Abgaserzeugende Einrichtung, insbesondere Schiff, mit einer Abgas olumenbeStimmung

Die Erfindung betrifft eine abgaserzeugende Einrichtung, ins ^¬ besondere ein Schiff, mit einem Abgaskanal, vom dem Abgas der Einrichtung in eine Umgebung der Einrichtung austritt, und mit einer Vorrichtung zur Bestimmung eines durch den Abgaska- nal an die Umgebung abgegebenen Abgasvolumens gemäß Patentanspruch 1.

Große stationäre und mobile Einrichtungen, wie z.B. fossile Kraftwerke, Industrieanlagen oder auch Schiffe, tragen we- sentlich mit dazu bei, durch Schadstoffausstoß (z.B. C02) das Klima zu verändern und die Umwelt zu belasten. Es ist daher zu erwarten, dass in naher Zukunft das Abgasvolumen derartiger Einrichtungen ermittelt wird, um daraus über Emissions ^¬ zertifikate eine Kontrolle der Emissionen zu erreichen.

Hierzu ist es bereits bekannt, das Abgasvolumen indirekt an ^¬ hand von Betriebsparametern der Anlage, wie z.B. von einem Brennstoffverbrauch, einer BrennstoffZusammensetzung, einer Verbrennungstemperatur, etc. zu ermitteln. Dabei werden übli- cherweise von dem Hersteller oder Betreiber eines Abgaserzeu- gers (z.B. einer Verbrennungskraftmaschine oder einer Dampf ^¬ turbinenanlage) der Einrichtung bereitgestellte Daten und Zu ^¬ sammenhänge zwischen den Betriebsparametern und dem Abgasvolumen zugrunde gelegt. Es besteht dabei jedoch keine Möglich- keit, auf neutralem, unabhängigem Wege die dadurch ermittelten Abgasvolumen zu verifizieren.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, bei einer derartigen Einrichtung eine Möglichkeit zu schaffen, das Abgasvolumen auf einem unabhängigen Weg und mit hoher Genauigkeit ermitteln zu können, wobei die hierzu notwendige Vorrichtung auch bei schon bestehenden Einrichtungen mit ge- ringem Aufwand nachrüstbar sein und sich durch eine hohe Wartungsfreundlichkeit auszeichnen soll.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine Einrichtung ge- maß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 16.

Eine erfindungsgemäße abgaserzeugende Einrichtung weist zur Bestimmung des Abgasvolumens eine Vorrichtung auf, die mehre- re quer zur Strömungsrichtung eines Abgases am Ende des Ab ^¬ gaskanals an vorbestimmten Positionen verteilt angeordnete Bragg-Gitter umfasst, die in einer Lichtwellenleiterstruktur ausgebildet sind, die aus zumindest einem Lichtwellenleiter besteht, wobei benachbart zu diesen Bragg-Gittern entweder eine Heizeinrichtung angeordnet ist, mit der die Bragg-Gitter mit Wärme beaufschlagbar sind, oder eine Kühleinrichtung angeordnet ist, durch die die Bragg-Gitter mit Kälte beauf ^¬ schlagbar sind. Wenn Licht in die Lichtwellenleiterstruktur eingekoppelt wird, wird dieses an den darin angeordneten Bragg-Gittern entgegen seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung zurückgestreut. Das Spektrum des zurückgestreuten Lichts ist dabei abhängig von der Gitterkonstante des Gitters. Die Gitterkon- stante ist wiederum abhängig von der Temperatur des Gitters. Werden nun die Bragg-Gitter durch die Heizeinrichtung erwärmt bzw. durch die Kühleinrichtung gekühlt, so wird ein Teil der Wärmeleistung bzw. der Kühlleistung durch ein an den Gittern vorbeiströmendes Abgas abgeführt. Der abgeführte Teil ist da- bei umso größer, je größer die Strömungsgeschwindigkeit des

Abgases ist. Durch das in dem Abgaskanal an den Bragg-Gittern vorbeiströmende Abgas wird somit die Temperatur der Bragg- Gitter beeinflusst, und zwar umso mehr, je größer die Strö ^¬ mungsgeschwindigkeit des Abgases ist. In Abhängigkeit von der Temperatur des Bragg-Gitters ändert sich jedoch auch die Git ^¬ terkonstante des Gitters. Das Spektrum des zurückgestreuten Lichts ist somit abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases an dem Bragg-Gitter. Aus der Strömungsgeschwin- digkeit des Abgases und der von dem Abgas durchströmten Flä ^¬ che kann wiederum das Volumen das an den Gittern vorbeiströmenden Abgases abgeleitet werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass in großen industriellen und mobilen Anlagen die Abgaskanäle eine sehr große Quer ^¬ schnittsfläche von bis zu mehreren Quadratmetern aufweisen können. Damit kann man nicht mehr voraussetzen, dass eine über den gesamten Querschnitt homogene Strömung des Abgases vorliegt. Eine punktuelle Messung wäre daher nicht hinrei ^¬ chend. Deshalb werden mehrere Bragg-Gitter an vorbestimmten Positionen quer zur Strömungsrichtung des Abgases, d.h. in einer Querschnittsfläche des Abgaskanals, verteilt angeord ^¬ net. Hierdurch ist eine verteilte Strömungsmessung des Abga- ses über die gesamte Querschnittsfläche des Abgaskanals mög ^¬ lich, wodurch eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung des Abgasvolumens auch bei inhomogenen Abgasströmungen erzielt werden kann. Da Lichtwellenleiter einen sehr geringen Durchmesser und folglich einen geringen Strömungswiderstand auf- weisen, stellt die Lichtleiterstruktur für eine derartige verteilte Strömungsmessung einen vernachlässigbaren Strömungswiderstand für den Abgasstrom dar, so dass der Betrieb der Anlage durch die Abgasvolumenbestimmung nicht beeinflusst wird. Es kann somit auf direktem Wege, unabhängig von Her- steller- oder Betreiberinformationen und mit hoher Genauigkeit das Abgasvolumen bestimmt werden.

Der zumindest eine Lichtwellenleiter ist dabei vorzugsweise durch eine Glasfaser gebildet, da sich diese durch hohe Be- ständigkeit gegenüber physikalischen und/oder chemischen Beanspruchungen auszeichnet und insbesondere eine hohe Tempera ^¬ turbeständigkeit aufweist. Je nach Anwendungsfall kann der Lichtwellenleiter jedoch auch durch eine Kunststofffaser gebildet sein.

Da die Lichtwellenleiterstruktur und die Heizeinrichtung bzw. Kühleinrichtung am Ende des Abgaskanals angeordnet sind, kann eine Nachrüstung mit geringem Aufwand auch bei schon beste- henden Einrichtungen erfolgen, da hierzu keine Eingriffe in den Innenbereich des Abgaskanals notwendig sind. Außerdem ist die Zugänglichkeit für Wartungsmaßnahmen gewährleistet. Erfindungsgemäß sind dabei die Lichtwellenleiterstruktur und die Heizeinrichtung oder Kühleinrichtung nicht direkt am Austritt des Abgases an die Umgebung, sondern mit einem Abstand davon angeordnet. Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Abgase schon im Bereich kurz vor dem Austritt des Abgases an die Umgebung durch die an dem Austritt vorbeiströmende Um ^¬ gebungsluft verwirbelt und somit von ihrer normalen Strö ^¬ mungsrichtung, die vorzugsweise senkrecht zur Lichtwellenlei ^¬ terstruktur verläuft, abgelenkt werden. Außerdem können die Abgase hier bereits mit Abgasen aus anderen eng benachbarten Schornsteinen vermischt werden. Beide Effekte würden zu Unge- nauigkeiten in der Messung des Abgasvolumens führen. Durch einen Abstand von dem Austritt kann sichergestellt werden, dass das Abgas unbeeinflusst die Lichtwellenleiterstruktur und die Heizeinrichtung oder Kühleinrichtung anströmt und nicht mit anderem Abgas vermischt wird, so dass eine hohe Ge ^¬ nauigkeit in der Messung des Abgasvolumens erzielt werden kann .

Vorzugweise gilt dabei für den Abstand: d > D/10, vorzugswei- se D > d > D/10, wobei d der Abstand von dem Austritt und D der Durchmesser des Austritts ist. Hierdurch kann ein ausreichender Abstand für eine senkrechte, von anderen Abgasen un- beeinflusste Anströmung der Lichtwellenleiterstruktur durch das Abgas und zugleich eine gute Zugänglichkeit zur der

Lichtwellenleiterstruktur am Ende des Abgaskanals erzielt werden .

Der Abstand der Lichtwellenleiterstruktur und der Heizeinrichtung oder Kühleinrichtung von dem Austritt des Abgases kann durch deren Anordnung im Inneren des Abgaskanals gegeben sein . Alternativ und/oder ergänzend kann der Abstand auch zumindest teilweise durch einen Abgasstutzen gegeben sein, der zusätzlich auf den Abgaskanal aufgesetzt ist. Von Vorteil ist der Abgasstutzen dabei ein Bestandteil der Vorrichtung zur Bestimmung des Abgasvolumens.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der zumindest eine Lichtwellenleiter in einem Hohlraum eines stei- fen Trägerkörpers angeordnet, dessen Form den Verlauf des

Lichtwellenleiters in dem Abgaskanal festlegt, wobei der Trä ^¬ gerkörper zugleich die Heizeinrichtung oder Kühleinrichtung bildet. Hierdurch ist eine große mechanische Stabilität und Schutz der Lichtwellenleiterstruktur vor aggressiven Abgasen gegeben, wobei sich diese Ausgestaltung auch durch eine besondere konstruktive Einfachheit auszeichnet, da der Träger ^¬ körper auch gleich die Heizeinrichtung oder Kühleinrichtung bildet. Falls der Trägerkörper auch die Heizeinrichtung bildet, besteht er bevorzugt aus einem Metall-Röhrchen, welches durch einen elektrischen Stromfluss beheizt werden kann.

Eine gute Verteilung der Bragg-Gitter für eine genaue Messung des Abgasvolumens bei gleichzeitig guter mechanischer Stabi ^¬ lität und geringem Strömungswiderstand für das Abgas ist auf konstruktiv einfache Weise dadurch möglich, dass die Licht ^¬ wellenleiterstruktur mehrere sich kreuzende Lichtwellenlei ^¬ terabschnitte umfasst, durch die ein Lichtwellenleiternetz ausgebildet ist, wobei das Lichtwellenleiternetz Maschen mit einer Maschenweite aufweist, wobei für die Maschenweite vor- zugsweise gilt: D*/3 > W > D*/10, wobei W die Maschenweite und D* der Durchmesser des Abgaskanals bzw. Abgasstutzens im Bereich des Lichtwellenleiternetzes ist. Das Lichtwellenlei ^¬ ternetz kann dabei auch durch einen einzigen Lichtwellenleiter ausgebildet sein. Grundsätzlich kann die Lichtwellenlei- terstruktur aber auch anders ausgestaltet sein, z.B. kann sie einen spiralförmig oder kreisförmig verlaufenden Lichtwellenleiter aufweisen, in dem die Bragg-Gitter hintereinander angeordnet sind . Zur mechanisch stabilen Befestigung der Lichtwellenleiterstruktur und der Heizeinrichtung oder Kühleinrichtung sind diese bevorzugt von einem Rahmen eingefasst. Der Rahmen kann dann am Ende oder im Inneren des Abgaskanals an dem Abgaskanal befestigt sein. Alternativ kann der Rahmen von einer Halterung im Inneren des Abgaskanals gehalten sein, wobei die Halterung an dem Ende des Abgaskanals befestigt ist .

Der Rahmen kann auch über ein Scharnier mit einem Befestigungselement verbunden sein, das an dem Abgaskanal befestigt ist. Mittels des Scharniers kann dann der Rahmen vom Auslass des Abgaskanals weggekippt werden, so dass der Abgaskanal für Prüfungs- und Reinigungsmaßnahmen zugänglich ist und eine einfache Wartung der Lichtwellenleiterstruktur und der Heizeinrichtung bzw. Kühleinrichtung möglich ist.

Da sich an dem Trägerkörper im Laufe der Zeit Abgaspartikel ablagern können, umfasst die Vorrichtung zur Bestimmung des

Abgasvolumens von Vorteil eine Reinigungsvorrichtung zur Rei ^¬ nigung einer äußeren Oberfläche der Lichtwellenleiterstruktur und/oder der Heizeinrichtung bzw. Kühleinrichtung. Für die Ermittlung von Messwerten zu den Strömungsgeschwindigkeiten an den Bragg-Gittern und die weiteren Auswertungen umfasst die Vorrichtung zur Bestimmung des Abgasvolumens be ^¬ vorzugt zumindest eine Lichtquelle zur Einstrahlung von Licht in die Lichtwellenleiterstruktur und zumindest eine Signal- Verarbeitungseinrichtung, welche aus von Bragg-Gittern in der Lichtwellenleiterstruktur entgegen seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung zurückgestreutem Licht die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases entlang des Verlaufes der Lichtwel ^¬ lenleiterstruktur bestimmt und daraus das vorbeiströmende Ab- gasvolumen ableitet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Heizeinrichtung bzw. die Kühleinrichtung für eine Messung der Abgastemperatur deaktivierbar. Aus den ermittelten Strömungsgeschwindigkeiten kann dann aus der Dichte des Abgases auch die Masse des Abgases bestimmt werden. Die Dichte entspricht in erster Näherung der Dichte von Luft, wobei allerdings die Temperaturabhängigkeit der Dichte berücksichtigt werden muss. Die Abgastemperatur bzw. eine Abgastemperaturverteilung kann jedoch sehr einfach ebenfalls anhand des Spektrums von an den Bragg-Gittern der Lichtwellenleiterstruktur zurückgestreuten Lichts bestimmt werden. Dies ist dadurch möglich, dass die Bragg-Gitter für eine vorgegebene Zeit nicht beheizt bzw. ge ^¬ kühlt werden, so dass sie die Temperatur des Abgases aufwei ^¬ sen .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die abgaserzeugende Einrichtung zusätzlich noch zumindest einen Sensor zur Messung einer Konzentration eines Schadstoffes in dem Abgas und eine Auswerteinheit, die derart ausgebildet ist, dass sie anhand zumindest eines Messwerts für eine Kon ^¬ zentration eines Schadstoffes in dem Abgas und eines ermit- telten Abgasvolumens eine Schadstoffemission der Anlage be ^¬ stimmt .

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die abgaserzeugende Einrichtung einen Abgaserzeuger (z.B. eine Verbrennungskraftmaschine oder eine Dampfturbinenanlage) mit einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung für diesen Abgaserzeuger, wobei die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie den Betrieb des Abgaserzeu- gers in Abhängigkeit von einem ermittelten Abgasvolumen, ei- ner ermittelten Abgastemperatur und/oder einer ermittelten Schadstoffemission steuert bzw. regelt.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Fol- genden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; darin zeigen: FIG 1 einen Abgaskanal mit einer Vorrichtung zur Bestimmung des Abgasvolumens,

FIG 2 eine Draufsicht auf eine als ein Netz ausgebildete

Sensoreinheit,

FIG 3 eine Draufsicht auf die Sensoreinheit von FIG 2 mit einem Rahmen, FIG 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV der FIG 3,

FIG 5 einen Schnitt durch eine mittels eines Halters befes ^¬ tigte Sensoreinheit, FIG 6 einen Schornstein mit mehreren Abgasrohren und Sensoreinheiten,

FIG 7 eine Sensoreinheit mit einem Abgasstutzen, FIG 8 eine Befestigung der Sensoreinheit von FIG 7 am Ende eines Abgaskanals,

FIG 9 eine aus einem Abgaskanal klappbare Sensoreinheit, FIG 10 eine Sensoreinheit mit einer Reinigungsvorrichtung,

FIG 11 einen Schnitt entlang der Linie XI-XI der FIG 10,

FIG 12 eine abgaserzeugende Einrichtung mit einem Abgaser- zeuger und einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung .

FIG 1 zeigt in einem schematischen Schnitt einen Schornstein 3 einer nicht näher dargestellten abgaserzeugenden Einrich- tung. Bei dieser Einrichtung kann es sich beispielsweise um eine große stationäre oder mobile Anlage, wie z.B. ein Kraft ^¬ werk, eine industriellen Anlage oder insbesondere um ein Schiff handeln. Der Schornstein 3 bildet einen Abgaskanal 2 aus. Dieser hat beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt. Es sind jedoch auch andere Querschnittsgeometrien des Abgaskanals (z.B. rechteckig, quadratisch, oval) denkbar. Eine Vorrichtung 10 zur Bestimmung des durch den Abgaskanal 2 bzw. Schornstein 3 an eine Umgebung 18 der abgaserzeugenden Einrichtung abgegebenen Abgasvolumens umfasst eine Sensoreinheit 11, die am Ende des Abgaskanals 2 in dem Abgaskanal 2 angeordnet ist, und eine damit verbundene Mess- und Auswerte- einheit. Die Sensoreinheit 11 umfasst Bragg-Gitter 5, die in dem Abgaskanal 2 senkrecht zur Strömungsrichtung 4 des Abga ^¬ ses an vorbestimmten Positionen verteilt angeordnet in einer Lichtwellenleiterstruktur 6 ausgebildet bzw. eingearbeitet sind. Die Lichtwellenleiterstruktur 6 umfasst zur Vereinfa- chung der Darstellung hier nur einen geradlinig verlaufenden Lichtwellenleiter 7. In der Praxis umfasst sie jedoch vorzugsweise mehrere Lichtwellenleiter oder aber einen einzigen Lichtwellenleiter mit einem im Wesentlichen nichtlinearen Verlauf. Als Lichtwellenleiter wird vorzugsweise ein flexib- les Glasfaserkabel eingesetzt.

Der Lichtwellenleiter 7 ist in einem steifen Trägerkörper in Form eines dünnwandigen Röhrchens 8 aus Metall angeordnet, das senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgases in dem Abgas- kanal 2 angeordnet ist und dessen Form den Verlauf des Licht ^¬ wellenleiters 7 in dem Abgaskanal 2 festlegt. Der Lichtwel ^¬ lenleiter 7 ist dabei austauschbar in einem Hohlraum 9 des Röhrchens 8 angeordnet und durch das Röhrchen 8 vor unmittel ^¬ barem Kontakt mit dem Abgas geschützt.

Wenn das Röhrchen 8 von einem Strom durchflössen wird, wärmt es sich auf und dient dabei als Heizeinrichtung für den

Lichtwellenleiter 7. Durch das Röhrchen 8 wird der Lichtwellenleiter 7 gleichmäßig entlang seiner gesamten Länge auf ei- ne Temperatur erwärmt, die beispielweise 50 - 100°C oberhalb der Temperatur des Abgases im Bereich der Sensoreinheit 11 liegt. Als Stahlröhrchen kommen beispielsweise Röhrchen aus einer hochtemperaturfesten Nickelbasislegierung (wie z.B. ei- ner Inconel-Legierung) mit einem Außendurchmesser von 1.5 mm und einem Innendurchmesser von 0.5 mm zum Einsatz, die eine Temperaturfestigkeiten von 600°C und mehr aufweisen. Alternativ kann auch zur Erwärmung des Lichtwellenleiter 7 ein Hitz- draht in dem Röhrchen 8 angeordnet sein oder ein warmes Fluid durch das Röhrchen 8 strömen.

Die Mess- und Auswerteeinheit 20 umfasst einen optischen Richtkoppler 21, eine Lichtquelle 22, eine Signalverarbei- tungseinrichtung 23, eine Anzeigeeinheit 24 und eine Strom ^¬ quelle 25. Der Lichtwellenleiter 7 ist über den optischen Richtkoppler 21 mit der Lichtquelle 22 und mit der Signalverarbeitungseinrichtung 23 verbunden. Der Richtkoppler 21 koppelt von der Lichtquelle 22 abgestrahltes Licht in den Licht- Wellenleiter 7 ein und aus diesem zurückgestreutes Licht zu der Signalverarbeitungseinrichtung 23 aus. Der Signalverarbeitungseinrichtung 23 ist die Anzeigeeinheit 24 nachgeschal ^¬ tet. Die Stromquelle 25 dient zur Stromversorgung des Röhr ^¬ chens 8 und kann von der Signalverarbeitungseinrichtung 23 aus aktiviert und deaktiviert werden. Bei Aktivierung der

Stromquelle 25 erwärmt das Röhrchen 8 den Lichtwellenleiter 7 mitsamt den Bragg-Gittern 5 gleichmäßig entlang seiner gesamten Länge . Die Bragg-Gitter 5 sind entlang des Lichtwellenleiters 7 in diesem an vorbestimmten Positionen mit gleichen oder untereinander verschiedenen Gitterperioden ausgebildet. Werden Bragg-Gitter 5 mit unterschiedlichen Gitterperioden eingesetzt, so wird bevorzugt eine breitbandig abstrahlende Licht- quelle 22 eingesetzt. Werden dagegen Bragg-Gitter mit glei ^¬ chen oder im Wesentlichen gleichen Gitterperioden eingesetzt, so wird vorzugsweise eine gepulste, monochromatische Licht ^¬ quelle 22 eingesetzt. Die Bragg-Gitter 5 bestehen aus einer periodischen Folge von scheibenförmigen Bereichen, die einen von dem normalen Brechungsindex eines Kerns des Lichtwellen ^¬ leiters 7 abweichenden Brechungsindex aufweisen. Wird in Bragg-Gitter 5 die beispielsweise unterschiedliche Gitterperioden aufweisen, Licht mit einer breitbandigen Verteilung der Intensität über der Wellenlänge eingestrahlt, dann wird ein geringer Teil des Lichtes an den Bragg-Gittern zurückgestreut, und zwar mit einer jeweils charakteristischen spektralen Intensitätsverteilung, die von der Gitterperiode des jeweiligen Gitters abhängt.

Eine lokale Temperaturänderung des Lichtwellenleiters 7 im Bereich eines Bragg-Gitters 5 führt zu einer lokalen Längen ^¬ expansion oder -kontraktion und damit zu einer Änderung der Gitterperiode, was eine Verschiebung der spektralen Intensi ^¬ tätsverteilung des zurückgestreuten Lichtes zur Folge hat. Das Ausmaß dieser Verschiebung ist ein Maß für die Längenän- derung und damit für die Temperaturänderung.

Zur Abgasvolumenmessung mittels der Lichtwellenleiterstruktur wird zunächst eine Temperaturmessung der Bragg-Gitter 5 vorgenommen. Von der Temperatur der Bragg-Gitter 5 wird dann auf die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in dem Abgaskanal 2 und von dieser auf das Abgasvolumen geschlossen.

Hierzu wird die Stromquelle 25 aktiviert und gibt elektrische Leistung an das Röhrchen 8 ab, was zu einer Erwärmung des Lichtwellenleiters 7 gegenüber seiner Umgebung und insbesondere auch gegenüber den Abgasen führt. Der Lichtwellenleiter 7 wird dabei auf eine Temperatur erwärmt, die - ohne das vor ^¬ beiströmende Abgas - über der Temperatur des an dem Lichtwel ^¬ lenleiter 7 vorbeiströmenden Abgases liegen würde. Über das an den Bragg-Gittern 5 vorbeiströmende Abgas wird jedoch ein Teil der von dem Röhrchen 8 ausgehenden Wärmeleistung abgeleitet, so dass sich die Bragg-Gitter 5 weniger erwärmen als ohne vorbeiströmendes Abgas. Es wird dabei umso mehr Wärme ^¬ leistung abgeleitet, je größer die Strömungsgeschwindigkeit des vorbeiströmenden kühleren Abgases ist.

Die Signalverarbeitungseinrichtung 23 enthält einen Spektral- analysator zur Ermittlung der spektralen Verteilung des von den einzelnen Bragg-Gittern 5 zurück gestreuten Lichtes und eine Recheneinrichtung, welche das Ausmaß der jeweiligen Verschiebung gegenüber einer Referenzlage ermittelt und in eine Temperaturänderung gegenüber einer Referenztemperatur, bei der die spektrale Verteilung die Referenzlage hat, umrechnet. Dies geschieht für jedes einzelne Bragg-Gitter 5, so dass auf diese Weise die Verteilung der Temperatur entlang des gesamten Lichtwellenleiters 7 an den mit Bragg-Gittern 5 versehe ^¬ nen Stellen erhalten wird.

Anhand dieser Temperaturen kann in der Signalverarbeitungseinrichtung 23 die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases ent ^¬ lang des gesamten Lichtwellenleiters 7 an den mit Bragg- Gittern 5 versehenen Stellen bestimmt und daraus das durch den Abgaskanal 2 strömende Abgasvolumen abgeleitet und an der Anzeigeeinheit 24 ausgegeben werden. Die Gesamtquerschnitts ^¬ fläche des Abgaskanals im Bereich der Lichtwellenleiterstruktur 6 ist dabei in Teilflächen um die verschiedenen Bragg- Gitter 5 herum aufgeteilt. Aus der mit einem Bragg-Gitter 5 einer Teilfläche gemessenen Strömungsgeschwindigkeit und der Fläche der Teilfläche kann das durch die Teilfläche strömende Abgasvolumen ermittelt werden. Die Summer der durch sämtliche Teilflächen strömenden Abgas (teil) volumina ergibt dann das vorbeiströmende Gesamtabgasvolumen. Die Genauigkeit kann da- bei noch erhöht werden, wenn die Strömungsgeschwindigkeit zwischen den verschiedenen Messpunkten noch interpoliert wird und somit die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung über den Teilflächen berücksichtigt wird. Es erfolgt somit keine punk ^¬ tuelle, sondern eine über die gesamte Strömungsquerschnitts- fläche verteilte Strömungsmessung. Diese ermöglicht auch bei Querschnittsflächen des Abgaskanals 2 von mehreren Quadratmetern eine hohe Genauigkeit bei der Abgasvolumenbestimmung, ohne dass es zu einer nennenswerten Veränderung des Strömungswiderstandes in dem Abgaskanal 2 kommt. Bei kleinen Querschnittsflächen des Abgaskanals 2 kann dagegen auch bereits ein einziges Bragg-Gitter zu Abgasvolumenbestimmung ausreichend sein, d.h. es ist dann bereits ein einziger Lichtwellenleiter mit nur einem einzigen Bragg-Gitter zur AbgasvolumenbeStimmung ausreichend .

Bei Verwendung von Bragg-Gittern mit gleicher oder im Wesent- liehen gleicher Gitterperiode weist die Signalverarbeitungs ^¬ vorrichtung 23 zusätzlich eine Auswerteelektronik auf, welche die Laufzeit des rückgestreuten Lichts mit veränderter spekt ^¬ raler Intensitätsverteilung erfasst und auswertet. Um eine zeitaufgelöste Messung zu realisieren, kann auf gängige OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) - Technik zurückgegriffen werden, wie sie in der Nachrichtentechnik zur Qualitätsbeurteilung von Signalstrecken verwendet wird.

Statt einer Heizeinrichtung in Form des Röhrchens 8 kann auch eine Kälteeinrichtung verwendet werden, durch die der Lichtwellenleiter 7 und die darin eingearbeiteten Bragg-Gitter 5 mit Kälte beaufschlagbar sind. Als Kältemittel kann bei ^¬ spielsweise ein durch das Röhrchen 8 strömendes Fluid zum Einsatz kommen. Die Bragg-Gitter 5 können dann auf eine Tem- peratur abgekühlt werden, die - ohne das vorbeiströmende Ab ^¬ gas - unterhalb der Temperatur des Abgases liegen würde. Über das an den Bragg-Gittern 5 vorbeiströmende Abgas wird jedoch ein Teil der von der Kälteeinrichtung 19 ausgehenden Kälteleistung abgeleitet. Es wird dabei umso mehr Kälteleistung abgeleitet, je größer die Strömungsgeschwindigkeit des vor ^¬ beiströmenden wärmeren Abgases ist. Auch auf diesem Weg kann anhand der an den Bragg-Gittern gemessenen Temperaturen die Strömungsgeschwindigkeiten bestimmt und daraus in der Signalverarbeitungseinrichtung 23 das Abgasvolumen abgeleitet wer- den.

Besonders vorteilhaft umfasst die Sensoreinheit 11 noch einen Sensor 30 zur Bestimmung der Konzentration eines Schadstoffes, wie z.B. Co2, NOx oder Schwefel in den Abgasen. Der Sen- sor 30 ist ebenfalls mit der Signalverarbeitungsvorrichtung

23 verbunden. Die Signalverarbeitungsvorrichtung 23 dient als Auswerteeinheit, die anhand eines ermittelten Abgasvolumens und eines Messwerts für die Konzentration des Schadstoffes in dem Abgas eine Schadstoffemission der Anlage bestimmt und auf der Anzeigeeinheit 24 ausgibt. Auf diesem Weg kann mit gerin ^¬ gem konstruktivem Aufwand eine Abgasemissionsmessung von stationären und mobilen Anlagen, insbesondere von Schiffen, er- folgen. Die Messung der Konzentration des Schadstoffes in dem Abgas kann entweder punktuell mittels handelsüblicher Messge ^¬ räte oder verteilt (z.B. über Laser-Absorptions-Spektros ^¬ kopie) erfolgen. Der Sensor 30 ist in Strömungsrichtung des Abgases vor der Sensoreinheit 11 angeordnet, so dass Verwir- belungen und Abgasvermischungen im Bereich des Austritts 12 keine Auswirkungen auf die Messergebisse haben.

Vorteilhaft ist es, wenn die von dem Röhrchen 8 abzugebende Wärmeleistung einstellbar ist. Die Wärmeleistung kann in die- sem Fall an die Abgastemperatur so angepasst werden, dass sich in dem Lichtwellenleiter 7 von der Signalverarbeitungseinrichtung 23 sicher detektierbare Temperaturunterschiede einstellen, ohne dass ein unnötiges Übermaß an elektrischer Leistung umgesetzt wird. Die Einstellung kann automatisch er- folgen, indem die von der Stromquelle 25 in die Röhrchen eingespeiste Leistung gesteuert durch die Signalverarbeitungs ^¬ einrichtung 23 ausgehend von einem relativ niedrigen Ausgangswert so lange schrittweise erhöht wird, bis die Signal ^¬ verarbeitungseinrichtung 23 entlang des Lichtwellenleiters 7 eindeutige Temperaturunterschiede feststellt.

Die Auflösung und somit Genauigkeit der Abgasvolumenmessung wird durch die Anzahl der Bragg-Gitter 5 pro Flächeneinheit des Abgaskanals 2 und die Positionen der Bragg-Gitter 5 ent- lang des Lichtwellenleiters 7 vorgegeben und ist durch eine geeignete Auslegung an die Erfordernisse des jeweiligen

Einsatzfalles anpassbar.

Zusätzlich kann aus den ermittelten Strömungsgeschwindigkei- ten auch die Masse des Abgases bestimmt werden. Hierzu muss nur die Dichte des Abgases bestimmt werden. Diese Dichte ent ^¬ spricht in erster Näherung der Dichte von Luft, wobei allerdings die Temperaturabhängigkeit der Dichte berücksichtigt werden muss. Die Abgastemperatur bzw. eine Abgastemperaturverteilung kann sehr einfach ebenfalls anhand des Spektrums des an den Bragg-Gittern 5 der Lichtwellenleiterstruktur 6 zurückgestreuten Lichts bestimmt werden. Dies ist dadurch möglich, dass die Bragg-Gitter 5 für eine vorgegebene Zeit nicht beheizt bzw. gekühlt werden, so dass sie die Temperatur des Abgases aufweisen. Die Signalverarbeitungseinrichtung 23 deaktiviert hierzu für eine vorgegebene Zeit die Stromquelle 25 für das Beheizen des Röhrchens 8.

Die Sensoreinheit 11 ist mit einem Abstand d von einem Aus ^¬ tritt 12 des Abgases in die Umgebung 18 der Einrichtung 1 in dem Abgaskanal 2 angeordnet. Für den Abstand d gilt: D > d > D/10, wobei D der maximale Durchmesser des Austritts 12 ist.

Die Mess- und Auswerteeinheit 20 kann im Bereich des Endes des Abgaskanals 2 außerhalb des Abgaskanals 2 angeordnet oder beispielsweise auch am Fuß des Schornsteins 3 oder in einer Automatisierungszentrale der abgaserzeugenden Einrichtung an- geordnet und über Kabel mit der Sensoreinheit verbunden sein.

Eine im Abgaskanal 2 verteilte Anordnung der Bragg-Gitter mit guter Auflösung kann durch unterschiedliche Lichtwellenlei ^¬ ter- und Röhrchenstrukturen erzielt werden. Beispiele hierfür sind in den FIG 2 bis 6 dargestellt, wobei zur Vereinfachung der Darstellung von der Sensoreinheit 11 jeweils nur die Lichtwellenleiterstruktur 6 und die Bragg-Gitter 5 dargestellt sind, die zugehörigen Röhrchen jedoch weggelassen sind .

Gemäß FIG 2 kann die Lichtwellenleiterstruktur 6 durch einen einzigen Lichtwellenleiter 7 ausgebildet sein, der abwechselnd von einer Seite des Abgaskanals 2 zu einer gegenüber ^¬ liegenden Seite verläuft und somit ein Lichtwellenleiternetz 17 ausbildet. Das Lichtwellenleiternetz 17 weist vorzugsweise Maschen 13 jeweils gleicher Größe auf. Zwischen zwei Maschenknoten ist jeweils genau ein Bragg-Gitter 5 angeordnet. Das Lichtwellenleiternetz 17 weist dabei Maschen 13 mit einer Ma- schenweite W auf, wobei für die Maschenweite W gilt:

D*/3 > W > D*/10, wobei D* der Durchmesser des Schornsteins 3 bzw. Abgaskanals 2 im Bereich des Lichtwellenleiternetzes 17 ist. Hierdurch ist eine gute Auflösung bei der Messung bei einem nur geringen Strömungswiderstand durch das Abgas mög ^¬ lich.

Die Lichtwellenleiterstruktur 6 kann beispielsweise aber auch aus einem einzigen oder mehreren Lichtwellenleitern mit kreisförmigem oder spiralförmigem Verlauf oder aus mehreren sich kreuzenden Lichtwellenleiterabschnitten bestehen.

Zur Erhöhung der Redundanz können statt eines einzigen Röhrchens mit einem einzigen darin enthaltenen Lichtwellenleiter auch zwei benachbart parallel verlaufende Röhrchen mit je ^¬ weils einem darin enthaltenen Lichtwellenleiter oder einziges Röhrchen mit zwei parallel darin verlaufenden Lichtwellenlei ^¬ tern vorhanden sein. Wie in FIG 3 und 4 dargestellt kann die Sensoreinheit 11 von einem Rahmen 14 eingefasst sein, der mittels Befestigungsele ^¬ menten 15 mit einem Abstand d von dem Austritt 12 des Abgases im Inneren des Abgaskanals 2 befestigt ist. Bevorzugt sind die Röhrchen der Sensoreinheit 11 elektrisch von dem Rahmen 14 isoliert in dem Rahmen 14 befestigt. Der Rahmen 14 selbst ist dagegen leitende mit dem Schornstein 3 bzw. Abgaskanal 2 verbunden .

Alternativ kann gemäß FIG 5 der Rahmen 14 im Inneren des Ab- gaskanals 2 auch von einer Halterung 16 gehalten sein, die an dem Ende des Abgaskanals 2 bzw. Schornsteins 3 befestigt ist.

Falls ein Schornstein 3 - wie in FIG 6 gezeigt - mehrere Ab- gasrohre 50 mit jeweils einem Abgaskanal 2 aufweist, kann je- weils eine Sensoreinheit 11 für jedes der Abgasrohre 50 vor ^¬ handen sein. Jeder Sensoreinheit 11 kann dann jeweils eine eigene Mess- und Auswerteeinheit 20 zugeordnet sein, oder sämtlichen Sensoreinheiten 11 ist eine gemeinsame Mess- und Auswerteeinheit 20 zugeordnet.

Der Abstand d der Sensoreinheit 11 von dem Austritt 12 des Abgases kann gemäß FIG 7 zumindest teilweise auch dadurch er ^¬ zielt werden, dass die Sensoreinheit 11 einen Abgasstutzen 31 umfasst, der fest mit dem Rahmen 14 verbunden ist und - wie in FIG 8 gezeigt - gemeinsam mit dem Rahmen 14 auf dem Abgaskanal 2 bzw. Schornstein 3 aufgesetzt ist.

Bevorzugt ist der Rahmen 14 - wie in FIG 9 beispielhaft für die Ausgestaltung der Sensoreinheit 11 gemäß FIG 7 und 8 ge ^¬ zeigt - über ein Befestigungselement 32 an dem Abgaskanal 2 bzw. Schornstein befestigt, wobei der Rahmen 14 über ein Scharnier 33 mit dem Befestigungselement 32 verbunden ist.

Mittels des Scharniers 33 kann dann der Rahmen 14 mitsamt Ab ^¬ gasstutzen 31 vom Auslass 12 des Schornsteins 3 von einer waagrechten Lage in eine vertikale Lage gekippt werden, so dass der Schornstein 3 für Prüfungs- und Reinigungsmaßnahmen zugänglich und eine einfache Wartung der Sensoreinheit 11 möglich ist.

Wie in FIG 10 in einer Draufsicht und in FIG 11 in einem Schnitt entlang der Linie XI-XI von FIG 10 gezeigt, umfasst die Sensoreinheit 11 von Vorteil eine Reinigungsvorrichtung 34 zur Reinigung der äußeren Oberfläche der Röhrchen 8 der Sensoreinheit 11. Die Reinigungsvorrichtung 34 umfasst mehre ^¬ re in dem Rahmen 14 angeordnete Druckluftdüsen 35, die gleichmäßig über den Umfang des Rahmens 14 verteilt angeord- net und über eine Druckluftleitung 36 mit einer Druckluft ^¬ quelle 37 verbunden sind, die in der Mess- und Auswerteeinheit 20 angeordnet ist und beispielsweise von der Signalver ^¬ arbeitungseinrichtung 23 gesteuert wird. Durch einen Druckluftstoß können Abgaspartikel, die sich auf den Röhrchen der Sensoreinheit 11 im Laufe der Zeit, insbesondere im Bereich der Wände des Abgaskanals 2 bzw. Schornsteins 3, ablagern können, entfernt werden. Hierdurch kann eine Erhöhung des Wärmeübergangswiderstandes zwischen dem Abgas und den Bragg- -

Gittern durch an den Röhrchen abgelagerte Abgaspartikel und eine damit einhergehende Beeinflussung der Messergebnisse vermieden werden. Satt mit Druckluft kann die Oberfläche des Röhrchens 8 auch durch einen Stromstoß in dem Röhrchen 8, der eine kurzzeitige starke Temperaturerhöhung des Röhrchens zur Folge hat, oder mechanisch mit Hilfe von Bürsten gereinigt werden. Eine Verschmutzung oder Ablagerung kann durch die Signalverarbeitungseinrichtung 23 über den Zusammenhang zwischen eingespeister elektrischer Heizleistung und gemessener Temperatur der Bragg-Gitter ohne vorbeiströmendes Abgas abge ^¬ leitet werden.

Eine in FIG 12 gezeigte abgaserzeugende Einrichtung 1 in Form eines Schiffes umfasst einen Abgaserzeuger 40 (z.B. eine Verbrennungskraftmaschine oder eine Dampfturbinenanlage) , die über eine Propellerwelle 41 einen Propeller 42 antreibt. Die Abgase des Abgaserzeugers 40 werden einer Abgasreinigungsvorrichtung 43 zugeführt und die gereinigten Abgase über einen Schornstein 3 mit einem darin enthaltenen Abgaskanal an die Umgebung abgegeben. Am Ende des Schornsteins 3 ist eine Sen ^¬ soreinheit 11 einer Vorrichtung zur Abgasvolumenbestimmung angeordnet. Die zugehörige Mess- und Auswerteeinheit 20 be ^¬ findet sich im Inneren des Schiffes und ist über ein Glasfa ^¬ serkabel 45 und ein Stromkabel 46 an die Sensoreinheit 11 an ^¬ geschlossen. Die Mess- und Auswerteeinheit 20 kann bei ^¬ spielsweise in ein übergeordnetes Automatisierungssystem des Schiffes integriert sein.

Eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 48 für den Abgas- erzeuger 40 ist über eine Datenverbindung, hier einen Datennetzwerk 47, mit der Mess- und Auswerteeinheit 20 gekoppelt und empfängt von dieser Messwerte für das Abgasvolumen, die Abgastemperatur und/oder die Schadstoffemission. Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 48 ist derart ausgebildet ist, dass sie den Betrieb des Abgaserzeugers 40 in Abhängigkeit von dem ermittelten Abgasvolumen, der ermittelten Abgastemperatur und/oder der ermittelten Schadstoffemission steuert bzw. regelt und somit den Betrieb des Abgaserzeuger 40 opti- miert. Beispielsweise kann der Abgaserzeuger 40 auf einen Be ^¬ triebspunkt mit minimalem Abgasvolumen und/oder minimaler Schadstoffemission gesteuert oder geregelt werden. An das Datennetzwerk ist außerdem ein Diagnose- und Zustandsüberwa- chungssystem 49 angeschlossen, das ebenfalls die Messwerte für das Abgasvolumen, die Abgastemperatur und/oder die Schadstoffemission empfängt. Das Diagnose- und Zustandsüberwa- chungssystem 49 speichert die Messwerte ab, wertet sie aus und leitet bei Überschreiten von Grenzwerten Gegenmaßnahmen ein. Auch eine Übertragung der Messwerte per Satellitenkommu ^¬ nikation an eine entfernte Überwachungszentrale ist möglich.