DE4324118A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Emissionsrate mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Emissionsrate mindestens einer Gaskomponente eines GasgemischsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Bestimmung der Emissionsrate mindestens einer Gaskomponente
eines Gasgemischs.
Mit der steigenden Verschmutzung der Umwelt durch Schadstoffe
und den daraus resultierenden behördlich auferlegten
Anforderungen für die Schadstoffreduzierung kommt der Messung
beispielsweise der Konzentration von einzelnen Gaskomponenten
eines Gasgemischs besondere Bedeutung zu. Die optische
Fernerkundung geführter Gasemissionen, wie in Fig. 9a und 9b
dargestellt, bietet eine Möglichkeit, Gaskomponenten,
beispielsweise in den geführten Emissionen einer Fabrik
(Fig. 9a) oder in den Abgasen eines Flugzeugtriebwerks (Fig.
9b) zu erfassen. Derartige optische Fernerkundungssysteme
werden seit ca. zwanzig Jahren für die Messung von
Gaskomponenten bzw. Spurengasen genutzt.
Bei den optischen Fernerkundungssystemen lassen sich zwei
Prinzipien unterscheiden. Das eine Prinzip basiert darauf, das
Gasgemisch G mit einer Lichtquelle einer bestimmten Wellenlänge
zu bestrahlen und das Absorptionsspektrum (oder
Transemissionsspektrum) zur Bestimmung der gemittelten
Konzentration von einzelnen Gaskomponenten G1, G2 auszuwerten.
Das andere Prinzip basiert auf der direkten Auswertung des
Eigenemissionsspektrums des Gasgemischs G.
Fig. 10a zeigt eine typische herkömmliche Vorrichtung zur
Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten gemäß dem
ersten Prinzip der differentiellen Absorptionsspektroskopie.
Zwei von einer Steuereinrichtung 22 gesteuerte Laser 23, 24
emittieren zwei Laserlichtstrahlen mit Wellenlängen λ1, λ2, die
auf eine Meßzelle 25 mit dem Gasgemisch G gerichtet sind. Wie
Fig. 10b zeigt, liegt die Wellenlänge λ1 immer bei der
Absorptionslinie des zu untersuchenden Gases. Die Wellenlänge λ2
liegt benachbart zu der Wellenlänge λ1 in einem Bereich, an der
keine Absorptionslinie für das zu untersuchende Spurengas
vorhanden ist. In der Verarbeitungseinheit 26 wird dann die bei
der Wellenlänge λ2 ermittelte Hintergrundstrahlung von der bei
λ1 ermittelten Strahlung subtrahiert. Daraus wird die über den
Strahlungskegel der Laser 23, 24 gemittelte Konzentration des
Spurengases auf Grund der ermittelten Größe der
Absorptionslinie bestimmt werden. Dynamische Vorgänge in dem
Gasgemisch G und räumliche Teilchenverteilungen, die für die
Bewertung von Schadstoffemissionen maßgeblich sind, lassen sich
aber mit der in Fig. 10 gezeigten Analysevorrichtung nicht
ermitteln.
Die EP-0 421 291 A1, die DE-39 20 470 C2 und die DE 40 10 004 A1
beschreiben weitere Vorrichtungen zur spektroskopischen
Analyse der Konzentration von Gaskomponenten eines
Gasgemisches, wobei, wie oben beschrieben, ebenfalls eine
Lichtquelle in das Gasgemisch eingestrahlt und das
Absorptionsspektrum ausgewertet wird.
Das GM 90 10 621.0 beschreibt eine Analysevorrichtung, bei der
ein Strahlteiler verwendet wird, um die Strahlung zweier
Lichtquellen zu kombinieren und in eine Meßzelle einzustrahlen.
Zur Auswertung des von der Meßzelle absorbierten Lichtes sind
Lichtdetektoren zu beiden Seiten der Meßzelle angeordnet. Auch
diese Analysevorrichtung kann lediglich die gemittelte
Konzentration und nicht die räumliche Verteilung oder
dynamische Vorgänge in dem Gasgemisch bestimmen.
Die DE 30 05 520 C2 beschreibt eine Analysevorrichtung, die auf
dem oben erwähnten zweiten Prinzip beruht, d. h. die Vorrichtung
bestimmt das Emissionsspektrum in Fig. 10c auf Grundlage der
Eigenemission des Gasgemischs. Dieses auf dem Michelson-
Interferometer basierende Fourier-Spektrometer besitzt eine
hohe spektrale Auflösung und ermöglicht somit die
Konzentrationsanalyse einer Vielzahl von Spurengasen in kurzer
Zeit. Auf Grundlage des aufgenommenen Emissionsspektrums (Fig.
10c) kann durch Auswertung der spurengasspezifischen Signaturen
auf die über die Breite der Gasemission gemittelte
Konzentration einzelner Spurengase und auf die Fahnentemperatur
im Gasgemisch geschlossen werden. Obwohl dieses Fourier-
Spektrometer eine hohe spektrale Auflösung besitzt, kann damit
jedoch nur die gemittelte Konzentration einzelner Spurengase
bestimmt werden. Dynamische Vorgänge und räumliche Verteilungen
können damit aber nicht bestimmt werden.
Die DE-40 15 623 A1 beschreibt eine Analysevorrichtung zur
Darstellung der räumlichen Verteilung eines Gasgemischs, wie in
Fig. 11 dargestellt. Eine Aufnahmeeinrichtung A, die das
Eigenemissionsspektrum eines Gasgemisches aufnimmt, umfaßt ein
Bandpaßfilter 27, ein Objektiv 28 und ein gasselektives
Modulationselement 29. Eine Auswerteeinrichtung B umfaßt ein
2D-Sensorfeld 30, eine Verarbeitungseinrichtung 31 und eine
Anzeigeeinrichtung 32. Das Bandpaßfilter 27 begrenzt die
einfallende Strahlung des Eigenemissionsspektrums auf den
Wellenlängenbereich, in dem eine Komponente des Gasgemischs
Strahlung absorbiert oder emittiert. Das gasselektive
Modulationselement 19, welches als ein Gasfilterrad ausgeführt
sein kann, führt eine Grauwert-Modulation der Bildelemente des
2D-Sensorfeldes 30 durch. Aus den Differenzen der Bildgrauwerte
wird in der Bearbeitungseinheit 31 die räumliche Verteilung der
Komponente ermittelt und auf der Anzeigeeinrichtung 32
dargestellt. Da diese Analysevorrichtung nicht auf dem Prinzip
der differentiellen Absorptionsspektroskopie beruht, ist eine
aufwendige Modulation der von dem Objektiv 28 aufgenommenen
Eigenemission erforderlich. Durch die Modulation und deren
Auswertung ergibt sich aber eine hohe Verarbeitungszeit und
somit können keine dynamischen Vorgänge dargestellt werden.
Mit den herkömmlichen Analysevorrichtungen und Analyseverfahren
läßt sich jedoch nur die über die Breite einer Gasemission
gemittelte Teilchenmenge von Gaskomponenten bzw. die
Fahnentemperatur bestimmen, wobei keinerlei Information über
räumliche sowie dynamische Vorgänge in dem Gasgemisch bestimmt
werden. Für den Benutzer sind diese Größen aber von keinem
großen Interesse, um Umweltschutzauflagen zu erfüllen, die sich
größtenteils auf die Einhaltung von Emissionsraten von
Schadstoffemissionen in begrenzten räumlichen Gebieten
beziehen. Dafür ist es aber erforderlich, genaue Informationen
über das räumliche sowie zeitliche Ausbreitungsverhalten von
einzelnen Gaskomponenten in dem Gasgemisch in kurzer Zeit zu
ermitteln.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit
- - ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche Informationen über das räumliche sowie zeitliche Ausbreitungsverhalten mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs in kurzer Zeit bestimmen können.
Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt ein Verfahren zur Bestimmung
der Emissionsrate mindestens einer Gaskomponente eines
Gasgemischs die folgenden Schritte:
- a) Messen einer räumlichen Intensitätsverteilung mindestens einer Gaskomponente des Gasgemischs;
- b) Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches aus der räumlichen Intensitätsverteilung und aus deren Gradienten;
- c) Bestimmen eines Geometriefaktors aus dem Gradienten der räumlichen Intensitätsverteilung in radialer Richtung;
- d) Bestimmen der längenintegrierten Teilchenmenge für die Gaskomponente; und
- e) Bestimmen der Emissionsrate der Gaskomponente aus dem Geometriefaktor, der Strömungsgeschwindigkeit und der längenintegrierten Teilchenmenge.
Die obige Aufgabe wird außerdem durch eine Vorrichtung zur
Bestimmung der Emissionsrate mindestens einer Gaskomponente in
einem Gasgemisch gelöst, welche die folgenden Merkmale umfaßt:
- a) eine Intensitätsmeßvorrichtung zur selektiven Messung der räumlichen Intensitätsverteilung mindestens einer Gaskomponente des Gasgemischs;
- b) einen Teilchenanalysator zur Bestimmung einer längenintegrierten Teilchenmenge für die Gaskomponente; und
- c) einen Rechner umfassend:
- - eine erste Berechnungseinrichtung zur Ermittelung der Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemischs aus der räumlichen Intensitätsverteilung und aus deren Gradienten;
- - eine zweite Berechnungseinrichtung zur Bestimmung eines Geometriefaktors aus dem Gradienten der räumlichen Intensitätsverteilung in radialer Richtung; und
- - eine dritte Berechnungseinrichtung zur Bestimmung der Emissionsrate der Gaskomponente aus dem Geometriefaktor, der Strömungsgeschwindigkeit und der längenintegrierten Teilchenmenge.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung besitzen insbesondere den Vorteil, daß lediglich
durch die Erfassung der räumlichen Intensitätsverteilung und
der längenintegrierten Teilchenmenge die Informationen über das
räumliche sowie zeitliche Ausarbeitungsverhalten von einzelnen
Gasen des Gasgemischs gewonnen werden können. Über die
Emissionsrate, d. h. die zeitliche Veränderung der
Konzentration der einzelnen Gaskomponenten können außerdem
Größen ermittelt werden, die wirklich für den Benutzer von
Interesse sind, beispielsweise die Windrichtung, die
Flußgeschwindigkeit oder der Massenfluß.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zudem in ihrem Aufbau
einfach und handlich, da lediglich eine Intensitätsmeß
vorrichtung, ein Teilchenanalysator und ein Rechner vorgesehen
werden müssen.
Es ist vorteilhaft, zur Ermittelung der räumlichen
Intensitätsverteilungen für die Intensitätsmeßvorrichtung eine
Infrarotkamera mit einem davor angeordneten Filter zu
verwenden, wobei das Filter eine Bandcharakteristik bei der
charakteristischen Wellenlänge einer zu untersuchenden
Gaskomponente aufweist. Somit können in vorteilhafter Weise
bekannte Technologien zur Ermittelung der Emissionsrate
verwendet werden.
In vorteilhafter Weise kann zur Messung der räumlichen
Intensitätsverteilung ein Verfahren verwendet werden, welches
die folgenden Schritte umfaßt:
- a) Aufnehmen eines 2D-Emissionsspektrums des Gasgemisches in einem räumlich begrenzten zweidimensionalen Gebiet;
- b) Aufteilen des empfangenen Emissionsspektrums in ein erstes und ein zweites Teilemissionsspektrum;
- c) Filtern des ersten und zweiten Teilemissionsspektrums mit mindestens einem Referenzfilter einer 2D-Referenzfilter-Anordnung bzw. mindestens einem Gasselektionsfilter einer 2D-Gasselektionsfilteranordnung;
- d) Empfangen des ersten und zweiten gefilterten Teilemissionsspektrums;
- e) Ermitteln des räumlichen Intensitätsverlaufs der Gaskomponente auf Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums.
Weiter ist es vorteilhaft für die Intensitätsmeßvorrichtung
eine Vorrichtung zu verwenden, welche die folgende Merkmale
umfaßt:
- a) eine Aufnahmeeinrichtung zum Empfang eines 2D-Emissionsspektrums des Gasgemischs in einem räumlich begrenzten zweidimensionalen Gebiet;
- b) eine Strahlteilereinrichtung zum Aufteilen des empfangenen Emissionsspektrums in ein erstes und ein zweites Teilemissionsspektrum;
- c) ein erstes und ein zweites 2D-Sensorfeld zum Empfang des ersten und zweiten Teilemissionsspektrums;
- d) eine 2D-Referenzfilter-Anordnung, die zwischen der Strahlteilereinrichtung und dem ersten 2D-Sensorfeld angeordnet ist und mindestens ein Referenzfilter zur Filterung des ersten Teilemissionsspektrums aufweist.
- e) eine 2D-Gasselektionsfilter-Anordnung, die zwischen der Strahlteilereinrichtung und dem zweiten 2D-Sensorfeld angeordnet ist und mindestens ein Gasselektionsfilter zur Filterung des zweiten Teilemissionsspektrums aufweist; und
- f) eine Verarbeitungs-Einrichtung zum Ermittelung des räumlichen Intensitätsverlaufs der Gaskomponente auf Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums.
Eine derartige Meßvorrichtung bzw. ein derartiges Meßverfahren
für die räumliche Intensitätsverteilung besitzen eine Reihe von
signifikanten Vorteilen gegenüber dem eingangs beschriebenen
Stand der Technik:
- - die Intensitätsmeßvorrichtung und das Intensitätsmeßverfahren basieren auf dem Prinzip der differentiellen Emissionsspektroskopie, so daß lediglich auf Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums die räumliche Intensitätsverteilung ermittelt werden kann. Eine derartige Verarbeitung des ersten und zweiten Teilemissionsspektrums erfordert aber nur geringe Verarbeitungszeit und somit ist ein Echtzeitbetrieb zur Ermittlung von dynamischen Ausbreitungsvorgängen von Gaskomponenten in dem Gasgemisch möglich;
- - die Vorrichtung und das Verfahren koppeln die bekannten Technologien der Wärmebildkamera mit der hier eingeführten "differentiellen" optischen Emissionsspektroskople und erlauben die Messung einer Vielzahl von Intensitäts- bzw. Konzentrationsverteilungen einer Vielzahl von Gaskomponenten in dem Gasgemisch in kürzester Zeit;
- - die Verwendung der 2D-Sensor-Felder ermöglicht die Analyse der Emissionsdaten und stellt eine hohe räumliche Auflösung sicher;
- - da dynamische Vorgänge ermittelbar sind, kann die räumliche Verteilung von Masseflüssen aus der zeitlichen Ableitung der Konzentrationsverteilungen ermittelt werden; und
- - die Vorrichtung erfordert keine aktiven Lichtquellen und ist somit kompakt und preiswert.
Um die Intensitätsverläufe von mehreren Gaskomponenten in dem
Gasgemisch zu ermitteln, ist es vorteilhaft wenn die
Referenzfilter-Anordnung eine Vielzahl von Referenzfiltern und
die Gasselektionsfilter-Anordnung eine Vielzahl von
Gasselektionsfiltern umfaßt, wobei eine Wechseleinrichtung
vorgesehen ist, um ein Referenzfilter-Gasselektionsfilterpaar
durch ein anderes Referenzfilter-Gasselektionsfilterpaar
ersetzt werden. Ein Referenzfilter-Gasselektionsfilterpaar wird
dabei durch ein anderes Referenzfilter-Gasselektionsfilterpaar
ersetzt und die obigen Schritte c) bis e) werden wiederholt.
Zur Bestimmung der längenintegrierten Teilchenmenge entlang der
Breite des Gasgemisches für die mindestens eine Gaskomponente
kann ein Teilchenanalysator verwendet werden, der in
vorteilhafter Weise als ein kalibriertes Fourier-Spektrometer
ausgeführt ist. Das Fourier-Spektrometer besitzt in
vorteilhafter Weise eine hohe spektrale Auflösung, so daß die
längenintegrierten Teilchenmengen und somit die Emissionsraten
mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können.
Es ist weiter vorteilhaft, die längenintegrierten
Teilchenmengen direkt aus der räumlichen Intensitätsverteilung
zu bestimmen. Ein derart ausgeführter Teilchenanalysator besitzt
zwar eine geringere spektrale Auflösung, verwendet aber in
vorteilhafter Weise eine Größe die bereits von der
Intensitätsmeßvorrichtung ermittelt ist, nämlich die räumliche
Intensitätsverteilung. Somit wird nur eine geringe
Verarbeitungszeit benötigt.
Die längenintegrierten Teilchenmengen und die Emissionsraten
können in vorteilhafter Weise auf einer mit dem Rechner
gekoppelten Anzeigeeinrichtung dargestellt werden, so daß dem
Benutzer sofort sämtliche Informationen über die räumlichen und
zeitlichen Ausbreitungsvorgänge in dem Gasgemisch zur Verfügung
stehen.
Um Informationen bezüglich der räumlichen
Intensitätsverteilungen der Gaskomponenten in kurzer Zeit und
übersichtlich bereitzustellen, können auch die
Intensitätsverteilungen der Gaskomponenten auf einer mit der
Verarbeitungseinrichtung gekoppelten Anzeigeeinrichtung
beispielsweise mit verschiedenen Farben dargestellt werden.
Dies ermöglicht dem Benutzer im Echtzeitbetrieb dynamische
Vorgänge für vielerlei unterschiedliche Gaskomponenten in dem
Gasgemisch zu beobachten.
In vorteilhafter Weise wird die Emissionsrate Ns für eine
Gaskomponente durch die dritte Berechnungseinrichtung nach
folgender Formel bestimmt:
Ns = (n·L)s×G×v
wobei:
(n·L)s: die längenintegrierte Teilchenmenge einer Gaskomponente (G1, G2) entlang der Breite L der Gasströmung;
G: den Geometriefaktor der Gaskomponente (G1, G2); und
v: die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches (G) bezeichnet.
(n·L)s: die längenintegrierte Teilchenmenge einer Gaskomponente (G1, G2) entlang der Breite L der Gasströmung;
G: den Geometriefaktor der Gaskomponente (G1, G2); und
v: die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches (G) bezeichnet.
Die Verwendung dieser Formel für die Emissionsrate ist deshalb
vorteilhaft, weil die längenintegrierte Teilchenmenge einfach
mit dem Teilchenanalysator und der Geometriefaktor und die
Strömungsgeschwindigkeit einfach aus der räumlichen
Intensitätsteilung bestimmt werden können.
Da die Strahlteilereinrichtung und das 2D-Sensorfeld in
parallelen Strahlengängen der Emissionsspektren vorgesehen
sind, ist es vorteilhaft, jeweils eine Fokussieroptik zwischen
der Strahlteilereinrichtung und dem 2D-Sensorfeld vorzusehen.
Um in vorteilhafter Weise Untergrundsanteile, sowohl
elektrische als auch thermische zu eliminieren, ist eine
Kalibrationseinrichtung vor der Aufnahmeeinrichtung angeordnet.
Je nach Ausdehnung des zu überwachenden Bereichs von
Schadstoffemissionen kann die Aufnahmeeinrichtung als
Weitwinkelobjektiv oder Teleobjektiv ausgebildet sein.
Bei der Strahlteilereinrichtung kann es sich um einen optischen
Strahlteiler handeln. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der
Teilstrahler ein Teilungsverhältnis von 50 : 50 besitzt.
Für die 2D-Sensorfelder können in vorteilhafter Weise
zweidimensionale CCD-Arrays verwendet werden, die nicht nur
preiswert sind, sondern auch eine hohe räumliche Auflösung
besitzen.
In vorteilhafter Weise handelt es sich bei der Referenzfilter-
Anordnung um ein Filterrad, welches entlang seinem Umfang die
Vielzahl von Referenzfiltern aufweist. In ähnlicher Weise ist
die Gasselektionsfilter-Anordnung als ein Filterrad ausgeführt,
welches entlang seinem Umfang die Vielzahl von
Gasselektionsfiltern aufweist. Dies ermöglicht eine Änderung
der Referenz- bzw. Gasselektionsfilter in kurzer Zeit.
Für die Drehung der Filterräder kann die Wechseleinrichtung in
vorteilhafter Weise als eine Dreheinrichtung ausgeführt sein.
Die beiden Filterräder werden dadurch gleichzeitig zur
Wechselung eines Filterpaares gedreht.
Um eine differentielle Emissionsspektroskopie in einfacher
Weise zu ermöglichen, besitzt das Gasselektionsfilter eine
Durchlaßcharakteristik bei der charakteristischen Wellenlänge
einer zu untersuchenden Gaskomponente in dem Gasgemisch und das
Referenzfilter weist eine Durchlaßcharakteristik bei einer
Wellenlänge nahe bei der charakteristischen Wellenlänge auf.
Die Verarbeitungseinrichtung steuert die Wechseleinrichtung in
vorteilhafter Weise so, daß ein Filterpaarwechsel mit einer
Frequenz von 5 Hz stattfindet. Ein derartiger schneller
Filterwechsel ermöglicht die Ermittlung von dynamischen
Vorgängen im Gasgemisch.
Weitere Vorteile, Merkmale, Aufgaben und Ausführungsformen der
Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Patentansprüchen
und aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung anhand der
beiliegenden Zeichnungen.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1a ein Blockschaltbild zur Erklärung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von
Emissionsraten mit einer Intensitätsmeßvorrichtung
(GSC), einem Teilchenanalysator TAN zur Bestimmung
von längenintegrierten Teilchenmengen und einem
Rechner (C);
Fig. 1b ein Blockschaltbild gemäß Fig. 1a, wobei zur
Bestimmung von längenintegrierten Teilchenmengen ein
Fourier-Spektrometer (FTIR) verwendet wird;
Fig. 2 ein Diagramm zur Definition des effektiven
Gasströmungsdurchmessers L und der
Strömungsgeschwindigkeit v;
Fig. 3 eine Höhenliniendarstellung einer Intensitäts
verteilung einer Gaskomponente;
Fig. 4 die Intensität und radiale Ableitung der
Intensität in Abhängigkeit von der radialen
Raumkoordinate;
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Intensitätsmeßvorrichtung
zur Ermittelung einer Intensitätsverteilung einer
Gaskomponente;
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel der Intensitätsmeßvorrichtung
gemäß Fig. 5;
Fig. 7 eine Darstellung eines Filterrades zur Verwendung als
Referenzfilterrad oder Gasselektionsfilterrad;
Fig. 8 eine Ansicht einer Anzeigeeinrichtung, auf der
räumliche Intensitätsverteilungen von mehreren
Gaskomponenten dargestellt sind;
Fig. 9a, b Beispiele zur Verwendung der vorliegenden Erfindung
zur optischen Fernerkundung von Gasemissionen;
Fig. 10a eine herkömmliche Vorrichtung zur differentiellen
spektroskopischen Analyse von Gaskomponenten in einem
Gasgemisch;
Fig. 10b ein Graph zur Erklärung des Prinzips der
differentiellen Absorptionsspektroskopie;
Fig. 10c ein typisches Emissionsspektrum eines Gasgemischs;
und
Fig. 11 eine herkömmliche Vorrichtung zur Darstellung der
räumlichen Verteilung eines Gasgemischs.
Im folgenden wird das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Emissionsratenbestimmung mindestens einer Gaskomponente in
einem Gasgemisch unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt eine
Intensitätsmeßvorrichtung GSC zur selektiven Messung der
räumlichen Intensitätsverteilung Is(x,y) mindestens einer
Gaskomponente des Gasgemisches. Wie Fig. 1 zeigt, tastet die
Intensitätsmeßvorrichtung GSC einen breiten Bereich des aus
einem Schornstein austretenden Gasgemisches G ab. Ein
Teilchenanalysator TAN ist vorgesehen um eine längenintegrierte
Teilchenmenge n·L für die Gaskomponente zu bestimmen. Diese
längenintegrierte Teilchenmenge stellt die über die Breite L
der Gasströmung G gemittelte räumliche Konzentrationsverteilung
des Gases dar.
Fig. 1a zeigt eine Ausführungsform, bei der der
Teilchenanalysator TAN die längenintegrierte Teilchenmenge
direkt aus der aufgenommenen Intensitätsverteilung Is(x,y)
bestimmt. Die Grundlagen dieser Bestimmung werden später noch
näher im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben.
Fig. 1b zeigt noch eine andere Ausführungsform des
Teilchenanalysators, bei der Teilchenanalysator TAN zur Messung
mindestens einer längenintegrierten Teilchenmenge einer
Gaskomponente entlang der Breite L des Gasgemisches G ein sog.
Spurengasanalysator FTIR ist. Dieser kann das eingangs
beschriebene Fourier-Spektrometer sein. Während die
Intensitätsmeßvorrichtung GSC die tatsächliche räumliche
Intensitätsverteilung Is(x,y) ermittelt, ist der
Spurengasanalysator FTIR vorgesehen, um die Konzentration einer
Gaskomponente G1, G2 über einen bestimmten Strahlungskegel zu
mitteln und daraus die längenintegrierte Teilchenmenge entlang
der Breite des Gasgemisches zu bestimmen.
Das Gesichtsfeld der Intensitätsmeßvorrichtung GSC ist kolinear
zum Gesichtsfeld des Spurengasanalysators STIR ausgerichtet,
wobei der Spurengasanalysator FTIR auf das Zentrum der
Gasströmung G gerichtet ist. Die Auswertung der Daten wird in
ihrer Komplexität durch die Auswahl einer bestimmten
Gaskomponente wesentlich bestimmt. Da die Informationen mit
jedem stabilen Spurengas im Gasgemisch ermittelt werden können,
das eine geeignete spektrale Signatur aufweist, die der
Spurengasanalysator ermitteln kann, ist ein Spurengas
vorzuziehen, für das der Strahlungstransport noch linear
erfolgt.
Wie in Fig. 1b ferner schematisch angezeigt, bestimmt der
Spurengasanalysator ein Emissionsspektrum, wie in Fig. 10c
gezeigt, d. h. er ermittelt die gemittelten Konzentrationen. Für
den Spurengasanalysator FTIR kann das eingangs beschriebene
Fourier-Spektrometer oder die in Fig. 10a dargestellte
Meßvorrichtung verwendet werden.
Ferner zeigt Fig. 1 einen Rechner C, der eine erste
Berechnungseinrichtung zur Ermittlung der
Strömungsgeschwindigkeit v des Gasgemisches G aus einer
ermittelten Intensitätsverteilung und aus deren Gradienten
umfaßt. Eine zweite Berechnungseinrichtung C2 bestimmt einen
Geometriefaktor G aus dem Gradienten der räumlichen
Intensitätsverteilung Is(x,y) in radialer Richtung, und eine
dritte Berechnungseinrichtung C3 ermittelt eine Emissionsrate N
aus dem Geometriefaktor G, der Strömungsgeschwindigkeit v und
der integrierten Teilchenmenge.
Durch die Kopplung der Intensitätsmeßvorrichtung mit einem
Teilchenanalysator, der die gemittelte Teilchenmenge einer
Vielzahl von Spurengasen im Gasgemisch mißt, können die
Emissionsraten bzw. Massenflüsse aller mit dem
Teilchenanalysator meßbaren Gaskomponenten bestimmt werden. Die
Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches kann, wie im
folgenden noch erklärt wird, aus der zweidimensionalen
Intensitätsverteilung abgeleitet werden, wobei das ausgewählte
Spurengas als "Tracer" für die gesamte Gasemission dient.
Während für den Teilchenanalysator zur Messung der entlang der
Breite der Gasströmung auftretenden Intensität und daraus der
längenintegriertem Teilchenmenge ein Fourier-Spektrometer
verwendet werden kann, kann für die Intensitätsmeßvorrichtung
eine Infrarotkamera mit einem davor angeordneten Filter
verwendet werden. Das vor der Infrarotkamera vorgesehene Filter
weist eine Bandpaßcharakteristik bei der charakteristischen
Wellenlänge einer untersuchenden Gaskomponente auf. Damit kann
für eine Gaskomponente eine Intensitätsverteilung Is(x,y)
aufgenommen werden.
In besonders vorteilhafter Weise kann für die Ermittelung der
Intensitätsverteilung eine im folgenden noch zu beschreibende
sog. "gasselektive Kamera" verwendet werden.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung kann auch mit einer
Anzeigeeinrichtung kombiniert werden, um die räumlichen
Intensitätsverteilungen einzelner Gaskomponenten anzuzeigen,
wobei verschiedene Komponenten in verschiedenen Farben
dargestellt werden können. Gleichzeitig können auf der
Anzeigeeinrichtung die längenintegrierten Teilchenmengen und
die Emissionsraten angezeigt werden. Durch das kombinierte
Meßgerät in Fig. 1 können also notwendige Informationen über
die Breite der Gasströmung und die radiale Verteilung der
Konzentration (bzw. Temperatur) bereitgestellt werden, so daß
die Genauigkeit der Ergebnisse des Teilchenanalysators deutlich
verbessert werden können.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Prinzip zur
Emissionsratenbestimmung unter Bezugnahme auf die Fig. 2-4
näher erläutert. Die Emissionsrate N bzw. die ausströmende
Menge eines Gasgemisches bzw. einzelner Komponenten pro
Zeiteinheit ist definiert als:
N = n · A · v (1)
n: Teilchenkonzentration, d. h. Anzahl der Module eines
Spurengases pro Raumelement [cm-3]
A: Querschnitt der Ausströmöffnung [cm²];
v: Ausströmgeschwindigkeit [cm/sec].
A: Querschnitt der Ausströmöffnung [cm²];
v: Ausströmgeschwindigkeit [cm/sec].
Diese Größen sind in Fig. 2 für ein ausströmendes Gas G
angezeigt. Es besteht aber keine Möglichkeit, die Emissionsrate
N mit einem Meßgerät direkt zu messen. Jedenfalls kann die
Teilchenkonzentration n und die Ausströmgeschwindgigkeit v
nicht direkt gemessen werden. Anstelle der Konzentration eines
Spurengases wird nun erfindungsgemäß mit dem Teilchenanalysator
TAN die entlang der Breite L der Gasströmung längenintegrierte
Teilchenmenge = n·L bestimmt. Somit folgt für die
Emissionsrate
wobei G ein Geometriefaktor [cm²) ist. Wie im folgenden
beschrieben wird, kann der Geometriefaktor G und die
Ausströmgeschwindigkeit v aus der zweidimensionalen
Intensitätsverteilung anhand der Strahlung eines Spurenstoffes,
der als "Tracer" verwendet wird, bestimmt werden. Mit Hilfe der
durch die Messung am "Tracer" gewonnenen Parameter v und G
können mit der Bestimmung der längenintegrierten Teilchenmengen
für mehrere Spurengase alle Emissionsraten Ns der Spurengase im
Gasgemisch bestimmt werden. Die Messung liefert darüber hinaus
die radiale Verteilung des Gasgemischs, so daß die Genauigkeit
für die Bestimmung der gemittelten Konzentration mit dem
Spurengasanalysator verbessert wird.
Fig. 3 zeigt Höhenlinien einer typischen Intensitätsverteilung
einer Gaskonzentration in einer Gasströmung, die von der
Intensitätsmeßvorrichtung aufgenommen wird. In axialer Richtung
nimmt die Ausformung der Höhenlinien der Konzentration mit
wachsender Ausströmgeschwindigkeit zu. Der Gradient in radialer
Richtung x nimmt mit wachsender Ausströmgeschwindigkeit v zu.
Diese Intensitätsverteilung bildet sich bei konstanter
Ausströmgeschwindigkeit v als quasi-stationäre Verteilung aus.
Aus der räumlich aufgelösten Messung dieser
Intensitätsverteilung ermittelt die erste
Berechnungseinrichtung C1 die Information über die
Ausströmgeschwindigkeit v. Aus der Literatur sind nämlich
mathematische Modelle bekannt, die unter Benutzung der als
bekannt vorausgesetzten Ausströmgeschwindigkeit v die
Berechnung der Konzentrationsverteilung des aus strömenden Gases
ermöglichen (siehe z. B. Schutzman, "Journal of Applied
Mathematics and Physics", Vol. 29, Seiten 608-630, 1978) . Durch
die umgekehrte Auswertung der Intensitätsverteilung kann somit
die Ausströmgeschwindigkeit v aus der ausgenommenen
Intensitätsverteilung ermittelt werden. Die erste
Berechnungseinrichtung C1 führt dabei eine Variation des Wertes
für die Ausströmgeschwindigkeit v durch, um eine
Übereinstimmung zwischen Berechnung und ermittelter
Intensitätsmessung zu erzeugen.
Da die relative Häufigkeit eines Spurengases im Verhältnis zur
Gesamtmenge als konstant vorausgesetzt werden kann, ist somit
- - die Ausströmgeschwindigkeit v des gesamten Gasstromes G; und
- - die Ausströmgeschwindigkeit v und die Emissionsrate jedes anderen Spurengases G1, G2 im Gasstrom G bekannt.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert, wie
der Geometriefaktor G aus der räumlichen Intensitätsverteilung
I(x, y) bestimmt werden kann. Wie Fig. 7 zeigt, weist die
Konzentration in radial er Richtung einen starken Gradienten
auf. Dieser Gradient ist ebenfalls in der radialen Abhängigkeit
x der Intensität sichtbar.
Die zweite Berechnungseinrichtung C2 wertet nun die Differenzen
in der Intensitätsverteilung zwischen benachbarten
Bildelementen in radialer Richtung x aus, und daraus kann der
effektive Gasströmungsdurchmesser L bestimmt werden. Der
effektive Gasströmungsdurchmesser L (Fig. 4) ist
sinnvollerweise durch den Ort der maximalen Steigung der
radialen Intensitätsabnahme definiert. Der Geometriefaktor G ist dann festgelegt durch die folgende Formel (bei kreisförmigem Austrittsquerschnitt A):
radialen Intensitätsabnahme definiert. Der Geometriefaktor G ist dann festgelegt durch die folgende Formel (bei kreisförmigem Austrittsquerschnitt A):
Die Emissionsrate N kann somit folgendermaßen ausgedrückt
werden:
Der Teilchenanalysator ermittelt somit , die erste
Berechnungseinrichtung C1 bestimmt aus der
Intensitätsverteilung die Ausströmgeschwindigkeit, die zweite
Berechnungseinrichtung C2 bestimmt den Geometriefaktor aus dem
Gradienten in radialer Richtung x und die dritte
Berechnungseinrichtung ermittelt gemäß der Gleichung (5) die
Emissionsraten für die einzelnen Spurengase.
Die von der Intensitätsmeßvorrichtung GSC bestimmte
Intensitätsverteilung Is(x,y) enthält außerdem Information über
die radiale Verteilung der Spurengaskonzentration und der
Gastemperatur. Die mit der Intensitätsmeßvorrichtung erfaßten
Verteilungen sind somit auch für die Auswertung des
Teilchenanalysators von hohem Wert, da die obengenannten
Vereinfachungen durch einen ausgemessenen Datensatz, der die
realistische Verteilung im Gasstrom beschreibt, ersetzt werden
können. Der Rechner kann somit die Auswertung der
Intensitätsmeßvorrichtung mit den Daten des Teilchenanalysators
korrellieren, welches zu einer erheblichen Steigerung in der
Bestimmung der gemittelten Konzentration bzw. Gastemperatur
führt, da Mehrschichtmodelle für die
Strahlungstransportrechnungen verwendet werden können.
Wie oben beschrieben, setzt das beschriebene Verfahren zur
Bestimmung von Emissionsraten die Kenntnis der
zweidimensionalen Intensitätsverteilung Is(x,y) der Strahlung
eines Spurengases im Gasgemisch voraus. Im folgenden wird unter
Bezugnahme auf die Fig. 5-8 eine weitere Ausführungsform der
Intensitätsmeßvorrichtung beschrieben. Diese Ausführungsform
wird, wie oben erwähnt, als "gasselektive Kamera" bezeichnet.
Diese gasselektive Kamera kann selektiv für einen Spurenstoff
simultan eine zweidimensionale Strahlungsverteilung der
Gasströmung und der Umgebung erfassen. Fig. 5 zeigt ein
Blockschaltbild dieser gasselektiven Kamera.
In Fig. 5 wird das Emissionsspektrum E eines Gasgemisches G von
einer Aufnahmeeinrichtung 1 empfangen und durch eine
Strahlteilereinrichtung 2 in ein erstes und zweites
Teilemissionsspektrum E1, E2 aufgeteilt, die durch eine
Referenzfilter-Anordnung 5 bzw. eine Gasselektionsfilter-
Anordnung 6 in ein erstes und zweites gefiltertes
Teilemissionsspektrum F1, F2 gefiltert wird. Ein erstes und
zweites zweidimensionales Sensorfeld 3, 4 empfängt das erste
und das zweite gefilterte Teilemissionsspektrum F1, F2 und
leitet ein entsprechendes elektrisches Signal an eine
Verarbeitungseinrichtung 8.
Die Referenzfilter-Anordnung 5 umfaßt mindestens ein
Referenzfilter und die Gasselektionsfilter-Anordnung umfaßt
mindestens ein Gasselektionsfilter. Jedes Gasselektionsfilter
ist ein Bandpaßfilter und besitzt eine Durchlaßcharakteristik
bei der entsprechenden charakteristischen Wellenlänge der zu
untersuchenden Gaskomponente. Jedes Referenzfilter ist
ebenfalls ein Bandpaßfilter, dessen Durchlaßfrequenz jeweils
benachbart zur Durchlaßfrequenz des Referenzfilters liegt, um
nur die jeweilige Hintergrundstrahlung zu ermitteln.
Eine Wechseleinrichtung 7 ist vorgesehen, um ein
Referenzfilter-Gasselektionsfilter-Paar durch ein anderes
Referenzfilter-Gasselektionsfilter-Paar zu ersetzen. Die
Verarbeitungseinrichtung 8 steuert die Wechseleinrichtung 7
zum Ersetzen des Filterpaares und ermittelt jeweils für eine zu
untersuchende Gaskomponente für ein Filterpaar den räumlichen
Intensitätsverlauf der Gaskomponente auf Grundlage des
gefilterten ersten Teilemissionsspektrum F1 und des gefilterten
zweiten Teilemissionsspektrum F2. Der dadurch ermittelte
räumliche Intensitätsverlauf oder die längenintegrierten
Teilchenmengen können auf einer mit der
Verarbeitungseinrichtung 8 gekoppelten Anzeigeeinrichtung 9
angezeigt werden.
Die von den Sensorfeldern 3, 4 aufgenommenen Bilder stellen
zunächst aber Intensitätsverteilungen der von einer
Gaskomponente G1, G2 emittierten Stahlung bzw. des Hintergrundes
dar. Die Verarbeitungseinheit 8 kann nun den Intensitätsverlauf
bzw. den räumlichen Verlauf von längenintegrierten
Teilchenmengen auf Grundlage der Intensitäten I1, I2 des ersten
gefilterten Teilemissionsspektrums F1 und des zweiten
gefilterten Teilemissionsspektrum F2 bestimmen.
Äquivalent dazu kann der Teilchenanalysator TAN in Fig. 1a aus
der aufgenommenen Intensitätsverteilung Is(x,y) = (I₁, I₂) für
die Gaskomponente direkt die längenintegrierte Teilchenmenge
n·L für die Gaskomponente bestimmen. Die folgenden
Betrachtungen für die Ermittelung der längenintegrierten
Teilchenmengen n·L für die Gaskomponente aus den Intensitäten
der ersten und zweiten gefilterten Teilemissionsspektren
treffen somit auch auf den Teilchenanalysator TAN in Fig. 1a
zu.
Die aufgenommenen Intensitäten I₁, I₂ der beiden gemessenen
Teilspektren F1, F2 lassen sich mathematisch folgendermaßen
darstellen:
I₁(λ₁) = BH·ε·T + (1-T)BA (6)
I₂(λ₂) = BH·ε (7)
BH: Plankfunktion des Hintergrundes;
ε: Emissivität des Hintergrundes;
T: Transmission des Spurengases;
BA: Plankfunktion der Gaswolke;
λ₁: Wellenlänge der Spurengaskanals;
λ₂: Wellenlänge des Referenzkanals;
Damit folgt:
ε: Emissivität des Hintergrundes;
T: Transmission des Spurengases;
BA: Plankfunktion der Gaswolke;
λ₁: Wellenlänge der Spurengaskanals;
λ₂: Wellenlänge des Referenzkanals;
Damit folgt:
I₁(λ₁) = I₂(λ₂) T + (1-T)BA (8)
Eine Lösung dieser Gleichung mit den beiden Unbekannten T und
BA läßt sich eindeutig für jedes Bildelement der
2-dimensionalen Messung unter Benutzung der Information aus dem
Nachbarbildelement bestimmen. Geeignete mathematische
Verfahren sind z. B. aus der Satellitenbildanalyse bekannt. Nach
der Bestimmung der Größe T für jedes Bildelement läßt sich die
längenintegrierte Konzentration über die mathematische
Beziehung:
T = exp(-n·k·L) (9)
bestimmen, wobei n·L die längenintegrierte Teilchenmenge, L die
Breite der Gasströmung und k der Absorptionskoeffizient des
Spurengases ist. Die Verarbeitung der beiden gefilterten
Teilemissionsspektren F1, F2 mit der Verarbeitungs-Einrichtung 8
führt also zum räumlichen Verlauf der längenintegrierten
Teilchenmenge n·L der Gaskomponente.
Die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung stellt somit auch ein
Meßsystem zur gasselektiven, räumlich hochauflösenden Messung
von Gaskomponenten eines Gasgemisches G mit Hilfe der
differentiellen optischen Signaturspektroskopie dar. Diese
Vorrichtung mißt also das Emissionsspektrum E eines Szenario in
spurengasspezifischen Spektralbereichen mit hoher räumlicher
Auflösung. Da die Referenzfilter-Anordnung 5 und die
Gasselektionsfilter-Anordnung G mehrere Referenzfilter und
Gasselektionsfilter aufweisen, können durch die Messung bei
verschiedenen charakteristischen Wellenlängen die
Intensitätsverteilungen der Gaskomponenten sowohl qualitativ
als auch quantitativ bestimmt werden.
Insbesondere ermöglicht die Vorrichtung durch die simultane
Messung bei zwei verschiedenen Wellenlängen die Bestimmung von
bewegten oder zeitlich veränderlichen Szenarien und eignet sich
somit auch für die Beobachtung eines Meßszenarios durch eine
Bewegung der Anordnung selbst, bzw. der Aufnahmeeinrichtung der
Anordnung.
Auf Grundlage des zweidimensionalen räumlichen Verlaufs der
längenintegrierten Teilchenmenge einzelner Gaskomponenten kann
die Verarbeitungseinrichtung auf Grundlage der
wellenlängenspezifischen Signatur der einzelnen Gaskomponenten
auch die Windrichtung, die Flußgeschwindigkeit oder den
Massenfluß ermitteln. Die räumlichen Verläufe von
längenintegrierten Teilchenmengen der Gaskomponenten G1, G2
werden vorzugsweise in verschiedenen Farben auf der
Anzeigeeinrichtung 9 (siehe auch Fig. 4) dargestellt.
Die Verarbeitung-Einrichtung 8 kann in Zusammenhang mit der in
Fig. 5 dargestellten Anordnung Meßsystem außerdem folgende
physikalischen Größen bezüglich der Gaskomponenten G1, G2 des
Gasgemischs G ermitteln:
- 1. Erfassung der räumlichen Verteilung von Komponentenkonzentrationen und deren zeitliche Veränderung;
- 2. Erfassung der räumlichen Verteilung von Massenflüssen aus der zeitlichen Ableitung der Konzentrationen (gilt nicht für Gleichgewichtszustände);
- 3. Zweidimensionale Erfassung der effektiven Windrichtung und der Stärke des Windes; beispielsweise bei flugzeugtragenden Anwendungen kann somit sowohl die horizontale Windrichtung als auch die horizontale Amplitude des Windes bestimmt werden; und
- 4. für geführte Emissionen (siehe beispielsweise die Kaminkonfiguration in Fig. 9a) kann die Konzentrationsverteilung oberhalb eines Kamins, die Flußgeschwindigkeit und der Massenfluß bestimmt werden.
- 5. Der für die Bestimmung des Massenflusses notwendige effektive Fahnendurchmesser kann durch die räumliche Ableitung der Intensität und die Abgastemperatur auf dem Verhältnis der thermischen zur angeregten Bande des CO₂ bei 4.3 µm bestimmt werden.
Die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung erlaubt somit die Messung
derartiger physikalischer Größen für eine Vielzahl von
Gaskomponenten in einem Gasgemisch in kürzester Zeit. Außerdem
sind keine zusätzlichen Lichtquellen zur Messung erforderlich
und dynamische Vorgänge bezüglich der Ausbreitung einzelner
Gase G1, G2 können auf dem Bildschirm dargestellt werden. Dies
kann in einem Echtzeitbetrieb vonstatten gehen.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig.
5, bei der das Emissionsspektrum E des Gasgemisches G von einem
Objetiv 11 empfangen wird. Je nach Ausdehnung des zu
erfassenden Bereichs in dem Gasgemisch kann das Objektiv als
Weitwinkelobjektiv oder als Teleobjektiv ausgebildet sein.
Typische Meßbereiche für ein Weitwinkelobjektiv sind
ausgedehnte Gaswolken oder diffuse Quellen von
Spurenschadstoffen. Bei der Beobachtung kleinräumiger Quellen,
beispielsweise geführter Emissionen (siehe Fig. 9a, b) ist ein
Teleobjektiv vorteilhaft.
Ein Strahlteiler 12 teilt das empfangene Emissionsspektrum E in
das erste und zweite Teilemissionspektrum E1, E2, welche dann
durch ein Referenzfilter 6-1 in einem Filterrad 16 bzw. durch
ein Gasselektionsfilter 5-1 in einem Filterrad 15 gefiltert
werden. Obwohl andere Teilungsverhältnisse denkbar sind,
besitzt der Strahlteiler 12 in dieser Ausführungsform ein
Teilungsverhältnis von 50 : 50. Da sowohl der Strahlteiler 12
als auch die Filterräder 15, 16 in parallelen Strahlengängen
angeordnet sind, ist in beiden geteilten Strahlen F1, F2 eine
Fokussieroptik 19, 20 angeordnet. Über die Fokussieroptik 19,
20 werden die gefilterten Teilemissionsspektren F1, F2, jeweils
auf ein CCD-Array 13, 14, abgebildet. Beispielsweise umfassen
die CCD-Arrays 128×128 Bildelemente, um eine hohe räumliche
Auflösung der Konzentrationsverteilungen sicherzustellen. Mit
der in Fig. 6 gezeigten Anordnung wird auf den CCD-Arrays 13,
14 ein Bild des Meßbereichs bzw. des Hintergrundes erzeugt. Die
von den Bildelementen des zweidimensionalen CCD-Arrays
erzeugten elektrischen Signale werden über eine (in Fig. 6
nicht dargestellte) Schnittstelle an einen (in Fig. 6
ebenfalls nicht dargestellten) Auswerterechner mit einem
Bildschirm übertragen. Mit der in Fig. 6 dargestellten
Ausführungsform wird also ein Bild des Meßbereichs und ein Bild
des Hintergrundes auf den CCD-Arrays 13 und 14 abgebildet. Dies
erfolgt "gasselektiv", d. h. mittels der Dreheinrichtung 17,
die die Filterräder 15 und 16 zur Auswechslung des Filterpaares
dreht, kann ein weiter Wellenlängenbereich für die
Absorptionslinien mehrerer Gaskomponente durchgescanned werden.
Die in Fig. 6 gezeigte Anordnung zur "gasselektiven Messung"
wird deshalb als "gasselektive Kamera" bezeichnet.
Bei der gasselektiven Kamera in Fig. 6 ist außerdem eine
Kalibrationseinrichtung 21 vor dem Objektiv 11 angeordnet. Die
Kalibrationseinrichtung 21 ist zweckmäßigerweise eine drehbare
Einheit, die zwei Positionen aufweist:
- 1. eine Meßposition (offene Position), bei der der Lichtweg frei ist, so daß das Emissionsspektrum E auf das Objektiv 11 fällt; und
- 2. eine Kalibrationsposition (geschlossene Position), bei der der Lichtweg geschlossen ist, so daß das Emissionsspektrum E nicht auf dem Objektiv 11 zu liegen kommt; dann wird das Objektiv 11 von einer Kalibrierquelle ausgeleuchtet, wobei die beiden parallel arbeitenden Signalkanäle (erster Kanal: Strahlteiler 12 - Filterrad 15 - Fokussieroptik 20 - CCD-Array 13; zweiter Kanal: Strahlteiler 12 - Filterrad 16 - Fokussieroptik 19 - CCD-Array 14) relativ zueinander kalibriert werden.
Die Kalibriereinrichtung kann sich auf einer beliebigen
Temperatur, die gemessen wird, befinden. Sie ist außerdem mit
einer Temperaturregelung ausgestattet, so daß
Kalibrationsquellen für zwei verschiedene Temperaturen
eingestellt werden können. Damit werden alle
Untergrundsanteile, sowohl die elektrischen als auch die
thermischen eliminiert. Zweckmäßigerweise werden die
Kalibrationsmessungen dabei alternierend, d. h. einmal mit einer
höheren und einmal mit einer niedrigeren Temperatur
durchgeführt.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform eines Filterrades 15, 16,
das in Fig. 2 als Referenzfilter-Anordnung 15 bzw.
Gasselektionsfilter-Anordnung 16 verwendet wird. Das Filterrad
15 umfaßt eine Vielzahl von Referenzfiltern 5-1, 5-2, die
entlang des Umfangs angeordnet sind. Das Filterrad 16 mit den
Gasselektionsfiltern 6-1, 6-2 kann genauso aufgebaut sein wie
das Filterrad 15. Die Filterräder werden durch die
Dreheinrichtung 17 gleichzeitig gedreht. Entlang des Umfangs
sind beispielsweise bis zu 20 verschiedene Filter 5-1, 5-2, 6-1,
6-2 angeordnet und die Dreheinrichtung 17, die von der
Verarbeitungseinrichtung 8 gesteuert wird, dreht die
Filterräder 15, 16 zu einem nächsten Filter (beispielsweise mit
einer Frequenz von 5 Hz). Die Dreheinrichtung 17 dreht also für
jede nachzuweisende Gaskomponente G1, G2 die Filterräder 15,
16, so daß jeweils ein nächstes Filterpaar 5-2, 5-2 in den
Strahlengang E1, E2 zu liegen kommt. Die Referenzfilter 5-1, 5-2
und die Gasselektionsfilter 6-1, 6-2 sind zweidimensionale
Filter und besitzen eine Bandpaßcharakteristik bei den
Wellenlängen λ₂ bzw. λ₁ so wie in Fig. 10b dargestellt.
Die Mittenfrequenz λ₁ eines Gasselektionsfilters 6-1 liegt
beispielsweise bei 9,9 µm mit einer Bandbreite von ca. 10%, d. h.
von 9,85 µm bis 9,95 µm. Die Mittenfrequenz λ₂ des
entsprechenden Referenzfilters 5-1 eines Referenzfilter-
Gasselektionsfilter-Paares für eine zu untersuchende
Gaskomponente liegt dann beispielsweise bei 10 µm mit einer
10%-Bandbreite von 9,95 µm bis 10,05 µm.
Da in der Verarbeitungseinrichtung 8 für die elektrischen
Signale der CCD-Arrays 13, 14 schnelle Signalprozessoren mit
paralleler Verarbeitung verwendet werden, kann ein
Filterpaarwechsel mit 5 Hz für eine Vielzahl von Gaskomponenten
stattfinden. Es ist somit möglich, für mehrere Gaskomponenten
gleichzeitig dynamische Vorgänge zu ermitteln und auf einem
Bildschirm 19, wie in Fig. 8 gezeigt, darzustellen.
Gleichzeitig können auf dem Bildschirm 19 die relevanten
Meßgrößen, d. h. Windrichtung, Massenfluß und
Flußgeschwindigkeit oder Fahnentemperatur angezeigt werden. Es
ist dabei vorteilhaft, die räumliche Verteilung der einzelnen
Gaskomponenten G1, G2 in verschiedenen Farben darzustellen.
Zusammenfassend ermöglicht die Erfindung also die Ermittlung
der Emissionsraten einer Vielzahl von Gaskomponenten in einem
Gasgemisch in kürzester Zeit, so daß eine Auswertung von
dynamischen Vorgängen einzelner Gaskomponenten in dem
Gasgemisch möglich ist. Da Parameter über die zeitlichen und
räumlichen Ausbreitungsverhalten der Gase, nämlich die
Emissionsraten ermittelt werden, liefert die Erfindung
Informationen über Schadstoffemissionen, die beispielsweise zur
Einhaltung von Umweltschutzauflagen wirklich relevant sind.
Obwohl die Erfindung oben im Zusammenhang mit der Erfassung von
geführten Gasemissionen bzw. Triebwerksemissionen beschrieben
wurde, sind vielerlei andere Anwendungsmöglichkeiten denkbar,
beispielsweise für die Abgasüberwachung in Kraftfahrzeugen.
Claims (28)
1. Verfahren zur Bestimung der Emissionsrate (Ns) mindestens
einer Gaskomponente (G1, G2) eines Gasgemischs (G),
umfassend die folgenden Schritte:
- a) Messen einer räumlichen Intensitätsverteilung (Is(x,y)) mindestens einer Gaskomponente (G1, G2) des Gasgemischs (G);
- b) Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit (v) des Gasgemisches (G) aus der räumlichen Intensitätsverteilung (Is(x,y)) und aus deren Gradienten;
- c) Bestimmen eines Geometriefaktors (Gs) aus dem Gradienten der räumlichen Intensitätsverteilung (Is(x,y)) in radialer Richtung (x);
- d) Bestimmen einer längenintegrierten Teilchenmenge ((n·L)s) für die Gaskomponente (G1, G2); und
- e) Bestimmen der Emissionsrate (Ns) der Gaskomponente (G1, G2) aus dem Geometriefaktor (G), der Strömungsgeschwindigkeit (v) und der längenintegrierten Teilchenmenge ((n·L)s).
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
zum Messen der räumlichen Intensitätsverteilung (Is(x,y))
der Gaskomponente (G1, G2) ein Verfahren verwendet wird,
welches die folgenden Schritte umfaßt:
- a) Aufnehmen des 2D-Emissionsspektrums (E) des Gasgemisches (G) in einem räumlich begrenzten zweidimensionalen Gebiet;
- b) Aufteilen des empfangenen Emissionsspektrum (E) in ein erstes und ein zweites Teilemissionsspektrum (E1, E2)
- c) Filtern des ersten und zweiten Teilemissionsspektrums (E1, E2) mit mindestens einem Referenzfilter (5-1) einer 2D-Referenzfilter-Anordnung (5) bzw. mindestens einem Gasselektionsfilter (6-1) einer 2D-Gasselektionsfilteranordnung (6);
- d) Empfangen des ersten und zweiten gefilterten Teilemissionsspektrums (F1, F2); und
- e) Ermitteln des räumlichen Intensitätsverlaufs (Is(x,y)) der Gaskomponente (G1) auf Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums (F1) und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums (F2).
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Referenzfilter-Gasselektionsfilterpaar (5-1, 6-1)
durch ein anderes Referenzfilter-Gasselektionsfilterpaar
(5-2, 6-2) ersetzt wird und die Schritte c) bis e) zum
Ermitteln der selektiven räumlichen Intensitätsverteilung
(Is(x,y)) einer weiteren Gaskomponente (G2) wiederholt
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Bestimmung der räumlichen Intensitätsverteilung
(Is(x,y)) der Gaskomponente (G1, G2) eine Infrarotkamera
mit einem davor angeordneten Filter verwendet wird,
welches eine Bandpaßcharakteristik bei der
charakteristischen Wellenlänge der Gaskomponente (G1, G2)
besitzt.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die längenintegrierte Teilchenmenge ((n·L)s) für die
Gaskomponente (G1, G2) aus der räumlichen
Intensitätsverteilung (Is(x,y)) bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die längenintegrierte Teilchenmenge ((n·L)s) für die
Gaskomponente (G1, G2) mit einem Fourier-Spektrometer
(FTIR) bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Emisssionsrate (Ns) nach folgender Formel bestimmt
wird:
Ns = (n·L)s×G×vwobei:
(n·L)s: die längenintegrierte Teilchenmenge einer Gaskomponente (G1, G2);
G: den Geometriefaktor der Gaskomponente (G1, G2); und
v: die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches (G) bezeichnet.
(n·L)s: die längenintegrierte Teilchenmenge einer Gaskomponente (G1, G2);
G: den Geometriefaktor der Gaskomponente (G1, G2); und
v: die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches (G) bezeichnet.
8. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die längenintegrierten Teilchenmengen ((n·L)s) und die
Emissionsraten (Ns) auf einer Anzeigeeinrichtung (9)
dargestellt werden.
9. Vorrichtung zur Bestimmung der Emissionsrate (Ns)
mindestens einer Gaskomponente (G1, G2) in einem
Gasgemisch (G), umfassend:
- a) eine Intensitätsmeßvorrichtung (GSC) zur selektiven Messung der räumlichen Intensitätsverteilung (Is(x,y)) mindestens einer Gaskomponente (G1, G2) des Gasgemischs (G);
- b) einen Teilchenanalysator (TAN) zur Bestimmung einer längenintegrierten Teilchenmenge ((n·L)s) für die Gaskomponente (G1, G2); und
- c) einen Rechner (C) umfassend:
- - eine erste Berechnungseinrichtung (C1) zur Ermittelung der Strömungsgeschwindigkeit (v) des Gasgemischs (G) aus der räumlichen Intensitätsverteilung (Is(x,y)) und aus deren Gradienten;
- - eine zweite Berechnungseinrichtung (C2) zur Bestimmung eines Geometriefaktors (G) aus dem Gradienten der räumlichen Intensitätsverteilung (I(x,y)s) in radialer Richtung (x); und
- - eine dritte Berechnungseinrichtung (C3) zur Bestimmung der Emissionsrate (Ns) der Gaskomponente (G1, G2) aus dem Geometriefaktor (G), der Strömungsgeschwindigkeit (v) und der integrierten Teilchenmenge ((n·L)s).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Intensitätsmeßvorrichtung (GSC) eine Infrarotkamera
mit einem davor angeordneten Filter ist, welches eine
Bandpaßcharakteristik bei der charakteristischen
Wellenlänge der zu untersuchenden Gaskomponente (G1, G2)
aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Intensitätsmeßvorrichtung (GSC) umfaßt:
- a) eine Aufnahmeeinrichtung (1) zum Empfang eines 2D-Emissionsspektrums (E) des Gasgemischs (G) in einem räumlich begrenzten zweidimensionalen Gebiet;
- b) eine Strahlteilereinrichtung (2) zum Aufteilen des empfangenen Emissionsspektrums (E) in ein erstes und ein zweites Teilemissionsspektrum (E1, E2);
- c) ein erstes und ein zweites 2D-Sensorfeld (3, 4) zum Empfang des ersten und zweiten Teilemissionsspektrums (E1, E2);
- d) eine 2D-Referenzfilter-Anordnung (5), die zwischen der Strahlteilereinrichtung (2) und dem ersten 2D-Sensorfeld (3) angeordnet ist und mindestens ein Referenzfilter (5-1; 5-2) zur Filterung des ersten Teilemissionsspektrums (E1) aufweist;
- e) eine 2D-Gasselektionsfilter-Anordnung (6), die zwischen der Strahlteilereinrichtung (2) und dem zweiten 2D-Sensorfeld (4) angeordnet ist und mindestens ein Gasselektionsfilter (6-1; 6-2) zur Filterung des zweiten Teilemissionsspektrums (E2) aufweist; und
- f) eine Verarbeitungs-Einrichtung (8) zur Ermittelung des räumlichen Intensitätsverlaufs (Is(x,y) der Gaskomponente (G1, G2) auf Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums (F1) und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums (F2)
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Referenzfilter-Anordnung (5) eine Vielzahl von Referenzfiltern (5-1, 5-2) umfaßt;
die Gasselektionsfilter-Anordnung (6) eine Vielzahl von Gasselektionsfiltern (6-1, 6-2); umfaßt; und
eine Wechseleinrichtung (7) vorgesehen ist, zum Ersetzen eines Referenzfilter-Gasselektionsfilter-Paars (5-1, 6-1) durch ein anderes Referenzfilter-Gasselektionsfilter-Paar (5-2, 6-2).
die Referenzfilter-Anordnung (5) eine Vielzahl von Referenzfiltern (5-1, 5-2) umfaßt;
die Gasselektionsfilter-Anordnung (6) eine Vielzahl von Gasselektionsfiltern (6-1, 6-2); umfaßt; und
eine Wechseleinrichtung (7) vorgesehen ist, zum Ersetzen eines Referenzfilter-Gasselektionsfilter-Paars (5-1, 6-1) durch ein anderes Referenzfilter-Gasselektionsfilter-Paar (5-2, 6-2).
13. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verarbeitungseinrichtung (8) mit einer
Anzeigeeinrichtung (9) gekoppelt ist, zur Darstellung der
räumlichen Intensitätsverteilungen (Is(x,y)) der einzelnen
Gaskomponenten (G1, G2).
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß
auf der Anzeigeeinrichtung (9) die räumlichen
Intensitätsverteilungen (Is(x,y) der Gaskomponenten (G1,
G2) in verschiedenen Farben darstellbar sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
jeweils zwischen Strahlteilereinrichtung (2) und
2D-Sensorfeld (3, 4) eine Fokussieroptik (19, 20) vorgesehen
ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
vor der Aufnahmeeinrichtung (1) eine Kalibriereinrichtung
(21) vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Aufnahmeeinrichtung (1) ein Weitwinkelobjektiv (11)
oder ein Teleobjektiv ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Strahlteilereinrichtung (2) ein optischer Strahlteiler
(12), der ein Teilungsverhältnis von 50 : 50 besitzt, ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
die 2D-Sensorfelder (3) zweidimensionale CCD-Arrays (13,
14) umfassen.
20. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Referenzfilter-Anordnung (5) ein Filterrad (15) ist,
welches entlang seinem Umfang die Vielzahl von
Referenzfiltern (5-1, 5-2) aufweist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Gasselektionsfilter-Anordnung (6) ein Filterrad (16)
ist, welches entlang seinem Umfang die Vielzahl von
Gasselektionsfiltern (6-1, 6-2) aufweist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20 und 21,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Wechseleinrichtung (7) eine Dreheinrichtung (17) ist,
die die Filterräder (15, 16) gleichzeitig zur Wechselung
eines Filterpaars (5-1, 5-2; 6-1, 6-2) dreht.
23. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Filterpaar (5-1, 6-1) jeweils aus einem
Gasselektionsfilter (6-1, 6-2) und einem Referenzfilter
(5-1, 5-2) besteht, wobei das Gasselektionsfilter (6-1, 6-2)
eine Durchlaßcharakteristik bei der charakteristischen
Wellenlänge einer zu ermittelten Gaskomponente (G1, G2) in
dem Gasgemisch (G) besitzt und das Referenzfilter (5-1, 5-2)
eine Durchlaßcharakteristik bei einer Wellenlänge nahe
bei der charakteristischen Wellenlänge aufweist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verarbeitungseinrichtung (8) die Wechseleinrichtung
(7) so steuert, daß ein Filterpaarwechsel mit der Frequenz
von 5 Hz stattfindet.
25. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Teilchenanalysator (TAN) die längenintegrierte
Teilchenmenge ((n·L)s) der Gaskomponente (G1, G2) aus der
für die Gaskomponente (G1, G2) gemessenen räumlichen
Intensitätsverteilung (Is(x,y)) bestimmt.
26. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Teilchenanalysator (TAN) ein kalibriertes Fourier-
Spektrometer (FTIR) ist, welches die über die Breite (L)
der Gasströmung längenintegrierte Teilchenmenge ((n·L)s)
für jede Gaskomponente (G1, G2) in dem Gasgemisch (G)
ermittelt.
27. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Rechner (C) mit einer Anzeigeeinrichtung (9) gekoppelt
ist, zur Anzeige der längenintegrierten Teilchenmengen
((n·L)s) und der Emissionsraten (Ns) für die
Gaskomponenten (G1, G2).
28. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die dritte Berechnungseinrichtung (C3) die Emissionsrate
(Ns) nach folgender Formel bestimmt:
Ns = (n·L)s×G×vwobei:
(n·L): die längenintegrierte Teilchenmenge einer Gaskomponente (G1, G2);
G: den Geometriefaktor der Gaskomponente (G1, G2); und
v: die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches (G) bezeichnet.
(n·L): die längenintegrierte Teilchenmenge einer Gaskomponente (G1, G2);
G: den Geometriefaktor der Gaskomponente (G1, G2); und
v: die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches (G) bezeichnet.
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