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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Flammenprüfung, die
durch die gleichzeitige Aufnahme von Flammenbildern und Flammen-Emissionsspektren
charakterisiert ist und eine Prüfung
der Flammenqualität
und optimale Einstellung von Gasbrennern ermöglicht.
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Als
industrielle Heizquellen werden seit Jahrzehnten Brennersysteme
auf der Basis von Wasserstoff, niedermolekularen Kohlenwasserstoffen
und verschiedenen Mischungen mit Sauerstoff und/oder Luft eingesetzt.
Faktoren, die die Heizleistung der Flamme beeinflussen, sind insbesondere
die Gasbestandteile, Gasdrücke
und – konzentrationen,
aber auch die Brennerkonstruktion. Ihre Einstellung basiert in der
Regel auf empirisch erworbenen Erfahrungswerten. Eine vollständige Simulation
der Verbrennungsprozesse in realen Brenneranordnungen ist auch heute
noch nicht möglich.
Brenngasparameter wie der Gasvorlaufdruck werden über eine
subjektive optische Beurteilung des Flammenbildes im Prozess eingestellt. Über weitere
Parameter wie die Temperatur des Prozessgutes erfolgt mitunter eine Nachregelung
des Brenners. Mit der vorliegenden Erfindung einer optischen Flammenprüfung sollen die
Heizeffizienz von Brennern verbessert, Rohstoffe eingespart und
Kosten gesenkt werden.
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Erfindungsgemäß erfolgt
die objektive Beurteilung der Brennerflamme mit einem kombinierten optischen
Sensor, der aus einer digitalen Bildaufnahme- und einer Spektroskopie-Baugruppe
besteht. Für
die Bildaufnahme wird eine CMOS-Kamera mit besonders hohem Dynamikbereich
von bis zu 100 dB, also mehr als 16 Bit, eingesetzt, wodurch extreme
Helligkeitsunterschiede verarbeitet werden können. Als Spektralsensor wird
vorteilhafterweise ein miniaturisiertes Diodenzeilen-Spektrometermodul mit
einer Wellenlängenauflösung bis
zu 1 nm verwendet, das mit speziellen Beugungsgittern für den ultravioletten
(UV), den sichtbaren (Vis) und nahinfraroten (NIR) Spektralbereich
ausgestattet werden kann, da für
die spektrale Flammen-Charakterisierung sowohl der UV-, der Vis-
als auch der NIR-Bereich von Bedeutung ist. Mit dem Spektralsensor
werden Veränderungen
der spektralen Signatur erfasst, wenn z.B. die Gas-Zusammensetzung
oder der Gasdruck vom optimalen Fall in eine unvorteilhafte sauerstoffüberschüssige oder
gasüberschüssige Flamme übergeht.
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Auf
dem Gebiet der Emissions- und Absorptions-Spektroskopie an Flammengasen
sind seit Jahren unterschiedliche Verfahren bekannt, mit denen das
Konzentrationsprofil von OH, NH und NH2 sowie über die
Strahlungspyrometrie die Temperatur in Flammen bestimmt werden können [Hennig,
J.: Der Spektralapparat von Kirchhof und Bunsen. Deutsches Museum
München.
GNT-Verlag, 47 Seiten (2003)).
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Beim
Verfahren der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) wird eine Laser-Anregungsfrequenz
auf eine Absorptionslinie eines ausgewählten Atoms oder Moleküls im Flammengemisch
abgestimmt. Das resultierende Fluoreszenzlicht liefert Aussagen
zur Konzentration des ausgewählten
Emitters und ermöglicht
eine näherungsweise
Bestimmung von Flammenparametern wie Temperatur und Konzentration
ausgewählter
Spezies [Class, Kuhn, D.: Experimentelle und theoretische Untersuchungen
zur Strukturbildung auf Vormischflammen. Nachrichten Forschungszentrum
Jülich.
32, Nr. 3, S. 211–221 (2000)].
Fast alle Emitter haben jedoch nur geringe Fluoreszenzausbeuten,
so dass aufwändige
Messsysteme notwendig sind, die für Vor-Ort-Prüfungen an
Brennern nicht geeignet sind [Stocker, R., u.a.: Laseroptische Messungen
an Ergasflammen. VDI-Berichte Nr. 1629; 20. Deutscher Flammentag,
S. 447–452
(2001); Bestimmung verbrennungsrelevanter Größen in Flammen mit einem optimierten
laseroptischen Verfahren. VDI-Berichte; 22. Deutscher Flammentag;
8 Seiten (2003)].
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Mit
der linearen Raman-Streuung kann die Konzentration einzelner Spezies
ebenfalls bestimmt werden. Auch dieses Verfahren ist sehr aufwändig und
als online-Verfahren
nicht geeignet. Flammentemperatur-Messungen nach dem Rayleigh-Streulichtverfahren
basieren auf der Analyse der Streulichtintensität, wobei die Flammen in hohem
Grade staubfrei sein müssen,
was für
industrielle Bedingungen kaum zu erfüllen ist. Auch die Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie
(CARS) ist nur unter Laborbedingungen realisierbar [Seeger, Th.,
u.a.: Experimentelle Untersuchungen an rußenden laminaren Methan-Luft-Flammen.
VDI-Berichte Nr. 1629, S. 441–446
(2001); Mayinger F.: Optical Measurements. Techniques and Applications.
Springer Verlag, Berlin (1994)].
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Flammentemperaturen
können
intrusiv auch elektrisch mit Thermoelementen aus hoch schmelzenden
Materialkombinationen (z.B. Pt/Pt Rh bis 2000 K) gemessen werden.
Diese Methode ist für eine
industriell nutzbare, nicht-intrusive online- Überwachung von Gasbrennern
aber ebenfalls nicht geeignet.
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In
EP 0662216B1 wird
ein Verfahren zur spektralen Analyse von technischen Flammen durch optische
Emissionsmessung beschrieben. Hierbei wird mit zwei fotoelektrischen
Sensoren und schmalbandigen Filtern eine ausgewählte Gaskomponente detektiert.
Dieses Verfahren beinhaltet nicht die Analyse eines ganzen Spektralbereiches
und gestattet keine Bildaufnahme. Darüber hinaus gibt es durch die
festgelegten Detektionswellenlängen
deutliche Einschränkungen
bei der Überwachung
variabler Flammeneigenschaften. In der US-Patentschrift 000004644173A
wird die Emission einer Flamme über
ein lineares Glasfaser-Array aufgenommen. Nach einer spektralen
Zerlegung der Flammen-Emission durch einen Monochromator am Faserausgang wird
mit zwei Fotodiodenzeilen bei zwei ausgewählten Wellenlängen detektiert.
In beiden Fällen
wird das optische Flammensignal nur in zwei festgelegten Wellenlängenbereichen
detektiert und keine Bildinformation erfasst.
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Zusammenfassend
kann man feststellen, dass die optische, nicht-intrusive online-Überwachung von Flammen in industriell
genutzten Brennersystemen bisher noch nicht gelöst ist. Auch die dargestellten
laseroptischen Verfahren werden für eine Flammenprüfung in
technischen Verbrennungsprozessen aufgrund der hohen messtechnischen
Anforderungen und Kosten kaum angewandt. Die hier vorgeschlagene
Prüfeinrichtung
nutzt spektrale Emissionslinien, deren zeitliche Veränderung
und räumliche Verteilung
zur Charakterisierung von Verbrennungsprozessen in der Flamme und
gestattet so eine unmittelbare und hinreichend genaue Bewertung
der Flammenqualität.
Bild- und Spektralsensoren eröffnen
in ihrer Kombination neuartige Möglichkeiten
zur Nutzung der optischen Strahlungs-Emission und -Transmission
zur Charakterisierung von Brennerflammen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur optischen
Flammenprüfung
anzugeben, die durch die gleichzeitige Aufnahme von Flammenbildern
und Flammen-Emissionsspektren charakterisiert ist und eine Prüfung der
Flammenqualität
und optimale Einstellung von Gasbrennern ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Anordnung gemäß Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den untergeordneten Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
Schematische Darstellung der Erfindung mit einer Kombination aus
Bild- und Spektralsensor.
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2:
Schematische Darstellung der Erfindung mit einer Kombination aus
Bildsensor und Spectral-Imaging-System
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3:
Bild einer Brennerflamme mit lokal zugeordneten Emissionsspektren:
a) Vormischflamme an unterer Düse;
b) Vormischflamme an mittlerer Düse;
c) Diffusionsflamme
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Die
Anordnung zur optischen Flammenprüfung besteht, wie in den 1 und 2 beispielhaft dargestellt,
aus einer Kamera 1, bevorzugt mit einem hohen Dynamikbereich,
mit der die gesamte oder Ausschnitte einer Flamme 4 beobachtet
wird. Gleichzeitig wird das Emissions-Spektrum an einem ausgewählten Punkt
innerhalb der Flamme detektiert, wozu ein Messkopf 2 angeordnet
ist, der über
einen Lichtwellenleiter mit dem Diodenspektrometer 3 verbunden
ist (Spektralsensor). Das Detektionssystem ist zum Schutz vor erhöhten Temperaturen
in einem Gehäuse 5 untergebracht,
welches an der Beobachtungsseite mit einem austauschbaren Filterfenster versehen
ist. Eine hitzebeständige,
reflexionsarme Lichtschutzwand 6 hinter der Brennerflamme
ermöglicht
störungsarme
Messungen auch unter dem Einfluss von Umgebungslicht.
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Im
zweiten Ausführungsbeispiel
(2) wird anstelle des Spektralsensors ein Spectral-Imaging-System
eingesetzt, das gleichzeitig von einer großen Anzahl, linear angeordneter
Punkte die spektralen Informationen aufnehmen kann. Dieses Spectral-Imaging-System
besteht aus einem abbildenden Objektiv 7, dem Imaging-Spektrografen 8,
der die spektrale Aufspaltung der optischen Strahlung von der Punktreihe
vornimmt, und einem Matrixdetektor 9.
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Erfindungsgemäß besteht
der Messaufbau aus einer Kombination zweier optischer Sensoren. Zum
einen wird zur Bilderfassung eine Digitalkamera 1 eingesetzt,
mit der hochauflösende
Helligkeitsverteilungen der gesamten oder von Teilen der Flamme als
Graubilder aufgezeichnet werden können. Parallel dazu wird eine
spektrale Beobachtung der Flamme durch einen Spektralmesskopf 2 in
einem weiten Wellenlängenbereich
vorgenommen. Der Spektralmesskopf 2 ist über einen
Lichtwellenleiter mit einem Diodenzeilenspektrometer 3 verbunden.
Mit diesem Spektralsensor werden die Emissions- oder Transmissionsspektren
der Flamme an festgelegten Punkten detektiert, die die Flammenqualität charakterisiere.
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Die
Kamera 1 besitzt zur Erkennung von Details in der Flamme
eine ausreichende Auflösung
von mehreren hunderttausend Bildpunkten. Insbesondere sollen Bereiche
der Vormischflammen, die typische Abmessungen unter einem Zentimeter
besitzen, klar differenzierbar sein. Die Belichtungszeit der Kamera 1 ist
variabel von 100 μs
bis 1 s einstellbar und an die Helligkeit der Brennerflamme und
den Einsatz verschiedener optischer Filter angepasst. Hierbei kann
der Dynamikbereich der Kamera 1 vollständig ausgenutzt werden, um
lichtschwache Bereiche der Flamme rauscharm zu detektieren. Als
Bildempfänger 1 wird
ein CCD- oder ein CMOS-Chip eingesetzt. Für einen weiten Bereich an unterschiedlich großen Gasflammen
kann ein Objektiv der Kamera 1 ausgewechselt und in seiner
Brennweite an die Anwendung angepasst werden.
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Digitalkamera 1 und
Spektralsensor werden derart in einem robusten Gehäuse 5 angeordnet, dass
eine gleichzeitige Beobachtung der Flamme möglich ist. Für verschiedene
Flammen-Entfernungen oder -Größen sind
der Abstand und/oder der Winkel zwischen der Kamera 1 und
dem Spektralmesskopf einstellbar. Das Gehäuse 5 ist mit einer Halterung
für optische
Filter für
beide Detektionssysteme versehen.
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Optional
ist auch ein Filterradwechsler angeordnet. Die optische Filterung
dient der zusätzlichen Detektion
bestimmter Wellenlängenbereiche
oder der Unterdrückung
unerwünschter
Strahlungsanteile wie z.B. der Wärmestrahlung.
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Der
spektroskopische Messkopf 2 enthält eine kompakte Abbildungsoptik,
im einfachsten Fall bestehend aus einer Linse, die die Strahlungsemission
der Flamme auf den Lichtwellenleiter projiziert. Am anderen Ende
der Lichtleitfaser wird die so gesammelte Strahlung durch ein Spektrometer 3 wie dem
MCS CCD der Firma Zeiss Jena analysiert. Dieses Gerät besitzt
einen nutzbaren Wellenlängenbereich
von 200–600
nm bei einer spektralen Auflösung von
0,8 nm. Je nach Anwendungsfall können
an dieser Stelle aber auch andere miniaturisierte Spektralsensoren
mit Wellenlängenbereichen
vom UV bis zum NIR eingesetzt werden. Der UV-Bereich ist z.B. interessant
zur Aufnahme von Emissionsbanden der CH-Verbindungen, im NIR kann
die breitbandige Glühemission
von Flammen bei unvollständiger
Verbrennung oder Verunreinigungen detektiert werden.
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Der
entscheidende Vorteil der Kombination von Bild- und Spektralsensor
besteht in der Möglichkeit,
wie in 3 dargestellt, zusammen mit einen digitalisierten
Bild Flammenspektren an ausgewählten und
genau lokalisierten Stellen aufnehmen zu können. Im hoch aufgelösten Flammenbild
werden die interessierenden Bereiche ausgewählt und der Spektralmesskopf 2 manuell
oder automatisch auf die entsprechende Position ausgerichtet. Eine
genaue Zuordnung der Spektren zum Aufnahmeort ist in Abhängigkeit
von den bekannten geometrischen Verhältnissen wie Objektabstand
und Öffnungswinkel
eines Kameraobjektivs sichergestellt. Die spektrale Vermessung,
wahlweise auch an mehreren Punkten, geschieht automatisiert. Zur
manuellen Ausrichtung des Spektralmesskopfes 2 ist alternativ
eine Laser-Zieleinrichtung
angeordnet, die einen sichtbaren Punkt auf die zu vermessende Stelle
projiziert.
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In
dem Aufbau in 2 wird der Spektralmesskopf 2 durch
ein Spectral-Imaging-System
ersetzt [Hoyer, H., Malki, O.: Spectral Imaging – bildgebende Spektroskopie
zur effizienten Oberflächen- und
Farbmessung. Photonik Nr. 2; S. 7881 (2003); Prospekt Spectral Camera.
Spectral Imaging Ltd. 90570 Oulu, Finnland (2004)]. Statt eines
ausgewählten
lokalen Flammen-Bereiches kann damit eine Reihe von bis zu 1000
Punkten zeitgleich spektral vermessen werden. Das Spectral-Imaging-Prinzip kombiniert
die herkömmliche
digitale Bildaufnahme mit klassischen spektroskopischen Verfahren,
indem eine parallele Aufnahme von Spektren an einer großen Anzahl
von linear angeordneten Punkten auf dem Untersuchungsobjekt erfolgt.
Diese Linie kann beispielsweise als senkrechter Schnitt durch die Flamme
verlaufen. Dies ermöglicht
zeitgleich genaue Aussagen beispielsweise über die spektrale Zusammensetzung
der Emission im Grenzbereich zwischen Vormisch- und Diffusionsflamme.
Für lateral
ausgedehnte Brenner 4, die eine Anordnung mehrerer Flammen
enthalten, sind horizontale Schnitte vorteilhaft. Die flächige Aufnahme
einer Flamme insgesamt ist durch die Kombination mehrerer Schnitte
möglich, wobei
zweidimensional mit hoher lokaler Auflösung das gesamte Bild der Flamme
spektral analysiert wird. Damit können vorteilhaft Verbrennungsvorgänge innerhalb
der ganzen Flamme verfolgt und beurteilt werden. Auch bei dieser
Aufbauvariante besteht der große
Vorteil der Anordnung in der exakten Lokalisierbarkeit der linienhaft
aufgenommenen Spektren im Flammenbild. Da parallel dazu die Grauwert-Bilder
der Flamme zur Verfügung
stehen, wird eine direkte Verknüpfung
von spektraler mit Bildinformation erreicht.
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Die
Beurteilung der Qualität
der Flammeneinstellung geschieht durch Vergleich der aufgenommenen
optischen Parameter mit Referenzwerten. Mit Hilfe der zur Verfügung stehenden
Bewertungskriterien wie Helligkeit in verschiedenen Flammenbereichen,
Größenverhältnis von
Vormisch- zu Diffusionsflamme, Intensität der Emissionslinien in Vormisch- und
Diffusionsflamme und der spektralen Lage und Verteilung der Glühemission
wird eine sichere Einschätzung
der Effizienz der Brennerflamme erreicht. Die Datenauswertung über ein
Computerprogramm unter Nutzung von Referenzflammen-Parametern ermöglicht eine
Steuerung der Brennerflammen.
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- 1
- Kamera
- 2
- Spektralmesskopf
- 3
- Diodenspektrometer
- 4
- Gas-Brenner
- 5
- Gehäuse mit
Filterfenster
- 6
- Lichtschutzwand
- 7
- Objektiv
- 8
- Imaging-Spektrograf
- 9
- Matrixdetektor