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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Multipass-Zelle zur absorptionsspektroskopischen Analyse eines Gasstroms. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem eine absorptionsspektroskopische Messvorrichtung mit einer Multipass-Zelle sowie eine Kombination der absorptionsspektroskopischen Messvorrichtung mit einem Verbrennungsmotor. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer Multipass-Zelle oder einer absorptionsspektroskopischen Messvorrichtung zur Analyse eines Abgasvollstroms einer Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren zum absorptionsspektroskopischen Analysieren eines Gasstroms eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine.
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Zur Bestimmung der Konzentration von Gasbestandteilen in Gasströmen, insbesondere in Abgasströmen, werden häufig absorptionsspektroskopische Verfahren angewendet. Solche Messungen werden aus Gründen des Gesundheitsschutzes und aus ökologischen Gründen immer wichtiger. Gerade vor dem Hintergrund der angestrebten Reduktion des Ausstoßes von Stickoxiden wie NO2 und Treibhausgasen wie CO2 werden daher im besonderen Maße robuste und einfach zu verwendende absorptionsspektroskopische Messvorrichtungen benötigt.
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Bei einem absorptionsspektroskopischen Verfahren wird das zu analysierende Gas mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt, die eine Wellenlänge entsprechend einer Absorptionswellenlänge des zu bestimmenden Gasbestandteils, wie beispielsweise CO2, aufweist. Anschließend wird die Intensität der elektromagnetischen Strahlung mit einem Detektor gemessen. Aus der Abweichung zwischen der ursprünglichen und der gemessen Intensität wird auf die im Gas stattgefundene Absorption geschlossen und daraus die Konzentration der Gasbestanteile berechnet.
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Der Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung innerhalb des Gases geht dabei in die Berechnung der Konzentration ein. Denn je länger der Strahlengang ist, desto größere Anteile der elektromagnetischen Strahlung werden absorbiert. Um am Detektor ein gutes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis zu bekommen, wird oftmals ein möglichst langer Strahlengang angestrebt.
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Zum Zwecke der Verlängerung des Strahlengangs werden Multipass-Zellen eingesetzt. Diese weisen mehrere Spiegel auf, sodass die elektromagnetische Strahlung, häufig mehrmals, zwischen den Spiegeln hin und her gespiegelt wird und dabei das Gas durchquert.
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Bei der Anwendung eines absorptionsspektroskopischen Verfahrens bei Gasströmen wie den Abgasströmen eines Verbrennungsmotors werden in der Regel sogenannte Probengasströme von einem Vollstrom des Abgases abgezweigt und in eine separate Probenkammer geleitet. Die Probenkammer ist dann von einer Multipass-Zelle umschlossen, sodass die für die Messung verwendete elektromagnetische Strahlung diese Probenkammer mehrmals durchquert. Durch die Verwendung eines gesonderten Probengasstroms soll verhindert werden, dass die empfindliche Messung durch äußere Umgebungsfaktoren wie Hitze oder Erschütterungen gestört werden.
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Eine solche Konstruktion erfordert allerding viele technische Komponenten, die ausschließlich dazu dienen, den Probengasstrom abzuzweigen und zu konditionieren. Daher sind entsprechende Messinstrumente oftmals komplex und mit systematischen Fehlern behaftet bzw. gehen mit einer starken Beeinflussung der Messung einher.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Multipass-Zelle bereitzustellen, welche die genannten Nachteile des Probengasentnahmeverfahrens zumindest teilweise ausräumt und eine möglichst einfache Anwendung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Multipass-Zelle zur absorptionsspektroskopischen Analyse eines Gasstroms, wobei die Multipass-Zelle einen Messkanal begrenzt, wobei sich der Messkanal entlang einer Längsachse erstreckt, wobei der Messkanal einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei die Multipass-Zelle derart ausgebildet ist, dass der Einlass des Messkanals mit einem Auslass eines einen Vollstrom eines Abgasstroms (Abgasvollstrom) führenden Kanals, wie zum Beispiel einem Auslass eines Abgasstrangs einer Verbrennungskraftmaschine, verbindbar ist, sodass der zu analysierende Abgasvollstrom entlang der Längsachse durch den Messkanal geleitet wird, wobei die Multipass-Zelle derart ausgebildet ist, dass durch den Messkanal eine für die absorptionsspektroskopische Analyse zu verwendende erste elektromagnetische Strahlung entlang eines optischen Pfades leitbar ist, wobei die Multipass-Zelle ein Gehäuse und eine Spiegelanordnung mit einem Feldspiegel, einem ersten Objektivspiegel und einem zweiten Objektivspiegel aufweist, wobei die Spiegelanordnung derart ausgebildet ist, dass die Multipass-Zelle als White-Zelle zum Festlegen des optischen Pfades verwendbar ist.
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Unter einer Multipass-Zelle ist eine optische Einrichtung zu verstehen, mittels derer der optische Pfad einer elektromagnetischen Strahlung verlängert wird, indem die elektromagnetische Strahlung derart geleitet wird, dass sie eine von der Zelle definierte Kavität mehrmals durchläuft.
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Unter einer White-Zelle ist eine Multipass-Zelle zur Verlängerung des optischen Pfades zu verstehen, wobei der erste und der zweite Objektivspiegel der Multipass-Zelle dem Feldspiegel gegenüberliegend angeordnet sind, sodass eine einfallende elektromagnetische Strahlung - wie beispielsweise die hier definierte erste elektromagnetische Strahlung - von dem ersten Objektivspiegel auf den Feldspiegel, anschließend von dem Feldspiegel auf den zweiten Objektivspiegel, anschließend von dem zweiten Objektivspiegel auf den Feldspiegel und schließlich von dem Feldspiegel auf den ersten Objektivspiegel geleitet wird. In Abhängigkeit von der Ausbildung der White-Zelle und dem Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung kann diese Serie von Spiegelungen mehrmals wiederholt werden bevor die elektromagnetische Strahlung aus der Zelle ausgekoppelt wird. Die Anzahl der Durchgänge einer elektromagnetischen Strahlung durch die Zelle ist bei einer White-Zelle daher in der Regel ein Vielfaches von vier.
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Sowohl die beiden Objektivspiegel als auch der Feldspiegel sind in einer Ausführungsform sphärische Konkavspiegel, welche denselben Krümmungsradius aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform liegen die jeweiligen Krümmungsmittelpunkte der beiden Objektivspiegel auf der spiegelnden Oberfläche des Feldspiegels.
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Es hat sich gezeigt, dass eine Multipass-Zelle, die als White-Zelle verwendbar ist, es ermöglicht, den optischen Pfad einer einfallenden elektromagnetischen Strahlung auch bei hohen Temperaturen und Temperaturschwankungen wie sie in einem Vollstrom einer Verbrennungskraftmaschine auftreten, zu verlängern, ohne dass der optische Pfad und seine Stabilität dabei durch diese Temperatureinflüsse beeinträchtigt wird. Daher ermöglicht die vorliegende Erfindung eine robuste und störungsresistente absorptionsspektroskopische Messung im Abgasvollstrom einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere im Abgasvollstrom des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges. Durch eine derartige Messung im Vollstrom statt wie üblich in einem abgezweigten Probengasstrom wird das Messprinzip insbesondere beim Bestimmen der Konzentration von Schadstoffen in Kraftfahrzeugabgasen stark vereinfacht, da systematische Beeinflussungen der Messung, die durch die Probengasentnahme entstehen, vermieden werden.
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Durch die vorliegende Erfindung wird eine nicht-invasive absorptionsspektroskopische Messung im Abgasvollstrom einer Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.
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Im Abgasvollstrom eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs liegen Temperaturen von ca. 400 bis 600 Grad Celsius vor, wenn das Kraftfahrzeug sich im Stand befindet. Die erfindungsgemäße Multipass-Zelle ermöglicht insbesondere eine absorptionsspektroskopische Messung in diesem Temperaturbereich.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zumindest ein Spiegel der Spiegelanordnung derart angeordnet, dass in einem Betriebszustand der Multipass-Zelle, bei dem ein Gasstrom durch den Messkanal geleitet wird, der Gasstrom in Kontakt mit einer spiegelnden Oberfläche des Spiegels tritt, wobei vorzugsweise der Feldspiegel, der erste Objektivspiegel und der zweite Objektivspiegel jeweils eine spiegelnde Oberfläche aufweisen, sodass jede dieser spiegelnden Oberflächen den Messkanal abschnittsweise begrenzt und in dem Betriebszustand der Multipass-Zelle in Kontakt mit dem Gasstrom tritt.
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Dadurch wird vermieden, dass die erste elektromagnetische Strahlung, die zwischen den Spiegeln der Spiegelanordnung hin und her gespiegelt wird, zusätzlich durch Fenster geleitet werden, welche die Spiegel vom Gasstrom trennen würden. Die an solchen Fenstern potentiell auftretenden ungewünschten Etalon-Effekte werden somit durch die Anordnung der Spiegel direkt am bzw. im Gasstrom vermieden.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Multipass-Zelle zusätzlich ein oder mehrere Heizelemente, vorzugsweise Heizkartuschen auf, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass der Feldspiegel, der erste Objektivspiegel und der der zweite Objektivspiegel beheizt werden, sodass Kondensationseffekte auf den Spiegeloberflächen von Feldspiegel, erstem Objektivspiegel und zweitem Objektivspiegel vermindert oder gar vermeiden werden.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zumindest ein Spiegel der Spiegelanordnung innerhalb des Messkanals angeordnet.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der erste Objektivspiegel, der zweite Objektivspiegel und der Feldspiegel innerhalb des Messkanals angeordnet.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Messkanal der Multipass-Zelle derart ausgebildet, dass in einem Betriebszustand der Multipass-Zelle, bei dem ein Gasstrom durch den Messkanal geleitet wird, die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms am Einlass der Messkanals im Wesentlichen gleich der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms am Auslass des Messkanals ist und vorzugsweise im Wesentlichen gleich der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms unmittelbar vor dem Einlass des Messkanals ist.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Messkanal der Multipass-Zelle derart ausgebildet, dass in einem Betriebszustand der Multipass-Zelle, bei dem ein Gasstrom durch den Messkanal geleitet wird, es nicht zu einem Staudruck innerhalb des Messkanals kommt.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung definiert der Einlass eine in einer senkrecht zur Längsachse stehenden Ebene gemessene Einlassquerschnittsfläche und der Auslass eine in einer senkrecht zur Längsachse stehenden Ebene gemessene Auslassquerschnittsfläche, wobei die Einlassquerschnittsfläche kleiner oder gleich der Auslassquerschnittsfläche ist, wobei vorzugsweise der Flächeninhalt einer in einer senkrecht zur Längsachse stehenden Ebene gemessene Querschnittsfläche des Messkanals zwischen dem Einlass und dem Auslass im Wesentlichen konstant ist.
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Dadurch wird ermöglicht, die Multipass-Zelle im Vollstrom anzuwenden, ohne dass eine Gegendruckproblematik auftritt. Insbesondere bei einer konstanten Querschnittsfläche entlang des Messkanals kommt es zu keinem Druckgefälle innerhalb des Messkanals. Dies ermöglicht eine absorptionsspektroskopische Messung von Gaskonzentrationen innerhalb des Gasstroms, ohne dass es wie oftmals bei Probengasmessungen üblich zu einer systematischen Änderung des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine aufgrund eines entstehenden Gegendrucks, d. h. Staudrucks, kommt. Somit wird sichergestellt, dass der Gegenstand der Messung, d.h. der Abgasvollstrom, nicht durch die Messung selbst beeinflusst wird.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstreckt sich der Messkanal entlang einer als Gerade ausgebildeten Längsachse, sodass Einlass und Auslass einander gegenüberliegend angeordnet sind.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der erste Objektivspiegel und der zweite Objektivspiegel entlang einer senkrecht zur Längsachse stehenden Querachse angeordnet.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung definiert der Einlass eine in einer senkrecht zur Längsachse stehenden Ebene gemessene Einlassquerschnittsfläche, wobei die Einlassquerschnittsfläche zwischen 1200 Quadratmillimeter und 8000 Quadratmillimeter, vorzugsweise zwischen Quadratmillimeter 2800 und 5100 Quadratmillimeter beträgt.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Gehäuse maximal einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten bei Raumtemperatur von 11 × 10-6 K-1, bevorzugt von 6 × 10-6 K-1 und besonders bevorzugt von 3 × 10-6 K-1 auf. Die Ausbildung des Gehäuses in den genannten Parameterbereichen für den thermischen Längenausdehnungskoeffizienten verbessert die Resistenz der Multipass-Zelle gegenüber hohen Temperaturen, d.h. die Funktionalität der Multipass-Zelle ist auch bei hohen Temperaturen gewährleistet.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Gehäuse einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten von 5 × 10-6 K-1 bis 6 × 10-6 K-1 auf.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Gehäuse aus einer Eisen-Nickel-Legierung gefertigt ist. Diese Legierung hat sich als im besonderen Maße geeignet für das Gehäuse der Multipass-Zelle herausgestellt, da sie gleichzeitig eine hohe Festigkeit und einen geringen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten aufweist.
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In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Gehäuse aus einer Keramik, insbesondere aus einer technischen Keramik gefertigt.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Gehäuse aus einer Keramik gefertigt, wobei die Keramik eine Glasmatrix und Glimmerkristall-Bestandteile aufweise, wobei die Keramik vorzugsweise eine chemische Zusammensetzung aufweist mit einem Massenanteil von 50% bis 60% Fluorophlogopitglimmer und 40% bis 50% Borosilikatglas.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Gehäuse aus einem Metall mit einer keramischen Beschichtung gefertigt, wobei die keramische Beschichtung zumindest auf denjenigen Oberflächen des Gehäuses aufgetragen ist, die im Messbetrieb der Multipass-zelle mit dem Abgasstrom in Kontakt stehen.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Multipass-Zelle ein Einlassfenster und ein Auslassfenster für die erste elektromagnetische Strahlung auf. Das Einlassfenster und das Auslassfenster sind dabei derart ausgebildet, dass sie zumindest für die erste elektromagnetische Strahlung transparent sind. Vorzugsweise weist die Multipass-Zelle auch ein Gasdichtungselement auf, das derart ausgebildet und angeordnet ist, dass ein durch den Messkanal fließender Gasstrom die Multipass-Zelle nicht durch das Einlassfenster oder das Auslassfenster oder im angrenzenden Bereich an das Einlassfenster oder das Auslassfenster verlassen kann. Dies stellt sicher, dass es innerhalb des Messkanals zu keinem Abströmen des zu analysierenden Gasstroms kommt, welches die Messergebenisse der absorptionsspektroskopischen Messung systematisch verfälschen könnte.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Spiegelhalterung für zumindest einen Spiegel der Spiegelanordnung vorgesehen, wobei die Spiegelhalterung derart ausgebildet ist, dass der zumindest eine Spiegel um eine erste Drehachse drehbar gelagert ist, wobei die erste Drehasche im Wesentlichen parallel zur Längsachse ausgebildet ist und vorzugsweise eine Symmetrieachse des zumindest einen Spiegels ist, wobei die Spiegelhalterung eine Feststelleinrichtung aufweist, sodass der zumindest eine Spiegel nach einer Justierung in einer Drehstellung fixierbar ist, sodass keine Rotationsbewegung des Spiegels um die erste Rotationsasche mehr ausführbar ist.
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Dabei ist die Spiegelhalterung vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine Bewegung des zumindest einen Spiegels bei seiner Justierung ausschließlich als Rotationsbewegung um die erste Rotationsachse möglich ist.
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Diese Lagerung der Objektivspiegel ermöglicht eine Fixierung der Objektivspiegel, beispielsweise mittels Feststellschrauben, die parallel zur Drehachse ausgerichtet sind, ohne dass es bei einer thermisch bedingten Ausdehnung des Objektivspiegels sowie der Lager- und Fixierelemente zu einer substantiellen Dejustage des Objektivspiegels bezüglich der Drehachse kommt. Eine Dejustage wird bestmöglich verhindert, wenn die Rotationsbewegung um die Drehachse der einzige Bewegungs-Freiheitsgrad des Objektivspiegels beim Justieren ist.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Spiegelhalterung vorzugsweise ein integraler Bestandteil des Gehäuses der Multipass-Zelle.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Spiegelhalterung eine Aufnahmeeinrichtung auf, wobei der zumindest eine Spiegel in der Aufnahmeeinrichtung aufgenommen ist, sodass bei einer Justierung des zumindest einen Spiegels ausschließlich eine gemeinsame Rotationsbewegung des zumindest einen Spiegels und der Aufnahmeeinrichtung um die erste Rotationsachse ausführbar ist. Bevorzugt ist die Aufnahmeeinrichtung dabei eine Spiegelfassung, die den Objektivspiegel umfangseitig über einen Bereich von 300 Grad bis 360 Grad, besonders bevorzugt über einen Bereich von 320 bis 340 Grad ummantelt.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine erste Spiegelhalterung für den ersten Objektivspiegel und eine zweite Spiegelhalterung für den zweiten Objektivspiegel vorgesehen.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der erste Objektivspiegel in einer ersten Aufnahmeeinrichtung und der zweite Objektivspiegel in einer zweiten Aufnahmeeinrichtung aufgenommen, wobei die erste Aufnahmeeinrichtung den ersten Objektivspiegel umfangseitig über einen Bereich von mehr als 270 Grad, aber weniger als 360 Grad ummantelt, wobei die Aufnahmeeinrichtungen derart angeordnet sind, dass die jeweiligen freiliegenden, das heißt nicht-ummantelten, Umfangseiten der Spiegel benachbart und vorzugsweise bündig miteinander abschließend angeordnet sind, wobei sich die beiden Aufnahmeeinrichtungen nicht unmittelbar berühren.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Feststelleinrichtung eine Durchgangsbohrung zur Aufnahme einer Feststellschraube auf, sodass die Position des zumindest einen Spiegels durch das Einlassen einer Feststellschraube in die Durchgangsbohrung fixiert ist, wobei die Durchgangsbohrung im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse ausgebildet ist, sodass die Feststellschraube im eigelassen Zustand eine im Wesentlichen parallel zur Rotationsasche wirkende Feststellkraft bewirkt.
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Diese Ausführungsform ermöglicht es, dass die Feststellschraube aus einem Material mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten besteht, der größer ist als der Längenausdehnungskoeffizient des Gehäuses, ohne dass eine thermisch bedingte Längenausdehnung der Feststellschraube und eine damit einhergehende veränderte auf den Objektivspiegel wirkende Feststellkraft zur einer Veränderung der Winkellage des Spiegels bezüglich der Drehachse und zu einer damit einhergehenden Dejustage des Objektivspiegels führt.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Spiegelhalterung eine Ausnehmung auf, wobei die Ausnehmung derart ausgebildet ist, dass eine Justierungsvorrichtung in die Ausnehmung einlassbar ist, um den zumindest einen Spiegel zu justieren, und nach der Justierung und einer Fixierung der Stellung des zumindest einen Spiegels wieder herausnehmbar ist. Die Ausnehmung kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass als Justierungsvorrichtung eine Platte mit mindestens zwei Durchgangsbohrungen darin eingelassen werden kann, sodass mit jeweils einer in die Durchgangsbohrungen eingelassenen Justageschraube die Winkellage einer Aufnahmeeinrichtung und somit eines Objektivspiegels einstellbar ist.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Feldspiegel auf einer ersten Gehäuseseite der Multipass-Zelle angeordnet und sind der erste und der zweite Objektivspiegel auf einer zweiten, der ersten Gehäuseseite gegenüberliegenden Gehäuseseite der Multipass-Zelle angeordnet, wobei der Feldspiegel, der erste Objektivspiegel und der zweite Objektivspiegel derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die erste elektromagnetische Strahlung mehrmals an dem Feldspiegel spiegelbar ist, sodass eine erste Spiegelung an dem Feldspiegel an einem ersten Reflexionspunkt des Feldspiegels erfolgt, eine zweite Spiegelung an dem Feldspiegel an einem zweiten Reflexionspunkt des Feldspiegels erfolgt, eine dritte Spiegelung an dem Feldspiegel an einem dritten Reflexionspunkt des Feldspiegels erfolgt, eine vierte Spiegelung an dem Feldspiegel an einem vierten Reflexionspunkt des Feldspiegels erfolgt, wobei der Feldspiegel, der erste Objektivspiegel und der zweite Objektivspiegel derart ausgebildet und angeordnet sind, dass der erste und der zweite Reflexionspunkt beabstandet zueinander auf einer ersten gedachten Geraden liegen und der dritte und der vierte Reflexionspunkt beabstandet zueinander auf einer zweiten gedachten Geraden liegen, wobei die erste und die zweite gedachte Gerade parallel zueinander und räumlich voneinander beabstandeten angeordnet sind. In diesem Sinne ergeben sich auf dem Feldspiegel zwei voneinander beabstandete Reihen von Fokuspunkten. Durch eine solche Anordnung wird beim Auskoppeln der ersten elektromagnetischen Strahlung aus der Multipass-Zelle der Abstand der ersten elektromagnetischen Strahlung zum Rand des Feldspiegels vergrößert bzw. eine Vergrößerung dieses Abstandes ermöglicht.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Feldspiegel eine spiegelnde Oberfläche auf, wobei der Feldspiegel zwei gegenüberliegende, durch eine dritte gedachte Gerade verbindbare und die Spiegeloberfläche vergrößernde Vorsprünge aufweist, wobei die Spiegelanordnung derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die erste elektromagnetische Strahlung an zumindest einem der beiden Vorsprünge spiegelbar ist, wobei der Feldspiegel vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass die dritte gedachte Gerade senkrecht zur Längsachse des Messkanals verläuft, sodass sich die Vorsprünge in einer Richtung senkrecht zur Längsachse erstrecken.
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Diese Vorsprünge ermöglichen eine Wanderung der Fokuspunkte auf der spiegelnden Oberfläche des Feldspiegels, ohne dass die Funktionalität der Multipass-Zelle beeinträchtigt wird, wobei eine solche Wanderung der Fokuspunkte durch geringfügige Lageänderungen der Objektivspiegel aufgrund thermischer Umgebungseinflüsse bedingt wird. Gleichzeitig ermöglichen sie, dass die elektromagnetische Strahlung unter bzw. oberhalb der Vorsprünge in die Multipass-Zelle eingekoppelt wird, ohne dass der Feldspiegel die elektromagnetische Strahlung abschattet. Sie erhöhen somit die Resistenz der Multipass-Zelle gegenüber den oftmals extremen Temperaturerfordernissen (ca. 500 Grad Celsius) bei der direkten absorptionsspektroskopischen Messung in einem Abgasvollstrom. Der Feldspiegel kann im Sinne dieser Ausführungsform insbesondere eine T-förmige spiegelnde Oberfläche aufweisen.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Feldspiegel eine spiegelnde Oberfläche auf, wobei der Feldspiegel eine erste und eine zweite die spiegelnde Oberfläche jeweils verkleinernde Aussparung aufweist, wobei die erste und die zweite Aussparung gegenüberliegend und durch eine gedachte Gerade verbindbar angeordnet sind, wobei die Spiegelanordnung derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die erste elektromagnetische Strahlung durch die erste Aussparung in den Messkanal hinein leitbar und durch die zweite Aussparung aus dem Messkanal hinaus leitbar ist, wobei die spiegelnde Oberfläche vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass die gedachte Gerade senkrecht zur Längsachse des Messkanals verläuft und sich die Vorsprünge senkrecht zur Längsachse erstrecken. Diese Ausführungsform ist eine alternative oder zusätzliche Möglichkeit, eine Wanderung der Fokuspunkte auf der spiegelnden Oberfläche des Feldspiegels zu ermöglichen.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine absorptionsspektroskopische Messvorrichtung zur Analyse eines Gasstroms mit zumindest einer ersten erfindungsgemäßen Multipass-Zelle. Dabei weist die Messvorrichtung eine erste Strahlungsquelle zur Erzeugung einer ersten elektromagnetischen Strahlung und einen ersten Detektor zur Messung einer Intensität der ersten elektromagnetischen Strahlung auf, wobei die erste Multipass-Zelle, die erste Strahlungsquelle und der erste Detektor derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die erste elektromagnetische Strahlung im Messbetrieb der Messvorrichtung unter zumindest einer Spiegelung an zumindest einem der Spiegel der Spiegelanordnung entlang des optischen Pfades durch den Messkanal und danach auf den ersten Detektor geleitet wird.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die erste Strahlungsquelle ein Laser.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Detektor ein Fotodetektor, insbesondere eine Fotodiode.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Messvorrichtung derart ausgebildet, dass sie am Heck eines Kraftfahrzeuges montierbar ist, sodass mit der Messvorrichtung Gaskonzentrationen, wie beispielsweise die Konzentrationen von NO, NO2, CO, CO2,H2O, N2O, NH3, CH4 und Formaldehyd im Abgasvollstrom eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges bestimmt werden können, und zwar sowohl im Stand als auch während der Fahrt des Kraftfahrzeuges.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der Feldspiegel, der erste Objektivspiegel, der zweite Objektivspiegel und die erste Strahlungsquelle derart ausgebildet und zueinander angeordnet, dass die erste elektromagnetische Strahlung mehrmals an dem Feldspiegel spiegelbar ist, sodass eine erste Spiegelung an dem Feldspiegel an einem ersten Reflexionspunkt des Feldspiegels erfolgt, eine zweite Spiegelung an dem Feldspiegel an einem zweiten Reflexionspunkt des Feldspiegels erfolgt, eine dritte Spiegelung an dem Feldspiegel an einem dritten Reflexionspunkt des Feldspiegels erfolgt, eine vierte Spiegelung an dem Feldspiegel an einem vierten Reflexionspunkt des Feldspiegels erfolgt, wobei der Feldspiegel, der erste Objektivspiegel und der zweite Objektivspiegel derart ausgebildet und angeordnet sind, dass der erste und der dritte Reflexionspunkt beabstandet zueinander auf einer ersten gedachten Geraden liegen und der zweite und der vierte Reflexionspunkt beabstandet zueinander auf einer zweiten gedachten Geraden liegen, wobei die erste und die zweite gedachte Gerade parallel zueinander und räumlich voneinander beabstandeten angeordnet sind, wobei die erste Strahlungsquelle vorzugsweise derart angeordnet oder ausgebildet ist, dass der Strahlengang der ersten elektromagnetischen Strahlung zwischen dem Einkoppeln und dem ersten Auftreffen auf den ersten Objektivspiegel mit einer senkrecht zur Längsachse der Multipass-Zelle stehenden und die Zentren der Spiegel der Spiegelanordnung schneidenden gedachten Fläche einen Winkel von 1° bis 3° einschließt.
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In einer Ausführungsform erfolgen die Spiegelungen an dem ersten, zweiten, dritten und vierten Reflexionspunkt nacheinander in einer zeitlichen Reihenfolge entsprechend der Nummerierung der Reflexionspunkte.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der Feldspiegel, der erste Objektivspiegel, der zweite Objektivspiegel und die erste Strahlungsquelle derart ausgebildet und zueinander angeordnet, dass die erste und die zweite gedachte Gerade im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Multipass-Zelle ausgerichtet sind.
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Analog zu der beschriebenen Ausführungsform einer Multipass-Zelle, bei der ein Reihenmuster der Fokuspunkte der ersten elektromagnetischen Strahlung auf der spiegelnden Oberfläche des Feldspiegels durch die relative Lage der Strahlungsquelle der ersten elektromagnetischen Strahlung oder eines den Strahlengang beeinflussenden optischen Elements zum ersten Objektivspiegel zueinander bewirkt wird, kann das Reihenmuster bei dieser Ausführungsform des Messinstrumentes auch vorteilhaft durch die die relative räumliche Lagerung der Spiegel eingestellt werden.
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Zum Einstellen bzw. Verändern eines gewünschten Reihenmusters ist in einer bevorzugten Ausführungsform ausschließlich ein Einstellen der räumlichen Lage eines im Strahlengang zwischen der Strahlenquelle der ersten elektromagnetischen Strahlung und der Multipass-Zelle angeordneten optischen Elements, insbesondere einer Konvexlinse, nötig.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstreckt sich der Feldspiegel in der senkrecht zur Längsachse stehenden Richtung zwischen einer ersten gedachten Ebene und einer zweiten gedachten Ebene, wobei sich die erste und die zweite gedachte Ebene parallel zur Längsachse erstrecken, wobei die erste Strahlungsquelle und die Spiegel der Spiegelanordnung derart ausgebildet und angeordnet sind, dass der Strahlengang der ersten elektromagnetischen Strahlung im Messbetrieb der Messvorrichtung einen Fokuspunkt beim Einkoppeln in die Multipass-Zelle und/oder beim Auskoppeln aus der Multipass-Zelle aufweist, wobei der Fokuspunkt in einem Bereich zwischen der ersten und der zweiten gedachten Ebene liegt.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Messvorrichtung einen Off-Axis-Parabolspiegel auf, wobei der Off-Axis-Parabolspiegel derart ausgebildet und angeordnet ist, dass er die erste elektromagnetische Strahlung im Messbetrieb der Messvorrichtung auf eine Detektorfläche des ersten Detektors fokussiert.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Messvorrichtung eine zweite Strahlungsquelle zur Erzeugung einer zweiten elektromagnetischen Strahlung auf, wobei die Messvorrichtung einen zweiten Detektor zur Messung einer Intensität der zweiten elektromagnetischen Strahlung aufweist, wobei die erste Multipass-Zelle, die zweite Strahlungsquelle und der zweite Detektor derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die zweite elektromagnetische Strahlung im Messbetrieb der Messvorrichtung unter zumindest einer Spiegelung an zumindest einem der Spiegel der Spiegelanordnung durch den Messkanal und danach auf den zweiten Detektor geleitet wird, wobei vorzugsweise die Messvorrichtung eine optische Faser aufweist und die optische Faser die zweite Strahlungsquelle mit der ersten Multipass-Zelle verbindet, sodass die zweite elektromagnetische Strahlung im Messbetrieb der Messvorrichtung über die optische Faser in den Messkanal geleitet wird, wobei besonders bevorzugt die Messvorrichtung eine weitere optische Faser aufweist und die weitere optische Faser die erste Multipass-Zelle mit dem zweiten Detektor verbindet, sodass die zweite elektromagnetische Strahlung im Messbetrieb der Messvorrichtung über die weitere optische Faser von dem Messkanal auf eine Detektoroberfläche des zweiten Detektors geleitet wird.
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Eine solche Ausführungsform verfügt somit über zwei separate optische Pfade, die jeweils unabhängig voneinander zum Bestimmen der Konzentration eines jeweiligen Gases genutzt werden können. Dies erhöht die Effizienz des Messinstruments.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind zwei Strahlungsquellen zur jeweiligen Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung vorgesehen und derart ausgebildet, dass die erzeugten elektromagnetischen Strahlungen gemeinsam ein Multiplexsignal zum Einkoppeln in die Multipass-Zelle bilden, wobei das Multiplexsignal vorzugsweise ein Teilsignal mit einer Wellenlänge einer Absorptionslinie von CO2 und ein Teilsignal mit einer Wellenlänge einer Absorptionslinie von CO umfasst. Durch das Multiplexen kann die effiziente Nutzung des Messinstruments weiter erhöht werden.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein zeitliches Multiplexing verwendet, d. h. das Multiplexsignal wird mit einem Zeitmultiplexverfahren (TDMA) erstellt. Bevorzugt wird das Multiplexsignal durch zwei elektromagnetische Strahlungen erzeugt, die abwechselnd in die Multipass-Zelle eingekoppelt werden.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Multiplexing im Frequenzbereich verwendet, d. h. das Multiplexsignal wird durch ein Frequenzmultiplexverfahren (FDMA) erstellt.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Messvorrichtung eine thermische Isolationseinrichtung auf, wobei die thermische Isolationseinrichtung derart ausgebildet und angeordnet ist und der erste Detektor, die erste Strahlungsquelle und die erste Multipass-Zelle derart angeordnet sind, dass der erste Detektor und die erste Strahlungsquelle von der ersten Multipass-Zelle im Wesentlichen thermisch isoliert sind.
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Durch die thermische Isolationseinrichtung werden die Strahlungsquelle, der Detektor und weitere damit verbundenen elektronische Bauteile vor den Temperaturen im Abgasvollstrom geschützt. Es hat sich insbesondere gezeigt, dass eine Konstruktion mit den beschriebenen Wärmeübergangskoeffizienten ausreichend ist, um einen Messbetrieb bei den hohen Temperaturen in einem Abgasvollstrom, wie zum Beispiel bei 500 Grad Celsius, zu gewährleisten.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die thermische Isolationseinrichtung eine Strömungsmaschine zur Erzeugung eines Fluidstroms, insbesondere eines Luftstroms, und zumindest ein Trennelement auf, wobei das Trennelement zumindest zwischen der ersten Strahlungsquelle und der ersten Multipass-Zelle oder zwischen dem ersten Detektor und der ersten Multipass-Zelle angeordnet ist, wobei die Strömungsmaschine derart ausgebildet und angeordnet ist und die erste Multipass-Zelle, das zumindest eine Trennelement und der erste Detektor oder die erste Strahlungsquelle derart angeordnet sind, dass der Fluidstrom zwischen dem Trennelement und der ersten Multipass-Zelle verläuft, wobei das Trennelement aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von maximal 1,5 W/(mK) besteht.
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Es hat sich gezeigt, dass insbesondere durch einen kontinuierlich erzeugten Luftstrom zwischen der Multipass-Zelle einerseits und den elektronischen Bauteilen wie Detektoren und Strahlungsquelle (z.B. Laserdioden) andererseits eine ausreichende thermische Isolierung gewährleistet werden kann, sodass die elektronischen Bauteile durch die im Abgasvollstrom auftretende Hitze im Messbetrieb nicht beeinträchtigt werden.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht das Trennelement aus einer Keramik. Dies führt aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Keramiken zu einer weiteren Reduktion des Wärmeübergangs im Messbetrieb.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Trennelement eine Montageplatte zur Montage und Beabstandung der ersten Strahlungsquelle und des Detektors an der Multipass-Zelle ist.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Messvorrichtung zumindest eine zweite erfindungsgemäße Multipass-Zelle aufweist, wobei die erste und die zweite Multipasszelle derart angeordnet sind, dass sie einen gemeinsamen Messkanal begrenzen, wobei sich der gemeinsame Messkanal entlang einer gemeinsamen Längsachse erstreckt, wobei der gemeinsame Messkanal einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei die erste und zweite Multipass-Zelle derart ausgebildet und verbunden sind, dass der Einlass des gemeinsamen Messkanals mit dem Auslass eines einen Abgasvollstrom führenden Kanals, wie zum Beispiel einem Auslass eines Abgasstrangs einer Verbrennungskraftmaschine, verbindbar ist, sodass der zu analysierende Abgasvollstrom entlang der Längsachse durch den gemeinsamen Messkanal geleitet wird.
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Im Sinne dieser Ausführungsform erfolgt ein Stacking einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Multipass-Zellen. Die erfindungsgemäßen Multipasszellen erlauben somit insbesondere auch einen modularen Aufbau mehrerer hintereinander gereihter Multipass-Zellen oder auch eine modulare Erweiterung um eine oder mehrere Multipass-Zellen bei bereits bestehenden Messinstrumenten.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Messvorrichtung derart ausgebildet, dass mehrere Multipass-Zellen als Module wahlweise hintereinander gereiht werden können, sodass diese Multipass-Zellen einen gemeinsamen Messkanal für einen Abgasvollstrom definieren.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Messvorrichtung eine dritte Multipass-Zelle auf, wobei die erste, zweite und dritte Multipasszelle derart angeordnet sind, dass sie einen gemeinsamen Messkanal begrenzen, wobei sich der gemeinsame Messkanal entlang einer gemeinsamen Längsachse erstreckt, wobei der gemeinsame Messkanal einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei die erste, zweite und dritte Multipass-Zelle derart ausgebildet und verbunden sind, dass der Einlass des gemeinsamen Messkanals mit dem Auslass eines einen Abgasvollstrom führenden Kanals, wie zum Beispiel einem Auslass eines Abgasstrangs einer Verbrennungskraftmaschine, verbindbar ist, sodass der zu analysierende Abgasvollstrom entlang der Längsachse durch den gemeinsamen Messkanal geleitet wird, wobei die Messvorrichtung eine dritte Strahlungsquelle zur Erzeugung einer dritten elektromagnetischen Strahlung aufweist, wobei die Messvorrichtung einen dritten Detektor zur Messung einer Intensität der dritten elektromagnetischen Strahlung aufweist, wobei die zweite Multipass-Zelle, die dritte Strahlungsquelle und der dritte Detektor derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die dritte elektromagnetische Strahlung im Messbetrieb der Messvorrichtung unter zumindest einer Spiegelung an zumindest einem der Spiegeln der Spiegelanordnung der zweiten Multipass-Zelle durch den Messkanal der zweiten Multipass-Zelle und danach auf den dritten Detektor geleitet wird, wobei die Messvorrichtung eine vierte Strahlungsquelle zur Erzeugung einer vierten elektromagnetischen Strahlung aufweist, wobei die Messvorrichtung einen vierten Detektor zur Messung einer Intensität der vierten elektromagnetischen Strahlung aufweist, wobei die dritte Multipass-Zelle, die vierte Strahlungsquelle und der vierte Detektor derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die vierte elektromagnetische Strahlung im Messbetrieb der Messvorrichtung unter zumindest einer Spiegelung an zumindest einem der Spiegeln der Spiegelanordnung der dritten Multipass-Zelle durch den Messkanal der dritten Multipass-Zelle und danach auf den dritten Detektor geleitet wird, wobei die erste Strahlungsquelle derart ausgebildet ist, dass die erste elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge bei einer Absorptionslinie von NO2 aufweist, wobei die dritte Strahlungsquelle derart ausgebildet ist, dass die dritte elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge bei einer Absorptionslinie von NO aufweist, wobei die vierte Strahlungsquelle derart ausgebildet ist, dass die vierte elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge bei einer Absorptionslinie von CO2 aufweist. Die Reihenfolge, in der die erste, zweite und dritte Multipass-Zelle angeordnet sind, ist dabei beliebig wählbar.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Kombination einer erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen Messvorrichtung mit einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Verbrennungskraftmaschine einen Auslass für ein im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine entstehendes Abgas enthält, wobei die absorptionsspektroskopische Messvorrichtung derart mit der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist, dass das aus dem Auslass der Verbrennungskraftmaschine austretende Abgas im Wesentlichen vollständig, vorzugsweise vollständig, in einen Einlass des Messkanals geleitet wird, wobei die senkrecht zur Längsachse gemessene Querschnittsfläche des Einlasses des Messkanals vorzugsweise größer oder gleich der Querschnittsfläche des Auslasses der Verbrennungskraftmaschine ist.
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Durch die relative Größe von Einlass des Messkanals zu Auslass der Verbrennungskraftmaschine wird sichergestellt, dass kein Gegendruck im Messkanal entsteht.
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Unter einer Verbrennungskraftmaschine sind insbesondere ein Verbrennungsmotor und ein Hybridantrieb, der einen Verbrennungsmotor aufweist, zu verstehen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Multipass-Zelle oder einer erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen Messvorrichtung zur Analyse eines Abgasvollstroms einer Verbrennungskraftmaschine, bevorzugt eines Verbrennungsmotors und besonders bevorzugt eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum absorptionsspektroskopischen Analysieren eines Gasstroms eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine mit den Schritten: (A) Bereitstellen einer Verbrennungskraftmaschine, (B) Bereitstellen einer absorptionsspektroskopischen Messvorrichtung mit einer Multipass-Zelle, wobei die Multipass-Zelle eine White-Zelle ist und einen Messkanal begrenzt, (C) Einleiten eines Vollstroms des Abgases der Verbrennungskraftmaschine in den Messkanal, (D) Durchführen eines absorptionsspektroskopischen Messverfahrens mit der Messvorrichtung, wobei die absorptionsspektroskopische Messvorrichtung in Schritt (B) vorzugsweise derart bereitgestellt wird, dass die Querschnittsfläche eines für den Vollstrom vorgesehenen Einlasses der Multipass-Zelle größer oder gleich der Querschnittsfläche des den Vollstrom des Abgases ausstoßenden Auslasses der Verbrennungskraftmaschine ist.
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere dazu geeignet, die Konzentration der in der ersten Spalte der folgenden Liste aufgeführten gasförmiger Stoffe zu bestimmen. In der zweiten Spalte sind die Absorptionswellenlänge des entsprechenden Stoffes angegeben ist, welche bevorzugt als Wellenlänge der für die Messung eingesetzten elektromagnetischen Strahlung verwendet wird.
| Kohlenstoffdioxid (CO2) | 2004 nm |
| Kohlenstoffmonoxid (CO) | 2314 nm |
| Stickstoffdioxid (NO2) | 6125 nm |
| Stickstoffmonoxid (NO) | 5184 nm |
| Wasser (H2O) | 1392 nm |
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Weitere Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind den im Folgenden beschriebenen Figuren zu entnehmen. Es zeigen:
- 1: eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multipass-Zelle,
- 2: eine teilweise weggebrochene Ansicht der Multipass-Zelle aus 1, 3: eine Draufsicht auf den optischen Pfad der ersten elektromagnetischen Strahlung inklusive der dabei verwendeten optischen Elemente bei einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen Messvorrichtung,
- 4: eine detailliertere Darstellung der 3,
- 5: einen Ausschnitt einer zweiten perspektivischen Ansicht des optischen Pfades der ersten elektromagnetischen Strahlung inklusive der dabei verwendeten optischen Elemente der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen Messvorrichtung,
- 6: eine perspektivische Ansicht des optischen Pfades der ersten und zweiten elektromagnetischen Strahlung inklusive der dabei verwendeten optischen Elemente bei einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen Messvorrichtung,
- 7: eine erste perspektivische Ansicht einer Spiegelhalterung einer erfindungsgemäßen Multipass-Zelle,
- 8: eine zweite perspektivische Ansicht einer Spiegelhalterung einer erfindungsgemäßen Multipass-Zelle in Kombination mit einer Justierungseinrichtung,
- 9: eine auszugsweise perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen Messvorrichtung mit drei hintereinander gereihten Multipass-Zellen und
- 10: eine Seitenansicht der in 9 dargestellten dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen Messvorrichtung.
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Anhand der 1 bis 6 wird insbesondere der optische Pfad 105 der ersten elektromagnetischen Strahlung während des Messbetriebs einer erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen Messvorrichtung 200 dargestellt.
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Durch ein Einlassfenster 219 gelangt die mit einem Laser 201 erzeugte und mit einer bikonvexen Linse 220 fokussierte erste elektromagnetische Strahlung in das Innere der Multipass-Zelle 100 und somit in den Messkanal 101. Sie trifft dort zunächst auf den ersten Objektivspiegel 108, der die erste elektromagnetische Strahlung anschließend auf den Feldspiegel 107 lenkt. Von dort aus wird die Strahlung wiederum auf den zweiten Objektivspiegel 109 gelenkt.
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Vom zweiten Objektivspiegel 109 aus wird die erste elektromagnetische Strahlung zunächst wieder zurück auf den Feldspiegel 107, von dort aus auf den ersten Objektivspiegel 108, von dort wiederum auf den Feldspiegel 107 und anschließend auf den zweiten Objektivspiegel 109 geleitet. Die im vorangegangenen Satz beschriebene Serie von Spiegelungen wiederholt sich bei der hier gezeigten Ausführungsform insgesamt zwei weitere Male bevor der zweite Objektivspiegel 109 die erste elektromagnetische Strahlung seitlich an dem Feldspiegel 107 vorbei durch das Auslassfenster 221 aus der Multipasszelle 100 auskoppelt. Die Anzahl der Wiederholungen der Serie von Spiegelungen kann variabel eingestellt werden. Au ßerhalb der Multipasszelle 100 fällt die zweite elektromagnetische Strahlung anschließend zunächst auf einen Off-Axis-Parabolspiegel 222, der sie wiederum auf eine hier nicht gezeigte Detektorfläche eines Fotodetektors fokussiert.
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Der Einfallswinkel, unter dem die erste elektromagnetische Strahlung in den Messkanal 101 fällt ist bei der hier gezeigten Ausführungsform derart gewählt, dass sich durch die Spiegelungen am Feldspiegel 107 zwei zueinander beabstandete Reihen von Fokuspunkten, d. h. unter anderem von Reflexionspunkten 203, 204, 205, 206, auf der spiegelnden Oberfläche des Feldspiegels ausbilden.
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Bei der in 1 bis 6 gezeigten Ausführungsform sind der Feldspiegel 107, der erste Objektivspiegel 108 und der zweite Objektivspiegel 109 jeweils in einer an den jeweiligen Spiegel angepassten Spiegelfassung 115 aufgenommen.
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In 1 sind auch vier, den Messkanal 101 in Längsrichtung flankierende Heizkartuschen 114 erkennbar. Diese gewährleisten, dass die Spiegeloberflächen bereits vor dem Durchleiten eines Gasstromes auf eine Temperatur von ca. 100 °C gebracht werden, sodass keine störenden Kondensationseffekte an den Spiegeloberflächen auftreten, sobald ein heißer Gasstrom, beispielweise mit einer Temperatur von 500 Grad Celsius, durch den Messkanal 101 geleitet wird.
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In 5 ist die T-förmige Ausbildung des Feldspiegels 107 zu erkennen. Der Feldspiegel 107 weist demnach eine sphärische Grundfläche und zwei gegenüberliegende Vorsprünge 113 auf, die sich in eine Richtung senkrecht zur Längsachse 102 des Messkanals 101 erstrecken und um eine Distanz, die ca. 20% des Durchmessers der sphärischen Grundfläche beträft, versetzt vom Zentrum der sphärischen Grundfläche angeordnet sind.
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Bei der hier verwendeten zweireihigen Anordnung der Fokuspunkte auf dem Feldspiegel 107 ermöglicht die T-förmige Ausbildung des Feldspiegels 107, dass die obere Reihe und die untere Reihe der Fokuspunkte jeweils einen erweiterten Toleranzbereich aufweist innerhalb dessen auch bei leichten De-Justierungen der Spiegel die Geometrie des optischen Pfades 105 und somit die Funktionalität der Messvorrichtung 200 gewährleistet ist. Da die erste elektromagnetische Strahlung entsprechend der hier gezeigten Darstellung in der unteren Reihe unterhalb der Vorsprünge 113 und seitlich vom Feldspiegel 107 eingekoppelt bzw. ausgekoppelt wird, wird innerhalb der unteren Reihe eine ausreichend große spiegelnde Oberfläche für eine vordefinierte Anzahl von Fokuspunkten benötigt (hier drei Fokuspunkte), wohingegen in der oberen Reihe eine ausreichend große spiegelnde Oberfläche für eine um den Wert 1 größere Anzahl von Fokuspunkten als in der unteren Reihe (hier: vier) benötigt wird. Durch die Vorsprünge 113 wird daher die spiegelnde Oberfläche im Bereich der oberen Reihe erweitert, und zwar entlang der Richtung, entlang derer die Fokuspunkte der oberen Reihe angeordnet sind. Somit wird durch die T-Form gewährleistet, dass die äußeren Fokuspunkte der ersten elektromagnetischen Strahlung auf dem Feldspiegel 107 unabhängig von ihrer Reihen-Zuordnung einen ausreichenden Abstand zur Grenze der spiegelnden Oberfläche aufweisen, sodass sie bei einer Wanderung der Fokuspunkte nicht jenseits der spiegelnden Oberfläche wandern, wodurch letztendlich der optische Pfad zusammenbrechen würde. Gleichzeitig verhindert die T-Form eine Abschattung des Einkoppel- und Auskoppelstrahls. Denn eine einfache Vergrößerung der spiegelnden Fläche durch die Verwendung eines kreisförmigen Spiegels mit einem größeren Durchmesser würde zwar ebenfalls eine vergrößerte Fläche für eine Wanderung der Fokuspunkte in der oberen Reihe bereitstellen. Allerdings könnte die elektromagnetische Strahlung bei einem solchen Spiegel gar nicht derart eingekoppelt werden, dass diese Fläche auch für eine Wanderung der Fokuspunkte genutzt werden könnte, da der Spiegel für die dafür benötigte Einkoppel-Lage des Strahlengangs zu groß wäre. Der Feldspiegel würde die Strahlung in diesem Fall einfach abschatten. Mit anderen Worten - bei einem äquivalenten kreisrunden Spiegel würden in jedem Fall entweder die äußeren Fokuspunkte oder der Ein- und Auskoppelstrahl näher am Spiegelrand liegen, wodurch die Gefahr von Abschattung bzw. Clipping durch eine thermisch-bedingte Dejustierung erhöht werden würde.
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Auch der verwendete Off-Axis-Parabolspiegel 222 erhöht den Toleranzbereich der hier gezeigten Messvorrichtung hinsichtlich leichter Dejustierungen. Wie in 4 gezeigt ist, wird die erste elektromagnetische Strahlung durch den Off-Axis-Parabolspiegel 222 auf einen bestimmten Punkt der Detektorfläche der Fotodiode 202 fokussiert, und zwar unabhängig davon, an welcher Stelle des Off-Axis-Parabolspiegels 222 die erste elektromagnetische Strahlung auf den Off-Axis-Parabolspiegel trifft.
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Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform wird zusätzlich zur ersten elektromagnetischen Strahlung eine zweite elektromagnetische Strahlung in die Multipasszelle 100 und somit in den Messkanal 101 eingekoppelt. Das Einkoppeln der zweiten elektromagnetischen Strahlung erfolgt hierbei durch eine optische Faser, zum Beispiel ein Glasfaserkabel, das eine Austrittsfläche 223 aufweist, über welche die zweite elektromagnetische Strahlung austritt. Diese Austrittsfläche 223 befindet sich bei der in 6 gezeigten Ausführungsform auf der dem Feldspiegel 107 gegenüberliegenden Seite der Multipasszelle 100, wo sich auch die beiden Objektivspiegel 108, 109 befinden. Der Strahlpfad der zweiten elektromagnetischen Strahlung ist in den Figuren mit dem Bezugszeichen 209 bezeichnet. Die austretende zweite elektromagnetische Strahlung ist - im Gegensatz zur ersten elektromagnetischen Strahlung des Lasers - eine divergente Strahlung, die mit einem Öffnungswinkel von ca. 16° aus der Austrittsfläche 223 des hier verwendeten Glasfaserkabels austritt. Der Öffnungswinkel ist vorzugsweise derart gewählt, dass der Feldspiegel 107 von der zweiten elektromagnetischen Strahlung maximal ausgeleuchtet wird. Die zweite elektromagnetische Strahlung fällt in der Folge auf den Feldspiegel 107, der sie aufgrund seiner konkaven Ausbildung wiederum fokussiert, sodass der Fokus mit einer Eintrittsfläche 224 einer weiteren optischen Faser zusammenfällt, welche sich ebenfalls auf der dem Feldspiegel 107 gegenüberliegenden Seite der Multipasszelle 100 befindet.
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Somit kann die in 6 gezeigte Ausführungsform verwendet werden, um gleichzeitig die Konzentration zweier Stoffe in einem Gasstrom zu bestimmen. Da die zweite elektromagnetische Strahlung allerdings aufgrund der Divergenz der Strahlung nur zweimal durch den Messkanal 101 geleitet werden kann (einmal zum Feldspiegel 107 hin und einmal zurück), wird die zweite elektromagnetische Strahlung aus praktischen Gründen für das Bestimmen der Konzentration von Stoffen eingesetzt, die entweder einen großen Absorptionswirkungsquerschnitt bei einer entsprechend verwendeten Wellenlänge aufweisen oder bei den davon ausgegangen werden kann, dass sie in einer entsprechend hohen Konzentration in dem Gasstrom vorliegen.
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Die Austrittsfläche 223 der optischen Faser sowie die Eintrittsfläche 224 der weiteren optischen Faser sind in einem Winkel von 15 bis 20 Grad zur Faserachse schräg-geschliffen, um Etalon-Effekte zu reduzieren und um einen Öffnungswinkel der zweiten elektromagnetischen Strahlung zu ermöglichen, mit dem der Feldspiegel maximal ausgeleuchtet werden kann.
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Die in den 1 bis 6 dargestellten Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Multipasszelle verfügen über eine Spiegelhalterung 110 für den ersten und zweiten Objektivspiegel 108, 109, die in den 7 und 8 im Detail dargestellt ist. Die Spiegelhalterung 110 ist als modulares Gehäuseteil ausgebildet, welches durch Schraubverbindungen mit den weiteren Gehäuseteilen verbunden wird. Somit ist es auf einfache Weise herausnehmbar, falls dies zum Justieren der Objektivspiegel 108, 109 oder zur Fehlerbehebung notwendig ist. Beide Objektivspiegel 108, 109 sind bei der hier gezeigten Spiegelhalterung jeweils in einer im Wesentlichen rechteckförmigen Spiegelfassung 115 aufgenommen. Jede dieser Fassungen 115 weist dabei eine im Wesentlichen kreisförmige Aussparung 116 mit einer innenseitig liegenden zur Seite hin gerichteten Öffnung auf. Die Aussparung 116 ist dabei um ca. 20% von einem gedachten Zentrum der rechteckförmigen Grundfläche der Fassung 115 versetzt angeordnet, sodass die an die jeweilige Ausnehmung angrenzende Öffnung 117 zu der jeweils anderen Öffnung 117 benachbart angeordnet ist, wenn beide Fassungen 115 sich im eingelassenen Zustand befinden. Die Fassungen 115 sind als Bestandteil der Spiegelhalterung drehbar gelagert, sodass die jeweilige Drehachse 111, 111' durch das geometrische Zentrum des jeweiligen Objektivspiegels 108, 109 verläuft. Beide Fassungen 115 und somit auch beide Drehachsen 111, 111' sind dabei parallel zueinander ausgerichtet.
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Die Fixierung der Fassungen 115 sowie der darin befindlichen Spiegel in einer bestimmten Winkellage bezüglich der jeweiligen Drehachse 111, 111' erfolgt über Feststellschrauben. Diese werden über parallel zu den Drehachsen 111, 111' ausgebildete Durchgangsbohrungen 112, 118 in die Spiegelhalterung 110 eingelassen und gelangen mit korrespondierend ausgebildeten, in den Fassungen 115 befindlichen Gewindebohrungen in Eingriff. Somit wirkt eine parallel zur Drehachse wirkende Feststellkraft in Form einer Zugkraft durch Gewindeeingriff auf die Fassungen 115. Die Fassungen 115 werden mit anderen Worten festgezogen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Spiegelhalterung 110 an zwei gegenüberliegenden Seiten parallel zu den Drehachsen 111, 111' ausgebildete Durchgangsbohrungen auf, wobei zumindest eine Fassung auf zwei gegenüberliegenden Seiten parallel zu den Drehachsen ausgebildete Gewindebohrungen aufweist, sodass mit in diesen Durchgangsbohrungen und Gewindebohrungen eingelassene Feststellschrauben sowohl eine Zugkraft auf die Fassung 115 in eine durch die Drehachse definierte Richtung als auch in die dazu entgegengesetzte Richtung bewirkt werden kann.
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Die gezeigte Spiegelhalterung 110 gewährleistet, dass die Spiegel beim Justieren jeweils ausschließlich eine Drehbewegung bezüglich der zugehörigen Drehachsen 111, 111' ausführen können. Die Spiegelhalterung 110 ist dabei derart in der Multipasszelle 100 angeordnet, dass die Objektivspiegel 108, 109 hinsichtlich aller anderen Raumrichtungen ohne manuelles Zutun justiert sind. Für die Justierung ist daher ausschließlich die Einstellung eines einzigen Freiheitsgrades notwendig. Dies vereinfacht die Justierung der Spiegel ungemein.
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Zudem erlaubt die hier gezeigte Spiegelhalterung 110 den Einsatz von Feststellschrauben, die aus einem Material bestehen, welches einen anderen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten aufweist als das Gehäusematerial der Multipasszelle 100. Kommt es nämlich zu einem Aufheizen der Feststellschrauben durch die Hitze eines Abgasvollstroms im Messbetrieb der Multipasszelle 100, so kann dies zwar zu einer Translationsbewegung der Spiegel entlang der Drehachse 111, 111' führen, nicht aber zu einer Rotation um die Drehachse 111, 111', sodass eine Änderung der Winkellage bezüglich der Drehachse 111, 111' durch eine thermische Ausdehnung der Feststellschrauben nicht bewirkt werden kann. Für das Erhalten der Geometrie des optischen Pfades 105 ist aber im Wesentlichen die Winkellage bezüglich der Drehachse 111, 111' entscheidend, sodass die thermische Ausdehnung der Feststellschrauben keinen oder nur einen nicht relevanten Einfluss auf die Geometrie des optischen Pfads 105 und somit auf die Funktionalität der Multipasszelle 100 bzw. des absorptionsspektroskopischen Messinstrumentes 200 hat.
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Zur Justierung der Objektivspiegel wird die in 8 gezeigte Justiereinrichtung 119 verwendet, welche in eine Ausnehmung 120 auf der Außenseite der Spiegelanordnung eingelassen werden kann. Die Justierungseinrichtung 119 besteht hierbei aus drei Platinen 121, 122, 123. Die beiden in dieser Darstellung vertikal verlaufenden Platinen 121, 122 dienen zur Fixierung der quer dazu verlaufenden Platine 123 mittels Feststellschrauben, die in jeweils zwei Durchgangsbohrungen 124 pro vertikal verlaufender Platine eingelassen werden können. Die quer verlaufende Platine 123 liegt dann in einem zusammengesetzten Zustand an der Außenseite der Spiegelfassungen 115 an, wobei für jede Fassung 115 zwei Durchgangsbohrungen 125 in der quer verlaufenden Platine 123 vorgesehen sind, sodass mit jeweils zwei pro Fassung in diese Durchgangsbohrungen 125 eingelassene Justierschrauben die Winkellage der Fassung und des darin befindlichen Spiegels bezüglich der Drehachse eingestellt werden kann.
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Das technische Design der erfindungsgemäßen Multipass-Zelle 100 erlaubt es, mehrere dieser Multipass-Zellen hintereinander zu reihen, sodass ein gemeinsamer Messkanal 215 für einen Gasstrom gebildet wird und gleichzeitig die Bestimmung der Konzentration mehrerer Stoffe in dem Gasstrom erfolgen kann. Eine entsprechende Ausführungsform ist in 9 gezeigt. Hier sind drei Multipasszellen 100', 100'', 100''' hintereinander gereiht. Die Verbindung der Multipasszellen 100', 100", 100''' ist dabei gasdicht. Zwischen den Multipasszellen 100', 100", 100''' kann zu diesem Zweck insbesondere eine Flachdichtung, Metalldichtung oder/und eine Phosphatdichtung angeordnet werden.
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Vorzugsweise sind mehrere hintereinander gereihte Multipasszellen 100', 100", 100''' erhältlich durch Ausfräsen mehrerer Multipasszellen aus einem einzigen Materialblock.
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In jede der gezeigten Multipasszellen 100', 100", 100''' wird eine elektromagnetische Strahlung eingekoppelt, wobei sich diese elektromagnetischen Strahlungen untereinander hinsichtlich ihrer Wellenlänge unterscheiden, sodass mit jeder Multipasszelle die Konzentration eines anderen Stoffes bestimmt werden kann. Bei der hier gezeigten Ausführungsform sind die Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlungen derart gewählt, dass mit der ersten Multipasszelle 100' die Konzentration von Stickstoffmonoxid (NO), mit der zweiten Multipasszelle 100" die Konzentration von Stickstoffdioxid (NO2) und mit der dritten Multipasszelle 100''' die Konzentration von Kohlenstoffmonoxid (CO) sowie Kohlenstoffdioxid (CO2) bestimmt werden. Um mit der dritten Multipasszelle 100''' sowohl die Konzentration von CO als auch die Konzentration von CO2 zu bestimmen, wird bei dem hier gezeigten Beispiel ein zeitliches Multiplexsignal in die Multipass-Zelle eingekoppelt. Dies bedeutet, dass in zeitlich aufeinander folgenden Intervallen eine elektromagnetische Strahlung mit einer Absorptionswellenlänge wie beispielsweise 2314 nm für CO und eine weitere elektromagnetische Strahlung mit einer Absorptionswellenlänge für CO2 von bspw. 2004 nm abwechselnd in die dritte Multipasszelle 100''' eingekoppelt werden.
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Bei der zweiten Multipasszelle 100" handelte sich zudem um eine Ausführungsform gemäß 6, bei der eine zweite elektromagnetische Strahlung durch eine optische Faser eingekoppelt wird. Diese zweite elektromagnetische Strahlung wird bei der in 8 gezeigten Ausführungsform dazu verwendet, um die Konzentration von Wasser (H2O) zu bestimmen.
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Insgesamt betrachtet können daher mit der in 9 gezeigten Ausführungsform die Konzentrationen von NO, NO2, CO, CO2 und H2O gleichzeitig im Abgasvollstrom einer Verbrennungskraftmaschine bestimmt werden.
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Anhand von der in 10 gezeigten Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen Messinstruments 200 wird ersichtlich, wie die Multipasszelle 100 von den elektronischen Komponenten des Messinstrumentes 200 thermisch isoliert wird, um Störungen durch Überhitzungen der elektronischen Komponenten zu verhindern. Die Multipasszelle 100 ist zunächst über eine aus Keramik bestehende Montageplatine 214 und daran befindlichen Abstandsprofilen 225 mit den elektronischen Elementen wie einem Laser 201 zur Erzeugung der ersten elektromagnetischen Strahlung, dem Detektor 202 zum Erfassen der ersten elektromagnetischen Strahlung, einer Diode 207 zum Erzeugen der zweiten elektromagnetischen Strahlung, einem Fotodetektor 208 zum Erfassen der zweiten elektromagnetischen Strahlung sowie einer Steuerungseinheit 226 zur Steuerung des Messinstrumentes verbunden. Dabei sind innerhalb der Montageplatine 214 zwei kreisförmige Öffnungen vorgesehen an die sich jeweils ein zylindrisch ausgebildeter Schutzkanal 227 in Richtung der Multipasszelle erstreckt. Durch diese Kanäle verläuft der optische Pfad 105 der ersten elektromagnetischen Strahlung im Bereich zwischen der Multipasszelle 100 und dem Laser 201 bzw. dem Detektor 202.
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Durch die Montageplatine 214 und die daran befindlichen Abstandsprofile 225 wird ein Zwischenraum 228 gebildet, der sich zwischen der Multipasszelle 100 und den elektronischen Bauteilen des Messinstrumentes 200 erstreckt. Dies gewährleistet bereits eine erste thermische Isolierung der elektronischen Bauteile. Diese wird allerdings dadurch verstärkt, dass mittels eines Lüfters, der angrenzend zu Multipasszelle 100 angeordnet ist, ein durch den Zwischenraum 228 verlaufender Luftstrom erzeugt wird. Somit wird Wärme, die durch einen heißen Abgasvollstrom im Zwischenraum 228 zwischen Multipasszelle 100 und elektronischen Bauteilen entsteht und durch Konduktion in den Zwischenraum gelangt, abtransportiert, sodass die elektronischen Bauteile vor Überhitzung geschützt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Multipass-Zelle
- 100'
- Erste Multipass-Zelle
- 100"
- Zweite Multipass-Zelle
- 100'''
- Dritte Multipass-Zelle
- 101
- Messkanal
- 102
- Längsachse
- 105
- Optischer Pfad der ersten elektromagnetischen Strahlung
- 106
- Gehäuse
- 107
- Feldspiegel
- 108
- Erster Objektivspiegel
- 109
- Zweiter Objektivspiegel
- 110
- Spiegelhalterung
- 111
- erste Drehachse
- 111'
- weitere Drehachse
- 112
- Feststelleinrichtung
- 113
- Vorsprünge des Feldspiegels
- 114
- Heizkartuschen
- 115
- Spiegelfassung
- 116
- Aussparung
- 117
- Öffnung
- 118
- Durchgangsbohrungen
- 119
- Justiereinrichtung
- 120
- Ausnehmung
- 121
- Erste Platine der Justiereinrichtung
- 122
- Zweite Platine der Justiereinrichtung
- 123
- Dritte Platine der Justiereinrichtung
- 124
- Durchgangsbohrung für Feststellschraube
- 125
- Durchgangsbohrung für Justierschraube
- 200
- Absorptionsspektroskopisches Messinstrument
- 201
- Erste Strahlungsquelle/Laser
- 202
- erster Detektor
- 203
- erster Reflexionspunkt
- 204
- zweiter Reflexionspunkt
- 205
- dritter Reflexionspunkt
- 206
- vierter Reflexionspunkt
- 207
- zweite Strahlungsquelle/Fotodiode
- 208
- zweiter Detektor
- 209
- Optischer Pfad der zweiten elektromagnetischen Strahlung
- 214
- Trennelement/Montageplatine
- 215
- gemeinsamer Messkanal
- 216
- gemeinsame Längsachse
- 217
- Einlass des gemeinsamen Messkanals
- 218
- Auslass des gemeinsamen Messkanals
- 219
- Einlassfenster
- 220
- Bikonvexe Linse
- 221
- Auslassfenster
- 222
- Off-Axis-Parabolspiegel
- 223
- Austrittsfläche der optischen Faser
- 224
- Eintrittsfläche der weiteren optischen Faser
- 225
- Abstandsprofile
- 226
- Steuerungseinheit
- 227
- Schutzkanal
- 228
- Zwischenraum
