DE10309604A1

DE10309604A1 - Absorptionsgas-Sensor

Info

Publication number: DE10309604A1
Application number: DE2003109604
Authority: DE
Inventors: Max Dr. Guntersdorfer; Hans Prof. Dr. Meixner; Oliver Hennig; Rainer Strzoda
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2004-09-23

Abstract

Absorptionsgas-Sennsor mit abstimmbarer Laserdiode (1) zur Gasdetektion in einem Abgasstrom (4) einer Verbrennungsmaschine, bestehend aus mindestens einer Laserdiode (1) und mindestens einem Fotodetektor (2) zur Darstellung einer Absorptions-Messstrecke mit einem Absorptionsweg (3), der im Wesentlichen quer zu dem Abgasstrom (4) ausgerichtet ist, wobei Laserdiode (1) und Fotodetektor (2) an in einem Abgasrohr (5) vorhandenen gegenüberliegenden Öffnungen (7) mit direktem Kontakt zum Abgasstrom (4) positioniert sind und die Öffnungen (7) jeweils verschließen und dass Laserdiode (1) und Fotodetektor (2) an den äußeren Enden radial ausgerichteter und an den Öffnungen (7) entlang eines Absorptionsweges (3) gegenüberliegend positionierter Rohre (6) angebracht und die Rohre (6) an den Öffnungen (7) mit dem Abgasfluss (4) mit der Umgebung verbindenden Öffnungen (10) mit dem Abgasrohr (5) verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Absorptionsgas-Sensor mit abstimmbarer Laserdiode zur Gasdetektion mittels des TDLAS-Systems (tunable diode laser absorption spectroscopy/Absorptionsspektroskopie mit abstimmbarer Laserdiode). Es werden Abgasanalysen an Abgasleitungen von Verbrennungsmaschinen vorgenommen.

Um Messungen mit gleichbleibender Qualität an Abgassystemen vorzunehmen, ist es erforderlich für den für die Messung benutzten Wellenlängenbereich eine transparente Messstrecke zu gewährleisten. Der Stand der Technik ist in der 4 dargestellt. In einem Abgasfluss, der in einem Abgasrohr strömt, herrschen sehr unterschiedliche Temperaturen, die mindestens in einem Temperaturbereich von –40 bis +200 °C liegen können. Darüber hinaus ist das Abgas äußerst korrosiv und enthält Ruß und Schmutzpartikel. Somit werden in einer Konstruktion entsprechend dem Stand der Technik, wie sie in 4 dargestellt ist, unmittelbar dem Abgasfluss ausgesetzte Bauteile, beispielsweise Schutzgläser einer Laserdiode oder eines Fotodetektors relativ schnell verschmutzen. Dies insbesondere vor dem Hintergrund, dass die Sensorumgebung relativ kälter ist als das Abgas. Da Laserdiode und Fotodetektor derart an dem Abgasrohr angebracht sind, dass das Licht der Laserdiode auf den Detektor trifft, nachdem es den Abgasfluss durchquert hat, kann dieser Absorptionsweg als Absorptions-Messstrecke betrachtet werden. Dabei ist jedoch die dauerhafte Funktion der Laserdiode zu gewährleisten. Gleiches gilt für den Fotodetektor. Die auf den Schutzfenstern von Laserdiode und Fotodetektor mit der Zeit abgelagerten Verbrennungsrückstände unterbrechen jedoch diesen Absorptionsweg. Je nach Art der Datenerfassung des Sensors führt eine Beeinträchtigung der Transparenz der Messstrecke zu einem Sensitivitätsverlust, zu Fehlmessungen oder zu einer Stabilitätsbeeinträchtigung.

Verschmutzte optische Fenster und Bauteile können somit Messungen der genannten Art wesentlich behindern. Eine Abhilfe besteht bisher lediglich darin, verschmutzte Teile zu reinigen oder auszutauschen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Absorptionsgas-Sensor zur Messung in den Abgasleitungen von Verbrennungsmaschinen derart einzubauen, dass Verschmutzungen optischer Fenster oder Bauteile weitestgehend verhindert werden.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination entsprechend Anspruch 1, insbesondere im kennzeichnenden Teil.

Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Verschmutzung von optischen Fenstern und Bauteilen des Gassensors wie Laserdiode und Fotodetektor verhindert werden können, indem an den Befestigungspositionen von Laserdiode und Fotodetektor an einem Abgasrohr ein Luftstrom aus der Umgebung in den Abgasfluss hinein zugelassen wird. Entsprechendes wird durch Öffnungen bewirkt, die in der Konstruktion bzw. in der Befestigung der Sensorelemente am Abgasrohr vorgesehen sind, so dass Luft aus der Umgebung über diese Öffnungen und über die Öffnungen in dem Abgasrohr die ohnehin für den Absorptionsweg des Gassensors vorgesehen sind, beigemischt wird. Darüber hinaus sind sowohl Laserdiode als auch Fotodetektor in radialer Richtung wesentlich weiter vom Abgasrohr entfernt als im Stand der Technik. Dies wird durch den Einbau am Ende von verlängerten Montagerohren bewirkt.

Um die Saugwirkung des Abgasstromes im Abgasrohr zu verstärken, kann das Abgasrohr an der Stelle der Montage des Abgassensors in vorteilhafter Weise verjüngt werden. Mittels eines Luftzuführsystems kann weiterhin das Sensorsystem mit sauberer Luft versorgt werden, so dass keinerlei zusätzliche Verschmutzungsursachen entstehen.

Im Folgenden werden anhand von schematischen die Erfindung nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben:
1 zeigt einen Aufbau eines Absorptionsgas-Sensors mit Verschmutzungsprävention für die optischen Bauteile an einem Abgasrohr,
2 zeigt zur Verdeutlichung der Verschmutzungsprävention einen vergrößerten Ausschnitt entsprechend 1,
3 zeigt eine Ausführung der Erfindung, wobei der Sensor zur Erhöhung der Fließgeschwindigkeit und der Sogwirkung im Bereich einer Verjüngung des Abgasrohres montiert ist,
4 zeigt einen herkömmlichen Aufbau eines TDLAS-Gassensors zur Gasanalyse an Abgasleitungen.
Ausgehend vom Stand der Technik entsprechend 4 kann festgestellt werden, dass eng mit dem Abgasstrom in Verbindung stehende optische Fenster oder Bauteile von Abgassensoren regelmäßig aufgrund von Temperaturunterschieden, korrosiven Angriffen oder Ablagerungen von Ruß und Staub unbrauchbar werden. Diese Rückstände absorbieren und streuen das benutzte Licht, welches bei genügender Schichtdicke den Absorptionsweg letztendlich unterbricht.
Da das strömende Abgas innerhalb des Abgaskanals für einen Unterdruck innerhalb des Rohres im Vergleich zum Umgebungsdruck sorgt, kann das Prinzip einer Wasserstrahlpumpe oder eines Bunsenbrenners ausgenutzt werden. Bohrungen im Abgaskanal wirken druckausgleichend indem eine Strömung in den Kanal hinein aufgebaut wird. In 1 ist ein möglicher Aufbau dargestellt. Dabei werden Laserdiode 1 und Fotodetektor 2 durch Öffnungen 7 zunächst optisch verbunden, so dass ein Absorptionsweg bzw. eine Absorptions-Messstrecke dargestellt ist. Weiterhin sind Öffnungen 10 vorgesehen, mittels der der Abgasfluss 4 mit der Umgebungsluft verbunden ist. Der Abgasfluss 4 saugt über die als Bohrung ausgeführten Öffnungen 7 und über die Öffnungen 10 Umgebungsluft entsprechend dem Luftstrom 8 in der 2 an. Durch diese Maßnahme und durch die größere Distanz der Laserdiode 1 und des Fotodetektors 2 zur Wand des Abgasrohres 5 werden die optischen Teile des Gassensors vor Verschmutzung geschützt. Die Rohre 6 sind vorzugsweise aus einem schlecht wärmeleitenden und verbiegungssteifen Material, wie beispielsweise Keramik.
2 stellt eine vergrößerte Ausschnittszeichnung der 1 dar. Dargestellt ist der Bereich um die Öffnung 7 an der Seite der Laserdiode 1. Zu erkennen ist weiterhin die Ausrichtung des Absorptionsweges 3, des Luftstroms 8 und des Abgasflusses 4. Nicht dargestellt sind Laserdiode 1 und Fotodetektor 2 sowie die mechanischen Halterungen des Rohres 6, welches relativ zur Öffnung 7 im Abgasrohr 5 positioniert und arretiert ist. Der durch die Öffnungen 10 und 7 erzeugte Luftstrom in den Abgaskanal hinein beruht auf einer Druckdifferenz bzw. darauf, dass der Abgasfluss 4 den Luftstrom 8 mitreißt. Eine Verschmutzung des Detektors oder der Diode durch Verbrennungsrückstände wird nur somit Schlichtweg dadurch verhindert, dass die Abgase mit ihren Schmutzpartikeln nicht an die optischen Bauteile gelangen. Das Einfügen von Klappen, die in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Abgasflusses 4 gesteuert werden, kann das Verschmutzen der Bauteile in der Phase verhindern, in der der Abgasfluss nicht die erforderliche Druckdifferenz erzeugen kann. Dies liegt beispielsweise beim An- und Ausschaltvorgang des Abgas erzeugenden Verbrennungsvorgangs vor.
Durch das Einbringen einer Verjüngung im Abgasrohr 5, wobei der Sensor in diesem Bereich angebracht ist, kann die Sogwirkung verstärkt werden. Diese in 3 dargestellte Ausführungsform der Erfindung sorgt für höhere Durchflussgeschwindigkeit, bedingt durch eine stärkere Druckdifferenz entsprechend der Beziehung nach Bernoulli. Hierdurch wird der Gassensor auch bei geringeren Abgasvolumina in gewünschter Art und Weise funktionieren.
Die angesaugte Luft soll arm an den zu untersuchenden Gasen sein, um die Messung nur wenig zu beeinflussen. Andernfalls würde eine Hintergrundkorrektur am Sensor durchgeführt werden müssen. Um die Verschmutzung der optischen Bauteile durch die Bestandteile der angesaugten Luft zu verhindern, sollte diese ebenfalls nicht verschmutzt sein. Um dies zu erreichen, kann die Luft beispielsweise über einen Schlauch oder ein anderes Leitungssystem aus einer geeigneten Umgebung angesaugt werden.
Der Absorptionsgas-Sensor wird als in TDLAS-Gassensor ausgelegt, da dieser eine äußerst kleine Bauweise aufweist. Um die dauerhafte Funktion des Diodenlasers zu gewährleisten, ist dieser jedoch auf einer für ihn charakteristischen Temperatur zu halten. Dies kann in Abhängigkeit von der Abgastemperatur und von der Bauart des Sensors unter Umständen auch für den Fotodetektor erforderlich sein. Diese Betriebstemperaturen liegen jedoch in der Regel unterhalb der Temperatur des Abgases.

Claims

Absorptionsgas-Sensor mit abstimmbarer Laserdiode (1) zur Gasdetektion in einem Abgasstrom (4) einer Verbrennungsmaschine bestehend aus mindestens einer Laserdiode (1) und mindestens einem Fotodetektor (2) zur Darstellung einer Absorptions-Messstrecke mit einem Absorptionsweg (3), der im Wesentlichen quer zu dem Abgasstrom (4) ausgerichtet ist, wobei Laserdiode (1) und Fotodetektor (2) an in einem Abgasrohr (5) vorhandenen gegenüberliegenden Öffnungen (7) mit direktem Kontakt zum Abgasstrom (4) positioniert sind, dadurch gekennzeichnet, dass Laserdiode (1) und Fotodetektor (2) an den äußeren Enden radial ausgerichteter und an den Öffnungen (7) entlang eines Absorptionsweges (3) gegenüber liegend positionierter Rohre (6) angebracht und die Rohre (6) an den Öffnungen (7) mit dem Abgasfluss (4) mit der Umgebung verbindenden Öffnungen (10) mit dem Abgasrohr (5) verbunden sind.
Absorptionsgas-Sensor nach Anspruch 1, bei dem an den Öffnungen Klappen vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Abgasflusses (4) steuerbar sind.
Absorptionsgas-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Abgasrohr (5) im Bereich der Absorptions-Messstrecke verjüngt ist.
Absorptionsgas-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Zuführsystem zur Zuführung von Luft in den Abgasfluss (4) über die Öffnungen (10, 7) vorgesehen ist.