AT2226U1

AT2226U1 - DEVICE FOR TURBIDITY MEASUREMENT

Info

Publication number: AT2226U1
Application number: AT47297U
Authority: AT
Inventors: Wolfgang Dr Schindler; Erich Dr Schiefer; Alfred Dipl Ing Dr Jaschek; Franz Ing Knopf
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1997-07-28
Publication date: 1998-06-25
Also published as: DE19831679C2; DE19831679A1

Abstract

Die im wesentlichen rohrförmige Meßkammer (2) eines Opazimeters ist im Bereich ihrer Enden (6, 7) schwimmend in einem mechanisch und thermisch verwindungssteifen Rahmen (14) gelagert und dazwischen freigestellt. Beleuchtungsanordnung (8) und Sensoranordnung (9) sind beidseits der offenen Enden (6, 7) der Meßkammer (2) am Rahmen (14) angeordnet, wobei jeweils eine rahmenfeste Blende (15) vorgeordnet ist, deren Durchlaßquerschnitt kleiner als der Durchlaßquerschnitt der Meßkammer (2) ist. Auf diese Weise können thermisch bedingte Änderungen der Geometrie der Meßkammer (2) keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben.The essentially tubular measuring chamber (2) of an opacimeter is floatingly supported in the area of its ends (6, 7) in a mechanically and thermally rigid frame (14) and is free between them. Lighting arrangement (8) and sensor arrangement (9) are arranged on both sides of the open ends (6, 7) of the measuring chamber (2) on the frame (14), with a frame-fixed diaphragm (15) being arranged upstream, the passage cross section of which is smaller than the passage cross section of the measuring chamber (2) is. In this way, thermally induced changes in the geometry of the measuring chamber (2) have no influence on the measurement result.

Description

AT 002 226 UlAT 002 226 Ul

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trübungsmessung an partikelbeladenen Gasströmen, insbesonders am Abgas einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit einer in einem Gehäuse angeordneten, im wesentlichen rohrförmigen Meßkammer, die im Bereich ihrer offenen Enden einerseits eine Beleuchtungsanordnung und andererseits eine Sensoranordnung aufweist.The invention relates to a device for measuring turbidity on particle-laden gas streams, in particular on the exhaust gas of a diesel internal combustion engine, with an essentially tubular measuring chamber arranged in a housing, which in the region of its open ends has a lighting arrangement on the one hand and a sensor arrangement on the other hand.

Vorrichtungen der genannten Art sind beispielsweise im Zusammenhang mit Absorptions- oder Extinktionsmessungen von elektromagnetischer Strahlung im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Bereich in verschiedensten Ausführungen bekannt und werden etwa zur quantitativen Abgasanalyse an Fahrzeug-Brennkraftmaschinen routinemäßig verwendet. Beispielhafte Ausführungen sind etwa in der EP-0 586 363 Al oder DE 43 15 152 Al dokumentiert. Derartige Vorrichtungen, bei denen die Extinktion bzw. Trübung von sichtbarem Licht durch feste Partikel im Gasstrom als Meßwert herangezogen wird, werden im allgemeinen als Opazimeter bezeichnet. Diese weisen eine Meßkammer, durch die der partikelbeladene Gasstrom geführt wird, auf. Von der Seite der Beleuchtungsanordnung aus, welche zur Meßkammer hin durch optische Fenster begrenzt wird, sendet eine Beleuchtungsquelle Strahlung durch die Meßkammer zur Sensoranordnung bzw. einem darin enthaltenen Detektor. Weitere Details der Meßanordnung bzw. entsprechender Vorrichtungen nach dem Stande der Technik, wie etwa Spülluftvorhänge zum Sauberhalten der optischen Fenster, optische Filter zum Selektieren von bestimmten Wellenlängen, Linsen zur Bündelung des Lichtstrahles, usw. werden hier und im folgenden der Einfachheit halber nicht angesprochen, da sie für die vorliegende Erfindung unwesentlich sind.Devices of the type mentioned are known in various designs, for example in connection with absorption or extinction measurements of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet range, and are routinely used, for example, for quantitative exhaust gas analysis on vehicle internal combustion engines. Exemplary versions are documented, for example, in EP-0 586 363 A1 or DE 43 15 152 A1. Devices of this type, in which the extinction or turbidity of visible light due to solid particles in the gas stream is used as the measured value, are generally referred to as opacimeters. These have a measuring chamber through which the gas stream laden with particles is guided. From the side of the lighting arrangement, which is delimited towards the measuring chamber by optical windows, an illumination source sends radiation through the measuring chamber to the sensor arrangement or a detector contained therein. Further details of the measuring arrangement or corresponding devices according to the prior art, such as purging air curtains for keeping the optical windows clean, optical filters for selecting specific wavelengths, lenses for focusing the light beam, etc. are not addressed here and below for the sake of simplicity, since they are not essential to the present invention.

Wird beispielsweise saubere, nicht mit Partikeln beladene Luft durch die Meßkammer gesaugt, so wird am Detektor der Sensoranordnung eine bestimmte Intensität I0 registriert (Nullwert). Bei zunehmender Beladung des Gasstromes mit Partikeln sinkt die am Detektor registrierbare Intensität auf I ab, wobei das bekannte Beer-Lambert'sehe Gesetz gilt. Zum Beispiel zur Messung der 2 AT 002 226 UlIf, for example, clean air that is not loaded with particles is sucked through the measuring chamber, a certain intensity I0 is registered at the detector of the sensor arrangement (zero value). With increasing loading of the gas flow with particles, the intensity that can be registered at the detector drops to I, whereby the well-known Beer-Lambert's law applies. For example to measure the 2 AT 002 226 Ul

Rußemmission von Dieselmotoren sind Vorrichtungen der beschriebenen Art seit langem im Einsatz.Soot emissions from diesel engines have been in use for a long time as devices of the type described.

Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen der genannten Art ist insbesonder s der Umstand, daß aufgrund der in den letzten Jahren rapide abnehmenden Rußemission beispielsweise der genannten Dieselmotoren die bekannten bzw. am Markt befindlichen Opazimeter praktisch an ihre Auflösungsgrenze gelangt sind, sodaß bereits kleinste Dejustierungen der gegenseitigen Anordnung von Beleuchtungsanordnung, Meßkammer und Sensoranordnung Auswirkungen auf die Messung haben, die leicht die Auflösungsgrenze der Messung übersteigen. Aus diesem Grunde sind verschiedenste Lösungsansätze dafür bekannt geworden, die gegenseitige geometrische Anordnung von Sensoranordnung, Meßkammer und Beleuchtungsanordnung möglichst so zu gestalten, daß die üblichen Reinigungs- und Wartungsarbeiten zu keiner Dejustierung führen können, was zumindest diesbezügliche Nachteile der beschriebenen Art verhindert.A disadvantage of the known devices of the type mentioned is, in particular, the fact that, due to the rapidly decreasing soot emission, for example of the diesel engines mentioned, the known opacimeters or those on the market have practically reached their resolution limit, so that even the smallest misalignments of the mutual arrangement of lighting arrangement, measuring chamber and sensor arrangement have effects on the measurement which easily exceed the resolution limit of the measurement. For this reason, various approaches have become known for designing the mutual geometric arrangement of the sensor arrangement, measuring chamber and lighting arrangement as far as possible in such a way that the usual cleaning and maintenance work cannot lead to any misalignment, which at least in this regard prevents disadvantages of the type described.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die erwähnten Nachteile der bekannten Anordnungen bezüglich von einer geometrischen Dejustierung der wesentlichen Komponenten herrührenden Meßfehlern vermieden werden und zwar insbesonders auch während des normalen Meßbetriebes, der beispielsweise bei der Messung von heißem Abgas von Brennkraftmaschinen zusätzliche thermische Einflüsse bringt.The object of the present invention is to improve a device of the type mentioned at the outset in such a way that the disadvantages mentioned of the known arrangements with regard to measurement errors resulting from a geometrical misalignment of the essential components are avoided, in particular also during normal measurement operation, for example during measurement of hot exhaust gas from internal combustion engines brings additional thermal influences.

Die vorliegende Erfindung geht von der Überlegung aus, daß beim Durchgang von heißen Gasströmen durch die Meßkammer thermisch bedingte Verformungen auftreten, die bewirken können, daß sich die räumliche Zuordnung von Lichtquelle, Meßkammer und Detektor ändert. Aufgrund dieser thermischen Verformungen ändert sich beispielsweise die Intensität I0 am Detektor selbst dann, wenn partikelfreies, sauberes, aber heißes Abgas durch die Meßkammer gesaugt wird - mit anderen Worten ist in diesem Fall bereits der Nu 11wert des 3 AT 002 226 UlThe present invention is based on the consideration that thermally induced deformations occur when hot gas flows pass through the measuring chamber, which deformations can cause the spatial assignment of the light source, measuring chamber and detector to change. Due to these thermal deformations, the intensity I0 on the detector changes, for example, even when particle-free, clean, but hot exhaust gas is drawn through the measuring chamber - in other words, in this case the nu value of 3 AT 002 226 Ul is already

Opazimeters thermisch nicht stabil. Zur Veranschaulichung dazu ein kleines Rechenbeispiel: Bei einer Entfernung zwischen Lichtquelle und Detektor von beispielsweise 500 mm und einem Durchmesser der Meßkammer von 10 mm ändert sich bereits bei einer leichten Durchbiegung der Meßkammer, so daß die Projektion der einen Seite auf die andere Seite sich um nur 0,05 mm (10'4 relativ zur Länge) ändert, die lichte Weite für das Strahlenbündel zwischen Lichtquelle und Detektor derart, daß die am Detektor feststellbare Intensität I0 um ca. 0.9% abnimmt. Eine derartige Instabilität ist nicht akzeptabel, wenn man bedenkt, daß für moderne Meßtechnikaufgaben (z.B. in der eingangs bereits angesprochenen Dieselmotor-Emmissionstechnik) Meßauflösungen von 0,1% und darunter gefordert werden.Opacimeters not thermally stable. To illustrate this, a small calculation example: With a distance between the light source and detector of, for example, 500 mm and a diameter of the measuring chamber of 10 mm, a slight deflection of the measuring chamber changes, so that the projection from one side to the other is only about 0.05 mm (10'4 relative to the length) changes the clear width for the beam between the light source and the detector such that the intensity I0 ascertainable at the detector decreases by approximately 0.9%. Such instability is unacceptable when you consider that measurement resolutions of 0.1% and below are required for modern measurement technology tasks (e.g. in the diesel engine emission technology already mentioned at the beginning).

Ausgehend von diesen Überlegungen wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Vermeidung der beschriebenen Nachteile so ausgebildet, daß die Meßkammer im Bereich ihrer Enden schwimmend in einem mechanisch und thermisch verwindungssteifen Rahmen gelagert und dazwischen freigestellt ist, daß Beleuchtungsanordnung und Sensoranordnung am Rahmen angeordnet sind, und daß zwischen Beleuchtungsanordnung und Sensoranordnung einerseits und dem zugehörigen Meßkammer-Ende andererseits jeweils eine Blende am Rahmen angeordnet ist, deren Durchlaßquerschnitt kleiner als der Durchlaßquerschnitt der Meßkammer ist. Der stabile Rahmen für die Meßkammer ist naturgemäß selbst keinen größeren thermischen Schwankungen ausgesetzt, womit die Zuordnung der beiden endseitigen, das Strahlenbündel begrenzenden Blenden zueinander stabil ist und die lichte Weite des Strahlenbündels beeinflussende Verschiebungen nicht auftreten können. Der zu messende partikelbeladene Gasstrom, z.B. das Dieselabgas, wird in der Meßkammer geführt, deren Querschnitt größer als der Querschnitt der begrenzenden Blenden ist, wobei die Meßkammer zwischen den endseitigen Lagerungen sich relativ zum stabilen Rahmen durchaus thermisch oder mechanisch bedingt in Grenzen bewegen bzw. verformen oder verbiegen kann, ohne daß es zu einem 4 AT 002 226 UlBased on these considerations, a device of the type mentioned at the outset is designed to avoid the disadvantages described in such a way that the measuring chamber is floating in the area of its ends in a mechanically and thermally rigid frame and is free in between that lighting arrangement and sensor arrangement on the frame are arranged, and that between the lighting arrangement and sensor arrangement on the one hand and the associated measuring chamber end on the other hand, an aperture is arranged on the frame, the passage cross section is smaller than the passage cross section of the measuring chamber. The stable frame for the measuring chamber is of course not itself exposed to major thermal fluctuations, so that the assignment of the two end-facing diaphragms delimiting the beam is stable to one another and displacements affecting the clear width of the beam cannot occur. The particle-laden gas stream to be measured, e.g. the diesel exhaust gas is guided in the measuring chamber, the cross-section of which is larger than the cross-section of the restricting orifices, the measuring chamber being able to move, deform or bend within limits, thermally or mechanically, within limits, relative to the stable frame, without it to a 4 AT 002 226 Ul

Einfluß auf das Strahlenbündel zwischen Lichtquelle und Detektor kommen könnte.Influence on the beam between the light source and detector could come.

Es ist natürlich klar, daß bei der beschriebenen, erfindungsgemäßen Ausgestaltung bezüglich beispielsweise der Zuleitung des zu messenden par-tikelbeladenen Gasstromes zur Meßkammer darauf geachtet werden muß, daß diese nicht in unerwünschter Weise wiederum Einfluß auf die Meßgeometrie nimmt - da die Position bzw. .allfällige leichte Bewegungen dieser Zuführung aber für derartige Messungen problemlos sind, kann diesbezüglich aber keine nachteilige Einlußnahme auf das Meßergebnis erwartet werden.It is of course clear that in the described embodiment according to the invention with regard to, for example, the supply of the particle-laden gas stream to be measured to the measuring chamber, care must be taken that this does not in turn have an undesirable influence on the measuring geometry - since the position or slight movements of this feed are problem-free for such measurements, however, no adverse influence on the measurement result can be expected in this regard.

Die Erfindung wird im folgenden noch anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungen näher erläutert. Fig. 1 zeigt dabei eine beispielhafte Anordnung nach dem Stande der Technik und Fig. 2 ein schematisches Beispiel für eine Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.The invention is explained in more detail below with reference to the embodiments shown schematically in the drawing. Fig. 1 shows an exemplary arrangement according to the prior art and Fig. 2 shows a schematic example of a device according to the present invention.

Das nach dem bekannten Stande der Technik ausgebildete Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Trübungsmessung an partikelbeladenen Gasströmen, beispielsweise am Abgas einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit einer in einem Gehäuse 1 (hier nur schematisch mit strichpunktierter Linie angedeutet) angeordneten, im wesentlichen rohrförmigen Meßkammer 2, die in ihrem Mittenbereich 3 eine einmündende Zuführleitung 4 für das entlang des Pfeiles 5 von außen her, beispielsweise vom Auspuff der Brennkraftmaschine, zugeführte zu messende Abgas, und im Bereich ihrer offenen Enden 6, 7 einerseits eine Beleuchtungsanordnung 8 und andererseits eine Sensoranordnung 9 aufweist. Das die Meßkammer 2 von der mittleren Zuführleitung 4 her nach beiden Seiten hin durchströmende, zu messende Abgas strömt bei der beispielhaften Anordnung nach Fig. 1 über Ausströmleitungen 10 an den Enden 6, 7 der Meßkammer 2 wieder ab, wobei der Eintritt in die Beleuchtungsanordnung 8 bzw. Sensoranordnung 9 mittels optischer Fenster 11 verhindert ist. Maßnahmen zur Verhinderung von Partikelanlagerungen an diesen Fenstern 11 sind in der vereinfachten schematischen Darstellung ebenso nicht eingezeichnet wie etwa 5 AT 002 226 UlThe embodiment according to FIG. 1, which is designed according to the known prior art, shows a device for measuring turbidity on particle-laden gas streams, for example on the exhaust gas of a diesel internal combustion engine, with an essentially tubular one arranged in a housing 1 (only indicated schematically here with a dash-dotted line) Measuring chamber 2, which in its central area 3 has an opening supply line 4 for the exhaust gas to be measured, which is supplied from outside, along the arrow 5, for example from the exhaust of the internal combustion engine, and in the region of its open ends 6, 7 on the one hand a lighting arrangement 8 and on the other hand a sensor arrangement 9 has. The exhaust gas to be measured flowing through the middle supply line 4 from both sides of the measuring chamber 2 flows out again in the exemplary arrangement according to FIG. 1 via outlet lines 10 at the ends 6, 7 of the measuring chamber 2, the entry into the lighting arrangement 8 or sensor arrangement 9 is prevented by means of optical windows 11. Measures to prevent particle deposits on these windows 11 are also not shown in the simplified schematic illustration, such as 5 AT 002 226 Ul

Umschaltventile zur Ermöglichung einer Spülung und Kalibrierung der Meßkammer 2 und dergleichen.Switching valves to enable flushing and calibration of the measuring chamber 2 and the like.

Um eine möglichst unveränderliche Geometrie der relevanten Bauteile im Strahlengang zwischen Lichtquelle 12 der Beleuchtungsanordnung 8 und Detektor 13 der Sensoranordnung 9 sicherzustellen, ist bei der beispielhaften Anordnung nach Fig. 1 (Stand der Technik) vorgesehen, daß Sensoranordnung 9 und Beleuchtungsanordnung 8 fest mit der Meßkammer 2 verbunden, vorzugsweise einstückig ausgeführt sind. Diese starre gegenseitige Anordnung kann die erwünschten gleichbleibenden geometrischen Verhältnisse allerdings nur bei nicht mechanisch oder thermisch auf Durchbiegung oder sonstige Verformung belasteter Meßkammer 2 sicherstellen. Wenn beispielsweise heißes Verbrennungsabgas einer Brennkraftmaschine die Meßkammer 2 durchströmt, so wird zufolge der thermischen Dehnung der Meßkammer 2 diese versuchen, aus der starren Einspannung zwischen Beleuchtungsanordnung 8 und Sensoranordnung 9 irgendwie auszuweichen, was normalerweise zu einer Durchbiegung oder ähnlichen Verformungen führt. Da dies mit einer gegenseitigen Verschiebung der den Strahlquerschnitt insgesamt bestimmenden Bauteile einhergeht, werden dabei auf eingangs bereits beschriebene Weise Meßwertverfälschungen ausgelöst, die insbesonders im Zusammenhang mit sehr niedrigen zu messenden Trübungswerten nicht mehr tolerierbar sind.In order to ensure that the relevant components in the beam path between the light source 12 of the lighting arrangement 8 and the detector 13 of the sensor arrangement 9 are as unchangeable as possible, in the exemplary arrangement according to FIG. 1 (prior art) it is provided that the sensor arrangement 9 and the lighting arrangement 8 are fixed to the measuring chamber 2 connected, are preferably made in one piece. This rigid mutual arrangement can, however, only ensure the desired constant geometrical relationships when the measuring chamber 2 is not mechanically or thermally loaded due to deflection or other deformation. If, for example, hot combustion exhaust gas from an internal combustion engine flows through the measuring chamber 2, the thermal expansion of the measuring chamber 2 will attempt to somehow escape from the rigid clamping between the lighting arrangement 8 and the sensor arrangement 9, which normally leads to deflection or similar deformations. Since this is accompanied by a mutual displacement of the components determining the beam cross-section as a whole, falsifications of measurement values are triggered in the manner already described at the beginning, which are no longer tolerable, in particular in connection with very low turbidity values to be measured.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nun die Meßkammer 2 im Bereich ihrer Enden 6, 7 schwimmend in einem mechanisch weitgehend verwindungssteifen Rahmen 14 gelagert und dazwischen freigestellt, sodaß beispielsweise wiederum entlang des Pfeiles 5 bzw. der Zuführleitung 4 im Mittenbereich 3 einströmendes und zu den Enden 6, 7 hin abströmendes, heißes Abgas allenfalls nur mehr mittig eine leichte Durchbiegung der rohrförmigen Meßkammer 2 hervorrufen kann.In the example of a device according to the invention shown in FIG. 2, the measuring chamber 2 is now floating in the area of its ends 6, 7 in a mechanically largely torsion-resistant frame 14 and is free between them, so that, for example, again along the arrow 5 or the feed line 4 in the middle area 3 flowing in and flowing out to the ends 6, 7, hot exhaust gas can only cause a slight deflection of the tubular measuring chamber 2 in the center.

Beleuchtungsanordnung 8 und Sensoranordnung 9 sind hier nun am stabilen Rahmen 14 angeordnet, wobei jeweils zwischen Beleuchtungsanordnung 8 und 6 AT 002 226 UlLighting arrangement 8 and sensor arrangement 9 are now arranged here on the stable frame 14, with each of the lighting arrangement 8 and 6 AT 002 226 Ul

Sensoranordnung 9 einerseits und dem zugehörigen Meßkammer-Ende 6, 7 andererseits zusätzlich zum Fenster 11 eine Blende 15 am Rahmen 14 angeordnet ist, deren mittiger Durchlaßquerschnitt kleiner als der Durchlaßquerschnitt der Meßkammer 2 ist - beispielsweise kann das Verhältnis von Durchmesser der Meßkammer 2 (welche hier innen mit Rillen bzw. Aufrauhungen zur Verringerung von Reflexionen des Meßstrahles versehen ist) zum freien Durchmesser der Blenden 15 im Bereich von 1,2:1 bis 2:1 liegen.Sensor arrangement 9 on the one hand and the associated measuring chamber end 6, 7 on the other hand, in addition to the window 11, an aperture 15 is arranged on the frame 14, the central passage cross section of which is smaller than the passage cross section of the measuring chamber 2 - for example, the ratio of the diameter of the measuring chamber 2 (which here is provided on the inside with grooves or roughening to reduce reflections of the measuring beam) for the free diameter of the diaphragms 15 in the range from 1.2: 1 to 2: 1.

Da hier der freie optische Strahlweg zwischen Lichtquelle 12 und Detektor 13 vorrangig von den Blenden 15 begrenzt ist, ist leicht einzusehen, daß die oben angesprochene, unter thermischen Einflüssen mögliche mittigeSince here the free optical beam path between light source 12 and detector 13 is primarily limited by the diaphragms 15, it is easy to see that the above-mentioned central one which is possible under thermal influences

Bewegung der Meßkammer 2 keinen Einluß auf die am Detektor 13 feststellbareMovement of the measuring chamber 2 has no influence on the ascertainable at the detector 13

iSiS

Intensität haben kann, da dadurch keinerlei zusätzliche Beeinfluj^ng des Strahlweges erfolgt. Es kann auf diese einfache Weise also weitgehend ausgeschlossen werden, daß allein der Umstand, daß die zu messenden Gasströme heiß sind, verfälschende Auswirkungen auf die Messung haben kann. 7Can have intensity, since this does not have any additional influence on the beam path. In this simple way it can be largely ruled out that the mere fact that the gas flows to be measured are hot can have falsifying effects on the measurement. 7

Claims

AT 002 226 Ul Claim: 1. Device for measuring turbidity on particle-laden gas flows, in particular on the exhaust gas of a diesel internal combustion engine, with an essentially tubular measuring chamber (2) arranged in a housing (1), which in the region of its open ends ( 6, 7) on the one hand has a lighting arrangement (8) and on the other hand has a sensor arrangement (9), characterized in that the measuring chamber (2) in the region of its ends (6, 7) floating in a mechanically and thermally rigid frame (14 ) is mounted and in between is free that the lighting arrangement (8) and sensor arrangement (9) are arranged on the frame (14), and that between the lighting arrangement (8) and sensor arrangement (9) on the one hand and the associated measuring chamber end (6r 7) on the other hand an aperture (15) is arranged on the frame (14), the passage cross section of which is smaller than the passage cross section of the measuring chamber (2). 8th