Entwicklung, Aufbau und Optimierung der In-situ-Spektrometer
6.4 Automatische Anpassung der Verstärkung
Die in Verbrennungsprozessen auftretenden extremen Schwankungen der Transmissionsbedingun-gen führen zu einer starken Variation der detektierten Signalamplitude. Deshalb konnten bei In-situ-Messungen der Dynamikbereich der zur Digitalisierung der Signale eingesetzten Analog-Digital-Wandler nur schlecht ausgenutzt werden. Die analogseitige Verstärkung muß so gering gewählt wer-den, daß auch bei der maximal auftretenden Tansmission die Analog-Digital-Wandler nicht übersteu-ert werden, da sonst die aufgenommenen Signalkurven „abgeschnitten“ und die Kurvenanpassung bei der Auswertung falsche Ergebnissen liefern würde. Da die durchschnittliche Transmission aber übli-cherweise viel geringer als die Maximaltransmission ist (vergleiche Abbildung 4.5, Seite 28), können die Analog-Digital-Wandler auch nur entsprechend gering ausgesteuert werden. Dies soll durch ein Zahlenbeispiel verdeutlicht werden: Nimmt man an, daß die maximal auftretende Transmission 8 mal größer als die mittlere Transmission ist, so verliert man im Mittel 3 Bit der Auflösung der AD-Wandler.
Bei den für die erforderlichen Abtastraten (>1 Msample/s) zur Verfügung stehenden 12 Bit-Wandlern bedeutet dies, daß im Mittel nur 9 Bit ausgenutzt werden können. Geht man davon aus, daß auch im phasenstarr gemittelten Signal mindestens eine Bitstufe erforderlich ist, um eine Absorptionslinie zu erkennen, ist die kleinste nachweisbare Absorption auf 1/500 beschränkt. Bei einer CO-Messung im 3ν-Band würde das bei einer Absorptionslänge von 5 m einer Nachweisempfindlichkeit von etwa 0,5%Volentsprechen.
Besonders heikle Transmissionsbedingungen wurden an der Drehrohrfeuerung (Kapitel 7.1.2) vor-gefunden. Bei der diskontinuierlichen Beschickung dieser Anlage wurden innerhalb von Sekunden Transmissionseinbrüche von mehreren Größenordnungen in beobachtet. Für eine absorptionsspek-troskopische Konzentrationsmessung reicht dann die Auflösung der 12 Bit-Wandler aber nicht aus.
Analog-Digital-Wandler mit entsprechend höherer Auflösung stehen bislang nicht mit den erforderli-chen Abtastraten zur Verfügung.
Abbildung 6.9:Prinzip der mikroprozessor-gesteuerten Verstärkungsregelung auf Basis der DSP-Elektronik.
Die Verstärkung für den folgenden Abtastzyklus wird aus dem aktuellen berechnet und über einen Digital-Analog-Wandler am spannungsgesteuerten Verstärker zum Triggerzeitpunkt eingestellt.
Diese Schwierigkeit konnte durch eine im Rahmen dieser Arbeit entwickelte schnelle automati-sche Verstärkeranpassung umgangen und so die erreichbare Nachweisempfindlichkeit der In-situ-Spektrometer erheblich gesteigert werden. Die Basis der Verstärkungsregelung bildet die in [Fer01a]
6.4. AUTOMATISCHE ANPASSUNG DER VERSTÄRKUNG 77 entwickelte DSP-Spektrometerelektronik2. Der Analogteil dieser Elektronik verfügt über Verstärker, deren Verstärkungsfaktor über eine Steuerspannung in einem Bereich von -20 dB bis +20 dB einge-stellt werden kann (VCA, Voltage controlled amplifier). Die Ansteuerung erfolgt über Digital-Analog-Wandler vom Digitalteil der Elektronik. Da die Änderung des Verstärkungsfaktors sehr schnell im Vergleich zur Modulation des Laserstroms erfolgen kann, ist eine stufenförmige Regelung der Ver-stärkung zu den Triggerzeitpunkten möglich. Auf diese Weise kann die Regelung extrem schnell erfolgen, ohne die Basislinie in den Einzelabtastzyklen zu deformieren und damit die Meßsignale zu verfälschen.
Das Prinzip der automatischen Verstärkungsregelung ist in Abbildung 6.9 schematisch dargestellt.
Mithilfe des DSP-Prozessors wird mit einem schnellen Suchalgorithmus ([Fer01a]) in einem Bruch-teil der Abtastzeit simultan zur Datenaufnahme MaximumUmax und MinimumUmin des aktuellen Abtastzyklus bestimmt. Die Differenz, also die Amplitude der Dreiecksmodulation, stellt ein Maß für die aktuelle Transmission dar, und muß durch die geregelte Verstärkung so eingestellt werden, daß der Wertebereich des AD-Wandlers möglichst optimal ausgenutzt wird. Das Regelsignal, also der Verstär-kungsfaktorVn+1 für den folgenden Abtastzyklus, wird aus der aktuellen VerstärkungVn, sowie aus UmaxundUmin berechnet:
Vn+1 =Vn+k·
µ(Umax−Umin)ist (Umax−Umin)soll −1
¶
(6.3) Der Faktorkin Gleichung 6.3 bestimmt dabei die Geschwindigkeit der Regelschleife. Je größer k, um so schneller wird eine Änderung der Transmission ausgeregelt. Wennk allerdings zu groß ge-wählt wird, beginnt die Regelschleife zu oszillieren. Wie oben bereits erwähnt kam der
Verstärkungs-13:45 13:50 13:55 14:00
0.0 0.5 1.0 1.5
THERESA: Montag 04.03.2002
Verstärkung:
ungeregelt geregelt
Transmission [a.u.]
Zeit [hh:mm]
Abbildung 6.10:Ausgleich der Transmissionsvariationen durch die Verstärkungsregelung. Die starken Trans-missionsschwankung auf dem ungeregelten Signal werden von der Verstärkungsregelung kompensiert, solange die Transmissionseinbußen nicht so groß werden, daß der Verstärkungsbereich nicht ausreicht.
2DSP steht für Digitaler Signal Prozessor. Ein solcher auf bestimmte Rechenoperationen optimierter Prozessor bildet das Kernstück der eingesetzten Elektronik.
regelung vor allem bei den instationären Verbrennungsprozessen in der Drehrohrfeuerung eine ent-scheidende Rolle zu. Das folgende Beispiel einer Transmissionsmessung an der Drehrohrfeuerung THERESA am Forschungszentrum Karlsruhe soll die Effektivität der automatischen Verstärkungsan-passung verdeutlichen.
Abbildung 6.10 zeigt den zeitlichen Verlauf der gemessenen Transmission durch das Drehrohr der THERESA. Bei dieser Messung wurden die Daten parallel ohne und mit geregelter Verstärkung di-gitalisiert. Während das ungeregelte Signal auch im dargestellten 2 Sekunden-Mittel noch Variatio-nen der Transmission um eiVariatio-nen Faktor 3 zeigt, ist die effektive Transmission nach Ausgleich durch die automatische Regelung praktisch konstant. Im dargestellten Zeitraum sind um 13.45 Uhr und um 14.01 Uhr zwei besondere Ereignisse zu erkennen. Trotz geregelter Verstärkung fällt auch im ausgere-gelten Signal der scheinbare Transmissiongrad kurzeitig auf 0 ab. Hier wurde durch explosionsartiges Verbrennen von PE-Fläschchen mit 60 ml-Heizöl kurzzeitig lokal stark unterstöchiometrische Bedin-gungen erzeugt, die zu sehr starker Rußbildung und damit zu einem Einbruch der Transmission führ-ten. Die Verstärkungsregelung versuchte dies durch Einstellen der Maximalverstärkung von + 20 dB auszugleichen, die Transmission wurde bei diesen Bedingungen allerdings so gering, daß dennoch kein Lasersignal mehr detektiert werden konnte.
Ein Beispiel, welches die Effektivität der Verstärkungsanpassung beim In-situ-Gasnachweis demons-triert, ist in Abbildung 6.11 dargestellt. Die gezeigten Messungen der CO-Konzentration auf dem 2. Oberton, welche ebenfalls am Drehrohr der Müllverbrennungsanlage THERESA durchgeführt wur-den, weisen im ungeregelten Signal vermeintliche CO-Spitzen auf. Diese scheinbaren CO-Spitzen sind aber auf schlechte Transmissionsbedingungen zurückzuführen. Bei diesen Meßpunkten war die Auflösung der digitalisierten Detektorsignale durch die schlechte Ausnutzung der Analog-Digital-Wandler so gering, daß die Kurvenanpassung der Absorptionslinie fehlschlug und falsche Ergebnisse lieferte. Die mit der Verstärkungsregelung aufgezeichneten Daten hingegen weisen diese
Fehlmes-14:21 14:22 14:23 14:24 14:25 14:26 14:27 14:28 14:29 0.0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
5.5 THERESA: Montag 04.03.2002
Verstärkung:
ungeregelt geregelt
CO Konzentration [% Vol]
Zeit [hh:mm]
Abbildung 6.11:Auswirkungen der Verstärkungsregelung auf die Messung der CO-Konzentration. Bei den vermeintlichen CO-Spitzen auf dem ungeregelten Signal handelt es sich um Fehlmessungen, die auf schlechte Transmissionsbedingungen zurückzuführen sind. Die Verstärkeranpassung kann diese ausregeln, wie der ge-zeigte Konzentrationsverlauf belegt.