CH680238A5

CH680238A5 -

Info

Publication number: CH680238A5
Application number: CH4324/89A
Authority: CH
Inventors: Heinz Burtscher; Andreas-Ott Schmidt; Hans-Christoph Siegmann
Original assignee: Matter & Siegmann Ag
Priority date: 1989-12-04
Filing date: 1989-12-04
Publication date: 1992-07-15
Also published as: DE4038640A1

Description

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Beschreibung description

Technisches Gebiet Technical field

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung von Verbrennungsprozessen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The present invention relates to a device for monitoring combustion processes according to the preamble of patent claim 1.

Organische Stoffe werden zur Energie- und Wärmeproduktion sowie in Wärmekraftmaschinen (Fahrzeugen) in grossem Massstab verbrannt. Zur Optimierung einer solchen Verbrennung ist das Luft/Brennstoffverhältnis (LBV) die wichtigste Grösse, und zwar sowohl was den Wirkungsgrad als auch was die Schadstoffemission betrifft. Wird der Verbrennung zuwenig Luft zugeführt, so ist die Produktion an CO, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Russ gross. Ein Luftüberschuss fördert die Bildung von NOx und reduziert den Wirkungsgrad, da die überschüssige Luft Wärme abführt. Allgemein ist das Spektrum der Substanzen im Abgas charakteristisch für den Zustand der Verbrennung. Einzelne von ihnen können deshalb als Kriterium zur Ermittlung des optimalen LBV oder zur Regelung des LBV herangezogen werden. In den meisten Fällen ist das LBV dort optimal, wo die Russbildung gerade einsetzt, aber noch sehr gering ist. Wird der Russausstoss als Regelgrösse herangezogen, so eignet sich prinzipiell jedes Verfahren zur Detektion von Schwebeteilchen für diesen Zweck. Organic substances are burned on a large scale for the production of energy and heat as well as in heat engines (vehicles). To optimize such a combustion, the air / fuel ratio (LBV) is the most important variable, both in terms of efficiency and in terms of pollutant emissions. If too little air is added to the combustion, the production of CO, unburned hydrocarbons and soot is large. An excess of air promotes the formation of NOx and reduces efficiency because the excess air dissipates heat. In general, the spectrum of substances in the exhaust gas is characteristic of the state of the combustion. Some of them can therefore be used as criteria for determining the optimal LBV or for regulating the LBV. In most cases, the LBV is optimal where soot formation is just beginning but is still very low. If soot emissions are used as a control variable, in principle any method for the detection of suspended particles is suitable for this purpose.

Stand der Technik State of the art

Aus der DE-CI 3 330 509 ist ein Verfahren bekannt, welches die Verbrennung über die Detektion von Russteilchen regelt, die eine photoelektrisch aktive Oberfläche besitzen. From DE-CI 3 330 509 a method is known which regulates the combustion via the detection of soot particles which have a photoelectrically active surface.

Einige bekannte Detektoren, die z.B. als Brandmelder eingesetzt werden, benutzen die Eigenschaft der Teilchen, Licht zu streuen oder zu absorbieren. Sie sind für Verbrennungsregelungen jedoch nicht geeignet, da der Russausstoss im Bereich der optimalen Verbrennung, auf den geregelt werden muss, zu gering ist und nur ein unmessbar kleines optisches Signal erzeugt. Some known detectors, e.g. used as fire detectors use the property of the particles to scatter or absorb light. However, they are not suitable for combustion control, since the soot emissions in the area of optimal combustion, which must be regulated, are too low and only generate an immeasurably small optical signal.

Andere Detektoren messen die elektrische Ladung auf den Russpartikeln [US Pat. 4 652 866]. Other detectors measure the electrical charge on the soot particles [US Pat. 4,652,866].

Die am weitesten verbreiteten Rauchmelder beruhen auf dem Prinzip, dass Schwebeteilchen in der Luft vorhandene Kleinionen anlagern und somit die Beweglichkeit dieser Ladungen und damit die Leitfähigkeit der Luft reduzieren. Die Kleinionen werden mit Hilfe von radioaktiver Strahlung künstlich erzeugt. The most common smoke detectors are based on the principle that suspended particles accumulate small ions in the air and thus reduce the mobility of these charges and thus the conductivity of the air. The small ions are artificially generated with the help of radioactive radiation.

Darstellung der Erfindung Presentation of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Überwachung von Verbrennungsprozessen anzugeben, welche sich bei hoher Empfindlichkeit durch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau sowie durch geringe Störanfälligkeit auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen gekennzeichnet. The object of the invention is to provide a device for monitoring combustion processes which, with high sensitivity, is distinguished by a simple and inexpensive structure and by low susceptibility to failure. According to the invention, this object is achieved by a device having the features of patent claim 1. Advantageous refinements of the invention are characterized in the dependent patent claims.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung nutzt ebenfalls das Prinzip der Anlagerung von Ladungsträgern mit hoher Beweglichkeit an unbeweglichere Schwebeteilchen aus. Im Gegensatz zu den bekannten Rauchmeldern wird jedoch auf eine radioaktive Quelle zur Erzeugung der beweglichen Ladungsträger verzichtet. Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass jede Verbrennung selbst ausreichend viele ausreichend bewegliche Ladungsträger erzeugt. The device according to the invention also uses the principle of the attachment of charge carriers with high mobility to more immobile floating particles. In contrast to the known smoke detectors, however, there is no radioactive source for generating the mobile charge carriers. The invention makes use of the knowledge that each combustion itself generates a sufficient number of sufficiently mobile charge carriers.

Bewegliche Ladungsträger im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesondere solche mit Beweglichkeiten grösser als ca. 0.01 cm2/Vs. Diese werden im weiteren auch Ionen genannt. Weiter wird im folgenden davon ausgegangen, dass es sich bei den Schwebeteilchen vor allem um Russpartikel handelt. Movable charge carriers in the sense of the present invention are, in particular, those with mobilities greater than approximately 0.01 cm 2 / Vs. These are also called ions below. It is also assumed in the following that the suspended particles are primarily soot particles.

Die mittels der erfindungsgemässen Vorrichtung am Messort ermittelte Konzentration (bzw. einer damit korrelierten elektrischen Grösse) der noch freien Ionen im Abgas hängt also u.a. davon ab, wieviele der urspünglich erzeugten Ionen sich auf dem Weg zwischen dem Verbrennungsort, d.h. dem Ort ihrer Erzeugung, und dem Messort an die im Abgas enthaltenen Russpartikel angelagert haben. Diese Anlagerung wird um so wahrscheinlicher, je grösser Zahl und Grösse der Russpartikel sind. Das Messsignal kann deshalb als Mass für die Russmenge und beispielsweise zur Regelung des LBV benutzt werden. Je geringer die durch die Anlagerung an Russpartikel verursachte Reduktion der Ionenkonzentration zwischen dem Verbrennungsort und dem Messort ist, um so geringer ist die Russentwicklung um so besser ist die Vollständigkeit der Verbrennung. The concentration (or an electrical quantity correlated therewith) of the free ions in the exhaust gas determined by means of the device according to the invention thus depends, among other things. depends on how many of the ions originally generated are on the way between the combustion site, i.e. the location of their generation, and the measurement location have attached to the soot particles contained in the exhaust gas. The greater the number and size of the soot particles, the more likely this accumulation is. The measurement signal can therefore be used as a measure of the amount of soot and, for example, to control the LBV. The smaller the reduction in the ion concentration between the combustion site and the measurement site caused by the attachment to soot particles, the lower the soot development, the better the completeness of the combustion.

Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung lassen sich bereits Russmengen detektieren, die für das Auge völlig unsichtbar sind und als Heizungs- oder Dieselabgase noch weit im Bereich der gesetzlich zulässigen Emissionen liegen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung hat weiter den Vorteil, im Vergleich zu allen bekannten, besonders einfach und daher kostengünstig, sowie von geringer Störanfälligkeit zu sein. With the device according to the invention, soot quantities can already be detected, which are completely invisible to the eye and, as heating or diesel exhaust gases, are still far in the range of the legally permissible emissions. The device according to the invention has the further advantage of being particularly simple and therefore inexpensive, and of being less susceptible to failure, in comparison to all known devices.

Zur Regelung der Verbrennung kann beispielsweise mittels einer beliebigen Methode die Verbrennung optimal eingestellt und der zu dieser Einstellung zugehörige Wert (Sollwert) des Messignals ermit2 To control the combustion, the combustion can be optimally set using any method, for example, and the value (setpoint) of the measurement signal associated with this setting can be determined

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telt werden. Anschliessend Kann das LBV, beispielsweise automatisch mit einem geeigneten Regler, jeweils so eingestellt werden, dass das Messsignal stets dem zuvor bestimmten Sollwert entspricht, bei dem die Verbrennung optimal ist. be communicated. The LBV can then be set, for example automatically with a suitable controller, in such a way that the measurement signal always corresponds to the previously determined target value at which the combustion is optimal.

Das LBV kann beispielsweise auch periodisch um einen Mittelwert herum verändert werden. Je kleiner die durch diese Veränderung verursachte Veränderung gleicher Periode des Messsignals ist, desto besser ist die Qualität der Verbrennung und desto geringer ist die Russentwicklung. For example, the LBV can also be changed periodically around an average. The smaller the change in the same period of the measurement signal caused by this change, the better the quality of the combustion and the less the soot development.

Das folgende stark vereinfachte Modell einer idealisierten Verbrennung soll zur Verdeutlichung des der erfindungsgemässen Vorrichtung zugrundeliegenden Prinzips dienen: The following greatly simplified model of idealized combustion is intended to illustrate the principle on which the device according to the invention is based:

Das Abgas der Verbrennung enthalte kugelförmige, elektrisch neutrale Teilchen mit dem Radius K und der Konzentration N sowie Ionen beider Polaritäten mit je einer elektrischen Elementarladung. Es ströme mit der Geschwindigkeit v. The exhaust gas from the combustion contained spherical, electrically neutral particles with the radius K and the concentration N and ions of both polarities, each with an electrical elementary charge. It flows with the speed v.

An einer Stelle x=0 betrage die Konzentration der Ionen n0. Der Zusammenhang zwischen der an einer Stelle x stromabwärts gemessenen lonenkonzentration n(x), der Konzentration N und der Grösse R der Russteilchen ergibt sich folgendermassen: At a point x = 0, the concentration of the ions is n0. The relationship between the ion concentration n (x) measured at a point x downstream, the concentration N and the size R of the soot particles results as follows:

Für die Abnahme der lonenkonzentration zur Zeit t gilt dn/dt = -a n(t) N - ß n2(t), For the decrease in the ion concentration at time t applies dn / dt = -a n (t) N - ß n2 (t),

wobei der Anlagerungskoeffizient a proportional zum Teilchenradius R ist, a = cR. ß ist der Koeffizient für die Rekombination von Ionen unterschiedlicher Polarität. Bei sehr hohen lonenkonzentrationen bestimmt die Rekombination die Abnahme der lonenkonzentration (ß n2 » an N). Da die Rekombination jedoch quadratisch von der lonenkonzentration abhängt, nimmt ihre Bedeutung mit fallender lonenkonzentration sehr schnell ab. Bei nicht allzu hoher Ionen- und nicht allzu geringer Partikelkonzentration kann der Einfluss der Rekombination auf die Abnahme der lonenkonzentration in erster Näherung vernachlässigt werden. In Fällen, wo dies nötig ist, kann sie jedoch zusätzlich in die Betrachtung mit einbezogen werden (z.B. bei sehr kleinen Partikelkonzentrationen). where the addition coefficient a is proportional to the particle radius R, a = cR. ß is the coefficient for the recombination of ions of different polarities. At very high ion concentrations, the recombination determines the decrease in the ion concentration (ß n2 »at N). However, since the recombination depends quadratically on the ion concentration, its importance decreases very quickly with a falling ion concentration. If the ion concentration is not too high and the particle concentration is not too low, the influence of the recombination on the decrease in the ion concentration can be neglected in a first approximation. In cases where this is necessary, however, it can also be included in the consideration (e.g. with very small particle concentrations).

Die Lösung der obigen Differentialgleichung ohne Rekombination wird mit t = x/v n(x) = n0 exp(-cRNx/v) (1) The solution of the above differential equation without recombination is with t = x / v n (x) = n0 exp (-cRNx / v) (1)

oder cRN = (v/x) * ln(no/n(x)) (2) or cRN = (v / x) * ln (no / n (x)) (2)

oder, wenn n und n0 nicht sehr verschieden sind cRN = (v/x) * (n0 -n)/n0 (3) or, if n and n0 are not very different cRN = (v / x) * (n0 -n) / n0 (3)

In Form des Produktes RN ist die «Russmenge» somit eindeutig mit der Konzentration n der beweglichen Ladungsträger (Ionen) verknüpft. Da die Annahme, dass alle Russteilchen gleich gross und elektrisch neutral sind, unrealistisch ist, ist eine Verallgemeinerung auf eine beliebige Verteilung der Grössen und Ladungen p auf den Partikeln angebracht. In den Gleichungen (2) bzw. (3) muss dann cRN durch In the form of the product RN, the “amount of soot” is thus clearly linked to the concentration n of the mobile charge carriers (ions). Since the assumption that all soot particles are of the same size and are electrically neutral is unrealistic, a generalization to an arbitrary distribution of the sizes and charges p on the particles is appropriate. In equations (2) and (3), cRN must then pass through

Dabei ist n(R) die Grössenverteilung, c(p, R) enthält die Ladungsabhängigkeit des Koeffizienten c. Here n (R) is the size distribution, c (p, R) contains the charge dependence of the coefficient c.

Damit die Änderung der Konzentration der Ionen gut messbar ist, sollte der Messort möglichst nahe an dem Ort gewählt sein, an dem diese Konzentrationsänderung infolge einer Änderung der Konzentration der Russpartikel gegenüber einer sich bei den gewünschten Verbrennungsbedingungen ergebenden Konzentration, maximal ist. Selbstverständlich wird der Messort in den meisten Verbrennungsanlagen, bedingt durch die jeweilige Konstruktion, nicht völlig beliebig wählbar sein. In order that the change in the concentration of the ions can be measured well, the measurement location should be selected as close as possible to the location where this change in concentration due to a change in the concentration of the soot particles is at a maximum compared to a concentration that results under the desired combustion conditions. Of course, due to the respective design, the measuring location in most incineration plants will not be completely arbitrary.

Bei den heute gebräuchlichen Ölbrennern ist üblicherweise jedoch im unteren Teil des Kamins, noch relativ nahe am Brenner, eine Öffnung für Abgasmessungen vorgesehen. Erfahrungsgemäss liefert die Anordnung der Messanordnung an dieser Stelle gute Resultate. With the oil burners in use today, however, an opening for exhaust gas measurements is usually provided in the lower part of the fireplace, still relatively close to the burner. Experience has shown that the arrangement of the measuring arrangement at this point provides good results.

Messtechnisch kann die gewünschte Grösse, die zu n bzw. no proportional ist, auf zwei Arten ermittelt werden: The desired quantity, which is proportional to n or no, can be determined in two ways:

Eine erste Möglichkeit besteht darin, dass zumindest ein bestimmter Anteil der beweglichen Ladungsträger durch ein elektrisches Feld auf einer im Abgasstrom am Messort angeordneten Elektrode abgeschieden und der von der Messelektrode abfliessende Strom I gemessen wird. Das Feld wird erzeugt, indem die Messelektrode auf einem in bezug auf die umgebenden Teile verschiedenen elektrischen Potential gehalten wird. Technisch wird die Potentionaldifferenz mit einer Spannungsquelle, beispielsweise oo cRN A first possibility is that at least a certain proportion of the movable charge carriers is deposited by an electric field on an electrode arranged in the exhaust gas stream at the measuring location and the current I flowing out of the measuring electrode is measured. The field is generated by keeping the measuring electrode at a different electrical potential with respect to the surrounding parts. Technically, the potential difference is with a voltage source, for example oo cRN

n(R) ^ c(p,R) RdR ersetzt werden. P n (R) ^ c (p, R) RdR to be replaced. P

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mit einer Batterie, erzeugt. Durch das elektrische Feld E erhalten sämtliche im Abgas enthaltenen geladenen Teilchen eine Geschwindigkeitskomponente vd = b*E (4) with a battery. The electric field E gives all charged particles contained in the exhaust gas a velocity component vd = b * E (4)

in Feldrichttrng, die der Strömungsgeschwindigkeit überlagert ist. Die Grösse b heisst Beweglichkeit der geladenen Teilchen. Je nach Vorzeichen des Feldes werden nur positive oder nur negative Ladungsträger auf der Messelektrode abgeschieden. Der entsprechende Strom I kann durch einen an die Messelektrode angeschlossenen Stromverstärker in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, welches dann elektronisch weiterverarbeitet oder direkt einem Anzeigeinstrument zugeführt werden kann. Genau genommen entsteht der Strom I durch elektrische Influenz der im Gas bewegten Ladungsträger auf die Messelektrode. Der Nettostrom im stationären Fall ist bei Anlegen eines statischen Feldes jedoch gleich der pro Zeiteinheit auf die Messelektrode treffenden Ladungsmenge. in field direction, which is superimposed on the flow velocity. The size b is called mobility of the charged particles. Depending on the sign of the field, only positive or only negative charge carriers are deposited on the measuring electrode. The corresponding current I can be converted into an electrical signal by a current amplifier connected to the measuring electrode, which can then be processed electronically or fed directly to a display instrument. Strictly speaking, the current I arises from the electrical influence of the charge carriers moving in the gas on the measuring electrode. However, the net current in the stationary case is equal to the amount of charge striking the measuring electrode per unit of time when a static field is applied.

Aufgrund der Gleichung (4) wird der Messstrom bevorzugt durch die Ladungsträger mit hoher Beweglichkeit, d.h. die Ionen, bestimmt. Die Beweglichkeitsverteilung der geladenen Teilchen im Abgas (Ionen und geladene Russteilchen) ist allerdings kontinuierlich. Die elektrische Feldstärke E muss daher so gewählt werden, dass die Abscheidung von Ladungsträgern unerwünscht kleiner Beweglichkeit, d.h. insbesondere der geladenen Russteilchen, vernachlässigbar gering ist. Der Messort muss nah genug an der Verbrennungszone gewählt werden, wo die lonenkonzentration n noch gross genug ist, um ein gut messbares Signal zu geben (gegebenenfalls muss ein Kompromiss mit der anderen Forderung bezüglich der Wahl des Messortes getroffen werden). Unter den beiden vorgenannten Vorraussetzungen wird der Messstrom I mit guter Näherung proportional zu n. Immer gehen jedoch kleine Russteilchen mit in die Messgrösse I ein. Selbst wenn deren Anteil nicht unerheblich ist, ergibt sich aber immer noch ein Wert, der als Kriterium für den Zustand der Verbrennung und die ausgestossene Russmenge oder zur Regelung des LBV verwendet werden kann. Based on equation (4), the measuring current is preferred by the charge carriers with high mobility, i.e. the ions, determined. However, the mobility distribution of the charged particles in the exhaust gas (ions and charged soot particles) is continuous. The electric field strength E must therefore be selected so that the deposition of charge carriers is undesirably small mobility, i.e. especially the charged soot particles, is negligible. The measuring location must be chosen close enough to the combustion zone, where the ion concentration n is still large enough to give an easily measurable signal (if necessary, a compromise must be made with the other requirement regarding the choice of the measuring location). Under the two aforementioned conditions, the measurement current I becomes proportional to n with a good approximation. However, small soot particles are always included in the measurement variable I. Even if their share is not insignificant, there is still a value that can be used as a criterion for the state of the combustion and the amount of soot emitted or for regulating the LBV.

Für die zweite Möglichkeit, eine Grösse zu erhalten, die mit n verknüpft ist, wird ein Teil des Abgases von einem elektrischen Wechselfeld EAC durchsetzt. Das Feld wird durch Anlegen einer Wechselspannung zwischen zwei Elektroden erzeugt. Eine der beiden Elektroden kann beispielsweise das Abgasrohr selbst darstellen. Die Ladungsträger im Abgas führen in Phase mit dem Wechselfeld eine Zitterbewegung aus. In einer Messelektrode wird durch diese Ladungsträgerbewegung ein Wechselstrom I gleicher Phase influenziert. Die Messelektrode kann mit einer der beiden felderzeugenden Elektroden identisch sein. I ist proportional zum Produkt aus der Konzentration der Ladungsträger und deren elektrischer Beweglichkeit. Wegen bn =** bN ist dabei wieder l proportional zu n, wobei allerdings auch hier das oben Ausgeführte betreffend die Trennung zwischen beweglicheren Ionen und den unbeweglicheren geladenen Russpartikeln gilt. Dem Messstrom I ist noch ein kapazitiver Strom überlagert. Dieser ist gegenüber Eac um 90° phasenverschoben. I stellt also die Komponente des Gesamtstromes dar, die mit Eac in Phase ist. Zur Ermittlung der Messgrösse I muss daher eine phasenempfindliche Messung (z.B. mittels einer Brückenschaltung) durchgeführt werden. Die Frequenz des Wechselfeldes muss im Verhältnis zur Feldstärke (und der Beweglichkeit der Ionen) so bemessen werden, dass die Amplitude der Zitterbewegung der Ionen klein ist gegenüber dem Abstand der felderzeugenden Elektroden. Andernfalls würde ein merklicher Anteil an den Elektroden abgeschieden. For the second possibility of obtaining a variable that is linked to n, part of the exhaust gas is penetrated by an alternating electrical field EAC. The field is generated by applying an alternating voltage between two electrodes. One of the two electrodes can represent the exhaust pipe itself, for example. The charge carriers in the exhaust gas tremble in phase with the alternating field. An alternating current I of the same phase is influenced in a measuring electrode by this charge carrier movement. The measuring electrode can be identical to one of the two field-generating electrodes. I is proportional to the product of the concentration of the charge carriers and their electrical mobility. Because of bn = ** bN, l is again proportional to n, although what has been said above regarding the separation between more mobile ions and the more immobile charged soot particles also applies here. A capacitive current is also superimposed on the measuring current I. This is 90 ° out of phase with Eac. I thus represents the component of the total current that is in phase with Eac. To determine the measured variable I, a phase-sensitive measurement (e.g. using a bridge circuit) must be carried out. The frequency of the alternating field must be measured in relation to the field strength (and the mobility of the ions) so that the amplitude of the trembling movement of the ions is small compared to the distance between the field-generating electrodes. Otherwise, a noticeable portion would be deposited on the electrodes.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine weitere Messanordnung vorgesehen, die es erlaubt, die Konzentration der Ionen an einem weiteren, vorzugsweise näher am Ort der Verbrennung angeordneten Messort zu bestimmen. According to a preferred embodiment of the invention, a further measurement arrangement is provided which allows the concentration of the ions to be determined at a further measurement location, preferably closer to the combustion location.

Durch geeignete Verknüpfung der beiden gewonnenen Messsignale kann dann die Abnahme der lonenkonzentration zwischen den beiden Messorten absolut oder deren Verhältnis bestimmt werden. Auch ist dann die Grösse RN nach Gleichung (2) bzw. (3) absolut bestimmbar, sofern man den zusätzlichen Konzentrationswert als n0 verwendet. By a suitable combination of the two measurement signals obtained, the decrease in the ion concentration between the two measurement sites can be determined absolutely or the ratio thereof. The quantity RN can then also be determined absolutely according to equation (2) or (3), provided that the additional concentration value is used as n0.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen: Brief description of the drawings:

Im folgenden werden einige mögliche Ausführungsbeispiele für eine Vorrichtung nach der Erfindung erläutert, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird. Some possible exemplary embodiments of a device according to the invention are explained below, reference being made to the accompanying drawings.

In den Zeichnungen zeigt: In the drawings:

Fig. 1 eine Vorrichtung mit einer stabförmigen, in einen Kamin hineinragenden, Messelektrode, 1 shows a device with a rod-shaped measuring electrode protruding into a chimney,

Fig. 2 eine Vorrichtung mit einer ausserhalb eines Kamins angeordneten, von einem Teil des Abgases durchströmten Messzelle mit einer Mess- und einer Hilfselektrode, 2 shows a device with a measuring cell arranged outside a chimney and through which part of the exhaust gas flows, with a measuring and an auxiliary electrode,

Fig. 3 eine Vorrichtung, bei welcher eine Messelektrodenanordnung mit einer in einen Kamin hineinragenden stabförmigen Messelektrode als unbekannte Impedanz in eine Brückenschaltung geschaltet ist, 3 shows a device in which a measuring electrode arrangement with a rod-shaped measuring electrode protruding into a chimney is connected as an unknown impedance in a bridge circuit,

Fig. 4 eine Vorrichtung, bei welcher eine in einem Kamin angeordnete, aus einer Mess- und einer Hilfselektrode bestehende Elektrodenanordnung als unbekannte Impedanz in eine Brückenschaltung geschaltet ist, und 4 shows a device in which an electrode arrangement arranged in a chimney and consisting of a measuring and an auxiliary electrode is connected as an unknown impedance in a bridge circuit, and

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Fig. 5 eine Vorrichtung, bei der zwei Elektrodenanordnungen in unterschiedlicher Entfernung vom Ort der Verbrennung im Abgasstrom angeordnet und ebenfalls wieder in eine Brücke geschaltet sind. 5 shows a device in which two electrode arrangements are arranged at different distances from the point of combustion in the exhaust gas stream and are also connected again in a bridge.

Weae zur Ausführung der Erfindung: Weae for carrying out the invention:

Fig. 1 zeigt eine Anordnung, bei der ein leitender, als Messelektrode dienender Stab 11 an einem Messort x in ein Kaminrohr 14 hineinragt. Der Stab wird durch eine Gleichspannungsquelle 12 über einen Messverstärker 13 auf einem Potential U gegenüber dem hier als weitere bzw. Gegenelektrode dienenden Kaminrohr 14 gehalten, das selbst auf Erdpotential liegt. Bei der eingezeichneten Polarität der Spannung U werden die negativen Ladungsträger in Richtung zur Messelektrode abgelenkt und zumindest zum Teil auf dieser abgeschieden. Der dadurch zur Messelektrode fliessende Strom wird im Stromverstärker 13 in eine Spannung umgesetzt, die gegen Erdpotential noch um U verschoben ist. Z.B. mit Hilfe eines Trennverstärkers 15 kann Erdpotential als Bezugspunkt erreicht werden. 1 shows an arrangement in which a conductive rod 11 serving as a measuring electrode projects into a chimney pipe 14 at a measuring location x. The rod is held by a DC voltage source 12 via a measuring amplifier 13 at a potential U with respect to the chimney pipe 14 which serves here as a further or counterelectrode and which itself is at ground potential. With the polarity of the voltage U shown, the negative charge carriers are deflected in the direction of the measuring electrode and at least partially deposited on the latter. The current flowing to the measuring electrode is converted in the current amplifier 13 into a voltage which is still shifted by U against earth potential. E.g. With the help of an isolating amplifier 15, earth potential can be reached as a reference point.

Um zu verhindern, dass Ströme durch den Isolator 16, der die Messelektrode haltert, die Messung stören, ist dieser selbst durch eine Elektrode 17 auf Potential U, also dem gleichen wie die Messelektrode selbst, gehaltert. Über dem Isolator liegt dann keine Spannung (ausser der sehr kleinen Offsetspannung des Verstärkers), und demzufolge fliesst auch bei nicht-idealem Isolator nur ein vernachlässigbar kleiner Störstrom. Die Zwischenelektrode 17 ist durch einen weiteren Isolator 18 an einem Gehäuse 19 befestigt. Diese Anordnung («guarding») erlaubt die Messung auch sehr kleiner Ströme (im pA-Bereich, typischer Messstrom: 20-40 pA) unter Bedingungen, wie sie im Abgasrohr herrschen. In order to prevent currents through the insulator 16, which holds the measuring electrode, from interfering with the measurement, the latter is itself held by an electrode 17 at potential U, that is to say the same as the measuring electrode itself. There is then no voltage across the isolator (apart from the very small offset voltage of the amplifier), and consequently only a negligibly small interference current flows even when the isolator is not ideal. The intermediate electrode 17 is fastened to a housing 19 by a further insulator 18. This arrangement («guarding») allows the measurement of even very small currents (in the pA range, typical measuring current: 20-40 pA) under conditions that prevail in the exhaust pipe.

Eine andere Variante zeigt Fig. 2. Hier wird nicht direkt im Abgasstrom gemessen, sondern ein kleiner Teil des Abgases abgesaugt und extern gemessen. In einem Gehäuse 21 befindet sich eine Hilfselektrode 22, befestigt über einen Isolator 25, an der die Spannung U anliegt, erzeugt durch eine Gleichspannungsquelle 24. Die Messelektrode 23 ist diesmal auf Erdpotential und durch den Isolator 27 gehaltert, Der Messverstärker 26 liefert demzufolge ein Signal gegen Erdpotential. Mit einer kleinen Pumpe oder einem Gebläse 28 wird das Abgas durch die Apparatur gesaugt oder geblasen. Another variant is shown in FIG. 2. Here it is not measured directly in the exhaust gas flow, but a small part of the exhaust gas is extracted and measured externally. In a housing 21 there is an auxiliary electrode 22, fastened via an insulator 25 to which the voltage U is applied, generated by a DC voltage source 24. This time, the measuring electrode 23 is at ground potential and is held by the insulator 27. The measuring amplifier 26 accordingly delivers a signal against earth potential. The exhaust gas is sucked or blown through the apparatus with a small pump or blower 28.

Die Ausführungsart nach Fig. 3 macht von einer Brückenschaltung Gebrauch. U repräsentiert eine Gleich- oder Wechselspannungsquelle, Zi, Z2, und Z3 sind elektrische Impedanzen. Eine Messelektrode, wie in Fig. 1 dargestellt, und die sie umgebende Kaminrohrwand als weitere Elektrode bilden zusammen mit dem Abgas eine als unbekannte (zu messende) Impedanz bezeichnete Impedanz 2*. In bekannter Weise kann der ohm'sche Anteil dieser Impedanz mittels einer Wheatstone'schen Brücke der in Fig. 3 skizzierten Art gemessen werden. Für die vorliegende Anwendung ist lediglich wichtig, dass der im Ampèremeter A gemessene Brückenstrom I die Differenz aus den Strömen durch die Impedanzen Z3 und Zx ist. Zi und Zz werden hier als Referenzimpedanzen bezeichnet. 3 makes use of a bridge circuit. U represents a direct or alternating voltage source, Zi, Z2, and Z3 are electrical impedances. A measuring electrode, as shown in FIG. 1, and the chimney pipe wall surrounding it as a further electrode, together with the exhaust gas, form an impedance 2 * known as an unknown (to be measured) impedance. The ohmic component of this impedance can be measured in a known manner by means of a Wheatstone bridge of the type sketched in FIG. 3. It is only important for the present application that the bridge current I measured in the ammeter A is the difference between the currents through the impedances Z3 and Zx. Zi and Zz are referred to here as reference impedances.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform ebenfalls wieder mit Brückenschaltung, in der eine stabförmige Messelektrode von einer zylindrisch ausgebildeten Hilfselektrode koaxial umgeben ist. Mess- und Hilfselektrode sind im Abgasstrom achsparallel zur Stömungsrichtung angeordnet und bilden zusammen wieder die unbekannte Impedanz Zx in der dargestellten Brückenschaltung. Die Impedanz Z3 der Brücke ist hier gleichartig wie Zx aufgebaut, jedoch nicht im Abgasstrom angeordnet. Zi und Zz sind als gleich grosse ohm'sche Widerstände ausgebildet. U ist in dieser Ausführungsform eine Wechselspannung. Da Z3 nicht vom Abgas durchströmt wird, heben sich die kapazitiven Ströme durch Z3 und Zx auf, und I ist gleich dem ohm'schen Strom der Ladungsträger, die sich zwischen Messelektrode und Hilfselektrode befinden und somit proportional zu n. Gleichung (2) gibt dann approximativ die Verknüpfung mit RN an. Um die Impedanzen der Brücke exakt so einzustellen, dass sich die kapazitiven Anteile von Z3 und Zx aufheben und dass der Brückenstrom genau gleich Z3-Zx ist, sind variable Widerstände Ra und Rb und variable Kapazitäten Ca und Cb in Serie mit Z3 und Zx geschaltet. 4 again shows an embodiment with a bridge circuit, in which a rod-shaped measuring electrode is coaxially surrounded by a cylindrical auxiliary electrode. The measuring and auxiliary electrodes are arranged in the exhaust gas stream parallel to the direction of flow and together again form the unknown impedance Zx in the bridge circuit shown. The impedance Z3 of the bridge is constructed here in the same way as Zx, but is not arranged in the exhaust gas flow. Zi and Zz are designed as ohmic resistors of equal size. U is an AC voltage in this embodiment. Since the exhaust gas does not flow through Z3, the capacitive currents through Z3 and Zx cancel each other out, and I is equal to the ohmic current of the charge carriers that are located between the measuring electrode and auxiliary electrode and is therefore proportional to n. Equation (2) then gives approximates the link with RN. In order to set the impedances of the bridge exactly so that the capacitive components of Z3 and Zx cancel each other and that the bridge current is exactly the same as Z3-Zx, variable resistors Ra and Rb and variable capacitances Ca and Cb are connected in series with Z3 and Zx.

In einer in Fig. 5 dargestellten Abwandlung dieser Ausführung ist auch die Impedanz Z3 vom Abgas durchströmt. Der Strom I ist dann proportional zur Differenz der lonenkonzentrationen n3 und nx in den betreffenden Abgasfraktionen. Wird die eine Abgasprobe näher bei der Verbrennung, d.h. kürzere Zeit danach erfasst, so ist die Messgrösse (n3-nx) über Gleichung 3 (no durch n3 und n durch nx zu ersetzen) näherungsweise proportional zur Rauchmenge RN. In a modification of this embodiment shown in FIG. 5, the exhaust gas also flows through the impedance Z3. The current I is then proportional to the difference between the ion concentrations n3 and nx in the relevant exhaust gas fractions. If the one exhaust gas sample is closer to combustion, i.e. measured for a shorter time thereafter, the measured variable (n3-nx) is approximately proportional to the smoke quantity RN via equation 3 (no to be replaced by n3 and n by nx).

Die Impedanzen Zi und Z2 können, wie in Fig. 5 angegeben, auch Sekundärwicklungen eines Transformators T sein. Die so realisierte induktive Kopplung der Wechselspannung an die Brückenschaltung ermöglicht eine Potentialtrennung, so dass eine Seite des Ampèremeters A mit dem Abgasrohr auf Erdpotential gelegt werden kann. As indicated in FIG. 5, the impedances Zi and Z2 can also be secondary windings of a transformer T. The thus implemented inductive coupling of the AC voltage to the bridge circuit enables potential isolation, so that one side of the ammeter A with the exhaust pipe can be connected to earth potential.

Bei Doppelmessung hat die Benutzung einer Wechselspannung den Vorteil, dass nur wenige Ionen an den Messelektroden abgeschieden werden. Die lonenkonzentration in Zx wird deshalb nicht durch eine Reduktion der lonenkonzentration in Z3 verfälscht. With double measurement, the use of an alternating voltage has the advantage that only a few ions are deposited on the measuring electrodes. The ion concentration in Zx is therefore not falsified by a reduction in the ion concentration in Z3.

Claims

1. Device for monitoring combustion processes with at least one measuring arrangement arranged at a measuring location in the exhaust gas stream and emitting an electrical measuring signal, thereby

5

10th

15

20th

25th

30th

35

40

45

50

55

CH 680 238 A5

characterized in that the measuring arrangement is designed in such a way that the electrical signal emitted by it is correlated with the concentration of electrical charge carriers generated during combustion at the measuring location, which are also able, due to a sufficiently high electrical mobility, to be present in the exhaust gas to deposit floating particles generated during combustion with less electrical mobility, and that the measuring location is selected as close as possible to the location at which the change in concentration of the named electrical charge carriers as a result of a change in the concentration of the floating particles is maximum compared to a concentration resulting under favorable combustion conditions.

2. Device according to claim 1, characterized in that the measuring arrangement is provided with a measuring electrode insulated from earth, which has an at least temporarily different electrical potential with respect to at least one further electrode arranged in its vicinity, the potential difference between the measuring electrode and the at least one further electrode is generated by a voltage source and the electrodes are arranged such that at least part of the exhaust gas flow is penetrated by the electrical field which is at least temporarily present between the electrodes.

3. Device according to claim 2, characterized in that the voltage source is a DC voltage source, the voltage of which is dimensioned such that said charge carriers are preferably deposited on the measuring electrode in comparison with other charge carriers in the exhaust gas and that the one influenced or flowing out in the measuring electrode Current serves as a measurement signal.

4. The device according to claim 2, characterized in that the voltage source is an AC voltage source, the voltage amplitude and frequency are dimensioned such that the amplitude of the trembling movement of said charge carriers in the electrical alternating field between the electrodes is small compared to the distance between the electrodes.

5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the measuring electrode protrudes from the outside through the wall of an exhaust gas duct provided for guiding at least part of the exhaust gas flow into the exhaust gas flow and is held outside the exhaust gas duct by a first insulator, that for holding this insulator is provided with an essentially the same potential as the measuring electrode and that this further electrode is in turn supported by a further insulator against earth.

6. The device according to claim 5, characterized in that the further electrode is formed by the inner wall of the exhaust duct.

7. Device according to one of claims 2 to 6, characterized in that a current amplifier is provided, which is connected on the one hand to the measuring electrode and on the other hand to the potential generated by the voltage source, defined to earth.

8. The device according to claim 7, characterized in that the current amplifier is followed by an isolation amplifier.

9. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the measuring electrode concentrically receives the further, serving as an auxiliary electrode or this measuring electrode and that both electrodes with respect to their axis in the flow direction of the exhaust gas in a to guide at least part of the exhaust gas flow provided exhaust duct are arranged.

10. Device according to one of claims 2 to 4 or 9, characterized in that a current amplifier is provided, which is connected on the one hand to the measuring electrode and on the other hand to earth and that the further electrode as an auxiliary electrode to the one generated by the voltage source, defined against earth Potential is switched.

11. The device according to one of claims 4 to 10, characterized in that the impedance formed from the measuring electrode, the further electrode and the exhaust gas located between them is connected as an unknown impedance together with reference impedances in a Wheatstone bridge circuit such that the reference impedances are such are selected or can be set so that the bridge current is exactly equal to the ohmic component of the total current flowing through the unknown impedance which is in phase with the voltage of the AC voltage source, and that the bridge current serves as a measured value.

12. The apparatus according to claim 11, characterized in that one of the reference impedances is constructed in the same way as the impedance formed from the measuring electrode and the further electrode, but is not arranged in the exhaust gas stream.

13. The device according to one of claims 1 to 12, characterized in that at a further, preferably closer to the location of the combustion location in the exhaust gas stream, a further, an electrical measurement signal measuring arrangement is provided, which is designed such that the emitted by it electrical signal is correlated with the concentration of electrical charge carriers generated during the combustion at this further location, which, due to a sufficiently high electrical mobility, are able to attach to suspended particles in the exhaust gas, also generated during the combustion, with a lower electrical mobility and that means are provided to link the measurement signals of both measurement arrangements to one another to form a combined measurement signal.

14. The apparatus according to claim 13, characterized in that the said means so trained

6

5

10th

15

20th

25th

30th

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45

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55

60

65

CH 680 238 A5

Det are that the combined measurement signal corresponds to the ratio of the measurement signals of the two measurement arrangements.

15. The apparatus according to claim 13, characterized in that the said means are designed so that the combined measurement signal corresponds to the difference between the measurement signals of the two measurement arrangements.

16. The device according to claims 2 and 13 or 2 and 15, characterized in that the impedance formed from the measuring electrode, the further electrode and the exhaust gas located between them is identical and connected together with reference impedances in two adjacent branches of a Wheatstone bridge circuit are that the reference impedances are selected or adjustable so that the bridge current is just equal to the difference between the ohmic portions of the currents flowing through the impedances mentioned and in phase with the voltage of the AC voltage source, and that the bridge current serves as a combined measured value.

17. Device according to one of claims 11, 12 or 16, characterized in that two of the reference impedances are secondary windings of a transformer which is connected on the primary side to the AC voltage source.

18. Device according to one of claims 1 to 17, characterized in that the measuring arrangement is arranged in a branch pipe connected to the exhaust duct provided for guiding the exhaust gas flow.

19. The apparatus according to claim 18, characterized in that a pump or a blower is provided in order to suck or blow exhaust gas from the exhaust duct through the branch pipe.

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