DE4324118C2

DE4324118C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Emissionsrate mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs

Info

Publication number: DE4324118C2
Application number: DE4324118A
Authority: DE
Inventors: Harald Dr Rippel; Klaus Prof Dr Schaefer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Kayser Threde GmbH
Current assignee: Erwin Kayser-Threde 81379 Muenchen De Forsc GmbH
Priority date: 1993-07-19
Filing date: 1993-07-19
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2013-07-20
Also published as: DE4324118A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Emissionsrate mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs.

Mit der steigenden Verschmutzung der Umwelt durch Schadstoffe und den daraus resultierenden behördlich auferlegten Anforderungen für die Schadstoffreduzierung kommt der Messung beispielsweise der Konzentration von einzelnen Gaskomponenten eines Gasgemischs besondere Bedeutung zu. Die optische Fernerkundung geführter Gasemissionen, wie in Fig. 9a und 9b dargestellt, bietet eine Möglichkeit, Gaskomponenten, beispielsweise in den geführten Emissionen einer Fabrik (Fig. 9a) oder in den Abgasen eines Flugzeugtriebwerks (Fig. 9b) zu erfassen. Derartige optische Fernerkundungssysteme werden seit ca. zwanzig Jahren für die Messung von Gaskomponenten bzw. Spurengasen genutzt.

Bei den optischen Fernerkundungssystemen lassen sich zwei Prinzipien unterscheiden. Das eine Prinzip basiert darauf, das Gasgemisch G mit einer Lichtquelle einer bestimmten Wellenlänge zu bestrahlen und das Absorptionsspektrum (oder Transmissionsspektrum) zur Bestimmung der gemittelten Konzentration von einzelnen Gaskomponenten G1, G2 auszuwerten.

Das andere Prinzip basiert auf der direkten Auswertung des Eigenemissionsspektrums des Gasgemischs G.

Fig. 10a zeigt eine typische herkömmliche Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten gemäß dem ersten Prinzip der differentiellen Absorptionsspektroskopie. Zwei von einer Steuereinrichtung 22 gesteuerte Laser 23, 24 emittieren zwei Laserlichtstrahlen mit Wellenlängen λ1, λ2, die auf eine Meßzelle 25 mit dem Gasgemisch G gerichtet sind. Wie Fig. 10b zeigt, liegt die Wellenlänge λ1 immer bei der Absorptionslinie des zu untersuchenden Gases. Die Wellenlänge λ2 liegt benachbart zu der Wellenlänge λ1 in einem Bereich, an der keine Absorptionslinie für das zu untersuchende Spurengas vorhanden ist. In der Verarbeitungseinheit 26 wird dann die bei der Wellenlänge λ2 ermittelte Hintergrundstrahlung von der bei λ1 ermittelten Strahlung subtrahiert. Daraus wird die über den Strahlungskegel der Laser 23, 24 gemittelte Konzentration des Spurengases auf Grund der ermittelten Größe der Absorptionslinie bestimmt. Dynamische Vorgänge in dem Gasgemisch G und räumliche Teilchenverteilungen, die für die Bewertung von Schadstoffemissionen maßgeblich sind, lassen sich aber mit der in Fig. 10a gezeigten Analysevorrichtung nicht ermitteln.

Die EP-0 421 291 A1, die DE-39 20 470 C2 und die DE 40 10 004 A1 beschreiben weitere Vorrichtungen zur spektroskopischen Analyse der Konzentration von Gaskomponenten eines Gasgemisches, wobei, wie oben beschrieben, ebenfalls Licht in das Gasgemisch eingestrahlt und das Absorptionsspektrum ausgewertet wird.

DE 90 10 621 U1 beschreibt eine Analysevorrichtung, bei der ein Strahlteiler verwendet wird, um die Strahlung zweier Lichtquellen zu kombinieren und in eine Meßzelle einzustrahlen. Zur Auswertung des von der Meßzelle absorbierten Lichtes sind Lichtdetektoren zu beiden Seiten der Meßzelle angeordnet. Auch diese Analysevorrichtung kann lediglich die gemittelte Konzentration und nicht die räumliche Verteilung oder dynamische Vorgänge in dem Gasgemisch bestimmen.

Die DE 30 05 520 C2 beschreibt eine Analysevorrichtung, die auf dem oben erwähnten zweiten Prinzip beruht, d. h. die Vorrichtung bestimmt das Emissionsspektrum in Fig. 10c auf der Grundlage der Eigenemission des Gasgemischs. Dieses auf dem Michelson- Interferometer basierende Fourier-Spektrometer besitzt eine hohe spektrale Auflösung und ermöglicht somit die Konzentrationsanalyse einer Vielzahl von Spurengasen in kurzer Zeit. Auf der Grundlage des aufgenommenen Emissionsspektrums (Fig. 10c) kann durch Auswertung der spurengasspezifischen Signaturen auf die über die Breite der Gasemission gemittelte Konzentration einzelner Spurengase und auf die Fahnentemperatur im Gasgemisch geschlossen werden. Obwohl dieses Fourier- Spektrometer eine hohe spektrale Auflösung besitzt, kann damit jedoch nur die gemittelte Konzentration einzelner Spurengase bestimmt werden. Dynamische Vorgänge und räumliche Verteilungen können damit aber nicht bestimmt werden.

Die DE 40 15 623 A1 bzw. DE 40 15 623 C2 beschreibt eine Analysevorrichtung zur Darstellung der räumlichen Verteilung eines Gasgemischs, wie in Fig. 11 dargestellt. Eine Aufnahmeeinrichtung A, die das Eigenemissionsspektrum eines Gasgemisches aufnimmt, umfaßt ein Bandpaßfilter 27, ein Objektiv 28 und ein gasselektives Modulationselement 29. Eine Auswerteeinrichtung B umfaßt ein zweidimensionales Sensorfeld 30, eine Verarbeitungseinrichtung 31 und eine Anzeigeeinrichtung 32. Das Bandpaßfilter 27 begrenzt die einfallende Strahlung des Eigenemissionsspektrums auf den Wellenlängenbereich, in dem eine Komponente des Gasgemischs Strahlung absorbiert oder emittiert. Das gasselektive Modulationselement 19, welches als ein Gasfilterrad ausgeführt sein kann, führt eine Grauwert-Modulation der Bildelemente des zweidimensionales Sensorfeldes 30 durch. Aus den Differenzen der Bildgrauwerte wird in der Verarbeitungseinheit 31 die räumliche Verteilung der Komponente ermittelt und auf der Anzeigeeinrichtung 32 dargestellt. Da diese Analysevorrichtung nicht auf dem Prinzip der differentiellen Absorptionsspektroskopie beruht, ist eine aufwendige Modulation der von dem Objektiv 28 aufgenommenen Eigenemission erforderlich. Durch die Modulation und deren Auswertung ergibt sich aber eine hohe Verarbeitungszeit und somit können keine dynamischen Vorgänge dargestellt werden.

Aus Applied Optics, Bd. 14, Nr. 12, Dezember 1975, Seiten 2896 bis 2904 ist ein Gaszellen-Korrelations-Spektrometer bekannt, welches zur Fernerfassung von Spurengasen in der Atmosphäre mittels der natürlichen Emission im Infrarotbereich ausgelegt ist.

Bei diesem bekannten Gaszellen-Korrelationsspektrometer ist ein Paar von Gaszellen vorgesehen. Eine Zelle, bezeichnet als die Maßgaszelle, enthält eine willkürlich ausgelegte Menge des zu erfassenden Zielgases, während die zweite Zelle, die Referenzgaszelle, ein spektral inaktives Gas enthält. Die optische Tiefe des Zielgases in der Meßzelle wird optimiert für ein maximales Produkt der Modulation der Zielgasenergie und der mittleren Transmission. Eine eintretende Strahlungscharakteristik des Zielgases wird selektiv gefiltert durch Absorption in der Meßzelle, aber wird leicht durch die Referenzzelle durchgelassen. Deshalb ist die Strahlung, die durch die Meßzelle durchgelassen wird, weitgehend unabhängig von der Gegenwart der Zielgassignatur in dem empfangenen Spektrum, wohingegen die Strahlung, die durch die Referenzzelle durchgelassen wird, stark abhängig ist von der Gegenwart des Zielgases. Die Differenz in der spektralen Transmittanz zwischen den zwei Zellen ist somit ein empfindlicher Indikator der Menge einer Zielgassignatur in der Strahlung, die durch den Sensor empfangen wird.

Mit den herkömmlichen Analysevorrichtungen und Analyseverfahren lassen sich jedoch nur die über die Breite einer Gasemission gemittelte Teilchenmenge von Gaskomponenten bzw. die Fahnentemperatur bestimmen, wobei keinerlei Information über räumliche sowie dynamische Vorgänge in dem Gasgemisch bestimmt werden. Für den Benutzer sind diese Größen aber von keinem großen Interesse, um Umweltschutzauflagen zu erfüllen, die sich größtenteils auf die Einhaltung von Emissionsraten von Schadstoffemissionen in begrenzten räumlichen Gebieten beziehen. Dafür ist es aber erforderlich, genaue Informationen über das räumliche sowie zeitliche Ausbreitungsverhalten von einzelnen Gaskomponenten in dem Gasgemisch in kurzer Zeit zu ermitteln.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit
ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche Informationen über das räumliche sowie zeitliche Ausbreitungsverhalten mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs in kurzer Zeit bestimmen können.

Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt ein Verfahren zur Bestimmung der Emissionsrate mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs die folgenden Schritte:

a) Messen einer zweidimensionalen Intensitätsverteilung des Emissionsspektrums mindestens einer Gaskomponente des Gasgemischs;
b) Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches aus der zweidimensionalen Intensitätsverteilung des Emissionsspektrums und aus deren Gradienten;
c) Bestimmen eines Geometriefaktors entsprechend dem Verhältnis eines Gasaustrittsquerschnitts zur Breite der Gasströmung aus dem Gradienten der zweidimensionalen Intensitätsverteilung des Emissionsspektrums in radialer Richtung;
d) Bestimmen der längenintegrierten Teilchenmenge entlang der Breite der Gasströmung für die mindestens eine Gaskomponente; und
e) Bestimmen der Emissionsrate der mindestens einen Gaskomponente aus dem Geometriefaktor, der Strömungsgeschwindigkeit und der längenintegrierten Teilchenmenge.

Die obige Aufgabe wird außerdem durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Emissionsrate mindestens einer Gaskomponente in einem Gasgemisch gelöst, welche die folgenden Merkmale umfaßt:

a) eine Intensitätsmeßvorrichtung zur selektiven Messung der zweidimensionalen Intensitätsverteilung des Emissionsspektrums mindestens einer Gaskomponente des Gasgemisches;
b) einen Teilchenanalysator zur Bestimmung einer längenintegrierten Teilchenmenge entlang der Breite der Gasströmung für die mindestens eine Gaskomponente; und
c) einen Rechner umfassend:
- - eine erste Berechnungseinrichtung zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemischs aus der zweidimensionalen Intensitätsverteilung des Emissionsspektrums und aus deren Gradienten;
- - eine zweite Berechnungseinrichtung zur Bestimmung eines Geometriefaktors entsprechend dem Verhältnis eines Gasaustrittsquerschnitts zur Breite der Gasströmung aus dem Gradienten der räumlichen Intensitätsverteilung des Emissionsspektrums in radialer Richtung; und
- - eine dritte Berechnungseinrichtung zur Bestimmung der Emissionsrate der mindestens einen Gaskomponente aus dem Geometriefaktor, der Strömungsgeschwindigkeit und der längenintegrierten Teilchenmenge.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzen insbesondere den Vorteil, daß lediglich durch die Erfassung der räumlichen Intensitätsverteilung des Emissionsspektrums und der längenintegrierten Teilchenmenge die Informationen über das räumliche sowie zeitliche Ausbreitungsverhalten von einzelnen Gasen des Gasgemischs gewonnen werden können. Über die Emissionsrate, d. h. die zeitliche Veränderung der Konzentration der einzelnen Gaskomponenten können außerdem Größen ermittelt werden, die wirklich für den Benutzer von Interesse sind, beispielsweise die Windrichtung, die Flußgeschwindigkeit oder der Massenfluß.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zudem in ihrem Aufbau einfach und handlich, da lediglich eine Intensitätsmeß vorrichtung, ein Teilchenanalysator und ein Rechner vorgesehen werden müssen.

Es ist vorteilhaft, zur Ermittelung der räumlichen Intensitätsverteilungen des Emissionsspektrums für die Intensitätsmeßvorrichtung eine Infrarotkamera mit einem davor angeordneten Filter zu verwenden, wobei das Filter eine Bandcharakteristik bei der charakteristischen Wellenlänge einer zu untersuchenden Gaskomponente aufweist. Somit können in vorteilhafter Weise bekannte Technologien zur Ermittelung der Emissionsrate verwendet werden.

In vorteilhafter Weise kann zur Messung der zweidimensionalen Intensitätsverteilung des Emissionsspektrums ein Verfahren verwendet werden, welches die folgenden Schritte umfaßt:

a) Aufnehmen eines zweidimensionalen Emissionsspektrums des Gasgemisches in einem räumlich begrenzten zweidimensionalen Gebiet;
b) Aufteilen des empfangenen Emissionsspektrums in ein erstes und ein zweites Teilemissionsspektrum;
c) Filtern des ersten und zweiten Teilemissionsspektrums mit mindestens einem Referenzfilter einer zweidimensionalen Referenzfilter-Anordnung und mindestens einem Gasselektionsfilter einer zweidimensionalen Gasselektionsfilteranordnung; wobei die Durchlaßcharakteristik der Gasselektionsfilteranordnung einer charakteristischen Wellenlänge der zu untersuchenden Gaskomponente und die Durchlaßcharakteristik der Referenzfilteranordnung einer Hintergrundwellenlänge entspricht;
d) Empfangen des ersten und zweiten gefilterten Teilemissionsspektrums;
e) Ermitteln der zweidimensionalen Intensitätsverteilung des Emissionsspektrums der mindestens einen Gaskomponente auf der Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums.

Weiter ist es vorteilhaft für die Intensitätsmeßvorrichtung eine Vorrichtung zu verwenden, welche die folgende Merkmale umfaßt:

a) eine Aufnahmeeinrichtung zum Empfang eines zweidimensionalen Emissionsspektrums des Gasgemischs in einem räumlich begrenzten zweidimensionalen Gebiet;
b) eine Strahlteilereinrichtung zum Aufteilen des empfangenen Emissionsspektrums in ein erstes und ein zweites Teilemissionsspektrum;
c) ein erstes und ein zweites zweidimensionales Sensorfeld zum Empfang des ersten und zweiten Teilemissionsspektrums;
d) eine zweidimensionale Referenzfilter-Anordnung, die zwischen der Strahlteilereinrichtung und dem ersten zweidimensionalen Sensorfeld angeordnet ist und mindestens ein Referenzfilter zur Filterung des ersten Teilemissionsspektrums aufweist.
e) eine zweidimensionale Gasselektionsfilter-Anordnung, die zwischen der Strahlteilereinrichtung und dem zweiten zweidimensionalen Sensorfeld angeordnet ist und mindestens ein Gasselektionsfilter zur Filterung des zweiten Teilemissionsspektrums aufweist, wobei die Durchlaßcharakteristik der Gasselektionsfilteranordnung einer charakteristischen Wellenlänge der zu untersuchenden mindestens einen Gaskomponente und die Durchlaßcharakteristik der Referenzfilteranordnung einer Hintergrundwellenlänge entspricht; und
f) eine Verarbeitungseinrichtung zur Ermittelung der räumlichen Intensitätsverteilung des Emissionsspektrums der mindestens einen Gaskomponente auf der Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums.

Eine derartige Meßvorrichtung bzw. ein derartiges Meßverfahren für die räumliche Intensitätsverteilung des Emissionsspektrums besitzen eine Reihe von signifikanten Vorteilen gegenüber dem eingangs beschriebenen Stand der Technik:

- die Intensitätsmeßvorrichtung und das Intensitätsmeßverfahren basieren auf dem Prinzip der differentiellen Emissionsspektroskopie, so daß lediglich auf der Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums die räumliche Intensitätsverteilung ermittelt werden kann. Eine derartige Verarbeitung des ersten und zweiten Teilemissionsspektrums erfordert aber nur geringe Verarbeitungszeit und somit ist ein Echtzeitbetrieb zur Ermittlung von dynamischen Ausbreitungsvorgängen von Gaskomponenten in dem Gasgemisch möglich;
- die Vorrichtung und das Verfahren koppeln die bekannten Technologien der Wärmebildkamera mit der hier eingeführten "differentiellen" optischen Emissionsspektroskopie und erlauben die Messung einer Vielzahl von Intensitätsverteilungen der Emissionsspektren einer Vielzahl von Gaskomponenten in dem Gasgemisch in kürzester Zeit;
- die Verwendung der zweidimensionalen Sensor-Felder ermöglicht die Analyse der Emissionsdaten und stellt eine hohe räumliche Auflösung sicher;
- da dynamische Vorgänge ermittelbar sind, kann die räumliche Verteilung von Masseflüssen aus der zeitlichen Ableitung der Konzentrationsverteilungen ermittelt werden; und
- die Vorrichtung erfordert keine aktiven Lichtquellen und ist somit kompakt und preiswert.

Um die Intensitätsverläufe der Emissionspektren von mehreren Gaskomponenten in dem Gasgemisch zu ermitteln, ist es vorteilhaft wenn die Referenzfilter-Anordnung eine Vielzahl von Referenzfiltern und die Gasselektionsfilter-Anordnung eine Vielzahl von Gasselektionsfiltern umfaßt, wobei eine Wechseleinrichtung vorgesehen ist, um ein Referenzfilter-Gasselektionsfilterpaar durch ein anderes Referenzfilter-Gasselektionsfilterpaar zu ersetzen. Ein Referenzfilter-Gasselektionsfilterpaar wird dabei durch ein anderes Referenzfilter-Gasselektionsfilterpaar ersetzt und die entsprechenden obigen Schritte werden wiederholt.

Zur Bestimmung der längenintegrierten Teilchenmenge entlang der Breite des Gasgemisches für die mindestens eine Gaskomponente kann ein Teilchenanalysator verwendet werden, der in vorteilhafter Weise als ein kalibriertes Fourier-Spektrometer ausgeführt ist. Das Fourier-Spektrometer besitzt in vorteilhafter Weise eine hohe spektrale Auflösung, so daß die längenintegrierten Teilchenmengen und somit die Emissionsraten mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können.

Es ist weiter vorteilhaft, die längenintegrierten Teilchenmengen direkt aus der räumlichen Intensitätsverteilung des Emissionsspektrums zu bestimmen. Ein derart ausgeführter Teilchenanalysator besitzt zwar eine geringere spektrale Auflösung, verwendet aber in vorteilhafter Weise eine Größe die bereits von der Intensitätsmeßvorrichtung ermittelt ist, nämlich die räumliche Intensitätsverteilung. Somit wird nur eine geringe Verarbeitungszeit benötigt.

Die längenintegrierten Teilchenmengen und die Emissionsraten können in vorteilhafter Weise auf einer mit dem Rechner gekoppelten Anzeigeeinrichtung dargestellt werden, so daß dem Benutzer sofort sämtliche Informationen über die räumlichen und zeitlichen Ausbreitungsvorgänge in dem Gasgemisch zur Verfügung stehen.

Um Informationen bezüglich der räumlichen Intensitätsverteilungen des Emissionsspektrums der Gaskomponenten in kurzer Zeit und übersichtlich bereitzustellen, können auch die Intensitätsverteilungen des Emissionsspektrums der Gaskomponenten auf einer mit der Verarbeitungseinrichtung gekoppelten Anzeigeeinrichtung beispielsweise mit verschiedenen Farben dargestellt werden. Dies ermöglicht dem Benutzer im Echtzeitbetrieb dynamische Vorgänge für vielerlei unterschiedliche Gaskomponenten in dem Gasgemisch zu beobachten.

In vorteilhafter Weise wird die Emissionsrate Ns für eine Gaskomponente durch die dritte Berechnungseinrichtung nach folgender Formel bestimmt:

Ns = (n·L)s×G×v

wobei:

(n · L)s: die längenintegrierte Teilchenmenge entlang der Breite L der Gasströmung für die mindestens eine Gaskomponente;
G: den Geometriefaktor entsprechend dem Verhältnis des Gasaustrittsquerschnitts zur Breite der Gasströmung für die Gaskomponente; und
v: die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches

bezeichnet.

Die Verwendung dieser Formel für die Emissionsrate ist deshalb vorteilhaft, weil die längenintegrierte Teilchenmenge einfach mit dem Teilchenanalysator und der Geometriefaktor und die Strömungsgeschwindigkeit einfach aus der räumlichen Intensitätsteilung bestimmt werden können.

Da die Strahlteilereinrichtung und das zweidimensionale Sensorfeld in parallelen Strahlengängen der Emissionsspektren vorgesehen sind, ist es vorteilhaft, jeweils eine Fokussieroptik zwischen der Strahlteilereinrichtung und dem zweidimensionalen Sensorfeld vorzusehen.

Um in vorteilhafter Weise Untergrundsanteile, sowohl elektrische als auch thermische zu eliminieren, ist eine Kalibriereinrichtung vor der Aufnahmeeinrichtung angeordnet.

Je nach Ausdehnung des zu überwachenden Bereichs von Schadstoffemissionen kann die Aufnahmeeinrichtung als Weitwinkelobjektiv oder Teleobjektiv ausgebildet sein.

Bei der Strahlteilereinrichtung kann es sich um einen optischen Strahlteiler handeln. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Strahlteiler ein Teilungsverhältnis von 50 : 50 besitzt.

Für die zweidimensionalen Sensorfelder können in vorteilhafter Weise zweidimensionale CCD-Arrays verwendet werden, die nicht nur preiswert sind, sondern auch eine hohe räumliche Auflösung besitzen.

In vorteilhafter Weise handelt es sich bei der Referenzfilter- Anordnung um ein Filterrad, welches entlang seinem Umfang die Vielzahl von Referenzfiltern aufweist. In ähnlicher Weise ist die Gasselektionsfilter-Anordnung als ein Filterrad ausgeführt, welches entlang seinem Umfang die Vielzahl von Gasselektionsfiltern aufweist. Dies ermöglicht eine Änderung der Referenz- bzw. Gasselektionsfilter in kurzer Zeit.

Für die Drehung der Filterräder kann die Wechseleinrichtung in vorteilhafter Weise als eine Dreheinrichtung ausgeführt sein. Die beiden Filterräder werden dadurch gleichzeitig zur Wechselung eines Filterpaares gedreht.

Um eine differentielle Emissionsspektroskopie in einfacher Weise zu ermöglichen, besitzt das Gasselektionsfilter eine Durchlaßcharakteristik bei der charakteristischen Wellenlänge einer zu untersuchenden Gaskomponente in dem Gasgemisch und das Referenzfilter weist eine Durchlaßcharakteristik bei einer Wellenlänge nahe bei der charakteristischen Wellenlänge auf.

Die Verarbeitungseinrichtung steuert die Wechseleinrichtung in vorteilhafter Weise so, daß ein Filterpaarwechsel mit einer Frequenz von 5 Hz stattfindet. Ein derartiger schneller Filterwechsel ermöglicht die Ermittlung von dynamischen Vorgängen im Gasgemisch.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Patentansprüchen und aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1a ein Blockschaltbild zur Erklärung der Vorrichtung zur Bestimmung von Emissionsraten mit einer Intensitätsmeßvorrichtung (GSC), einem Teilchenanalysator TAN zur Bestimmung von längenintegrierten Teilchenmengen und einem Rechner (C);

Fig. 1b ein Blockschaltbild gemäß Fig. 1a, wobei zur Bestimmung von längenintegrierten Teilchenmengen ein Fourier-Spektrometer (FTIR) verwendet wird;

Fig. 2 ein Diagramm zur Definition des effektiven Gasströmungsdurchmessers L und der Strömungsgeschwindigkeit v;

Fig. 3 eine Höhenliniendarstellung einer Intensitäts verteilung einer Gaskomponente;

Fig. 4 die Intensität und radiale Ableitung der Intensität in Abhängigkeit von der radialen Raumkoordinate;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Intensitätsmeßvorrichtung zur Ermittelung einer Intensitätsverteilung des Emissionsspektrums mindestens einer Gaskomponente;

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel der Intensitätsmeßvorrichtung gemäß Fig. 5;

Fig. 7 eine Darstellung eines Filterrades zur Verwendung als Referenzfilterrad oder Gasselektionsfilterrad;

Fig. 8 eine Ansicht einer Anzeigeeinrichtung, auf der räumliche Intensitätsverteilungen des Emissionsspektrums von mehreren Gaskomponenten dargestellt sind;

Fig. 9a, b Beispiele zur Verwendung der Vorrichtung zur optischen Fernerkundung von Gasemissionen;

Fig. 10a eine herkömmliche Vorrichtung zur differentiellen spektroskopischen Analyse von Gaskomponenten in einem Gasgemisch;

Fig. 10b ein Graph zur Erklärung des Prinzips der differentiellen Absorptionsspektroskopie;

Fig. 10c ein typisches Emissionsspektrum eines Gasgemischs; und

Fig. 11 eine herkömmliche Vorrichtung zur Darstellung der räumlichen Verteilung des Emissionsspektrums eines Gasgemischs.

Im folgenden wird das Prinzip des Verfahrens und der Vorrichtung zur Emissionsratenbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Gasgemisch unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt eine Intensitätsmeßvorrichtung GSC zur selektiven Messung der räumlichen Intensitätsverteilung Is(x,y) des Emissionsspektrums mindestens einer Gaskomponente des Gasgemisches. Wie Fig. 1 zeigt, tastet die Intensitätsmeßvorrichtung GSC einen breiten Bereich des aus einem Schornstein austretenden Gasgemisches G ab. Ein Teilchenanalysator TAN ist vorgesehen um eine längenintegrierte Teilchenmenge n · L für die Gaskomponente zu bestimmen. Diese längenintegrierte Teilchenmenge stellt die über die Breite L der Gasströmung G gemittelte räumliche Konzentrationsverteilung des Gases dar.

Fig. 1a zeigt eine Ausführungsform, bei der der Teilchenanalysator TAN die längenintegrierte Teilchenmenge direkt aus der aufgenommenen Intensitätsverteilung Is(x,y) des Emissionsspektrums bestimmt. Die Grundlagen dieser Bestimmung werden später noch näher im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben.

Fig. 1b zeigt noch eine andere Ausführungsform des Teilchenanalysators, bei der der Teilchenanalysator TAN zur Messung mindestens einer längenintegrierten Teilchenmenge einer Gaskomponente entlang der Breite L des Gasgemisches G ein sog. Spurengasanalysator FTIR ist. Dieser kann das eingangs beschriebene Fourier-Spektrometer sein. Während die Intensitätsmeßvorrichtung GSC die tatsächliche räumliche Intensitätsverteilung Is(x,y) des Emissionsspektrums ermittelt, ist der Spurengasanalysator FTIR vorgesehen, um die Konzentration einer Gaskomponente G1, G2 über einen bestimmten Strahlungskegel zu mitteln und daraus die längenintegrierte Teilchenmenge entlang der Breite des Gasgemisches zu bestimmen.

Das Gesichtsfeld der Intensitätsmeßvorrichtung GSC ist kollinear zum Gesichtsfeld des Spurengasanalysators FTIR ausgerichtet, wobei der Spurengasanalysator FTIR auf das Zentrum der Gasströmung G gerichtet ist. Die Auswertung der Daten wird in ihrer Komplexität durch die Auswahl einer bestimmten Gaskomponente wesentlich bestimmt. Da die Informationen mit jedem stabilen Spurengas im Gasgemisch ermittelt werden können, das eine geeignete spektrale Signatur aufweist, die der Spurengasanalysator ermitteln kann, ist ein Spurengas vorzuziehen, für das der Strahlungstransport noch linear erfolgt.

Wie in Fig. 1b ferner schematisch angezeigt, bestimmt der Spurengasanalysator ein Emissionsspektrum, wie in Fig. 10c gezeigt, d. h. er ermittelt die gemittelten Konzentrationen. Für den Spurengasanalysator FTIR kann das eingangs beschriebene Fourier-Spektrometer oder die in Fig. 10a dargestellte Meßvorrichtung verwendet werden.

Ferner zeigt Fig. 1 einen Rechner C, der eine erste Berechnungseinrichtung zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit v des Gasgemisches G aus der ermittelten Intensitätsverteilung und aus deren Gradienten umfaßt. Eine zweite Berechnungseinrichtung C2 bestimmt einen Geometriefaktor G aus dem Gradienten der räumlichen Intensitätsverteilung Is(x,y) des Emissionsspektrums in radialer Richtung, und eine dritte Berechnungseinrichtung C3 ermittelt eine Emissionsrate N aus dem Geometriefaktor G, der Strömungsgeschwindigkeit v und der integrierten Teilchenmenge.

Durch die Kopplung der Intensitätsmeßvorrichtung mit einem Teilchenanalysator, der die gemittelte Teilchenmenge einer Vielzahl von Spurengasen im Gasgemisch mißt, können die Emissionsraten bzw. Massenflüsse aller mit dem Teilchenanalysator meßbaren Gaskomponenten bestimmt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches kann, wie im folgenden noch erklärt wird, aus der zweidimensionalen Intensitätsverteilung abgeleitet werden, wobei das ausgewählte Spurengas als "Tracer" für die gesamte Gasemission dient.

Während für den Teilchenanalysator zur Messung der entlang der Breite der Gasströmung auftretenden Intensität und daraus der längenintegrierten Teilchenmenge ein Fourier-Spektrometer verwendet werden kann, kann für die Intensitätsmeßvorrichtung eine Infrarotkamera mit einem davor angeordneten Filter verwendet werden. Das vor der Infrarotkamera vorgesehene Filter weist eine Bandpaßcharakteristik bei der charakteristischen Wellenlänge einer zu untersuchenden Gaskomponente auf. Damit kann für eine Gaskomponente eine Intensitätsverteilung Is(x,y) des Emissionsspektrums aufgenommen werden.

In besonders vorteilhafter Weise kann für die Ermittelung der Intensitätsverteilung eine im folgenden noch zu beschreibende sog. "gasselektive Kamera" verwendet werden.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung kann auch mit einer Anzeigeeinrichtung kombiniert werden, um die räumlichen Intensitätsverteilungen des Emissionsspektrums einzelner Gaskomponenten anzuzeigen, wobei verschiedene Komponenten in verschiedenen Farben dargestellt werden können. Gleichzeitig können auf der Anzeigeeinrichtung die längenintegrierten Teilchenmengen und die Emissionsraten angezeigt werden. Durch das kombinierte Meßgerät in Fig. 1 können also notwendige Informationen über die Breite der Gasströmung und die radiale Verteilung der Konzentration (bzw. Temperatur) bereitgestellt werden, so daß die Genauigkeit der Ergebnisse des Teilchenanalysators deutlich verbessert werden kann.

Im folgenden wird das Prinzip zur Emissionsratenbestimmung unter Bezugnahme auf die Fig. 2-4 näher erläutert. Die Emissionsrate N bzw. die ausströmende Menge eines Gasgemisches bzw. einzelner Komponenten pro Zeiteinheit ist definiert als:

N = n · A · v (1)

n: Teilchenkonzentration, d. h. Anzahl der Moleküle eines Spurengases pro Raumelement [cm^-3]
A: Querschnitt der Ausströmöffnung [cm²];
v: Ausströmgeschwindigkeit [cm/sec].

Diese Größen sind in Fig. 2 für ein ausströmendes Gas G angezeigt. Es besteht aber keine Möglichkeit, die Emissionsrate N mit einem Meßgerät direkt zu messen. Jedenfalls kann die Teilchenkonzentration n und die Ausströmgeschwindgigkeit v nicht direkt gemessen werden. Anstelle der Konzentration eines Spurengases wird nun mit dem Teilchenanalysator TAN die entlang der Breite L der Gasströmung längenintegrierte Teilchenmenge = n · L bestimmt. Somit folgt für die Emissionsrate

wobei G ein Geometriefaktor [cm] ist. Wie im folgenden beschrieben wird, kann der Geometriefaktor G und die Ausströmgeschwindigkeit v aus der zweidimensionalen Intensitätsverteilung anhand der Strahlung eines Spurenstoffes, der als "Tracer" verwendet wird, bestimmt werden. Mit Hilfe der durch die Messung am "Tracer" gewonnenen Parameter v und G können mit der Bestimmung der längenintegrierten Teilchenmengen für mehrere Spurengase alle Emissionsraten Ns der Spurengase im Gasgemisch bestimmt werden. Die Messung liefert darüber hinaus die radiale Verteilung des Gasgemisches, so daß die Genauigkeit für die Bestimmung der gemittelten Konzentration mit dem Spurengasanalysator verbessert wird.

Fig. 3 zeigt Höhenlinien einer typischen Intensitätsverteilung einer Gaskonzentration in einer Gasströmung, die von der Intensitätsmeßvorrichtung aufgenommen wird. In axialer Richtung nimmt die Ausformung der Höhenlinien der Konzentration mit wachsender Ausströmgeschwindigkeit zu. Der Gradient in radialer Richtung x nimmt mit wachsender Ausströmgeschwindigkeit v zu.

Diese Konzentrationsverteilung bildet sich bei konstanter Ausströmgeschwindigkeit v als quasi-stationäre Verteilung aus. Aus der räumlich aufgelösten Messung dieser Konzentrations verteilung ermittelt die erste Berechnungseinrichtung C1 die Information über die Ausströmgeschwindigkeit v. Aus der Literatur sind nämlich mathematische Modelle bekannt, die unter Benutzung der als bekannt vorausgesetzten Ausströmgeschwindigkeit v die Berechnung der Konzentrationsverteilung des aus strömenden Gases ermöglichen (siehe z. B. Schatzman, "Journal of Applied Mathematics and Physics", Vol. 29, Seiten 608-630, 1978) . Durch die umgekehrte Auswertung der Konzentrationsverteilung kann somit die Ausströmgeschwindigkeit v aus der angenommenen Konzentrations verteilung ermittelt werden. Die erste Berechnungseinrichtung C1 führt dabei eine Variation des Wertes für die Ausströmgeschwindigkeit v durch, um eine Übereinstimmung zwischen Berechnung und ermittelter Messung zu erzeugen.

Da die relative Häufigkeit eines Spurengases im Verhältnis zur Gesamtmenge als konstant vorausgesetzt werden kann, ist somit

- die Ausströmgeschwindigkeit v des gesamten Gasstromes G; und
- die Ausströmgeschwindigkeit v und die Emissionsrate jedes anderen Spurengases G1, G2 im Gasstrom G bekannt.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert, wie der Geometriefaktor G aus der räumlichen Intensitätsverteilung I(x,y) des Emissionsspektrums bestimmt werden kann. Wie Fig. 4 zeigt, weist die Konzentration in radialer Richtung einen starken Gradienten auf. Dieser Gradient ist ebenfalls in der radialen Abhängigkeit x der Intensität sichtbar.

Die zweite Berechnungseinrichtung C2 wertet nun die Differenzen in der Intensitätsverteilung zwischen benachbarten Bildelementen in radialer Richtung x aus, und daraus kann der effektive Gasströmungsdurchmesser L bestimmt werden. Der effektive Gasströmungsdurchmesser L (Fig. 4) ist sinnvollerweise durch den Ort der maximalen Steigung der radialen Intensitätsabnahme definiert. Der Geometriefaktor G ist dann festgelegt durch die folgende Formel (bei kreisförmigem Austrittsquerschnitt A):

Die Emissionsrate N kann somit folgendermaßen ausgedrückt werden:

Der Teilchenanalysator ermittelt somit , die erste Berechnungseinrichtung C1 bestimmt aus der Konzentrations verteilung die Ausströmgeschwindigkeit, die zweite Berechnungseinrichtung C2 bestimmt den Geometriefaktor aus dem Gradienten in radialer Richtung x und die dritte Berechnungseinrichtung ermittelt gemäß der Gleichung (5) die Emissionsraten für die einzelnen Spurengase.

Die von der Intensitätsmeßvorrichtung GSC bestimmte Intensitätsverteilung Is(x,y) des Emissionsspektrums enthält außerdem Informationen über die radiale Verteilung der Spurengaskonzentration und der Gastemperatur. Die mit der Intensitätsmeßvorrichtung erfaßten Verteilungen sind somit auch für die Auswertung des Teilchenanalysators von hohem Wert, da die obengenannten Vereinfachungen durch einen ausgemessenen Datensatz, der die realistische Verteilung im Gasstrom beschreibt, ersetzt werden können. Der Rechner kann somit die Auswertung der Intensitätsmeßvorrichtung mit den Daten des Teilchenanalysators korrellieren, welches zu einer erheblichen Steigerung in der Bestimmung der gemittelten Konzentration bzw. Gastemperatur führt, da Mehrschichtmodelle für die Strahlungstransportrechnungen verwendet werden können.

Wie oben beschrieben, setzt das beschriebene Verfahren zur Bestimmung von Emissionsraten die Kenntnis der zweidimensionalen Intensitätsverteilung Is(x,y) des Emissionsspektrums eines Spurengases im Gasgemisch voraus. Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 5-8 eine weitere Ausführungsform der Intensitätsmeßvorrichtung beschrieben. Diese Ausführungsform wird, wie oben erwähnt, als "gasselektive Kamera" bezeichnet. Diese gasselektive Kamera kann selektiv für einen Spurenstoff simultan eine zweidimensionale Strahlungsverteilung der Gasströmung und der Umgebung erfassen. Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild dieser gasselektiven Kamera.

In Fig. 5 wird das Emissionsspektrum E eines Gasgemisches G von einer Aufnahmeeinrichtung 1 empfangen und durch eine Strahlteilereinrichtung 2 in ein erstes und zweites Teilemissionsspektrum E1, E2 aufgeteilt, die durch eine Referenzfilter-Anordnung 5 bzw. eine Gasselektionsfilter- Anordnung 6 in ein erstes und zweites gefiltertes Teilemissionsspektrum F1, F2 gefiltert wird. Ein erstes und zweites zweidimensionales Sensorfeld 3, 4 empfängt das erste und das zweite gefilterte Teilemissionsspektrum F1, F2 und leitet ein entsprechendes elektrisches Signal an eine Verarbeitungseinrichtung 8.

Die Referenzfilter-Anordnung 5 umfaßt mindestens ein Referenzfilter und die Gasselektionsfilter-Anordnung umfaßt mindestens ein Gasselektionsfilter. Jedes Gasselektionsfilter ist ein Bandpaßfilter und besitzt eine Durchlaßcharakteristik bei der entsprechenden charakteristischen Wellenlänge der zu untersuchenden Gaskomponente. Jedes Referenzfilter ist ebenfalls ein Bandpaßfilter, dessen Durchlaßfrequenz jeweils benachbart zur Durchlaßfrequenz des Gasselektionsfilters liegt, um nur die jeweilige Hintergrundstrahlung zu ermitteln.

Eine Wechseleinrichtung 7 ist vorgesehen, um ein Referenzfilter-Gasselektionsfilter-Paar durch ein anderes Referenzfilter-Gasselektionsfilter-Paar zu ersetzen. Die Verarbeitungseinrichtung 8 steuert die Wechseleinrichtung 7 zum Ersetzen des Filterpaares und ermittelt jeweils für eine zu untersuchende Gaskomponente für ein Filterpaar den räumlichen Konzentrationsverlauf der Gaskomponente auf Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums F1 und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums F2. Der dadurch ermittelte räumliche Konzentrationsverlauf oder die längenintegrierten Teilchenmengen können auf einer mit der Verarbeitungseinrichtung 8 gekoppelten Anzeigeeinrichtung 9 angezeigt werden.

Die von den Sensorfeldern 3, 4 aufgenommenen Bilder stellen zunächst aber Intensitätsverteilungen der von einer Gaskomponente G1, G2 emittierten Strahlung bzw. des Hintergrundes dar. Die Verarbeitungseinrichtung 8 kann nun den räumlichen Verlauf von längenintegrierten Teilchenmengen auf Grundlage der Intensitäten I1, I2 des ersten gefilterten Teilemissionsspektrums F1 und des zweiten gefilterten Teilemissionsspektrum F2 bestimmen.

Äquivalent dazu kann der Teilchenanalysator TAN in Fig. 1a aus der aufgenommenen Intensitätsverteilung Is(x,y) = (I₁, I₂) des Emissionsspektrums der Gaskomponente direkt die längenintegrierte Teilchenmenge n · L für die Gaskomponente bestimmen. Die folgenden Betrachtungen für die Ermittlung der längenintegrierten Teilchenmengen n·L für die Gaskomponente aus den Intensitäten der ersten und zweiten gefilterten Teilemissionsspektren treffen somit auch auf den Teilchenanalysator TAN in Fig. 1a zu.

Die aufgenommenen Intensitäten I₁, I₂ der beiden gemessenen Teilemissionsspektren F1, F2 lassen sich mathematisch folgendermaßen darstellen:

I₁(λ₁) = B_H·ε·T + (1-T)B_A (6)

I₂(λ₂) = B_H·ε (7)

B_H: Planckfunktion des Hintergrundes;
ε: Emissivität des Hintergrundes;
T: Transmission des Spurengases;
B_A: Planckfunktion der Gaswolke;
λ₁: Wellenlänge des Spurengaskanals;
λ₂: Wellenlänge des Referenzkanals;

Damit folgt:

I₁(λ₁) = I₂(λ₂) T + (1-T)B_A (8)

Eine Lösung dieser Gleichung mit den beiden Unbekannten T und B_A läßt sich eindeutig für jedes Bildelement der zwei dimensionalen Messung unter Benutzung der Information aus dem Nachbarbildelement bestimmen. Geeignete mathematische Verfahren sind z. B. aus der Satellitenbildanalyse bekannt. Nach der Bestimmung der Größe T für jedes Bildelement läßt sich die längenintegrierte Konzentration über die mathematische Beziehung:

T = exp(-n·k·L) (9)

bestimmen, wobei n · L die längenintegrierte Teilchenmenge, L die Breite der Gasströmung und k der Absorptionskoeffizient des Spurengases ist. Die Verarbeitung der beiden gefilterten Teilemissionsspektren F1, F2 mit der Verarbeitungseinrichtung 8 führt also zum räumlichen Verlauf der längenintegrierten Teilchenmenge n · L der Gaskomponente.

Die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung stellt somit auch ein Meßsystem zur gasselektiven, räumlich hochauflösenden Messung von Gaskomponenten eines Gasgemisches G mit Hilfe der differentiellen optischen Signaturspektroskopie dar. Diese Vorrichtung mißt also das Emissionsspektrum E eines Szenarios in spurengasspezifischen Spektralbereichen mit hoher räumlicher Auflösung. Da die Referenzfilter-Anordnung 5 und die Gasselektionsfilter-Anordnung 6 mehrere Referenzfilter und Gasselektionsfilter aufweisen, können durch die Messung bei verschiedenen charakteristischen Wellenlängen die Konzentrations verteilungen der Gaskomponenten sowohl qualitativ als auch quantitativ bestimmt werden.

Insbesondere ermöglicht die Vorrichtung durch die simultane Messung bei zwei verschiedenen Wellenlängen die Bestimmung von bewegten oder zeitlich veränderlichen Szenarien und eignet sich somit auch für die Beobachtung eines Meßszenarios durch eine Bewegung der Anordnung selbst, bzw. der Aufnahmeeinrichtung der Anordnung.

Auf Grundlage des zweidimensionalen räumlichen Verlaufs der längenintegrierten Teilchenmenge einzelner Gaskomponenten kann die Verarbeitungseinrichtung auf Grundlage der wellenlängenspezifischen Signatur der einzelnen Gaskomponenten auch die Windrichtung, die Flußgeschwindigkeit oder den Massenfluß ermitteln. Die räumlichen Verläufe von längenintegrierten Teilchenmengen der Gaskomponenten G1, G2 werden vorzugsweise in verschiedenen Farben auf der Anzeigeeinrichtung 9 (siehe auch Fig. 4) dargestellt.

Die Verarbeitungeinrichtung 8 kann in Zusammenhang mit der in Fig. 5 dargestellten Anordnung des Meßsystems außerdem folgende physikalischen Größen bezüglich der Gaskomponenten G1, G2 des Gasgemischs G ermitteln:

1. Erfassung der räumlichen Verteilung von Komponentenkonzentrationen und deren zeitliche Veränderung;
2. Erfassung der räumlichen Verteilung von Massenflüssen aus der zeitlichen Ableitung der Konzentrationen (gilt nicht für Gleichgewichtszustände);
3. Zweidimensionale Erfassung der effektiven Windrichtung und der Stärke des Windes; beispielsweise bei flugzeuggetragenen Anordnungen kann somit sowohl die horizontale Windrichtung als auch die horizontale Amplitude des Windes bestimmt werden.
4. Für geführte Emissionen (siehe beispielsweise die Kaminkonfiguration in Fig. 9a) kann die Konzentrationsverteilung oberhalb eines Kamins, die Flußgeschwindigkeit und der Massenfluß bestimmt werden;
5. Der für die Bestimmung des Massenflusses notwendige effektive Fahnendurchmesser kann durch die räumliche Ableitung der Intensität und die Abgastemperatur auf dem Verhältnis der thermischen zur angeregten Bande des CO₂ bei 4.3 µm bestimmt werden.

Die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung erlaubt somit die Messung derartiger physikalischer Größen für eine Vielzahl von Gaskomponenten in einem Gasgemisch in kürzester Zeit. Außerdem sind keine zusätzlichen Lichtquellen zur Messung erforderlich und dynamische Vorgänge bezüglich der Ausbreitung einzelner Gase G1, G2 können auf dem Bildschirm dargestellt werden. Dies kann in einem Echtzeitbetrieb vonstatten gehen.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 5, bei der das Emissionsspektrum E des Gasgemisches G von einem Objektiv 11 empfangen wird. Je nach Ausdehnung des zu erfassenden Bereichs in dem Gasgemisch kann das Objektiv als Weitwinkelobjektiv oder als Teleobjektiv ausgebildet sein. Typische Meßbereiche für ein Weitwinkelobjektiv sind ausgedehnte Gaswolken oder diffuse Quellen von Spurenschadstoffen. Bei der Beobachtung kleinräumiger Quellen, beispielsweise geführter Emissionen (siehe Fig. 9a, b) ist ein Teleobjektiv vorteilhaft.

Ein optischer Strahlteiler 12 teilt das empfangene Emissionsspektrum E in das erste und zweite Teilemissionspektrum E1, E2, welche dann durch ein Referenzfilter 6-1 in einem Filterrad 16 bzw. durch ein Gasselektionsfilter 5-1 in einem Filterrad 15 gefiltert werden. Obwohl andere Teilungsverhältnisse denkbar sind, besitzt der Strahlteiler 12 in dieser Ausführungsform ein Teilungsverhältnis von 50 : 50. Da sowohl der Strahlteiler 12 als auch die Filterräder 15, 16 in parallelen Strahlengängen angeordnet sind, ist in beiden geteilten Strahlen F1, F2 eine Fokussieroptik 19, 20 angeordnet. Über die Fokussieroptik 19, 20 werden die gefilterten Teilemissionsspektren F1, F2, jeweils auf ein CCD-Array 13, 14, abgebildet. Beispielsweise umfassen die CCD-Arrays 128×128 Bildelemente, um eine hohe räumliche Auflösung der Konzentrationsverteilungen sicherzustellen. Mit der in Fig. 6 gezeigten Anordnung wird auf den CCD-Arrays 13, 14 ein Bild des Meßbereichs bzw. des Hintergrundes erzeugt. Die von den Bildelementen des zweidimensionalen CCD-Arrays erzeugten elektrischen Signale werden über eine (in Fig. 6 nicht dargestellte) Schnittstelle an einen (in Fig. 6 ebenfalls nicht dargestellten) Auswerterechner mit einem Bildschirm übertragen. Mit der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform wird also ein Bild des Meßbereichs und ein Bild des Hintergrundes auf den CCD-Arrays 13 und 14 abgebildet. Dies erfolgt "gasselektiv", d. h. mittels der Dreheinrichtung 17, die die Filterräder 15 und 16 zur Auswechslung des Filterpaares dreht, kann ein weiter Wellenlängenbereich für die Absorptionslinien mehrerer Gaskomponenten durchgescanned werden. Die in Fig. 6 gezeigte Anordnung zur "gasselektiven Messung" wird deshalb als "gasselektive Kamera" bezeichnet.

Bei der gasselektiven Kamera in Fig. 6 ist außerdem eine Kalibriereinrichtung 21 vor dem Objektiv 11 angeordnet. Die Kalibriereinrichtung 21 ist zweckmäßigerweise eine drehbare Einheit, die zwei Positionen aufweist:

1. eine Meßposition (offene Position), bei der der Lichtweg frei ist, so daß das Emissionsspektrum E auf das Objektiv 11 fällt; und
2. eine Kalibrierposition (geschlossene Position), bei der der Lichtweg geschlossen ist, so daß das Emissionsspektrum E nicht auf dem Objektiv 11 zu liegen kommt; dann wird das Objektiv 11 von einer Kalibrierquelle ausgeleuchtet, wobei die beiden parallel arbeitenden Signalkanäle (erster Kanal: Strahlteiler 12 - Filterrad 15 - Fokussieroptik 20 - CCD-Array 13; zweiter Kanal: Strahlteiler 12 - Filterrad 16 - Fokussieroptik 19 - CCD-Array 14) relativ zueinander kalibriert werden.

Die Kalibriereinrichtung kann sich auf einer beliebigen Temperatur, die gemessen wird, befinden. Sie ist außerdem mit einer Temperaturregelung ausgestattet, so daß Kalibrierquellen für zwei verschiedene Temperaturen eingestellt werden können. Damit werden alle Untergrundanteile, sowohl die elektrischen als auch die thermischen eliminiert. Zweckmäßigerweise werden die Kalibriermessungen dabei alternierend, d. h. einmal mit einer höheren und einmal mit einer niedrigeren Temperatur durchgeführt.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform eines Filterrades 15, 16, das in Fig. 6 als Referenzfilter-Anordnung 5 bzw. Gasselektionsfilter-Anordnung 6 verwendet wird. Das Filterrad 15 umfaßt eine Vielzahl von Referenzfiltern 5-1, 5-2, die entlang des Umfangs angeordnet sind. Das Filterrad 16 mit den Gasselektionsfiltern 6-1, 6-2 kann genauso aufgebaut sein wie das Filterrad 15. Die Filterräder werden durch die Dreheinrichtung 17 gleichzeitig gedreht. Entlang des Umfangs sind beispielsweise bis zu 20 verschiedene Filter 5-1, 5-2, 6-1, 6-2 angeordnet und die Dreheinrichtung 17, die von der Verarbeitungseinrichtung 8 gesteuert wird, dreht die Filterräder 15, 16 zu einem nächsten Filter (beispielsweise mit einer Frequenz von 5 Hz). Die Dreheinrichtung 17 dreht also für jede nachzuweisende Gaskomponente G1, G2 die Filterräder 15, 16, so daß jeweils ein nächstes Filterpaar 5-2, 6-2 in den Strahlengang E1, E2 zu liegen kommt. Die Referenzfilter 5-1, 5-2 und die Gasselektionsfilter 6-1, 6-2 sind zweidimensionale Filter und besitzen eine Bandpaßcharakteristik bei den Wellenlängen λ₂ bzw. λ₁ so wie in Fig. 10b dargestellt.

Die Mittenfrequenz λ₁ eines Gasselektionsfilters 6-1 liegt beispielsweise bei 9,9 µm mit einer Bandbreite von ca. 10%, d. h. von 9,85 µm bis 9,95 µm. Die Mittenfrequenz λ₂ des entsprechenden Referenzfilters 5-1 eines Referenzfilter- Gasselektionsfilter-Paares für eine zu untersuchende Gaskomponente liegt dann beispielsweise bei 10 µm mit einer 10%-Bandbreite von 9,95 µm bis 10,05 µm.

Da in der Verarbeitungseinrichtung 8 für die elektrischen Signale der CCD-Arrays 13, 14 schnelle Signalprozessoren mit paralleler Verarbeitung verwendet werden, kann ein Filterpaarwechsel mit 5 Hz für eine Vielzahl von Gaskomponenten stattfinden. Es ist somit möglich, für mehrere Gaskomponenten gleichzeitig dynamische Vorgänge zu ermitteln und auf einem Bildschirm 18, wie in Fig. 8 gezeigt, darzustellen. Gleichzeitig können auf dem Bildschirm 18 die relevanten Meßgrößen, d. h. Windrichtung, Massenfluß und Flußgeschwindigkeit oder Fahnentemperatur angezeigt werden. Es ist dabei vorteilhaft, die räumliche Verteilung der einzelnen Gaskomponenten G1, G2 in verschiedenen Farben darzustellen.

Die beschriebene Vorgehensweise ermöglicht also die Ermittlung der Emissionsraten einer Vielzahl von Gaskomponenten in einem Gasgemisch in kürzester Zeit, so daß eine Auswertung von dynamischen Vorgängen einzelner Gaskomponenten in dem Gasgemisch möglich ist. Da Parameter über die zeitlichen und räumlichen Ausbreitungsverhalten der Gase, nämlich die Emissionsraten ermittelt werden, erhält man Informationen über Schadstoffemissionen, die beispielsweise zur Einhaltung von Umweltschutzauflagen wirklich relevant sind.

Außer der Erfassung von geführten Gasemissionen bzw. Triebwerksemissionen ist auch eine Abgasüberwachung von Kraftfahrzeugen möglich.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Emissionsrate (Ns) mindestens einer Gaskomponente (G1, G2) eines Gasgemischs (G), umfassend die folgenden Schritte:

a) Messen einer zweidimensionalen Intensitätsverteilung (Is(x,y)) des Emissionsspektrums mindestens einer Gaskomponente (G1, G2) des Gasgemischs (G);
b) Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit (v) des Gasgemisches (G) aus der zweidimensionalen Intensitätsverteilung (Is(x,y)) des Emissionsspektrums und aus deren Gradienten;
c) Bestimmen eines Geometriefaktors (Gs) entsprechend dem Verhältnis eines Gasaustrittsquerschnitts (A) zur Breite (L) der Gasströmung aus dem Gradienten der zweidimensionalen Intensitätsverteilung (Is(x,y)) des Emissionsspektrums in radialer Richtung (x);
d) Bestimmen einer längenintegrierten Teilchenmenge ((n · L)s) entlang der Breite (L) der Gasströmung für die mindestens eine Gaskomponente (G1, G2); und
e) Bestimmen der Emissionsrate (Ns) der mindestens einen Gaskomponente (G1, G2) aus dem Geometriefaktor (G), der Strömungsgeschwindigkeit (v) und der längenintegrierten Teilchenmenge ((n · L)s).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der zweidimensionalen Intensitätsverteilung (Is(x,y)) des Emissionsspektrums der mindestens einen Gaskomponente (G1, G2) ein Verfahren verwendet wird, welches die folgenden Schritte umfaßt:

a) Aufnehmen eines zweidimensionalen Emissionsspektrums (E) des Gasgemisches (G) in einem räumlich begrenzten zweidimensionalen Gebiet;
b) Aufteilen des empfangenen Emissionsspektrums (E) in ein erstes und ein zweites Teilemissionsspektrum (E1, E2);
c) Filtern des ersten und zweiten Teilemissionsspektrums (E1, E2) mit mindestens einem Referenzfilter (5-1) einer zweidimensionalen Referenzfilter-Anordnung (5) und mindestens einem Gasselektionsfilter (6-1) einer zweidimensionalen Gasselektionsfilteranordnung (6), wobei die Durchlaßcharakteristik der Gasselektionsfilteranordnung (6) einer charakteristischen Wellenlänge der zu untersuchenden Gaskomponente und die Durchlaßcharakteristik der Referenzfilteranordnung (5) einer Hintergrundwellenlänge entspricht;
d) Empfangen des ersten und zweiten gefilterten Teilemissionsspektrums (F1, F2); und
e) Ermitteln der zweidimensionalen Intensitätsverteilung (Is(x,y)) des Emissionsspektrums der mindestens einen Gaskomponente (G1) auf der Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums (F1) und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums (F2).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzfilter-Gasselektionsfilterpaar (5-1, 6-1) durch ein anderes Referenzfilter-Gasselektionsfilterpaar (5-2, 6-2) ersetzt wird und die Schritte c) bis e) zum Ermitteln der zweidimensionalen Intensitätsverteilung (Is(x,y)) des Emissionsspektrums einer weiteren Gaskomponente wiederholt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der zweidimensionalen Intensitätsverteilung (Is(x,y)) des Emissionsspektrums der mindestens einen Gaskomponente (G1, G2) eine Infrarotkamera mit einem davor angeordneten Filter verwendet wird, welches eine Bandpaßcharakteristik bei der charakteristischen Wellenlänge der Gaskomponente (G1, G2) besitzt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die längenintegrierte Teilchenmenge ((n · L)s) für die mindestens eine Gaskomponente (G1, G2) aus der zweidimensionalen Intensitätsverteilung (Is(x,y)) des Emissionsspektrums bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die längenintegrierte Teilchenmenge ((n · L)s) für die mindestens eine Gaskomponente (G1, G2) mit einem Fourier-Spektrometer (FTIR) bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emisssionsrate (Ns) nach folgender Formel bestimmt wird: Ns = (n · L)s×G×vwobei:(n · L)s: die längenintegrierte Teilchenmenge entlang der Breite (L) der Gasströmung für die mindestens eine Gaskomponente (G1, G2);
G: den Geometriefaktor entsprechend dem Verhältnis des Gasaustrittsquerschnitts (A) zur Breite (L) der Gasströmung für die mindestens eine Gaskomponente (G1, G2); und
v: die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches (G)bezeichnet.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die längenintegrierten Teilchenmengen ((n · L)s) und die Emissionsrate (Ns) auf einer Anzeigeeinrichtung (9) dargestellt werden.

9. Vorrichtung zur Bestimmung der Emissionsrate (Ns) mindestens einer Gaskomponente (G1, G2) in einem Gasgemisch (G), umfassend:

a) eine Intensitätsmeßvorrichtung (GSC) zur selektiven Messung der zweidimensionalen Intensitätsverteilung (Is(x,y)) des Emissionsspektrums mindestens einer Gaskomponente (G1, G2) des Gasgemisches (G);
b) einen Teilchenanalysator (TAN) zur Bestimmung einer längenintegrierten Teilchenmenge ((n · L)s) entlang der Breite (L) der Gasströmung für die mindestens eine Gaskomponente (G1, G2); und
c) einen Rechner (C) umfassend:
- - eine erste Berechnungseinrichtung (C1) zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit (v) des Gasgemischs (G) aus der räumlichen Intensitätsverteilung (Is(x,y)) des Emissionsspektrums und aus deren Gradienten;
- - eine zweite Berechnungseinrichtung (C2) zur Bestimmung eines Geometriefaktors (G) entsprechend dem Verhältnis eines Gasaustrittsquerschnitts (A) zur Breite (L) der Gasströmung aus dem Gradienten der zweidimensionalen Intensitätsverteilung (Is(x,y)) des Emissionsspektrums in radialer Richtung (x); und
- - eine dritte Berechnungseinrichtung (C3) zur Bestimmung der Emissionsrate (Ns) der mindestens einen Gaskomponente (G1, G2) aus dem Geometriefaktor (G), der Strömungsgeschwindigkeit (v) und der längen integrierten Teilchenmenge ((n · L)s).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsmeßvorrichtung (GSC) eine Infrarotkamera mit einem davor angeordneten Filter ist, welches eine Bandpaßcharakteristik bei der charakteristischen Wellenlänge der zu untersuchenden mindestens einen Gaskomponente (G1, G2) aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsmeßvorrichtung (GSC) umfaßt:

a) eine Aufnahmeeinrichtung (1) zum Empfang eines zweidimensionalen Emissionsspektrums (E) des Gasgemischs (G) in einem räumlich begrenzten zweidimensionalen Gebiet;
b) eine Strahlteilereinrichtung (2) zum Aufteilen des empfangenen Emissionsspektrums (E) in ein erstes und zweites Teilemissionsspektrum (E1, E2);
c) ein erstes und ein zweites zweidimensionales Sensorfeld (3, 4) zum Empfang des ersten und zweiten Teilemissionsspektrums (E1, E2);
d) eine zweidimensionale Referenzfilter-Anordnung (5), die zwischen der Strahlteilereinrichtung (2) und dem ersten zweidimensionalen Sensorfeld (3) angeordnet ist und mindestens ein Referenzfilter (5-1; 5-2) zur Filterung des ersten Teilemissionsspektrums (E1) aufweist;
e) eine zweidimensionale Gasselektionsfilter-Anordnung (6), die zwischen der Strahlteilereinrichtung (2) und dem zweiten zweidimensionalen Sensorfeld (4) angeordnet ist und mindestens ein Gasselektionsfilter (6-1; 6-2) zur Filterung des zweiten Teilemissionsspektrums (E2) aufweist, wobei die Durchlaßcharakteristik der Gasselektionsfilteranordnung (6) eine charakteristische Wellenlänge der zu untersuchenden mindestens einen Gaskomponente und die Durchlaßcharakteristik der Referenzfilteranordnung (5) einer Hintergrundwellenlänge entspricht; und
f) eine Verarbeitungseinrichtung (8) zur Ermittlung der räumlichen Intensitätsverteilung (Is(x,y) des Emissionsspektrums der mindestens einen Gaskomponente (G1, G2) auf der Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums (F1) und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums (F2).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Referenzfilter-Anordnung (5) eine Vielzahl von Referenzfiltern (5-1, 5-2) umfaßt;
die Gasselektionsfilter-Anordnung (6) eine Vielzahl von Gasselektionsfiltern (6-1, 6-2) umfaßt; und
eine Wechseleinrichtung (7) vorgesehen ist, zum Ersetzen eines Referenzfilter-Gasselektionsfilter-Paares (5-1, 6-1) durch ein anderes Referenzfilter-Gasselektionsfilter-Paar (5-2, 6-2).

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung (8) mit einer Anzeigeeinrichtung (9) gekoppelt ist, zur Darstellung der zweidimensionalen Intensitätsverteilung (Is(x,y)) des Emissionsspektrums der mindestens einen Gaskomponente (G1, G2).

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Anzeigeeinrichtung (9) die zweidimensionale Intensitätsverteilung (Is(x,y)) des Emissionsspektrums der mindestens einen Gaskomponente (G1, G2) in verschiedenen Farben darstellbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen der Strahlteilereinrichtung (2) und dem zweidimensionalen Sensorfeld (3, 4) eine Fokussieroptik (19, 20) vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Aufnahmeeinrichtung (1) eine Kalibriereinrichtung (21) vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Aufnahmeeinrichtung (1) ein Weitwinkelobjektiv (11) oder ein Teleobjektiv angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilereinrichtung (2) ein optischer Strahlteiler (12) ist, der ein Teilungsverhältnis von 50 : 50 besitzt, ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweidimensionalen Sensorfelder (3, 4) zweidimensionale CCD-Arrays (13, 14) umfassen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfilter-Anordnung (5) ein Filterrad (15) ist, welches entlang seinem Umfang die Vielzahl der Referenzfilter (5-1, 5-2) aufweist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasselektionsfilter-Anordnung (6) ein Filterrad (16) ist, welches entlang seinem Umfang die Vielzahl der Gasselektionsfilter (6-1, 6-2) aufweist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechseleinrichtung (7) eine Dreheinrichtung (17) ist, die die Filterräder (15, 16) gleichzeitig zur Wechselung der Paare der zusammengehörenden Filter (5-1, 5-2; 6-1, 6-2) dreht.

23. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Filtern (5-1, 6-1) jeweils aus einem Gasselektionsfilter (6-1, 6-2) und aus einem Referenzfilter (5-1, 5-2) besteht, wobei das Gasselektionsfilter (6-1, 6-2) eine Durchlaßcharakteristik bei der charakteristischen Wellenlänge einer zu ermittelten Gaskomponente (G1, G2) in dem Gasgemisch (G) besitzt und das Referenzfilter (5-1, 5-2) eine Durchlaßcharakteristik bei einer Wellenlänge nahe bei der charakteristischen Wellenlänge aufweist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung (8) die Wechseleinrichtung (7) so steuert, daß ein Filterpaarwechsel mit der Frequenz von 5 Hz stattfindet.

25. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilchenanalysator (TAN) die längenintegrierte Teilchenmenge ((n · L)s) der mindestens einen Gaskomponente (G1, G2) aus der für die mindestens eine Gaskomponente (G1, G2) gemessenen zweidimensionalen Intensitätsverteilung des Emissionsspektrums (Is(x,y)) bestimmt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilchenanalysator (TAN) ein kalibriertes Fourier- Spektrometer (FTIR) ist, welches die über die Breite (L) der Gasströmung längenintegrierte Teilchenmenge ((n · L)s) für jede Gaskomponente (G1, G2) in dem Gasgemisch ermittelt.

27. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (C) mit einer Anzeigeeinrichtung (9) gekoppelt ist, zur Anzeige der längenintegrierten Teilchenmengen ((n · L)s) und der Emissionsraten (Ns) für jede der Gaskomponenten (G1, G2).

28. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Berechnungseinrichtung (C3) die Emissionsrate (Ns) nach folgender Formel bestimmt: Ns = (n · L)s×G×vwobei:(n · L)s: die längenintegrierte Teilchenmenge entlang der Breite (L) der Gasströmung für die mindestens eine Gaskomponente (G1, G2);
G: den Geometriefaktor entsprechend dem Verhältnis des Gasaustrittsquerschnitts (A) zur Breite (L) der Gasströmung für die mindestens eine Gaskomponente (G1, G2); und
v: die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches (G)bezeichnet.