WO1998007028A1 - Messeinrichtung - Google Patents

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WO1998007028A1
WO1998007028A1 PCT/EP1997/004244 EP9704244W WO9807028A1 WO 1998007028 A1 WO1998007028 A1 WO 1998007028A1 EP 9704244 W EP9704244 W EP 9704244W WO 9807028 A1 WO9807028 A1 WO 9807028A1
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combustion
intensity
radiation
fluorescence
measuring device
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PCT/EP1997/004244
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Inventor
Claus Wahl
Jürgen STEINWANDEL
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
    • G01N21/72—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited using flame burners
    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • G01N33/22—Fuels, explosives
    • G01N33/225—Gaseous fuels, e.g. natural gas

Definitions

  • the invention relates to a measuring device for determining stoichiometric ratios in the combustion of hydrocarbons.
  • the measuring devices known hitherto for determining stoichiometric ratios in the combustion of hydrocarbons all work more or less satisfactorily, since so far no method has been found which permits reliable statements to be made about the stoichiometric ratios.
  • the invention is therefore based on the object of providing a measuring device which allows the determination of stoichiometric ratios in the combustion of hydrocarbons in a simple and reliable manner.
  • a measuring device of the type described in the introduction in that a sensor for detecting an intensity of a first fluorescent radiation of CH molecule fragments formed during the combustion and a sensor for detecting an intensity of a second fluorescent radiation arising during the combustion, Molecule fragments comprising only C atoms are provided such that the sensors generate an intensity-dependent first and second sensor signal on the basis of the first and the second fluorescent radiation, and that an evaluation circuit is provided which consists of a ratio of the intensities of the first and second fluorescent radiation to one another produces an output signal corresponding to a stoichiometric ratio.
  • the advantage of the solution according to the invention can be seen in the fact that it represents a very simple and reliable method for determining the stoichiometric ratio, since the intensity of the molecular fragments comprising only C atoms is an accurate measure of the intensity of the fluorescence of the CH molecule fragments represents the stoichiometry, in particular the stoichiometric number.
  • the fluorescence of the C 2 molecule fragments is preferably detected at conventional pressures, and when hydrocarbons are burned at higher pressures, that is to say above 3 bar, as an alternative to the fluorescence of C 2 molecule fragments the fluorescence of C 3 molecular fragments, i.e. carbon trimers, is detected.
  • a particularly advantageous embodiment of the solution according to the invention provides a sensor for the Detection of an intensity of background radiation occurring during the combustion and furthermore that the sensor generates an intensity-dependent third sensor signal and the evaluation circuit corrects the intensity of the background radiation before forming the ratio of the intensities measured at the wavelengths of the first and second fluorescent radiation of the molecular fragments.
  • the determination of the stoichiometry ratio according to the invention is thus further improved since there is no falsification of the measured intensities at the wavelength of the fluorescence of the molecular fragments due to the background radiation.
  • the sensors detecting the first and second fluorescent radiation and the background radiation can be different sensors with which the intensity can be measured at the same time. However, it is also conceivable to use a sensor and to apply the first and second fluorescent radiation and the background radiation in succession to measure the respective intensities.
  • the intensities can be corrected in any complex manner. However, it is particularly advantageous if the evaluation circuit subtracts the third sensor signal from the first and the second sensor signal and thus eliminates the influence of the background radiation in a first approximation.
  • the intensity of the background radiation can be determined in a wide variety of ways. For example, it would be possible to determine the background radiation directly next to the fluorescence band measured in each case.
  • the third sensor detects the intensity of the background radiation at a wavelength between that of the fluorescent radiation of the C-H molecular fragments and that of the molecular fragments comprising only C atoms. This measurement represents a good approximate determination of the respective background radiation.
  • a protective window is arranged in front of a front end of the light guide facing combustion, and such a protective window can also protect the light guide from excessive temperatures.
  • a particularly favorable solution provides that the fluorescence is detected by a single light guide and by means of a branch adjoining the light guide. This solution has the great advantage that the fluorescence detected in each case is first detected from the same solid angle by means of the single light guide and thus local differences in the combustion do not affect the intensity of the first and second fluorescence or the background, and on the other hand the advantage that A spatially extremely limited optical access is required to record the fluorescence of the combustion, for example in a combustion chamber.
  • An advantageous solution provides that a wavelength-selective element is provided for fixing the radiation intended for the respective sensor, so that only the selected radiation hits the sensor and the rest of the radiation is masked out.
  • the wavelength-selective element can be of any design.
  • the optical bandpass filter is an interference filter.
  • the solution according to the invention relates not only to a measuring device, but the object according to the invention is also achieved in a control device for controlling a combustion of hydrocarbons with an oxidizer in stoichiometric ratios, comprising a controller circuit and at least one control valve which can be controlled by the latter for controlling a supply of hydrocarbons or from oxidizer for combustion, according to the invention solved in that the controller circuit receives as input signal an output signal of a measuring device described above for determining stoichiometric ratios.
  • the object of the invention is also achieved by a measurement method for determining stoichiometric ratios in the combustion of hydrocarbons, in which, according to the invention, an intensity of the fluorescent radiation from CH molecule fragments formed during the combustion and an intensity of the fluorescent radiation from the combustion formed exclusively Molecular fragments comprising C atoms is measured and the stoichiometric ratio during combustion is determined from the ratio of the intensities of the fluorescent radiation.
  • the measuring method according to the invention has the same advantages as explained in connection with the measuring device according to the invention.
  • the intensities measured at the wavelength of the fluorescent radiation of the molecular fragments are corrected with regard to the intensity of the background radiation produced during the combustion are so that the resulting falsification of the actually measured intensities by the background radiation does not affect the accuracy of the measurement result.
  • the intensity of the background radiation can be determined in a wide variety of ways. It would be as precise as possible to determine the background radiation immediately next to the wavelength of the measured fluorescence radiation. A simplified solution, however, provides for the intensity of the background radiation to be measured between the wavelengths of the detected fluorescence radiation from the molecular fragments.
  • the integral intensity of the fluorescence of an oscillation band of a molecular oscillation of the respective molecular fragment is measured, since the ratio of the measured intensity relative to the background radiation is additionally improved and also with Correction of the background radiation so that the errors that are always present as a result have as little effect as possible.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a measuring device according to the invention with a control device according to the invention for controlling a combustion of hydrocarbons in stoichiometric ratios and
  • Fig. 2 is a schematic representation of the spectrum of the fluorescence of molecular fragments in the combustion of hydrocarbons.
  • FIG. 1 of a measuring device for determining stoichiometric conditions during the combustion of hydrocarbons fed to a combustion chamber 14 through a feed device 12 with an oxidizer fed via a feed device 16 comprises a total of three photodetectors 18, 20 and 22 for the detection of different fluorescence bands of the fluorescence radiation 24 produced during the combustion of the hydrocarbons in the combustion chamber 14.
  • the fluorescence radiation 24 passes through a protective window 26, which consists for example of A1 2 0 3 translucent or A1 2 0 3 modification ruby, into a first end 28 of an as Whole with 30 designated light guide, the second end 32 is connected to a beam controller 34 which the Distributes fluorescence in equal parts, i.e.
  • an interference filter 48, 50, 52 is connected upstream, which allows a certain wavelength range of fluorescence to pass through for detection by the respective photodetector 18, 20, 22.
  • the fluorescence spectrum of the molecular fragments detected by the measuring device according to the invention which arise during the combustion of hydrocarbon, shows a large number of spectral lines, fluorescent bands of the carbon dimer molecule C 2 corresponding to the respective molecular vibration bands appearing in the visible region shown in FIG. 2. These are the fluorescence bands C 2 , 0-1, C 2 , 0-0, C 2 , I-0 and C 2 , 2-0.
  • the first sensor 18 detects the intensity of the fluorescence radiation of the CH, 0-0 band of CH molecule fragments formed during the combustion, for example at 431.5 nm.
  • the interference filter 48 is selected so that it is essentially the same transmits entire CH fluorescence band at 431.5 nm in transmission, but separates the adjacent C 2 , 2-0 band.
  • the second photodetector 20 detects the intensity of the fluorescent radiation of the C 2 , 0-0 band at 516.5 nm, the interference filter 50 being placed in such a way that it essentially transmits the entire band in transmission.
  • the third photodetector 22 is used to detect the thermal radiation forming a background u.
  • the interference filter 52 is at a wavelength of 495 nm and thus measures the background next to the C 2 , 0-0 fluorescence band, which can essentially be equated to the background u of the CH band.
  • Each of the photodetectors 18, 20 and 22 generates an output signal S lr S 2 , S 3 which is proportional to the intensity of the respective fluorescence and sends this to an evaluation circuit 54 which measures the intensity at C 2 measured by the first sensor 18 and the second sensor 20 , 0-0 band and the CH, 0-0 band corrected for the background, in the simplest case that the intensity of the background u is subtracted from the intensity measured by the first photodetector 18 and the second photodetector 20.
  • the evaluation circuit 54 then forms a ratio of the corrected intensities of the fluorescence of the C 2 , 0-0 fluorescence band and the CH, 0-0 fluorescence band.
  • the ratio of the intensity of the C 2 , 0-0 band to the intensity of the CH, 0-0 band at 431.5 nm gives a measure of the stoichiometric ratio during combustion in the combustion chamber, since one is relative to the CH, 0-0 -Band intensive C 2 , 0-0 band is an indication of a too rich mixture, that is, the combustion of hydrocarbon in excess.
  • a measuring device 10 can preferably also be used in connection with a control device 100, which has a controller circuit 102, which in turn controls a feed valve 104 of the feed device 12 for the hydrocarbon and a valve 106 of the feed device for the oxidizer 16.
  • This regulator circuit 102 is preferably fed with the output signal A of the evaluation circuit 54, this output signal representing a measure of the stoichiometric ratio of the combustion of the hydrocarbons in the combustion chamber 14.
  • this output signal representing a measure of the stoichiometric ratio of the combustion of the hydrocarbons in the combustion chamber 14.
  • the stoichiometric ratio there is the possibility of regulating the supply of the hydrocarbon via the supply valve 104 or of the oxidizer via the supply valve 106 or both in such a way that the ideal possible stoichiometric ratio during combustion in the combustion chamber 14 is present.

Abstract

Um eine Messeinrichtung zur Bestimmung von Stöchiometrieverhältnissen bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen zu schaffen, welche in einfacher und zuverlässiger Weise die Bestimmung von Stöchiometrieverhältnissen bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen erlaubt, wird vorgeschlagen, dass ein Sensor (18) für die Erfassung einer Intensität einer ersten Fluoreszenzstrahlung von bei der Verbrennung entstehenden C-H-Molekülfragmenten und ein Sensor (20) für die Erfassung einer Intensität einer zweiten Fluoreszenzstrahlung von bei der Verbrennung entstehenden ausschliesslich C-Atome umfassenden Molekülfragmenten vorgesehen sind, dass die Sensoren aufgrund der ersten und zweiten Fluoreszenzstrahlung ein intensitätsabhängiges erstes (51) bzw. zweites (52) Sensorsignal erzeugen und dass eine Auswerteschaltung vorgesehen ist, welche aus einem Verhältnis der Intensitäten der ersten und zweiten Fluoreszenzstrahlung zueinander ein einem Stöchiometrieverhältnis entsprechendes Ausgangssignal erzeugt.

Description

Meßeinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Bestimmung von Stöchiometrieverhältnissen bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen.
Die bislang bekannten Meßeinrichtungen zur Bestimmung von Stöchiometrieverhältnissen bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen arbeiten alle mehr oder weniger zufriedenstellend, da bislang kein Verfahren gefunden wurde, welches zuverlässige Aussagen über die Stöchiometrieverhältnisse zuläßt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung zu schaffen, welche in einfacher und zuverlässiger Weise die Bestimmung von Stöchiometrieverhältnissen bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen erlaubt.
Diese Aufgabe wird bei einer Meßeinrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Sensor für die Erfassung einer Intensität einer ersten Fluoreszenzstrahlung von bei der Verbrennung entstehenden C-H-Molekülfragmenten und ein Sensor für die Erfassung einer Intensität einer zweiten Fluoreszenzstrahlung von bei der Verbrennung entstehenden, ausschließlich C-Atome umfassenden Molekülfragmenten vorgesehen sind, daß die Sensoren aufgrund der ersten und der zweiten Fluoreszenzstrahlung ein intensitätsabhängiges erstes bzw. zweites Sensorsignal erzeugen und daß eine Auswerteschaltung vorgesehen ist, welche aus einem Verhältnis der Intensitäten der ersten und zweiten Fluoreszenzstrahlung zueinander ein einem Stöchiometrie- verhältnis entsprechendes Ausgangssignal erzeugt.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß diese ein sehr einfaches und zuverlässiges Verfahren zur Bestimmung des Stöchiometrieverhältnisses darstellt, da die Intensität der ausschließlich C-Atome umfassenden Molekül- fragmente bezogen auf die Intensität der Fluoreszenz der C-H- Molekülfragmente ein genaues Maß für die Stöchiometrie- verhältnisse, insbesondere die Stöchio etriezahl darstellt.
Bei den ausschließlich C-Atome umfassenden Molekülfragmenten wird vorzugsweise bei üblichen Drucken die Fluoreszenz der C2-Molekülfragmente, das heißt der Kohlenstoffdimere, detektiert, bei Verbrennungen von Kohlenwasserstoffen unter höheren Drucken, das heißt oberhalb 3 bar kann alternativ zur Fluoreszenz von C2-Molekülfragmenten die Fluoreszenz von C3 Molekülfragmenten, das heißt Kohlenstofftrimeren, detektiert.
In beiden Fällen sind jedoch die ausschließlich C-Atome umfassenden Molekülfragmente ein empfindliches Maß für die Stöchiometrieverhältnisse.
Da bei einer Verbrennung von Kohlenwasserstoff nicht nur die Fluoreszenz der Molekülfragmente detektiert wird, sondern auch die sogenannte Untergrundstrahlung, welche beispielsweise durch thermische Strahlung entsteht, ist Untergrundstrahlung mit einer erheblichen Intensität vorhanden. Aus diesem Grund sieht ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung einen Sensor für die Erfassung einer Intensität von bei der Verbrennung entstehender Untergrundstrahlung vor und ferner daß der Sensor ein intensitätsabhängiges drittes Sensorsignal erzeugt und die Auswerteschaltung vor der Bildung des Verhältnisses der der bei den Wellenlängen der ersten und zweiten Fluoreszenzstrahlung der Molekülfragmente gemessenen Intensitäten diese hinsichtlich der Intensität der Untergrundstrahlung korrigiert .
Damit ist die erfindungsgemäße Bestimmung des Stöchiometrie- verhältnisses noch weiter verbessert, da die Verfälschung der gemessenen Intensitäten bei der Wellenlänge der Fluoreszenz der Molekülfragmente durch die Untergrundstrahlung entfällt.
Die die erste und zweite Fluoreszenzstrahlung und die Untergrundstrahlung erfassenden Sensoren können unterschiedliche Sensoren sein, mit welchen gleichzeitig die Intensität meßbar ist. Es ist aber auch denkbar einen Sensor zu verwenden und diesen zur Messung der jeweiligen Intensitäten zeitlich nacheinander mit der ersten und der zweiten Fluoreszenzstrahlung sowie der Untergrundstrahlung zu beaufschlagen.
Die Korrektur der Intensitäten kann auf beliebig komplexe Art und Weise erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Auswerteschaltung von dem ersten und dem zweiten Sensorsignal das dritte Sensorsignal subtrahiert und somit in erster Näherung den Einfluß der Untergrundstrahlung eliminiert. Die Bestimmung der Intensität der Untergrundstrahlung kann dabei in unterschiedlichste Art und Weise erfolgen. So wäre es beispielsweise möglich, unmittelbar neben der jeweils gemessenen Fluoreszenzbande die Untergrundstrahlung zu bestimmen.
Eine besonders einfache Lösung sieht jedoch vor, daß der dritte Sensor die Intensität der Untergrundstrahlung bei einer Wellenlänge zwischen derjenigen der Fluoreszenzstrahlung der C-H-Molekülfragmente und derjenigen der ausschließlich C-Atome umfassenden Molekülfragmente erfaßt. Diese Messung stellt eine gute näherungsweise Bestimmung der jeweiligen Untergrundstrahlung dar.
Hinsichtlich der Erfassung der Fluoreszenz durch die Sensoren wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht. So wäre es beispielsweise denkbar, die Sensoren so anzuordnen, daß diese die Fluoreszenz bei der Verbrennung der Kohlenwasserstoffe direkt detektieren.
Besonders zweckmäßig ist jedoch, wenn die bei der Verbrennung entstehende Fluoreszenz über einen Lichtleiter den Sensoren zugeführt wird, da damit die Möglichkeit besteht, die Sensoren im Abstand und somit einem thermisch günstigeren Bereich von der Verbrennung anzuordnen.
Um ferner auch den Lichtleiter vor den hohen Temperaturen bei der Verbrennung zu schützen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß vor einem der Verbrennung zugewandten vorderen Ende des Lichtleiters ein Schutzfenster angeordnet ist, durch ein derartiges Schutzfenster läßt sich auch der Lichtleiter vor zu hohen Temperaturen schützen. Eine besonders günstige Lösung sieht vor, daß die Fluoreszenz durch einen einzigen Lichtleiter erfaßt und mittels einer sich an den Lichtleiter anschließenden Verzweigung ist. Diese Lösung hat den großen Vorteil, daß zunächst mittels des einzigen Lichtleiters die jeweils erfaßte Fluoreszenz aus dem selben Raumwinkel erfaßt wird und sich somit lokale Unterschiede der Verbrennung nicht auf die Intensität der ersten und zweiten Fluoreszenz oder des Untergrundes auswirken, und andererseits den Vorteil, daß ein räumlich äußerst begrenzter optischer Zugang zur Erfassung der Fluoreszenz der Verbrennung beispielsweise in einem Brennraum erforderlich ist.
Hinsichtlich der Bestimmung der von den jeweiligen Sensor zu detektierenden Fluoreszenz wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, daß ein wellenlängenselektives Element zur Festlegung der für den jeweiligen Sensor vorgesehenen Strahlung vorgesehen ist, so daß lediglich die ausgewählte Strahlung auf den Sensor trifft und die übrige Strahlung ausgeblendet wird.
Das wellenlängenselektive Element kann prinzipiell beliebig ausgebildet sein. Beispielsweise ist es denkbar, als wellenlängenselektives Element ein Prisma oder ein optisches Gitter vorzusehen. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung möglichst einfach konzipiert sein soll, ist es besonders vorteilhaft, wenn das wellenlängenselektive Element ein optisches Bandfilter ist.
Um eine möglichst gute Filtercharakteristik und eine möglichst starke Unterdrückung der unerwünschten Strahlung zu erhalten, ist vorzugsweise vorgesehen, daß das optische Bandfilter ein Interferenzfilter ist. Die erfindungsgemäße Lösung betrifft jedoch nicht nur eine Meßeinrichtung, sondern die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch bei einer Regeleinrichtung zum Regeln einer Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit einem Oxidator in stöchio- metrischen Verhältnissen, umfassend eine Reglerschaltung und mindestens ein von dieser ansteuerbares Steuerventil zur Steuerung einer Zufuhr von Kohlenwasserstoffen oder von Oxidator zur Verbrennung, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Reglerschaltung als Eingangssignal ein Ausgangssignal einer vorstehend beschriebenen Meßeinrichtung zur Bestimmung von Stöchiometrieverhältnissen erhält.
Darüber hinaus wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch ein Meßverfahren zur Bestimmung von Stöchiometrieverhältnissen bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen gelöst, bei welchem erfindungsgemäß eine Intensität der Fluoreszenzstrahlung von bei der Verbrennung entstehenden C-H-Molekül- fragmenten und eine Intensität der Fluoreszenzstrahlung von bei der Verbrennung entstehenden, ausschließlich C-Atome umfassenden Molekülfragmenten gemessen wird und aus dem Verhältnis der Intensitäten der Fluoreszenzstrahlung das Stöchiometrieverhältnis bei der Verbrennung bestimmt wird.
Das erfindungsgemäße Meßverfahren hat dieselben Vorteile, wie im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung erläuter .
Auch hier ist es besonders zweckmäßig, wenn die bei der Wellenlänge der Fluoreszenzstrahlung der Molekülfragmente gemessenen Intensitäten hinsichtlich der Intensität der bei der Verbrennung entstehenden Untergrundstrahlung korrigiert werden, so daß die dadurch bedingte Verfälschung der tatsächlich gemessenen Intensitäten durch die Untergrundstrahlung sich nicht auf die Genauigkeit des Meßergebnisses auswirkt.
Die Intensität der Untergrundstrahlung kann in unterschiedlichster Art und Weise ermittelt werden. Ein möglichst präzises Vorgehen wäre es, die Untergrundstrahlung jeweils unmittelbar neben der Wellenlänge der gemessenen Fluoreszenzstrahlung zu ermitteln. Eine vereinfachte Lösung sieht jedoch vor, daß die Intensität der Untergrundstrahlung zwischen den Wellenlängen der detektierten Fluoreszenzstrahlungen der Molekülfragmente gemessen wird.
Um ein möglichst großes, durch die Fluoreszenzstrahlung bedingtes Signal zu erhalten, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die integrale Intensität der Fluoreszenz einer Schwingungsbande einer Molekülschwingung des jeweiligen Molekülfragments gemessen wird, da damit sich das Verhältnis der gemessenen Intensität relativ zu Untergrundstrahlung noch zusätzlich verbessert und auch bei Korrektur der Untergrundstrahlung der hierdurch stets noch vorhandene Fehler sich möglichst gering auswirkt.
Hinsichtlich der Intensität der ausschließlich C-Atome umfassenden Molekül ragmente bestehen mehrere Möglichkeiten. So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, daß die Intensität der Fluoreszenz von C2-Molekülfragmenten gemessen wird, was vorzugsweise bei Verbrennungen bei üblichen niedrigen Drucken erfolgt. Alternativ dazu ist vorgesehen, daß - insbesondere bei Verbrennungen von Kohlenwasserstoffen unter hohen Drucken die Intensität der Fluoreszenz von C3-Molekülfragmente gemessen wird. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung zum Regeln einer Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in stöchiometrischen Verhältnissen und
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Spektrums der Fluoreszenz von Molekülfragmenten bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen.
Ein in Fig. 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel einer als Ganzes mit 10 bezeichneten Meßeinrichtung zur Bestimmung von stöchiometrischen Verhältnissen bei der Verbrennung von durch eine Zufuhreinrichtung 12 einem Brennraum 14 zugeführten Kohlenwasserstoffen mit einem über eine Zufuhreinrichtung 16 zugeführten Oxidator umfaßt insgesamt drei Photodetektoren 18, 20, und 22 zur Detektion unterschiedlicher Fluoreszenzbanden der bei der Verbrennung der Kohlenwasserstoffe im Brennraum 14 entstehenden Fluoreszenzstrahlung 24. Die Fluoreszenzstrahlung 24 tritt über ein Schutzfenster 26, welches beispielsweise aus A1203 transluszent oder A1203 Modifikation Rubin besteht, in ein erstes Ende 28 eines als Ganzes mit 30 bezeichneten Lichtleiters ein, dessen zweites Ende 32 mit einem Strahlteuer 34 verbunden ist, der die Fluoreszenz zu gleichen Teilen, also in den Verhältnissen 1/3 /1/3 /1/3 auf drei Lichtleiter 38, 40, 42 aufteilt, die die Fluoreszenz dann zu den Photodetektoren 18, 20 und 22 führen, wobei jedem der Photodetektoren 18, 20 und 22 ein Interferenzfilter 48, 50, 52 vorgeschaltet ist, welches einen bestimmten Wellenlängenbereich der Fluoreszenz zur Detektion durch den jeweiligen Photodetektor 18, 20, 22 passieren läßt.
Das Fluoreszenzspektrum der von der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung detektierten Molekülfragmente, die bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoff entstehen, zeigt eine Vielzahl von Spektrallinien, wobei im in Fig. 2 dargestellten sichtbaren Bereich Fluoreszenzbanden des Kohlenstoffdimermoleküls C2 entsprechend den jeweiligen Molekülschwingungsbanden auftreten. Dies sind die Fluoreszenzbanden C2,0-1, C2,0-0, C2,l-0 und C2,2-0.
Ferner treten Fluoreszenzbanden von CH-Molekülfragmenten auf.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfaßt der erste Sensor 18 die Intensität der FluoreszenzStrahlung der CH,0-0-Bande von bei der Verbrennung entstehenden CH-Molekülfragmenten, beispielsweise bei 431,5 nm. Hierzu ist das Interferenzfilter 48 so gewählt, daß dieses im wesentlichen die gesamte CH- Fluoreszenzbande bei 431,5 nm in Transmission durchläßt, jedoch die danebenliegende C2,2-0 Bande abtrennt.
Der zweite Photodetektor 20 erfaßt die Intensität der Fluoreszenzstrahlung der C2,0-0 Bande bei 516,5 nm, wobei das Interferenzfilter 50 genau so gelegt wird, daß es im wesentlichen die gesamte Bande in Transmission durchläßt. Der dritte Photodetektor 22 dient dazu, die einen Untergrund u bildende thermische Strahlung zu erfassen. Beispielsweise liegt das Interferenzfilter 52 bei einer Wellenlänge von 495 nm und mißt somit den Untergrund neben der C2,0-0 Fluoreszenzbande, welcher im wesentlichen dem Untergrund u der CH-Bande gleichgesetzt werden kann.
Jeder der Photodetektoren 18, 20 und 22 erzeugt ein der Intensität der jeweiligen Fluoreszenz proportionales Ausgangssignal Sl r S2, S3 und gibt dieses an eine Auswerteschaltung 54, welche die von dem ersten Sensor 18 und dem zweiten Sensor 20 gemessene Intensität bei der C2,0-0 Bande und der CH,0-0-Bande bezüglich des Untergrundes korrigiert, wobei im einfachsten Fall das die Intensität des Untergrundes u von der von dem ersten Photodetektor 18 und dem zweiten Photodetektor 20 gemessenen Intensität abgezogen wird.
Anschließend bildet die Auswerteschaltung 54 ein Verhältnis der korrigierten Intensitäten der Fluoreszenz der C2,0-0 Fluoreszenzbande und der CH,0-0-Fluoreszenzbande.
Vorzugsweise erfolgt dies in der Auswerteschaltung 54 auf digitalem Weg, das heißt, daß die Ausgangssignale Sl r S2, S3 der Photodetektoren 18, 20 und 22 digitalisiert werden und dann mit einem in der Auswerteschaltung 54 vorgesehenen Mikrocomputer weiterverarbeitet werden.
Das Verhältnis der Intensität der C2,0-0 Bande zur Intensität der CH,0-0-Bande bei 431,5 nm ergibt ein Maß für das Stöchio- metrieverhältnis bei der Verbrennung im Brennraum, da eine relativ zur CH,0-0-Bande intensive C2,0-0 Bande ein Indiz für ein zu fettes Gemisch, das heißt die Verbrennung von Kohlenwasserstoff im Überschuß darstellt. Eine derartige erfindungsgemäße Meßeinrichtung 10 läßt sich vorzugsweise auch im Zusammenhang mit einer Regeleinrichtung 100 einsetzen, welche eine Reglerschaltung 102 aufweist, die ihrerseits ein Zufuhrventil 104 der Zufuhreinrichtung 12 für den Kohlenwasserstoff und ein Ventil 106 der Zufuhreinrichtung für den Oxidator 16 steuert. Diese Reglerschaltung 102 wird vorzugsweise mit dem Ausgangssignal A der Auswerteschaltung 54 gespeist, wobei dieses Ausgangssignal ein Maß für das Stöchiometrieverhältnis der Verbrennung der Kohlenwasserstoffe in dem Brennraum 14 darstellt. Je nach dem, in welchem Bereich das Stöchiometrieverhältnis liegt, besteht die Möglichkeit, die Zufuhr des Kohlenwasserstoffs über das Zufuhrventil 104 oder des Oxidators über das Zufuhrventil 106 oder beide so zu regeln, daß ein möglichst ideales Stöchiometrieverhältnis bei der Verbrennung im Brennraum 14 vorliegt.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Meßeinrichtung zur Bestimmung von Stöchiometrieverhältnissen bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Sensor (18) für die Erfassung einer Intensität einer ersten Fluoreszenzstrahlung von bei der Verbrennung entstehenden C-H-Molekülfragmenten (C-H, 0-0) und ein Sensor ( 20 ) für die Erfassung einer Intensität einer zweiten Fluoreszenzstrahlung von bei der Verbrennung entstehenden ausschließlich C-Atome umfassenden Molekülfragmenten (C2,0-0) vorgesehen sind, daß die Sensoren (18, 20) aufgrund der ersten und zweiten Fluoreszenzstrahlung ein intensitätsabhängiges erstes (Sl) bzw. zweites (S2) Sensorsignal erzeugen und daß eine Auswerteschaltung (54) vorgesehen ist, welche aus einem Verhältnis der Intensitäten der ersten und zweiten Fluoreszenzstrahlung zueinander ein einem Stöchiometrieverhältnis entsprechendes Ausgangssignal (A) erzeugt.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (22) für die Erfassung einer Intensität von bei der Verbrennung entstehender Untergrundstrahlung (U) vorgesehen ist, daß der Sensor (22) ein intensitätsabhängiges drittes Sensorsignal ( S3 ) erzeugt und daß die Auswerteschaltung vor der Bildung des Verhältnisses der bei den Wellenlängen der ersten und zweiten Fluoreszenzstrahlung der Molekülfragmente gemessenen Intensitäten diese hinsichtlich der Intensität der Untergrundstrahlung (U) korrigiert.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (54) von dem ersten (Sl) und dem zweiten Sensorsignal ( S2 ) das dritte Sensorsignal
( S3 ) subtrahiert.
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Sensor die Intensität der Untergrundstrahlung bei einer Wellenlänge zwischen demjenigen der ersten Fluoreszenzstrahlung der C-H-Mole- külfragmente und derjenigen der zweiten ausschließlich C-Atome umfassenden Molekülfragmente erfaßt.
5. Meßeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Verbrennung entstehende Fluoreszenz (24) über einen Lichtleiter (30) den Sensoren (18, 20, 22) zugeführt wird.
6. Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor einem der Verbrennung zugewandten vorderen Ende (28) des Lichtleiters (30) ein Schutzfenster (26) angeordnet ist.
7. Meßeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenz durch einen einzigen Lichtleiter (30) erfaßbar und mittels einer Verzweigung ( 34 ) in einen Zweig für das Erfassen der ersten Fluoreszenz, einen Zweig für das Erfassen der zweiten Fluoreszenz und einen Zweig für das Erfassen des Untergrundes aufteilbar ist.
8. Meßeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein wellenlängenselektives Element (48, 50, 52) zur Festlegung der für den jeweiligen Sensor (18, 20, 22) vorgesehenen Strahlung vorgesehen ist.
9. Meßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das wellenlängenselektive Element ein optisches Bandfilter (48, 50, 52) ist.
10. Meßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bandfilter ein Interferenzfilter (48, 50, 52) ist.
11. Regeleinrichtung zum Regeln einer Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit einem Oxidator in stöchiometrischen Verhältnissen, umfassend eine Reglerschaltung und mindestens ein von dieser angesteuertes Steuerventil zur Steuerung einer Zufuhr von Kohlenwasserstoffen oder Oxidator zur Verbrennung, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglerschaltung als Eingangssignal ein Ausgangssignal einer Meßeinrichtung zur Bestimmung von Stöchiometrieverhältnissen gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 erhält.
12. Meßverfahren zur Bestimmung von Stöchiometrieverhältnissen bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Intensität einer ersten Fluoreszenzstrahlung von bei der Verbrennung entstehenden C-H-Molekülfragmenten und eine Intensität einer zweiten Fluoreszenzstrahlung von bei der Verbrennung entstehenden ausschließlich C-Atome umfassenden Molekül- fragmenten gemessen wird und aus dem Verhältnis der Intensitäten der ersten und zweiten Fluoreszenzstrahlung das Stöchiometrieverhältnis bei der Verbrennung bestimmt wird.
13. Meßverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Wellenlänge der Fluoreszenzstrahlung der Molekülfragmente gemessenen Intensitäten hinsichtlich der Intensität der bei der Verbrennung entstehenden Untergrundstrahlung korrigiert werden.
14. Meßverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Untergrundstrahlung zwischen den Wellenlängen der detektierten Fluoreszenzstrahlung der Molekülfragmente gemessen wird.
15. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die integrale Intensität der Fluoreszenz (C-H,0-0, C2,0-0) einer Schwingungsbande einer Molekülschwingung des jeweiligen Molekülfragments gemessen wird.
16. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Fluoreszenz von C2-Molekülfragmenten gemessen wird.
17. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Intensität der Fluoreszenz der C3_Molekülfragmente gemessen wird.
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