit der4. Potenz der Frequenz der Anregungswellenlnge zunehmen, empfiehlt sich jedoch die Verwendung vonLaserlichtquellen, die im kurzwelligen

16、 bis tiefen UV-Bereich emittieren.Die Temperaturbestimmung mit Raman-Streuung kann nach zwei Methoden geschehen: aus der Gesamtdichte bei konstantem Druck im Messvolumen, indem die mit Raman-Streuung simultanbestimmten Molenbrche aller im Messvolumen vorhandenen Gasarten ausgewertet werden (siehe 2)

17、,und aus der Bestimmung der Besetzungsdichten molekularer Energiezustnde, deren Besetzung im thermo-dynamischen Gleichgewicht eine eindeutige Funktion der Temperatur ist (Boltzmann-Besetzung) (siehe 3).Bei der letztgenannten Methode knnen verschiedene spektrale bergnge zur Temperaturbestimmungherang

18、ezogen werden, nmlich: das reine Rotations-Spektrum (siehe 4)und das Rotations-Schwingungs-Spektrum (siehe 5).Dabei liefert das Rotations-Schwingungs-Spektrum die gewnschte Temperaturinformation aus der spektralenStruktur 5 oder aus dem Verhltnis der integrierten Intensitten der Stokes- und anti-Sto

19、kes-bergnge(siehe 6). Diese unterschiedlichen Varianten stellen unterschiedliche Anforderungen an die apparative Anord-nung, z. B. hinsichtlich der spektralen Auflsung. Als Indikatormolekle eignen sich bevorzugt zweiatomigeGase wie N2, O2und H2, in Verbrennungssystemen in erster Linie N2.1 Anwendung

20、sbereichDiese Norm gibt die Vorschriften fr die laserspektroskopische Temperaturmessung mittels Rayleigh- oderRaman-Streuung in heien, reaktiven Gasen. Als erprobten Druckbereich lsst sich 0,1 MPa bis 4,0 MPaangeben. Beide Messverfahren sind fr den Einsatz im Temperaturbereich von 300 K bis 3000K er

21、probt.Durch geeignete Wahl des Lasersystems kann sowohl eine hohe zeitliche als auch rumliche Auflsungerreicht werden. Whrend die Raman-Streuung auf punktfmige oder eindimensionale Messungen beschrnktist, lassen sich mit Hilfe der Rayleigh-Streuung auch zweidimensionale Temperaturverteilungen im Ein

22、zelpuls-verfahren messen. Allerdings sind den Verfahren Grenzen ihrer Genauigkeit und Anwendbarkeit gesetzt durchniedrige Signalintensitten bei geringen (Partial-) Gasdrcken. Bei der Raman-Streuung muss die Queremp-findlichkeit gegenber gleichzeitig induziertem Fluoreszenzlicht bercksichtigt werden;

23、 im Falle der Rayleigh-Streuung kann dies insbesondere bei hohen Temperaturen zu Verflschungen des Messsignales fhren.Zudem wird bei der Rayleigh-Streuung ein bekannter oder in-situ bestimmbarer Streuquerschnitt vorausge-setzt. Insbesondere die Temperaturmessung durch Rayleigh-Streuung ist empfindli

24、ch gegenber Reflexionenvon Wnden oder Partikeln. Beide Verfahren sind anfllig gegenber starkem Streulicht, verursacht durchPartikel, wie Staub oder Ru.Seite 3DIN 51866-2:2001-082 Normative VerweisungenDiese Norm enthlt durch datierte oder undatierte Verweisungen Festlegungen aus anderen Publikatione

25、n.Diese normativen Verweisungen sind an den jeweiligen Stellen im Text zitiert, und die Publikationen sindnachstehend aufgefhrt. Bei datierten Verweisungen gehren sptere nderungen oder berarbeitungendieser Publikationen nur zu dieser Norm, falls sie durch nderung oder berarbeitung eingearbeitet sind

26、. Beiundatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe der in Bezug genommenen Publikation.DIN 51866-1:2000-04, Temperaturmessung Teil 1: bersicht ber laserspektroskopische Verfahren.3 Begriffe, Abkrzungen und Kurzzeichen3.1 BegriffeFr die Anwendung dieser Norm gelten die in DIN 51866-1 angegebenen u

27、nd die folgenden Begriffe:3.1.1Raman-Verschiebungmoleklspezifische spektrale Verschiebung des Messsignals gegenber der Anregungswellenlnge,gemessen in Wellenzahlen (inverse Wellenlnge, in cm1)3.1.2Stokes-Raman-Verschiebungspektrale Verschiebung des Messsignals gegenber der Anregungswellenlnge um den

28、 Betrag der Raman-Verschiebung zu lngeren Wellenlngen3.1.3anti-Stokes-Raman-Verschiebungspektrale Verschiebung des Messsignals gegenber der Anregungswellenlnge um den Betrag der Raman-Verschiebung zu krzeren Wellenlngen3.2 Abkrzungen und KurzzeichenFr die Anwendung dieser Norm gelten die Abkrzungen

29、und Kurzzeichen nach DIN 51866-1.4 Kurzbeschreibung der Verfahren4.1 Rayleigh-StreuungZur Anregung der Rayleigh-Streuung werden bevorzugt Festfrequenzlaser verwendet, wie frequenzverviel-fachte Nd:YAG-Laser bei den Wellenlngen 532 nm, 355 nm und 266 nm oder Excimer-Laser, die bei 193 nm,248 nm, 308

30、nm oder 351 nm emittieren. Die Laserstrahlung mit typischen Pulsdauern von 10 ns wird bereine Optik in das Untersuchungsvolumen eingekoppelt. Je nach Anwendungsfall kann fokussiert werden(punktfrmige Auflsung) oder das Messsignal lngs des Laserstrahls beobachtet werden (1D-Auflsung).Rayleigh-Streuun

31、g eignet sich aber auch besonders fr flchenhafte Messungen (2D-Anordnung), wobei dannder Laserstrahl ber eine Zylinderoptik zu einem Lichtband geformt wird. blicherweise wird das Rayleigh-Signal unter einem Winkel von 90 beobachtet. Eine Optik bildet das Messvolumen auf einen Detektor (Photo-multipl

32、ier oder CCD-Kamera) ab, wobei entsprechende Filter verwendet werden, um unerwnschtes Streulichtaus anderen Wellenlngenbereichen (z. B. Eigenleuchten einer Flamme) auszublenden. Ein Rechner dient zurSteuerung des Lasers, zur Synchronisation des Lasers mit instationren Vorgngen des Messobjekts, fr di

33、eAufnahme der Messdaten und ihre Auswertung, wobei blicherweise problemorientierte Auswerteprogrammeverwendet werden.4.2 Raman-StreuungDas Prinzip einer Raman-Messung ist weitgehend identisch mit dem einer Rayleigh-Messung. Die Anregungerfolgt mit den gleichen Lasersystemen. Da bei der Raman-Streuun

34、g das Messsignal jedoch moleklartabhngigspektral verschoben (Raman-Verschiebung) beobachtet wird, erfordert die Raman-Messung in einem Gas-gemisch die spektrale Trennung der Messsignale durch ein Spektrometer vor dem Detektor. In einfachenGasmischungen (2 bis 3 Komponenten) knnen anstelle des Spektr

35、ometers schmalbandige Interferenzfiltereingesetzt werden. Photomultiplier oder CCD-Kameras mit Bildverstrker werden zur Signalerfassung verwendet.Aufgrund der sehr niedrigen Raman-Streuquerschnitte knnen 2D-Messungen mit diesem Verfahren nur inAusnahmefllen durchgefhrt werden, z. B. bei hohen Dichte

36、n. Im Gegensatz zum Rayleigh-Verfahren lieferteine Raman-Messung eine spektral aufgelste Information, die entsprechende Routinen zur Datenauswertungerfordert.Seite 4DIN 51866-2:2001-084.3 Simultane Raman- und Rayleigh-MessungUm das Problem des unbekannten Streuquerschnitts bei Anwendung der Rayleigh

37、-Technik in turbulentenStrmungssystemen zu lsen, kann der gleichzeitige Einsatz von Raman- und Rayleigh-Streuung erwogenwerden. Durch die Verwendung geeigneter Filter ist es mglich, die in 4.1 und 4.2 beschriebenen Verfahrensimultan und unter Benutzung des gleichen Lasers und Detektors durchzufhren

38、und ihre jeweiligen Vorteilezu kombinieren. Mit dem Verfahren der Raman-Streuung wird dabei die Gemischzusammensetzung bestimmt.Aus der Gemischzusammensetzung folgt dann der effektive Rayleigh-Streuquerschnitt, der zur Temperaturbe-stimmung bentigt wird.Vorteile dieses kombinierten Verfahrens sind:

39、die Temperatur wird aus dem starken Rayleigh-Signal bestimmt; durch die simultane Bestimmung der Gemischzusammensetzung kann das Verfahren auch bei sich rtlichund zeitlich verndernder Flammenstruktur eingesetzt werden; unter Ausnutzung der besonderen Polarisationseigenschaften 7 von Rayleigh- und Ra

40、man-Streuungknnen strende Fluoreszenz-Interferenzen und Streulicht wirksam unterdrckt werden.5 Gerte5.1 Anregung, LaserDie Auswahl des Lasersystems wird im Wesentlichen durch zwei Randbedingungen bestimmt. Gepulste Lasersind erforderlich, wenn eine hohe zeitliche Auflsung notwendig ist, um zeitlich

41、vernderliche Temperaturen(Fluktuationen), wie z. B. in turbulenten Strmungen, zu bestimmen. Fr stationre, in der Temperatur stabileVorgnge kommen auch kontinuierlich strahlende Laser infrage. Die Wellenlnge des anregenden Laserlichtessollte zur Erzielung maximaler Signale bei beiden Verfahren, Rayle

42、igh- und Raman-Streuung, mglichst kurzsein. Dennoch knnen in besonderen Fllen lange Wellenlngen notwendig sein, damit zum einen Fluoreszenz-interferenzen minimiert werden und zum anderen die spektrale Trennung von Raman-Signalen verschiedenerMoleklspezies ermglicht wird.5.2 Signalerfassung, OptikGru

43、ndstzlich ist darauf zu achten, dass durch eine mglichst lichtstarke Optik ein Maximum an Signalintensitterzielt wird. Die Signalintensitt kann durch Sammeln der Raman-Signale mit Hilfe von Hohlspiegeln, die einengreren Raumwinkel erfassen, weiter erhht werden. Besonderes Augenmerk ist der spektrale

44、n Filterung zuwidmen. Da Rayleigh-Signale resonant mit der Anregungswellenlnge emittiert werden, muss auf einesorgfltige Verringerung von Reflexionen an Oberflchen oder Fenstern geachtet werden. Schmalbandige Band-passfilter mit hoher Unterdrckung anderer Wellenlngen isolieren das Rayleigh-Signal. F

45、r 1D- oder punkt-frmige Messungen ist der Einsatz von Monochromatoren oder Spektrographen gegenber Filtern vorzuziehen,damit eine optimale Unterdrckung von Strlicht erreicht werden kann. Bei der Raman-Streuung mssen vor derspektralen Auftrennung der Signale durch Monochromatoren oder Spektrographen

46、mit Hilfe von schmalbandigenFiltern die Anregungswellenlnge und Rayleigh-Streusignale ausgeblendet werden, damit die schwachenRaman-Signale detektierbar werden. Die Auswahl richtet sich nach der erforderlichen Unterdrckung vonStrsignalen, die von der Art des Messobjektes und der experimentellen Anor

47、dnung abhngt.5.3 Signalerfassung, DetektionDie Signale knnen mit Hilfe von Photomultipliern, empfindlichen Halbleiterdetektoren (Avalanche-Dioden)sowie mittels CCD-Detektoren (mit oder ohne Bildverstrker) aufgenommen werden. In Systemen mit nicht-stationren Strmungsvorgngen der Mehrzahl der fr den A

48、nwendungsbereich dieser Norm in Fragekommenden Systeme mssen Anregung und Detektion die Anforderung hoher Zeitauflsung erfllen. Damitwird auch erreicht, dass Hintergrundleuchten, etwa aus dem Flammenleuchten, wirkungsvoll unterdrckt wird.Beim Einsatz von nicht-gepulst betriebenen Photomultipliern mu

49、ss durch spektrale Filterung sichergestelltwerden, dass kontinuierliche Signale des Flammenleuchtens den Detektor nicht durch ein hohes Offsetsignalberlasten und fr das Nutzsignal unempfindlich machen.6 DurchfhrungFr die Durchfhrung der jeweiligen Messung siehe auch DIN 51866-1:2000-04.6.1 Rayleigh-StreuungDer Aufbau einer Rayleigh-Messapparatur ist in Bil