Energie- und umwelttechnisches Meß- und...

Energie- und umwelttechnisches Meß- und Versuchswesen

Vorlesung: 307.015, Laborübung: 307.018

Teil: Optische Messtechnik, Lasermesstechnik

Messung von Geschwindigkeit, Turbulenz, stationären und periodischen Strömungen, Teilchen- und Tröpfchengröße in mittels Laser-Doppler-Anemometrie und Phasen-Doppler-Anemometrie

Vortragender: ao.Univ.-Prof. Jakob Dr Woisetschläger Adresse: Institut für Thermische Turbomaschinen und Maschinendynamik, TU Graz Inffeldgasse 25, 8010 Graz, http://ttm.tugraz.at/jw/ Tel.: 873 - 7227, Fax: 873 - 7234, eMail: [email protected]

Infrarot Wärmebild

Schwingungsmessung mittels Laser

Optische Meßtechnik, Lasermeßtechnik Seite 1

Optische Messtechnik, Lasermesstechnik

Motivation: Die Möglichkeit der berührungsfreien Bestimmung von Temperatur, Strömungsge-schwindigkeit, Schwingungsamplitude, Teilchengröße oder Partikelkonzentration ist oftmals ausschlaggebend für den Einsatz optischer Verfahren in den Ingenieurs-wissenschaften ganz allgemein und speziell in der Energie- und Umwelttechnik. So werden in der Entwicklung aber auch im Betrieb technischer Anlagen folgende opti-sche Messverfahren eingesetzt: Schwingung (Betriebsüberwachung, Schallabstrahlung): Laservibrometer Temperaturmessung: Thermographische Systeme (punktweise Messung oder

Wärmebild), Thermolacke auf Flüssigkristallbasis, Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS) zur Temperaturmessung in Verbrennungsvorgängen) Schadstoffmessung: Light Detection and Ranging (LIDAR; Schadstoffmessung in

der Atmosphäre), Infrarotspektroskopie , Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) Geschwindigkeitsmessungen in Strömungen: Laser-Doppler-Anemometrie (LDA),

Particle-Image-Velocimetry (PIV) Messung von Teilchengröße und Teilchenkonzentration: Phasen-Doppler-

Anemometrie (PDA), Laserbeugung Ausschlaggebend für die Entwicklung der optischen Messtechnik war die Erfindung des LASER durch den US-Amerikaner Maiman 1960 und die Einsatzmöglichkeit kos-tengünstiger digitaler Bildverarbeitungstechniken seit Anfang der 80er Jahre. Großen Einfluss hatte und hat die optische Messtechnik z.B. bei der Entwicklung neuer ener-giesparender, schadstoffarmer Verbrennungsmotoren und Flugtriebwerke, aerody-namischer Kraftfahrzeuge und Flugzeuge, sowie bei der Optimierung und Fehlerana-lyse thermischer Energieanlagen. Ziel: In diesem Teil der Vorlesung soll der Hörer mit einzelnen optischen Verfahren zur Messung von Temperatur (Thermographie), Schwingung (Laservibrometer) und Strömungsgeschwindigkeit (Laser-Doppler-Anemometrie) vertraut gemacht werden, da es sich hierbei um Verfahren handelt, die auch in der österreichischen Energie- und Kraftfahrzeugsindustrie soweit Verbreitung gefunden haben, dass ein Kontakt mit einem dieser Systemen für einen in der Messtechnik eingesetzten Diplom-Ingenieur sehr wahrscheinlich ist. Zuvor wird jedoch ein kurzer Überblick und eine Einführung gegeben. Literatur: An der TU-Graz sind in der TU-Biblithek aber auch an mehreren Instituten folgende Lehrbücher vor-handen, in denen die optische Messtechnik im industriellen Einsatz ebenfalls einführend beschrieben sind: Bimberg D., Messtechniken mit Lasern, Expert Verlag, 1993 (Anemometrie) Breuckmann B., Bildverarbeitung und optische Messtechnik, Franzis1993 (Thermographie) Donges A., Noll R., Lasermesstechnik, Hüthig, 1993 (Laservibrometer, Anemometer, LIDAR) Hecht E., Optik, Addison Wesley, 1991 (einfache Einführung in die Optik) Profos P., Pfeifer T., Handbuch der industriellen Messtechnik, Oldenburg, 1994 (generelle Darstellung der industriellen Messtechnik)


1. Einleitung 1.1. Optische Messtechnik Optische Messtechnik verwendet Licht, UV-Strahlung oder Infrarot-Strahlung zur Messung physikalischer Größen. Der Name stammt daher, dass diese Strahlung mit Hilfe optischer Systeme in irgendeiner Form abgebildet und verarbeitet wird. Diese Messtechnik ist deshalb zur Messung so vieler verschiedener physikalische Größen einsetzbar, da jeder uns umgebende Körper eine dieser Strahlungen emittiert (aus-sendet). Der Grund liegt darin, dass jede beschleunigt bewegte elektrische Ladung ei-ne Störung des sie umgebenden elektrischen Feldes verursacht. Führt eine Ladung harmonische Schwingungen um ihre Ruhelage durch, so verursacht dies eine har-monische Störung des elektrischen Feldes, die sich als Welle im Raum ausbreitet. Das sich ändernde elektrische Feld verursacht durch Induktion zudem ein sich än-derndes magnetisches Feld, man spricht von einer (transversalen) elektromagneti-schen Welle. Das magnetische Feld ist allerdings so klein, dass es in seinen Aus-wirkungen in der Praxis vernachläs-sigt werden. Schwingt die Ladung mit einer Frequenz im MHz Bereich, so sprechen wir von Radiowellen, im GHz Bereich von Mikrowellen, im THz-Bereich von IR-Strahlung oder sichtbaren Licht. Da überall in der uns umge-benden Materie Elektronen vorhan-den sind, die sich z.B. in thermi-scher Bewegung befinden, strahlt alle uns umgebende Materie elekt-romagnetische Wellen ab.

In der Nähe eines Atomkerns, in einem Molekül oder einem Festkörper kann man sich ein Elektron ähnlich einer stehenden Welle vorstellen; üblicherweise wird dieses im Atom, Molekül oder Festkörper gebundene Elektron "verschmiert" als Wol-ke dargestellt. Diese stehende Elektronenwelle oder "Elektronenwolke" kann nun, je nach Energiezustand, verschiedene Eigenformen annehmen. Der Übergang des E-lektron von einem energiereichen in einen energieärmeren Eigenzustand stellt dann eine gedämpfte Schwingung zwischen zwei stabilen Zuständen dar. Hierbei wird die freigewordenen Energie ΔE als elektromagnetische Welle der Frequenz ν abge-

strahlt.: ν.hE =Δ

(h ist eine Naturkonstante). Beispiel: Fließt Strom durch einen Glühdraht werden die fester ge-bundenen Metallelektronen durch Stöße mit freien Ladungselektronen angeregt in höherenergetische Eigen-formen überzugehen. Von dort erfolgt nach kurzer Zeit (Femtosekunden) wieder ein "Rücksprung" in die ener-getisch günstigere Grundform. Dabei

Von einer harmonisch schwingenden elektrischen Ladung(schwingender Dipol, Frequenz ν ) geht eine harmonische Störungdes elektrischen Feldes aus, die sich als Welle mit Lichtgeschwin-digkeit im Raum ausbreitet (elektromagnetische Welle) nach R. Girwidz, www.physik.ph-ludwigsburg.de (E-Lehre)

Eigenformen einer stehenden Elektronenwelle um einen Atom-kern. Links Grundzustand bei minimaler Energie. Rechts angereg-te Zustände mit höherer Energie. Der Übergang von einem höher-zu einem niederenergetischen Zustand erfolgt als gedämpfteSchwingung, dabei wird die Differenzenergie als elektromagneti-sche Welle z.B. im sichtbaren oder UV-Licht emittiert. Nach D.Manthey www.orbitals.com (orbital viewer); siehe auch B. Thallerwww.kfunigraz.ac.at/imawww/vqm/ (visual quantum mechanics)


wird die überschüssige Energie als elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder IR-Bereich abgegeben. Der Draht "glüht" auf. Bei der Bildung ei-nes Moleküls oder Fest-körpers überlagern sich nun die Elektronenwolken der einzelnen Partner (z.B. des Wasserstoffs und des Sauerstoffs im Wasser) in oft sehr komplexer Weise. Das so entstehende Mole-kül stellt jedoch bei ther-mischer Anregung ein schwingungsfähiges Ge-bilde dar. Die einzelnen Atompartner können ge-geneinander translatorisch oder rotierend schwingen und mit ihnen die sie umgebenden Elektronenwellen, die hierbei die Schwingungs-energie wieder als elektromagnetische Welle abstrahlen. Bei Raumtemperatur han-delt es sich um Strahlung im fernen Infrarot, bei höheren Temperaturen im nahen Infrarot. Dies ermöglich thermographische Untersuchungen der Temperatur mit Hilfe der Detektion der von Festkörpern oder Molekülen abgegebenen Strahlung. Wichtig ist weiters, dass eine Elektronenwelle jene Energiemenge, die sie durch Strahlung beim Übergang von einem höherenergetischen in einen niederener-getischen Eigenzustand abgegeben hat (Emission von Strahlung) auch wieder aufnehmen kann, und dabei vom niederenergetischen in den höherenergetischen Zustand übergeht (Absorption von Strahlung). Insbesondere bei komplexen Mole-külen ist diese emittierte bzw. absorbierte Strahlung ganz charakteristisch für die E-lektronenverteilung im Molekül und somit für das Molekül selbst. Beispiel: Strahlen wir Laserlicht einer ganz bestimmten Frequenz auf ein Gas ein und wird diese Strah-

lung absorbiert, so wissen wir genau welches Molekül dies verursacht hat. Aus der lokalen Verteilung der Absorption bzw. der darauf fol-genden Emissi-on, erfahren wir die Verteilung und die Kon-zentration die-ser Molekülspe-zies. (Fluores-zenz, die Elekt-

ronenwellen gehen ja bald nach der Ab-

H H O H2O Überlagerung der Eigenformen der stehenden Elektronenwellen um der ein-zelnen Atomkerne bei der Bildung eines Moleküls (Wasser) . Dieses Molekülstellt ein in sich schwingungsfähiges Gebilde dar (thermische Anregung mög-lich).

Elektromagnetisches Spektrum, sichtbares Licht hat Wellenlängen von 380nm (violett) bis 780nm(rot), IR-Strahlung von etwa 0,8μm bis 30μm. die Wellenlänge λ einer elektromagnetischen Wellerechnet sich in deren Frequenz ν mittels der Lichtgeschwindigkeit c = 2,997.108 m/s zu c=λν um


sorption der Energie vom angeregten Zustand wieder in die energetisch günstigeren Ausgangszustand über, wobei in alle Raumrichtungen Wellen – oft auch verschiede-ner Wellenlänge - abgestrahlt werden) Dies ist insbesondere bei Verbrennungsvor-gänge eine häufig praktizierte Methode zur Analyse der Verbrennung und Verteilung der Schadstoffe. siehe z.B.: www.lavision.de

Somit kann die Entstehung des gesamten Spektrums elektromagnetischer Wellen vom Bereich der Radiowellen über die Mikrowellen, die IR-Strahlung, sichtbares Licht, UV-Strahlung bis hin zur Röntgenstrahlung als Schwingung elektrischer La-dungen unterschiedlicher Frequenzen in Atomen, Molekülen, Festkörpern verstanden werden (die Wellenlänge λ einer elektromagnetischen Welle rechnet sich in deren Frequenz ν mittels der Lichtgeschwindigkeit c = 2,997.108 m/s zu c=λν um). Trifft eine elektromagnetische Welle auf ein einzelnes Partikel (Beispiel: Licht auf ein Staubteilchen) so versetzt diese Welle die im Partikel gebundenen Elektronen in erzwungene Schwingungen. Nicht notwendigerweise ist die Energie groß genug um den Übergang der Elektronenwelle in eine höherenergetische Eigenform zu be-wirken und Fluoreszenz zu beobachten. Diese erzwungenen Schwingungen der ge-

d < λ d ~ λ d > λ Streuung des Lichts an Partikeln (z.B. Staub in Luft). Die Intensitätsverteilung des Streulichts hängt sehr stark von der Größeder Teilchen in bezug auf die Wellenlänge des Lichts ab. In allen Bilder kommt der einfallende Lichtstrahl von links. Die Streu-ung an Partikel kleiner als der Wellenlänge bezeichnet man als „Rayleigh-Streuung“, die an größeren Teilchen als „Mie-Streuung“.

Excimer Laser (z.B. 308nm) oderNd:YAG gepumpter Farbstofflaser

(gepulste Lasersysteme)

Spiegel

Spiegel

langbrennweitige Sammelinse+ stark brechende Zerstreuungslinse

BrennkammerIntensified CCD cameramit Filter

Bren

nsto

ff-ei

nspr

itzun

g

Bei der Anregung bestimmter Molekülarten zur Emission von Licht werden häufig UV-Laser eingesetzt, deren Laserstrahlüber spezielle Optiken in einer Ebene aufgeweitet werden (Lichtschnitt, engl.: „laser light sheet“) . Die Wellenlänge (Fre-quenz) dieser so aufgeweiteten Laserstrahlen ist nun so eingestellt, daß diese nur von ganz bestimmten Molekülen absor-biert werden. Beobachtet wird das Fluoreszenzlicht, welches entsteht wenn in den einzelnen Molekülen die Elektronenwel-len nach der Absorption wieder in den energetisch günstigeren Grundzustand übergehen und dabei in alle RaumrichtungenLicht emittieren (Fluoreszenzleuchten, "Aufleuchten" dieser speziellen Molekülsorte). Zu sehen ist eine Gasturbinenbrenn-kammer, wobei der Brennstoff mit Ketonen (z.B. Aldehyd) versetzt wird, die bei dieser Wellenlänge aufleuchten. Das obereBild zeigt die Intensitätsverteilung dieser Fluoreszenz in Form von Konturlinien und somit die Verteilung des Brennstoffesin der Brennkammer.


bundenen Elektronen verursachen wiederum eine sekundäre elektro-magnetische Strahlung die als Streustrahlung bezeichnet wird. Es kommt zur Streuung des Lichts an kolloidalen Par-tikeln (Nebel: Streuung des Lichts an feinen Was-sertröpfchen, im Rauch Streuung an Rauchparti-kel, Luft: das Himmels-blau entsteht durch Streuung des Sonnen-lichts an Luftmolekülen). Die Intensität des Streu-lichts hängt nun ganz cha-rakteristisch von der Grö-ße der Partikel ab. Diese Phänomen nutzt das Laser-Radar (LIDAR). Hier wird ein Laserblitz in die Atmosphäre gestrahlt, dessen Licht an den Molekülen und Partikel in der Luft gestreut wird. Diese Rückstreuung wird beobach-tet. Beim differentiellen LIDAR werden zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Wellen-länge (Farbe) in die Atmosphäre geschickt. Während die eine Wellenlänge von der zu vermessenden Molekülspezies auf dem Weg durch die Luftschichten absorbiert wird, dient die zweite als Referenz für die Intensität der Rückstreuung. Aus der Lauf-zeitdifferenz der einzelnen Streusignale aus der Atmosphäre kann außerdem auf die Höhe rückgerechnet werden; d.h. das Streusignal aus tiefen Schichten erreicht den Detektor früher, als jenes aus höheren Schichten. Da weiters das Streulicht an Partikeln und Aerosolen intensiver ist als jenes an Luftmolekülen, lässt sich das LIDAR auch einsetzen um den Ort solcher Aerosolwol-ken oder Staubverteilungen zu bestimmen.

gepulstes Lasersystem

DetektorTeleskop

HöheRückstreuung

Mobiles Laser Radar (LIDAR) zur Vermessung von Schadstoffkonzentrationen inder Atmosphäre.

Differentielles Absorptions -LIDAR

Gas Laser Wellenlänge [nm]

Reichweite [km]

Nachweisgrenze [ppb]

SO2 Farbstoff 300 3 10

NO2 Farbstoff 448; 450 3 10

NO Farbstoff 227 0,9

H2O CO2 10.250 6

O3 Excimer 308; 353 40 10

Hg Farbstoff 254

Cl2 Farbstoff 303; 320 Messbereich eines differentiellen LIDAR's und Beispiel bei der Bestimmung der Ozondichte in der Atmosphäre (nach Don-ges/Noll, Lasermesstechnik, Hüthig)


Erfolgt diese Streuung nicht an einem Einzelteilchen, sondern an einem ge-ordneten Kristallverband, so setzen sich die gestreuten Wellen zu einer neuen (se-kundären) Wellenfront zusammen. Durch Überlagerung dieser gestreuten und der eingestrahlten (primären) Wellenfront entsteht eine neue Wellenfront, die sich in ihrer Ausbreitungsrichtung und Ausbreitungsgeschwindigkeit von der ursprünglich einge-strahlten Wellenfront unterscheidet. So entstehen Phänomene wie Brechung und Reflexion an der Oberfläche dieser Substanzen. Folgende Beziehungen sind in die-sem Zusammenhang von praktischer Bedeutung:

Definition des Brechungsindex n:

MediumimwindigkeitLichtgeschsmigkeittgeschwindVakuumlich

ccn )/10.997,2( 8

0 ==

Brechungsgesetz:

gebrochennn )(sin)(sin gebrocheneinfallendeinfallend θθ =

und Reflexionsgesetz:

treflektiereinfallend θθ =

Solange die Elektronen also nur zum Mitschwingen gezwungen werden, erzeugen sie wie oben beschrieben sekundäre elektromagnetische Wellen und verursachen Brechung und Reflexion. Bei bestimmten Energien gehen die Elektronen allerdings in höherenergetische Eigenformen über, sie absorbieren die Welle. Das Medium hört auf bei diesen Wellenlängen transparent zu sein. Für die optische Messtechnik ist es ganz entscheidend zu wissen wann bei welchen Materialien Absorption und Trans-parenz auftritt. So ist z.B. Glas im sichtbaren Wellenlängenbereich durchsichtig, nicht jedoch im IR und UV. Der Halbleiter Germanium jedoch ist im Sichtbaren nicht trans-parent, im gesamten IR Bereich jedoch reicht die Energie der IR-Strahlung nicht aus um die im Kristall gebundenen Elektronen in andere Eigenformen zu heben. Germa-nium zeigt daher im IR ähnliche Eigenschaften wie Glas im Sichtbaren und wird da-her gerne als Material für Linsen in thermographischen Systemen eingesetzt.

einfallend reflektiert

gebrochen

n1

n2

θ1θ1

θ2

Brechung und Reflexion


Brechungsindex, Transparenz und Reflexionsvermögen verschiedener Materialien. Im Sichtbaren werden i.A. Gläser als Sicht-fenster und für Linsensysteme verwendet. Im IR wird statt dessen Germanium eingesetzt. CaF2 und BaF2 sind beliebte Fens-termaterialien im IR, da sie auch im Sichtbaren transparent sind. Bei Spiegeln ist eine Oberflächenbeschichtung des Trägerma-terials (i.A. Glas aufgrund seiner guten thermischen Stabilität) mit Aluminium beliebt, da Aluminium ein hohes Reflexionsvermö-gen von UV bis in das ferne IR besitzt, insbesondere im IR gewährleistet aber auch eine Beschichtung mit Gold ein maximales Reflexionsvermögen bei gleichzeitiger chemischer Stabilität. Bei Linsensystemen zur optischen Abbildung im sichtbaren, UV- und IR- Bereich ge-hen all diese Effekte, wie auch die Phänomene der Beugung der elektromagneti-schen Wellen z.B. an den Objektivöffnungen ein. Diese sehr komplexen Zusammen-hänge lassen sich gut mit numerischen Programmen beschreiben, die kommerziell in großer Menge vorhanden sind. Auch gibt es eine Vielzahl von Herstellern, die opti-sche Systeme und Fenster im Sichtbaren, UV und IR anbieten. Programme zur Berechnung und Auslegung optischer Systeme aus kommerziell erhältlichen Einzel-komponenten z.B.:

www.zemax.com www.optis-world.com

Beispiele für Anbieter optischer Komponenten im Sichtbaren, UV und IR: www.poerschke.de www.edsci.com www.mellesgriot.com

www.newport.com


1.2. Der LASER als Lichtquelle 1.2.1 In der Messtechnik verwendete Lasertypen In einer großen Anzahl von messtechnischen Anwendungen wird der Laser als Licht-quelle verwendet. Der Grund liegt darin, dass der Laser gerichtetes Licht einer be-stimmten Wellenlänge emittiert (abstrahlt).

LASER ist ein Kunstwort, welches Anfang der 60er Jahre entstand und für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ steht (übersetzt: Licht-erzeugung durch stimulierte Emission von Strahlung). Im Grunde bedeutet dies, dass in einem Gas, Festkörper oder in einer Flüssigkeit (dem aktiven Medium) alle Elektronen dieser Substanz gezwungen werden im Gleichtakt Licht zu emittieren (stimulierte Emission), d.h. alle Elektronen gehen gleichzeitig von einer energierei-chen Eigenform in den Grundzustand über und emittieren dabei Licht. Dieses Licht entsteht somit im Gleichtakt, die einzelnen Lichtwel-lenzüge sind in hohem Maß unter-einander korreliert (in fester Bezie-hung zu einander). Der Trick besteht in der Verwendung zweier Spiegel zwischen denen sich eine stehende Lichtwelle (auf je-der Spiegel-oberfläche ein Kno-ten) ausbildet wel-che durch diese stimulierte Emission gezielt verstärkt wird.

Laser unterscheiden sich lediglich im Material, welches verwendet wird um Licht zu erzeugen und in der Art der Energiezufuhr. Gase in Gaslasern und Exci-merlasern, Gläser und Kristalle in Festkörperlasern, Halbleiterdioden in Dioden-lasern und Flüssigkeiten in Farbstofflasern. Die Energie wird meistens durch elekt-rische Entladungen eingebracht, aber auch durch Blitzlampen als Licht hoher Fre-quenz (UV, Blaues Licht).

Folgende Lasertypen sind in der Messtechnik gebräuchlich Gaslaser:

Helium-Neon Laser: 633nm (rot, kontinuierlich) Argon-Ionen Laser : 488nm, 514nm (blau und grün, kontinuierlich)

Excimer Laser: 150-480nm (UV, abhängig vom verwendeten Edelgashalogenid, gepulst mit ca.250 Hz - quasikontinuierlich)

Krypton-Ionen Laser: 674nm (rot) Kohlendioxid-Laser: 10,6μm (IR, kontinuierlich) Helium-Cadmium Laser: 325nm, 442nm (UV, blau kontinuierlich

In der Literatur und im Internet finden sich mehrere Beispiel zum Bau von Lasersystemen z.B.: Stong, C.L., "The Amateur Scientist: The Helium Neon Laser", Scientific American, Sept. 1964, Dec. 1965 , Nachdruck in "Light and Its Uses", Walker, Jearl, W.H. Freeman and Company, 1980, aber auch www.technology.niagarac.on.ca/people/mcsele/lasers/


Festkörperlaser:

Rubin-Laser: 694nm (rot, gepulst mit ca. 4Blitzen/Minute für messtechnische Anwendungen) Neodym-YAG Laser: 10,64μm (IR gepulst mit 10-100Hz; YAG:Yttrium-Aluminium-Glas) die Frequenz kann verdoppelt (vervielfacht) werden auf: 532nm, 421nm (grün, blau) Farbstofflaser:

je nach verwendetem Farbstoff Wellenlängen zwischen 360-890 (nahes UV - nahes IR). Ein zweites Lasersystem (Ar+-Laser, Excimerlaser) wird benötigt um den Farbstoff anzuregen („Pumplaser“)

Diodenlaser:

dzt. üblich: GalliumAluminiumArsenid (GaAlAs):650-700nm (rot-IR) IndiumGalliumArsenPhosphor (InGaAsP):1,2 - 1,6μm (IR) BleiCadmiumSchwefel (PbCdS): 2,8 - 4,2μm (IR) BleiSelenTellur (PbSnTe): 6,5 - 32μm (IR) seit kurzer Zeit sind auch Dioden bei 532nm (grün) erhältlich (zum Teil frequenzverdoppelte IR-Laser) Anbieter siehe z.B.:

www.cohr.com www.laser2000.co.uk www.lightmachinery.com

Die Anwendung entscheidet in der Regel über den Typ des verwendeten Laser.

So sind z.B. in Schwingungsmesssystemen und Längenmesssystemen He-Ne-Laser im Einsatz, da sich diese durch eine besonders hohe Lebensdauer und Stabilität auszeichnen.

Auch für Laser-Doppler-Anemometer werden sie den Diodenlaser i.A. bevor-zugt, da die Laserdiode weiter im IR emittiert; dort ist aber die Absorption in Wasser deutlich höher, sodass der Einsatz in Strömungen erschwert werden kann. Allerdings genügt oft die Lichtintensität des He-Ne-Laser (bis 30mW gebräuchlich) nicht für komplexere Aufgabenstellungen, sodass Argon-Ionen Laser zum Einsatz kommen (bis 12W).

Moleküle absorbieren meist besonders gut im UV oder IR. Für Fluoreszenzun-tersuchungen werden daher Excimer-Laser oder Farbstofflaser eingesetzt, die die Moleküle im UV anregen.

Für Kurzzeitmessungen sind gepulste Lasersysteme im Einsatz. Werden hohe Lichtleistungen benötigt, so verwendet man Rubin-Laser, genügen geringere Leis-tungen oder will man hohe Pulsfolgen erzielen so kommen Nd:Yag-Laser zum Ein-satz.


1.2.2. Lasersicherheit Insbesondere bei der Fokussierung (auch unbeabsich-tigter) der Laserstrahlung können schwere Schäden am menschlichen Auge und Gewebe auftreten. Laserstrah-lung wird daher in Schutzstufen eingeteilt, die sich bei kontinuierlich betriebenen Lasersystemen nach der In-tensität der Bestrahlung (W/m2), bzw. bei gepulsten La-sern nach der Leistung (J/ m2), aber auch nach der Wel-lenlänge der Strahlung richtet.

Diese Wellenlängenabhängigkeit der Gefährdung ist verständlich, da im nicht sichtbaren, nahen IR-Bereich der Lidreflex nicht funktioniert, im UV und fernen IR die Hornhaut selbst diese Strahlung absorbiert. Auch muss ab einer, je nach Wellenlänge spezifizierten Laser-leistung die Haut geschützt werden, sowie auf Reflexio-nen von Oberflächen geachtet werden.

Aus diesem Grund bieten die Hersteller von La-sersystemen zu jedem Lasertyp eine passende Schutz-brille an. Da die völlige Absorption durch Schutzbrillen eine Justierung des Laserstrahls insbesondere im sicht-baren Bereich unmöglich macht, werden für diesen Zweck spezielle Justierbrillen angeboten, welche die Laserstrahlung nur zu einem bestimmten Teil absorbie-ren. Auch sind ggf. spiegelnde Oberflächen in Labor-räumen zu vermeiden, sowie die Tatsache zu berück-sichtigen, dass Laser aller Wellenlängen ab bestimmten Leistungen leicht brennbare Materialien (Zellstoffe, Holz etc.) in Brand setzen können, aus diesem Grund sind Abdeckungen oder Strahlfänger aus Metall zu verwen-den.

Geregelt werden diese Sicherheitsvorheitsschrif-ten in verschiedenen Normen und Vorschriften, die auch regelmäßig aktualisiert werden:

Österreich z.B.: OENORM EN 60825-1 , 60825-2 A2 , 60825-4 : Sicherheit

von Laser-Einrichtungen OENORM S 1105 : Strahlenschutztechnische Anforderun-

gen bei der Erzeugung von Lichteffekten mittels Laserstrahlung

(weitere OENORMEN: www.on-norm.at ) Deutschland z.B.: Unfallverhütungsvorschrift VBG 93für die Erzeugung, Über-

tragung und Anwendung von Laserstrahlung DIN V VDE V 0837 : Sicherheit von Lasereinrichtungen DIN EN 206, 207: Persönlicher Augenschutz, Laserschutz

brillen

(weitere NORMEN: www.beuth.de )

Internationale Sicherheitskennzeich-nung für Laserstrahlung


1.3. Interferenz Laserlicht ist in hohem Maße interferenzfähig. Das bedeutet man kann einen Laser-lichtwelle z.B. durch einen Strahlteiler in zwei Lichtwellen aufteilen und diese durch Spiegel so umlenken, dass sie sich wieder überlagern. In der Überlagerungszone beider Strahlen beobachtet man dann ein Interferenzmuster. Stellt man nun einen Schirm (oder einen Photodetektor) in diese Überlagerungszone, so beobachtet man helle Bereiche in jenen Punkten die von den Lichtwellen 1 und 2 im Gleichtakt durch-laufen werden (Lichtwelle 1 und Lichtwelle 2 sind dort in Phase) - beide verstärken sich optimal. Daneben befinden sich aber wieder dunkle Bereiche die von den Licht-wellen 1 und 2 im Gegentakt durchlaufen werden (Lichtwelle 1 und Lichtwelle 2 sind 180° außer Phase) - dort löschen sie sich also aus. Durch die Tatsache, dass Laser genau eine Wellenlänge emittieren, ergibt sich, dass der Laserstrahl über viele Meter interferenzfähig bleibt, Sonnenlicht z.B. zeigt nur über wenige μm Interferenz, z.B. in dünnen Ölschichten. Wichtig für den Einsatz in der Messtechnik ist nun, dass dieses Interferenz-streifenstreifenmuster stationär bleibt, solange sich die Phasenlage der beiden Wel-len zueinander nicht ändert, solange also eine Welle also nicht plötzlich auf ihrem Weg zur Überlagerungszone gegenüber der anderen verzögert wird. Dies könnte z.B. dadurch erreicht werden, dass man den Weg für eine Laserlichtwelle verlängert in dem man einen Spiegel im Strahlengang verschiebt. Im stationären Fall kann man sich also die Überlagerungszone (Interferenzzo-ne) als Bereich vorstellen, der von Ebenen durchsetzt ist, die lichtdurchflutet sind und sich mit Ebenen abwechseln die dunkel bleiben.

Überlagerung zweier interferenzfähiger Laserwellen. In der Überlagerungszone (Interferenzzone) bilden sich Bereiche aus dievon beiden Wellen im Gleichtakt durchlaufen werden (konstruktive Interferenz, beide Wellen verstärken sich dort optimal) undBereiche die von beiden Wellen im Gegentakt durchlaufen werden (destruktive Interferenz, es kommt zur Auslöschung).Lichtdurchflutete Ebenen wechseln sich also mit dunklen Ebenen ab. Stellt man einen Schirm in diesen Bereich so kann mandieses Interferenzmuster beobachten. Je nach dem Winkel zwischen den beiden Laserstrahlen können die Interferenzebenenwenige μm (großer Winkel) bis mm (kleiner Winkel zwischen den Strahlachsen) Abstand haben.


1.4. Detektoren im UV, sichtbaren und IR Bereich In modernen optischen Systemen werden meist Detektoren auf Halbleiterbasis bzw. Photomultiplier eingesetzt. Der klassische Photodetektor auf Halbleiterbasis (Photo-element und Photodiode) besteht aus einem Halbleiter, der wie eine Diode auf der einen Seite p dotiert, auf der anderen Seite n dotiert ist. Zwischen beiden Seiten bil-det sich eine ladungsträgerfreie Schicht aus (Sperrschicht). Fällt nun Licht auf diese Sperrschicht, so werden Elektronen aus den voll besetzten Ener-giegrundzustände im Valenzband in freie, höhere Energieeigenwerte im Leitungsband gehoben. Dort verursachen sie einen Stromfluss, ebenso wie die zurückbleibenden "Lücken" im unteren, vollbesetzten Energieband (Löcherleitung). Je mehr Licht einfällt, desto mehr Strom fließt - dies ist das Prinzip des Photolements. Legt man nun eine (Sperr)Spannung an ein solches Element - welches nun zur sperren-den Diode geworden ist - bewirkt diese "Erzeu-gung" von Leitungselektronen durch Licht (innerer Photoeffekt) einen vom Lichtstrom proportional abhängige Änderung des Stromflusses im elektri-schen Stromkreis. Diese Änderung kann nun ge-messen werden – die Diode wird als Photodiode bezeichnet.

Durch Vergrößerung der Grenzschicht kann eine Erhöhung der Empfindlichkeit und der Zeitauflösung (bis GHz) erreicht werden (PIN-Diode), ebenso wird durch Anlegen einer Hoch-spannung an speziell konfigurierte Dioden eine lawinenartige Vermehrung der Ladungsträger erzielt, um damit ebenfalls die Emp-findlichkeit drastisch zu erhöhen (Avalanche Diode).

Je nach Halbleitermaterial können diese Detektoren auf unterschiedliche Wel-lenlängenbereiche im Sichtbaren und IR sensibilisiert werden. Insbesondere im fer-nen IR ist allerdings darauf zu achten, dass diese Detektoren Strahlung detektieren sollen, die von Festkörpern bei Raumtemperatur abgegeben wird. Die Detektoren selbst müssen daher auf je nach Anwendung auf bis zu -200°C gekühlt werden.

Photoelement

Photodiode

Empfindlichkeit verschiedener anderer Halbleitermaterialien im Infraroten.


Will man besonders empfindlich elektromagnetische Strahlung im UV und sichtbaren Bereich detektieren, werden Photomultiplier eingesetzt. In einer evaku-ierten Röhre wird zwischen negativer Kathode und positiver Anode eine Hochspan-nung von mehreren kV angelegt. Trifft Licht auf die speziell beschichtet (Pho-to)Kathode so werden einzelne Elektronen so stark angeregt, dass sie aus der Ka-thode förmlich herausgeschlagen werden (äußerer photoelektrischer Effekt). Zwi-schen Kathode und Anode befinden sich ein Vielzahl von Elektroden (Dynoden) auf einem elektrischen Potential zwischen jenen von Anode und Kathode. Schlägt eine Elektron nun auf eine solche Dynode, so schlägt es weitere Elektronen aus der Ober-fläche, diese beschleunigen im elektrischen Feld weiter, schlagen wieder zusätzliche Elektronen aus der nächsten Oberfläche usw. Auf diese Weise kommt es zu einer lawinenartigen Vermehrung des Stromflusses, es lassen sich besonders kleine Lichtmengen detektieren.

Fällt jedoch zu viel Licht auf ein solches System so kommt es zu einem Fun-ken, der die Elektroden zerstört. Aus diesem Grund muss in diesen Photomultiplieren eine Regelung eingebaut sein, welche bei zu hohem Stromfluss innerhalb von ns die anliegende Hochspannung reduziert.

Photodetektoren siehe z.B.: http://jp.hamamatsu.com/en/

Photomultiplier


1.5. Strahlungsthermometrie (Pyrometrie) Über dem absoluten Nullpunkt befindet sich jeder Körper in ständiger thermischer Bewegung. In Molekülen und Festkörpern sind sich die einzelnen Atome in Schwin-gung zueinander und somit auch die Elektronenwellen die sie umgeben. Dabei strah-len die Elektronen elektromagnetische Wellen im Infraroten und sichtbaren Bereich des Spektrums aus. Die maximale Energie die dabei in Form elektromagnetischer Strahlung abge-geben werden kann wird durch das Planck´sche Strahlungsgesetz beschrieben:

mit M der spezifischen Ausstrahlung pro Wellenlänge λ in Abhängigkeit von der Temperatur T, sowie h ,c und k Konstanten (h=6,626.10-34 Js, c=2,997.108 m/s, k=1,3803.10-23 J/K). Diese Gleichung trifft zwei wichtige Aussagen: Die Lage des Strahlungsmaximum verschiebt sich mit steigender Temperatur zu

kleineren Wellenlängen. (Ein Körper strahlt bei Raumtemperatur im IR bei etwa 10μm Wellenlänge, ab 550°C fällt ein kleiner Teil der Strahlung in das Sichtbare, was sich als „Rotglut“ bemerkbar macht, bei 2360K entspricht die spektrale Ener-gieverteilung der des Kunstlichts einer Glühbirne, man spricht von der Farbtempe-ratur des Kunstlichts, welche z.B. auf Kunstlichtdiafilmen angegeben wird) Die Strahlung nimmt mit steigender Temperatur stark zu.

Der Körper, der bei gegebener Temperatur diese maximale Strahlung abgibt wird als „schwarzer Körper“ bezeichnet, sein Emissionsvermögen ε ist maximal:

Da Energie bei den gleichen Frequenzen auch absorbiert wird, bei denen sie emit-tiert wird, kann ein Körper durch Einstrahlen von IR-Strahlung auch auf höhere Tem-peratur gebracht werden. Dieser strahlungsmäßige Austausch von Energie der von heißen Körpern ausgeht hat auch zum Namen Wärmestrahlung für elektromagneti-

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

= −

mmWatt

e

hcTMkT

hc μλ

π

λ

λ 26

5

2

10.

1

2)(

1=Körperschwarzerε

Spektrale spezifische Ausstrahlung Mλ(T) des schwarzen Körpers entsprechend dem Planck´schen Gesetz


sche Wellen im IR-Bereich geführt (Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung sind somit die drei Möglichkeiten thermische Energie zu transportieren).

Betrachtet man nun einen kleinen Wellenlängenbereich, so sieht man, dass die Intensität der Strahlung in diesem Bereich mit zunehmender Temperatur stark steigt. Unter Verwendung eines Detektors, der in diesem Wellenlängenbereich emp-findlich ist, kann man – nach vorhergehender Eichung mit einem schwarzen Strahler (Strahlungsnormal) – aus der Intensität der abgegebenen IR-Strahlung die Tempera-tur des Körpers berührungsfrei ermitteln. Die meisten Substanzen emittieren jedoch nicht 100% der ihrer Temperatur entsprechenden Strahlung, man spricht bei diesen Materialien mit einem Emissions-vermögen < 1 von grauen Strahlern. Da in vielen Molekülen weiters die Elektronen-wellen nicht beliebige Energieeigenwerte annehmen können, fehlt bei bestimmten Wellenlängen jegliche Emission oder Absorption, diese bezeichnet man als selektive Strahler. Beide zusammen (graue und selektive) nennt man reale Strahler wobei der wellenlängenabhängige Emissionsgrad folgendermaßen definiert wird:

Dieser Unterlage ist eine Liste der Emissionsgrade der meisten technisch re-levanten Substanzen beigelegt.

Weiters absorbiert das sich in der Luft befindliche CO2 und der Wasserdampf bei bestimmten Wellenlängen ebenfalls IR-Strahlung (selektive Strahler). Aus diesem Grund werden in der Thermometrie zwei (atmosphärische) „Fenster“ zur Tempera-turmessung benutzt: das Kurzwellenband KWB bei 2-5 μm und das Langwellenband LWB bei 8-14 μm Wellenlänge.

Unter Berücksichtigung der Planck´schen Strahlungskurve zeigt sich, dass im Langwellenbereich insbesondere tiefe Temperaturen, im Kurzwellenbereich hohe Temperaturen gut gemessen werden können. Durch die Entwicklung empfindlicher Halbleiterdetektoren ist diese Einteilung im Prinzip hinfällig aber folgende Punkte sind dennoch zu beachten: Die Dämpfung durch atmosphärische Absorption ist im LWB geringer

schwarz

realKörperrealer TM

TM)()(

)(λ

λλε =

Spektrale spezifische Ausstrahlung Mλ(T) der realen Strahler und deren Emissionsgrad


Im KWB können Son-nenreflexionen bei 2μm auftreten (Körper mit ge-ringem Emissionsver-mögen absorbieren die-se Strahlung auch ge-ring, es tritt dann ver-stärkt Reflexion auf. Beispiel: aufgerautes Aluminium hat einen Emissionsgrad von nur 0,275, d.h. auch der Ab-sorptionsgrad beträgt etwa 30%, 70% der ein-fallenden Sonnenstrah-lung wird reflektiert. Bei einer Messung im KWB kann also bei ungünstigem Lichteinfall der Temperaturwert verfälscht werden – ein entsprechendes Filter ist zu verwenden)

Für berührungslose Temperaturmessungen sind eine Vielzahl von Geräten am Markt erhältlich: Handgeräte mit denen einzelne Punkte (mit Zieloptik oder Hilfslaserstrahl) anvi-

siert werden können. Das Gerät bestimmt dann im spezifizierten IR-Bereich die Intensität der IR-Strahlung und hieraus die Temperatur. Bessere Systeme besit-zen ein EPROM mit den Emissionskoeffizienten der gängigsten Materialien Kompaktsensoren, die ein der Intensität der IR-Strahlung proportionales Span-

nungssignal liefern (auch auf RS-232 oder IEEE Interface). Diese Systeme die-nen der Prozessüberwachung Bildgebende Systeme (Thermografiekameras), bei denen die IR-Strahlung

räumlich aufgelöst gemessen wird. Dies geschieht entweder durch die Abbildung der IR-Strahlung auf ein flächiges Detektorarray (IR-CCD-Array) wie bei einer Vi-deokamera im sichtbaren Bereich, mittels IR-Optiken, oder durch zeilen- und spaltenweises Scannen des Bildes mit Hilfe eines Spiegelsystems (ein Detektor). Diese Systeme ermöglichen neben der Änderung des Emissionsgrades der Ober-fläche auch eine Korrektur bei Verwendung von Sichtgläsern in Anlagen (Eingabe des Transmissionsfaktors des Glases), sowie oft auch eine Wahl des IR-Bandes (LWB oder KWB)

Auswahl von Firmen die berührungslose, thermometrische Geräte anbieten: www.nbn.at www.raytek.com www.flir.com

Atmosphärische Transmission im infraroten Wellenlängenbereich, Links das für Messungen verwendete Kurzwellen-band (KWB), rechts das Langwellenband (LWB) (Transmission auf 10m bei 50% rel. Feuchtigkeit)

Spektrum der Sonnenstrahlung mit dem ersten atmosphärischen Fenster imSichtbaren (VIS), man beachte die starke Absorption des Wassers im nahenIR. Dies erschwert z.B den Einsatz IR-Laserdioden für Laser-Doppler-Messungen in Wasser. (nach Goetzberger, Adolf; Voß, Bernhard; Knobloch,Joachim: Sonnenernergie: Photovoltaik, B. G. Teubner, Stuttgart)


2. Beispiele optischer Messsysteme und deren Anwendung 2.1. Thermografische Kamera Ursprünglich für die Militärtechnik entwickelt, stehen heute eine Vielzahl z.T. kostengünstiger Geräte zur berührungslosen Temperaturmessung in einem Bereich von –40°C bis etwa 2000°C zur Verfügung. Im folgenden wird eines der bilderfassenden Systeme beschrieben, das an der Fakultät für Maschinenbau im Einsatz ist. Ein Bilddarstellung im IR-Bereich ist extrem effektiv bei der Suche nach Thermolecks in technischen Anlagen und Gebäuden, sowie bei Defekten unter der Oberfläche, die sich in einer veränderten Wärmeleitfähigkeit bemerkbar machen, aber auch bei der Vermessung von Temperaturfeldern an Körperoberflächen. Wie auch im optischen Bereich kommen Objektive zur Abbildung in Einsatz, allerdings mit dem Unterschied, dass Germanium als Linsenmaterial verwendet wird. Für größere Brennweiten (Teleobjektive) werden Spiegeloptiken eingesetzt. Das Bild wird dann entweder, wie in der Videotechnik üblich, auf ein Array inf-rarotempfindlicher Halbleiterdetektoren abgebildet oder über ein Spiegelsystem von einem Detektor abgescannt. Letzteres System verwendet mechanische Komponen-ten die mit hoher Frequenz rotieren, gewährleistet aber eine hohe Genauigkeit in der relativen Bestimmung von Temperaturdifferenzen innerhalb eines Bildes (je nach Temperaturbereich z.B. 1/10°C bei Raumtemperaturen). Dies ist insbesondere unter dem Aspekt von Bedeutung, dass alle diese Systeme die Temperatur über eine In-tensitätsmessung der IR-Strahlung bestimmen und jeder Detektor Alterungsprozes-sen unterworfen ist. Für eine exakte absolute Temperaturbestimmung innerhalb der vom Hersteller spezifizierten Genauigkeit ist daher eine regelmäßige Kalibrierung

dieser Systeme erforder-lich (genauer: Kalibrie-rung des Detektors) Die Kalibrierung des Systems erfolgt (beim Hersteller) durch Verwendung speziell konstruierter Hohlraum-strahler, die in sehr gu-ter Weise eine schwar-zen Strahler darstellen (ε=1) und gut Tempera-turstabilisiert werden können.

Da alle Systeme auch tiefe Temperaturen sicher detektieren müs-sen, ist die IR-Eigenstrahlung des De-tektors so gering wie möglich zu halten. Aus diesem Grund kommen u.a. STERLING-Kühler zum Einsatz. Hier wird über ein Arbeitsgas (z.B.

Innerer Aufbau einer Thermografikamera, in welcher das Bild über einen Detektorgescannt wird. (Inframetrics Model 760)


He) durch einen STERLING-

Kälteprozess der De-tektor auf eine Ar-beitstemperatur von etwa –200°C gekühlt (bei Verwendung im LWB). Wird ein breit-bandiger Detektor (z.B. CdHgTe) ver-wendet, so muss durch Vorschalten geeigneter Filter der

wellenlängenmäßige Empfindlichkeitsbereich eingeschränkt werden (z.B. KWB oder LWB). Die Kalibrierung dieser Systeme muss für jeden Filter getrennt erfolgen. Bei der Messung selbst ist zu berücksichtigen, dass das Objekt im IR transpa-rent sein kann und sein Emissionsgrad in der Regel kleiner als 1 sein wird, d.h. das Objekt kann dann auch nicht 100% der einfallenden Strahlung absorbieren, ein Teil der von der Umgebung stammenden IR-Strahlung wird somit von der Oberfläche re-flektiert.

Gehen wir zunächst davon aus, dass das Objekt im IR-Bereich nicht transpa-rent ist. In diesem Zusammenhang ist aber zu beachten, dass die Atmosphäre selbst IR Strahlung emittiert und absorbiert und dieser Einfluss insbesondere im KWB eben-falls zu berücksichtigen ist.

Der Anteil der IR-Strahlung verschiedener Quellen setzt sich je nach Messbereich und Aufgabe unterschiedlich stark zusam-men. Während die Tempera-tur von Kamera und Objektiv, ebenso wie der Transmissi-onsgrad der Optik in der Re-gel intern ausgeglichen wird, muss zur Ermittlung des von der Oberfläche reflektierten IR-Anteils (bei Emissionsgra-den kleiner 1) die Umge-bungstemperatur bekannt sein, damit das System eine Kompensation des von der Umgebung reflektierten An-teils durchführen kann. (Bei kleineren Objekten kann man sich auch damit behelfen eine Referenzoberfläche mit Alufo-lie zu umwickeln und diese zu vermessen, da Alufolie ein sehr hohes Reflexionsvermö-

Objekt

IR-Kamera

aus der Umgebung reflektierte IR-Strahlung

Durchgelassene IR-Strahlung

eigentliche IR-Emission des Objekts

Von der thermografischen Kamera detektierte IR-Strahlung. Zusätzlich kann die Atmosphäre selbst das Meßergebnis verfälschen.

Messobjekt

Kamera

Teleobjektiv

Umgebung

Atmosphäre

Anteile der vom Detektor empfangenen IR-Strahlung bei einer Objekttem-peratur von 30°C, einem Emissionsgrad des Objektes von 0,7, einer Um-gebungstemperatur (auch Kamera, Teleobjektiv und Atmosphäre) von20°C. Die Messung erfolgt auf eine Entfernung von mehreren Metern imKWB.

Hohlraumstrahler als technische Realisierung eines schwarzen Strahlers zur Kalibrierungvon IR-Systemen


gen besitzt. Allerdings ist immer zu beachten, dass die Messung wie in allen Fällen möglichst senkrecht zur Oberfläche erfolgen soll) Das wohl größte Problem bei der Messung der Oberflächentemperatur mit-tels IR-Strahlung ist ein unbekannter Emissionsgrad. Dieser kann nur durch eine Re-ferenzmessung ermittelt werden. Das Objekt, dessen Emissionsgrad bestimmt wer-den soll wird hierzu partiell mit einer Oberflächenbeschichtung bekannten Emissi-onsgrades bedeckt (z.B. Ruß), ebenso ist die Hintergrundtemperatur und somit die Intensität der IR-Hintergrundstrahlung genau zu ermitteln. Der unbekannte Emissi-onsgrad ergibt sich nun zu:

Zudem muss die Tatsache berücksichtig werden, dass sich der Emissionskoeffizient mit der Wellenlänge ändern kann, d.h. es ist das verwendete IR-Band zu berücksich-tigen.

Ermittelung eines unbekannten Emissionsgrades

ächeReferenzflderradEmissionsgtdintensitäHintergrun-ächeReferenzflderIntensität

tdintensitäHintergrunnsitäObjektinteradEmissionsg ×=-t


2.2. Laser-Doppler-Anemometrie Die Laser-Doppler-Anemometrie (Anemometrie = Geschwindigkeitsmessung) ist ein berührungsloses Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit in Strömungen. Bei dieser Technik wird das Strömungsfeld mit einem kleinen Messvolumen abgetastet, welches durch die Überlagerung zweier interferenzfähiger Laserstrahlen entsteht. Aktuelle System sind meist kompakt und zeichnen sich durch einen Transport des Laserlichts über optische Fasern zu der zu untersuchenden Strömung aus. Das Licht eines Lasers (Helium-Neon oder Argon-Ionen) wird in einer eigenen Einkoppeloptik in zwei Teile geteilt und jeder Teil in ein eigene Lichtleiterfaser einge-koppelt und so zum Messkopf geführt. Im Messkopf treten beide Strahlen aus den Fasern wieder aus. Am Messkopf selbst befindet sich eine Linse, die beide Strahlen in einem Punkt fokussiert und überlagert. In diesem Messvolumen bildet sich durch die Überlagerung beider Laserstrahlen ein stehenden Interferenzmuster aus. Fliegt nun ein von der Strömung mitgenommenes Teilchen durch dieses Interferenzmuster, so blitzt es in den hellen, lichtdurchfluteten Interferenzebenen auf, in den Ebenen destruktiver Interferenz beider Lichtwellen bleibt es dunkel. Dieses Aufblitzen (der sogenannte Dopplerburst) wird nun von einem Photodetektor (z.B.: Avalanche-Photodiode oder Photomultiplier) detektiert. Aus der Frequenz f des Aufblitzens kann nun die Geschwindigkeit u des Teil-chens zu

αλ

sin2. fxfu =Δ=

berechnet werden, wobei die Wellenlänge λ des verwendeten Laserlichts ebenso bekannt sein muss wie der Winkel α unter welchem sich die beiden Laserstrahlen schneiden. Letzterer ergibt sich aus der Brennweite der verwendeten Linse. Über

Laser

Fasereinkopplung

Messkopf

Messvolumen

Strömung mit Tracerpartikel

lichtempfindlicher Photodetektor

elektrisches Signal (Dopplerburst)

I max

I min

ϕ

Laser-Doppler-Anemometer


Messvolumen des Laser-Doppler-Anemometers

diese Brennweite ist also der Abstand der Interferenzstreifen, und somit der Konver-sionsfaktor zwischen Aufblitzfrequenz und Teilchengeschwindigkeit steuerbar. Ganz wesentlich bei diesem Messverfahren ist die Verwendung von Teilchen oder Tröpfchen, die der Strömung möglichst schlupffrei folgen sollten (sogenannte Tracerpartikel). Aus diesem Grund werden feinste Tröpfchen durch Zerstäubung von Öl mit anschließender Trennung in kleinen Zyklonen (Wirbelschichtabscheidern) erzeugt (Öltröpfchen ca. 1μm), bzw. feste Substanzen (Titandioxid) in Ethanol gelöst und der Strömung beigegeben (letzteres z.B. in Brennräumen, in denen aufgrund der

hohen Temperaturen Öl nicht einsetzbar ist). Die Auswertung der einzelnen Dopplerbursts kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Die einfachste Methode ist es, nach einer Hochpassfilterung (der niederfrequente Anteil wird hierbei abgezogen, der Burst erscheint symmetrisch zur Nullinie) die Positionen der Nulldurchgänge aufzuzeichnen und aus dem Ver-gleich mit einem internen Oszillator die Frequenz des Aufblitzens zu ermitteln. Jeder einzelne so ausgewertete Dopplerburst liefert nun einen Momentanwert der Geschwindigkeit in die Richtung senkrecht zu den Interferenzebenen. Für eine Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in diesen Punkt in diese Richtung sind nun eine Vielzahl von solchen Einzelmessungen notwendig. Es muss eine Statistik gebildet werden können, um Mittelwert u und Schwankungsgröße u′ermitteln zu können:

Kompaktes, mit einem Diodenlaser und einer Avalanche-Photodiode aufgebautes Laser-Doppler-Anemometer (LDA), wel-

ches nach dem Rückstreuprinzip arbeitet (nach B.Ruck, Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, at-Verlag).

uuumometan ′+=


Auswertung eines einzelnen Dopplerbursts (Aufblitzen eines Tracerteilchens im Messvolumen des Laser-Doppler-Anemometer. Das Ergebnis dieser Auswertung eines Bursts ist ein Momentanwert der Geschwindigkeit. (nach B.Ruck, Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, at-Verlag)

Statistische Auswertung der einzelnen Momentanwerte der Ge-schwindigkeit ui . Der Index i bezeichnet eine der drei Raumrichtun-gen. Δt ist die Aufenthaltsdauer des Tracerteilchens im Messvolu-men, welche für jede der N Einzelmessungen als Gewichtung he-rangezogen wird. Auf diese Art ergeben sich nicht nur die Mittelwer-te der Geschwindigkeiten, sondern alle Größen des Reynold'schen Spannungstensors.


Da schnelle Teilchen das Messvolumen häufiger durchqueren als langsame, ist es notwendig über die Aufenthaltsdauer des Teilchens im Messvolumen zu gewichten. Erst dann ist eine für alle Geschwindigkeiten richtig gewichtete Normalverteilung zu erwarten. Sollen die Momentanwerte der Geschwindigkeiten in mehrere Raumrichtun-gen korreliert gemessen werden (z.B. für die Größen des Reynold'schen Span-nungstensors), so ist es erforderlich zwei oder mehrere Geschwindigkeiten simultan zu messen. Dies geschieht über sogenannte mehrdimensionale LDA-Systeme, bei denen zwei oder drei eindimensionale LDA-Systeme miteinander gekoppelt werden. Als Lichtquelle wird wiederum ein Argon-Ionen-Laser verwendet, wobei für jede Rich-tungskomponente eine eigene Wellenlänge verwendet wird. (514nm grün, 488nm blau und 476nm blau-violett)

Besondere Stärken hat das LDA durch seine berührungsfreie Messung im Grenzschichtbereich, in welchem die Strömung durch Sonden gestört werden würde, aber auch in rotierenden Maschinen, in denen eine Bestückung mit Sonden sehr schwierig, wenn nicht sogar unmöglich ist (z.B. bei Überschallgeschwindigkeit; hier werden Hitzdrahtanemometer durch die Druckstöße förmlich zerrissen, Keilsonden blockieren die Strömung nicht unerheblich - "blockage factor").

Links: www.dantecdynamics.com www.tsi.com

Ermittlung zweier zueinander orthogonaler Geschwindigkeiten in einer Strömung durch Verwendung zweier ineinander kon-struierter , um 90° gegeneinander verdrehter LDA-Systeme (Zweidimensionales System, Farbtrennung der Geschwindig-keitskomponenten) .

Beispiel einer Messung der Strömungsgeschwindigkeit in einer rotierenden Turbine. Die aus den einzelnen Dopplerburstsermittelten Momentanwerte der Geschwindigkeit müssen hier zusätzlich über einen Winkelencoder einem Winkelwert zuge-ordnet werden, bevor eine statistische Auswertung (jetzt in Abhängigkeit vom Winkel) erfolgen kann.


2.3. Laser Vibrometer Laser Vibrometer dienen der berührungslosen Messung der Schwingung von Ober-flächen. Eingesetzt werden sie vom niederfrequenten Schwingungsbereich bis in den Ultraschallbereich (MHz).

Auch beim Laser Vibrometer wird ein Laserstrahl in zwei Teile geteilt. Wäh-rend der eine Strahl einen Punkt des Objekts beleuchtet und von diesem Punkt in das Vibrometer zurückreflektiert wird (Strahlengang 2 in nachfolgender Abbildung), dient der zweite Strahl als Referenz und verlässt das Vibrometer nicht (Strahlen-gang1). Im Interferometer werden nun beide Strahlen wieder überlagert, es kommt zur Interferenz. Ein an dieser Stelle angebrachter Detektor (D in nebenstehender Abbildung) detektiert nun hell oder dunkel, je nachdem ob beide Wellen im Gleichtakt

oder im Gegentakt auf den Detektor treffen. Verschiebt sich nun die Oberfläche um ein Viertel einer Wellen-länge (beim Helium-Neon-Laser sind dies 0,158μm), so ändert sich der gesamte opti-sche Weg zwischen Vibrometer und Ober-fläche um eine halbe Wellenlänge, die In-tensität am Detektor verändert sich z.B. von Hell (Gleichtakt, kon-struktive Interferenz) auf Dunkel (Gegentakt,

Meßbereich eines Laservibrometers (Polytec)

Aufbau eines Laser Vibrometers


destruktive Interferenz). Bei der Bewegung der Objektoberfläche ändert sich somit alle 0,158μm das Signal von Hell auf Dunkel.

Dieses Messprinzip gleicht dem eines interferometrischen Laserlängenmess-systems, wie sie z.B. in den Vorlesungen des Institutes für Fertigungstechnik behan-delt werden. Der einzige Unterschied in der Anwendung ist die Tatsache, dass bei einer Schwingung der Oberfläche, sich diese Oberfläche einmal auf das Vibrometer zu- etwas später wieder wegbewegt. Diese Richtungsumkehr muss nun vom Vibrometer sicher detek-tiert werden, auch wenn diese bei einem Bruch-teil einer viertel Wellen-länge liegt.

Aus diesem Grund wird in den Refe-renzstrahl eine Bragg-zelle (oder auch a-kusto-optischer Modu-lator genannt) einge-bracht. Hier wird der (Referenz) Laserstrahl an einer Ultraschallwelle reflektiert und dabei durch den Dopplereffekt leicht in seiner Frequenz moduliert. Der Detektor des Vibrometer beobachtet nun eine Schwebung konstanter Frequenz zwi-schen dem Referenzstrahl und dem an der schwingenden Oberfläche reflektierten Messstrahls. Man kann nun aber auch die Verschiebung der Oberfläche als Ursache einer Dopplerverschiebung im Messstrahl interpretieren, sodass die Intensität I am Detek-tor nun durch

[ ]))(2cos(1 tffI BraggObjekt ++≈ π

gegeben ist (mit f der Dopplerfrequenz f = 2v/λ, t der Zeit). Ohne Objektbewegung liegt also nur die Modulationsfrequenz der Braggzelle als Signal vor (Schwebung). Bei einer Bewegung der Oberfläche, beobachten wir nun z.B. eine Erhöhung der Schwebungsfrequenz bei Bewegung vom Vibrometer weg, einer Erniedrigung der Schwebungsfrequenz bei entgegengesetzter Bewegung zum Vibrometer. Das Ergebnis ist ein frequenzmoduliertes Signal, wie man es aus der Radiotechnik kennt, dessen Demodulation hier allerdings nicht den Ton, sondern die Ge-schwindigkeit der Ober-fläche ergibt. Durch diese Trägerfrequenztechnik ergibt sich zudem eine Steigerung der Wegauf-lösung um ein Vielfa-ches, sodass Verschie-

Akusto-optischer Modulator

Moduliertes (oben) und demoduliertes Signal der Photdiode


bungen im Submikrometerbereich detektiert werden können (je nach Decoder spezi-fiziert z.B. Polytec bis zu einer Auflösung von 0,002μm). Aufgrund der Verwendung der Laserwellenlängen als Referenz werden solche Laser Vibrometer auch zur Kalib-rierung von Beschleunigungsaufnehmern verwendet. Dieser prinzipielle Aufbau kann nun in vielerlei Hinsicht modifiziert werden. Folgende Varianten sind üb-lich: Einpunktvibrometer: Dieses System gleicht dem oben beschriebenen. Es liefert das Geschwindigkeitssignal eines Punktes der Oberfläche. Tas-tet man mit dem Laserstrahl die Oberfläche ab, so kann man im Resonanzfall (eine Frequenz) den Schwin-gungsmode ermitteln. Schwingt die Oberfläche in mehreren Schwingungsfor-men gleichzeitig, so muss die Amplitude der Schwingung für jede einzelne Resonanz über eine Frequenzanalyse des Signals (Fourierzerle-gung) ermittelt werden. Der Objektstrahl lässt sich hierbei auch in einer optischen Faser zur untersuchenden Oberflä-che führen. Zweipunktvibrometer: Hier sind Objekt und Referenz-strahl als Messstrahlen aus-geführt. Zeigen beide auf den selben Punkt der Oberfläche so liefert das Vibrometer kein Signal. Zeigen die Strahlen auf zwei verschiedene Punk-te der Oberfläche, so liefert das Vibrometer die Ge-schwindigkeitsdifferenz bei-der Punkte. D.h. dieses Sys-tem misst Schwingungen differenziell. Rotationsvibrometer: Hier sind eigentlich zwei Interferometer in ein System gebaut. Dieses System nutzt den Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Winkelge-schwindigkeit (v=ωr), indem es zwei Laserstrahlen z.B. auf ein Welle schickt, wobei der radiale Abstand von der Achse für beide Strahlen gleich groß sein muss. Jedes System erhält dann das gleiche Geschwindigkeitssignal. Abweichungen von der

Prinzipielle Bauweisen von Laservibrometern (Polytec)


Winkelgeschwindigkeit können nun sehr empfind-lich gemessen werden. Bei Einsatz zweier solcher Rotationsvibrometer an verschiedenen axialen Positionen entlang der Welle lassen sich auch Torsionsschwingungen detektieren. Links: www.polytec.de www.ometron.com

Scannendes Einpunktvibrometer. Hier wird über eine Spiegeleinheit der Laserstrahl über mehrere Punkte entlang der Ober-fläche geführt. Ein von einem Frequenzgenerator vorgegebenes Signal dient als Referenz. Dadurch kann für jeden Punkt derOberfläche nicht nur die Amplitude der Oberfläche der Schwingung sondern auch die Phasenlage der Schwingung spezifiziertwerden. Aufgrund einer Fourier-Analyse des Signal erlauben solche Systeme die Untersuchung mehrerer anschwingenderResonanzen gleichzeitig, was insbesondere für die Ermittlung der von diesen Schwingungen ausgehenden Schallabstrahlungvon großem Interesse ist.

Rotationsvibrometer

Energie- und umwelttechnisches Meß- und...

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