Transient Grating Spectroscopy (TGS)

Messgrößen

  • Temperatur

Prinzip

Zwei gekreuzte kohärente Pulslaserstrahlen (Pulsdauer: etwa 5 ns) induzieren durch elektrostriktive Prozesse ein Brechungsindex-Gitter lokal in das Strömungsmedium. Die Lebensdauer des Gitters beträgt etwa einige hundert ns.

Das Gitter breitet sich mit der lokalen Schallgeschwindigkeit in alle Richtungen aus, dadurch wird der Kontrast (Sichtbarkeit) des Gitters moduliert.

Die Modulationsfrequenz f_M ergibt sich aus der lokalen Schallgeschwindigkeit a und dem Gitterabstand s:
f_M = 2a/s.

Detektiert wird diese Modulationsfrequenz durch einen Messlaserstrahl, der unter Bragg-Winkel-Bedingungen relativ zum Gitter ausgerichtet ist.

Die Bragg-Reflektion des Messstrahls pulsiert dann mit der Modulationsfrequenz f_M des Gitterkontrasts.

Die Intensitätsschwankungen des Messstrahls werden mit einem Photomultiplier mit zu erwartenden Frequenzen von bis zu 200 MHz erfasst.

Die lokale und momentane Temperatur T ergibt sich aus dem Ausdruck für die Schallgeschwindigkeit:
a^2 = kappa RT

Die chemische Zusammensetzung des Gases sollte hierfür bekannt sein.

Der Geräteaufbau hierfür wesentlich weniger aufwendig als z.B. bei CARS.

Das Messverfahren ist weniger empfindlich gegen Verschmutzungen in der Strömung.

TGS bietet eine relativ hohe Messgenauigkeit (+/-3,6K bei Umgebungsdruck; +/- 1,6K bei 3,5bar Überdruck) mit einer vorteilhaften Verwendbarkeit bei höheren Drücken.

Anwendungsmöglichkeiten der TGS sind instationäre Temperaturmessungen z.B. in Kompressor- / Turbinentestständen, Windkanalexperimenten und (Hochdruck-) Brennkammern.

Anwendung

Diese Messtechnik eignet sich für instationäre Temperaturmessung in:
-Gasströmungen allgemein, vorzugsweise bei hohen Drücken z.B. in Pipelines,
- Kompressor- / Turbinentestständen,
- Windkanalexperimenten,
- Flammen,
- Brennkammern,
- Hochdruckbrennkammern.

Literatur / Referenzen

  • Bake, F.; Lehmann, B.: 2003: Experimente zur Anwendung laserinduzierter Brechnungsindexgitter (TGS) für Temperaturmessungen in Verbrennungsströ-mungen. 11. GALA-Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmechanik, Braunschweig.
  • Bake, F.; Lehmann, B.: 2004: Preliminary Investigations on Thermometry in Thermal Flows via Transient Grating Spectroscopy (TGS). 12th International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon.
  • Brown, M.S.; Roberts, W.L.: Single-Point Thermometry in High-Pressure, Sooting, Premixed Combustion Environments, Journal of Propulsion and Power, Vol. 15, No. 1, 1999, pp.119-127.
  • Eichler, H.J.; Günter, P.; Pohl, D.W.: Laser-Induced Dynamic Gratings, Springer Verlag 1986.
  • Stampanoni-Panariello, A.; Hemmerling, B.; Hubschmid, W.: Temperature measurements in gases using laser-induced electrostrictive gratings, Applied Physics B, Vol. 67, 1998, pp.125-130.
  • Yuanyuan, L.: Applications of Transient Grating Spectroscopy to Temperature and Transport Properties Measurements in High-Pressure Environments, Dissertation, North Carolina State University, 2001.

Institut / Einrichtung

DLR-Institut für Antriebstechnik

Kontakt

Dr.-Ing. Friedrich Bake
DLR-Institut für Antriebstechnik

Jochen Krampe
Technologiemarketing

Dr.-Ing. Alexander Born
Technologiemarketing

Dr. Frank Holtmann
Technologiemarketing

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