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Photonische Sensoren für die aktive Prozesssteuerung

Claus Romano, Wolfgang Schade

Zur Optimierung industrieller Hochtemperatur-Verbrennungsprozesse in Glasschmelzöfen ist die Bestimmung der Konzentration der beim Verbrennungsprozess entstehenden Gase CO, CO2, NO in Echtzeit für eine aktive Regelung von großer Bedeutung. Konventionelle Systeme beruhen meist auf volumetrischen Messungen, welche eine Probenentnahme erfordern. Die extrahierten Gase können jedoch nach der Entnahme weiter miteinander reagieren, wodurch das Ergebnis verfälscht wird. Eine Messung in Echtzeit ist auf diese Weise nicht möglich. Andere auf Laser basierenden Systeme wiederum sind räumlich an die Brennkammer gebunden. Diese sind in der Lage die Gaskonzentrationen in Echtzeit zu erfassen und haben aufgrund der langen Wechselwirkungsstrecke des Lasers mit den Gasen den Vorteil einer hohen Sensitivität. Allerdings erlauben solche fest installierten Systeme keine Aussage
über die Gasverteilung.

Abb.1: Schematische Darstellung des photonischen Sensors

Durch die Verwendung von zwei DFB-Laserdioden ( =1,57μm und =2,33μm) und einem Quantenkaskadenlaser ( =5,3μm) in Verbindung mit einem Prismensensor ist es möglich, die Konzentration der Gase CO, CO und NO ortsaufgelöst während des Verbrennungsprozesses in einem Glas-schmelzofen unter Echtzeitbedingungen und mit hinreichender Genauigkeit zu messen.

Der photonische Sensor beruht auf dem physikalischen Prinzip der Absorptions-Laserspektroskopie. Das Licht der verwendeten Laser wird in eine Chalkogenidfaser eingekoppelt und auf diese Weise dem Sensor zugeführt (Abb. 1). Die Wellenlänge der Lasermodule kann geringfügig verändert werden. Dadurch ist es möglich, den jeweiligen Laser über eine molekulare Resonanz der zu untersuchenden Spezies durchzustimmen. Im Fall der Resonanz wird am anderen Ende der Faser eine Abnahme der transmittierten Lichtintensität beobachtet (Abb. 2).

Abb.2: CO-Absorptionslinie

Als Sensorelement kommen der in Abb. 3 gezeigte Prismensensor zum Einsatz. Er ist aus einer Kombination aus Edelstahl, Keramik und Platin gefertig und eignet sich daher uneingeschränkt für den Einsatz bei sehr hohen Temperaturen (T<1600°C).

Abb.3: Hochtemperatur Prismensensor

Dieses Projekt wird durch die unter der Projektnummer Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF-ZUTECH) 181 ZN gefördert und in Koopeperation mit der Hüttentechnischen Vereinigung der Deutschen Glasindustrie (HVG) sowie dem Glas-Wärme-Institut (GWI) durchgeführt.

 

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