Kapitel 10 Messgrößen und Messverfahren der ...ce.u-sys.org/Veranstaltungen/Verbrennungstechnik/Kapitel_10_Zusatz.pdf · Energieniveau-Diagramm für Molekül Vorlesung VERBRENNUNGSTECHNIK

Vorlesung VERBRENNUNGSTECHNIK

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Kapitel 10

Messgrößen und Messverfahren der Verbrennungstechnik


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1 Welche Messgrößen werden benötigt

2 Sonden-Messtechniken 2.1 Strömungsmessung2.2 Temperaturmessung2.3 Spezieskonzentrationsmessung

3 Probleme mit Sonden-Messtechniken3.1 Strahlungskorrektur3.2 Störung des Verbrennungsfeldes

4 Optische Messtechniken

Inhalt


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Welche Messgrößen werden benötigt? (1)

Hängt ab von Fragestellung:

BetriebsüberwachungBrennt Flamme stabil? → Flammendetektor

→ Videokamera

Abgaszusammensetzung im Limit? → Rauchgasanalyse

Neuentwicklung eines Brenners (zusätzlich) Wo brennt Flamme? → Flammenemission

Wie heiß ? → Pyrometrie

Wie vollständig? → Sonden

Massenstrom Luft / Brennstoff → Massenstrom-Messung

...

1 Brenner defekt


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Welche Messgrößen werden benötigt? (2)

(Hängt ab von Fragestellung)

Forschung, Entwicklung von ModellenLokales Strömungsfeld

Lokale Turbulenzeigenschaften

Lokale Brennstoff/Luft-Mischung

Lokale Temperaturverteilung

Lokale Speziesverteilung

Flammenstruktur

Spray, Tropfengrößen

Rußpartikel

...

→ Laserspektroskopische

Messtechniken


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Pneumatische Verfahren: Messung des dynamischen Druckes pD

(pD: kinetischer Druck, Staudruck;pG: Gesamtdruck; pS: statischer Druck)

Pitotrohr (z.B. Prandtlstaurohr; Gesamtdruckmessung)

Massenflußsonden (gleichzeitig Pitotdruck)

Elektrische Verfahren: Abkühlung eines elektrisch beheizten Messfühlers

Hitzdraht-Anemometer (mit kurzen Ansprechzeiten)

Nu = f (Re, Pr, Geometrie) und Re = u d / νThermosonden (robustere Bauweise)

Akustische Verfahren: Phasendifferenz stromauf und stromab laufender Wellen

Magnetische Verfahren: für elektrisch leitende Medien

Für freie, nicht umschlossene Strömungen nur pneumatische & elektrische Verfahren nutzbar

Sonden-Messung der Strömungsgeschwindigkeit

2

2uppp SGD

ρ=−=


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Konzentrationsmessverfahren z.B. zum Einsatz in der Rauchgasanalyse

• Chemilumineszenzverfahren NO mit Konverter (2. Kanal) NO2 (NOx)(Probleme mit H2O und CO2; Nachweisgrenze < 1 ppm)

• Flammenionisation CHx (Gesamt-(Nachweisgrenze 1 ppb; max. 10 ppm C1) kohlenwasserstoffe)

• Nichtdispersive Absorption CO, CO2, SO2

(NDIR, NDVIS, NDUV) NH3, H2O, ... (Nachweisgrenze z.B. für CO 0,2%)

• Paramagnetismus O2

(Querempfindlichkeit zu SO2, NO2; Nachweisgrenze 0,05%)

• Wärmeleitfähigkeit H2, He

• Luftzahl bestimmen aus CO2 oder aus O2 - Gehalt

Konzentrationsmessung (Rauchgasanalyse)


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Mechanical Probes

Gas Chromatography

time

FID

sig

nal

injector capillary FID

pump

gas sample

from flame

Evaluation

conditioned

CH + O -> CHO+ + e-FIDcoiled

capillary


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Einfluß einer mechanischen Sonde auf die Reaktionszone

Probe disturbs flow field locally and globallyLimited temporal resolution Heat conduction along wire & radiation cool the flame Material may be catalytic


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Störung einer Flamme durch Sonden

Radiale O2-Konzentrationsprofile gemessen mit Sonde und mit Laser-Raman-Streuung a in derReaktionszone und b in der Nachreaktionszone (aus Haumann, Leipertz: Appl. Opt. 24 (1985)4509-4515)


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Störung einer Flamme durch Sonden

Stepowski, Cottereau; 1980; Anwendung der LIF-Technik


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Vorteile: • Molekülselektive Detektion

• berührungsfrei

• zeitlich hoch auflösend (gepulster Laser typ. 15 ns, also entsprechend kurze Belichtungszeit)

• räumlich hoch auflösend (typ. unter 1 mm)

• auch simultan 2D- und 3D-Messungen möglich -> Planare Laserlichtschnitt-Messtechnik

• vielfältige Anwendungen

Nachteile: • oft teuer

• Nutzer-Kenntnisse notwendig

Anwendung oft in Forschung (zunehmend auch in Entwicklung !)

Optische Messtechniken, Laserspektroskopie


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Optical Measurement Techniques

Passive optical probes

Flame Emission:

•Video-Monitoring•IR camera -> temperature distribution•Flame monitor

• Spectral filter + photo diode

•Pyrometry• Measurement of black body radiation

(function of temperature)

Flame monitoring necessary• Safety: shut down of gas supply, if flame

extinguishes, otherwise danger of explosion

Image of an IR thermometry camera


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Lasermesstechnik - Prinzip

Laserquelle

Messort

SammellinseFilter

Detektor

Strahlfalle

Brenner

Punkt-Messtechnik


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Laserquelle

Zylinderoptik

Meßbereich

Abbildungsoptik2-D-Detektor

Planare Lasermesstechnik - Prinzip

Lichtschnitt

2D-Lichtschnitt-Messtechnik


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Schematische Darstellung einiger Wechselwirkungsprozesse Photon-Materie


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Grundprinzip: Laserlicht induziert spezifische Wechselwirkungsvorgänge mit Teilchen im Messvolumen:

• Streuung an Partikeln, Tropfen -> Mie-Streuung, Geometrische Optik;-> Particle Image Velocimetry (PIV)

• Streuung an Molekülen -> Rayleigh-Streuung-> Raman-Streuung (linear)-> Coherent Anti-Stokes Raman (CARS)

• Molekülanregung durch Laser -> Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) (Absorptions-Emissions-Prozess)

Laserspektroskopische Methoden


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MIE - Streuung

MIE - Streuung an • Tropfen • Spray • Partikeln → Strömungsmessung

Vorteil: • Starkes Signal• Erlaubt Visualisierung• Viele Anwendungen

Beispiel: Visualisierung des Einspritzverhaltens in einem Nfz-Motor mit Diesel-Direkteinspritzung


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Phasen-Doppler-Anemometrie (geom. Optik)

Dopplerbursts

Überlagerungsbereich von Laserstrahlen

Tropfen streuen Licht

Signal: „Dopplerburst“

Tropfengeschwindigkeit ergibt sich aus

Schwebungsfrequenz (LDA)

Zwei Detektoren

Phasenverschiebung der beiden Signale

lineare Beziehung zwischen Φ und d

Interferenzmuster

Φ

fD


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Phasen-Doppler-Anemometrie (geom. Optik)

From: Zigan, Schmitz, Flügel, Wensing, Leipertz: Proc. IMECHE (2009)

Z=13mm

Dro

p s

ize

[µm

]

Time [ms]


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Particle Image Velocimetry (PIV)

Particles are seeded into the flame

Follow the movement ∆x, ∆y of groups of particles between two exposures

Local velocity can be computed from

tM

ttxtxtxu t ∆⋅

∆+−= →∆

)()(lim),( 00

00


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Particle Image Velocimetry (PIV)

Example:

velocity field of a turbulent Bunsen-type flame

2D-velocity field

Mie-scattering

Mie-scattering


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raw image 2D velocity

SijSGS flux

raw image 2D velocity

SijSGS flux

Particle Image Velocimetry (PIV)Example:

Velocity field of a turbulent V-shaped flameHigh Speed PIV @ 8kHz sampling rate


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a

b

n

A

abν~

ν~ abν~ν~ −

a

b

n

A

ν~ ν~

a

b

A

ν~ LIFν~

a,b : molecular energy levels (vibrational or rotational)A : molecular/atomic energy level (electronic)n : virtual energy levels

(i) Rayleigh scattering (ii) Raman scattering (iii) Laser Induced Fluorescence

Laser-based Techniques (Spectroscopy)

Non-resonant excitation Resonant excitation

Ene

rgy


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Wellenlänge

Wellenlänge

Wellenlänge

Laser-Anregung

Rayleigh-Streuung

Mie-StreuungLaser-Induzierte Fluoreszenz (LIF)

Raman-Streuung,CARS

Laserspektroskopie

Energieniveau-Diagramm für Molekül


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Raman Scattering

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000,01

0,1

1

CH

4(ν 1)

CH

4(ν 3)

C2H

4(ν 1)

NH

3

H2O

H2

H2S

NO

NO

2 (ν

2)

C2H

6 (ν

3)

SO

2

CO

2 (ν

1)

NO

2 (ν

1)

CO

2 (2ν 2)

O2

C2H

4 (ν

2)C

ON

2

Ra

ma

n-S

tre

uq

ue

rsch

nitt

[10

-30 cm

2 /sr]

Ramanverschiebung [cm-1

]


10 / 26


Raman ScatteringExperimental set-up

Laser

Spectrometer

Camera

Probe Volume


10 / 27


Raman Scattering (1d)

Example: experimental spectrum taken in a combustion engine

370 380 390 400 4100,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Wavelength / nm

Inte

nsi

ty /

arb

.un

its

O2

C-H

N2

H2OCO2


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Raman Scattering (2d)

Radialer Abstand von Brennerachse [mm]

Höhe

über

Bre

nner

[mm

]

0 5 10 1512

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

Molenbruch [-]0.1700.1590.1470.1360.1250.1130.1020.0900.0790.0680.0560.0450.0340.0220.011

Sauerstoff


Höhe

über

Bre

nner

[mm

]

0 5 10 1512

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

Molenbruch [-]0.8000.7810.7610.7420.7230.7040.6840.6650.6460.6260.6070.5880.5690.5490.530

Stickstoff


Höhe

über

Bre

nner

[mm

]

0 5 10 1512

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

Temperatur [K]19001786167115571443132912141100986871757643529414300

Temperatur

Simultaneous concentration- and temperature determination

Concentrations from relative intensities of the respective species

From: T. Seeger, J. Egermann, S. Dankers, F. Beyrau and A. LeipertzChemical Engineering & Technology 27: 1150-1156 (2004)


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Höhe

über

Bre

nner

[mm

]

0 5 10 1512

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

Molenbruch [-]0.0900.0840.0780.0720.0660.0600.0540.0480.0420.0360.0300.0240.0180.0120.006

Kohlendioxid


Höhe

über

Bre

nner

[mm

]0 5 10 15

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

Molenbruch [-]0.1900.1770.1650.1520.1390.1260.1140.1010.0880.0760.0630.0500.0370.0250.012

Wasser


Höhe

über

Bre

nner

[mm

]

0 5 10 1512

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

Molenbruch [-]0.0500.0470.0430.0400.0370.0330.0300.0260.0230.0200.0160.0130.0100.0060.003

Wasserstoff


Höhe

über

Bre

nner

[mm

]

0 5 10 1512

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

Molenbruch [-]0.0100.0090.0090.0080.0080.0070.0070.0060.0050.0050.0040.0040.0030.0020.002

Acetylen


Höhe

über

Bre

nner

[mm

]

0 5 10 1512

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

Molenbruch [-]0.0800.0750.0700.0650.0600.0550.0500.0450.0390.0340.0290.0240.0190.0140.009

Kohlenmonoxid

Radialer Abstand von Brennerachse [mm]H

öhe

über

Bre

nner

[mm

]0 5 10 15

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

Molenbruch [-]0.2650.2480.2300.2120.1950.1770.1590.1410.1240.1060.0880.0710.0530.0350.018

Methan


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Flammeneigenleuchten1/3 s Belichtungszeit70 x 90 mmStaukörperstabilisierte-Flamme

Momentanstruktur im Laserlichtschnitt15 ns Belichtungszeit2D-Rayleigh-Thermometrie

Beispiel: Planare Lasermesstechnikin Flammen (LTT)

F. Dinkelacker, A. Soika, D. Hofmann, D. Most, A. Leipertz, Proc.11th Int. Heat Transfer Conf., Kyongju, Korea, 7, 373 (1998).


10 / 31

RAYLEIGH - Streuung

RAYLEIGH-Streusignal hat dieselbe Wellenlänge (*) wie einfallendes Licht(wie auch MIE-Streuung).

Streuung an Molekülen

→ Signal ist Maß für Dichte

→ Temperatur ~ 1 / Dichte tw. messbar

Rayleigh-Signal schwächer als Mie-Signal→ falls Tropfen, Partikel da sind, keine Rayleigh-Streuung nutzbar (**).

(*) fast, Details durch Streuspektrum beschrieben(**) Ausnahme: Gefilterte Rayleigh Streuung

Energieniveau-Diagramm für Molekül


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Rayleigh Scattering

density measurement

ϕ = 0,8

300 K

2000 K

Rayleigh - Thermometry:

Flame temperature of a turbulent methane – air flame

12 kg/h

From: M. Löffler, LTT Erlangen


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Laser Induced Fluorescence (LIF)

Molecules or atoms are transferred into an excited electronic state by resonant absorption of a photon

By successive emission of photons the molecules return to the electronic ground-state (fluorescence)

Absorption

Fluorescence

r

E

excited electronic state

electronic ground-state

X

A

v‘‘=0

v‘‘=1

v‘=0

v‘=1

J‘‘=2

J‘=2


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in a bluff body flame (non-premixed flame)

C2-Fluorescence OH-FluorescencePhotographFrom: T. Seeger, J. Egermann, S. Dankers, F. Beyrau and A. LeipertzChemical Engineering & Technology 27: 1150-1156 (2004)


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in a wire-stabilized “V-shaped” flame (premixed flame)

OH-Radical

From: Pfadler, S.; Löffler, M.; Beyrau, F.; Leipertz, A.: Improvement of planar laser diagnostics by theapplication of a beam homogenizer, Journal of Physics. Conference Series 85 (1); 3. Int. conf. on optical and laser diagnostics, London, 2007

stabilizing wire

lean methane/air mixture


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in a wire-stabilized “V-shaped” flame

Simultaneous application of OH/CH2O-LIF

and Rayleigh Scattering (PLRS)

CH2O-LIFOH-LIF Heat release rate[OH]*[CH2O]

0.0

1.0

0.6

0.4

0.2

0.8

[w. E.] [w.E.]

0.0

1.0

0.6

0.4

0.2

0.8

0.0

1.0

0.6

0.4

0.2

0.8

[w. E.]

From: Pfadler, S.; Beyrau, F.; Leipertz, A.: Flame Front Detection and Characterization using Conditioned Particle Image Velocimetry (CPIV)Optics Express; 23; 2007; p. 15444-15456

0.0

1.0

0.6

0.4

0.2

0.8

[w. E.]

Temperature(PLRS)


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in a wire-stabilized “V-shaped” flame

Simultaneous application of OH/CH2O-LIF

and Rayleigh Scattering (PLRS)

Experimental set-up

Rayleigh


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Annular-type combustionchamber of a gas turbine(Siemens/KWU, V84.3A)


Investigation of the fuel/air mixing

of a gas-turbine burner


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Siemens V64.3A Ringbrennkammer-Segment mit 5 Brennern, Originalgröße, Mischung am mittleren Brenner wird untersucht, 1 bar, ohne Flamme

Acetondampf als Tracer zum Brennstoffstrom gemischt, LIF-Anregung 248 nm, LIF-Detektion 350 - 600 nm




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Image-Intensifier

CCD -Camera

Computer

Light SheetForming Optics

Field of View

Filter

Mixer andBurner

Laser Beam(20 ns)

FluorescenceSignal



of a gas-turbine burner


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Investigation of the fuel/air mixing:

Normalized relative fluctuation of the mixture concentration

a e

without mixer best mixer

c

cR rms′≡

f

simple hole plate

F. Dinkelacker, H. Krämer, A. Leipertz, G. Poeschl, M. Huth, M. Lenze, 19. Deutscher Flammentag, VDI-Berichte 1492, 475 (1999).

Significant NOx-reductionpossible



10 / 42



experimental setup at

research engine

glas ring

piston head(glass)

piston

intensifiedCCD-Camera

injectorsparkplug

UV-Laser

Fuel:Iso-octane + Tracer (TEA)


10 / 43



Mixture Formation in a GDI-Engine

From: J. Goldlücke, LTT Erlangen


10 / 44


Laser Induced Incandescence (LII)

Particle heating by means of a highly energetic laser pulse

Detection of the enhanced thermal radiation

06

),(),()(4

322

0

2

=⋅⋅−⋅−⋅∆

+⋅−⋅Λ−⋅⋅ ∫energyinternalofChange

SSp

radiationThermal

bpp

onVaporizati

v

conductionHeat

p

Absorption

ip

abs dt

dTC

ddTMdd

dt

dm

M

HdTTE

dQ ρ

πλλλεππ

πλ

Erfassung der emittierten Planckstrahlung mittels

eines schnellen punktuellen Detektors

Sublimation

Wärmeleitung

Aufheizung der Rußpartikel mit

hochenergetischem Laserpuls


10 / 45

maximum signal proportionalto mass concentration

0.001

0.01

0.1

1

0 50 100 150 200 250 300

dp=20nm dp=30nm

dp=40nm

time t [ns]

Sig

nal [

norm

aliz

ed]

temporal decay depends on specificsurface

Selective measurement of elementary carbon (EC)




10 / 46

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Soot m ass concentration

So

ot

mas

s co

nc.

(m

g/m

³)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900 N

Ox

(pp

m)

NOx



6 → 7: switch off of pre-injection

5 → 6: pRail ↓ 1150 bar → 1100 bar 4 → 5: later SOI 0.5° a. TDC → 1.5° a. TDC

2 → 3: later SOI 3.5° b. TDC → 1.5° b. TDC

1 → 2: pRail ↑ 860 bar → 1150 bar1 : Basis: pRail = 860 bar, SOI 3.5° b. TDC

1

23

45 6

7

3 → 4: later SOI 1.5° b. TDC → 0.5° a. TDC

From: R. Sommer, LTT Erlangen


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Online Soot Sensor

Messstellenhöhe 1.40m


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Messtechnik Messgrößen

Mie-Streuung Spraykegelwinkel, Eindringtiefe,Tropfenverteilung, Tropfengröße

Particle Image Velocimetry (PIV) Partikelgeschwindigkeit,Strömungsfeld

Rayleigh-Streuung Dichte, Temperatur, Vermischung

Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) Spezies-Verteilung, Brennverlauf, Kraftstoff-Verteilung, Temperatur

Laserinduzierte Exciplex-Fluoreszenz Dampf-/Flüssigphasen-Verteilung(LIEF) Luftzahl-Verteilung

Raman-Streuung Majoritätenspezies-Konzentrationen,Temperatur, Luftzahl-Verteilung (1D)

Laserinduzierte Glühtechnik (LII) Partikelkonzentration, Primärteilchendurchmesser, Aggregat-durchmesser (m. Rayleigh-Streuung)

Planare Lasermesstechniken


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Tabelle: Messgrößen und Optische Messverfahren I

Messgrößen Optische Verfahren / Laser TechnikenStrömungsfeld

Geschwindigkeit u (1-3 Komponenten), Mie (LDA, PDA, PIV)

Turbulenz , Scherspannung

Massen- und Impulsstrom ( , ) Mie + Rayleigh (Raman),

und Schwankungsgrößen Filtered Rayleigh + PIV

Verbrennungsfeld

Temperatur Pyrometrie/Raman/CARS/Fluores./Rayleigh

Dichte Rayleigh (Raman)

Konzentrationen der Hauptkomponenten Absorption / Raman / CARS

Nebenkomponenten und Zwischenprodukte Absorption / Fluoreszenz

Komponentennachweis Emission

Thermisches Nichtgleichgewicht Raman / CARS

Schwankungsgrößen ( , ) Mie + Rayleigh / Raman / Fluoreszenz

2u′ vu ′′uρ 2uρ

u′′ρ

Tu ′′ cu ′′


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Messgrößen Optische Verfahren / Laser Techniken

Partikelgrößen (z. B. Tropfen, Ruß...)

Größe d (Verteilung) von Primärpartikeln, LII, Mie (PDA), Polarisations-Mie

Tropfen & Aggregaten / Agglomeraten Mehrwinkel- Streuung, LII + Rayleigh

Massen-/ Volumenkonzentration LII (Emission qualitativ)

Feldstrukturen (lokal & zeitlich aufgelöst)

Temperatur T Rayleigh / Raman / Fluoreszenz

Konzentrationen c Raman / Fluoreszenz

Dichte ρ Rayleigh

Rußverteilung LII / Emission

Verlauf & Dicke der Flammenfront Rayleigh (Fluoreszenz)

Strömungsfeld PIV

Tabelle: Messgrößen und Optische Messverfahren II

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