AT409039B - Verfahren zur messung der opacität in gasen - Google Patents

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Description


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   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Opazität in Gasen, insbesonders in Abgasen oder in der Atmosphäre, beim oder nahe dem Maximum der Augenempfindlichkeit im grünen Wellenlängenbereich von 550 bis 570 nm Zentralwellenlänge, sowie eine Vorrichtung zur Messung der Opazität in Gasen, insbesonders in Abgasen oder in der Atmosphäre, welches mit einer optischen Filtereinrichtung für den sichtbaren grünen Spektralbereich beim oder nahe dem Maximum der Augenempfindlichkeit von 550 bis 570 nm Zentralwellenlänge im Strahlengang vor zumindest einem optischen Detektor ausgerüstet und mit einer Auswerteelektronik verbindbar oder versehen ist. 



   Bei Opazimetern wird derzeit laut Gesetz oder Norm bei einer Wellenlänge im "grünen Spektralbereich", bei einer Spitzenwellenlänge von 550 bis 570 nm und einem Cutoff von kleiner 4% der Spitzenwerf- Empfindlichkeit der Peakwellenlänge für Transmissionen kleiner 420 nm und grösser 680 nm, gemessen Die Opazität ist dabei als Messung der "Trübung im sichtbaren Spektralbereich der menschlichen Augenempfindlichkeit" definiert. Die Messung in diesem Spektralbereich der "Augenempfindlichkeit" ist bewusst so gewählt, da dadurch die durch Emissionen hervorgerufene Trübung der Atmosphäre bzw. "Smogbildung" überprüft werden sollte. Alternativ wird sehr oft auch der   "k-Wert"   in diesem Spektralbereich als Mass für die Trübung verwendet, wobei die beiden Werte mathematisch durch das Lambert Beer'sche Gesetz ineinander umrechenbar sind. 



  100-Opacität = 100 * EXP(-k*L), mit L= Messzellenlänge, bzw. Messweglänge 
Hauptsächlich werden/wurden durch die Opazitätsmessung die "schwarzen" Russpartikel erfasst, bzw. es wird derzeit in den Gesetzgebungen und gesetzlich vorgeschriebenen Uberprufungen angenommen, dass die Trübung bzw. der k-Wert im grünen Spektralbereich nur durch Russpartikel hervorgerufen wird.

   Bei den derzeit verwendeten Opacimetern mit der Messung der Opazität im "sichtbaren Spektralbereich" bei nur einer definierten Wellenlänge kann also nicht unterschieden werden, ob der Messwert "Opacity" oder k-Wert (m m-1) real durch Russ oder nicht auch durch andere Abgaskomponenten hervorgerufen wird
Bei Motoren können aber in Wirklichkeit auch potentiell Abgaskomponenten (beispielsweise einige Stickstoffverbindungen, insbesondere NO2) auftreten, welche ebenfalls in diesem Spektralbereich absorbieren und eine Trübung hervorrufen können.

   Diese zusätzlichen Komponenten werden bei den herkömmlichen Opazimeter-Systemen fälschlicherweise als "Russ" mitgemessen Bei Motorkonzepten welche in früheren Jahren verwendet wurden war real der durch die Russemission hervorgerufene Anteil an der Opazität dominierend, dies ist aber nicht mehr für die derzeitigen und künftigen Generationen von Motoren gültig. 



   Bei modernen Motorkonzepten, beispielsweise mit CRT (Continuous Regenerating Type) Abgasnachbehandlung, werden Ruf-Partikel grösstenteils katalytisch oxidiert, andererseits wird aber ein Teil der im Abgas vorhandenen NO Konzentrationen durch diese katalytischen Prozesse in NO2 umgewandelt. No2 ist aber eine Gaskomponente, welche im grünen Opazimeter-Spektralbereich ebenfalls absorbiert und als "Russ" mitgemessen wird Andererseits können auch "weisse", nicht absorbierende, Partikel auftreten (beispielsweise Sulfate mit angelagertem Wasser oder auch andere partikelförmige Reaktionsprodukte wie kondensierende Kohlenwasserstoffe), welche durch die Abschwächung des Lichtes infolge einer Lichtstreuung ebenfalls einen Messeffekt hervorrufen können. 



   Ebenso kann mit den Messgeräten, welche im mittleren IR-Bereich messen, eine derartige Diskriminierung nicht durchgeführt werden, insbesondere nicht für Sulfate und für No2 N02 kann in Motorabgasen mittels IR Absorption durch die hohe Querempfindlichkeit mit dem im Abgas vorhandenen Wasserdampf nicht korrekt gemessen werden, bzw das Wasser kann auch nicht für diese Messung mittels einer Gaskühlung entfernt werden, da NO2 in Wasser löslich ist und dabei gleichzeitig mit entfernt wird. Die Messung der N02 Konzentration kann derzeit nur durch Chemo-   luminiszenz   Detektoren (CLD) und dabei aber auch nur indirekt mittels einer Differenzmessung (NOx-NO = NO2) erfolgen. 



   Sulfatpartikel können im IR-Bereich aus ähnlichen Gründen ebenfalls nicht gemessen werden, insbesondere ist eine direkte Messung des durch die Lichtstreuung der Sulfatpartikel hervorgerufenen Anteils der Opazität im sichtbaren Spektralbereich nicht im IR Bereich messbar. Dasselbe gilt auch für die durch nichtabsorbierende aber kondensierte und damit ebenfalls lichtstreuenden 

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 HC-Partikelanteile. 



   Alle derzeit im IR-Bereich vorhandenen Konzepte für die Gesamtpartikelmessung beruhen auf Messungen der HC-Gesamtkonzentrationen (als Gas oder als Gas + Partikel) und Rückrechnungs- Modellen (so auch die Beispiele in der EP 0 094 374 und der EP 0 123 458). Ein Teil der derzeiti- gen für die HC-Partikelberechnung vorhandenen Konzepte beruht auf komplizierten Messungen bei verschiedenen Temperaturen, Filterung des Gases Messung der vorhandenen "gasförmigen" HC-Konzentration und einer Rückkalkulation der Partikelanteile, wie dies in der EP 0 616 205 dargestellt ist. 



   Eine direkte Messung der "Trübung" durch die Lichtstreuung, welche für den sichtbaren grünen Spektralbereich noch mit massgeblich ist, ist aus physikalischen Gründen im IR-Bereich nicht möglich, da durch die Proportionalität des Effektes zur 4ten Potenz des Verhältnisses von Lichtwel- lenlänge zur Partikelgrösse, im IR faktisch keine Lichtstreuung für Partikel aus Motorabgasen vor- handen ist. 



   Eine Rückkalkulation wie sie zumindest bei Messungen der Gesamt-Absorptionsspektren des Abgases im IR (NIR bis FIR) mit schnellen und hochauflösenden FTIR Systemen, welche aber extrem teuer und aufwendig sind, - auch für N02 - theoretisch möglich sein könnte, scheitert letzt- endlich auch an der Tatsache, dass die momentanen dynamischen Verhältnisse, welche beispiels- weise bei der freien Beschleunigung auftreten, und durchaus massgeblich die momentane Zusam- mensetzung der Partikel beeinflussen, nicht aus den erhaltenen Daten rückkalkulierbar sind. Das- selbe gilt auch für Messungen mit Laserdioden, wie etwa in der EP 0 920 285 beschrieben, wobei auch dort nur Russ und HC gemessen werden. 



   Alle derzeitigen Methoden können durch die starken Unterschiede zwischen den Wellenlän- genbereichen "mittleres IR" die im sichtbaren Spektralbereich vorhandenen Bedingungen nicht oder nur sehr unvollständig beschreiben. 



   In der DE 25 57 268 ist ein Verfahren zur Extinktionsmessung beschrieben, das beispielsweise zur Bestimmung der Rauchdichte in Schornsteinen, aber auch zur Messung der Staubkonzentrati- on an Arbeitsplätzen, der Immission in der Umgebung von Kalkwerken und zur Ermittlung der Sichtweite bei Nebel an Autobahnen und auf Flughäfen verwendet werden kann. Dabei wird durch Extinktionsmessung bei zwei verschiedenen Wellenlängen eine Unterscheidung zwischen absor- bierenden und nicht absorbierenden Partikeln möglich gemacht, primär zwischen Russ bzw. Aero- solpartikeln und dampfförmigem Wasser. Dagegen wird nicht ermittelt, in welcher Weise und in welchem Ausmass eine Opazität in einem bestimmten Wellenlängenbereich den Wert für die Opazi- tät in einem anderen Wellenlängenbereich beeinflusst. 



   Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher ein Verfahren, welches in einfacher Art und Weise unter Vermeidung der oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik die Kompo- nenten getrennt bestimmbar macht, welche für die Trübung im sichtbaren Wellenlängenbereich verantwortlich sind, bzw. welches für die Messung der Opazität aufgrund der Ruf-Partikel eine Korrektur durch Berücksichtigung weiterer, sich im sichtbaren Bereich auswirkender Komponenten gestattet. Eine weitere Aufgabe war eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. 



   Zur Lösung der obigen Aufgabe ist das eingangs genannten Verfahren dadurch gekennzeich- net, dass die Opazität zusätzlich auch in zumindest einem zweiten Wellenlängenbereich gemessen wird, welcher sich im Spektralbereich von 200nm bis 2  m befindet und sich mit dem ersten Wellenlängenbereich bestenfalls geringfügig überschneidet. Die Erfindung beruht darauf, dass überraschend festgestellt wurde, dass durch die Verwendung von zumindest einem zusätzlichen Farbfilter und damit Messung in einem weiteren Wellenlängenbereich unterschieden werden kann, welcher Anteil der gemessenen Opazität (oder des k-Wertes) durch beispielsweise die Russpartikel und welcher Anteil durch andere Komponenten, beispielsweise durch Streulicht kleinster, nicht absorbierender Partikel und/oder durch andere lichtabsorbierende Gaskomponenten wie N02 her- vorgerufen wird. 



   Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messwerte von zu- mindest einem zusätzlich verwendeten Wellenlängenbereich automatisch mit dem Messwert des grünen Wellenlängenbereiches verglichen werden, und dass daraus eine Korrektur für den Mess- wert im grünen Wellenlängenbereich errechnet wird. 



   Vorteilhafterweise können auch die Signale aller verwendeten Wellenlängenbereiche automa- tisch miteinander verglichen und daraus automatisch der Signalanteil zumindest einer weiteren, zur 

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 Opazität im grünen Wellenlängenbereich beitragenden Komponente ermittelt werden. 



   Wenn gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung zumindest eine zusätzliche Messung in einem Bereich mit der Zentralwellenlänge von 300 bis 450 nm vorgenommen wird, kann der Anteil der gemessenen Opazität (oder des k-Wertes) der im grünen Spektralbereich durch "weisse", streuende Partikel hervorgerufen wird, festgestellt bzw. kalkuliert werden. Dies ist möglich, da erkannt wurde, dass für die k-Werte die durch Lichtstreuung an kleinen Partikeln hervorgerufenen Effekte proportional der 4-ten Potenz der Lichtwellenlänge sind, während der von der Russ- Absorption hervorgerufene Effekt linear von der Wellenlänge des Filters abhängig ist. 



   Wenn alternativ dazu oder zusätzlich noch zumindest eine zusätzliche Messung in einem Be- reich mit der Zentralwellenlänge von 600 nm bis 2  m vorgenommen wird, können damit der Bei- trag der meisten Gaskomponenten, welche ebenfalls im grünen Spektralbereich einen Messeffekt hervorrufen können, und der durch das Streulicht verursachte Signalanteil ermittelt werden, so dass diese Anteile für die Korrektur des Messwertes im sichtbaren Bereich berücksichtigt werden können und der Beitrag des "Russes" wesentlich genauer ermittelt werden kann. 



   Vorzugsweise liegt dabei die Zentralwellenlänge der zusätzlichen Messung im Bereich von 600 nm bis 1,2   m.   



   Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist beim beschriebenen Verfahren vorgesehen, dass die Messungen in den verschiedenen Wellenlängenbereichen automatisch gesteuert nach- einander ausgeführt werden, so dass ein manueller Eingriff vermieden und die Mess-Serie rasch und einfach durchführbar ist. 



   Noch schneller, wenn auch mit etwas grösserem apparativen Aufwand kann das erfindungsge- mässe Verfahren nach einem der vorhergehenden Absätze durchgeführt werden, wenn die Mes- sungen in allen Wellenlängenbereichen gleichzeitig ausgeführt werden. 



   Die eingangs beschriebene Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist zur Lösung der gestellten Aufgabe dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zumindest eine zweite optische Filtereinrichtung für einen zweiten Wellenlängenbereich vorgesehen ist, dessen Zentralwellenlänge sich im Spektralbereich von 200nm bis 2  m befindet und der sich mit dem ersten Wellenlängenbereich bestenfalls geringfügig überschneidet 
Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik mit einer Schattung oder einem Programm versehen ist, welche(s) die Mess- werte automatisch abfragt und daraus automatisch eine Korrektur für den Messwert im grünen Wellenlängenbereich errechnet. 



   Gemäss einem weiteren Erfindungsmerkmal kann die Auswerteelektronik mit einer Schaltung oder einem Programm versehen sein, welche(s) die Messwerte in allen verwendeten Wellenlän- genbereichen automatisch abfragt und daraus automatisch Werte errechnet, um die Signalanteile zumindest einer für die Opazität im grünen Wellenlängenbereich verantwortlichen Komponente von ebenfalls in diesem Wellenlängenbereich absorbierenden anderen Komponenten zu unterschei- den. 



   Um den Anteil der gemessenen Opazität (oder des k-Wertes), der im grünen Spektralbereich durch "weisse", streuende Partikel hervorgerufen wird, zu bestimmen, ist gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung zumindest eine zusätzliche optische Filtereinrichtung für einen Wellenlän- genbereich mit der Zentralwellenlänge im Bereich von 300 bis 450 nm vorgesehen. 



   Andererseits kann, auch zusätzlich oder alternativ zum eben genannten Merkmal, zumindest eine zusätzliche optische Filtereinrichtung für einen Wellenlängenbereich mit der Zentralwellenlän- ge im Bereich von 600 bis 2   m   vorgesehen sein, wodurch dann der Beitrag der meisten Gaskom- ponenten im grünen Spektralbereich und auch der Beitrag des Streulichts im grünen Spektralbe- reich ermittelt und zur Korrektur des Messwertes auf den durch den Russ hervorgerufenen Beitrag verwendet werden kann. 



   Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die zusätzliche optische Filtereinrichtung für einen Wellenlängenbereich mit der Zentralwellenlänge im Bereich von 600 bis 1,2  m vorgesehen ist. 



   Eine manuelle Betätigung wird vermieden, wenn die optischen Filtereinrichtungen tragende Schieber, Schwenkarme, drehbare Scheiben od. dgl. zum Einschieben oder Einschwenken der oder aller optischen Filtereinrichtungen in den Strahlengang vor dem Detektor vorgesehen sind. 



  Damit ist der Messvorgang gänzlich automatisierbar und auch einfacher und rascher durchführbar als von Hand 

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Vorteilhafterweise kann für einen kompakten und einfachen Aufbau vorgesehen sein, dass eine Blende mit vor den Detektor bewegbaren Öffnungen vorgesehen ist, in welchen Öffnungen die optischen   Filtereinrichtungen   eingesetzt sind. 



   Dabei ist vorzugsweise für den vollautomatischen Betrieb der Vorrichtung eine Antriebseinrich- tung für die Blende vorgesehen und mit der Auswerteelektronik verbunden. 



   Andererseits kann gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen sein, dass paral- lel mehrere Detektoren vorgesehen und mit einer gemeinsamen Auswerteelektronik verbunden sind, wobei im Strahlengang vor jedem Detektor zumindest je eine optische Filtereinrichtung vor- gesehen ist. Damit ist die Messung schneller durchführbar, so dass auch schnell wechselnde Verhältnisse in Echtzeit mitverfolgt werden können. 



   In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausfüh- rungsbeispieles für die Russpartikel-Messung näher erläutert werden. 



   Es konnte festgestellt werden, dass insbesondere bei modernen Motorkonzepten durchaus ein massgeblicher Anteil der "Opazität" durch andere Komponenten ausser Russpartikeln, nämlich insbesondere durch NO2 aber teils auch durch "transparente" nicht absorbierende Partikel, wie Sulfate und an diesen Sulfatpartikeln angelagertes Wasser, stammen kann. 



   Überraschend wurde festgestellt, dass durch die Verwendung zumindest eines weiteren "opti- schen Filters" im sichtbaren Spektralbereich oder auch im nahen Infrarotbereich bis max. ca. 2   (im   die durch diese Komponenten hervorgerufenen Anteile des Messwertes im grünen Spektralbe- reich, d. h. der insgesamt gemessenen Opazität, ermittelt werden können und damit die im grünen Spektralbereich gemessene "Opazität" in die Anteile, welche durch "Russ", durch N02, und durch "Sulfate, oder auch andere kondensierte HC-Partikel" hervorgerufen werden, selektiv aufgetrennt werden kann. 



   Dabei ist von besonderer Bedeutung, dass durch diese erfindungsgemässe Art der Messung im sichtbaren - nicht im mittleren Infrarot-Spektralbereich - erstmals die Möglichkeit besteht, die Kom- ponente N02 und die durch die Trübung von N02 hervorgerufenen Anteile an der Opazität (bzw. dem k-Wert) im grünen "Opazitätsspektralbereich zu selektieren, und auch zusätzlich die durch Sulfat-Partikel (und auch der in diesem Spektralbereich nichtabsorbierenden   HC-Partikel)   verur- sachten Beiträge getrennt zu messen. Es ist damit weiters aber auch die Messung der Konzentra- tion von N02, wenn das Messsystem mittels eines NO2 Kalibriergases kalibriert wird, erstmals direkt möglich. 



   Weiters bietet die neue Erfindung die Möglichkeit, auch für künftige Abgasüberprüfungen den bei der freien Beschleunigung von Motoren emittierten Russanteil und gleichzeitig emittierten NO-2 Anteil getrennt und hochdynamisch zu überprüfen. Bei normalen Leerlaufmessungen oder mit den derzeit verwendeten Opacimetern kann der N02 Ausstoss nicht gemessen werden.

   Die Überprü- fung von Fahrzeugen oder Motoren ist damit mit dem erfindungsgemässen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung sowie der zur Auswertung angewandten Methode wesentlich einfa- cher durchzuführen 
Ein weiterer nicht zu vernachlässigender Vorteil dieser Erfindung ist auch darin zu sehen, dass das verwendete Konzept im Vergleich zu anderen Messkonzepten wie FTIR oder MID NDIR- oder 
Laser-Dioden Messungen wesentlich kostengünstiger und einfacher zu bewerkstelligen ist und zusätzlich die üblichen robusten Hardwarekonzepte für Opazitätsmessgeräte (Vollstrom bis Teil- strom) verwendet werden können. Hintergrund ist, dass die Russpartikel stark absorbieren und durch ihre übliche Grössenverteilung der konzentrationsproportionale k-Wert der Russpartikel linear von der Lichtwellenlänge abhängt. 



   Andererseits absorbieren die meisten Gaskomponenten, welche ebenfalls im grünen Spektral- bereich einen Messeffekt hervorrufen können, im "roten, sichtbaren Spektralbereich" oder auch nahen IR-Bereich nicht mehr oder zumindest wesentlich weniger, ebenso werden im roten Spekt- ralbereich die Effekte durch das Streulicht bereits wesentlich kleiner bzw. vernachlässigbar sein, so dass dort nur mehr "Russ" gemessen wird, und durch einen Formalismus die Anteile getrennt mess- bar sind. 



   Für den Fall, dass ein wesentlicher Anteil der gemessenen Opazität (oder des k-Wertes) im grünen Spektralbereich durch "weisse", streuende Partikel hervorgerufen wird, kann durch Verwen- dung eines alternativen oder zusätzlichen Filters im "blauen oder nahen UV- Bereiche" der dadurch hervorgerufene Effekt ebenfalls diskriminiert werden. Die durch Lichtstreuung an kleinen Partikeln 

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 hervorgerufenen Effekte sind proportional der 4-ten Potenz der Lichtwellenlänge, während, wie bereits oben erwähnt, der von der Russ-Absorption hervorgerufene Effekt linear von der Wellenlänge des Filters abhängig ist. 



   Die Messung der verschiedenen Komponentenanteile kann deshalb dadurch erfolgen, dass der Grünfilter des Messgerätes einerseits - beispielsweise durch einen Schieber manuell, oder auch automatisch, - durch ein Filter im roten (oder auch nahen IR) Spektralbereich und/oder durch ein Filter im blauen Spektralbereich (oder im nahen UV-Bereich) ersetzt wird. Alternativ können auch gleichzeitig zwei oder auch mehrere Detektoren mit verschiedenen spektralen Filtern ausgerüstet sein, oder die Filter nacheinander, beispielsweise durch ein Chopperrad, in den Strahlengang eingebracht werden. Damit kann die Messung in allen Wellenlängenbereichen gleichzeitig oder zumindest schnell hintereinander erfolgen. 



   Im ersteren Fall muss die Auswertung entweder nach der Messung extern oder auch, vorzugsweise programmgesteuert, intern erfolgen. Dabei ist überhaupt die zuerst beschriebene Variante für langzeitig konstante Messungen geeignet, während für schnelle dynamische Messvorgänge die zweite Alternative verwendet werden muss. 



   Durch diverse Umrechnungsalgorithmen können damit aus den zwei oder drei Messwerten, die im grünen, normierten Spektralbereich von Russ oder auch anderen Komponenten verursachten Absorptionsanteile selektiv gemessen werden. Die Konzentration, der k-Wert-Anteil oder auch der Beitrag zur Opazität, welche durch die anderen absorbierenden Komponenten, wie beispielsweise N02 und lichtstreuende Partikel, verursacht sind, kann also damit ausserdem zusätzlich ermittelt werden. Durch dieses Messprinzip und die Auswertung kann damit unterschieden werden, welcher Anteil der im grünen Spektralbereich hervorgerufenen Opazität bzw. des k-Wertes durch Russ, ein Gas wie N02, oder von streuenden Partikeln wie Sulfaten oder HCs hervorgerufen wird. Es können weiters auch die Konzentrationen der gasförmigen Komponenten kalibriert und kalkuliert werden.

   Aus dem korrigierten Opazitäts- oder k-Wert für "Russ" kann ebenfalls die echte Konzentration berechnet bzw. gemessen werden, da der k-Wert direkt proportional der Konzentration von Russ ist. Die Bestimmung der Konzentration der Sulfat- oder HC-Partikelanteile kann mit dieser Methode ebenfalls - zumindest grob - erfolgen, wobei hier selektiv nur die als Partikel anfallenden Konzentrationen berechenbar sind. Durch die vorhandene Variation der Grö-   &num;enverteilung   der rein streuenden Partikel ist die   Messgenauigkeit   der Konzentrationsberechnung nur eingeschränkt möglich. Die Mess- bzw.

   Kalkulationsgenauigkeit des durch diese Partikel hervorgerufenen k-Wert Anteiles in den verschiedenen Spektralbereichen wird aber dadurch nicht eingeschränkt
Bei Verwendung von drei Filtern bei Vorhandensein von drei zu berücksichtigenden Komponenten oder von zwei Filtern und dem Vorhandensein von nur zwei Komponenten ist damit also auch eine Konzentrationsberechnung möglich. 



   Zur Vermeidung von allfälligen   Querempfmdlichkeiten   mussen die zusätzlichen Spektralbereiche, insbesondere im nahen IR Bereich, derart gewählt werden, dass keine oder nur minimalste Absorptionen oder Messeffekte durch den im Messgas vorhandenen Wasserdampf oder C02 Gehalt hervorgerufen werden. 



   Ein derartiges Kalkulationsbeispiel fur Messung und Auswertung wird beispielhaft nachfolgend dargelegt, ebenso wie ein Ausführungsbeispiel für eine erfmdungsgemässe Vorrichtung. Die Fig. 1 zeigt dabei die spektrale Empfindlichkeit für ein beispielhaftes System mit drei Filtern in der Messzelle, Fig. 2 zeigt spektral aufgelöste Messwerte, welche durch Konzentrationen von Russ, streuenden Partikeln und einem absorbierenden Gas hervorgerufen werden, Fig. 3 ist ein schematischer Längsschnitt durch ein erfindungsgemässes Opazimeter, Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch die Lampeneinheit der Fig. 3 in vergrössertem Massstab, Fig. 5 zeigt einen vergrösserten Längsschnitt durch die Detektoreinheit der Fig. 3, die Fig.

   6a und 6b zeigen jeweils eine Draufsicht auf einen Filtereinsatz für ein erfmdungsgemässes Opazimeter und Fig 7 ist eine Draufsicht auf eine Filterplatine für ein derartiges Opazimeter. 



   Das System ist beispielsweise auch für die Gaskomponente N02 kalibrierbar und es kann damit auch der bei der Beschleunigungsphase - beispielsweise der freien Beschleunigung - emittierte N02 Emissionswert zusätzlich zum Russ-Emissionswert hochdynamisch gemessen werden. Die Kalkulation der einzelnen Konzentrationen der verschiedenen Komponenten, oder deren k-Werte bzw. Opazitäten (bei einer bestimmten Wellenlänge) kann durch die Verwendung üblicher mathe- 

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 matischer Matrixfunktionen erfolgen.

   Beispielsweise kann der in den obigen Figuren 1 und 2 dar- gestellte Fall für die drei Filter und die drei Komponenten im grünen Spektralbereich folgenderma- &num;en, beispielsweise für den k-Wert, gelöst werden: 
Die von den drei verschiedenen Filtern gemessenen Werte k-Werte werden mit einer transpo- nierten Kalibriermatrix multipliziert und es können daraus die im grünen Spektralbereich von den einzelnen Komponenten hervorgerufenen Anteile des k-Wertes kalkuliert werden. Diese Kalibrier- matrix ergibt sich teils aus den rein physikalisch/mathematischen Zusammenhängen für Streuung und Absorption. Bei Vorhandensein nichtlinearer Abhängigkeiten, wie für Gase, ist eine   Kalibne-   rung möglich. 



   Werte (Russ, Gas, Streuende Partikel) = Transponierte Kalibrier-Matrix * (Messwerte   (Filter1,   Filter2, Filter3) 
Die Kalibriermatrix ist in diesem Fall eine 3x3 Matrix folgenden Typs : 
KR (F1) KR (F2) KR (F3) 
KG (F1) KG (F2) KG (F3) 
KS (F1) KS (F2) KS (F3) 
KR, KG, KS sind   Kalibnerfaktoren   für Russ, Gas und streuende Partikel. 



   F1, F2 und F3 repräsentieren die drei Filter. 



   Da die Werte in der Kalibriermatrix zumindest teils funktionell zusammenhängen, kann selbst- verständlich auch der k-Wert und/oder die Opazität und und/oder die Konzentration für die Spek- tralbereiche der anderen Filter oder auch für "theoretische Filter", welche nicht verwendet wurden, kalkuliert werden. Allfällige Nichtlinearitäten müssen bei Kalkulationen hierbei aber berücksichtigt werden. 



   Sinnvollerweise soll die Kalibriermatrix als k-Werte-Matrix erstellt werden, da dadurch die kali- brierung des Mess-Systems, das Auftrennen in die verschiedenen Komponentenanteile und die Kalkulationen und Berechnungen von Konzentration, k-Wert und Opazität wesentlich vereinfacht werden können. Die Berechnung von Opazität und Konzentration aus den k-Werte Anteilen kann anhand des Lambert-Beer'schen Gesetzes erfolgen. Es ist zwar auch eine Kalibiermatrix in Opazi- täts- oder Konzentrationseinheiten möglich, allerdings sind dann die sich ergebenden Kalibrierma- trixwerte zumindest teils nichtlineare Funktionen der einzelnen Komponentengrössen und müssen iterativ, abhängig von den Messwerten selbst, angepasst werden. Eine derartige Prozedur erfordert unnötigen Kalibrier- und Berechnungsaufwand. 



   Ein erfindungsgemässes Opazimeter könnte beispielsweise aufgebaut sein, wie dies in den Fig. 3 bis 7 dargestellt ist und nachfolgend erläutert wird. In einem Gehäuse oder Rahmen 1 ist ein Messrohr 2 gelagert. In dieses Messrohr wird über den Anschluss 3 das zu analysierende Gas eingebracht. Gegenüber dem Anschluss 3 ist vorteilhafterweise ein Prallblech 4 vorgesehen. An den beiden Enden des Gehäuses 1 sind Austrittskammern 5 vorgesehen, in welche das Messrohr 2 mündet und welche gegenüber diesen Mündungen mit beheizbaren Fensterelementen 6 abge- schlossen sind. An einer Seite ist nun hinter vorzugsweise einer Blende 7 eine Detektoreinheit mit einem Detektor 8 zur Ermittlung der Intensität des das Messrohr 2 durchquerenden Lichtes einer am gegenüberliegenden Ende des Messrohres 2 befindlichen Lampeneinheit vorgesehen. 



   Die ebenfalls mit einer Blende 7 ausgestattete Lampeneinheit beinhaltet eine oder mehrere 
Lampen 9, vorzugsweise Halogenlampen, sowie zumindest einen weiteren Farbfilter 10, der in einem vorzugsweise automatisch im Strahlengang der Lampeneinheit verschiebbaren Schieber 11 oder einer gleichartigen Einheit eingesetzt ist. 



   Das Gas tritt nach Durchströmen des Messrohres 2 und der Austrittskammern 5 über die Aus- gangsanschlüsse 12 aus der Vorrichtung aus. 



   Der Filtereinsatz 11 für die Aufnahme der verschiedenen Messfilter 10 in den zumindest zwei 
Spektralbereichen ist beispielhaft auf der Seite der Lampeneinheit untergebracht, kann sich aber alternativ selbstverständlich auch auf der Detektorseite befinden. 



   In Fig. 4 ist eine beispielhafte Lampeneinheit in vergrössertem Massstab dargestellt. Zwischen der Fenstereinheit 13 für das elektrisch über die Anschlussbuchse 14 beheizbare Fensterelement 6 und dem Lampengehause 15 ist der automatisch oder manuell betätigbare Schieber 11 (siehe auch Fig. 6b) für die Farbfilter eingesetzt. Im Lampengehäuse 15 sind die Halterung 16 für die 
Halogenlampen 9 sowie die Anschlussbuchse 17 für deren Stromversorgung eingebaut. Anstelle 

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 des in seiner Längsrichtung verschiebbaren Filtereinsatzes 11 kann auch eine Einrichtung mit einem rotierenden Filterrad 18 (siehe Fig. 6a), in welches die Filter 10 eingesetzt sind, verwendet werden 
Eine andere Ausführungsform der Erfindung kann vorsehen, dass die Detektoreinheit mit einer Detektorplatine 19 (siehe Fig. 7) ausgerüstet ist.

   Auf dieser Platine 19 können dann mehrere Detektoren 8 vorhanden sein, vor welche die Farbfilter 10 in den Strahlengang einschwenkbar sind. Es können aber auch zumindest zwei separate Detektor-Farbfilter-Einheiten 20 vorgesehen sein, wobei in diesem Fall eine Anordnung ohne eigenen Filtereinsatz 11 oder Filterrad 18 verwen- det werden kann, was insbesondere für hochdynamische Messungen mit gleichzeitiger Messung in allen Spektralbereichen gleichzeitig vorteilhaft ist. 



   Eine Detektoreinheit mit Detektorplatine 19 ist vergrössert in Fig. 5 dargestellt. Hinter dem be- heizbaren Fensterelement 6 in der Fenstereinheit 13 und einer Linse 21 ist die Detektorplatine 19 montiert und über die Anschlussbuchse 22 durch das Detektorgehäuse 23 hindurch mit der Strom- versorgung und der Auswertelektronik verbunden 
PATENTANSPRÜCHE : 
1. Verfahren zur Messung der Opazität in Gasen, insbesonders in Abgasen oder in der At- mosphäre, beim oder nahe dem Maximum der Augenempfindlichkeit in einem ersten, grü- nen Wellenlängenbereich von 550 bis 570 nm Zentralwellenlänge, dadurch gekennzeich- net, dass die Opazität zusätzlich auch in zumindest einem zweiten Wellenlängenbereich gemessen wird, welcher sich im Spektralbereich von 200nm bis 2   m   befindet und sich mit dem ersten Wellenlängenbereich bestenfalls geringfügig überschneidet.

Claims (1)

  1. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte von zumindest einem zusätzlich verwendeten Wellenlängenbereich automatisch mit dem Messwert des grünen Wellenlängenbereiches verglichen werden, und dass daraus eine Korrektur für den Messwert im grünen Wellenlängenbereich errechnet wird.
    3 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale aller verwendeten Wellenlängenbereiche automatisch miteinander verglichen und dass daraus automatisch der Signalanteil zumindest einer weiteren, zur Opazität im grünen Wellenlangenbereich beitragenden Komponente ermittelt wird.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Opazität zusätzlich zumindest in einem Bereich mit der Zentralwellenlänge von 300 bis 450 nm ge- messen wird.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Opazität zusätzlich zumindest in einem Bereich mit der Zentralwellenlänge von 600 nm bis 2 m gemessen wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralwellenlänge der zu- sätzlichen Messung im Bereich von 600 nm bis 1,2 m liegt.
    7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen in den verschiedenen Wellenlängenbereichen automatisch gesteuert nachein- ander ausgeführt werden.
    8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, durch gekennzeichnet, dass die Messungen in allen Wellenlängenbereichen gleichzeitig ausgeführt werden.
    9. Vorrichtung zur Messung der Opazität in Gasen, insbesonders in Abgasen oder in der Atmosphäre, welche mit einer optischen Filtereinnchtung für den sichtbaren grünen Spek- tralbereich beim oder nahe dem Maximum der Augenempfindlichkeit von 550 bis 570 nm Zentralwellenlänge im Strahlengang vor zumindest einem optischen Detektor (8) ausgerü- stet und mit einer Auswerteelektronik verbindbar oder versehen ist, dadurch gekennzeich- net, dass zusätzlich zumindest eine zweite optische Filtereinrichtung (10) für einen zweiten Wellenlängenbereich vorgesehen ist, dessen Zentralwellenlänge sich im Spektralbereich von 200nm bis 2 m befindet und der sich mit dem ersten Wellenlängenbereich bestenfalls geringfügig überschneidet.
    10 Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik mit <Desc/Clms Page number 8> einer Schaltung oder einem Programm versehen ist, welche(s) die Messwerte automatisch abfragt und daraus automatisch eine Korrektur für den Messwert im grünen Wellenlängen- bereich errechnet.
    11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik mit einer Schaltung oder einem Programm versehen ist, welche(s) die Messwerte in allen ver- wendeten Wellenlängenbereichen automatisch abfragt und daraus automatisch Werte er- rechnet, um die Signalanteile zumindest einer für die Opazität im grünen Wellenlängenbe- reich verantwortlichen Komponente von ebenfalls in diesem Wellenlängenbereich absor- bierenden anderen Komponenten zu unterscheiden.
    12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zusätzliche optische Filtereinrichtung (10) für einen Wellenlängenbereich mit der Zen- tralwellenlänge von 300 bis 450 nm vorgesehen ist.
    13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zusätzliche optische Filtereinrichtung für einen Wellenlängenbereich mit der Zentral- wellenlänge von 600 bis 2 m vorgesehen ist.
    14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zusätzliche optische Filtereinrichtung (10) für einen Wellenlängenbereich mit der Zentralwellenlänge von 600 bis 1,2 m vorgesehen ist.
    15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die opti- schen Filtereinrichtungen (10) tragende Schieber, Schwenkarme, drehbare Scheiben (11, 18) zum Einschieben oder Einschwenken der oder aller optischen Filtereinrichtungen (10) in den Strahlengang vor dem Detektor (8) vorgesehen sind.
    16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Blende (18) mit vor den Detektor (8) bewegbaren Öffnungen vorgesehen ist, in welchen Öffnungen die opti- schen Filtereinrichtungen (10) eingesetzt sind.
    17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebseinrichtung für die Blende (11, 18) vorgesehen und mit der Auswerteelektronik verbunden ist.
    18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass parallel mehrere Detektoren (8,20) vorgesehen und mit einer gemeinsamen Auswerteelektronik verbunden sind, wobei im Strahlengang vor jedem Detektor zumindest je eine optische Fil- tereinrichtung (10, 20) vorgesehen ist.
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