AT518184B1 - Sample gas removal device - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Analyse von Messgas und ein Verfahren zu deren betreiben, insbesondere zur Analyse von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine welches Druck- und Partikelkonzentrationsänderungen unterliegt, wobei zur Führung des Messgases zumindest eine Messgasleitung (2) und zur Bestimmung zumindest einer Eigenschaft des Messgases zumindest eine, mit der Messgasleitung verbundene Analyseeinheit (3) vorgesehen ist. Dabei ist in der Messgasleitung (2) ein Expansionsvolumen (4) in Form einer Kammerförmigen Erweiterung der Messgasleitung (2) vorgesehen, aus welchem zumindest ein Teil des Messgases der zumindest einen Analyseeinheit (3) zuführbar ist, wobei eine Pumpe (5) mit dem Expansionsvolumen (4) verbunden ist, mittels welcher im Expansionsvolumen (4) ein zumindest annähernd konstantes Druckniveau gehalten ist und im Expansionsvolumen (4) zumindest ein Drucksensor (6) vorgesehen ist, welcher mit einer Regeleinheit (7) verbunden ist. Diese ist zur Regelung der Pumpe (5), in Abhängigkeit des vom Drucksensor (6) bestimmten Druckniveaus, mit der Pumpe (5) verbunden.The present invention relates to a device (1) for the analysis of measurement gas and a method for their operation, in particular for the analysis of exhaust gas of an internal combustion engine which undergoes pressure and particle concentration changes, wherein for guiding the measurement gas at least one sample gas line (2) and for determining at least one Property of the measuring gas is provided at least one, connected to the sample gas line analysis unit (3). In this case, an expansion volume (4) in the form of a chamber-shaped extension of the sample gas line (2) is provided in the sample gas line (2) from which at least a portion of the sample gas of the at least one analysis unit (3) can be fed, wherein a pump (5) with the Expansion volume (4) is connected, by means of which in the expansion volume (4) an at least approximately constant pressure level is maintained and in the expansion volume (4) at least one pressure sensor (6) is provided which is connected to a control unit (7). This is to control the pump (5), in dependence of the pressure sensor (6) certain pressure levels, connected to the pump (5).
Description
Beschreibungdescription
MESSGAS ENTNAHMEEINRICHTUNGMEASURING GAS DISTRIBUTION DEVICE
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von Messgas, insbesondere von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, welches Druck- und Partikelkonzentrationsänderungen unterliegt. Dabei ist zur Führung des Messgases zumindest eine Messgasleitung und zur Bestimmung zumindest einer Eigenschaft des Messgases zumindest eine, mit der Messgasleitung verbundene Analyseeinheit vorgesehen.The present invention relates to a method and apparatus for the analysis of measurement gas, in particular of exhaust gas of an internal combustion engine, which is subject to pressure and particle concentration changes. In this case, at least one sample gas line is provided for guiding the sample gas, and at least one analysis unit connected to the sample gas line is provided for determining at least one property of the sample gas.
[0002] Sowohl für mobile Anwendungen als auch auf Prüfständen, oder in Werkstätten, werden Auswerteeinrichtungen, z.B. Partikelmessgeräte genutzt, durch welche z.B. die Anzahl, Größe, Masse von Partikeln im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine ausgewertet bzw. analysiert werden sollen. Derartige Analysen sind beispielsweise im Zuge regelmäßiger Prüfungen von in Gebrauch stehenden Verbrennungskraftmaschinen erforderlich, beispielsweise im Rahmen der wiederkehrenden Begutachtung von Kraftfahrzeugen. Selbstverständlich nehmen entsprechende Abgasanalysen auch im Zuge der Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen hohen Stellenwert ein. Derartige Analysen werden natürlich auch im Zusammenhang mit Kaminen, Rauchfängen und unterschiedlichsten Verbrennungsanlagen durchgeführt.Both for mobile applications as well as on test benches, or in workshops, evaluators, e.g. Particle measuring devices used by which e.g. the number, size, mass of particles in the exhaust gas of an internal combustion engine to be evaluated or analyzed. Such analyzes are required, for example, in the course of regular testing of internal combustion engines in use, for example in the context of the periodic inspection of motor vehicles. Of course, appropriate exhaust gas analyzes also take high priority in the development of internal combustion engines. Of course, such analyzes are also carried out in connection with chimneys, flues and various incinerators.
[0003] Problematisch ist, dass eine Analyse bei hochdynamischen Veränderungen im Abgas bzw. im Messgas, also beispielsweise bei entsprechenden Schwankungen bezüglich Druck-und Partikelkonzentration, oftmals nicht zufriedenstellend möglich ist. Als hochdynamisch werden in diesem Zusammenhang in der Regel Änderungen oder Schwankungen in Zeiträumen der Größenordnung 0,1 bis 1 Sekunden bezeichnet. Dazu ist anzumerken, dass viele der verwendeten Analysegeräte auf Druckschwankungen an deren Eingangsseite, wo also Messgas zur Analyse zugeführt wird, sehr empfindlich reagieren. In den oftmals verwendeten Verdünnungsstufen, welche das entnommene Abgas vor der eigentlichen Analyse verdünnen, kommt es in Folge der Druckschwankungen zur Schwankungen in der Verdünnungsrate und somit zu fehlerhaften Messergebnissen bei der Analyse des Messgases. Weiters ist bei derartigen Partikelmesssystemen üblich Blenden zur Druckreduzierung zu nutzen, da das Druckniveau an jener Stelle, an welcher das Abgas entnommen wird, beispielsweise am Auspuff eines Kraftfahrzeuges, für die Mess- bzw. Analysegeräte oftmals zu hoch ist, um die genauen Messanforderungen zu erfüllen.The problem is that an analysis with highly dynamic changes in the exhaust gas or in the sample gas, that is, for example, with corresponding fluctuations in pressure and particle concentration, often not satisfactory. In this context, changes or fluctuations in periods of the order of magnitude of 0.1 to 1 seconds are usually referred to as highly dynamic. It should be noted that many of the analyzers used are very sensitive to pressure fluctuations on their input side, ie where sample gas is added for analysis. In the often used dilution stages, which dilute the exhaust gas taken before the actual analysis, fluctuations in the dilution rate and thus erroneous measurement results in the analysis of the sample gas occur as a result of the pressure fluctuations. Furthermore, in such particle measuring systems conventional diaphragms are to be used for pressure reduction, since the pressure level at the point at which the exhaust gas is removed, for example, at the exhaust of a motor vehicle, for the measuring or analysis equipment is often too high to meet the exact measurement requirements ,
[0004] Einen entsprechenden Aufbau zeigt beispielsweise die EP 0 967 481 A2, wobei mittels einer konstant laufenden Vakuumpumpe das zu analysierende Abgas durch einen Analysator gefördert wird. Um ein möglichst konstantes Druckniveau für die Analyse im Analysator gewährleisten zu können, ist im Leitungssystem, über welches das Abgas dem Analysator zugeführt wird, ein Druckregler vorgesehen, der die Regelung durch das Zuführen von Fehlluft durchführt. Nachteilig ist dabei jedoch, dass Änderungen in der Partikelkonzentration, während einer schnellen Druckänderung vom nachfolgenden Analysesystem nur verzögert oder verzerrt erfasst werden. Ein weiteres Problem ergibt sich dadurch, dass bei der Entnahme des Messgases, beispielsweise aus einem Auspuffrohr einer Verbrennungskraftmaschine, an der Entnahmestelle üblicherweise hohe Gegendrücke auftreten. Mess- bzw. Analysegeräte arbeiten jedoch, wie bereits erwähnt, bei einem wesentlich geringeren Druckniveau. Zur Druckreduzierung werden, wie üblich, entsprechende Blenden genutzt. Diese führen aber dazu, dass dynamische Vorgänge, wie beispielsweise Druckschwankungen, entsprechend verzerrt werden. Außerdem ist das durch Blenden reduzierte Druckniveau oftmals weiterhin zu hoch, um eine optimale Funktion der genutzten Analysegeräte zu gewährleisten.A corresponding structure, for example, shows the EP 0 967 481 A2, wherein by means of a constantly running vacuum pump, the exhaust gas to be analyzed is conveyed through an analyzer. In order to be able to ensure the most constant possible pressure level for the analysis in the analyzer, a pressure regulator is provided in the line system, via which the exhaust gas is supplied to the analyzer, which performs the control by the supply of incorrect air. The disadvantage here, however, that changes in the particle concentration during a rapid change in pressure from the subsequent analysis system are detected only delayed or distorted. Another problem arises from the fact that when removing the sample gas, for example from an exhaust pipe of an internal combustion engine, usually at the discharge point high back pressures occur. However, as already mentioned, measuring and analyzing devices operate at a much lower pressure level. To reduce the pressure, as usual, appropriate panels are used. However, these lead to dynamic processes, such as pressure fluctuations, being distorted accordingly. In addition, the reduced blast pressure level is often still too high to ensure optimal performance of the used analyzers.
[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst repräsentative Entnahme von Analysegas zu ermöglichen.Object of the present invention is to allow the most representative possible removal of analysis gas.
[0006] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in der Messgasleitung ein Expansionsvolumen in Form einer kammerförmigen Erweiterung der Messgasleitung vorgesehen ist. Aus dem Expansionsvolumen ist das Messgas der zumindest einen Analyseeinheit zuführbar. Weiters ist eine Pumpe mit dem Expansionsvolumen verbunden, mittels welcher im Expansionsvolumen ein zumindest annähernd konstantes Druckniveau gehalten wird. Im Expansionsvolumen ist zumindest ein Drucksensor vorgesehen, welcher mit einer Regeleinheit verbunden ist. Zur Regelung der Pumpe, in Abhängigkeit des vom Drucksensor bestimmten Druckniveaus, ist die Regeleinheit mit der Pumpe verbunden. Unter einem Expansionsvolumen wird in der vorliegenden Offenbarung ein Bereich mit einem Querschnitt bzw. einer Querschnittsfläche verstanden, der bzw. die gegenüber der Messgasleitung vor oder nach dem Expansionsvolumen, insbesondere stromaufwärts des besagten Bereichs, vergrößert ist. In einer Variante der Erfindung ist der Querschnitt bzw. die Querschnittsfläche des Expansionsvolumens doppelt so groß wie der Querschnitt der Messgasleitung. Bei einer hohen Dynamik und kleinen Flussraten des Messgases kann auch ein kleinerer Querschnitt des Expansionsvolumens günstig sein. Die Nutzung eines Expansionsvolumens erlaubt bei gleichzeitiger Druckreduzierung eine entsprechende Durchmischung des Messgases, wodurch Inhomogenitäten reduziert bzw. vermieden werden. Wird das zu analysierende Messgas aus dem Expansionsvolumen entnommen und der Analyseeinheit zugeführt, stellt das zur Analyse zugeführte Messgas eine für das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine repräsentative Probe beispielsweise hinsichtlich der Partikelverteilung dar. Da das Druckniveau direkt im Expansionsvolumen bestimmt wird und in Abhängigkeit dessen, jene Pumpe geregelt wird, welche für ein konstantes Druckniveau sorge trägt, ergibt sich ein kompakter Regelkreis, mittels welchem auf dynamische Druckschwankungen bestmöglich reagiert werden kann. Insbesondere bei schnellen und starken Druckschwankungen (ab 2 bar/s) des Messgases bzw. schnellen und starken Änderungen der Partikelkonzentration im Messgas zeigt sich diese Realisierung vorteilhaft. Es ist jedoch auch eine Anwendung bei weitaus geringeren und weniger dynamischen Schwankungen des Drucks möglich, beispielsweise bei Rauchfängen, Kesseln oder Heizwerken.This object is achieved in that an expansion volume in the form of a chamber-like extension of the sample gas line is provided in the sample gas line. From the expansion volume, the measurement gas can be fed to the at least one analysis unit. Furthermore, a pump is connected to the expansion volume, by means of which an at least approximately constant pressure level is maintained in the expansion volume. In the expansion volume, at least one pressure sensor is provided, which is connected to a control unit. To regulate the pump, depending on the pressure level determined by the pressure sensor, the control unit is connected to the pump. An expansion volume in the present disclosure is understood to mean an area with a cross-section or a cross-sectional area which is enlarged in relation to the sample gas line before or after the expansion volume, in particular upstream of the said area. In a variant of the invention, the cross-section or the cross-sectional area of the expansion volume is twice as large as the cross section of the sample gas line. With a high dynamics and small flow rates of the sample gas, a smaller cross-section of the expansion volume can also be favorable. The use of an expansion volume allows simultaneous mixing of the sample gas while reducing pressure, thereby reducing or avoiding inhomogeneities. When the sample gas to be analyzed is taken out of the expansion volume and supplied to the analysis unit, the sample gas supplied for analysis represents a sample representative of the exhaust gas of an internal combustion engine, for example, in terms of particle distribution. Since the pressure level is determined directly in the expansion volume and regulated as a function of that pump which is responsible for a constant pressure level, results in a compact control loop, by means of which it is possible to respond to dynamic pressure fluctuations in the best possible way. Particularly in the case of rapid and strong pressure fluctuations (from 2 bar / s) of the measuring gas or rapid and strong changes in the particle concentration in the measuring gas, this realization is advantageous. However, it is also an application with much smaller and less dynamic fluctuations in pressure possible, for example, in chimneys, boilers or heating plants.
[0007] Um Kondensation zu verhindern, kann zudem eine Beheizung des Expansionsvolumens vorgesehen sein. Damit kann ein Kondensieren des Messgases verhindert werden, was z.B. durch Abkühlung des Messgases bei der Ausdehnung in das Expansionsvolumen auftreten kann. Die Beheizung kann dabei auf verschiedene Arten, beispielsweise Heizschlangen an der Außen- oder Innenseite des Expansionsvolumens oder Anordnung des Expansionsvolumens innerhalb eines beheizten, abgeschlossenen Bereichs erfolgen.In order to prevent condensation, also a heating of the expansion volume can be provided. Thus, condensation of the measurement gas can be prevented, which is e.g. can occur by cooling the sample gas during expansion into the expansion volume. The heating can take place in various ways, for example heating coils on the outside or inside of the expansion volume or arrangement of the expansion volume within a heated, closed area.
[0008] Vorteilhaft ist vorgesehen, dass zur Bestimmung des Druckniveaus an einer Entnahmestelle, an welcher das Messgas der Messgasleitung zugeführt wird, zumindest ein weiterer Drucksensor vorgesehen ist, und dass der weitere Drucksensor mit der Regeleinheit verbunden ist. Der Regeleinheit werden somit zwei Druckwerte, jener an der Entnahmestelle und jener im Expansionsvolumen von welchem das Messgas zur Analyseeinheit geführt wird, zur Verfügung gestellt. Auf diese Weise kann auf bereits erwähnte Druckschwankungen noch besser reagiert werden. Das halten eines konstanten Druckniveaus im Expansionsvolumen wird somit nochmals erleichtert.Advantageously, it is provided that for determining the pressure level at a sampling point at which the sample gas is supplied to the sample gas line, at least one further pressure sensor is provided, and that the further pressure sensor is connected to the control unit. The control unit thus two pressure values, those at the sampling point and that in the expansion volume from which the sample gas is fed to the analysis unit, provided. In this way it is possible to react even better to already mentioned pressure fluctuations. The maintenance of a constant pressure level in the expansion volume is thus further facilitated.
[0009] Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Messgasleitung in einer Strömungsrichtung vom Messgas durchströmt ist und die Pumpe in Strömungsrichtung gesehen nach dem Expansionsvolumen angeordnet ist. Negative Einflüsse auf das Messgas, welche sich durch die Pumpe ergeben können, werden auf diese Weise verhindert.Advantageously, it is provided that the sample gas line is flowed through in a flow direction of the measurement gas and the pump is arranged in the flow direction according to the expansion volume. Negative influences on the sample gas, which can result from the pump, are prevented in this way.
[0010] Vorteilhaft ist vorgesehen, dass in der Messgasleitung in Strömungsrichtung gesehen vor dem Expansionsvolumen eine Blende zur Druckreduzierung vorgesehen ist. Als Blende wird im Wesentlichen eine beliebig ausgeführte Querschnittsverengung verstanden. Eine derartige Querschnittsverengung kann sowohl verjüngend, als auch sprunghaft ausgeführt sein. Auf diese Weise wird der Druck bereits vor dem Expansionsvolumen „vorreduziert“. Dies erlaubt es, das Expansionsvolumen vorrangig dahingehend dimensionieren zu können, dass es zu einer möglichst homogenen Partikelverteilung kommt. Die notwendige Druckreduzierung, welche eine weitere Aufgabe des Expansionsvolumens ist, kann in Abstimmung mit der vorgelagerten Blende erfolgen und hat somit keinen vorrangigen Einfluss auf die Dimensionierung des Expansionsvolumens.Advantageously, it is provided that, seen in the flow direction before the expansion volume, a diaphragm is provided to reduce the pressure in the sample gas line. The diaphragm is understood essentially to be an arbitrarily designed cross-sectional constriction. Such a cross-sectional constriction can be both tapered and made jumpy. In this way, the pressure is "pre-reduced" even before the expansion volume. This makes it possible to dimension the expansion volume primarily to the extent that it comes to a homogeneous particle distribution as possible. The necessary pressure reduction, which is a further task of the expansion volume, can take place in coordination with the upstream diaphragm and thus has no predominant influence on the dimensioning of the expansion volume.
[0011] Das Verhältnis zwischen Innendurchmesser der Messgasleitung und geringstem Querschnitt der Blende kann im Bereich von 1:2 bis 1:100 liegen, je nach gewünschtem Dynamikumfang.The ratio between the inner diameter of the sample gas line and the smallest cross section of the aperture can be in the range of 1: 2 to 1: 100, depending on the desired dynamic range.
[0012] Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Pumpe als Venturipumpe in Kombination mit einem Regelventil ausgeführt ist. Auf diese Weise ist die Anzahl an bewegten Teilen auf ein Minimum reduziert. Mögliche Verunreinigungen stellen ein geringeres Problem dar, als beispielsweise bei Pumpen mit rotierenden Bauteilen. Auch Hinsichtlich möglicher Bildung von Kondensat und damit verbundenen, möglichen Schäden, stellt die Venturipumpe eine wesentlich robustere Vorrichtung im Vergleich zu üblichen Pumpensystemen dar.Advantageously, it is provided that the pump is designed as a Venturi pump in combination with a control valve. In this way, the number of moving parts is reduced to a minimum. Possible impurities are less of a problem than, for example, pumps with rotating components. Also with regard to possible formation of condensate and associated potential damage, the Venturi pump is a much more robust device compared to conventional pump systems.
[0013] Wie bereits eingangs erwähnt, betrifft die Erfindung auch ein entsprechendes Verfahren zur Analyse von Messgas, insbesondere von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Messgas zur Bestimmung zumindest einer Eigenschaft durch eine Messgasleitung zu einer damit verbundenen Analyseeinheit geführt wird. Dabei ist vorgesehen, dass das Messgas einem Expansionsvolumen in Form einer kammerförmigen Erweiterung der Messgasleitung zugeführt wird, dass das Messgas dem Expansionsvolumen entnehmbar und der zumindest einen Analyseeinheit zuführbar ist. Dabei wird mittels einer, mit dem Expansionsvolumen verbundenen Pumpe im Expansionsvolumen ein zumindest annähernd konstantes Druckniveau gehalten, wobei das Druckniveau im Expansionsvolumen mittels zumindest eines, mit einer Regeleinheit verbundenen, Drucksensors bestimmt wird, und die Pumpe mittels der Regeleinheit, in Abhängigkeit des vom Drucksensor bestimmten Druckniveaus, geregelt wird.As already mentioned, the invention also relates to a corresponding method for the analysis of measuring gas, in particular of exhaust gas of an internal combustion engine, wherein the measuring gas for determining at least one property is guided through a sample gas line to an associated analysis unit. It is provided that the sample gas is supplied to an expansion volume in the form of a chamber-like extension of the sample gas line, that the sample gas can be removed from the expansion volume and fed to the at least one analysis unit. In this case, an at least approximately constant pressure level is maintained in the expansion volume by means of a pump connected to the expansion volume, wherein the pressure level in the expansion volume is determined by means of at least one pressure sensor connected to a control unit, and the pump is controlled by the control unit as a function of the pressure sensor Pressure levels, is regulated.
[0014] Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt [0015] Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Analyse von Messgas, [0016] Fig.2 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer vorteilhaften Ausgestaltung.The subject invention will be explained in more detail with reference to Figures 1 and 2, which show by way of example, schematically and not limiting advantageous embodiments of the invention. FIG. 1 shows the device according to the invention for the analysis of sample gas, FIG. 2 shows the device according to the invention in an advantageous embodiment. [0015] FIG.
[0017] Wie bereits eingangs erwähnt, spielen Untersuchungen bzw. Analysen von Abgasen in verschiedensten Zusammenhängen eine tragende Rolle. Zum einen sind bei Abgabe von Abgasen an die Umwelt unterschiedlichste Auflagen zu erfüllen, zum anderen lässt die Analyse der emittierten Stoffe auch einen Rückschluss auf vorangegangene Verbrennungsvorgänge zu. Zur Analyse wird dazu üblicherweise ein Teil des zu untersuchenden bzw. analysierenden Abgases als Abgasprobe entnommen. Diese Abgasprobe, wird im Weiteren als Messgas bezeichnet.As already mentioned, play investigations or analyzes of exhaust gases in various contexts a supporting role. On the one hand, the emission of exhaust gases to the environment is subject to a wide variety of conditions, and on the other hand, the analysis of the emitted substances also allows conclusions to be drawn about previous combustion processes. For analysis, a part of the exhaust gas to be analyzed or analyzed is usually taken as an exhaust gas sample. This exhaust gas sample is referred to below as the measuring gas.
[0018] Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Analyse von Messgas. Die dargestellte Vorrichtung 1 kann selbstverständlich bei der Analyse unterschiedlichster Gase bzw. Abgase zur Anwendung kommen und dabei beispielsweise im Zusammenhang mit Kaminen und Rauchfängen unterschiedlichster Verbrennungsanlagen genutzt werden. Insbesondere findet die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Analyse von Messgas im Zusammenhang mit der Analyse von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, welches starken Druck- und Partikelkonzentrationsänderungen unterliegt, Anwendung.Figure 1 shows a schematic representation of the device 1 according to the invention for the analysis of sample gas. The illustrated device 1 can of course be used in the analysis of various gases or exhaust gases used and are used, for example, in connection with chimneys and flues of different incinerators. In particular, the device 1 according to the invention for the analysis of measuring gas in connection with the analysis of exhaust gas of an internal combustion engine, which is subject to strong pressure and particle concentration changes, application.
[0019] Dabei ist zur Führung des Messgases zumindest eine Messgasleitung 2 und zur Bestimmung zumindest einer Eigenschaft des Messgases zumindest eine, mit der Messgasleitung 2 verbundene Analyseeinheit 3 vorgesehen. Wie Figur 1 erkennen lässt, ist in der Messgasleitung 2 ein Expansionsvolumen 4 in Form einer kammerförmigen Erweiterung der Messgasleitung 2 vorgesehen. Wie in Figur 1 und in weiterer Folge auch in Figur 2 durch einen Pfeil dargestellt, wird erfindungsgemäß aus diesem Expansionsvolumen 4 zumindest ein Teil des Messgases der zumindest einen Analyseeinheit 3 zugeführt. Weiters ist eine Pumpe 5 mit dem Expansionsvolumen 4 verbunden, mittels welcher im Expansionsvolumen 4 ein zumindest annähernd konstantes Druckniveau gehalten wird. Dabei handelt es sich vorzugsweise um einen, in Bezug auf den Umgebungsdruck um einen geringfügigen Unterdrück, beispielsweise im Bereich von etwa -10 bis -30 mbar. Selbstverständlich ist dieses Druckniveau lediglich beispielhaft und kann sich, je nach Anwendungsgebiet und den sich daraus ergebenden Erfordernissen, vom eben angegebenen Wert unterscheiden. Erfindungsgemäß ist im Expansionsvolumen 4 zumindest ein Drucksensor 6 vorgesehen, welcher mit einer Regeleinheit 7 verbunden ist. Zur Regelung der zuvor erwähnten Pumpe 5, in Abhängigkeit des vom Drucksensor 6 bestimmten Druckniveaus, ist die Regeleinheit 7 mit der Pumpe 5 verbunden.In this case, at least one sample gas line 2 is provided for guiding the sample gas, and at least one analysis unit 3 connected to the sample gas line 2 is provided for determining at least one property of the sample gas. As can be seen from FIG. 1, an expansion volume 4 in the form of a chamber-shaped widening of the sample gas line 2 is provided in the sample gas line 2. As shown in FIG. 1 and subsequently also in FIG. 2 by an arrow, according to the invention at least part of the measurement gas is supplied to the at least one analysis unit 3 from this expansion volume 4. Furthermore, a pump 5 is connected to the expansion volume 4, by means of which in the expansion volume 4, an at least approximately constant pressure level is maintained. This is preferably a, with respect to the ambient pressure by a slight negative pressure, for example in the range of about -10 to -30 mbar. Of course, this pressure level is merely exemplary and may differ, depending on the field of application and the resulting requirements, from the value just given. According to the invention, at least one pressure sensor 6, which is connected to a control unit 7, is provided in the expansion volume 4. To control the aforementioned pump 5, in dependence on the pressure level determined by the pressure sensor 6, the control unit 7 is connected to the pump 5.
[0020] Im Zuge des Verfahrens zur Analyse von Messgas, bei welchem die eben beschriebene Vorrichtung 1 zur Anwendung kommt, wird das Messgas zur Bestimmung zumindest einer Eigenschaft durch die Messgasleitung 2 zu der damit verbundenen Analyseeinheit 3 geführt. Dabei wird das Messgas dem Expansionsvolumen 4, welches durch eine kammerförmige Erweiterung der Messgasleitung 2 gebildet wird, zugeführt. Das Messgas ist dann dem Expansionsvolumen entnehmbar und der zumindest einen Analyseeinheit 3 zuführbar. Mittels der, mit dem Expansionsvolumen 4 verbundenen Pumpe 5 wird im Expansionsvolumen 4 ein zumindest annähernd konstantes Druckniveau gehalten, wobei das Druckniveau im Expansionsvolumen 4 mittels zumindest eines, mit einer Regeleinheit 7 verbundenen, Drucksensors 6 bestimmt wird. Die Pumpe 5 wird mittels dieser Regeleinheit 7, in Abhängigkeit des vom Drucksensor 6 bestimmten Druckniveaus, geregelt.In the course of the method for the analysis of measuring gas, in which the device 1 just described is used, the measuring gas for determining at least one property is guided through the sample gas line 2 to the associated analysis unit 3. In this case, the sample gas is the expansion volume 4, which is formed by a chamber-shaped extension of the sample gas line 2, respectively. The sample gas can then be removed from the expansion volume and fed to the at least one analysis unit 3. By means of the pump 5 connected to the expansion volume 4, an at least approximately constant pressure level is maintained in the expansion volume 4, the pressure level in the expansion volume 4 being determined by means of at least one pressure sensor 6 connected to a control unit 7. The pump 5 is controlled by means of this control unit 7, as a function of the pressure level determined by the pressure sensor 6.
[0021] In einer erwähnten Analyseeinheit 3 wird das Messgas beispielsweise auf chemische Zusammensetzung, Größe der enthaltenen Partikel, Partikelkonzentration usw., untersucht. Diese Aufzählung ist jedoch lediglich beispielhaft zu sehen, da, je nach Anwendungsgebiet, unterschiedlichste Messgrößen bzw. deren Messwerte von Interesse sein können. Selbstverständlich kann dabei auch eine Mehrzahl an Analyseeinheiten 3 für die Bestimmung der jeweiligen Messgrößen bzw. deren Messwerte vorgesehen sein.In an mentioned analysis unit 3, the measurement gas is, for example, on chemical composition, size of the particles contained, particle concentration, etc., examined. However, this list is only to be regarded as an example since, depending on the field of application, the most varied measured variables or their measured values can be of interest. Of course, a plurality of analysis units 3 can also be provided for the determination of the respective measured variables or their measured values.
[0022] Bei der zuvor angesprochenen Entnahme des Messgases, beispielsweise aus einem schematisch angedeuteten Auspuffrohr 8 einer Verbrennungskraftmaschine, treten an der Entnahmestelle 10 üblicherweise hohe Gegendrücke auf. Mess- bzw. Analysegeräte, wie die bereits erwähnte Analyseeinheit 3, arbeiten jedoch bei einem wesentlich geringeren Druckniveau. Üblicherweise werden zur Druckreduzierung entsprechende Blenden genutzt. Wie bereits eingangs erwähnt, führt deren Verwendung jedoch dazu, dass dynamische Vorgänge, wie beispielsweise Druckschwankungen, entsprechend verzerrt werden. Weiters ist das durch Blenden reduzierte Druckniveau oftmals weiterhin zu hoch, um eine optimale Funktion der genutzten Analyseeinheit 3 zu gewährleisten.In the aforementioned removal of the sample gas, for example, from a schematically indicated exhaust pipe 8 of an internal combustion engine, usually occur at the removal point 10 on high back pressures. Measuring or analysis devices, such as the aforementioned analysis unit 3, but work at a much lower pressure level. Usually, corresponding apertures are used to reduce the pressure. However, as already mentioned, their use leads to dynamic processes, such as pressure fluctuations, being correspondingly distorted. Furthermore, the pressure level reduced by diaphragms is often still too high to ensure optimal functioning of the analysis unit 3 used.
[0023] Die Nutzung des Expansionsvolumens 4 erlaubt bei gleichzeitiger Druckreduzierung eine entsprechende Durchmischung des Messgases, wodurch Inhomogenitäten reduziert bzw. vermieden werden. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise eine erwünschte, möglichst homogene Verteilung von z.B. Rußpartikel im Messgas erwähnt. Wird das zu analysierende Messgas aus dem Expansionsvolumen 4 entnommen und der Analyseeinheit 3 zugeführt, stellt das zur Analyse zugeführte Messgas somit eine, für das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, repräsentative Probe hinsichtlich der Partikelverteilung dar. Da das Druckniveau mittels des Drucksensors 6 direkt im Expansionsvolumen 4 bestimmt wird und in Abhängigkeit dessen, jene Pumpe 5 geregelt wird, welche für ein konstantes Druckniveau sorge trägt, ergibt sich ein kompakter Regelkreis mittels welchem auf dynamische Druckschwankungen bestmöglich reagiert werden kann. Wie in Figur 1 weiters erkennbar, kann jener Anteil des Messgases, welcher nicht der Analyseeinheit 3 zugeführt wurde über eine Abgabestelle 20 der Pumpe 5 beispielsweise über ein nachgeschaltetes Filtersystem an die Umgebung abgegeben werden.The use of the expansion volume 4 allows simultaneous pressure reduction, a corresponding mixing of the sample gas, whereby inhomogeneities are reduced or avoided. In this context, for example, a desired, as homogeneous as possible distribution of e.g. Soot particles mentioned in the sample gas. If the sample gas to be analyzed is taken from the expansion volume 4 and fed to the analysis unit 3, the sample gas supplied for analysis thus represents a sample, representative of the exhaust gas of an internal combustion engine, in terms of particle distribution. Since the pressure level is determined directly in the expansion volume 4 by means of the pressure sensor 6 is and depending on which pump 5 is controlled, which contributes to a constant pressure level care, resulting in a compact control loop by means of which can be responded to dynamic pressure fluctuations in the best possible way. As can further be seen in FIG. 1, that portion of the sample gas which was not supplied to the analysis unit 3 can be released to the environment via a delivery point 20 of the pump 5, for example via a downstream filter system.
[0024] Figur 2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung 1. Dabei ist vorgesehen, dass zur Bestimmung des Druckniveaus an der Entnahmestelle 10, an welcher das Messgas der Messgasleitung 2 zugeführt wird, zumindest ein weiterer Drucksensor 9 vorgesehen ist und, dass der weitere Drucksensor 9 mit der Regeleinheit 7 verbunden ist.Figure 2 shows an advantageous embodiment of the device 1. It is provided that at least one further pressure sensor 9 is provided for determining the pressure level at the sampling point 10 at which the sample gas of the sample gas line 2 is supplied, and that the further pressure sensor 9 is connected to the control unit 7.
[0025] Da somit mittels des weiteren Drucksensors 9, welcher mit der Regeleinheit 7 verbunden ist, das Druckniveau an der Entnahmestelle 10, an welcher das Messgas der Messgasleitung 2 zugeführt wird, bestimmt wird, werden der Regeleinheit 7 somit zwei Druckwerte zur Verfügung gestellt. Ein derart, in Bezug auf den Drucksensor 6 vorgelagerter, weiterer Drucksensor 9 erlaubt es der Regeleinheit noch besser auf Druckschwankungen an der Entnahmestelle 10 zu reagieren. Das Halten eines konstanten Druckniveaus im Expansionsvolumen 4 wird somit nochmals erleichtert.Thus, since by means of the further pressure sensor 9, which is connected to the control unit 7, the pressure level at the sampling point 10, at which the sample gas of the sample gas line 2 is supplied, is determined, the control unit 7 thus provided two pressure values. Such, with respect to the pressure sensor 6 upstream, further pressure sensor 9 allows the control unit even better to respond to pressure fluctuations at the sampling point 10. The maintenance of a constant pressure level in the expansion volume 4 is thus further facilitated.
[0026] Sowohl in Figur 1 als auch in Figur 2 ist schematisch erkennbar, dass die Messgasleitung 2 in einer Strömungsrichtung 11 vom Messgas durchströmt ist und die Pumpe 5 in Strömungsrichtung 11 gesehen nach dem Expansionsvolumen 4 angeordnet ist. Je nach Art der verwendeten Pumpe 5 kann das Messgas durch die Pumpe 5 negativ beeinflusst werden. Je nach Inneren Aufbau der Pumpe 5 können sich Partikel an unterschiedlichen Stellen ablagern und so zu einer Entmischung des Messgases führen. In umgekehrter Weise besteht natürlich auch die Möglichkeit, dass sich beispielsweise zuvor abgelagerte Partikel wieder lösen und auf diese Weise das Messgas bzw. dessen aktuelle Zusammensetzung entsprechend verfälschen. Wird die Pumpe 5 entsprechend vorteilhaft in Strömungsrichtung 11 gesehen nach dem Expansionsvolumen 4 angeordnet, werden derartige negative Einflüsse auf das Messgas verhindert.Both in Figure 1 and in Figure 2 is schematically seen that the sample gas line 2 is flowed through in a flow direction 11 by the measurement gas and the pump 5 is arranged in the flow direction 11 after the expansion volume 4 is arranged. Depending on the type of pump 5 used, the measuring gas can be negatively influenced by the pump 5. Depending on the internal structure of the pump 5, particles can deposit at different locations and thus lead to segregation of the sample gas. In the reverse manner, of course, there is also the possibility that, for example, previously deposited particles dissolve again and in this way falsify the sample gas or its current composition accordingly. If the pump 5 is arranged correspondingly advantageously in the flow direction 11 after the expansion volume 4, such negative influences on the measurement gas are prevented.
[0027] Wie in Figur 2 weiters erkennbar ist, kann es vorteilhaft sein, dass in der Messgasleitung 2 in Strömungsrichtung 11 gesehen vor dem Expansionsvolumen 4, eine Blende 12 zur Druckreduzierung vorgesehen ist. Zwar ist die Verwendung von Blenden 12 zur Druckreduktion mit den bereits erwähnten Nachteilen verbunden, diese Nachteile kommen aber je nach Differenz der Druckniveaus mehr oder weniger stark zum Tragen. Die verwendete Blende 12, welche selbstverständlich auch durch die Aneinanderreihung mehrerer Blenden 12 gebildet werden kann, dient vorrangig einer „Vorreduzierung“ des Druckniveaus. Darunter ist zu verstehen, dass der Druck, welcher an der Entnahmestelle 10 vorliegt, nicht vollständig durch die Blende 12 auf jenes Druckniveau reduziert wird, welches, wie zuvor erwähnt, eine optimale Messung bzw. Analyse in der Analyseeinheit 3 ermöglicht. Die zuvor erwähnten, möglichen Verzerrungen, beispielsweise von Druckschwankungen können somit auf ein geringes Maß reduziert werden, obwohl die Blende das Druckniveau, welches zuvor an der Entnahmestelle 10 vorliegt, bereits reduziert. Diese „Vorreduzierung“ des Druckniveaus erlaubt es, das Expansionsvolumen vorrangig dahingehend dimensionieren zu können, dass es zu einer möglichst homogenen Partikelverteilung kommt. Die notwendige, weitere Druckreduzierung, welche eine weitere Aufgabe des Expansionsvolumens ist, kann in Abstimmung mit der vorgelagerten Blende erfolgen und hat somit keinen vorrangigen Einfluss auf die Dimensionierung des Expansionsvolumens.As can further be seen in FIG. 2, it may be advantageous for a diaphragm 12 to be provided to reduce the pressure in the measuring gas line 2 in the flow direction 11 before the expansion volume 4. Although the use of apertures 12 for pressure reduction associated with the disadvantages mentioned above, but these disadvantages are more or less depending on the difference in pressure levels to fruition. The diaphragm 12 used, which can of course also be formed by the juxtaposition of a plurality of diaphragms 12, serves primarily for a "pre-reduction" of the pressure level. By this is meant that the pressure which is present at the removal point 10 is not completely reduced by the diaphragm 12 to that pressure level which, as mentioned above, enables an optimal measurement or analysis in the analysis unit 3. The aforementioned possible distortions, for example of pressure fluctuations, can thus be reduced to a small extent, even though the diaphragm already reduces the pressure level that previously exists at the extraction point 10. This "pre-reduction" of the pressure level makes it possible to dimension the expansion volume primarily to the extent that it comes to a very homogeneous particle distribution. The necessary, further pressure reduction, which is another task of the expansion volume, can be done in coordination with the upstream diaphragm and thus has no primary influence on the dimensioning of the expansion volume.
[0028] Die Pumpe 5 kann vorteilhafter Weise als Venturipumpe in Kombination mit einem Regelventil 51 ausgeführt sein. Auf diese Weise ist die Anzahl an bewegten Teilen auf ein Minimum reduziert. Mögliche Verunreinigungen, wie beispielsweise die zuvor erwähnte Ablagerung von Rußpartikel, stellen ein geringeres Problem dar, als bei entsprechenden Pumpensystemen beispielsweise mit rotierenden Bauteilen. Auch Hinsichtlich möglicher Bildung von Kondensat und damit verbundenen, möglichen Schäden, stellt die Venturipumpe eine wesentlich robustere Vorrichtung im Vergleich zu üblichen Pumpensystemen dar. Das erwähnte Regelventil 51, welches in Figur 2 lediglich schematisch angedeutet ist, kann beispielsweise durch ein Nadelventil gebildet sein, wobei, je nach Volumenstrom und sonstigen Anforderungen natürlich auch andere, geeignete Ventile zur Anwendung kommen können. Es ist auch denkbar, dass das Regelventil 51 in die Regeleinheit 7 integriert ist.The pump 5 may advantageously be designed as Venturi pump in combination with a control valve 51. In this way, the number of moving parts is reduced to a minimum. Possible impurities, such as the aforementioned soot particulate build-up, present a lesser problem than with corresponding pump systems, for example, with rotating components. Also with regard to possible formation of condensate and associated possible damage, the Venturi pump is a much more robust device compared to conventional pump systems. The aforementioned control valve 51, which is only schematically indicated in Figure 2, may be formed for example by a needle valve, wherein , depending on the volume flow and other requirements of course, other suitable valves can be used. It is also conceivable that the control valve 51 is integrated in the control unit 7.
[0029] Die beschriebene Vorrichtung 1 zur Analyse von Messgas erlaubt insbesondere bei schnellen und starken bzw. hochdynamischen Druckschwankungen bzw. sich ändernden Partikelkonzentrationen eine möglichst repräsentative Entnahme von Analysegas zu ermöglichen. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit von Messergebnissen insbesondere bei der Analyse von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine wesentlich verbessert.The described device 1 for the analysis of measurement gas allows, in particular for fast and strong or highly dynamic pressure fluctuations or changing particle concentrations to allow the most representative possible removal of analysis gas. In this way, the reliability of measurement results, in particular in the analysis of exhaust gas of an internal combustion engine is significantly improved.
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