Abbildende Temperaturmessung mit NO-LIF

Zwei-Linien-LIF-Thermometrie
Die relative Besetzung verschiedener energetischer Zustände eines Atoms oder Moleküls ist abhängig von der Temperatur. Jede Messmethode, die die Besetzung mindestens eines individuellen (Rotations-, Schwingungs-, elektronischen) Niveaus ermitteln kann, ist also prinzipiell zur Temperaturmessung geeignet. Voraussetzung ist, neben der experimentellen Realisierbarkeit, ein für das zu messende Temperaturintervall geeignetes Energieniveau dieses Zustands. Die laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) ist ein geeignetes Mittel, um elektronische Grundzustandsbesetzungen zu ermitteln. Eine Reihe von Methoden zur Temperaturmessungen in Flammen sind nach diesem Prinzip entwickelt worden [1]. Dabei unterscheidet man Ein-, Zwei- und Multi-Linien-Methoden. In unserer Gruppe wurde eine Zwei-Linien-Methode [2] und eine Multi-Linien-Methode [3] zur Temperaturbestimmung in nichtrußenden und rußenden Flammen unter Verwendung des Stickoxid (NO)-Moleküls entwickelt. Hierzu wird die Besetzung von zwei unterschiedlichen Schwingungsniveaus des NO-Moleküls ermittelt. Die Temperaturabhängigkeit der Besetzung ist in Abhängigkeit von dem energetischen Unterschied der Niveaus Δε gegeben durch den Boltzmannschen e-Satz

mit k als Boltzmann-Konstante. N1 bzw. N2 sind durch laserinduzierte Fluoreszenzmessungen aus den beiden Niveaus erhältlich. Der Vorteil einer Zwei-Linien-Methode ist die Unabhängigkeit von der lokalen Stickoxid-Konzentration aufgrund der Quotientenbildung in der obigen Gleichung. Das macht die Methode auch für turbulente Systeme (Motorische Verbrennung, Industriebrenner) anwendbar. Aus experimentellen wie spektroskopischen Gründen eignet sich das Stickoxid-Molekül hervorragend als Tracer für die Zwei-Linien-LIF-Thermometrie. So ist es aufgrund natürlicher Bildung in vielen Verbrennungssystemen vorhanden, kann aufgrund seines stabilen Charakters aber auch leicht zugegeben werden. Zudem besitzt es einen relativ großen Absorptionsquerschnitt und eine gute Fluoreszenzeffizienz. Seine spektroskopischen Eigenschaften sind gut bekannt.

Abbildung 1: Temperaturfeld im Schnitt durch die Flamme eines rußenden Ethylen-Luft Gemisches

Literatur:

[1] Laurendeau N. M., Temperature Measurements by Light-Scattering Methods, Prog. Energy Combust. Sci. 14, 147-170 (1988).
[2] W.G. Bessler, F. Hildenbrand, C. Schulz, Two-line laser-induced fluorescence imaging of vibrational temperatures of seeded NO, Appl. Opt. 40, 748-756 (2001).
[3] W. G. Bessler and C. Schulz, "Quantitative multi-line NO-LIF temperature imaging," Appl. Phys. B 78, 519-533 (2004).
[4] T. Lee, J. B. Jeffries, R. K. Hanson, W. G. Bessler, and C. Schulz, "Quantitative NO-LIF Temperature Imaging in High-Pressure Flames," in 41st AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, January 6-9 (Reno, NV, 2003), Paper No. 2003-0583.
[5] T. Lee, W. G. Bessler, H. Kronemayer, C. Schulz, and J. B. Jeffries, "Quantitative temperature measurements in high-pressure flames with multi-line nitric oxide (NO)-LIF thermometry," Appl. Opt. 31, 6718-6728 (2005).
[6] H. Kronemayer, W. Bessler, and C. Schulz, "Gas-phase temperature measurements in evaporating sprays and spray flames based on NO multiline LIF," Appl. Phys. B 81, 1071-1074 (2005).
[7] H. Kronemayer, I. Düwel, and C. Schulz, "Temperature imaging in spray flames," in European Combustion Meeting (Louvain-la-Neuve, 2005).