WO1998055804A1 - Filter zur herausfilterung von spektralbereichen und optisches system zur verbrennungsanalyse - Google Patents

Filter zur herausfilterung von spektralbereichen und optisches system zur verbrennungsanalyse Download PDF

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WO1998055804A1
WO1998055804A1 PCT/DE1998/001390 DE9801390W WO9855804A1 WO 1998055804 A1 WO1998055804 A1 WO 1998055804A1 DE 9801390 W DE9801390 W DE 9801390W WO 9855804 A1 WO9855804 A1 WO 9855804A1
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layer
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optical system
flame
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PCT/DE1998/001390
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French (fr)
Inventor
Michael Heissmeier
Thomas Merklein
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Siemens Aktiengesellschaft
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/08—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
    • F23N5/082—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/60—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using determination of colour temperature
    • G01J5/602—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using determination of colour temperature using selective, monochromatic or bandpass filtering

Definitions

  • the invention relates to a filter for filtering out spectral ranges.
  • the invention relates to the manufacture and use of the filter and an optical system for combustion analysis and flame monitoring in a combustion chamber. The temperature and the concentration of at least one combustion product in the combustion chamber are detected by the optical system.
  • the constant improvement of the combustion process is at the forefront of the efforts.
  • the firing is optimized by means of a suitable firing control.
  • German patent application 195 09 412.3 “Method and device for controlling the firing of a steam generator system” describes a firing control based on knowledge of the temperature distribution and the concentration profile of reaction products formed in the combustion process. The temperature and the concentration of the reaction products are recorded by means of at least two optical sensors. The disadvantage of this is that only one line of the combustion area is detected with these optical sensors or cameras.
  • a multi-dimensional distribution of the combustion characteristics can only be determined by combining several cameras and with considerable computing effort.
  • the temperature distribution and the concentration distribution for example of CO and NO x , are only recorded globally for the entire combustion chamber.
  • the burning behavior of a single burner is not taken into account.
  • the actual value and the setpoint formation for the firing control are in the foreground.
  • the older German application 197 10 206.9 proposes a method and a device for combustion analysis and flame monitoring in a combustion chamber, with an optical system, which comprises an arrangement of semi-transparent mirrors, the radiation spectrum of a flame is divided into several spectral ranges. With the help of filters, narrow frequency bands of approx. 5 to 20 nm are extracted from the individual spectral ranges. These frequency bands each contain a specific spectral line on which the combustion radical to be examined or the gas radiates or absorbs. The narrow spectral ranges or frequency bands that are passed through by the filters are recorded on image plates, for example CCD cameras. A computer-assisted evaluation generates a two-dimensional image of the burner flame from the intensity distribution determined on an image plate. The concentrations of combustion radicals or gases and the temperature distribution are made visually perceptible by means of a color scale.
  • the above-mentioned method has the disadvantage that a separate image plate is required for each individual frequency band. If, for example, the temperature and the concentration distribution of CO and NO x are to be determined simultaneously, four image plates and a corresponding number of filters and spectrally specific mirrors which are partially transparent are required. In addition to a relatively large space requirement, this leads to high system costs.
  • the system described above is not economical for smaller boiler systems, so-called domestic fire systems. Therefore, the combustion process in domestic fire systems has not yet been optically analyzed and continuously controlled. Domestic fire systems are permanently set and only checked cyclically.
  • a combustion analysis with a single image plate is possible if, in addition to an optical system for dividing the image into several partial images and for displaying these partial images on an image plate, several spatially adjacent interference filters in the form of a mosaic filter in front of these water plate are provided.
  • the individual interference filters each have different transmission properties.
  • the partial images divided by the optical system are each projected onto a different interference filter.
  • the individual interference filters each form a section or a mosaic part of the mosaic filter.
  • the object of the invention is to specify a filter with which a plurality of spectral regions of a flame can be filtered out in a particularly simple manner, and to specify the production of a corresponding filter. Based on this, an optical system for combustion analysis and the use of the filter in such an optical system are also to be specified.
  • a filter is used to achieve the first-mentioned object, which has a plurality of optically different layers. At least two of the layers serve to roughly divide the radiation spectrum. These layers are referred to below as coarse filter layers.
  • a first coarse filter layer prevents the transmission of light with wavelengths below a certain wavelength. long, ie below the "lower limit wavelength”.
  • the other coarse filter layer prevents the transmission of light with wavelengths above a certain wavelength, ie above the "upper limit wavelength”.
  • the coarse filter layers have the effect that only those wavelengths that lie between the upper and lower limit wavelengths are transmitted from the spectrum of the light striking the filter.
  • further coarse filter layers can be provided.
  • the filter has a third type of layer, which is referred to below as a fine filter layer.
  • the fine filter layer has practically the same surface area as the coarse filter layers. It has a plurality of fields, each of which is coated with an associated dielectric layer material and is consequently each transparent to different, narrow-band spectral ranges.
  • the respective narrow-band or narrow-band spectral ranges lie in the spectrum between the upper and the lower limit wavelength.
  • the coarse filter layers are expediently designed as simple colored glass filters.
  • the coarse filter layers are advantageously designed as dichroic mirror layers.
  • Dichroic mirror layers are interference filters, in particular broadband interference filters.
  • Dichroic mirror layers have the advantage that they have a very high transmittance for wavelengths above or below a cut-off wavelength, while the other wavelengths are largely reflected. Intensity losses are thus largely avoided by using dichroic mirror layers.
  • the individual fields of the fine filter layer each have an associated dielectric layer material.
  • Dielectric interference filter materials for example cryolite, magnesium fluoride, thorium fluoride, aluminum oxide or silicon dioxide, are preferably used as the dielectric layer material.
  • thin metallic layers can also serve as interference filter material.
  • the fields are designed as dielectric interference filters.
  • the function of these dielectric interference filters is to transmit a narrow band of wavelengths in which the specific spectral line of the combustion radical or gas to be analyzed lies.
  • these interference filters can transmit a spectral range from 430 to 440 nm for the analysis of CH or a spectral range from 360 to 370 nm for the analysis of CO.
  • the fine filter layer has a plurality of these interference filters, which are adjacent in the manner of fields. There are advantageously gaps between these individual adjacent fields, the width of which is less than 1 mm. In order to be able to minimize the unusable area in the filter, the joint width is approximately 0.1 mm.
  • the fine filter layer When viewed in the direction of the optical beam path, the fine filter layer is advantageously arranged as the last layer. It is then arranged as close as possible to the picture plate, so that an enlarged projection of the joints onto the picture plate is largely avoided.
  • a filter for several spectral ranges is produced according to the invention in that a substrate plate is coated several times with materials, at least one layer stack as a coarse filter layer and a further layer stack as Fine filter layer is used.
  • the layer stack of the fine filter layer has a plurality of differently coated fields, the fields being successively coated with different materials. When one field is coated, the other fields are covered using a template. The resulting individual layer stacks of the fields are transparent for different spectral ranges.
  • a colored glass filter can be used as the substrate plate.
  • the colored glass filter advantageously forms a coarse filter layer.
  • a dichroic mirror layer can be used as a further coarse filter layer.
  • the materials of the dichroic mirror layer are called a layer stack, i.e. applied in several layers to the entire surface of the substrate plate.
  • Dielectric materials in particular interference filter materials, are suitable for the fine filter layer. They can be applied using stencils or masks. The area of the substrate plate to which the materials should not be applied is covered. In the area of the field on which the materials are to be deposited, the template has an opening so that it releases the substrate plate. At this point, the materials can be deposited on the substrate plate, for example by a vacuum vapor deposition process.
  • the aforementioned filter is used in an optical system for combustion analysis in a combustion chamber.
  • the optical system delivers several images of the flame and images them side by side on a common image plate.
  • the individual images of the flame on the image plate are made by light of different wavelengths.
  • the different wavelengths or spectral ranges are filtered out of the radiation spectrum of the flame by means of the filter.
  • the optical system for combustion analysis in a combustion chamber has a lens and beam splitter system which generates several images of the flame burning in the combustion chamber next to one another in an image plane.
  • a common image plate is provided for the several images.
  • a filter is arranged upstream of the image plate and has several fields, each of which transmits light of different wavelengths. A field of the filter is assigned to the images generated by the lens and beam splitter system.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for combustion analysis
  • the optical system 1 shows an optical system 1 which comprises a lens and beam splitter system 4, a filter 5 and an image plate 6 has.
  • the image plate 6, for example a CCD camera, is connected to an image evaluation unit 7, for example to a personal computer.
  • the optical system 1 is mounted in a housing 8 on the wall 21 of a combustion chamber 2. With the help of the lens and beam splitter system 4, the flame 3 burning in the combustion chamber 2 is projected four times onto different local areas of the image plate 6.
  • the lens and beam splitter system 4 consists of a lens 41 and a beam splitter 42, for example a grating or a prism system.
  • the lens 41 effects the focusing of the light emitted by the flame 3 on the image plate 6.
  • the beam splitter 42 splits the image of the flame 3 into four differently localized, adjacent partial images.
  • the beam path is aligned so that each of the four partial images falls on a field 5A, 5B, 5C or 5D of the filter 5.
  • An assigned specific narrow-band spectral range is transmitted through the fields 5A to 5D of the filter 5. These four spectral ranges each have a different characteristic spectral line of a combustion radical or gas that arises during combustion.
  • Two of the fields 5A to 5D can also be used for the purpose of temperature measurement in so-called band-free areas, i.e. between two frequency bands of the combustion radicals, transmit the light of the flame 3. According to Planck's law on radiation, only blackbody radiation is present in the band-free areas. The temperature is determined by forming the ratio of the intensity values of these areas.
  • the intensities of the respectively transmitted radiation are determined by means of the image evaluation unit 7 and displayed on the screen 71 by color scaling.
  • the result is four colored images, each of which shows the temperature distribution and / or the concentration distribution of combustion radicals or gases of the flame 3 in a spatially resolved manner.
  • the number of parameters of the flame 3 to be examined or the number of images of the flame 3 can vary.
  • the filter 2 shows an example of the filter 5 with two coarse filter layers 51 and 52 and with a fine filter layer 53.
  • the coarse filter layers 51, 52 are designed as dichroic mirror layers. Alternatively, simple colored glass filters can also be provided.
  • the filter layer 53 comprises a number of fields 5A to 5Z. These fields 5A to 5Z each have an associated dielectric layer material.
  • the fields 5A to 5Z are transparent for different spectral ranges depending on the layer material used.
  • dielectric interference filter materials are used as the dielectric layer material, e.g. Cryolite, magnesium fluoride, etc.
  • gaps F between the individual fields 5A to 5Z of the fine filter layer 53 there are gaps F between the individual fields 5A to 5Z of the fine filter layer 53, the gap width of which is less than 1 mm.
  • the width of the joint F is approximately 0.1 mm.
  • Each coarse filter layer 51, 52 forms a layer stack.
  • the layer material is punctually through an opening in a template, not shown, in the shape of the opening, e.g. as a rectangular field 5A to 5Z.
  • a template not shown, in the shape of the opening, e.g. as a rectangular field 5A to 5Z.
  • additional fields 5A to 5Z can be coated with layer material in succession, so that a mosaic results.
  • the width of the joint F between the fields 5A to 5Z is thus smaller than the joint width in the case of individual filters mechanically combined to form a mosaic filter by such a mask technique.
  • the joints F created when using the template or mask technique are narrower than the butt joints of mechanically assembled filters, and the joints F are only present in one layer, in particular in the fine filter layer 53.
  • the depth of the joints F thus corresponds to the height of the applied layer material of the fine filter layer 53.
  • the number and arrangement of the coarse filter layers 51, 52 and the fine filter layer 53 can vary.
  • the fine filter layer 53 can be arranged between the two coarse filter layers 51, 52.
  • the coarse filter layer 51 is a colored glass filter, e.g. a yellow filter that transmits a spectral range of large 545 nm (yellow light) for the rough distribution of the radiation spectrum and reflects a further spectral range of less than 500 nm (blue light).
  • the coarse filter layer 51 can e.g. serve as a substrate plate on which the second coarse filter layer 52, e.g. a dichroic mirror layer is applied. The spectral range of large 545 nm thus strikes the second coarse filter layer 52.
  • the coarse filter layer 52 forms the upper limit of the spectral range to be transmitted. That the second
  • Coarse filter layer 52 transmits a spectral range of less than 650 nm and reflects a spectral range of greater than 650 nm.
  • Fields 5A to 5Z of fine filter layer 53 thus meet the spectral range between 545 nm and 650 transmitted by the two coarse filter layers 51, 52 nm on.
  • the individual fields 5A to 5Z are each transparent for an associated spectral range.
  • a mosaic composed of several fields 5A to 5Z is thus transparent for several different and / or the same spectral ranges.
  • the field 5A and the field 5B transmit a spectral range from 550 to 560 nm and from 600 nm to 610 nm, respectively.
  • the spectral range ⁇ A to ⁇ z let through by the respective field 5A to 5Z of the fine filter layer 53 and that of the two Coarse filter layers 51, 52 let through spectral range ⁇ g are shown in FIG.
  • filter 5 which is designed as a multilayer mosaic filter Spectral ranges are filtered out from the radiation spectrum of a flame, the unusable areas of the filter being minimized.
  • the optical system 1 with the filter 5 is particularly suitable for use in small boiler systems, in particular in so-called domestic fire systems.
  • the possibility of capturing the flame parameters now also allows domestic fire systems to intervene in the combustion process in terms of control technology directly at the location of the generation of pollutants via the combustion control.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Filter (5) zur Herausfilterung von mehreren Spektralbereichen aus einem Strahlenspektrum und ein optisches System (1) zur Verbrennungsanalyse. Desweiteren betrifft die Erfindung die Herstellung des Filters (5) sowie die Verwendung des Filters (5) in einem solchen optischen System (1). Der Filter (5) weist erfindungsgemäß eine Mehrzahl optisch unterschiedlicher Schichten auf. Mindestens zwei der Schichten dienen dabei der Grobaufteilung des Strahlenspektrums. Eine dritte Schicht weist eine Mehrzahl von Feldern (5A bis 5Z) auf, die jeweils für unterschiedliche, engbandige Spektralbereiche transparent sind. Durch diese Felder (5A bis 5Z) werden mehrere Abbildungen einer Flamme (3) auf eine Bildplatte (6) projiziert, die mit einer Bildauswerteeinheit (7) verbunden ist. Hierdurch können mit lokaler Auflösung die Temperatur und Konzentration von Flammgasen simultan und in schneller zeitlicher Abfolge ermittelt werden.

Description

Beschreibung
Filter zur Herausfilterung von Spektralbereichen und optisches System zur Verbrennungsanalyse
Die Erfindung betrifft ein Filter zur Herausfilterung von Spektralbereichen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Herstellung und die Verwendung des Filters sowie ein optisches System zur Verbrennungsanalyse sowie Flammenuberwachung in einem Verbrennungsraum. Durch das optische System werden die Temperatur und die Konzentration mindestens eines Verbrennungsproduktes im Verbrennungsraum erfaßt.
Bei der Verbrennung eines fossilen Brennstoffs m einem Ver- brennungsraum steht die standige Verbesserung des Verbrennungsprozesses im Vordergrund der Bemühungen. Zur Erreichung eines besonders guten Verbrennungsprozesses mit einer möglichst geringen Emission von Schadstoffen, insbesondere von CO und NOx, sowie mit einem besonders hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringem Rauchgasvolumenstrom wird die Feuerung mittels einer geeigneten Feuerungsregelung optimiert.
So treten bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen oder Müll aufgrund der unterschiedlichen Herkunft des Brennstoffs bzw. aufgrund der heterogenen Zusammensetzung des Mulls
Schwankungen des Heizwertes des Brennstoffes oder der Brenn- stoffmischung auf. Diese Schwankungen wirken sich nachteilig auf die Schadstoffemission aus. Diese Nachteile bestehen auch bei der industriellen Reststoffverbrennung, bei der ublicher- weise feste und flussige sowie gasformige Brennstoffe gleichzeitig verbrannt werden. Bei Kenntnis der Temperaturverteilung und des Konzentrationsproflls von im Verbrennungsprozeß entstehenden Reaktionsprodukten kann eine Verbesserung der Feuerungsregelung und somit eine Verbesserung des Verbren- nungsprozesses erzielt werden. In der deutschen Patentanmeldung 195 09 412.3 "Verfahren und Vorrichtung zur Feuerungsregelung einer Dampferzeugeranlage" wird eine auf der Kenntnis der Temperaturverteilung und des Konzentrationsprofils von im Verbrennungsprozeß entstehenden Reaktionsprodukten basierende Feuerungsregelung beschrieben. Dabei wird mittels mindestens zweier optischer Sensoren die Temperatur und die Konzentration der Reaktionsprodukte erfaßt. Nachteilig hieran ist, daß mit diesen optischen Sensoren oder Kameras jeweils nur eine Linie des Verbrennungsbe- reichs erfaßt wird. Nur durch die Kombination mehrerer Kameras und mit erheblichem Rechenaufwand kann eine mehrdimensionale Verteilung der Verbrennungscharakteristik bestimmt werden. Demzufolge werden die Temperaturverteilung sowie die Konzentrationsverteilung, z.B. von CO und NOx, nur global für den gesamten Verbrennungsraum erfaßt. Das Brennverhalten eines einzelnen Brenners bleibt dabei unberücksichtigt. Bei der genannten Patentanmeldung stehen die Istwert- und die Sollwertbildung für die Feuerungsregelung im Vordergrund.
Um eine schnelle Regelung einzelner Brenner zu ermöglichen sowie eine homogene Verbrennung und infolgedessen eine Reduzierung der Schadstoffbildung zu erzielen, ist es erforderlich, die Temperaturverteilung einzelner Flammen und die Konzentrationsverteilung von im Verbrennungsprozeß entstehenden Reaktionsprodukten in einzelnen Flammen erfassen zu können.
Ferner erfordert die Betriebssicherheit, daß ein Flammenabriß einzelner Brenner - die Flamme ist erloschen - schnellstmöglich erkannt wird, so daß die Brennstoffzufuhr für den gestörten Brenner abgesperrt und demzufolge ein sicherer Zu- stand der Anlage gewahrleistet werden kann.
Darüber hinaus sind in der alteren deutschen Anmeldung 197 10 206.9 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbrennungsanalyse sowie Flammenüberwachung in einem Verbrennungs- räum vorgeschlagen, wobei mittels eines optischen Systems, das eine Anordnung halbdurchlässiger Spiegel umfaßt, das Strahlenspektrum einer Flamme in mehrere Spektralbereiche aufgeteilt wird. Aus den einzelnen Spektralbereichen werden mit Hilfe von Filtern schmale Frequenzbänder von ca. 5 bis 20 nm ausgekoppelt. Diese Frequenzbänder enthalten jeweils eine spezifische Spektrallinie, auf der das zu untersuchende Verbrennungsradikal oder das Gas strahlt oder absorbiert. Die von den Filtern durchgelassenen schmalen Spektralbereiche oder Frequenzbänder werden auf Bildplatten, z.B. CCD-Kameras, erfaßt. Über eine rechnergestützte Auswertung wird aus der auf einer Bildplatte ermittelten Intensitätsverteilung ein zweidimensionales Bild der Brennerflamme erzeugt. Dabei werden die Konzentrationen von Verbrennungsradikalen oder Gasen sowie die Temperaturverteilung durch eine Farbskalierung vi- suell wahrnehmbar gemacht.
Das vorbezeichnete Verfahren weist den Nachteil auf, daß für jedes einzelne Frequenzband eine eigene Bildplatte erforderlich ist. Sollen z.B. die Temperatur und die Konzentrations- Verteilung von CO und NOx simultan bestimmt werden, so sind vier Bildplatten sowie eine entsprechende Anzahl an Filtern und an spektralspezifisch teilweise durchlässigen Spiegeln erforderlich. Dies führt neben einem relativ großen Platzbedarf zu hohen Systemkosten. Das vorbeschriebene System ist für kleinere Kesselanlagen, sogenannte Hausbrandanlagen, nicht wirtschaftlich. Daher wird der Verbrennungsvorgang in Hausbrandanlagen bislang nicht optisch analysiert und kontinuierlich geregelt. Hausbrandanlagen werden fest eingestellt und lediglich zyklisch kontrolliert.
Eine Verbrennungsanalyse mit einer einzigen Bildplatte ist dann möglich, wenn neben einem optischen System zur Aufteilung des Bildes in mehrere Teilbilder und zur Abbildung dieser Teilbilder auf einer Bildplatte mehrere räumlich benach- barte Interferenzfilter in Form eines Mosaikfilters vor die- ser Bildplatte vorgesehen sind. Dabei weisen die einzelnen Interferenzfilter jeweils unterschiedliche Transmissionseigenschaften auf. Die durch das optische System aufgeteilten Teilbilder werden jeweils auf ein unterschiedliches Interfe- renzfilter projiziert. Die einzelnen Interferenzfilter bilden jeweils ein Teilstück oder ein Mosaikteil des Mosaikfilters. Diese Mosaikteile sind untereinander kombiniert und mechanisch so zusammengesetzt, daß ein Mosaikfilter entsteht, das für Licht verschiedener Spektralbereiche durchlässig ist. Bei dieser Technik sind Stoßfugen an den Stellen, wo die einzelnen Mosaikteile oder Interferenzfilter zusammengesetzt sind, unvermeidbar. Die typische Breite einer derartigen Stoßfuge beträgt in etwa 1 mm. Somit entstehen in dem Mosaikfilter nicht nutzbare Bereiche. Ein zusätzlicher Nachteil liegt darin, daß diese nicht nutzbaren Bereiche vergrößert auf die Bildplatte projiziert werden. Z.B. ergibt sich bei einer Dicke des Mosaikfilters von 7 mm und einem Öffnungswinkel der Abbildungsoptik von 18° ein 2,7 mm großes Bild einer 1 mm großen Stoßfuge.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Filter, mit dem in besonders einfacher Weise mehrere Spektralbereiche einer Flamme herausgefiltert werden, und die Herstellung eines entsprechenden Filters anzugeben. Darauf aufbauend soll auch ein op- tisches System zur Verbrennungsanalyse und eine Verwendung des Filters in einem solchen optischen System angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird zur Lösung der erstgenannten Aufgabe ein Filter verwendet, das eine Mehrzahl optisch unterschiedlicher Schichten aufweist. Mindestens zwei der Schichten dienen dabei der Grobaufteilung des Strahlenspektrums. Diese Schichten werden im folgenden als Grobfilter-Schichten bezeichnet. Eine erste Grobfilter-Schicht verhindert die Transmission von Licht mit Wellenlängen unterhalb einer bestimmten Wellen- lange, d.h. unterhalb der „unteren Grenzwellenlange". Die andere Grobfilter-Schicht verhindert die Transmission von Licht mit Wellenlangen oberhalb einer bestimmten Wellenlange, d.h. oberhalb der „oberen Grenzwellenlange". Vorteilhafterweise bewirken die Grobfilter-Schichten, daß aus dem Spektrum des auf den Filter treffenden Lichtes nur solche Wellenlangen transmittiert werden, die zwischen der oberen und der unteren Grenzwellenlange liegen. Darüber hinaus können in Abhängigkeit von der geforderten Transmissionseigenschaft des Filters weitere Grobfilter-Schichten vorgesehen sein.
Das Filter weist eine dritte Schichtart auf, die im folgenden mit Feinfilter-Schicht bezeichnet wird. Die Feinfilter- Schicht hat praktisch die gleiche Oberflachengroße wie die Grobfilter-Schichten. Sie weist eine Mehrzahl von Feldern auf, die jeweils mit einem zugehörigen dielektrischen Schichtmaterial beschichtet und demzufolge jeweils für unterschiedliche, engbandige Spektralbereiche transparent sind. Dabei liegen die jeweiligen engbandigen oder schmalbandigen Spektralbereiche in dem Spektrum zwischen der oberen und der unteren Grenzwellenlange.
Die Grobfilter-Schichten sind zweckmaßigerweise als einfache Farbglasfilter ausgeführt. Vorteilhafterweise sind die Grob- filter-Schichten als dichroitische Spiegelschichten ausgeführt. Bei dichroitischen Spiegelschichten handelt es sich um Interferenzfilter, insbesondere Breitband-Interferenz-Filter . Dichroitische Spiegelschichten haben den Vorteil, daß sie für Wellenlangen oberhalb bzw. unterhalb einer Grenzwellenlange einen sehr hohen Transmissionsgrad aufweisen, wahrend die jeweils anderen Wellenlangen weitestgehend reflektiert werden. Somit werden durch die Verwendung dichroitischer Spiegelschichten Intensitatsverluste weitestgehend vermieden. Die einzelnen Felder der Feinfilter-Schicht weisen jeweils ein zugehöriges dielektrisches Schichtmaterial auf. Als dielektrisches Schichtmaterial werden vorzugsweise dielektrische Interferenzfilter-Werkstoffe verwendet, z.B. Kryolith, Magnesiumfluorid, Thoriumfluorid, Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid. Es können jedoch auch metallische dünne Schichten als Interferenzfilter-Werkstoff dienen.
Mit anderen Worten: Die Felder sind als dielektrische Inter- ferenzfilter ausgeführt. Funktion dieser dielektrischen Interferenzfilter ist es, ein schmales Band von Wellenlängen, in welchem die spezifische Spektrallinie des zu analysierenden Verbrennungsradikals oder Gases liegt, zu transmittieren. Beispielsweise können diese Interferenzfilter für die Analyse von CH einen Spektralbereich von 430 bis 440 nm oder für die Analyse von CO einen Spektralbereich von 360 bis 370 nm transmittieren .
Die Feinfilter-Schicht weist eine Mehrzahl von diesen Inter- ferenzfiltern auf, die nach Art von Feldern benachbart sind. Vorteilhafterweise existieren zwischen diesen einzelnen benachbarten Feldern Fugen, deren Breite weniger als 1 mm beträgt. Um in dem Filter den nicht nutzbaren Bereich minimieren zu können, beträgt die Fugenbreite in etwa 0,1 mm.
Vorteilhafterweise wird die Feinfilter-Schicht in Richtung des optischen Strahlengangs gesehen als letzte Schicht angeordnet. Sie ist dann in größtmöglicher Nähe der Bildplatte angeordnet, so daß eine vergrößerte Projektion der Fugen auf die Bildplatte weitgehend vermieden wird.
Ein Filter für mehrere Spektralbereiche wird erfindungsgemäß dadurch hergestellt, daß eine Substratplatte mit Materialien mehrfach beschichtet wird, wobei mindestens ein Schichtstapel als Grobfilter-Schicht und eine weiterer Schichtstapel als Feinfilter-Schicht dient. Der Schichtstapel der Feinfilter- Schicht weist eine Mehrzahl von unterschiedlich beschichteten Feldern auf, wobei die Felder nacheinander mit jeweils unterschiedlichen Materialien beschichtet werden. Bei der Be- Schichtung eines Feldes werden jeweils die anderen Felder mittels einer Schablone abgedeckt. Die daraus resultierenden einzelnen Schichtstapeln der Felder sind für unterschiedliche Spektralbereiche transparent.
Als Substratplatte kann beispielsweise ein Farbglasfilter verwendet werden. Der Farbglasfilter bildet vorteilhafterweise eine Grobfilter-Schicht. Als eine weitere Grobfilter- Schicht kann beispielsweise eine dichroitische Spiegelschicht verwendet werden. Die Materialien der dichroitischen Spiegel- Schicht werden als ein Schichtstapel, d.h. in mehreren Lagen, auf die gesamte Oberfläche der Substratplatte aufgebracht.
Für die Feinfilter-Schicht sind dielektrische Materialien, insbesondere der Interferenzfilter-Werkstoffe, geeignet. Sie können mit Hilfe von Schablonen oder Masken aufgebracht werden. Dabei wird jeweils der Bereich der Substratplatte abgedeckt, auf den die Materialien nicht aufgetragen werden sollen. Im Bereich des Feldes, auf dem die Materialien abgeschieden werden sollen, weist die Schablone eine Öffnung auf, so daß diese die Substratplatte freigibt. An dieser Stelle können die Materialien beispielsweise durch ein Vakuumaufdampfverfahren auf der Substratplatte abgeschieden werden.
Anschließend wird mit einer weiteren Schablone ein benachbar- tes Feld auf der Substratplatte freigegeben und der Rest der Substratplatte abgedeckt. Auf das freiliegende Feld der Substratplatte werden die entsprechenden Materialien aufgetragen. Auf diese Weise läßt sich auf einer einzigen Substratplatte eine Mehrzahl von Feldern mit unterschiedli- ehern und/oder gleichem Transmissionsspektrum herstellen. Erfindungsgemäß findet das vorgenannte Filter Anwendung in einem optischen System zur Verbrennungsanalyse in einem Verbrennungsraum. Das optische System liefert dabei mehrere Bilder der Flamme und bildet diese auf einer gemeinsamen Bildplatte nebeneinander ab. Die einzelnen Abbildungen der Flamme auf der Bildplatte erfolgen dabei durch Licht unterschiedlicher Wellenlänge. Die unterschiedlichen Wellenlängen oder Spektralbereiche werden mittels des Filters aus dem Strahlenspektrum der Flamme herausgefiltert.
Erfindungsgemäß weist das optische System zur Verbrennungsanalyse in einem Verbrennungsraum ein Linsen- und Strahlteilersystem auf, das in einer Bildebene nebeneinander mehrere Bilder der im Verbrennungsraum brennenden Flamme erzeugt. In dieser Bildebene ist für die mehreren Bilder eine gemeinsame Bildplatte vorgesehen. Der Bildplatte vorgeschaltet ist ein Filter, der mehrere Felder aufweist, die jeweils Licht unterschiedlicher Wellenlänge transmittieren. Dabei ist den von dem Linsen- und Strahlteilersystem erzeugten Bildern jeweils ein Feld des Filters zugeordnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Verbrennungsanalyse,
FIG 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Filters, und
FIG 3 eine graphische Darstellung von gefilterten Spektralbereichen.
In FIG 1 ist ein optisches System 1 zu erkennen, das ein Lin- sen- und Strahlteilersystem 4, einen Filter 5 und eine Bild- platte 6 aufweist. Die Bildplatte 6, beispielsweise eine CCD- Kamera, ist mit einer Bildauswerteeinheit 7 verbunden, beispielsweise mit einem Personalcomputer. Das optische System 1 ist in einem Gehäuse 8 an der Wand 21 eines Verbrennungsraums 2 angebracht. Mit Hilfe des Linsen- und Strahlteilersystems 4 wird die im Verbrennungsraum 2 brennende Flamme 3 vierfach auf unterschiedliche örtliche Bereiche der Bildplatte 6 projiziert. Dabei besteht das Linsen- und Strahlteilersystem 4 aus einer Linse 41 und einem Strahlteiler 42, z.B. einem Git- ter oder einem Prismensystem.
Die Linse 41 bewirkt die Fokussierung des von der Flamme 3 emittierten Lichtes auf der Bildplatte 6. Der Strahlteiler 42 spaltet das Bild der Flamme 3 in vier unterschiedlich loka- lisierte, benachbarte Teilbilder auf. Dabei ist der Strahlengang so ausgerichtet, daß jedes der vier Teilbilder auf je ein Feld 5A, 5B, 5C oder 5D des Filters 5 fällt.
Durch die Felder 5A bis 5D des Filters 5 wird jeweils ein zu- geordneter spezifischer engbandiger Spektralbereich transmit- tiert. Diese vier Spektralbereiche weisen jeweils eine unterschiedliche charakteristische Spektrallinie eines bei der Verbrennung entstehenden Verbrennungsradikals oder Gases auf.
Zwei der Felder 5A bis 5D können auch zum Zwecke der Temperaturmessung in sogenannten bandenfreien Bereichen, d.h. zwischen zwei Frequenzbändern der Verbrennungsradikalen, das Licht der Flamme 3 transmittieren. Nach dem Planckschen Strahlungsgesetz liegt in den bandenfreien Bereichen ledig- lieh Schwarzkörper-Strahlung vor. Durch Verhältnisbildung der Intensitätswerte dieser Bereiche wird die Temperatur ermittelt.
Auf der Bildplatte 6 werden somit vier räumlich benachbarte Bilder der Flamme 3 projiziert, wobei die einzelnen Bilder jeweils durch Licht unterschiedlicher Wellenlange hervorgerufen werden.
Mittels der Bildauswerteemheit 7 werden die Intensitäten der jeweils transmittierten Strahlung ermittelt und durch Farb- skalierung auf dem Bildschirm 71 dargestellt. Es ergeben sich dann vier farbige Bilder, die jeweils die Temperaturverteilung und/oder die Konzentrationsverteilung von Verbrennungsradikaien oder Gasen der Flamme 3 ortsaufgelost darstellen. Je nach Anzahl der Felder 5A bis 5D des Filters 5 sowie je nach Anzahl der erzeugten Teilbilder mittels des Linsen- und Strahlteilersystems 4 kann die Anzahl der zu untersuchenden Parameter der Flamme 3 oder die Anzahl der Bilder der Flamme 3 variieren.
FIG 2 zeigt beispielhaft den Filter 5 mit zwei Grobfilter- Schichten 51 und 52 sowie mit einer Feinfllter-Schicht 53. Die Grobfilter-Schichten 51, 52 sind als dichroitische Spiegelschichten ausgeführt. Alternativ können auch einfache Farbglasfllter vorgesehen sein.
Die Femfllter-Schicht 53 umfaßt eine Anzahl von Feldern 5A bis 5Z. Diese Felder 5A bis 5Z weisen jeweils ein zugehöriges dielektrisches Schichtmateπal auf. Dabei sind die Felder 5A bis 5Z m Abhängigkeit vom verwendeten Schichtmateπal jeweils für unterschiedliche Spektralbereiche transparent. Als dielektrisches Schichtmateπal werden insbesondere dielektrische Interferenzfllter-Werkstoffe verwendet, z.B. Kryolith, Magnesiumfluorid, u.a.
Zwischen den einzelnen Feldern 5A bis 5Z der Feinfilter- Schicht 53 sind Fugen F vorhanden, deren Fugenbreite kleiner als 1 mm ist. Insbesondere durch die Art der Herstellung des Filters 5, bei der der Filter 5 mehrfach beschichtet wird, betragt die Breite der Fuge F ca. 0,1 mm. Dabei wird das e- weilige Schichtmaterial der beiden Grobfilter-Schichten 51, 52 auf die gesamte Oberflächen des Filters 5 aufgetragen. Jede Grobfilter-Schicht 51, 52 bildet einen Schichtstapel.
Bei der einen weiteren Schichtstapel repräsentierenden Feinfilter-Schicht 53 wird das Schichtmaterial durch eine Öffnung in einer nicht dargestellten Schablone punktuell in der Form der Öffnung, z.B. als ein rechteckiges Feld 5A bis 5Z, aufgebracht. Durch Verschieben der Schablone können nacheinander weitere Felder 5A bis 5Z mit Schichtmaterial beschichtet werden, so daß sich ein Mosaik ergibt. Die Breite der Fuge F zwischen den Felder 5A bis 5Z ist somit durch eine derartige Maskentechnik kleiner als die Fugenbreite bei mechanisch zu einem Mosaikfilter zusammengesetzten Einzelfiltern. Die bei der Verwendung der Schablonen- oder Maskentechnik entstehenden Fugen F sind schmäler gegenüber den Stoßfugen von mechanisch zusammengesetzten Filtern, und die Fugen F sind nur in einer Schicht insbesondere in der Feinfilter-Schicht 53, vorhanden. Die Tiefe der Fugen F entspricht somit der Höhe des aufgetragenen Schichtmaterials der Feinfilter-Schicht 53.
Demzufolge wird der Effekt der Vergrößerung der Fuge F reduziert. Eine vergrößerte Projektion der Fugen F auf die Bildplatte 6 kann darüber hinaus noch dadurch unterdrückt werden, daß die Feinfilter-Schicht 53 als im Strahlengang letzte Schicht und demzufolge unmittelbar vor der Bildplatte 6 angeordnet ist Dies ist in Figur 1 gezeigt.
In Abhängigkeit von der geforderten Durchlaßkennlinie des Filters 5 wird dieser durch entsprechendes mehrfaches Be- schichten erzeugt. Die Anzahl und Anordnung der Grobfilter- Schichten 51, 52 und der Feinfilter-Schicht 53 kann dabei variieren. Z.B. kann die Feinfilter-Schicht 53 zwischen den beiden Grobfilter-Schichten 51, 52 angeordnet sein. Je nach gewählter Durchlaßkennlinie des Filters 5 können darüber hin- aus weitere Grobfilter-Schichten 51, 52 oder Feinfilter- Schichten 53 vorgesehen sein.
Die Grobfilter-Schicht 51 ist ein Farbglasfilter, z.B. ein Gelbfilter, der zur Grobaufteilung des Strahlenspektrums einen Spektralbereich von großer 545 nm (gelbes Licht) trans- mittiert und einen weiteren Spektralbereich von kleiner 500 nm (blaues Licht) reflektiert. Die Grobfilter-Schicht 51 kann z.B. als Substratplatte dienen, auf die die zweite Grobfil- ter-Schicht 52, z.B. eine dichroitische Spiegelschicht, aufgebracht wird. Auf die zweite Grobfilter-Schicht 52 trifft somit der Spektralbereich von großer 545 nm auf.
Die Grobfilter-Schicht 52 bildet dabei den oberen Grenzwert des zu transmittierenden Spektralbereiches. D.h. die zweite
Grobfilter-Schicht 52 transmittiert einen Spektralbereich von kleiner 650 nm und reflektiert einen Spektralbereich von großer 650 nm. Auf die Felder 5A bis 5Z der Feinfilter-Schicht 53 trifft somit der von den beiden Grobfilter-Schichten 51, 52 transmittierte Spektralbereich zwischen 545 nm und 650 nm auf. Je nach Zusammensetzung des aufgetragenen Schichtmaterials sind die einzelnen Felder 5A bis 5Z jeweils für einen zugehörigen Spektralbereich transparent. Ein aus mehreren Feldern 5A bis 5Z aufgebautes Mosaik ist somit für mehrere verschiedene und/oder gleiche Spektralbereiche transparent. Beispielsweise transmittieren das Feld 5A und das Feld 5B einen Spektralbereich von 550 bis 560 nm bzw. von 600 nm bis 610 nm. Der von dem jeweiligen Feld 5A bis 5Z der Feinfilter- Schicht 53 durchgelassene Spektralbereich λA bis λz und der von den beiden Grobfilter-Schichten 51, 52 durchgelassene Spektralbereich λg sind in FIG 3 gezeigt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch den als ein mehrschichtiger Mosaikfilter ausgeführten Filter 5 in besonders einfacher Weise mehrere Spektralbereiche aus dem Strahlenspektrum einer Flamme herausgefiltert werden, wobei die nicht nutzbaren Bereiche des Filters minimiert werden. Durch den Einsatz des Filters 5 in dem optischen System 1 sind Verbrennungsanalysen mit einer einzigen Bildplatte 6 möglich.
Bedingt durch den einfachen und kostengünstigen Aufbau des optischen Systems 1 sowie durch die mittels der Verbrennungsanalyse ermittelten Parameter, z.B. Temperatur- und Konzen- trationsverteilungen innerhalb der Flamme, ist das optische System 1 mit dem Filter 5 besonders für einen Einsatz in kleinen Kesselanlagen, insbesondere in sogenannten Hausbrandanlagen, geeignet. Die Möglichkeit der Erfassung der Flammenparameter erlaubt es nunmehr auch für Hausbrandanlagen, di- rekt am Ort der Entstehung von Schadstoffen über die Feuerungsregelung regelungstechnisch in den Verbrennungsprozeß einzugreifen.

Claims

Patentansprüche
1. Filter (5) zum Herausfiltern mehrerer Spektralbereiche aus einem Strahlenspektrum mit mindestens zwei Grobfilter-Schich- ten (51,52) zur Grobaufteilung des Strahlenspektrums und mit einer Feinfilter-Schicht (53) mit gleicher Oberflächengröße, die eine Mehrzahl von für unterschiedliche Spektralbereiche transparenten Feldern (5A bis 5Z) aufweist, die jeweils mit einem zugehörigen dielektrischen Schichtmaterial beschichtet sind.
2. Filter (5) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine zwischen zwei benachbarten Feldern (5A bis 5Z) gegebenenfalls vorhandene Fuge (F) kleiner als 1 mm ist.
3. Filter (5) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine zwischen zwei benachbarten Feldern (5A bis 5Z) vorhandene Fuge (F) in etwa 0,1 mm breit ist.
4. Filter (5) nach Anspruch 1, bei dem die Grobfilter-Schichten (51,52) als Farbglasfilter ausgeführt sind.
5. Filter (5) nach Anspruch 1, bei dem die Grobfilter-Schichten (51,52) als dichroitische Spiegelschichten ausgeführt sind.
6. Filter (5) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Feinfilter-Schicht (53) als im Strahlengang letzte Schicht angeordnet ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Filters (5) für mehrere Spektralbereiche, bei dem eine Substratplatte mit Materialien mehrfach beschichtet wird, wobei mindestens ein Schichtstapel als Grobfilter-Schicht (51, 52) und ein weiterer Schichtstapel als Feinfilter-Schicht (53) dient, wobei der Schichtstapel der Feinfilter-Schicht (53) eine Mehrzahl von unterschiedlich beschichteten Feldern (5A bis 5Z) aufweist, wobei die Felder (5A bis 5Z) nacheinander mit jeweils unterschiedlichen Materialien beschichtet werden, und wobei jeweils bei der Beschichtung eines Feldes (5A bis 5Z) die anderen Felder (5A bis 5Z) mittels einer Schablone abgedeckt werden.
8. Verwendung eines Filters (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem optischen System (1) zur Verbrennungsanalyse in einem Verbrennungsraum (2) , wobei das optische System (1) mehrere Bilder der Flamme (3) nebeneinander auf einer gemein- samen Bildplatte (6) erzeugt und mittels des Filters (5) für verschiedene Bilder unterschiedliche Spektralbereiche des Strahlenspektrums der Flamme (3) verwendet werden.
9. Optisches System (1) zur Verbrennungsanalyse in einem Verbrennungsraum (2) , wobei ein Linsen- und Strahlteilersystem (4) zur Erzeugung mehrerer Bilder der im Verbrennungsraum (2) brennenden Flamme (3) in einer einzelnen Bildebene, sowie in der Bildebene eine für mehrere Bilder gemeinsame Bildplatte (6) mit einem vorgeschalteten für mehrere Spek- tralbereiche durchlässigen Filter (5) angeordnet sind.
10. Optisches System nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Filter (5) in unmittelbarer Nähe vor einer Bildplatte (6) angeordnet ist.
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