-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Apparat zur Überwachung
der Verteilung und Mischung einer chemischen Spezies in einem Raumabschnitt,
etwa in einem Gefäß oder in
einem freien Raum, wie etwa in einem den Abgasschwaden einer Maschine
enthaltenden Raum.
-
Das
räumliche
und zeitliche Verteilen und Vermischen einer chemischen Spezies
kann eine kritische Bestimmungsgröße des Leistungsverhaltens eines
chemischen Reaktors sein. Zum Beispiel stellt die Verbrennungskammer
einer inneren Verbrennungsmaschine einen chemischen Reaktor dar,
in welchem die räumliche
und zeitliche Variation des Verhältnisses
von Luft zu Brennstoff vor der Entzündung einen deutlichen Einfluss
sowohl auf die Brennstoffeffizienz als auch auf das Leistungsverhalten
der Emissionen ausübt.
Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, um die räumliche
Variation des Verhältnisses
von Luft zu Brennstoff innerhalb interner Verbrennungsmaschinen
zu analysieren. Auf typische Art und Weise sind die Zylinder und/oder Kolben
der internen Verbrennungsmaschinen mit Fenstern versehen worden,
durch welche es möglich geworden
ist, unter Einsatz einer eine Hochgeschwindigkeitskamera umfassenden
Ausrüstung Photographien
aufzunehmen, um auf diese Weise Variationen in dem Verhältnis der
Luft zu dem Brennstoff bildlich darzustellen. Es ist zum Beispiel
bekannt ein Fluoreszenzdotiermittel in den in den Zylinder eingeführten Brennstoff
einzuführen,
um so eine visuell sichtbare Anzeige über die Brennstoffverteilung
innerhalb der Brennstoff-Luftmischung zu liefern.
-
Ein
weiter Bereich von Tomographiemodalitäten ist entwickelt worden,
welche sich über
die Klassen der "hart
Feld-", der "weich Feld" und der Emissionstechniken
erstrecken. Eine jede dieser Klassen weist verschiedene Stärken und
Schwächen auf.
Insbesondere erfordern alle diese Klassen eine Inversionsberechnung,
um die Verteilung eines Interesseparameters zu rekonstruieren. Der
Stimulations- bzw.
Anregungsprozess der Fluoreszenztomographie besitzt eine ,hart-Feld'-Natur insofern als
das einzige Material, welches dazu angeregt werden kann zu fluoreszieren,
jenes Material ist, welches auf dem geometrischen Weg der Eingangsstrahlung liegt,
während
der Nachweis der isotrop emittierten Fluoreszenz deutlich eine Emissionsnatur
aufweist.
-
Es
ist eine Arbeit durchgeführt
worden für den
Fall der Röntgenstrahlfluoreszenz,
so wie dies beschrieben worden ist von Cesareo R. und Mascarenhas
S. (1989) in A new tomographic device based on the detection of
fluorescent X-rays, Nucl. Instr. Meth. A277, 669–672. Dieser Aufsatz hebt hervor, dass
eine Kollimation von sowohl dem Anregungsstrahl als auch von der
Detektorakzeptanz zu einer unzweideutigen Bestimmung des räumlichen
Bereiches führt,
welcher als der "Raumpunkt" bezeichnet wird,
von welchem aus nachgewiesene Fluoreszenzphotonen emittiert worden
sind. In dem beschriebenen Fall der Röntgenstrahlfluoreszenz jedoch schwächte das
zu studierende Material sowohl den Anregungsstrahl als auch die
Fluoreszenzphotonen stark ab und dies erforderte eine zusätzliche
Komplexität
in der Bildrekonstruktion durch eine Entfaltung der Dämpfung.
Somit stellte sich heraus, dass diese frühere Arbeit darauf hinwies,
dass der Einsatz von kollimierten Anregungsstrahlen und von Detektorsichtfeldern
die Notwendigkeit von rechnungsmäßig intensiven
Bildrekonstruktionstechniken nicht vermeidet.
-
Die
Technik einer planaren laserinduzierten Fluoreszenz (PLIF = planar
laser-induced fluorescence) ist bis jetzt die erfolgreichste beim
Liefern von Information über
die Misch- und Verbrennungsprozesse in internen Verbrennungsmaschinen
gewesen. Um diese Technik zu implementieren, werden große Glaseinsätze zwischen
dem Zylinderkopf und dem Maschinenblock angeordnet. Die Laseremission wird
zu einem Vorhang geformt, welcher durch den Zylinderkopf hindurch
tritt und die Fluoreszenz anregt. Die Fluoreszenz wird in der orthogonalen
Richtung durch einen verlängerten
Kolben mit einem zentralen Glasfenster und mit einem Spiegel beobachtet, typischerweise
durch eine CCD-Kamera.
PLIF-Systeme können
jedoch nur eine geringe Anzahl von Rastern pro Zyklus erzeugen wegen
der vergleichsweise niedrigen Frequenz der Lichtproben, bestimmt durch
die niedrige Wiederholungsrate (10–100 Hz) der Laserquellen.
-
Die
bekannten Systeme erfordern einen ausgedehnten optischen Zugang,
welcher seinerseits wesentliche Veränderungen an einer internen
Verbrennungsmaschine erfordert, für welche das Leistungsverhalten
bewertet werden soll. Die Bereitstellung relativ großer optischer
Fenster in zum Beispiel einer Zylinderwand kann das Leistungsverhalten
der Maschine wesentlich beeinträchtigen,
verglichen mit einer Maschine, in welcher keine solchen optischen Fenster
vorgesehen sind. Weiterhin ist die zeitliche Auflösung von
solchen bekannten Techniken auf Grund der verwendeten gepulsten
Laserquellen auf einige wenige Hz begrenzt. Diese Techniken sind nicht
geeignet für
eine Anwendung bei Routinemaschinenoperationen.
-
Das
US Patent 5,758,653 offenbart eine Reihe von Laserquellen und Photondetektoren,
welche rund um den Umfang eines Objektes herum verteilt sind, wobei
gestreute und diffuse Strahlung verwendet wird, um eine Darstellung
des Inneren des Objektes zu rekonstruieren.
-
Es
ist bekannt, dass Kohlenwasserstoffe enthaltende Luft die Laserstrahlung
in einem größeren Ausmaß absorbiert
als von Kohlenwasserstoffen freie Luft, wenn die Laserbestrahlung
bei einer Frequenz stattfindet, welche die Schwingungs-/Rotationsübergänge bei
Kohlenwasserstoffmolekülen
anregt. Insbesondere führt
das Vorhandensein der Gruppen von CH3, CH2 und CH in den Molekülen in einer Mischung Luft/Kohlenwasserstoff
zu einer größeren Absorption,
und zwar auf Grund verschiedener Schwingungsübergänge und derer Oberschwingungen
und Kombinationen, als dies der Fall mit Luft ist, welche solche
Moleküle
nicht enthält.
-
Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die spezifische Absorption
der Strahlung auszunutzen, um räumliche
und zeitliche Variationen in dem Verhältnis von Luft zu Brennstoff
innerhalb von zum Beispiel einer internen Verbrennungsmaschine zu überwachen.
-
Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten
Apparat zur Überwachung
der räumlichen
Verteilung innerhalb eines Gefäßes von
einer chemischen Spezies zu liefern, ohne dass der Einsatz von rechnungsintensiven
Techniken erforderlich ist, um eine Darstellung der Verteilung zu erzeugen.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Apparat geliefert zur Überwachung der Verteilung innerhalb
eines definierten Raumes einer chemischen Spezies, bei welchem eine
große
Anzahl von Strahlungsquellen und von Strahlungsdetektoren rund um den
Umfang des Raumes herum verteilt sind, wobei die Strahlungsquellen
so verteilt sind, dass sie Strahlenbündel quer über das Innere des Raumes emittieren,
wobei die Wellenlänge
der Strahlung so gewählt wird,
dass eine Wechselwirkung zwischen der Strahlung und der chemischen
Spezies auftritt, welche von den Detektoren nachgewiesen werden
kann, und Hilfsmittel bereitgestellt werden zur Ableitung, aus den
nachgewiesenen Wechselwirkungen, einer Darstellung der Verteilung
der chemischen Spezies innerhalb des Raumes. Die große Anzahl
von Strahlungsquellen und von Strahlungsdetektoren sind rund um
den Umfang des Raumes herum so verteilt, dass die Strahlung aus
einer jeden Quelle entlang einem vorherbestimmten Weg in die Richtung
auf mindestens einen Detektor zu gerichtet ist, und die Quellen
die Strahlen bei einer Wellenlänge
emittieren, welche so gewählt
wird, dass Schwingungsübergänge und/oder
Rotationsübergänge in mindestens
einer der chemischen Spezies derart angeregt werden, dass Strahlung
bis zu einem bedeutenderen Ausmaß durch jene mindestens eine
Spezies absorbiert wird als durch mindestens eine andere Spezies,
wobei die längs
eines jeden der vorherbestimmten Wege auftretende Absorption der
Strahlung überwacht
wird, um ein Maß für das Wegintegral
der Konzentration jener mindestens einen Spezies längs eines
jeden Weges zu liefern, und eine Darstellung der Verteilung der
Konzentration jener mindestens einen Spezies innerhalb des Raumes
wird aus den gemessenen Wegintegralen der Konzentration abgeleitet.
-
Die
Strahlungsquellen und die Strahlungsdetektoren sind paarweise derart
angeordnet, dass ein jeder Detektor eine Strahlung über einen
jeweiligen Weg aus einer jeweiligen Quelle empfängt. Alternativ kann mindestens
eine Quelle so angeordnet sein, dass sie die Strahlung in einen
Strahl richtet, welcher jeweilige vorherbestimmte Wege zu einem
jeden aus einer großen
Anzahl von Strahlungsdetektoren definiert, wobei ein jeder Detektor
ein Kollimationssichtfeld aufweist, welches nur den jeweiligen vorherbestimmten
Weg mit einschließt.
-
In
dem Fall der Anwendung der Erfindung zur Überwachung der räumlichen
Variation der Verhältnisse
von Luft zu Brennstoff im Innern von internen Verbrennungsmaschinen
kann die spezifische, wenn auch schwache Absorption der elektromagnetischen
Strahlung in dem nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums
(1 μm bis
2,5 μm) ausgewertet
werden, um zu unterscheiden zwischen der Absorption, die aus Obertönen und
aus Kombinationen von verschiedenen Schwingungsübergängen und/oder Rotationsübergängen in
Kohlenwasserstoffen resultiert, insbesondere solcher Übergänge, die sich
mit den Gruppen CH3, CH2 und
CH in Molekülen ergeben.
Eine geeignete Wellenlänge
für die
Verwendung in dem Apparat gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegt bei 1700 nm (–15, +50 nm), da die Kohlenwasserstoffe
bei dieser Wellenlänge
eine schwache Absorption zeigen. Im Gegensatz zu den bisherigen
Techniken nach dem Stand der Technik, welche sich auf die Zugabe
von Fluoreszenzdotiermitteln zu dem Brennstoff stützen, verwendet
der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung damit die inhärenten Absorptionseigenschaften von
Kohlenwasserstoffsystemen, um Daten abzuleiten, welche in der räumlichen
Variation des Verhältnisses
von Luft zu Brennstoff beschrieben sind, ohne in irgendeiner Weise
die chemischen Komponenten zu verändern, zum Beispiel durch die
Zugabe von Dotiermitteln zu dem Brennstoff. Weiterhin kann, obwohl
ein jedes Quellen-Detektor-Paar ein Maß für das Pfadintegral (oder den
Durchschnitt) der Konzentration an Kohlenwasserstoff lediglich entlang dem
Weg zwischen diesem Paar liefern kann, die räumliche Anordnung dieses Weges
genau bestimmt werden und, vorausgesetzt es werden die Daten aus einer
ausreichend großen
Anzahl von Wegen extrahiert, dann ist es eine relativ gut bekannte
rechnerische Aufgabe eine Darstellung der Verteilung der Kohlenwasserstoffe
unter Verwendung herkömmlicher
tomographischer Techniken zu produzieren. Die Quellen können Laser
sein, auch sollten die Quellen für
die Maschinenanwendung eine hohe Modulationsbandbreite aufweisen,
z.B. in der Größenordnung von
40 kHz oder mehr. Es können
auf diese Weise zeitliche Auflösungen
so hoch wie 20 kHz erzielt werden, ganz im Gegensatz zu den niedrigen
zeitlichen Auflösungen,
welche mit den bisher bekannten Techniken erreichbar sind.
-
Vorzugsweise
weist eine jede Strahlungsquelle auch Hilfsmittel auf für das Richten
von Strahlung mit einer weiteren Wellenlänge längs des vorherbestimmten Weges
zu dem Detektor des jeweiligen Paares, wobei die weitere Wellenlänge derart ausgewählt wird,
dass sie keine Schwingungsübergänge und/oder
Rotationsübergänge in irgendeiner der
Komponenten anregt, und es sind Hilfsmittel bereitgestellt zum Vergleichen
der Absorption der Strahlung der zwei Wellenlängen zum Kompensieren der Absorption,
welche keinen Schwingungsübergängen und/oder
Rotationsübergängen zugeordnet ist,
welche in jener mindestens einen Komponente angeregt werden. Eine
geeignete Wellenlänge
für die weitere
Strahlungsquelle beträgt
1550 nm in dem Fall langkettiger, gesättigter Kohlenwasserstoffe,
welche die ein Interesse aufweisende Spezies darstellt.
-
Die
Strahlungsabgabe bzw. -leistung einer jeden Strahlungsquelle kann
einer Zeitmultiplexverfahrensweise derart unterzogen werden, dass
nur eine Wellenlänge
zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt emittiert wird. Alternativ kann
eine Frequenzmultiplexverfahrensweise verwendet werden, wobei die
Absorption von verschiedenen, gleichzeitig übertragenen Wellenlängen gemessen
wird durch eine Demultiplexverfahrensweise durch die Detektorelektronik.
-
In
einer alternativen Anordnung umfassen die Detektoren optische Hilfsmittel
zum Unterscheiden zwischen den optischen Merkmalen der Abgaben der
Quellen, welche von einer verschiedenen Wellenlänge sind. Die Abgaben von einer
verschiedenen Wellenlänge
können
unterschiedlich polarisiert sein, wobei die optischen Hilfsmittel
gegenüber der
Polarisation empfindlich sind, oder es können die optischen Hilfsmittel
einen Spektrometer umfassen.
-
Vorzugsweise
umfasst mindestens eine Quelle einen abstimmbaren Laser und es werden Hilfsmittel
zum Abstimmen des Lasers bereitgestellt, um den Veränderungen
bei den Absorptionsmerkmalen des Raumes Rechnung zu tragen.
-
Eine
Ausführung
der vorliegenden Erfindung wird jetzt mittels eines Beispieles beschrieben
werden, dies unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen,
in denen;
-
1 eine
vereinfachte Querschnittsansicht durch ein Gefäß darstellt, welche die Anregungspfade
zeigt, wie sie in einem Apparat gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden, welche auf der Strahlabsorption
beruht;
-
2 eine
schematische Querschnittsansicht durch ein Gefäß darstellt, welche eine Anordnung
von Paaren aus Strahlungsquellen und Detektoren in einem Apparat
des in der 1 dargestellten Typs zeigt,
welcher aber 28 Strahlungsquellen-/Detektoren-Paare umfasst.
-
3 ein
schematisches Diagramm darstellt, welches Komponenten zeigt, die
in dem Apparat von dem Typ verwendet werden, welcher in den 1 und 2 dargestellt
ist;
-
4 ein
schematisches Diagramm darstellt, welches den Demultiplexer der 3 in
größeren Einzelheiten
zeigt; und
-
5 eine
schematische Querschnittsansicht durch ein Gefäß darstellt, welche die Anregungspfade
zeigt, so wie sie in einem Apparat verwendet werden, welcher auf
der Fluoreszenzanregung beruht.
-
Unter
Bezugnahme auf die 1 der begleitenden Zeichnungen
stellt der Kreis 1 die Wand eines Zylinders einer inneren
Verbrennungsmaschine dar. Eine Gruppierung von fünf auf optischen Fasern beruhenden
Lichtquellen 2, gekoppelt an eine gemeinsame Laserquelle,
ist um den Umfang einer Ebene durch jenen Zylinder herum angeordnet,
wobei eine jede Quelle einen Strahl in die Richtung eines jeweiligen
Detektors 3 lenkt, wobei die Strahlen entlang den Wegen
gelenkt werden, welche durch die Linien 4 angezeigt sind.
Ein jeder übertragener
Strahl liegt bei einer Wellenlänge
von 1700 nm ± 10
nm. Eine Strahlung bei dieser Wellenlänge wird absorbiert auf Grund
von Obertönen
und von Kombinationen aus verschiedenen Schwingungsübergängen und/oder Rotationsübergängen aus
CH3, CH2 und CH.
Im Gegensatz dazu besteht eine vernachlässigbare Absorption, welche
auf andere Spezies zurückzuführen ist,
wie etwa auf N2, H2O,
CO2 usw., welche in einer normalen Mischung
aus Luft und Brennstoff erwartet werden. Demgemäß ist der Absorptionsgrad eines jeden
Strahls eine Funktion der Konzentration von Kohlenwasserstoffen
in dem besonderen Strahlpfad.
-
Um
den Störabstand
zu verbessern, muss der nicht resonanten Dämpfung Rechnung getragen werden,
zum Beispiel durch eine Streuung von Partikeln usw. Dies kann erreicht
werden durch ein Erzeugen einer Laserstrahlung bei zwei Wellenlängen, von denen
die eine Schwingungsübergänge und/oder Rotationsübergänge in Kohlenwasserstoffen
anregt, aber nicht in Komponenten der Luft, und von denen die andere
solche Übergänge nicht
anregt, weder in Kohlenwasserstoffen noch in Luft. Ein Vergleich
der Dämpfung
der zwei Strahlen macht es möglich
zu unterscheiden zwischen der Dämpfung,
die auf das Vorhandensein von Kohlenwasserstoffen zurückzuführen ist,
und der Dämpfung,
die auf andere Faktoren zurückzuführen ist,
wie z.B. auf Partikel, Temperaturvariationen oder Druckschwankungen.
In dieser Ausführung
liegt der nicht resonante Strahl bei 1550 nm. Strahlen der zwei
Wellenlängen
werden in denselben optischen Weg geleitet, so dass die zwei Strahlen identischen
Wegen durch die Verbrennungskammer folgen. Dies wird erreicht durch
die Verwendung von optischen Faserkopplungen, welche so ausgelegt sind,
das sie für
diese zwei Wellenlängen
optimal arbeiten. Solch ein System ist im Arbeitsbetrieb vorgeführt worden,
wobei die Verteilung eines frei fließenden Kohlenwasserstoffstrahls
gezeigt wird, welcher aus einer Düse mit einem Durchmesser von
5 mm austritt durch einen Querschnitt eines Behälters mit einem Durchmesser
von 80 mm hindurch, welcher andernfalls mit Luft gefüllt ist.
-
Eine Überwachung
eines zyklischen Reaktors mit einer schnellen Zykluszeit, etwa eine
Maschine, welche bei sagen wir 1800 Umdrehungen pro Minute (UpM)
arbeitet, kann auf eine zuverlässige
Art und Weise erreicht werden unter Verwendung einer schnellen Quellenmodulation,
um gegenüber
einem thermischen Hintergrund und einem Verbrennungshintergrund
zu unterscheiden, um relative intrazyklische Minima für die Absorption
zu definieren und um ein Wellenlängenmultiplexing
in Bezug auf die Zeit oder auf die Frequenz durchzuführen. Dies
stellt erhebliche Anforderungen an die Frequenzantwort der Lichtquellen
und Detektoren. Diese Anforderungen können zum Beispiel erfüllt werden
bei dem Einsatz von Lichtquellen von mit einem Resonanzhohlraum erweiterten
InGaAs Laserdioden, welche erhältlich sind
mit Leistungsausgängen
von 3 mW, an eine optische Faser gekoppelt. Die erhältlichen
Quellen weisen die erforderliche Stabilität auf und eine Modulationsbandbreite,
welche um 40 kHz oder auch viel höher liegen kann. Somit können die
Quellen und Detektoren an den durch die Verbrennungskammer definierten
Hohlraum durch sehr schmale Aperturen über optische Fasern gekoppelt
werden.
-
Da
das beschriebene System ein "Hart-Feld" Tomographiemodus
darstellt, in welchem die Anzahl der rekonstruierten Raumpunkte
auf eine Anzahl begrenzt ist, welche zu der Anzahl der Absorptionswege
durch den chemischen Reaktor in Beziehung steht, ist es wichtig,
so viele Absorptionswege wie möglich
zu haben. Dies muss abgewogen werden gegenüber den Leistungs/Rauschanforderungen
des Systems und gegenüber
den geometrischen Beschränkungen,
welche durch die Dimensionen des Reaktors auferlegt werden. In dein
bewusst vereinfachten Fall, welcher in der 1 illustriert
ist, wurden nur fünf
Wege durch den chemischen Reaktor definiert. Man antizipiert, dass
typischerweise die Größenordnung
von 30 Quellen-Detektor-Paaren auf einer gemeinsamen Ebene
rund um einen Zylinder einer Maschine angeordnet werden, wobei die
Anzahl der Paare für
größere Zylinder
größer sein
wird. 2 zeigt eine Anordnung mit 28 Quellen-Detektoren-Paaren. Ähnliche
Anordnungen von Laserquellen und Detektoren könnten in einer Reihe von mit
einem axialen Abstand zueinander angeordneten Ebenen aufgestellt
werden. Zum Beispiel könnten
sechs Anordnungen von 30 Laserquellen-Detektoren-Paaren
angeordnet werden, um eine Gesamtzahl von 180 unabhängigen Absorptionswegen
durch den chemischen Reaktor zu liefern. Durch eine geeignete Verteilung
dieser Wege könnte
man ausreichend viel Information erhalten, um eine genaue Darstellung des
Verhältnisses
von Luft zu Brennstoff durch einen ausgedehnten Teil des Reaktors
zu liefern. Man wird natürlich
erkennen, dass in vielen Anwendungen eine sehr viel größere Anzahl
von Absorptionswegen leicht bewerkstelligt werden könnte.
-
Es
bestehen viele Optionen, um räumlich
unterschiedliche optische Wege durch den Gegenstand hindurch zu
erzeugen, was die Verwendung von Quellen einschließt, welche
an eine optische Faser gekoppelt sind, welche ihrerseits in eine
Vielfalt von Fasern gespalten ist, so wie dies oben beschrieben ist.
Weitere Optionen erstrecken sich auf mehrfache Lichtquellen, auf
einen weit gefächerten
divergenten Strahl, der in den Gegenstand geleitet wird, wobei die Detektoren
mit einer Kollimationsoptik derart versehen sind, dass die Abgabe
von einer Quelle von einem jeden der zwei oder mehr anderen Detektoren nachgewiesen
wird, und auf das Koppeln von Licht aus einer Quelle gleichzeitig
in mehrere Fasern, etwa in Bandfasern, wobei eine jede Faser hinter
einer Miniaturlinse angeordnet wird.
-
Die
Strahlungsquellen können
abstimmbare Laser enthalten, welche dazu benutzt werden können, um
von einem Scheitelwert der Absorption aus zu verstimmen hin zu einer
Wellenlänge,
bei welcher eine geeignete Durchdringung in den Gegenstand eintreten
könnte.
Eine feine Abstimmbarkeit der Strahlungsquellen kann dazu verwendet
werden, um einen optimalen Ausgleich von Durchdringung gegenüber Absorption
zu gewährleisten.
-
Die 3 illustriert
eine geeignete Systemarchitektur für das tomographische Abbildungssystem,
welches unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben
ist. Die Laserquellen 6 (1550 nm) und 7 (1700
nm) sind mit einem WDM Koppler 8 verbunden, von dem ein
Ausgang mit einem 67/33 Breitbandkoppler 9 verbunden ist.
Ein Ausgang des Kopplers 9 ist mit einem 1 × 32 Koppler 10 verbunden.
Der zweite Ausgang des Kopplers 9 ist mit einem 50/50 Breitbandkoppler 11 verbunden.
Jeder Ausgang des Kopplers 11 ist mit einem 1 × 32 Koppler 12, 13 verbunden.
Die Koppler 12 und 13 sind mit den optischen Lichtquellen 2 (nur
zwei davon sind gezeigt) verbunden, welche um den Zylinder 1 herum
angeordnet sind. Ein jeder der Detektoren 3 ist in Serie
mit einem Verstärker 14,
mit einem Demultiplexer 15 und mit einem Anlog/Digitalwandler
(ADC) 16 verbunden. Ein PC 17 ist mit dein Ausgang
eines jeden ADC 16 verbunden.
-
Eine
Ausführungsform
des Apparates verwendet optische und integrierte-optische Koppler
auf der Basis von Siliciumdioxid. Solche Geräte sind, wenn sie mit kurzen
Fasern verwendet werden, geeignet für die Strahlung mit Wellenlängen bis
zu 2,2 μm.
Getrennte Laserdiodenquellen (oder Licht emittierende Diodenquellen)
können
für jeden
Weg durch den Gegenstand verwendet werden, wobei eine getrennte
Quelle verwendet wird, um Strahlung bei einer jeden Wellenlänge zu erzeugen.
-
Der
Demultiplexer 15 wird in größeren Einzelheiten in der 4 dargestellt,
welche das vordere Ende des Verstärkers 14 zeigt, welcher
mit einem Tiefpassfilter 18 verbunden ist. Ein Paar von Lock-in-Verstärkern 19 ist
mit dem Tiefpassfilter 18 verbunden, wobei ein jeder Lock-in-Verstärker (synchronisierter
Verstärker)
mit einem Tiefpass-Besselfilter 20 verbunden ist, um die
zwei Wellenlängen auseinander
zu trennen. Ein Datenerfassungsschaltkreis 21 nimmt Proben
der Ausgangswerte mit einer Probenentnahmegeschwindigkeit von > 12 kHz, um die Ergebnisse
zu dem ADC 15 zu leiten.
-
Weitere
Komponenten in dem System (nicht gezeigt) können sich auf Hilfsmittel erstrecken
zum Korrigieren von Effekten, welche zurückzuführen sind auf den Druck eines
Gasphasengegenstandes, zum Beispiel durch Verwendung einer Strahlung
mit einem Drittel der Wellenlänge
oder durch eine gleichzeitige Druckmessung. Die Verwendung von drei oder
von mehr Wellenlängen
in der durch den Gegenstand übertragenen
Strahlung kann eine Messung der Variationen in dem lokalen Brechungsindex der
Mischung ermöglichen.
-
Der
Apparat ist nicht auf den Gebrauch zum Testen von Verbrennungsmaschinen
beschränkt, sondern
er kann für
irgendeine geeignete Mischung innerhalb eines vorgeschriebenen Raumes
verwendet werden. Zum Beispiel wird die Herstellung von Estern typischerweise
in mit Glas ausgekleideten Reaktorgefäßen durchgeführt, so
dass die Strahlungsquellen und Detektoren in oder um den äußeren Metallrumpf
des Gefäßes herum
angeordnet werden können,
ohne dabei die Glasauskleidung zu zerbrechen. In diesem Fall ist
eine spezifische Absorption durch die C = O funktionale Gruppe bei
etwa 5,8 Mikron (μm)
ein guter Kandidat der Wellenlänge
für die Ausnutzung.
-
Die
Verfügbarkeit
eines abstimmbaren Diodenlasers bei 3,4 μm in der Zukunft kann die Verwendung
des fundamentalen Absorptionsbandes von langkettigen Kohlenwasserstoffen
in dem oben beschriebenen tomographischen Abbildungssystem durchführbar machen,
anstelle der Verwendung der zweiten Harmonischen des Absorptionsbandes,
wie beschrieben.
-
Unter
Bezugnahme auf die 5 der beiliegenden Zeichnungen
zeigt der Kreis 22 den Querschnitt eines Zylinders einer
inneren Verbrennungsmaschine. Eingesetzt in die Wände des
Zylinders sind drei Laserquellen 23, 24 und 25 und
vier Detektoren 26, 27, 28 und 29,
welche gegenüber
Fluoreszenzphotonen empfindlich sind, welche durch ein Zieldotiermittel
emittiert werden, welches mit einer Ladung eines Brennstoffes aus
Kohlenwasserstoffen in den Zylinder eingeführt wird, wenn das Dotiermittel einer
Strahlung aus irgendeiner der drei Quellen 23, 24 und 25 ausgesetzt
wird. Die drei Quellen erzeugen kollimierte Strahlen, so wie durch
gebrochene Linien angezeigt, und die vier Detektoren weisen ein Kollimationssichtfeld
auf, welches wieder durch gebrochene Linien angezeigt ist. Die drei
Strahlen und die vier Sichtfelder liegen in einer gemeinsamen Ebene
derart, dass ein jeder der Strahlen ein jedes der vier Sichtfelder
schneidet. Zum Beispiel sind die Schnittpunkte zwischen dem von
der Quelle 23 erzeugten Strahl und den Sichtfeldern der
vier Detektoren durch gepunktete Kreise in der Zeichnung angezeigt,
jeweils gekennzeichnet mit 23/26, 23/27, 23/28 und 23/29.
Somit ist die gesamte Anzahl der Schnittpunkte das Produkt aus der
Zahl der Quellen und der Anzahl der Detektoren.
-
Die
verschiedenen Quellen 23, 24, 25 können wie
für die
erste Ausführungsform
erzeugt werden (z.B. unter Verwendung von optischen Fasern, mehrfachen
Lichtquellen usw.) oder alternativ können Strahldeflektoren (z.B.
elektro-optisch oder akustisch-optisch) oder Schalter verwendet
werden. Eine weitere Alternative besteht darin, zwei getrennte Anregungsstrahlen
zu haben, welche sich an einem Punkt schneiden und dabei eine Mehrfachphotonanregung
ergeben, welche durch viele Empfänger
ausgemacht werden kann. Dies macht es möglich, Wellenlängen zu
verwenden, welche eine bessere Durchdringung in das Interessegebiet
aufweisen.
-
Wenn
der ein Fluoreszenzdotiermittel enthaltender Brennstoff in den Zylinder
gespritzt wird, dann wird er sich mit Luft vermischen und als Ergebnis hieraus
wird eine nicht einheitliches Luft-Brennstoff-Gemisch innerhalb des Zylinders aufgebaut.
Jeder der Schnittpunkte zwischen den Strahlen und den Sichtfeldern
definiert einen Raumpunkt, an dem die Konzentration des Dotiermittels
und damit die des damit verbundenen Brennstoffes bewertet werden kann.
-
Wenn
die drei Quellen 23, 24 und 25 gleichzeitig
Strahlung erzeugen würden,
dann würde
es für einen
jeden der vier Detektoren nicht möglich sein, zwischen den Fluoreszenzphotonen
zu unterscheiden, welche durch die drei Strahlen emittiert werden, welche
das Sichtfeld des Detektors schneiden, ohne eine weitere Veränderung
der Strahlung. Dementsprechend werden die drei Quellen 23, 24 und 25 nacheinander
derart mit Energie gespeist, dass zu irgendeinem Zeitpunkt nur ein
Strahl ein jedes der Sichtfelder der Detektoren schneidet. Somit
kann durch ein Korrelieren der Energieeinspeisung der Quellen und
der Ausgabewerte der Detektoren die Intensität der emittierten Fluoreszenzphotonen
an einem jeden der zwölf
Schnittstellenpunkte bewertet werden, um ein Maß der lokalisierten Konzentration an
Dopiermittel zu liefern.
-
Als
eine Alternative zu der sequentiellen Arbeitsweise der Quellen kann
ein Mittel zur Codierung einer jeden Strahlungsquelle, wie etwa
eine Frequenzcodierung mit einem Demultiplexverfahren auf dem Detektor,
verwendet werden, um die durch die verschiedenen Strahlungsquellen
verursachte Fluoreszenz nachzuweisen.
-
Man
wird erkennen, dass die in der 5 illustrierte
Anordnung die Ableitung von Daten nur aus einem begrenzten ebenen
Gebiet des Inneren des Zylinders ermöglicht. In der Praxis würde man
eine Reihe von Gruppierungen von Quellen und Detektoren, wie etwa
in der 5 gezeigt, an räumlich voneinander entfernten
Stellen entlang der Länge
des Zylinders vorsehen, um es auf diese Weise zu ermöglichen,
das Verhältnis
von Luft zu Brennstoff an einer großen Anzahl von Punkten innerhalb
des Zylinders zu bestimmen. Wenn ein jeder coplanarer Satz von Quellen
und Detektoren dann N Quellen und M Detektoren einbindet und wenn
eine Gesamtzahl von L Sätzen
von Quellen und Detektoren entlang der Länge des Zylinders verteilt
sind, dann besteht die Gesamtanzahl von Raumpunkten, aus denen Daten
abgeleitet werden können,
aus dem Produkt von L, N und M.
-
Die
Fluoreszenz mehrerer Systeme ist untersucht worden, einschließlich von
3-Pentanon in Isooctan (Absorption bei 280 nm) und einschließlich eines
Bereiches von im Handel erhältlichen
Benzinarten (Absorption bei 320–480
nm). Im ersteren Fall ist 3-Pentanon ein künstliches Dotiermittel, welches
bei Fluoreszenzuntersuchungen weit verbreitet Anwendung findet,
und es können
Anregungsquellen verwendet werden, welche aus Hochleistungslasern
bestehen, die typischerweise 10 ns Impulse bei 10 Hz liefern (Anmerkung:
Die typische Leistung gepulster Laser, z.B. 10 Hz, begrenzt die
bekannten auf gepulsten Lasern beruhenden Abbildungstechniken auf sehr
kleine Geschwindigkeiten, wo hingegen die vorliegende Erfindung
sehr hohe Geschwindigkeiten erlaubt, z.B. 10.000 Raster pro Sekunde
oder mehr). Auf GaN beruhende blaue Laserdioden, welche 5 mW bei
410 nm ergeben, könnten
auch verwendet werden. Man hat herausgefunden, dass die sequentielle
Arbeitsweise, kombiniert mit der UV Wellenlänge, welche für eine Fluoreszenzanregung
von 3-Pentanon (285 ± 35
nm) erforderlich ist, Schwierigkeiten bereitet. Weitere Arbeit wird
gegenwärtig
ausgeführt unter
Verwendung eines Satzes von gasgefüllten Entladungslampen. In
dem Benzinfall sind fluoreszierende Spezies normalerweise vorhanden,
welche deutliche Signale über
die Anregung über
einen weiten Bereich von Wellenlängen
ergeben. Insbesondere ist gezeigt worden, dass eine Vielfalt geeigneter Quellen
in dem Bereich von 200–500
nm geeignete Signale ergibt. Benzin wird über den Bereich von 300–500 nm
angeregt. Messbare Fluoreszenzsignale sind aus der Gasphase der
Benzin/Luftgemische in einem besonderen Behälter mit einer hohen Temperatur
und mit einem hohen Druck gewonnen worden unter Verwendung von UV
Lichtquellen mit kontinuierlicher Wellenlänge als die Anregungsquelle
bei Leistungshöhen
von etwa 3 mW und mit nur einem Überschneidungsgebiet
zwischen dem Anregungsweg und dem Sichtweg des Kollimationsnachweisgerätes. Es
besteht auch die Aussicht darauf, dass viel intensivere optoelektronische
Quellen verfügbar
werden, die auf neuen Technologien der Festkörper beruhen wie etwa auf GaN
und Sb, welche die Probleme der sequentiellen Arbeitsweise erleichtern
werden. Dementsprechend glaubt man, dass die sequentielle Arbeitsweise
sogar in Anordnungen mit einer großen Anzahl von Raumpunkt-Strahlschnittstellen
erreicht werden kann.
-
Fluoreszenz
ist auch in einem Flüssigphasenbeispiel
getestet worden unter Verwendung eines zum Wasser hinzugegebenen
Rhodamin 6G Farbstoffes. Dies hat die Betriebsweise der Technik
demonstriert, indem selbst projizierte Bilder der Rhodaminfarbstoffverteilung
hervorgebracht wurden, mit vielen Schnittstellengebieten zwischen
den sequentiell betriebenen Anregungswegen und den Sichtwegen der
Kollimationsdetektoren.
-
Sowohl
Fluoreszenzspektren als auch die Amplitude der Fluoreszenz können nachgewiesen werden
unter Verwendung von zum Beispiel eines miniaturisierten Spektrometers.
Der Nachweis von Fluoreszenzspektren kann dazu verwendet werden, um
die Fluoreszenzeigenschaften des Gegenstandes (z.B. zwischen verschiedenen
Kraftstofftypen) zu identifizieren und um damit folglich einen "Fingerabdruck" der verschiedenen
Spezies zu erstellen. Da Benzin ein Gemisch von vielen chemischen
Spezies mit gegenseitig voneinander abhängigen (interdependenten) Emissionsmerkmalen
darstellt, kann erwartet werden, dass die Lichtemission sowohl mit
der relativen Konzentration der überwiegenden
aromatischen Stoffkomponenten variiert als auch mit den verschiedenen
Zusatzpackungen, einschließlich
der Detergentien. Damit kann der optische "Fingerabdruck" des Brennstoffes von Lieferant zu Lieferant variieren
und damit auch im Zeitablauf, wegen der Vermischung in dem Fahrzeugtank.
Diese Technik des Erstellens eines Fingerabdruckes kann dazu ausgenutzt
werden, eine zuverlässige
Messung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses
unter irgendwelchen Bedingungen zu ermöglichen. Somit kann eine zuverlässige Verbrennungskontrolle
erreicht werden.
-
Die
Verteilung von Brennstoff in einem Verbrennungszylinder in Ausführungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung können
dazu verwendet werden, um eine Flammentwicklung vorherzusagen und um
eine Flammentwicklung zu steuern, womit ein größerer Wirkungsgrad der Maschine
gegeben wird.
-
Man
wird erkennen, dass die in den Zeichnungen schematisch dargestellten
Quellen und Detektoren an einen Verbrennungszylinder über optische
Fasern derart gekoppelt werden können,
dass eine große
Anzahl von Signalen an und aus dem Zylinder durch optische Fasern
gekoppelt werden könnte,
welche sich durch kleine in der Zylinderwand geformte Löcher hindurcherstrecken.
Die Bereitstellung von solchen kleinen Löchern würde die Bedingungen innerhalb
des Verbrennungszylinders nicht wesentlich beeinflussen, wenn man
es mit einer gleichartigen Maschine vergleicht, welche nicht mit
optischen Fasern zur Überwachung
ausgestattet ist. Dementsprechend vermeidet man die Probleme, die
mit den Geräten
nach dem bisherigen Stand der Technik verbunden sind, nämlich derartige
Probleme, dass große
Flächen
von "Fenstern" erforderlich sind.
Ein minimaler optischer Zugang zu dem Gefäß ist erforderlich, entweder
alles in einer Ebene für
2-D-Messungen, in mehreren gestapelten Ebenen für 3-D-Messungen, oder für die Erzeugung
von wirklichen 3-D-Abbildungen durch nicht planare Sätze von
Wegen durch den Gegenstand.
-
Man
wird auch erkennen, dass die Techniken der vorliegenden Erfindung
angewandt werden können,
um irgendeinen Gegenstand zu messen, welcher gegenüber den
anregenden Photonen eine geringe Dämpfung darstellt, und besonders
in vielen Kohlenwasserstoffsystemen niedriger Absorption, z.B. in
Turbinenmaschinen.
-
Man
wird erkennen, dass es für
die beschriebene Ausführung
der vorliegenden Erfindung keine mechanisch beweglichen Teile gibt,
welche dazu eingesetzt werden, um entweder mehrfache Strahlenwege
durch den Reaktor oder durch den Zylinder zu liefern, oder um die
Wellenlänge
des Lichts zu verändern.
Das System ist daher insgesamt voll optoelektronisch.