DE69924639T2 - Überwachung der verteilung und mischung eines chemischen spezies - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Apparat zur Überwachung der Verteilung und Mischung einer chemischen Spezies in einem Raumabschnitt, etwa in einem Gefäß oder in einem freien Raum, wie etwa in einem den Abgasschwaden einer Maschine enthaltenden Raum.
  • Das räumliche und zeitliche Verteilen und Vermischen einer chemischen Spezies kann eine kritische Bestimmungsgröße des Leistungsverhaltens eines chemischen Reaktors sein. Zum Beispiel stellt die Verbrennungskammer einer inneren Verbrennungsmaschine einen chemischen Reaktor dar, in welchem die räumliche und zeitliche Variation des Verhältnisses von Luft zu Brennstoff vor der Entzündung einen deutlichen Einfluss sowohl auf die Brennstoffeffizienz als auch auf das Leistungsverhalten der Emissionen ausübt. Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, um die räumliche Variation des Verhältnisses von Luft zu Brennstoff innerhalb interner Verbrennungsmaschinen zu analysieren. Auf typische Art und Weise sind die Zylinder und/oder Kolben der internen Verbrennungsmaschinen mit Fenstern versehen worden, durch welche es möglich geworden ist, unter Einsatz einer eine Hochgeschwindigkeitskamera umfassenden Ausrüstung Photographien aufzunehmen, um auf diese Weise Variationen in dem Verhältnis der Luft zu dem Brennstoff bildlich darzustellen. Es ist zum Beispiel bekannt ein Fluoreszenzdotiermittel in den in den Zylinder eingeführten Brennstoff einzuführen, um so eine visuell sichtbare Anzeige über die Brennstoffverteilung innerhalb der Brennstoff-Luftmischung zu liefern.
  • Ein weiter Bereich von Tomographiemodalitäten ist entwickelt worden, welche sich über die Klassen der "hart Feld-", der "weich Feld" und der Emissionstechniken erstrecken. Eine jede dieser Klassen weist verschiedene Stärken und Schwächen auf. Insbesondere erfordern alle diese Klassen eine Inversionsberechnung, um die Verteilung eines Interesseparameters zu rekonstruieren. Der Stimulations- bzw. Anregungsprozess der Fluoreszenztomographie besitzt eine ,hart-Feld'-Natur insofern als das einzige Material, welches dazu angeregt werden kann zu fluoreszieren, jenes Material ist, welches auf dem geometrischen Weg der Eingangsstrahlung liegt, während der Nachweis der isotrop emittierten Fluoreszenz deutlich eine Emissionsnatur aufweist.
  • Es ist eine Arbeit durchgeführt worden für den Fall der Röntgenstrahlfluoreszenz, so wie dies beschrieben worden ist von Cesareo R. und Mascarenhas S. (1989) in A new tomographic device based on the detection of fluorescent X-rays, Nucl. Instr. Meth. A277, 669–672. Dieser Aufsatz hebt hervor, dass eine Kollimation von sowohl dem Anregungsstrahl als auch von der Detektorakzeptanz zu einer unzweideutigen Bestimmung des räumlichen Bereiches führt, welcher als der "Raumpunkt" bezeichnet wird, von welchem aus nachgewiesene Fluoreszenzphotonen emittiert worden sind. In dem beschriebenen Fall der Röntgenstrahlfluoreszenz jedoch schwächte das zu studierende Material sowohl den Anregungsstrahl als auch die Fluoreszenzphotonen stark ab und dies erforderte eine zusätzliche Komplexität in der Bildrekonstruktion durch eine Entfaltung der Dämpfung. Somit stellte sich heraus, dass diese frühere Arbeit darauf hinwies, dass der Einsatz von kollimierten Anregungsstrahlen und von Detektorsichtfeldern die Notwendigkeit von rechnungsmäßig intensiven Bildrekonstruktionstechniken nicht vermeidet.
  • Die Technik einer planaren laserinduzierten Fluoreszenz (PLIF = planar laser-induced fluorescence) ist bis jetzt die erfolgreichste beim Liefern von Information über die Misch- und Verbrennungsprozesse in internen Verbrennungsmaschinen gewesen. Um diese Technik zu implementieren, werden große Glaseinsätze zwischen dem Zylinderkopf und dem Maschinenblock angeordnet. Die Laseremission wird zu einem Vorhang geformt, welcher durch den Zylinderkopf hindurch tritt und die Fluoreszenz anregt. Die Fluoreszenz wird in der orthogonalen Richtung durch einen verlängerten Kolben mit einem zentralen Glasfenster und mit einem Spiegel beobachtet, typischerweise durch eine CCD-Kamera. PLIF-Systeme können jedoch nur eine geringe Anzahl von Rastern pro Zyklus erzeugen wegen der vergleichsweise niedrigen Frequenz der Lichtproben, bestimmt durch die niedrige Wiederholungsrate (10–100 Hz) der Laserquellen.
  • Die bekannten Systeme erfordern einen ausgedehnten optischen Zugang, welcher seinerseits wesentliche Veränderungen an einer internen Verbrennungsmaschine erfordert, für welche das Leistungsverhalten bewertet werden soll. Die Bereitstellung relativ großer optischer Fenster in zum Beispiel einer Zylinderwand kann das Leistungsverhalten der Maschine wesentlich beeinträchtigen, verglichen mit einer Maschine, in welcher keine solchen optischen Fenster vorgesehen sind. Weiterhin ist die zeitliche Auflösung von solchen bekannten Techniken auf Grund der verwendeten gepulsten Laserquellen auf einige wenige Hz begrenzt. Diese Techniken sind nicht geeignet für eine Anwendung bei Routinemaschinenoperationen.
  • Das US Patent 5,758,653 offenbart eine Reihe von Laserquellen und Photondetektoren, welche rund um den Umfang eines Objektes herum verteilt sind, wobei gestreute und diffuse Strahlung verwendet wird, um eine Darstellung des Inneren des Objektes zu rekonstruieren.
  • Es ist bekannt, dass Kohlenwasserstoffe enthaltende Luft die Laserstrahlung in einem größeren Ausmaß absorbiert als von Kohlenwasserstoffen freie Luft, wenn die Laserbestrahlung bei einer Frequenz stattfindet, welche die Schwingungs-/Rotationsübergänge bei Kohlenwasserstoffmolekülen anregt. Insbesondere führt das Vorhandensein der Gruppen von CH3, CH2 und CH in den Molekülen in einer Mischung Luft/Kohlenwasserstoff zu einer größeren Absorption, und zwar auf Grund verschiedener Schwingungsübergänge und derer Oberschwingungen und Kombinationen, als dies der Fall mit Luft ist, welche solche Moleküle nicht enthält.
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die spezifische Absorption der Strahlung auszunutzen, um räumliche und zeitliche Variationen in dem Verhältnis von Luft zu Brennstoff innerhalb von zum Beispiel einer internen Verbrennungsmaschine zu überwachen.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Apparat zur Überwachung der räumlichen Verteilung innerhalb eines Gefäßes von einer chemischen Spezies zu liefern, ohne dass der Einsatz von rechnungsintensiven Techniken erforderlich ist, um eine Darstellung der Verteilung zu erzeugen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Apparat geliefert zur Überwachung der Verteilung innerhalb eines definierten Raumes einer chemischen Spezies, bei welchem eine große Anzahl von Strahlungsquellen und von Strahlungsdetektoren rund um den Umfang des Raumes herum verteilt sind, wobei die Strahlungsquellen so verteilt sind, dass sie Strahlenbündel quer über das Innere des Raumes emittieren, wobei die Wellenlänge der Strahlung so gewählt wird, dass eine Wechselwirkung zwischen der Strahlung und der chemischen Spezies auftritt, welche von den Detektoren nachgewiesen werden kann, und Hilfsmittel bereitgestellt werden zur Ableitung, aus den nachgewiesenen Wechselwirkungen, einer Darstellung der Verteilung der chemischen Spezies innerhalb des Raumes. Die große Anzahl von Strahlungsquellen und von Strahlungsdetektoren sind rund um den Umfang des Raumes herum so verteilt, dass die Strahlung aus einer jeden Quelle entlang einem vorherbestimmten Weg in die Richtung auf mindestens einen Detektor zu gerichtet ist, und die Quellen die Strahlen bei einer Wellenlänge emittieren, welche so gewählt wird, dass Schwingungsübergänge und/oder Rotationsübergänge in mindestens einer der chemischen Spezies derart angeregt werden, dass Strahlung bis zu einem bedeutenderen Ausmaß durch jene mindestens eine Spezies absorbiert wird als durch mindestens eine andere Spezies, wobei die längs eines jeden der vorherbestimmten Wege auftretende Absorption der Strahlung überwacht wird, um ein Maß für das Wegintegral der Konzentration jener mindestens einen Spezies längs eines jeden Weges zu liefern, und eine Darstellung der Verteilung der Konzentration jener mindestens einen Spezies innerhalb des Raumes wird aus den gemessenen Wegintegralen der Konzentration abgeleitet.
  • Die Strahlungsquellen und die Strahlungsdetektoren sind paarweise derart angeordnet, dass ein jeder Detektor eine Strahlung über einen jeweiligen Weg aus einer jeweiligen Quelle empfängt. Alternativ kann mindestens eine Quelle so angeordnet sein, dass sie die Strahlung in einen Strahl richtet, welcher jeweilige vorherbestimmte Wege zu einem jeden aus einer großen Anzahl von Strahlungsdetektoren definiert, wobei ein jeder Detektor ein Kollimationssichtfeld aufweist, welches nur den jeweiligen vorherbestimmten Weg mit einschließt.
  • In dem Fall der Anwendung der Erfindung zur Überwachung der räumlichen Variation der Verhältnisse von Luft zu Brennstoff im Innern von internen Verbrennungsmaschinen kann die spezifische, wenn auch schwache Absorption der elektromagnetischen Strahlung in dem nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums (1 μm bis 2,5 μm) ausgewertet werden, um zu unterscheiden zwischen der Absorption, die aus Obertönen und aus Kombinationen von verschiedenen Schwingungsübergängen und/oder Rotationsübergängen in Kohlenwasserstoffen resultiert, insbesondere solcher Übergänge, die sich mit den Gruppen CH3, CH2 und CH in Molekülen ergeben. Eine geeignete Wellenlänge für die Verwendung in dem Apparat gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt bei 1700 nm (–15, +50 nm), da die Kohlenwasserstoffe bei dieser Wellenlänge eine schwache Absorption zeigen. Im Gegensatz zu den bisherigen Techniken nach dem Stand der Technik, welche sich auf die Zugabe von Fluoreszenzdotiermitteln zu dem Brennstoff stützen, verwendet der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung damit die inhärenten Absorptionseigenschaften von Kohlenwasserstoffsystemen, um Daten abzuleiten, welche in der räumlichen Variation des Verhältnisses von Luft zu Brennstoff beschrieben sind, ohne in irgendeiner Weise die chemischen Komponenten zu verändern, zum Beispiel durch die Zugabe von Dotiermitteln zu dem Brennstoff. Weiterhin kann, obwohl ein jedes Quellen-Detektor-Paar ein Maß für das Pfadintegral (oder den Durchschnitt) der Konzentration an Kohlenwasserstoff lediglich entlang dem Weg zwischen diesem Paar liefern kann, die räumliche Anordnung dieses Weges genau bestimmt werden und, vorausgesetzt es werden die Daten aus einer ausreichend großen Anzahl von Wegen extrahiert, dann ist es eine relativ gut bekannte rechnerische Aufgabe eine Darstellung der Verteilung der Kohlenwasserstoffe unter Verwendung herkömmlicher tomographischer Techniken zu produzieren. Die Quellen können Laser sein, auch sollten die Quellen für die Maschinenanwendung eine hohe Modulationsbandbreite aufweisen, z.B. in der Größenordnung von 40 kHz oder mehr. Es können auf diese Weise zeitliche Auflösungen so hoch wie 20 kHz erzielt werden, ganz im Gegensatz zu den niedrigen zeitlichen Auflösungen, welche mit den bisher bekannten Techniken erreichbar sind.
  • Vorzugsweise weist eine jede Strahlungsquelle auch Hilfsmittel auf für das Richten von Strahlung mit einer weiteren Wellenlänge längs des vorherbestimmten Weges zu dem Detektor des jeweiligen Paares, wobei die weitere Wellenlänge derart ausgewählt wird, dass sie keine Schwingungsübergänge und/oder Rotationsübergänge in irgendeiner der Komponenten anregt, und es sind Hilfsmittel bereitgestellt zum Vergleichen der Absorption der Strahlung der zwei Wellenlängen zum Kompensieren der Absorption, welche keinen Schwingungsübergängen und/oder Rotationsübergängen zugeordnet ist, welche in jener mindestens einen Komponente angeregt werden. Eine geeignete Wellenlänge für die weitere Strahlungsquelle beträgt 1550 nm in dem Fall langkettiger, gesättigter Kohlenwasserstoffe, welche die ein Interesse aufweisende Spezies darstellt.
  • Die Strahlungsabgabe bzw. -leistung einer jeden Strahlungsquelle kann einer Zeitmultiplexverfahrensweise derart unterzogen werden, dass nur eine Wellenlänge zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt emittiert wird. Alternativ kann eine Frequenzmultiplexverfahrensweise verwendet werden, wobei die Absorption von verschiedenen, gleichzeitig übertragenen Wellenlängen gemessen wird durch eine Demultiplexverfahrensweise durch die Detektorelektronik.
  • In einer alternativen Anordnung umfassen die Detektoren optische Hilfsmittel zum Unterscheiden zwischen den optischen Merkmalen der Abgaben der Quellen, welche von einer verschiedenen Wellenlänge sind. Die Abgaben von einer verschiedenen Wellenlänge können unterschiedlich polarisiert sein, wobei die optischen Hilfsmittel gegenüber der Polarisation empfindlich sind, oder es können die optischen Hilfsmittel einen Spektrometer umfassen.
  • Vorzugsweise umfasst mindestens eine Quelle einen abstimmbaren Laser und es werden Hilfsmittel zum Abstimmen des Lasers bereitgestellt, um den Veränderungen bei den Absorptionsmerkmalen des Raumes Rechnung zu tragen.
  • Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung wird jetzt mittels eines Beispieles beschrieben werden, dies unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, in denen;
  • 1 eine vereinfachte Querschnittsansicht durch ein Gefäß darstellt, welche die Anregungspfade zeigt, wie sie in einem Apparat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden, welche auf der Strahlabsorption beruht;
  • 2 eine schematische Querschnittsansicht durch ein Gefäß darstellt, welche eine Anordnung von Paaren aus Strahlungsquellen und Detektoren in einem Apparat des in der 1 dargestellten Typs zeigt, welcher aber 28 Strahlungsquellen-/Detektoren-Paare umfasst.
  • 3 ein schematisches Diagramm darstellt, welches Komponenten zeigt, die in dem Apparat von dem Typ verwendet werden, welcher in den 1 und 2 dargestellt ist;
  • 4 ein schematisches Diagramm darstellt, welches den Demultiplexer der 3 in größeren Einzelheiten zeigt; und
  • 5 eine schematische Querschnittsansicht durch ein Gefäß darstellt, welche die Anregungspfade zeigt, so wie sie in einem Apparat verwendet werden, welcher auf der Fluoreszenzanregung beruht.
  • Unter Bezugnahme auf die 1 der begleitenden Zeichnungen stellt der Kreis 1 die Wand eines Zylinders einer inneren Verbrennungsmaschine dar. Eine Gruppierung von fünf auf optischen Fasern beruhenden Lichtquellen 2, gekoppelt an eine gemeinsame Laserquelle, ist um den Umfang einer Ebene durch jenen Zylinder herum angeordnet, wobei eine jede Quelle einen Strahl in die Richtung eines jeweiligen Detektors 3 lenkt, wobei die Strahlen entlang den Wegen gelenkt werden, welche durch die Linien 4 angezeigt sind. Ein jeder übertragener Strahl liegt bei einer Wellenlänge von 1700 nm ± 10 nm. Eine Strahlung bei dieser Wellenlänge wird absorbiert auf Grund von Obertönen und von Kombinationen aus verschiedenen Schwingungsübergängen und/oder Rotationsübergängen aus CH3, CH2 und CH. Im Gegensatz dazu besteht eine vernachlässigbare Absorption, welche auf andere Spezies zurückzuführen ist, wie etwa auf N2, H2O, CO2 usw., welche in einer normalen Mischung aus Luft und Brennstoff erwartet werden. Demgemäß ist der Absorptionsgrad eines jeden Strahls eine Funktion der Konzentration von Kohlenwasserstoffen in dem besonderen Strahlpfad.
  • Um den Störabstand zu verbessern, muss der nicht resonanten Dämpfung Rechnung getragen werden, zum Beispiel durch eine Streuung von Partikeln usw. Dies kann erreicht werden durch ein Erzeugen einer Laserstrahlung bei zwei Wellenlängen, von denen die eine Schwingungsübergänge und/oder Rotationsübergänge in Kohlenwasserstoffen anregt, aber nicht in Komponenten der Luft, und von denen die andere solche Übergänge nicht anregt, weder in Kohlenwasserstoffen noch in Luft. Ein Vergleich der Dämpfung der zwei Strahlen macht es möglich zu unterscheiden zwischen der Dämpfung, die auf das Vorhandensein von Kohlenwasserstoffen zurückzuführen ist, und der Dämpfung, die auf andere Faktoren zurückzuführen ist, wie z.B. auf Partikel, Temperaturvariationen oder Druckschwankungen. In dieser Ausführung liegt der nicht resonante Strahl bei 1550 nm. Strahlen der zwei Wellenlängen werden in denselben optischen Weg geleitet, so dass die zwei Strahlen identischen Wegen durch die Verbrennungskammer folgen. Dies wird erreicht durch die Verwendung von optischen Faserkopplungen, welche so ausgelegt sind, das sie für diese zwei Wellenlängen optimal arbeiten. Solch ein System ist im Arbeitsbetrieb vorgeführt worden, wobei die Verteilung eines frei fließenden Kohlenwasserstoffstrahls gezeigt wird, welcher aus einer Düse mit einem Durchmesser von 5 mm austritt durch einen Querschnitt eines Behälters mit einem Durchmesser von 80 mm hindurch, welcher andernfalls mit Luft gefüllt ist.
  • Eine Überwachung eines zyklischen Reaktors mit einer schnellen Zykluszeit, etwa eine Maschine, welche bei sagen wir 1800 Umdrehungen pro Minute (UpM) arbeitet, kann auf eine zuverlässige Art und Weise erreicht werden unter Verwendung einer schnellen Quellenmodulation, um gegenüber einem thermischen Hintergrund und einem Verbrennungshintergrund zu unterscheiden, um relative intrazyklische Minima für die Absorption zu definieren und um ein Wellenlängenmultiplexing in Bezug auf die Zeit oder auf die Frequenz durchzuführen. Dies stellt erhebliche Anforderungen an die Frequenzantwort der Lichtquellen und Detektoren. Diese Anforderungen können zum Beispiel erfüllt werden bei dem Einsatz von Lichtquellen von mit einem Resonanzhohlraum erweiterten InGaAs Laserdioden, welche erhältlich sind mit Leistungsausgängen von 3 mW, an eine optische Faser gekoppelt. Die erhältlichen Quellen weisen die erforderliche Stabilität auf und eine Modulationsbandbreite, welche um 40 kHz oder auch viel höher liegen kann. Somit können die Quellen und Detektoren an den durch die Verbrennungskammer definierten Hohlraum durch sehr schmale Aperturen über optische Fasern gekoppelt werden.
  • Da das beschriebene System ein "Hart-Feld" Tomographiemodus darstellt, in welchem die Anzahl der rekonstruierten Raumpunkte auf eine Anzahl begrenzt ist, welche zu der Anzahl der Absorptionswege durch den chemischen Reaktor in Beziehung steht, ist es wichtig, so viele Absorptionswege wie möglich zu haben. Dies muss abgewogen werden gegenüber den Leistungs/Rauschanforderungen des Systems und gegenüber den geometrischen Beschränkungen, welche durch die Dimensionen des Reaktors auferlegt werden. In dein bewusst vereinfachten Fall, welcher in der 1 illustriert ist, wurden nur fünf Wege durch den chemischen Reaktor definiert. Man antizipiert, dass typischerweise die Größenordnung von 30 Quellen-Detektor-Paaren auf einer gemeinsamen Ebene rund um einen Zylinder einer Maschine angeordnet werden, wobei die Anzahl der Paare für größere Zylinder größer sein wird. 2 zeigt eine Anordnung mit 28 Quellen-Detektoren-Paaren. Ähnliche Anordnungen von Laserquellen und Detektoren könnten in einer Reihe von mit einem axialen Abstand zueinander angeordneten Ebenen aufgestellt werden. Zum Beispiel könnten sechs Anordnungen von 30 Laserquellen-Detektoren-Paaren angeordnet werden, um eine Gesamtzahl von 180 unabhängigen Absorptionswegen durch den chemischen Reaktor zu liefern. Durch eine geeignete Verteilung dieser Wege könnte man ausreichend viel Information erhalten, um eine genaue Darstellung des Verhältnisses von Luft zu Brennstoff durch einen ausgedehnten Teil des Reaktors zu liefern. Man wird natürlich erkennen, dass in vielen Anwendungen eine sehr viel größere Anzahl von Absorptionswegen leicht bewerkstelligt werden könnte.
  • Es bestehen viele Optionen, um räumlich unterschiedliche optische Wege durch den Gegenstand hindurch zu erzeugen, was die Verwendung von Quellen einschließt, welche an eine optische Faser gekoppelt sind, welche ihrerseits in eine Vielfalt von Fasern gespalten ist, so wie dies oben beschrieben ist. Weitere Optionen erstrecken sich auf mehrfache Lichtquellen, auf einen weit gefächerten divergenten Strahl, der in den Gegenstand geleitet wird, wobei die Detektoren mit einer Kollimationsoptik derart versehen sind, dass die Abgabe von einer Quelle von einem jeden der zwei oder mehr anderen Detektoren nachgewiesen wird, und auf das Koppeln von Licht aus einer Quelle gleichzeitig in mehrere Fasern, etwa in Bandfasern, wobei eine jede Faser hinter einer Miniaturlinse angeordnet wird.
  • Die Strahlungsquellen können abstimmbare Laser enthalten, welche dazu benutzt werden können, um von einem Scheitelwert der Absorption aus zu verstimmen hin zu einer Wellenlänge, bei welcher eine geeignete Durchdringung in den Gegenstand eintreten könnte. Eine feine Abstimmbarkeit der Strahlungsquellen kann dazu verwendet werden, um einen optimalen Ausgleich von Durchdringung gegenüber Absorption zu gewährleisten.
  • Die 3 illustriert eine geeignete Systemarchitektur für das tomographische Abbildungssystem, welches unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben ist. Die Laserquellen 6 (1550 nm) und 7 (1700 nm) sind mit einem WDM Koppler 8 verbunden, von dem ein Ausgang mit einem 67/33 Breitbandkoppler 9 verbunden ist. Ein Ausgang des Kopplers 9 ist mit einem 1 × 32 Koppler 10 verbunden. Der zweite Ausgang des Kopplers 9 ist mit einem 50/50 Breitbandkoppler 11 verbunden. Jeder Ausgang des Kopplers 11 ist mit einem 1 × 32 Koppler 12, 13 verbunden. Die Koppler 12 und 13 sind mit den optischen Lichtquellen 2 (nur zwei davon sind gezeigt) verbunden, welche um den Zylinder 1 herum angeordnet sind. Ein jeder der Detektoren 3 ist in Serie mit einem Verstärker 14, mit einem Demultiplexer 15 und mit einem Anlog/Digitalwandler (ADC) 16 verbunden. Ein PC 17 ist mit dein Ausgang eines jeden ADC 16 verbunden.
  • Eine Ausführungsform des Apparates verwendet optische und integrierte-optische Koppler auf der Basis von Siliciumdioxid. Solche Geräte sind, wenn sie mit kurzen Fasern verwendet werden, geeignet für die Strahlung mit Wellenlängen bis zu 2,2 μm. Getrennte Laserdiodenquellen (oder Licht emittierende Diodenquellen) können für jeden Weg durch den Gegenstand verwendet werden, wobei eine getrennte Quelle verwendet wird, um Strahlung bei einer jeden Wellenlänge zu erzeugen.
  • Der Demultiplexer 15 wird in größeren Einzelheiten in der 4 dargestellt, welche das vordere Ende des Verstärkers 14 zeigt, welcher mit einem Tiefpassfilter 18 verbunden ist. Ein Paar von Lock-in-Verstärkern 19 ist mit dem Tiefpassfilter 18 verbunden, wobei ein jeder Lock-in-Verstärker (synchronisierter Verstärker) mit einem Tiefpass-Besselfilter 20 verbunden ist, um die zwei Wellenlängen auseinander zu trennen. Ein Datenerfassungsschaltkreis 21 nimmt Proben der Ausgangswerte mit einer Probenentnahmegeschwindigkeit von > 12 kHz, um die Ergebnisse zu dem ADC 15 zu leiten.
  • Weitere Komponenten in dem System (nicht gezeigt) können sich auf Hilfsmittel erstrecken zum Korrigieren von Effekten, welche zurückzuführen sind auf den Druck eines Gasphasengegenstandes, zum Beispiel durch Verwendung einer Strahlung mit einem Drittel der Wellenlänge oder durch eine gleichzeitige Druckmessung. Die Verwendung von drei oder von mehr Wellenlängen in der durch den Gegenstand übertragenen Strahlung kann eine Messung der Variationen in dem lokalen Brechungsindex der Mischung ermöglichen.
  • Der Apparat ist nicht auf den Gebrauch zum Testen von Verbrennungsmaschinen beschränkt, sondern er kann für irgendeine geeignete Mischung innerhalb eines vorgeschriebenen Raumes verwendet werden. Zum Beispiel wird die Herstellung von Estern typischerweise in mit Glas ausgekleideten Reaktorgefäßen durchgeführt, so dass die Strahlungsquellen und Detektoren in oder um den äußeren Metallrumpf des Gefäßes herum angeordnet werden können, ohne dabei die Glasauskleidung zu zerbrechen. In diesem Fall ist eine spezifische Absorption durch die C = O funktionale Gruppe bei etwa 5,8 Mikron (μm) ein guter Kandidat der Wellenlänge für die Ausnutzung.
  • Die Verfügbarkeit eines abstimmbaren Diodenlasers bei 3,4 μm in der Zukunft kann die Verwendung des fundamentalen Absorptionsbandes von langkettigen Kohlenwasserstoffen in dem oben beschriebenen tomographischen Abbildungssystem durchführbar machen, anstelle der Verwendung der zweiten Harmonischen des Absorptionsbandes, wie beschrieben.
  • Unter Bezugnahme auf die 5 der beiliegenden Zeichnungen zeigt der Kreis 22 den Querschnitt eines Zylinders einer inneren Verbrennungsmaschine. Eingesetzt in die Wände des Zylinders sind drei Laserquellen 23, 24 und 25 und vier Detektoren 26, 27, 28 und 29, welche gegenüber Fluoreszenzphotonen empfindlich sind, welche durch ein Zieldotiermittel emittiert werden, welches mit einer Ladung eines Brennstoffes aus Kohlenwasserstoffen in den Zylinder eingeführt wird, wenn das Dotiermittel einer Strahlung aus irgendeiner der drei Quellen 23, 24 und 25 ausgesetzt wird. Die drei Quellen erzeugen kollimierte Strahlen, so wie durch gebrochene Linien angezeigt, und die vier Detektoren weisen ein Kollimationssichtfeld auf, welches wieder durch gebrochene Linien angezeigt ist. Die drei Strahlen und die vier Sichtfelder liegen in einer gemeinsamen Ebene derart, dass ein jeder der Strahlen ein jedes der vier Sichtfelder schneidet. Zum Beispiel sind die Schnittpunkte zwischen dem von der Quelle 23 erzeugten Strahl und den Sichtfeldern der vier Detektoren durch gepunktete Kreise in der Zeichnung angezeigt, jeweils gekennzeichnet mit 23/26, 23/27, 23/28 und 23/29. Somit ist die gesamte Anzahl der Schnittpunkte das Produkt aus der Zahl der Quellen und der Anzahl der Detektoren.
  • Die verschiedenen Quellen 23, 24, 25 können wie für die erste Ausführungsform erzeugt werden (z.B. unter Verwendung von optischen Fasern, mehrfachen Lichtquellen usw.) oder alternativ können Strahldeflektoren (z.B. elektro-optisch oder akustisch-optisch) oder Schalter verwendet werden. Eine weitere Alternative besteht darin, zwei getrennte Anregungsstrahlen zu haben, welche sich an einem Punkt schneiden und dabei eine Mehrfachphotonanregung ergeben, welche durch viele Empfänger ausgemacht werden kann. Dies macht es möglich, Wellenlängen zu verwenden, welche eine bessere Durchdringung in das Interessegebiet aufweisen.
  • Wenn der ein Fluoreszenzdotiermittel enthaltender Brennstoff in den Zylinder gespritzt wird, dann wird er sich mit Luft vermischen und als Ergebnis hieraus wird eine nicht einheitliches Luft-Brennstoff-Gemisch innerhalb des Zylinders aufgebaut. Jeder der Schnittpunkte zwischen den Strahlen und den Sichtfeldern definiert einen Raumpunkt, an dem die Konzentration des Dotiermittels und damit die des damit verbundenen Brennstoffes bewertet werden kann.
  • Wenn die drei Quellen 23, 24 und 25 gleichzeitig Strahlung erzeugen würden, dann würde es für einen jeden der vier Detektoren nicht möglich sein, zwischen den Fluoreszenzphotonen zu unterscheiden, welche durch die drei Strahlen emittiert werden, welche das Sichtfeld des Detektors schneiden, ohne eine weitere Veränderung der Strahlung. Dementsprechend werden die drei Quellen 23, 24 und 25 nacheinander derart mit Energie gespeist, dass zu irgendeinem Zeitpunkt nur ein Strahl ein jedes der Sichtfelder der Detektoren schneidet. Somit kann durch ein Korrelieren der Energieeinspeisung der Quellen und der Ausgabewerte der Detektoren die Intensität der emittierten Fluoreszenzphotonen an einem jeden der zwölf Schnittstellenpunkte bewertet werden, um ein Maß der lokalisierten Konzentration an Dopiermittel zu liefern.
  • Als eine Alternative zu der sequentiellen Arbeitsweise der Quellen kann ein Mittel zur Codierung einer jeden Strahlungsquelle, wie etwa eine Frequenzcodierung mit einem Demultiplexverfahren auf dem Detektor, verwendet werden, um die durch die verschiedenen Strahlungsquellen verursachte Fluoreszenz nachzuweisen.
  • Man wird erkennen, dass die in der 5 illustrierte Anordnung die Ableitung von Daten nur aus einem begrenzten ebenen Gebiet des Inneren des Zylinders ermöglicht. In der Praxis würde man eine Reihe von Gruppierungen von Quellen und Detektoren, wie etwa in der 5 gezeigt, an räumlich voneinander entfernten Stellen entlang der Länge des Zylinders vorsehen, um es auf diese Weise zu ermöglichen, das Verhältnis von Luft zu Brennstoff an einer großen Anzahl von Punkten innerhalb des Zylinders zu bestimmen. Wenn ein jeder coplanarer Satz von Quellen und Detektoren dann N Quellen und M Detektoren einbindet und wenn eine Gesamtzahl von L Sätzen von Quellen und Detektoren entlang der Länge des Zylinders verteilt sind, dann besteht die Gesamtanzahl von Raumpunkten, aus denen Daten abgeleitet werden können, aus dem Produkt von L, N und M.
  • Die Fluoreszenz mehrerer Systeme ist untersucht worden, einschließlich von 3-Pentanon in Isooctan (Absorption bei 280 nm) und einschließlich eines Bereiches von im Handel erhältlichen Benzinarten (Absorption bei 320–480 nm). Im ersteren Fall ist 3-Pentanon ein künstliches Dotiermittel, welches bei Fluoreszenzuntersuchungen weit verbreitet Anwendung findet, und es können Anregungsquellen verwendet werden, welche aus Hochleistungslasern bestehen, die typischerweise 10 ns Impulse bei 10 Hz liefern (Anmerkung: Die typische Leistung gepulster Laser, z.B. 10 Hz, begrenzt die bekannten auf gepulsten Lasern beruhenden Abbildungstechniken auf sehr kleine Geschwindigkeiten, wo hingegen die vorliegende Erfindung sehr hohe Geschwindigkeiten erlaubt, z.B. 10.000 Raster pro Sekunde oder mehr). Auf GaN beruhende blaue Laserdioden, welche 5 mW bei 410 nm ergeben, könnten auch verwendet werden. Man hat herausgefunden, dass die sequentielle Arbeitsweise, kombiniert mit der UV Wellenlänge, welche für eine Fluoreszenzanregung von 3-Pentanon (285 ± 35 nm) erforderlich ist, Schwierigkeiten bereitet. Weitere Arbeit wird gegenwärtig ausgeführt unter Verwendung eines Satzes von gasgefüllten Entladungslampen. In dem Benzinfall sind fluoreszierende Spezies normalerweise vorhanden, welche deutliche Signale über die Anregung über einen weiten Bereich von Wellenlängen ergeben. Insbesondere ist gezeigt worden, dass eine Vielfalt geeigneter Quellen in dem Bereich von 200–500 nm geeignete Signale ergibt. Benzin wird über den Bereich von 300–500 nm angeregt. Messbare Fluoreszenzsignale sind aus der Gasphase der Benzin/Luftgemische in einem besonderen Behälter mit einer hohen Temperatur und mit einem hohen Druck gewonnen worden unter Verwendung von UV Lichtquellen mit kontinuierlicher Wellenlänge als die Anregungsquelle bei Leistungshöhen von etwa 3 mW und mit nur einem Überschneidungsgebiet zwischen dem Anregungsweg und dem Sichtweg des Kollimationsnachweisgerätes. Es besteht auch die Aussicht darauf, dass viel intensivere optoelektronische Quellen verfügbar werden, die auf neuen Technologien der Festkörper beruhen wie etwa auf GaN und Sb, welche die Probleme der sequentiellen Arbeitsweise erleichtern werden. Dementsprechend glaubt man, dass die sequentielle Arbeitsweise sogar in Anordnungen mit einer großen Anzahl von Raumpunkt-Strahlschnittstellen erreicht werden kann.
  • Fluoreszenz ist auch in einem Flüssigphasenbeispiel getestet worden unter Verwendung eines zum Wasser hinzugegebenen Rhodamin 6G Farbstoffes. Dies hat die Betriebsweise der Technik demonstriert, indem selbst projizierte Bilder der Rhodaminfarbstoffverteilung hervorgebracht wurden, mit vielen Schnittstellengebieten zwischen den sequentiell betriebenen Anregungswegen und den Sichtwegen der Kollimationsdetektoren.
  • Sowohl Fluoreszenzspektren als auch die Amplitude der Fluoreszenz können nachgewiesen werden unter Verwendung von zum Beispiel eines miniaturisierten Spektrometers. Der Nachweis von Fluoreszenzspektren kann dazu verwendet werden, um die Fluoreszenzeigenschaften des Gegenstandes (z.B. zwischen verschiedenen Kraftstofftypen) zu identifizieren und um damit folglich einen "Fingerabdruck" der verschiedenen Spezies zu erstellen. Da Benzin ein Gemisch von vielen chemischen Spezies mit gegenseitig voneinander abhängigen (interdependenten) Emissionsmerkmalen darstellt, kann erwartet werden, dass die Lichtemission sowohl mit der relativen Konzentration der überwiegenden aromatischen Stoffkomponenten variiert als auch mit den verschiedenen Zusatzpackungen, einschließlich der Detergentien. Damit kann der optische "Fingerabdruck" des Brennstoffes von Lieferant zu Lieferant variieren und damit auch im Zeitablauf, wegen der Vermischung in dem Fahrzeugtank. Diese Technik des Erstellens eines Fingerabdruckes kann dazu ausgenutzt werden, eine zuverlässige Messung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses unter irgendwelchen Bedingungen zu ermöglichen. Somit kann eine zuverlässige Verbrennungskontrolle erreicht werden.
  • Die Verteilung von Brennstoff in einem Verbrennungszylinder in Ausführungen gemäß der vorliegenden Erfindung können dazu verwendet werden, um eine Flammentwicklung vorherzusagen und um eine Flammentwicklung zu steuern, womit ein größerer Wirkungsgrad der Maschine gegeben wird.
  • Man wird erkennen, dass die in den Zeichnungen schematisch dargestellten Quellen und Detektoren an einen Verbrennungszylinder über optische Fasern derart gekoppelt werden können, dass eine große Anzahl von Signalen an und aus dem Zylinder durch optische Fasern gekoppelt werden könnte, welche sich durch kleine in der Zylinderwand geformte Löcher hindurcherstrecken. Die Bereitstellung von solchen kleinen Löchern würde die Bedingungen innerhalb des Verbrennungszylinders nicht wesentlich beeinflussen, wenn man es mit einer gleichartigen Maschine vergleicht, welche nicht mit optischen Fasern zur Überwachung ausgestattet ist. Dementsprechend vermeidet man die Probleme, die mit den Geräten nach dem bisherigen Stand der Technik verbunden sind, nämlich derartige Probleme, dass große Flächen von "Fenstern" erforderlich sind. Ein minimaler optischer Zugang zu dem Gefäß ist erforderlich, entweder alles in einer Ebene für 2-D-Messungen, in mehreren gestapelten Ebenen für 3-D-Messungen, oder für die Erzeugung von wirklichen 3-D-Abbildungen durch nicht planare Sätze von Wegen durch den Gegenstand.
  • Man wird auch erkennen, dass die Techniken der vorliegenden Erfindung angewandt werden können, um irgendeinen Gegenstand zu messen, welcher gegenüber den anregenden Photonen eine geringe Dämpfung darstellt, und besonders in vielen Kohlenwasserstoffsystemen niedriger Absorption, z.B. in Turbinenmaschinen.
  • Man wird erkennen, dass es für die beschriebene Ausführung der vorliegenden Erfindung keine mechanisch beweglichen Teile gibt, welche dazu eingesetzt werden, um entweder mehrfache Strahlenwege durch den Reaktor oder durch den Zylinder zu liefern, oder um die Wellenlänge des Lichts zu verändern. Das System ist daher insgesamt voll optoelektronisch.

Claims (12)

  1. Apparat zur Überwachung der Verteilung innerhalb eines definierten Raumes einer chemischen Spezies, bei welchem eine große Anzahl von Strahlungsquellen (2) und von Strahlungsdetektoren (3) rund um den Umfang des Raumes verteilt sind, wobei die Strahlungsquellen (2) so verteilt sind, dass sie Strahlenbündel quer über den Raum emittieren, wobei die Wellenlänge der Strahlung so gewählt wird, dass eine Wechselwirkung zwischen der Strahlung und der chemischen Spezies auftritt, welche von den Detektoren (3) nachgewiesen werden kann, und Hilfsmittel bereitgestellt werden zur Ableitung, aus den nachgewiesenen Wechselwirkungen, einer Darstellung der räumlichen Verteilung der chemischen Spezies innerhalb des Raumes, Apparat bei welchem die große Anzahl von Strahlungsquellen (2) und von Strahlungsdetektoren (3) rund um den Umfang des Raumes so verteilt sind, dass die Strahlung aus einer jeden Quelle (2) entlang eines vorherbestimmten Weges (4) in die Richtung auf mindestens einen Detektor (3) gerichtet ist, und die Quellen (2) die Strahlen bei einer Wellenlänge emittieren, welche so gewählt wird, dass Schwingungs- und/oder Rotationsübergänge in mindestens einer der chemischen Spezies derart angeregt werden, dass Strahlung bis zu einem bedeutenderen Ausmaß durch jene mindestens eine Spezies absorbiert wird als durch mindestens eine andere Spezies, wobei die längs eines jeden der vorherbestimmten Wege (4) auftretende Absorption der Strahlung überwacht wird, um ein Maß für das Wegintegral der Konzentration jener mindestens einen Spezies längs eines jeden Weges (4) zu liefern, und eine Darstellung der Verteilung der Konzentration jener mindestens einen Spezies innerhalb des Raumes wird aus den gemessenen Wegintegralen der Konzentration abgeleitet.
  2. Apparat gemäß Anspruch 1, bei welchem die Strahlungsquellen (2) und die Strahlungsdetektoren (3) paarweise derart angeordnet sind, dass ein jeder Detektor (3) eine Strahlung über einen jeweiligen Weg (4) aus einer jeweiligen Quelle (2) empfängt.
  3. Apparat gemäß Anspruch 1, bei welchem mindestens eine Quelle (2) Strahlung in einen Strahl richtet, welcher jeweilige vorherbestimmte Wege (4) für einen jeden von einer großen Anzahl von Strahlungsdetektoren (3) definiert, wobei ein jeder Detektor (3) ein Kollimationssichtfeld aufweist, welches nur den jeweiligen vorherbestimmten Weg (4) mit einschließt.
  4. Apparat gemäß den Ansprüchen 1, 2 oder 3 bei welchem die Spezies Kohlenwasserstoffe und Luft mit einschließen und die ausgewählte Wellenlänge bei 1700 nm liegt.
  5. Apparat gemäß den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, bei welchem jede Strahlungsquelle (2) Hilfsmittel aufweist für die Lenkung von Strahlung mit einer weiteren Wellenlänge längs des vorherbestimmten Weges (4) zu dem Detektor (3) des jeweiligen Paares, wobei die weitere Wellenlänge so ausgewählt wird, dass sie keine Schwingungs- und/oder Rotationsübergänge in irgendeiner der Komponenten anregt, und bei welchem Hilfsmittel bereitgestellt sind zum Vergleichen der Absorption der Strahlung der zwei Wellenlängen zum Kompensieren der Absorption, welche keinen Schwingungs- und/oder Rotationsübergängen zugeordnet ist, welche in jener mindestens einen Komponente angeregt werden.
  6. Apparat gemäß Anspruch 5, bei welchem die weitere Strahlung eine Wellenlänge von 1550 nm aufweist.
  7. Apparat gemäß den Ansprüchen 5 oder 6, bei welchem die Strahlungsabgabe einer jeden Strahlungsquelle (2) einer Zeitmultiplexverfahrensweise derart unterzogen wird, dass nur eine Wellenlänge zu einer gewissen Zeit emittiert wird.
  8. Apparat gemäß den Ansprüchen 5 oder 6, bei welchem die Abgabe (output) der Strahlung bei einer jeden Wellenlänge in ihrer Intensität bei gewissen Frequenzen derart moduliert wird, dass beide Wellenlängen gleichzeitig emittiert werden, und bei welchem das Nachweissystem elektronische Frequenzdemultiplexschaltungen umfasst, um die nachgewiesenen Signale auf Grund einer jeden der zwei Wellenlängen voneinander zu unterscheiden.
  9. Apparat gemäß den Ansprüchen 5 oder 6, bei welchem die Detektoren (3) optische Hilfsmittel umfassen zum Unterscheiden zwischen den optischen Merkmalen der Abgaben aus den Quellen (2), welche von einer verschiedenen Wellenlänge sind.
  10. Apparat gemäß Anspruch 9, bei welchem die Abgaben von einer verschiedenen Wellenlänge unterschiedlich polarisiert sind und die optischen Hilfsmittel gegenüber der Polarisation empfindlich sind.
  11. Apparat gemäß Anspruch 9, bei welchem die optischen Vorrichtungen einen Spektrometer aufweisen.
  12. Apparat gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, bei welchem mindestens eine Quelle (2) einen abstimmbaren Laser umfasst und Hilfsmittel zum Abstimmen des Lasers bereitgestellt werden, um den Veränderungen bei den Absorptionsmerkmalen des Raumes Rechnung zu tragen.
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