DE19541516A1

DE19541516A1 - Laserdiodenbasierte lambda-Sonde

Info

Publication number: DE19541516A1
Application number: DE1995141516
Authority: DE
Inventors: Alfred Prof Dr Ing Leipertz; Daniel Dipl Ing Hofmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-11-08
Filing date: 1995-11-08
Publication date: 1997-05-15
Anticipated expiration: 2015-11-09
Also published as: DE19541516C2

Description

Aus Single-mode-Diodenlaser und Photodiode aufgebaute λ-Sonde zur berührungslosen "in- situ"-Bestimmung der Sauerstoffkonzentration zur Analyse, Kontrolle und/oder Regelung eines technischen Prozesses, in dem sauerstoffaktive Reaktionsprozesse (Oxidations- und Reduktionsprozesse) stattfinden, z. B. eines Verbrennungsmotors oder eines chemischen Reaktors, wie z. B. Blasensäulen oder Rührreaktoren.

Zur Kontrolle sauerstoffaktiver technischer Prozesse, z. B. von Verbrennungsprozessen in Kraftfahrzeugen, werden sogenannte λ-Sonden eingesetzt [1], wobei die Bestimmung des Sauerstoffs auf unterschiedlichem Wege erfolgt [1, 2]. Eine solche Messung über die Absorption geeignet gewählter Strahlung von Lasern oder Laserdioden ist für solche technischen Anwendungsfälle bisher nicht bekannt.

Bei der hier vorgestellten Erfindung wird die Absorption von Laserstrahlung durch Sauerstoff im sogenannten A-Band zur quantitativen Bestimmung der Sauerstoffkonzentrationen genutzt. Das A-Band stellt einen elektronischen Übergang (b¹Σ_g ^- ← X³Σ_g⁺) ohne Änderung des Vibrationsniveaus dar. Die Absorptionslinien liegen im sichtbaren und nah-infraroten Bereich zwischen 759 nm und 770 nm [3].

Eingestrahltes Licht, dessen Frequenz einer Absorptionslinie entspricht, wird proportional zur Linienstärke, zur Sauerstoffkonzentration und zur durchstrahlten Länge abgeschwächt. Diese Abschwächung gehorcht dem Beer′schen Gesetz: I = I₀e⁻^α ^L = I₀e⁻^ε ^cL [4]. Durch Messung der Abschwächung kann bei bekannter Absorptionslänge und Linienstärke die Konzentration ermittelt werden. Durch Auswahl geeigneter modulationsspektroskopischer Detektionsverfahren kann eine Sensitivität von 0,1 Vol-%-Sauerstoff pro cm Absorptionsweg erreicht werden [5]. Eine so gewonnene Meßinformation ist integral über den optischen Weg aufgelöst gegeben. Die Nutzung mehrerer Laserdioden und Photodetektoren gleichzeitig ermöglicht über tomographische Auswertetechniken auch eine lokale Meßinformation [6], wie sie z. B. in chemischen Reaktoren gewünscht ist.

Zur Korrektur möglicher Verschmutzungseinflüsse auf den Fenstern der Meßobjekte, die von der Laserdiodenstrahlung durchstrahlt werden und bei Nichtkorrektur zusätzliche Absorptionseffekte vortäuschen würden, wird direkt neben der Meßlaserdiode eine zweite mit leicht versetzter Wellenlänge angebracht, deren Strahlung von einer zweiten Photodiode, lokal neben der Meßphotodiode plaziert, detektiert wird. Da an dieser spektralen Stelle eine reine Verschmutzungsabschwächung der Strahlung detektiert wird, kann mit ihrer Hilfe auch die Abschwächung der Meßstrahlung entsprechend korrigiert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ohne Verschmutzungskorrektur ist in Abb. 1 dargestellt.

Die Meßanordnung besteht prinzipiell aus einer Laserdiode (1) als Sender, einer Photodiode (2) als Empfänger und geeigneter Steuer- und Auswerteelektronik (3).

Das benötigte monochromatische Licht wird mit einer Single-mode-Laserdiode der nominellen Emissionsfrequenz 780 nm erzeugt. Je nach Produktionsserie liegt die Emissionsfrequenz der Laserdioden auch höher oder tiefer, so daß ausgesuchte Laserdioden im geforderten Bereich arbeiten. Diese Laserdioden lassen sich durch geeignete Wahl von Betriebstemperatur und Betriebsspannung und Stabilisierung dieser Größen durch die Steuerelektronik (3) auf eine bestimmte, gewünschte Emissionsfrequenz bringen.

Die als λ-Sonde aufgebaute Sonde besteht aus einem elektronisch temperaturstabilisierten Diodenlaser (1), dessen Emission über eine Lichtwellenleitfaser (LW1) mit Kollimationsoptik in den Untersuchungsbereich gebracht wird. Der kollimierte Strahl tritt durch das Untersuchungsvolumen (U) und wird in eine zweite Lichtwellenleitfaser (LW2) eingekoppelt. Durch diese Faser wird das Signal auf die Detektionsphotodiode (2) gebracht. Die Nutzung der Lichtwellenleiter ist oftmals notwendig, um die für den Betrieb der Laserdiode notwendige Temperaturstabilität auch bei der Untersuchung technischer Prozesse mit hohen Temperaturschwankungen, z. B. Verbrennungsprozessen, zu ermöglichen.

Wegen der geringen Absorptionsstärke bei kleinen Sauerstoffkonzentrationen werden modulationsspektroskopische Detektionsmethoden angewendet. Dabei wird die Wellenlänge der Einstrahlung durch geringe Variation der Versorgungsspannung im kHz-MHz-Bereich ständig über die Wellenlänge der Absorptionslinie verfahren. Die Stärke der Modulation wird so gewählt, daß die Änderung der Wellenlänge etwa der Linienbreite der Absorptionslinie entspricht. Eine Detektion mit der doppelten Frequenz der Modulation ergibt ein Signal, das der zweiten Ableitung der Form der Absorptionslinie entspricht. Die Signalamplitude "S" ist im Bereich kleiner Absorption ein direktes Maß für die Absorptionsstärke. Bei bekanntem Abstand zwischen Sende-Lichtwellenleiter und Detektions-Lichtwellenleiter kann über den Vergleich mit gerechneten oder gemessenen Absorptionslinienstärken die mittlere Sauerstoffkonzentration über das durchstrahlte Volumen im Untersuchungsvolumen ermittelt werden. Das Ausgangssignal Sauerstoffkonzentration (O₂) kann als Regelgröße für den betrachteten Prozeß, z. B. einen Verbrennungsmotor, verwendet werden.

Zur Gewinnung einer solchen Meßinformation mit hoher lokaler Auflösung werden mehrere Laserdioden und Detektoren um das Meßobjekt herum angeordnet (Abb. 2). Die Nutzung aller von einzelnen Laser- und Photodioden-Anordnungen gewonnenen Integralwerte ermöglicht mit tomographischen Auswertemethoden ein zweidimensionales Bild der Absorptionsverteilung und damit der Konzentrationswerte des Sauerstoffs. Eine solche kann zeitaufgelöst über die gleichzeitige Anwendung mehrerer solcher Dioden-Anordnungen um das Meßobjekt herum gewonnen werden, oder zeitgemittelt mit nur einer Anordnung, die fest zueinander ausgerichtet das Meßobjekt umkreist.

Literatur

1 Arbeitsmappe KFZ-Technik: technische Unterrichtung/Bosch, Motor Elektronik, VDI- Verlag, Düsseldorf, 1990
2 Kolar, J., Stickstoffoxide und Luftreinhaltung, Springer Verlag, Berlin, 1990
3 Ritter, K. J. and Wilkerson, T. D., High-Resolution Spectroscopy of the Oxygen A Band, Journal of Molecular Spectroscopy, 121, 1987, 1-19
4 Demtröder, W., Laserspektroskopie, Springer-Verlag, Berlin, 1991
5 Bruce, D. M. and Cassidy D. T., Detection of Oxygen using Short External Cavity GaAs Semiconductor Diode Lasers, Applied Optics, Vol. 29, No. 9, 1990, 1327-1332
6 Obertacke, R., Ein emissionstomographisches Sensorsystem für die Bestimmung zweidimensionaler Temperatur- und Radikalfelder in Feuerungen, Berichte zur Energie- und Verfahrenstechnik -BEV-, Heft 95.1, Esytec, Erlangen, 1995.

Claims

1. Aus Single-mode-Diodenlaser und Photodiode aufgebaute λ-Sonde zur berührungslosen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und deren Änderung in Fluiden, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersuchungsvolumen mittels einer über geeignete Temperatur- und Spannungsführung auf eine Absorptionswellenlänge von Sauerstoff gebrachten Single-mode- Laserdiode, auf die eine Modulationsfrequenz auf die Wellenlänge aufgeprägt ist, durchstrahlt wird und die transmittierte Strahlung mittels einer Photodiode detektiert und mit der doppelten Modulationsfrequenz demoduliert wird, um ein Signal zu erhalten, das direkt proportional zur Absorptionsstärke, und damit der Konzentration des Sauerstoffs im Untersuchungsvolumen ist.

2. λ-Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Single-mode-Diodenlaser und Untersuchungsbereich sowie zwischen Untersuchungsbereich und Photodiode geeignete Lichtwellenleiter eingesetzt werden.

3. λ-Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verschmutzungskorrektur neben Meßlaser und Meßphotodiode auf einer zweiten, parallelen Meßstrecke mit anderer Wellenlänge eine weitere Laserdiode und eine weitere Photodiode plaziert sind, deren Abschwächungssignal zur Korrektur des Meßsignals genutzt wird.

4. λ-Sonde nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere solcher Einzelanordnungen von Single-mode-Diodenlaser und Photodiode mit oder ohne Lichtwellenleiternutzung und mit oder ohne Verschinutzungskorrektur gleichzeitig mit tomographischer Auswertung zur Erfassung zeitlich und lokal aufgelöster Konzentrationswerte eingesetzt werden.

5. λ-Sonde nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine solche Einzelanordnung von Single-mode-Diodenlaser und Photodiode mit oder ohne Lichtwellenleiternutzung und mit oder ohne Verschmutzungskorrektur in einer das Meßobjekt umkreisenden Anordnung in Verbindung mit tomographischen Auswerteverfahren zur lokal aufgelösten Erfassung der Sauerstoff-Konzentrationswerte eingesetzt wird.

6. λ-Sonde nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß diese genutzt wird zur Analyse, Kontrolle und/oder Regelung eines motorischen Verbrennungsprozesses, indem die Sonde im Abgasbereich geeignet plaziert wird.

7. λ-Sonde nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß diese, plaziert im Abgasbereich, genutzt wird zur Analyse, Kontrolle und/oder Regelung eines technischen Verbrennungsprozesses von Gasturbinenanlagen, Hausheizungsanlagen und/oder Kraftwerksfeuerungen.

8. λ-Sonde nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß diese genutzt wird zur Analyse, Kontrolle und/oder Regelung von sauerstoffaktiven chemischen Prozessen in chemischen Reaktoren, wie z. B. in Blasensäulen und/oder Rührreaktoren.