CN102128772B - 带颗粒的流动气体的颗粒尺寸和/或浓度确定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带颗粒的流动气体的颗粒尺寸和/或浓度确定装置及方法，该装置包括：导气管路；多色的光源单元(4)，其被布置成基本上以相对于气体流动方向成直角的方式指向导气管路的区域并照射到分别在该区域中流动的气体体积上；以及构造用于同时对多个波长范围探测的色彩传感器(18)或光谱分析器(18)。色彩传感器/光谱分析器(18)以相对于多色的光源单元(4)发射方向成角度的方式布置，从而所述导气管路的被观测的区域的散射光部分来到色彩传感器/光谱分析器上。通过色彩传感器/光谱分析器(18)对导气管路的被观测的区域的散射光部分的波长范围的强度同时进行获取，从所获取的强度中能确定颗粒尺寸和/或颗粒浓度。

Description

带颗粒的流动气体的颗粒尺寸和/或浓度确定装置及方法

技术领域

本发明涉及用于确定携带颗粒的流动气体中，特别是机动车排气系统的废气中的颗粒尺寸和/或颗粒浓度的装置及方法。

背景技术

目前，在对柴油机动车作定期废气检测时，需要检查炭黑排放与颗粒排放。目前所用的暗度计并不够灵敏，因而不能够检测出装有柴油颗粒过滤器的机动车中的低颗粒浓度和小颗粒。

通过US 2009/0079981A1，一种用于测量结成物浓度和平均结成物尺寸的基于激光的装置及基于激光的方法已为人所知。该专利申请文件所描述的装置包括：光源；用于形成样本体积的聚焦透镜；第一光传感器，其以与光束形成第一角度位置的方式布置；以及第二光传感器，其以与光束的第一方向形成第二角度位置的方式布置。平均颗粒尺寸与颗粒浓度是通过应用由第一和第二传感器所测得的分散光线的几乎不变的关系函数来确定的。

JP 2003/114192A公开了一种用于测量粒状物料的仪器及方法。该小型仪器装备有光投影仪，这种光投影仪把可见光以与排气管出口附近的气体流动方向呈斜向的方式投射到从机动车的排气系统中排出的废气上。另外，这种仪器还包括一个位于所述排气系统的侧面上且与投影仪相对的位置上的光接收器，该光接收器处于这样一种状态，即其光接收面朝向与废气流动方向相对置的方向。当包含在废气中的颗粒受到由排气系统内侧面上的光投影仪投射出的可见光的照射时，会产生发散光线，借助于光接收器，所述发散光线被上述仪器所接收。基于所述发散光线中包含的强度信号即可测量颗粒。

在该专利申请文件中所描述的装置及方法是繁复的。因此仅能有限地探明废气中的低颗粒浓度和小颗粒。

发明内容

因此本发明的目的是提出一种成本合理的装置及所属的方法，利用所述装置及方法，即便是低颗粒浓度以及包含在废气中的微小颗粒也能被可靠地获取到。

这一目的是通过各独立权利要求中所阐述的对象得以实现的。其他有利的改进方案可从各从属权利要求中获知。

根据本发明的装置用于确定携带颗粒的流动气体的尤其来自机动车排气系统的废气的颗粒尺寸和/或颗粒浓度，其包括：导气管路；多色的光源单元，该光源单元是这样布置的，即其基本上以相对于气体流动方向成直角的方式指向所述导气管路的区域并且照射到分别在该区域中流动的气体体积上；以及构造用于同时对多个波长范围进行探测的色彩传感器，或者光谱分析器。所述色彩传感器/光谱分析器以相对于所述多色的光源单元的发射方向成一定角度的方式布置，从而使得导气管路的被观测的区域的散射光部分来到该色彩传感器/光谱分析器上。

通过所述色彩传感器/光谱分析器对导气管路的被观测的区域的散射光部分的波长范围的强度同时进行获取，从所获取的强度中能够确定出颗粒尺寸和/或颗粒浓度。

在这里，多色的光源单元可被构造成发射多种色彩的多色光源，或者，其也可被构造成多个发射不同波长的光的单元，例如四色LED。

根据作为本发明基础的发明人的认知，发散光的强度对于预定的角度而言取决于波长与颗粒尺寸的关系。

根据本发明的基本思想，只采用唯一一个色彩传感器或光谱分析器，其能够同时获取至少两个波长。从所获取的至少两个波长可以推导出颗粒尺寸和/或颗粒浓度。

与需要两个光传感器的传统装置相比，根据本发明的装置可被构建得更为简单，并能够以更低的成本来制造。通过对发散光部分的多个波长范围进行分开观测，就能够可靠地探测到低颗粒浓度以及包含在废气中小颗粒。由根据本发明的装置给出的颗粒浓度及颗粒尺寸的结果是极具说服力的。

根据本发明的另一实施例，由所获取的波长范围的绝对强度能够确定出颗粒浓度并且从所获取的波长范围的强度的关系能够确定出颗粒尺寸。

在从同时获取的波长范围的强度中确定颗粒尺寸和/或颗粒浓度时，有利的是可以把专业人员所公知的米氏或瑞利散射理论作为基础，该理论描述了与入射的多色光线的强度有关、与颗粒数量有关、与波长和颗粒尺寸的关系有关以及与色彩传感器/光谱分析器的观测角有关的散射光的强度。

根据本发明的另一实施例，由多色的光源单元射出并被色彩传感器/光谱分析器所获取的波长范围可以是可见光的红光区、黄光区以及蓝光区。同样，由多色的光源单元发射出并被色彩传感器/光谱分析器所获取的波长范围可以是紫外线区与红外线区。

平均的颗粒尺寸d可根据包含可见光的红光区、黄光区及蓝光区的强度的函数来确定。颗粒浓度c可根据仅考虑可见光的波长范围的强度的函数来确定。

色彩传感器/光谱分析器相对于多色的光源单元成角度地设置，该角度可在15至165°，尤其是在30至75°的范围内。

根据本发明的另一实施例，在多色的光源单元与导气管路的被观测的区域之间的光路中布置有至少一个聚焦单元，特别是聚焦透镜。因此，多色的光束可被精确地定向到导气管路的被观测的区域上。

根据本发明的另一实施例，在导气管路的被观测的区域的后面布置有用于多色的光源单元的未被转向的光部分的光接收器(Lichtsenke)。利用这样的光接收器，可以有效地避免反射、干扰及散射效应。

本发明还涉及一种用于确定携带颗粒的流动气体尤其来自机动车排气系统的废气的颗粒尺寸和/或颗粒浓度的方法，该方法包括下列步骤：通过导气管路持续地导送气体；通过基本上与气体流动方向成直角地布置的多色的光源单元对导气管路的区域进行照射；通过与所述多色的光源单元的发射方向成一定角度布置的色彩传感器或光谱分析器来对导气管路的被观测的区域的散射光部分的多个波长范围的强度同时进行获取；从通过所述色彩传感器或光谱分析器同时获取的波长范围的强度中确定出颗粒尺寸和/或颗粒浓度。

被观测气体中的颗粒可尤其是在内燃机燃烧时产生的炭黑颗粒。

这种方法能够简单地实施，而且提供用于气体中的颗粒尺寸和/或颗粒浓度的有说服力的数值。此外，因为只需设置一个色彩传感器或光谱分析器，所以该方法的测量装置结构能够更简单且以更低的成本来实现。

前文所述的以根据本发明的装置来实施的各种实施例及其各自具有的优点在根据本发明的用于确定携带颗粒的流动气体中，特别是机动车排气系统的废气中的颗粒尺寸和/或颗粒浓度的方法中，也以同样的方式体现在各自与方法相适合的设计方案中。为避免重复，对于所述方法，将不再对这些实施例进行再次解释。

本发明也可作为利用多色光的散射光测量装置转用于探测大气浮尘中的颗粒尺寸。

附图说明

下面，借助于实施例并参照附图对本发明进行详细说明。

图1示出了本发明的实施例在确定机动车排气系统的废气中的颗粒浓度的测量原理图；以及

图2示出了根据本发明的实施例，在由如图1所示的色彩测量光传感器确定出的红色部分、黄色部分以及蓝色部分的波长范围确定平均的颗粒尺寸d与颗粒浓度c时所用的计算原理图。

具体实施方式

图1示出了本发明的一个实施例在确定机动车排气系统的废气中的颗粒浓度的测量原理图2。

其设置有多色光源4，该光源发散出具有红色部分6的波长范围、黄色部分8的波长范围以及蓝色部分10的波长范围的多色光束12。所色光束12投射到垂直于废气颗粒样本14的测量室中。所述测量室系一持续地被废气穿流的开放装置。因此，废气沿着垂直于图1所在之绘图平面的方向持续地流动过所述测量室，因而在时间过程中，受到照射的总是不同的颗粒样本。接着，多色光束12中未被转向的部分到达光接收器16中。因此，多色光束12中未散射的范围消失在光接收器16中，从而避免了因反射而引起的非所希望的反射或干扰效应。

另外，置有色彩测量传感器18，其以与来自多色光源4的多色光束12成一限定角度(在本例中示范性地取60°)的方式布置在所述测量室4的附近。色彩测量传感器18被构造用于同时探测多个波长范围，在本发明中尤其是红色部分20的波长范围、黄色部分22的波长范围以及蓝色部分24的波长范围。因此，所述色彩测量传感器18以这样的方式布置在废气通流管的附近，即其能够接收到被废气通流管中的废气样本所散射的光的散射光部分，而且能够同时探测到该散射光的多个波长范围。

多色光源4尤其可以是多色白光光源。一般地，采用的色彩测量光传感器18可以是通常用于色彩测量的那种类型。这种色彩测量光传感器尤其可被构造为能够同时对三或四个色彩部分的光谱部分强度分别进行确定。

作为前述色彩测量光传感器18的可选方案，还可以应用光谱分析器，该光谱分析器可以用于分析在被观测波长范围内的散射光的全部色谱。

为使得多色光束12能够投射到废气通流管的被观测的区域上，并使散射光部分能够到达色彩光传感器18，所述废气通流管在该区域中被透明的壁尤其是玻璃壁包围，或者所述废气通流管在该位置处完全没有壁。

根据作为本发明基础的发明人的认知，在预定角度上的发散光强度除了多色光束12的强度和颗粒浓度14之外，还取决于波长与颗粒尺寸的关系。

因为在目前的测量原理图2中，红色部分6、黄色部分8以及蓝色部分10的色彩成分的强度是被同时确定的，所以可从这些信息中确定出颗粒尺寸。

此外还可以设置一与所述多色光源4和色彩测量光传感器18连接在一起的计算与控制单元。

图2示出了一个由所述色彩测量光传感器18确定出的红色部分20、黄色部分22以及蓝色部分24的波长范围来确定平均的颗粒尺寸d与颗粒浓度c时所用的计算原理图26。

在这里，这种计算优选在一未在附图中示出的计算单元中执行。

根据本发明，在观测角度固定且颗粒尺寸已给定的情况下，对不同波长的信号的相关性进行观测。

由于在测量室中的废气样本14的颗粒分布的关系，由色彩测量光传感器18接收到的红色部分20、黄色部分22以及蓝色部分24的信号是不同的，这是因为对于这三种色彩成分，波长与平均颗粒尺寸之间的关系是不同的。

从三种强度信号，即红色部分20的I(S1)、黄色部分22的I(S2)以及蓝色部分24的I(S3)可以根据计算函数d＝f(I(S1)，I(S2)，I(S3))确定出平均颗粒尺寸。

而从色彩测量光传感器18的单个输出信号的绝对强度中可以推导出颗粒浓度c[mg/m³]，也就是但闻体积中的颗粒数量。作为示例，对于蓝色部分24的由色彩测量光传感器18所产生的强度信号I(S3)，颗粒浓度借助于计算函数c＝g(I(S3))来表示。

为此要应用瑞利的理论以及米氏理论。瑞利散射描述的是极小颗粒(d＜＜A)的特性，它获得了如下项：

1.角相关性(Φ)；

2.颗粒尺寸与激光波长之间的关系；

3.颗粒折射率(n)；

4.颗粒到传感器的距离(R)。

根据所述瑞利散射的强度方程如下：

$\begin{array}{c}I=I_0\·\frac{1+{\cos }^2\mathrm{\φ}}{2R^2}\·{\left(\frac{n^2-1}{n^2+2}\right)}^2\·{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right)}^4\·{\left(\frac{d}{2}\right)}^6\\ \begin{array}{ccc}\left(1\right)& \left(3\right)& \left(2\right)\end{array}\end{array}$

在实施根据本发明的方法之前，将测量室的导气管路(未示出)与排气系统，尤其是机动车的排气管连接在一起，然后使机动车的内燃机，特别是柴油机运行，从而使来自所述机动车的排气系统的废气流动过导气管路。这对专业人员而言是公知的，在此无需赘述。

现在可从色彩测量传感器18获取的被探测波长范围的绝对强度确定出颗粒浓度，并可以从色彩测量传感器18获取的波长范围的强度关系确定出颗粒尺寸。

关于颗粒尺寸的信息可选择用于提高颗粒浓度测量的精确性。

Claims (10)

1.用于确定携带颗粒的流动气体的颗粒尺寸和/或颗粒浓度的装置，包括：

导气管路；

多色的光源单元(4)，该光源单元被如此设置，从而该光源单元以相对于气体流动方向成直角的方式指向所述导气管路的区域并且照射到分别在该区域中流动的气体体积上；以及

光谱分析器或者色彩传感器(18)，所述色彩传感器被构造用于同时对多个波长范围进行探测；

其中，所述色彩传感器/光谱分析器(18)以相对于所述多色的光源单元(4)的发射方向成一定角度的方式布置，从而使得所述导气管路的被观测的区域的散射光部分来到该色彩传感器/光谱分析器上，并且

其中，通过所述色彩传感器/光谱分析器(18)对所述导气管路的被观测的区域的散射光部分的波长范围的强度同时进行获取，从所获取的强度中能够确定出颗粒尺寸和/或颗粒浓度，而且

其中，从所获取的波长范围的绝对强度中能够确定颗粒浓度并且从所获取的波长范围的强度的关系能够确定颗粒尺寸。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述流动气体是来自机动车排气系统的废气。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，在从同时获取的波长范围的强度中确定颗粒尺寸和/或颗粒浓度时将米氏或瑞利散射理论作为基础，所述理论描述了与入射的多色光线的强度、颗粒数量、波长和颗粒尺寸的关系有关的散射光的强度。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中，由所述多色的光源单元(4)射出并通过所述色彩传感器/光谱分析器(18)获取的波长范围是可见光的红光区、黄光区以及蓝光区。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，颗粒浓度测量的测量值的精确性借助于有关平均的颗粒尺寸的信息得到改善。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述色彩传感器/光谱分析器(18)相对于多色的光源单元成角度地设置，该角度处在15至165°的范围内。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述角度处在30至75°的范围内。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，在所述多色的光源单元(4)与所述导气管路的被观测的区域之间的光路中布置了至少一个聚焦单元，并且/或者在所述导气管路的被观测的区域的后面设置了用于所述多色的光源单元(4)的未被转向的光部分的接收器(16)。

9.用于确定携带颗粒的流动气体的颗粒尺寸和/或颗粒浓度的方法，包括下列步骤：

通过导气管路持续地导送气体；

通过与气体流动方向成直角地布置的多色的光源单元(4)对所述导气管路的区域进行照射；

通过与所述多色的光源单元(4)的发射方向成一定角度地布置的色彩传感器(18)或光谱分析器(18)来对所述导气管路的被观测的区域的散射光部分的多个波长范围的强度同时进行获取；并且

从通过所述色彩传感器/光谱分析器同时获取的波长范围的强度中确定颗粒尺寸和/或颗粒浓度，

其中，从所获取的波长范围的绝对强度中能够确定颗粒浓度并且从所获取的波长范围的强度的关系能够确定颗粒尺寸。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述流动气体是来自机动车排气系统的废气。