CN111699376A - 用于求得测量气体的测量参数的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于借助于光声的方法求得测量气体(2)的测量参数的测量装置(1)。测量装置(1)具有用于测量气体(2)的流动通道(3)，流动通道具有至少一个输入管路(4)、光声的测量单元(5)和输出管路(6)。测量装置(1)具有至少一个与测量单元(5)的有效频率(18)相匹配的声音滤波元件(8)，声音滤波元件包括至少一个布置在流动通道(3)上的空腔谐振器(7)。

Description

用于求得测量气体的测量参数的测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于借助于光声的方法求得测量气体的测量参数的测量装置，其中，测量装置具有用于测量气体的流动通道，流动通道具有至少一个输入管路、光声的测量单元和输出管路。

此外，本发明涉及一种用于抑制在用于借助于光声的方法求得测量气体的测量参数的测量装置中的噪声干扰的方法，其中，通过流动通道引导测量气体，流动通道在至少一个输入管路、光声的测量单元和输出管路上延伸。

背景技术

对于在气体和颗粒测量技术的多个领域中的测量方法来说，非常成功地使用了光声光谱技术(PAS)。在此，借助于强度调制的激光器激励待检查的测量气体(气溶胶)在声音谐振的测量单元中进行密度或压力振动。由麦克风接收该声音信号并且将其转换成电信号。

相应的系统例如用于求得在内燃气的废气中的碳黑颗粒的质量浓度[mg/m³]。

由麦克风接收的声音频谱也包括来自不同源头的不期望的干扰频率，例如流入的测量气体的流动噪声，发动机噪声或者同样不同的环境噪声以及振动(结构声)。在此，声音主要具有以下路径：

-通过到测量单元的输入/输出管路，作为由管路的壁传输的空气声或结构声；

-通过测量单元的环境，同样作为例如通过测量单元的固定装置传输的空气声或结构声。

为了抑制干扰，例如可通过使用减振元件，例如橡胶缓冲件抑制在测量单元固定装置上的结构声，设备壳体可设有双重的壁，以隔绝来自环境的空气声，并且潜在的设备内部的干扰源(泵，通风机等)可相应地支承(例如通过橡胶缓冲件)或者安装在外部的壳体中。此外，例如可相应于有效频率选择麦克风和随后的放大器的频率。也可通过合适的材料选择有目的地影响干扰因素。

尽管已经采取的措施多种多样，还是存在进一步改善干扰抑制的需求。尤其是，在空气声路径上通过输入和输出管路到达PAS测量单元中的干扰是很大的问题。排气流量选择地越大(这有助于改善动力)，流动噪声就越大。

发明内容

本发明的目的是，在高的流动速度下也有效地抑制干扰噪声，并且提高测量装置的测量精度和可靠性。

根据本发明，通过以下方式通过开头所述类型的测量装置实现该目的和其它目的，即，测量装置具有至少一个与测量单元的有效频率相匹配的声音滤波元件，声音滤波元件包括至少一个布置在流动通道上的空腔谐振器。

在此，优选地，空腔谐振器的内部与流动通道的内部相连接。声音滤波元件有效地消除在有效频率的范围中的干扰频率。作为空腔谐振器，单侧地朝向流动通道敞开的空腔谐振器是优选的。可通过各个空腔谐振器的形状、大小以及必要时相对彼此的布置有目的地影响声音滤波器的期望的特性。

与本发明的公开内容相结合，将为了求得测量特性而被评估的频率称为“有效频率”。一般来说，这是测量单元的谐振频率，并且一般来说，有效频率与测量单元的激光器的激励频率一致。必要时，测量单元也可以不同的有效频率运行。例如，在用于求得内燃机废气中的炭黑颗粒的质量浓度的测量装置中，在约1000至12000Hz的范围中的有效频率被视为有利的，然而其中，根据相应的应用，也可合理地使用其它频率范围。

以有利的方式，空腔谐振器的轴线垂直于流动通道的轴线定向。这允许空腔谐振器的简单的结构，其声音特性可良好地求得。

以有利的方式，至少一个空腔谐振器构造成具有第一和第二颈部区段的双侧的空腔谐振器，其中，优选地，第一颈部区段与第二颈部区段相对置地布置。由此，在声压曲线中，负的声压放大的峰值变宽。

在另一有利的实施方式中，声音滤波元件具有多个相继通入流动通道中的空腔谐振器。由此，在声压曲线中，可在不同的频率上实现多个负的峰值。峰值在频率曲线中的准确位置基本上取决于谐振器颈部的长度。可通过相应的常规的试验求得空腔谐振器的确定形式或空腔谐振器的确定的布置方案对声压曲线的作用。由此，对于本领域技术人员来说可行的是，在了解到本公开的教导的情况下，提供适合用于给定的测量装置的声音滤波元件。

以有利的方式，至少一个声音滤波元件设计成用于在包括有效频率的基础频率的第一频率范围中的负的声压放大。由此，有目的地减小相应的测量单元在其中工作的频率场中的干扰噪声。

在另一有利的实施方式中，至少一个声音滤波元件设计成用于在至少一个包括有效频率的多倍的基础频率的第二频率范围中的负的声压放大。由此，通过将多个空腔谐振器组合，可有效地减弱并抑制一个或多个频率范围。

在一种优选的实施方式中，至少一个空腔谐振器构造成柱形。柱形的空腔谐振器可简单地制造，并且也可简单地清洁。除了利用相对简单的计算和仿真模型设计声音滤波元件之外，可实现高的精度。

以有利的方式，至少两个空腔谐振器构造成柱形的，并且具有不同的长度和/或不同的直径。通过使用多个具有稍微变化的长度的空腔谐振器，可在声压曲线中实现例如更宽的、然而不是非常深的凹陷部或者说负的峰值。

另一有利的实施方式规定，可调整至少一个空腔谐振器的长度。由此，声音滤波元件的特性例如可与改变的环境条件(例如改变的压力，另一温度或另一测量气体)相匹配。例如，通过相应的螺纹连接能以简单的方式实现长度调整。

在另一有利的实施方式中，测量单元布置在气密的壳体中。在此，“气密的”意味着，壳体基本上实施成压力密封的并且能被施加负压和/或真空。为此，例如可在测量装置上设置真空泵，利用真空泵可为壳体抽真空。这减弱了作用到测量单元上的空气声并且减小了在该路径上传递的干扰噪声。根据技术定义，将低于正常压力的压力水平称为负压，将低于300hPa的压力水平称为粗真空。

在另一方面，根据本发明，提出一种用于实现该目的的开头所述的方法，在流动通道中设置至少一个声音滤波元件，所述声音滤波元件被调整用于在包括有效频率的基础频率的第一频率范围中的负的声压放大。

以有利的方式，在此，在流动通道中设置至少一个声音滤波元件，所述声音滤波元件被调整用于在至少一个包括有效频率的多倍的基础频率的第二频率范围中的负的声压放大。

在另一有利的实施方式中，对至少一个声音的滤波器的调整包括在结构上确定和/或调整空腔谐振器的以下特征中的至少一个或多个：形状、位置、长度、直径、柱形的空腔谐振器的长度，柱形的空腔谐振器的直径。由此，通过使用具有已知特性的空腔谐振器，例如亥姆霍兹谐振器或类似物，能有目的地制造声音滤波元件。此外，这允许在结构上和计算上简单地实施在方法中使用的声音滤波元件。

根据本发明的方法的另一优选的实施方式规定，在能被施加负压和/或真空的壳体中产生负压和/或真空，测量单元布置在所述壳体中。

附图说明

接下来参考图1至10详细解释本发明，附图示例性地、示意性地且非限制性地示出了本发明的有利的设计方案。其中：

图1示出了根据本发明的测量装置的示意图，

图2示出了在测量单元中记录的声音信号的示例的频谱，

图3示出了具有唯一的空腔谐振器的声音滤波元件的示例图，

图4示出了为图3的声音滤波元件求得的声压曲线的图示，

图5示出了具有三个相继布置的相同长度的单侧的空腔谐振器的声音滤波元件的示例图，

图6示出了为图5的声音滤波元件求得的声压曲线的图示，

图7示出了具有三个相继布置的相同长度的双侧的空腔谐振器的声音滤波元件的示例图，

图8示出了为图7的声音滤波元件求得的声压曲线的图示，

图9示出了具有三个相继布置的不同长度的单侧的空腔谐振器的声音滤波元件的示例图，

图10示出了为图9的声音滤波元件求得的声压曲线的图示，

图11示出了具有三个相继布置的不同长度的双侧的空腔谐振器的声音滤波元件的示例图，以及

图12示出了为图11的声音滤波元件求得的声压曲线的图示。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了测量装置1的主要元件。测量装置1的重要构件以受保护的方式布置在壳体11中，其中，在测量气体入口12中将测量气体2输送给测量装置1，并且测量气体2在测量之后再次在测量气体出口13中离开测量装置1。测量气体2在测量装置1的内部中的路径通过流动通道3限定，流动通道从测量气体入口12延伸到测量气体出口。流动通道3将测量气体2引导经过光声的测量单元5上，在光声的测量单元中以已知的方式利用脉冲的或调制的激光射线激励测量气体。

由此，流动通道3可分成三个区段：从测量气体入口12到测量单元5的输入管路4，引导通过测量单元并且由测量单元限定其走向的流动路径14，以及从测量单元5延伸到测量气体出口13的输出管路6。

为了减少结构声从壳体11到测量单元5上的传递，测量单元5支承在减振元件15(例如橡胶缓冲件)上。

减振元件15减弱从外部作用到壳体11上的振动和环境噪声。为了也减小作用到测量单元5上的空气声，可利用真空泵16在壳体11的内腔中产生负压或真空。真空的质量越高，可越有效地抑制空气声。

备选地或附加地，在内腔中也可设置附加的声音元件，例如亥姆霍兹谐振器17(必要时也设置多个)，利用亥姆霍兹谐振器可实现降低在限定的频率范围内的噪声水平。所述亥姆霍兹谐振器17优选地如此协调，使得吸收在光声的测量单元5的有效频率中的和附近的干扰频率。

为了减少在结构声路径上通过流动通道3的管路元件的声音传递，流动通道可至少部分地具有柔性的软管(例如由材料

硅酮等制成)。由此，能尽可能排除在所用的、听得到的声音频率范围(<10kHz)中在结构声路径上的声音干扰的传递。

仅仅在空气声路径上通过输入管路4和输出管路6到达测量单元5的干扰就几乎不能有效地通过以上描述的措施克服，并且因此是大问题。这种干扰通常为宽带的干扰，该干扰也部分地包含(多个)有效频率并且由此对测量值噪声有所贡献。作为这些干扰的源头，除了发动机噪声自身(通过废气和排气系统传递)之外，主要是流动噪声。流动噪声在所有边缘，横截面变化处，流动阻塞处等都会产生，即，主要在构件，例如阀、分配器(Splittern)、挡板或滤波器上产生。排气流量越高，流动噪声越高。然而，为了提高测量的动态，值得期望的是，提高排气流量，这也提高了在流动通道3中的流动速度。

尤其是在移动测量设备中，由于紧凑的结构形式和更小的重量，通过软管传递的干扰声是有问题的。尤其在大的流量(例如高于6l/min)通过测量腔5时，该干扰声非常显著。

就此而言，也应考虑的是，(不仅在输入管路4中，而且在测量单元5中以及在输出管路6中的)流动通道的声音特性不能任意变化，因为在此也必须考虑可能的负面影响。为了例如能在测量结果中考虑内燃机的换气时间(上升时间/下降时间)，例如尽可能细长的流动通道3的形状是优选的，该形状主要在输入管路4和/或输出管路6的区域中是尽可能恒定的并且尤其是没有流动通道3的缓冲体积或扩宽部。换句话说，流动通道3在输入管路4和/或输出管路6的区域中具有恒定的横截面，并且没有缓冲体积。在此，“区域”尤其是分别理解成相应于流动通道3的横截面的一定倍数的区段。在输入管路4方面，这例如是在测量气体入口12上流动通道3的横截面的至少三倍的区段，在输出管路6方面，例如是在测量气体出口13上流动通道3的横截面的至少三倍的区段。尤其是，必须避免在输入管路4中(必要时也在输出管路6中)不允许的横截面变化。尤其是当横截面变化使在测量单元5的区域中的体积流量的时间曲线相对于原来在测量气体入口12上存在的曲线强烈变化，使得在确定的时刻中超过或可能超过允许的测量公差时，该横截面变化被视为“不允许的”。

为了使在空气声路径上通过流动通道3到达测量单元5的流动的影响最小化，在输入管路4中设置声音滤波元件8，声音滤波元件设计成用于在至少一个与有效频率相匹配的频率范围中的负的声压放大。声音滤波元件8包括至少一个、优选地多个布置在流动通道3上的空腔谐振器7，以下示例性地描述其中优选的实施方式。如此选择一个或多个空腔谐振器的实施方案，使得空腔谐振器整体构成声音的陷波或带阻滤波器。由所述一个/多个空腔谐振器7定义的声音滤波元件的特性可通过空腔谐振器7的形状和尺寸的变化，尤其是其长度l和直径d匹配。

备选地或附加地，第二声音滤波元件8’可在输出管路6的区域中布置在流动通道3中。第二声音滤波元件8’在其尺寸和特性方面可与第一声音滤波元件8一致，然而，当由于不同的尺寸或管路直径，这是有益处时，两者也可设计成不同的。

接下来结合图2描述声音滤波元件8(以及第二声音滤波元件8’)的期望的特性。图2示出了由测量单元5记录的声音信号的频谱。在此，测量单元5被有效频率18激励，其中，为了求得测量气体2的测量参数，评估在该有效频率18下的信号强度。该频谱可基本上分成三个带范围，直至3900Hz的频率的低的范围I，在3900Hz至5100Hz之间的频率的中间的带范围II，以及高于5100Hz的频率的高的带范围III。中间的带范围II包括有效频率18，在该示例中，有效频率为约4100Hz。

为了减小在中间的带范围II中的噪声的干扰影响，使用减弱在中间的带范围II中的频率的带阻滤波器作为声音滤波元件8，这例可明显地在频率线的走向上看出。

作为声音滤波元件8、8’，以优选的方式使用柱形的空腔谐振器7的相对简单的布置方案，空腔谐振器7横向于流动方向通入流动通道3中。

本发明的申请人研究了这种柱形的空腔谐振器7对与频率相关的声压水平的作用。目的是，如此匹配声音滤波元件8，使得在重要的测量范围中在有效频率18附近减弱噪声水平，并且在大的和小的通流时噪声水平尽可能小。就此而言，利用仿真软件COMSOL进行3D仿真，以更好地理解这种声音滤波元件8的基本特性，并且开发用于设计这种声音滤波元件8的方法。

在图3至12中示出了仿真结果，同时示出了所使用的声音滤波元件和由此计算的声压分布。

根据多个分别限定组件的特殊的几何结构的模型进行系列仿真。分别仅使用了柱形的空腔谐振器。在20Hz至16000Hz的频率范围上进行对声压曲线和其它声音参数的计算，并且绘制与声压处于对数关系中的声压水平。

在图3中示出了研究的第一声音滤波元件8，在图4中示出了相应的声压曲线。流动通道3的直径恒定地为4mm。垂直于流动通道3从流动通道中伸出的柱形的空腔谐振器7具有5mm的直径，以及21mm的长度(从流动通道3的轴线开始测量)。通过该配置方案，实现了具有声压放大的两个沟形的负的峰值的声音滤波元件，其中，峰值在约4100Hz和在12900Hz处。

在图5中示出了研究的第二声音滤波元件8，图6示出了相应地求得的声压曲线。流动通道3的直径为恒定的4mm。图5的声音滤波元件8具有三个相同的、单侧地布置在流动通道3上的具有分别21mm的长度的柱形的空腔谐振器7。在两个并排布置的空腔谐振器7之间的距离为10.5mm，并且直径分别为4mm。该配置方案的声压曲线具有两个负的峰值，这两个峰值基本上布置在与图3的第一滤波器中相同的位置上，然而可看出这两个峰值更宽，并且明显更强地突出了缓冲效果。

在图7中示出了研究的第三声音滤波元件，图8示出了相应地求得的声压曲线。流动通道3的直径为恒定的4mm。图7的声音滤波元件8具有三个相同的、布置在流动通道3上的柱形的空腔谐振器7。空腔谐振器在流动通道3两侧延伸，其中，较短的第二颈部或颈部区段10与较长的第一颈部或颈部区段9相对。第一颈部9的长度分别为21mm，第二颈部10的长度分别为10.5mm。在两个并排布置的空腔谐振器7之间的距离为10.5mm，并且直径分别为4mm。与图6中示出的研究的第二声音滤波元件8的声压曲线相比，该配置方案的声压曲线具有一个附加的负的峰值，该峰值位于两个(继续存在的)之前的峰值之间，在约9200Hz。与两侧的峰值相比，在此中间的峰值构造成明显更宽。

在图9中示出了研究的第四声音滤波元件8，图10示出了相应地求得的声压曲线。流动通道3的直径为恒定的4mm。图9的声音滤波元件8具有三个单侧地布置在流动通道3上的分别具有稍微不同的23mm、21mm和19mm的长度的柱形的空腔谐振器7。在两个并排布置的空腔谐振器7之间的距离为10.5mm，并且直径分别为4mm。该配置方案的声压曲线具有两个明显的负的带宽，这两个带宽在约4000Hz至约5000Hz之间，以及在约11900Hz至约15000Hz之间延伸。

在图11中示出了研究的第五声音滤波元件8，图12示出了相应地求得的声压曲线。相对于图9中示出的滤波元件，一方面将在空腔谐振器7之间的距离分别提高到21mm，并且为每个空腔谐振器7补充了相对的第二颈部或颈部区段10。第二颈部10的长度分别为10.5mm。其它参数保持不变。该配置方案也实现了两个明显的负的带宽，这两个带宽基本上位于与在图10中的上述示例相同的部位上。附加地，非常明显的峰值中的一个在约9200Hz处。

作为以上阐述的3D仿真的附加，根据高度简化的二维模型重复计算并将结果相互比较。已表明，3D仿真和2D计算的结果在质量上基本上是等效的，除了缩放系数之外。

这表明了根据本发明的、以简单的柱形的空腔谐振器7为基础的声音滤波元件8的显著优点，因为可在第一步骤中根据简单的2D模型设计滤波特性。随后，可根据更复杂的建模(例如在根据3D模型的仿真中)检查所找到的最优的配置方案，或者同样地在实际的实现方案中测试。(例如，在图2中示出了这种实际的实现方案的测量结果，并且已经结合对附图的描述进行了解释)。

为了使本领域技术人员在实际中实现本发明，发明人从仿真和计算中得到以下结论：

-峰值的准确位置基本上取决于谐振器颈部的长度。

-峰值的深度(或高度)取决于谐振器的数量。

-通过使用更多的具有稍微可变的长度的谐振器颈部，实现更宽的、然而不是非常深的凹陷部。

-通过改变半径和直径，以及改变在颈部之间的距离，可实现附加的稍微的移动，然而，这些参数的作用较小。

附图标记列表

1 测量装置

2 测量气体

3 流动通道

4 输入管路

5 测量单元

6 输出管路

7 空腔谐振器

8 声音滤波元件

9 第一颈部区段

10 第二颈部区段

11 壳体

12 测量气体入口

13 测量气体出口

14 流动路径

15 减振元件

16 真空泵

17 亥姆霍兹谐振器

18 有效频率

Claims (14)

1.一种用于借助于光声的方法求得测量气体(2)的测量参数的测量装置(1)，其中，所述测量装置(1)具有用于测量气体(2)的流动通道(3)，所述流动通道包括至少一个输入管路(4)、光声的测量单元(5)和输出管路(6)，其特征在于，所述测量装置(1)具有至少一个与测量单元(5)的有效频率(18)相匹配的声音滤波元件(8)，所述声音滤波元件包括至少一个布置在流动通道(3)上的空腔谐振器(7)。

2.如权利要求1所述的测量装置(1)，其特征在于，所述空腔谐振器(7)的轴线垂直于流动通道(3)的轴线定向。

3.如权利要求1或2所述的测量装置(1)，其特征在于，至少一个空腔谐振器(7)构造成具有第一颈部区段(9)和第二颈部区段(10)的双侧的空腔谐振器(7)，其中，优选地，所述第一颈部区段(9)与第二颈部区段(10)相对置地布置。

4.如权利要求1至3中任一项所述的测量装置(1)，其特征在于，所述声音滤波元件具有多个相继通入流动通道(3)中的空腔谐振器(7)。

5.如权利要求1至4中任一项所述的测量装置(1)，其特征在于，至少一个声音滤波元件(8)设计成用于在第一频率范围中的负的声压放大，所述第一频率范围包括有效频率(18)的基础频率。

6.如权利要求1至5中任一项所述的测量装置(1)，其特征在于，至少一个声音滤波元件(8)设计成用于在至少一个第二频率范围中的负的声压放大，所述第二频率范围包括有效频率(18)的多倍的基础频率。

7.如权利要求1至6中任一项所述的测量装置(1)，其特征在于，至少一个空腔谐振器(7)构造成柱形的。

8.如权利要求7所述的测量装置(1)，其特征在于，至少两个空腔谐振器(7)构造成柱形的并且具有不同的长度和/或不同的直径。

9.如权利要求7或8所述的测量装置(1)，其特征在于，至少一个空腔谐振器(7)的长度是可调整的。

10.如权利要求1至9中任一项所述的测量装置(1)，其特征在于，测量单元(5)布置在压力密封的、能被施加负压和/或真空的壳体(11)中。

11.一种用于抑制在测量装置(1)中的噪声干扰的方法，所述测量装置用于借助于光声的方法求得测量气体(2)的测量参数，其中，通过流动通道(3)引导测量气体(2)，所述流动通道在至少一个输入管路(4)、光声的测量单元(5)和输出管路(6)上延伸，其特征在于，在流动通道(3)中设置至少一个声音滤波元件(8)，所述声音滤波元件被调整用于在第一频率范围中的负的声压放大，所述第一频率范围包括有效频率(18)的基础频率。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在流动通道(3)中设置至少一个声音滤波元件(8)，所述声音滤波元件被调整用于在至少一个第二频率范围中的负的声压放大，所述第二频率范围包括有效频率(18)的多倍的基础频率。

13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，对所述至少一个声音的滤波器(8)的调整包括在结构上确定和/或调整空腔谐振器(7)的以下特征中的至少一个或多个：形状、位置、长度、直径、柱形的空腔谐振器(7)的长度、柱形的空腔谐振器的直径。

14.如权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于，在能被施加负压和/或真空的壳体(11)中产生负压和/或真空，测量单元(5)布置在所述壳体中。

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