DE19541516C2

DE19541516C2 - Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und deren Änderung im Abgas eines Verbrennungssystems zur Kontrolle und/oder Regelung des Verbrennungsprozesses

Info

Publication number: DE19541516C2
Application number: DE1995141516
Authority: DE
Inventors: Alfred Leipertz; Daniel Hofmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-11-08
Filing date: 1995-11-08
Publication date: 2000-03-30
Anticipated expiration: 2015-11-09
Also published as: DE19541516A1

Description

Die Erfindung betrifft eine aus Single-mode-Diodenlaser, Lichtwellenleiter und Photo diode aufgebaute und mit einer Verschmutzungskontrolle versehene Vorrichtung zur be rührungslosen, optischen "in-situ"-Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und deren Änderung im Abgas eines technischen Verbrennungssystems, in dem sauerstoffaktive Re aktionsprozesse stattfinden, zur Kontrolle und/oder Regelung des Verbrennungsprozesses, z. B. eines Verbrennungsmotors, wie sie in Anspruch 1 beschrieben ist.

Zur Kontrolle sauerstoffaktiver technischer Prozesse, z. B. von Verbrennungsprozessen in Kraftfahrzeugen, werden sogenannte λ-Sonden eingesetzt (Arbeitsmappe KFZ-Technik: Technische Unterrichtung/Bosch, Motor Elektronik, VDI-Verlag Düsseldorf, 1990), wobei die Bestimmung des Sauerstoffs auf unterschiedlichem Wege erfolgt (Kolar, J., Stick stoffoxide und Luftreinhaltung, Springer Verlag, Berlin, 1990). Eine solche Messung über die Absorption geeignet gewählter Strahlung von Lasern oder Diodenlasern ist für die chemische Analytik (Kroll, M., McClintock, J. A., and Ollinger, O., Measurement of Gaseous Oxygen Using Diode Laser Spectroscopy, Applied Physics Letters, Vol. 51, No. 18, 1987, 1465-1467), aber bisher nicht für die Kontrolle und/oder Regelung technischer Verbrennungsprozesse über die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes im Abgasbereich be kannt.

Bei der hier vorgestellten Erfindung wird, wie von Kroll u. a. bereits beschrieben, die Ab sorption von Laserstrahlung durch Sauerstoff im sogenannten A-Band zur quantitativen Bestimmung der Sauerstoffkonzentrationen genutzt. Das A-Band stellt einen elektroni schen Übergang (b¹Σ^- _g ← X³Σ⁺ _g) ohne Änderung des Vibrationsniveaus dar. Die Ab sorptionslinien liegen im sichtbaren und nah-infraroten Bereich zwischen 759 nm und 770 nm (Ritter, K. J. and Wilkerson, T. D., High-Resolution Spectroscopy of the Oxygen A Band, Journal of Molecular Spectroscopy, 121, 1987, 1-19).

Eingestrahltes Licht, dessen Frequenz einer Absorptionslinie entspricht, wird proportional zur Linienstärke, zur Sauerstoffkonzentration und zur durchstrahlten Länge abgeschwächt. Diese Abschwächung gehorcht dem Beer'schen Gesetz: I = I_oe^-αL = I_oe^-εcL (Demtröder, W., Laserspektroskopie, Springer-Verlag, Berlin, 1991). Durch Messung der Abschwächung kann bei bekannter Absorptionslänge und Linienstärke die Konzentration ermittelt werden. Durch Auswahl geeigneter modulationsspektroskopischer Detektionsverfahren kann eine Sensitivität von 0,1 Vol%-Sauerstoff pro cm Absorptionsweg erreicht werden (Bruce, D. M. and Cassidy, D. T., Detection of Oxygen Using Short External Cavity GaAs Semicon ductor Diode Lasers, Applied Optics, Vol. 29, No. 9, 1990, 1327-1332). Eine so gewon nene Meßinformation ist integral über den optischen Weg aufgelöst gegeben. Die Nutzung mehrerer Diodenlaser und Photodetektoren gleichzeitig ermöglicht über tomographische Auswertetechniken auch eine lokal aufgelöste Meßinformation (Obertacke, R., Ein emis sionstomographisches Sensorsystem für die Bestimmung zweidimensionaler Temperatur- und Radikalfelder in Feuerungen, Berichte zur Energie- und Verfahrenstechnik-BEV-, Heft 95.1, Esytec, Erlangen, 1995).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration anzugeben, mit der sichergestellt ist, daß Verschmutzungsein flüsse das Meßergebnis nicht beeinflussen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des An spruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Um die für den exakten Meßbetrieb notwendige stabile Arbeitstemperatur von Diodenlaser und Photodiode in der oftmals mit hoher Betriebstemperatur vorliegenden Prozeßum gebung sicherzustellen, werden die Sender- und Empfängereinheit möglichst weit vom Meßort entfernt plaziert und die notwendige optische Zugänglichkeit über Lichtwellenlei ter realisiert.

Zur Korrektur möglicher Verschmutzungseinflüsse auf den Fenstern der Meßobjekte, die von der Diodenlaserstrahlung durchstrahlt werden und bei Nichtkorrektur zusätzliche Ab sorptionseffekte vortäuschen würden, wird direkt neben dem Meßdiodenlaser ein zweiter mit leicht versetzter Wellenlänge angebracht, dessen Strahlung von einer zweiten Photo diode, lokal neben der Meßphotodiode plaziert, detektiert wird. Da an dieser spektralen Stelle eine reine Verschmutzungsabschwächung der Strahlung detektiert wird, kann mit ihrer Hilfe auch die Abschwächung der Meßstrahlung entsprechend korrigiert werden.

In der Zeichnung zeigt

Abb. 1 den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung

Abb. 2 den Aufbau einer Vorrichtung zur lokal aufgelösten Bestimmung der Sauer stoffkonzentration mit tomographischer Auswertung.

Die in Abb. 1 dargestellte Meßanordnung besteht prinzipiell aus einer temperatursta bilisierten Diodenlaseranordnung (1) als Sendeeinheit, einer Photodiodenanordnung (2) als Empfängereinheit, zwischengeschalteten Lichtwellenleitern LW1 zwischen Diodenla seranordnung und dem Untersuchungsbereich U und Lichtwellenleitern LW2 zwischen Untersuchungsbereich U und Empfängereinheit und geeigneter Steuer- und Auswerteelek tronik (3).

Das benötigte monochromatische Licht wird mit elektronisch stabilisierten Single-mode- Diodenlasern der nominellen Emissionsfrequenz 780 nm erzeugt. Je nach Produktionsserie liegt die Emissionsfrequenz der Diodenlaser auch höher oder tiefer, so daß ausgesuchte Diodenlaser im geforderten Bereich arbeiten. Diese Diodenlaser lassen sich durch geeig nete Wahl von Betriebstemperatur und Betriebsspannung und Stabilisierung dieser Größen durch die Steuerelektronik (3) auf eine bestimmte, gewünschte Emissionsfrequenz bringen, so daß für die Messung und für die Verschmutzungskorrektur die geeigneten Frequenzen eingestellt werden können.

Eine Nutzung von Lichtwellenleitern (LW1 und LW2) ist notwendig, um die für den Be trieb des Diodenlasers notwendige Temperaturstabilität bei der Untersuchung von Ver brennungsprozessen mit hohen Temperaturschwankungen zu ermöglichen. Wegen der ge ringen Absorptionsstärke bei kleinen Sauerstoffkonzentrationen werden modulationsspek troskopische Detektionsmethoden angewendet. Dabei wird die Wellenlänge der Ein strahlung durch geringe Variation der Versorgungsspannung im kHz-MHz-Bereich ständig über die Wellenlänge der Absorptionslinie verfahren. Die Stärke der Modulation wird so gewählt, daß die Änderung der Wellenlänge etwa der Linienbreite der Absorptionslinie entspricht. Eine Detektion mit der doppelten Frequenz der Modulation ergibt ein Signal, das der zweiten Ableitung der Form der Absorptionslinie entspricht. Die Signalamplitude 'S' ist im Bereich kleiner Absorption ein direktes Maß für die Absorptionsstärke. Bei be kanntem Abstand zwischen Sende-Lichtwellenleiter und Detektions-Lichtwellenleiter kann über den Vergleich mit gerechneten oder gemessenen Absorptionslinienstärken die mittlere Sauerstoffkonzentration über das durchstrahlte Volumen im Untersuchungsvolumen er mittelt werden. Das Ausgangssignal Sauerstoffkonzentration (O₂) kann als Regelgröße für den betrachteten Verbrennungsprozeß, z. B. einen Verbrennungsmotor, verwendet werden.

Zur Gewinnung einer solchen Meßinformation mit hoher lokaler Auflösung werden, wie in Abb. 2 dargestellt, mehrere Diodenlaser (1.1 bis 1.4), Detektoren (2.1 bis 2.4) und Lichtwellenleiter (LW 1.1 bis LW 1.4; LW 2.1 bis LW 2.4) um das Meßobjekt herum an geordnet. Die Nutzung aller von einzelnen Diodenlaser- und Photodiodenanordnungen gewonnenen, verschmutzungskorrigierten Integralwerte ermöglicht mit tomographischen Auswertemethoden ein zweidimensionales Bild der Absorptionsverteilung und damit der Konzentrationswerte des Sauerstoffs. Eine solche kann zeitaufgelöst über die gleichzeitige Anwendung mehrerer solcher Diodenlaser-Photodioden-Anordnungen um das Meßobjekt herum gewonnen werden, oder zeitgemittelt mit nur einer Anordnung, die fest zueinander ausgerichtet das Meßobjekt umkreist.

Claims

1. Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und deren Än derung im Abgas eines Verbrennungssystems zur Kontrolle und/oder Regelung des Verbrennungsprozesses, mit

1. einem Single-mode-Diodenlaser, der über eine geeignete Temperatur- und Span nungsführung auf eine Absorptionswellenlänge von Sauerstoff gebracht ist und dem eine Modulationsfrequenz aufgeprägt ist, zur Durchstrahlung eines Unter suchungsvolumens,
2. einer Photodiode zur Detektion der transmittierten Strahlung, wobei deren Signal mit der doppelten Modulationsfrequenz demoduliert wird, das direkt proportional zur Absorptionsstärke und damit der Konzentration des Sauerstoffs im Untersuchungsvolumen ist,
3. einem Lichtwellenleiter zwischen dem Single-mode-Diodenlaser und dem Unter suchungsbereich und der Photodiode, um die für den Betrieb notwendige Tempe raturstabilität sicherzustellen, und
4. einem in einem zweiten, dazu parallelen Strahlengang angeordneten weiteren Diodenlaser mit einer von der Absorptionswellenlänge verschiedenen Wellenlänge und einer weiteren Photodiode, deren Signal zur Verschmutzungskorrektur des von der Photodiode im Meßstrahlengang erhaltenen Signals verwendet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Diodenlaser, Photodioden und Lichtleiter das Meßobjekt umkreisend angeordnet sind und die Signale zur Er fassung zeitlich und lokal aufgelöster Konzentrationswerte tomographisch ausgewertet werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung zeitlich und lokal aufgelöster Konzentrationswerte weitere Einzelanordnungen aus Diodenlaser, Photodioden und Lichtleitern mit tomographischer Auswertung vorgesehen sind.