DE4324154A1 - Vorrichtung und Verfahren zur räumlich hochauflösenden Analyse mindestens einer Gaskomponente in einem Gasgemisch - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur räumlich hochauflösenden Analyse mindestens einer Gaskomponente in einem Gasgemisch

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DE4324154A1
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur räumlich hochauflösenden Analyse mindestens einer Gaskomponente in einem Gasgemisch.
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. 5a und 5b dargestellt, bietet eine Möglichkeit, Gaskomponenten, beispielsweise in den geführten Emissionen einer Fabrik (Fig. 5a) oder in den Abgasen eines Flugzeugtriebwerks (Fig. 5b) 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 Transemissionsspektrum) 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. 6a 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. 6b zeigt, liegt die Wellenlänge λ1 immer bei der Aborptionslinie 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 werden. Dynamische Vorgänge in dem Gasgemisch und räumliche Verteilungen, die für die Bewertung von Schadstoffemissionen maßgeblich sind, lassen sich aber mit der in Fig. 6 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 eine Lichtquelle in das Gasgemisch eingestrahlt und das Absorptionsspektrum ausgewertet wird.
Das GM 90 10 621.0 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. 6c auf 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 Grundlage des aufgenommenen Emissionsspektrums (Fig. 6c) 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 beschreibt eine Analysevorrichtung zur Darstellung der räumlichen Verteilung eines Gasgemischs, wie in Fig. 7 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 2D-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 2D-Sensorfeldes 30 durch. Aus den Differenzen der Bildgrauwerte wird in der Bearbeitungseinheit 31 die räumliche Verteilung der Komponente ermittelt und auf der Anzeigeeinrichtung 32 wird in der Bearbeitungseinheit 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.
Mit den herkömmlichen Analysevorrichtungen und Analyseverfahren läßt sich jedoch nur die über die Breite einer Gasemission gemittelte Konzentration 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 Schadstoffkonzentrationen in begrenzten räumlichen Gebieten beziehen. Dafür ist es aber erforderlich, genaue Informationen über das räumliche Ausbreitungsverhalten von einzelnen Gaskomponenten in dem Gasgemisch in kurzer Zeit zu ermitteln.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit
  • - eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, welche Informationen über das räumliche Ausbreitungs­ verhalten von mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs in kurzer Zeit bestimmen können.
Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt eine Vorrichtung zur räumlich hochauflösenden Analyse mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs die folgenden Merkmale:
  • a) eine Aufnahmeeinrichtung zum Empfang eines 2D-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 2D-Sensorfeld zum Empfang des ersten und zweiten Teilemissionsspektrums;
  • d) eine 2D-Referenzfilter-Anordnung, die zwischen der Strahlteilereinrichtung und dem ersten 2D-Sensorfeld angeordnet ist und mindestens ein Referenzfilter zur Filterung des ersten Teilemissionsspektrums aufweist.
  • e) eine 2D-Gasselektionsfilter-Anordnung, die zwischen der Strahlteilereinrichtung und dem zweiten 2D-Sensorfeld angeordnet ist und mindestens ein Gasselektionsfilter zur Filterung des zweiten Teilemissionsspektrums aufweist; und
  • f) eine Verarbeitungs-Einrichtung zum Ermittelung des räumlichen Verlaufs der längenintegrierten Teilchenmenge der Gaskomponente auf Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums.
Die obige Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zur räumlich hochauflösenden Analyse mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs gelöst, welches die folgenden Schritte umfaßt:
  • a) Aufnehmen eines 2D-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 2D-Referenzfilter-Anordnung bzw. mindestens einem Gasselektionsfilter einer 2D-Gasselektionsfilteranordnung;
  • d) Empfangen des ersten und zweiten gefilterten Teilemissionsspektrums;
  • e) Ermitteln des räumlichen Verlaufs der längenintegrierten Teilchenmenge der Gaskomponente auf Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrum.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren besitzen eine Reihe von signifikanten Vorteilen gegenüber dem eingangs beschriebenen Stand der Technik:
  • - die Vorrichtung und das Verfahren basiert auf dem Prinzip der differentiellen Emissionsspektroskopie, so daß lediglich auf Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums die räumliche Konzentrationsverteilung (räumlicher Verlauf der längenintegrierten Teilchenmenge) ermittelt werden kann. Eine derartige Verarbeitung des ersten und zweiten Teilemissionsspektrums erfordert aber nur eine 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 bekannte Technologie einer Wärmebildkamera mit der hier eingeführten "differentiellen optischen Emissionsspektroskopie" und erlauben die Messung einer Vielzahl von Komponenten in dem Gasgemisch in kürzester Zeit;
  • - die Verwendung der 2D-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 bzw. der räumlichen Verläufe der längenintegrierten Teilchenmengen ermittelt werden; und
  • - die Vorrichtung erfordert keine aktiven Lichtquellen und ist somit kompakt und preiswert.
Um die räumlichen Verläufe der längenintegrierten Teilchenmengen von mehreren Gaskomponenten in dem Gasgemisch in kurzer Zeit 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 ersetzt werden. Ein Referenzfilter-Gasselektionsfilterpaar wird dabei durch ein anderes Referenzfilter-Gasselektionsfilterpaar ersetzt und die obigen Schritte c) bis e) werden wiederholt.
Um Informationen bezüglich der räumlichen Verläufe der längenintegrierten Teilchenmengen der Gaskomponenten in kurzer Zeit und übersichtlich bereit zustellen, können diese auf einer mit der Verarbeitungseinrichtung gekoppelten Anzeigeeinrichtung beispielsweise mit verschiedenen Farben dargestellt werden. Dies ermöglicht dem Benutzer im Echtzeitbetrieb dynamische Vorgänge in dem Gasgemisch einfach zu beobachten.
Da die Strahlteilereinrichtung und das 2D-Sensorfeld in parallelen Strahlengängen der Emissionspektren vorgesehen sind, ist es vorteilhaft, jeweils eine Fokussieroptik zwischen der Strahlteilereinrichtung und dem 2D-Sensorfeld vorzusehen.
Um in vorteilhafter Weise Untergrundsanteile, sowohl elektrische als auch thermische zu eliminieren, ist eine Kalibrationseinrichtung 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 Teilstrahler ein Teilungsverhältnis von 50 : 50 besitzt.
Für die 2D-Sensorfelder können in vorteilhafter Weise zweidimensionale CCD-Arrays verwendet werden, die eine hohe räumliche Auflösung besitzen und preiswert sind.
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 Gasselektrionsfiltern 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 Filterpaaares gedreht.
Um eine differentielle Emissionsspektroskopie in einfacher Weise zu ermöglichen, besitzt das Gasselektionsfilter eine Durchlaßcharakteristik bei der charakteristischen Wellenlänge einer zu ermittelnden 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 Merkmale, Aufgaben und Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Patentansprüchen und der nun folgenden ausführlichen Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen.
In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1: Ein Blockschaltbild zur Erklärung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von zweidimensionalen räumlichen Verläufen von längenintegrierten Teilchenmengen von Gaskomponenten;
Fig. 2: ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach Fig. 1;
Fig. 3: eine Darstellung eines Filterrades zur Verwendung als Referenzfilter-Anordnung oder Gasselektionsfilter- Anordnung;
Fig. 4: eine Ansicht einer Anzeigeeinrichtung, auf der räumliche Verteilungen von längenintegrierten Teilchenmengen von mehreren Gaskomponenten dargestellt sind;
Fig. 5a, b: Beispiele zur Verwendung der vorliegenden Erfindung zur optischen Fernerkundung von Gasemissionen;
Fig. 6a: eine herkömmliche Vorrichtung zur differentiellen spektroskopischen Analyse von Gaskomponenten in einem Gasgemisch;
Fig. 6b: ein Graph zur Erklärung des Prinzips der differentiellen Absorptionsspektroskopie;
Fig. 6c: ein typisches Emissionsspektrum eines Gasgemischs; und
Fig. 7: eine herkömmliche Vorrichtung zur Darstellung der räumlichen Verteilung eines Gasgemischs.
Im folgenden wird das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.
Das Eigenemissionsspektrum E eines Gasgemisches G wird 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 Referenzfilters 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 Verlauf der längenintegrierten Teilchenmenge der Gaskomponente auf Grundlage der differentiellen Emissionsspektroskopie, d. h. das gefilterte erste Teilemissionsspektrum F1 und das gefilterte zweiten Teilemissionsspektrum F2 werden mittels der differentiellen Emissionsspektroskopie miteinander ausgewertet. Der dadurch ermittelte räumliche Verlauf der längenintegrierten Teilchenmenge kann auf einer mit der Verarbeitungseinrichtung 8 gekoppelten Anzeigeeinrichtung 9 angezeigt werden.
Die von den Sensorfeldern 3, 4 aufgenommenen Bilder stellen zunächst aber Intensitätsverteilungen I(x, y) der von einer Gaskomponente G1, G2 emittierten Stahlung dar. Die Verarbeitungseinheit 8 ermittelt nun den Verlauf der längenintegrierten Teilchenmenge mittels des im folgenden als "differentielle Emissionsspektroskopie" bezeichneten Verfahrens, welches sich von der differentiellen Absorptionsspektroskopie (siehe oben) in einigen Punkten unterscheidet. Die aufgenommenen Intensitäten I₁, I₂ der beiden gemessenen Teilspektren F1, F2 lassen sich mathematisch folgendermaßen darstellen:
I₁(λ₁) = BH·ε·T + (1-T)BA (1)
I₂(λ₂) = BH·ε (2)
BH: Plankfunktion des Hintergrundes;
ε: Emissivität des Hintergrundes;
T: Transmission des Spurengases;
BA: Plankfunktion der Gaswolke;
λ₁: Wellenlänge der Spurengaskanals;
λ₂: Wellenlänge des Referenzkanals;
Damit folgt:
I₁(λ₁) = I₂(λ₂) T + (1-T)BA (3)
Eine Lösung dieser Gleichung mit den beiden Unbekannten T und BA läßt sich eindeutig für jedes Bildelement der 2-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) (4)
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 Verarbeitungs-Einrichtung 8 führt also zum räumlichen Verlauf der längenintegrierten Teilchenmenge der Gaskomponente.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung stellt somit 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 Szenario in spurengasspezifischen Spektralbereichen mit hoher räumlicher Auflösung. Da die Referenzfilter-Anordnung 5 und die Gasselektionsfilter-Anordnung G mehrere Referenzfilter und Gasselektionsfilter aufweisen, können durch die Messung bei verschiedenen charakteristischen Wellenlängen die Konzentrationsverteilungen 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 der längenintegrierten Teilchenmengen der Gaskomponenten G1, G2 werden vorzugsweise in verschiedenen Farben auf der Anzeigeeinrichtung 9 (siehe auch Fig. 4) dargestellt.
Die Verarbeitung-Einrichtung 8 kann in Zusammenhang mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung Meßsystem folgende physikalischen Größen bezüglich der Gaskomponenten G1, G2 des Gasgemischs G ermitteln:
  • 1. Erfassung der räumlichen Verteilung von Komponentenkonzentrationen und deren zeitliche Veränderungen;
  • 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 flugzeugtragenden Anwendungen kann somit sowohl die horizontale Windrichtung als auch die horizontale Amplitude des Windes bestimmt werden; und
  • 4. für geführte Emissionen (siehe beispielsweise die Kaminkonfiguration in Fig. 5a) 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. 1 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. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1, bei der das Emissionsspektrum E des Gasgemisches G von einem Objetiv 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. 5a, b) ist ein Teleobjektiv vorteilhaft.
Ein 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 Konzentrations- bzw. Intensitätsverteilungen sicherzustellen. Mit der in Fig. 2 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. 2 nicht dargestellte) Schnittstelle an die (in Fig. 2 ebenfalls nicht dargestellte) Verarbeitungs- Einrichtung 8 mit einem Bildschirm 9 übertragen. Mit der in Fig. 2 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 charakteristischen Wellenlängen mehrerer Gaskomponente durchgescanned werden. Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung zur "gasselektiven Messung" wird somit als "gasselektive Kamera" bezeichnet.
Bei der gasselektiven Kamera in Fig. 2 ist außerdem eine Kalibrationseinrichtung 21 vor dem Objetiv 11 angeordnet. Die Kalibrationseinrichtung 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 Kalibrationsposition (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 Kalibrationsquellen für zwei verschiedene Temperaturen eingestellt werden können. Damit werden alle Untergrundsanteile, sowohl die elektrischen als auch die thermischen eliminiert. Zweckmäßigerweise werden die Kalibrationsmessungen dabei alterierend, d. h. einmal mit einer höheren und einmal mit einer niedrigeren Temperatur durchgeführt.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Filterrades 15, 16, das in Fig. 2 als Referenzfilter-Anordnung 15 bzw. Gasselektionsfilter-Anordnung 16 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, 5-2 in den Strahlengang E1, E2 zu liegen kommt. Die Referenzfilter 5-1, 5-2 und die Gasslektionsfilter 6-1, 6-2 sind zweidimensionale Filter und besitzen eine Bandpaßcharakteristik bei den Wellenlängen λ₂ bzw. λ₁ so wie in Fig. 6b 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 5Hz für eine Vielzahl von Gaskomponenten stattfinden. Es ist somit möglich, für mehrere Gaskomponenten gleichzeitig dynamische Vorgänge zu ermitteln und auf einem Bildschirm 19 der Anzeigeinrichtung 9, wie in Fig. 4 gezeigt, deren räumliche Verläufe der längenintegrierten Teilchenmengen darzustellen. Gleichzeitig können auf dem Bildschirm 19 die relevanten Meßgrößen, d. h. Windrichtung, Massenfluß und Flußgeschwindigkeit oder Fahnentemperatur angezeigt werden. Es ist dabei vorteilhaft, die räumliche Verteilung der längenintegrierten Teilchenmengen der einzelnen Gaskomponenten G1, G2 in verschiedenen Farben darzustellen.
Zusammenfassend ermöglicht die Erfindung also die Ermittlung des räumliches Verlaufs der längenintegrierten Teilchenmengen (Konzentrationsverteilungen) einer Vielzahl von Gaskomponenten in einem Gasgemisch in kürzester Zeit, so daß eine Beobachtung von dynamischen Vorgängen einzelner Gaskomponenten in dem Gasgemisch möglich ist. Die Erfindung basiert auf dem Prinzip der "differentiellen Emissionsspektroskopie" und die räumlichen Ausbreitungsvorgänge für viele Gaskomponenten sind somit hochauflösend und in kurzer Zeit bestimmbar.
Obwohl die Erfindung oben im Zusammenhang mit der Erfassung von geführten Gasemissionen bzw. Triebwerksemissionen beschrieben wurde, sind vielerlei andere Anwendungsmöglichkeiten denkbar, beispielsweise für die Abgasüberwachung in Kraftfahrzeugen.

Claims (18)

1. Vorrichtung zur räumlich hochauflösenden Analyse mindestens einer Gaskomponente (G1, G2) eines Gasgemischs (G), umfassend:
  • a) eine Aufnahmeeinrichtung (1) zum Empfang eines 2D-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 ein zweites Teilemissionsspektrum (E1, E2);
  • c) ein erstes und ein zweites 2D-Sensorfeld (3, 4) zum Empfang des ersten und zweiten Teilemissionsspektrums (E1, E2);
  • d) eine 2D-Referenzfilter-Anordnung (5), die zwischen der Strahlteilereinrichtung (2) und dem ersten 2D-Sensorfeld (3) angeordnet ist und mindestens ein Referenzfilter (5-1; 5-2) zur Filterung des ersten Teilemissionsspektrums (E1) aufweist.
  • e) eine 2D-Gasselektionsfilter-Anordnung (6), die zwischen der Strahlteilereinrichtung (2) und dem zweiten 2D-Sensorfeld (4) angeordnet ist und mindestens ein Gasselektionsfilter (6-1; 6-2), zur Filterung des zweiten Teilemissionsspektrums (E2) aufweist; und
  • f) eine Verarbeitungs-Einrichtung (8) zum Ermittelung des räumlichen Verlaufs der längenintegrierten Teilchenmenge (n.L) der mindestens einen Gaskomponente auf Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums (F1) und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums (F2).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, 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-Paars (5-1, 6-1) durch ein anderes Referenzfilter-Gasselektionsfilter-Paar (5-2, 6-2).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung (8) mit einer Anzeigeeinrichtung (9) gekoppelt ist, zur Darstellung der räumlichen Verteilung der Teilchenmengen (n.L) der einzelnen Gaskomponenten.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Anzeigeeinrichtung (9) die räumlichen Teilchenmengenverteilungen (n. L) der Gaskomponenten (G1, G2) in verschiedenen Farben darstellbar sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen Strahlteilereinrichtung (2) und 2D-Sensorfeld (3, 4) eine Fokussieroptik (19, 20) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Aufnahmeeinrichtung (19) eine Kalibriereinrichtung (21) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung (1) ein Weitwinkelobjektiv (11) oder ein Teleobjektiv ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilereinrichtung (2) ein optischer Strahlteiler (12), der ein Teilungsverhältnis von 50 : 50 besitzt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die 2D-Sensorfelder (3) zweidimensionale CCD-Arrays (13, 14) umfassen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfilter-Anordnung (5) ein Filterrad (15) ist, welches entlang seinem Umfang die Vielzahl von Referenzfiltern (5-1, 5-2) aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasselektionsfilter-Anordnung (6) ein Filterrad (16) ist, welches entlang seinem Umfang die Vielzahl von Gasselektionsfiltern (6-1, 6-2) aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechseleinrichtung (7) eine Dreheinrichtung (17) ist, die die Filterräder (15, 16) gleichzeitig zur Wechselung eines Filterpaars (5-1, 5-2; 6-1, 6-2) dreht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filterpaar (5-1, 6-1) jeweils aus einem Gasselektionsfilter (6-1, 6-2) und einem Referenzfilter (5-1, 5-2) besteht, wobei das Gasselektionsfilter 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.
14. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung (8) die Wechseleinrichtung (7) so steuert, daß ein Filterpaarwechsel mit einer Frequenz von 5 Hz stattfindet.
15. Verfahren zur räumlich hochauflösenden Analyse mindestens einer Gaskomponente (G1), G2) eines Gasgemischs (G), umfassend die folgenden Schritte:
  • a) Aufnehmen eines 2D-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 2D-Referenzfilter-Anordnung (5) bzw. mindestens einem Gasselektionsfilter (6-1) einer 2D-Gasselektionsfilteranordnung (6);
  • d) Empfangen des ersten und zweiten gefilterten Teilemissionsspektrums (F1, F2); und
  • e) Ermitteln des Verlaufs der längenintegrierten Teilchenmenge (n.L) der mindestens einen Gaskomponente (G1) auf Grundlage des gefilterten ersten Teilemissionsspektrums (F1) und des gefilterten zweiten Teilemissionsspektrums (F2).
16. Verfahren nach Anspruch 15, 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 des räumlichen Teilchenmengenverlaufs (n.L) einer weiteren Gaskomponente (G2) wiederholt werden.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die räumlichen Verläufe der längenintegrierten Teilchenmengen (n.L) der Gaskomponenten (G1, G2) auf einer Anzeigeeinrichtung (9) angezeigt werden.
18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die räumlichen Verläufe der längenintegrierten Teilchenmengen (n.L) in verschiedenen Farben dargestellt werden.
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