DE10057652A1 - Verfahren zur Messung der Opazität in Gasen - Google Patents
Verfahren zur Messung der Opazität in GasenInfo
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Abstract
Der Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Messung der Opazität in Gasen, insbesondere in Abgasen oder in der Atmosphäre, beim oder nahe dem Maximum der Augenempfindlichkeit im grünen Wellenlängenbereich von 550 bis 570 nm Zentralwellenlänge. Um in einfacher Art und Weise die Komponenten getrennt bestimmbar zu machen, welche für die Trübung im sichtbaren Wellenlängenbereich verantwortlich sind, bzw. eine Korrektur durch Berücksichtigung weiterer, sich im sichtbaren Bereich auswirkender Komponenten zu ermöglichen, wird zusätzlich die Opazität auch in zumindest einem zweiten Wellenlängenbereich gemessen, welcher sich im Spektralbereich von 200 nm bis 2 mum befindet und sich mit dem ersten Wellenlängenbereich bestenfalls geringfügig überschneidet.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Opazität in Gasen, insbesonders
in Abgasen oder in der Atmosphäre, beim oder nahe dem Maximum der
Augenempfindlichkeit im grünen Wellenlängenbereich von 550 bis 570 nm
Zentralwellenlänge, sowie eine Vorrichtung zur Messung der Opazität in Gasen,
insbesonders in Abgasen oder in der Atmosphäre, welches mit einer optischen
Filtereinrichtung für den sichtbaren grünen Spektralbereich beim oder nahe dem Maximum
der Augenempfindlichkeit von 550 bis 570 nm Zentralwellenlänge im Strahlengang vor
zumindest einem optischen Detektor ausgerüstet und mit einer Auswerteelektronik
verbindbar oder versehen ist.
Bei Opazimetern wird derzeit laut Gesetz oder Norm bei einer Wellenlänge im "grünen
Spektralbereich", bei einer Spitzenwellenlänge von 550 bis 570 nm und einem Cutoff von
kleiner 4% der Spitzenwert-Empfindlichkeit der Peakwellenlänge für Transmissionen kleiner
420 nm und größer 680 nm, gemessen. Die Opazität ist dabei als Messung der "Trübung im
sichtbaren Spektralbereich der menschlichen Augenempfindlichkeit" definiert. Die Messung
in diesem Spektralbereich der "Augenempfindlichkeit" ist bewusst so gewählt, da dadurch die
durch Emissionen hervorgerufene Trübung der Atmosphäre bzw. "Smogbildung" überprüft
werden sollte. Alternativ wird sehr oft auch der "k-Wert" in diesem Spektralbereich als Maß
für die Trübung verwendet, wobei die beiden Werte mathematisch durch das Lambert
Beer'sche Gesetz ineinander umrechenbar sind:
100-Opacität = 100 . EXP(-k . L), mit L = Messzellenlänge, bzw. Messweglänge
Hauptsächlich werden/wurden durch die Opazitätsmessung die "schwarzen"
Rußpartikel erfasst, bzw. es wird derzeit in den Gesetzgebungen und gesetzlich
vorgeschriebenen Überprüfungen angenommen, dass die Trübung bzw. der k-Wert im
grünen Spektralbereich nur durch Rußpartikel hervorgerufen wird. Bei den derzeit
verwendeten Opacimetern mit der Messung der Opazität im "sichtbaren Spektralbereich" bei
nur einer definierten Wellenlänge kann also nicht unterschieden werden, ob der Messwert
"Opacity" oder k-Wert (in m-1) real durch Ruß oder nicht auch durch andere
Abgaskomponenten hervorgerufen wird.
Bei Motoren können aber in Wirklichkeit auch potentiell Abgaskomponenten
(beispielsweise einige Stickstoffverbindungen, insbesondere NO2) auftreten, welche
ebenfalls in diesem Spektralbereich absorbieren und eine Trübung hervorrufen können.
Diese zusätzlichen Komponenten werden bei den herkömmlichen Opazimeter-Systemen
fälschlicherweise als "Ruß" mitgemessen. Bei Motorkonzepten welche in früheren Jahren
verwendet wurden war real der durch die Rußemission hervorgerufene Anteil an der Opazität
dominierend, dies ist aber nicht mehr für die derzeitigen und künftigen Generationen von
Motoren gültig.
Bei modernen Motorkonzepten, beispielsweise mit CRT (Continuous Regenerating
Type) Abgasnachbehandlung, werden Ruf-Partikel größtenteils katalytisch oxidiert,
andererseits wird aber ein Teil der im Abgas vorhandenen NO Konzentrationen durch diese
katalytischen Prozesse in NO2 umgewandelt. NO2 ist aber eine Gaskomponente, welche im
grünen Opazimeter-Spektralbereich ebenfalls absorbiert und als "Ruß" mitgemessen wird.
Andererseits können auch "weiße", nicht absorbierende, Partikel auftreten (beispielsweise
Sulfate mit angelagertem Wasser oder auch andere partikelförmige Reaktionsprodukte wie
kondensierende Kohlenwasserstoffe), welche durch die Abschwächung des Lichtes infolge
einer Lichtstreuung ebenfalls einen Messeffekt hervorrufen können.
Ebenso kann mit den Messgeräten, welche im mittleren IR-Bereich messen, eine
derartige Diskriminierung nicht durchgeführt werden, insbesondere nicht für Sulfate und für
NO2. NO2 kann in Motorabgasen mittels IR Absorption durch die hohe Querempfindlichkeit
mit dem im Abgas vorhandenen Wasserdampf nicht korrekt gemessen werden, bzw. das
Wasser kann auch nicht für diese Messung mittels einer Gaskühlung entfernt werden, da
NO2 in Wasser löslich ist und dabei gleichzeitig mit entfernt wird. Die Messung der NO2
Konzentration kann derzeit nur durch Chemoluminiszenz Detektoren (CLD) und dabei aber
auch nur indirekt mittels einer Differenzmessung (NOx - NO = NO2) erfolgen.
Sulfatpartikel können im IR-Bereich aus ähnlichen Gründen ebenfalls nicht gemessen
werden, insbesondere ist eine direkte Messung des durch die Lichtstreuung der
Sulfatpartikel hervorgerufenen Anteils der Opazität im sichtbaren Spektralbereich nicht im IR
Bereich messbar. Dasselbe gilt auch für die durch nichtabsorbierende aber kondensierte und
damit ebenfalls lichtstreuenden HC-Partikelanteile.
Alle derzeit im IR-Bereich vorhandenen Konzepte für die Gesamtpartikelmessung
beruhen auf Messungen der HC-Gesamtkonzentrationen (als Gas oder als Gas + Partikel)
und Rückrechnungs-Modellen (so auch die Beispiele in der EP 0 094 374 und der EP 0 123 458).
Ein Teil der derzeitigen für die HC-Partikelberechnung vorhandenen Konzepte beruht
auf komplizierten Messungen bei verschiedenen Temperaturen, Filterung des Gases
Messung der vorhandenen "gasförmigen" HC-Konzentration und einer Rückkalkulation der
Partikelanteile, wie dies in der EP 0 616 205 dargestellt ist.
Eine direkte Messung der "Trübung" durch die Lichtstreuung, welche für den sichtbaren
grünen Spektralbereich noch mit maßgeblich ist, ist aus physikalischen Gründen im IR-
Bereich nicht möglich, da durch die Proportionalität des Effektes zur 4ten Potenz des
Verhältnisses von Lichtwellenlänge zur Partikelgröße, im 1R faktisch keine Lichtstreuung für
Partikel aus Motorabgasen vorhanden ist.
Eine Rückkalkulation wie sie zumindest bei Messungen der Gesamt-
Absorptionsspektren des Abgases im IR (NIR bis FIR) mit schnellen und hochauflösenden
FTIR Systemen, welche aber extrem teuer und aufwendig sind, - auch für NO2 - theoretisch
möglich sein könnte, scheitert letztendlich auch an der Tatsache, dass die momentanen
dynamischen Verhältnisse, welche beispielsweise bei der freien Beschleunigung auftreten,
und durchaus maßgeblich die momentane Zusammensetzung der Partikel beeinflussen,
nicht aus den erhaltenen Daten rückkalkulierbar sind. Dasselbe gilt auch für Messungen mit
Laserdioden, wie etwa in der EP 0 920 285 beschrieben, wobei auch dort nur Ruß und HC
gemessen werden.
Alle derzeitigen Methoden können durch die starken Unterschiede zwischen den
Wellenlängenbereichen "mittleres IR" die im sichtbaren Spektralbereich vorhandenen
Bedingungen nicht oder nur sehr unvollständig beschreiben.
In der DE 25 57 268 ist ein Verfahren zur Extinktionsmessung beschrieben, das
beispielsweise zur Bestimmung der Rauchdichte in Schornsteinen, aber auch zur Messung
der Staubkonzentration an Arbeitsplätzen, der Immission in der Umgebung von Kalkwerken
und zur Ermittlung der Sichtweite bei Nebel an Autobahnen und auf Flughäfen verwendet
werden kann. Dabei wird durch Extinktionsmessung bei zwei verschiedenen Wellenlängen
eine Unterscheidung zwischen absorbierenden und nicht absorbierenden Partikeln möglich
gemacht, primär zwischen Ruß bzw. Aerosolpartikeln und dampfförmigem Wasser. Dagegen
wird nicht ermittelt, in welcher Weise und in welchem Ausmaß eine Opazität in einem
bestimmten Wellenlängenbereich den Wert für die Opazität in einem anderen
Wellenlängenbereich beeinflusst.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher ein Verfahren, welches in einfacher
Art und Weise unter Vermeidung der oben beschriebenen Nachteile des Standes der
Technik die Komponenten getrennt bestimmbar macht, welche für die Trübung im sichtbaren
Wellenlängenbereich verantwortlich sind, bzw. welches für die Messung der Opazität
aufgrund der Ruf-Partikel eine Korrektur durch Berücksichtigung weiterer, sich im sichtbaren
Bereich auswirkender Komponenten gestattet. Eine weitere Aufgabe war eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Lösung der obigen Aufgabe ist das eingangs genannten Verfahren dadurch
gekennzeichnet, dass die Opazität zusätzlich auch in zumindest einem zweiten
Wellenlängenbereich gemessen wird, welcher sich im Spektralbereich von 200 nm bis 2 µm
befindet und sich mit dem ersten Wellenlängenbereich bestenfalls geringfügig überschneidet.
Die Erfindung beruht darauf, dass überraschend festgestellt wurde, dass durch die
Verwendung von zumindest einem zusätzlichen Farbfilter und damit Messung in einem
weiteren Wellenlängenbereich unterschieden werden kann, welcher Anteil der gemessenen
Opazität (oder des k-Wertes) durch beispielsweise die Rußpartikel und welcher Anteil durch
andere Komponenten, beispielsweise durch Streulicht kleinster, nicht absorbierender Partikel
und/oder durch andere lichtabsorbierende Gaskomponenten wie NO2 hervorgerufen wird.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messwerte
von zumindest einem zusätzlich verwendeten Wellenlängenbereich automatisch mit dem
Messwert des grünen Wellenlängenbereiches verglichen werden, und dass daraus eine
Korrektur für den Messwert im grünen Wellenlängenbereich errechnet wird.
Vorteilhafterweise können auch die Signale aller verwendeten Wellenlängenbereiche
automatisch miteinander verglichen und daraus automatisch der Signalanteil zumindest einer
weiteren, zur Opazität im grünen Wellenlängenbereich beitragenden Komponente ermittelt
wird.
Wenn gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung zumindest eine zusätzliche
Messung in einem Bereich mit der Zentralwellenlänge von 300 bis 450 nm vorgenommen
wird, kann der Anteil der gemessenen Opazität (oder des k-Wertes) der im grünen
Spektralbereich durch "weiße", streuende Partikel hervorgerufen wird, festgestellt bzw.
kalkuliert werden. Dies ist möglich, da erkannt wurde, dass für die k-Werte die durch
Lichtstreuung an kleinen Partikeln hervorgerufenen Effekte proportional der 4-ten Potenz der
Lichtwellenlänge sind, während der von der Ruß-Absorption hervorgerufene Effekt linear
von der Wellenlänge des Filters abhängig ist.
Wenn alternativ dazu oder zusätzlich noch zumindest eine zusätzliche Messung in
einem Bereich mit der Zentralwellenlänge von 600 nm bis 2 µm vorgenommen wird, können
damit der Beitrag der meisten Gaskomponenten, welche ebenfalls im grünen Spektralbereich
einen Messeffekt hervorrufen können, und der durch das Streulicht verursachte Signalanteil
ermittelt werden, so dass diese Anteile für die Korrektur des Messwertes im sichtbaren
Bereich berücksichtigt werden können und der Beitrag des "Rußes" wesentlich genauer
ermittelt werden kann.
Vorzugsweise liegt dabei die Zentralwellenlänge der zusätzlichen Messung im Bereich
von 600 nm bis 1,2 µm.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist beim beschriebenen Verfahren
vorgesehen, dass die Messungen in den verschiedenen Wellenlängenbereichen automatisch
gesteuert nacheinander ausgeführt werden, so dass ein manueller Eingriff vermieden und
die Mess-Serie rasch und einfach durchführbar ist.
Noch schneller, wenn auch mit etwas größerem apparativen Aufwand kann das
erfindungsgemäße Verfahren nach einem der vorhergehenden Absätze durchgeführt
werden, wenn die Messungen in allen Wellenlängenbereichen gleichzeitig ausgeführt
werden.
Die eingangs beschriebene Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist zur Lösung der gestellten Aufgabe dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich
zumindest eine zweite optische Filtereinrichtung für einen zweiten Wellenlängenbereich
vorgesehen ist, dessen Zentralwellenlänge sich im Spektralbereich von 200 nm bis 2 µm
befindet und der sich mit dem ersten Wellenlängenbereich bestenfalls geringfügig
überschneidet.
Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die Auswerteelektronik mit einer Schaltung oder einem Programm versehen ist, welche(s)
die Messwerte automatisch abfragt und daraus automatisch eine Korrektur für den Messwert
im grünen Wellenlängenbereich errechnet.
Gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal kann die Auswerteelektronik mit einer
Schaltung oder einem Programm versehen sein, welche(s) die Messwerte in allen
verwendeten Wellenlängenbereichen automatisch abfragt und daraus automatisch Werte
errechnet, um die Signalanteile zumindest einer für die Opazität im grünen
Wellenlängenbereich verantwortlichen Komponente von ebenfalls in diesem
Wellenlängenbereich absorbierenden anderen Komponenten zu unterscheiden.
Um den Anteil der gemessenen Opazität (oder des k-Wertes), der im grünen
Spektralbereich durch "weiße", streuende Partikel hervorgerufen wird, zu bestimmen, ist
gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung zumindest eine zusätzliche optische
Filtereinrichtung für einen Wellenlängenbereich mit der Zentralwellenlänge im Bereich von
300 bis 450 nm vorgesehen.
Andererseits kann, auch zusätzlich oder alternativ zum eben genannten Merkmal,
zumindest eine zusätzliche optische Filtereinrichtung für einen Wellenlängenbereich mit der
Zentralwellenlänge im Bereich von 600 bis 2 µm vorgesehen sein, wodurch dann der Beitrag
der meisten Gaskomponenten im grünen Spektralbereich und auch der Beitrag des
Streulichts im grünen Spektralbereich ermittelt und zur Korrektur des Messwertes auf den
durch den Russ hervorgerufenen Beitrag verwendet werden kann.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die zusätzliche optische Filtereinrichtung für
einen Wellenlängenbereich mit der Zentralwellenlänge im Bereich von 600 bis 1,2 µm
vorgesehen ist.
Eine manuelle Betätigung wird vermieden, wenn die optischen Filtereinrichtungen
tragende Schieber, Schwenkarme, drehbare Scheiben od. dgl. zum Einschieben oder
Einschwenken der oder aller optischen Filtereinrichtungen in den Strahlengang vor dem
Detektor vorgesehen sind. Damit ist der Messvorgang gänzlich automatisierbar und auch
einfacher und rascher durchführbar als von Hand.
Vorteilhafterweise kann für einen kompakten und einfachen Aufbau vorgesehen sein,
dass eine Blende mit vor den Detektor bewegbaren Öffnungen vorgesehen ist, in welchen
Öffnungen die optischen Filtereinrichtungen eingesetzt sind.
Dabei ist vorzugsweise für den vollautomatischen Betrieb der Vorrichtung eine
Antriebseinrichtung für die Blende vorgesehen und mit der Auswerteelektronik verbunden.
Andererseits kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen sein,
dass parallel mehrere Detektoren vorgesehen und mit einer gemeinsamen
Auswerteelektronik verbunden sind, wobei im Strahlengang vor jedem Detektor zumindest je
eine optische Filtereinrichtung vorgesehen ist. Damit ist die Messung schneller durchführbar,
so dass auch schnell wechselnde Verhältnisse in Echtzeit mitverfolgt werden können.
In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispieles für die Rußpartikel-Messung näher erläutert werden.
Es konnte festgestellt werden, dass insbesondere bei modernen Motorkonzepten
durchaus ein maßgeblicher Anteil der "Opazität" durch andere Komponenten außer
Rußpartikeln, nämlich insbesondere durch NO2, aber teils auch durch "transparente" nicht
absorbierende Partikel, wie Sulfate und an diesen Sulfatpartikeln angelagertes Wasser,
stammen kann.
Überraschend wurde festgestellt, dass durch die Verwendung zumindest eines
weiteren "optischen Filters" im sichtbaren Spektralbereich oder auch im nahen
Infrarotbereich bis max. ca. 2 µm die durch diese Komponenten hervorgerufenen Anteile des
Messwertes im grünen Spektralbereich, d. h. der insgesamt gemessenen Opazität, ermittelt
werden können und damit die im grünen Spektralbereich gemessene "Opazität" in die
Anteile, welche durch "Ruß", durch NO2, und durch "Sulfate, oder auch andere kondensierte
HC-Partikel" hervorgerufen werden, selektiv aufgetrennt werden kann.
Dabei ist von besonderer Bedeutung, dass durch diese erfindungsgemäße Art der
Messung im sichtbaren - nicht im mittleren Infrarot-Spektralbereich - erstmals die
Möglichkeit besteht, die Komponente NO2 und die durch die Trübung von NO2
hervorgerufenen Anteile an der Opazität (bzw. dem k-Wert) im grünen "Opazitäts-
Spektralbereich zu selektieren, und auch zusätzlich die durch Sulfat-Partikel (und auch der in
diesem Spektralbereich nichtabsorbierenden HC-Partikel) verursachten Beiträge getrennt zu
messen. Es ist damit weiters aber auch die Messung der Konzentration von NO2, wenn das
Meßsystem mittels eines NO2 Kalibriergases kalibriert wird, erstmals direkt möglich.
Weiters bietet die neue Erfindung die Möglichkeit, auch für künftige
Abgasüberprüfungen den bei der freien Beschleunigung von Motoren emittierten Rußanteil
und gleichzeitig emittierten NO2-Anteil getrennt und hochdynamisch zu überprüfen. Bei
normalen Leerlaufmessungen oder mit den derzeit verwendeten Opacimetern kann der NO2
Ausstoß nicht gemessen werden. Die Überprüfung von Fahrzeugen oder Motoren ist damit
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung sowie der zur
Auswertung angewandten Methode wesentlich einfacher durchzuführen.
Ein weiterer nicht zu vernachlässigender Vorteil dieser Erfindung ist auch darin zu
sehen, dass das verwendete Konzept im Vergleich zu anderen Messkonzepten wie FTIR
oder MID NDIR- oder Laser-Dioden Messungen wesentlich kostengünstiger und einfacher
zu bewerkstelligen ist und zusätzlich die üblichen robusten Hardwarekonzepte für
Opazitätsmessgeräte (Vollstrom bis Teilstrom) verwendet werden können. Hintergrund ist,
dass die Rußpartikel stark absorbieren und durch ihre übliche Größenverteilung der
konzentrationsproportionale k-Wert der Rußpartikel linear von der Lichtwellenlänge abhängt.
Andererseits absorbieren die meisten Gaskomponenten, welche ebenfalls im grünen
Spektralbereich einen Messeffekt hervorrufen können, im "roten, sichtbaren Spektralbereich"
oder auch nahen IR-Bereich nicht mehr oder zumindest wesentlich weniger, ebenso werden
im roten Spektralbereich die Effekte durch das Streulicht bereits wesentlich kleiner bzw.
vernachlässigbar sein, so dass dort nur mehr "Ruß" gemessen wird, und durch einen
Formalismus die Anteile getrennt messbar sind.
Für den Fall, dass ein wesentlicher Anteil der gemessenen Opazität (oder des k-
Wertes) im grünen Spektralbereich durch "weiße", streuende Partikel hervorgerufen wird,
kann durch Verwendung eines alternativen oder zusätzlichen Filters im "blauen oder nahen
UV-Bereiche" der dadurch hervorgerufene Effekt ebenfalls diskriminiert werden. Die durch
Lichtstreuung an kleinen Partikeln hervorgerufenen Effekte sind proportional der 4-ten
Potenz der Lichtwellenlänge, während, wie bereits oben erwähnt, der von der Ruß-
Absorption hervorgerufene Effekt linear von der Wellenlänge des Filters abhängig ist.
Die Messung der verschiedenen Komponentenanteile kann deshalb dadurch erfolgen,
dass der Grünfilter des Messgerätes einerseits - beispielsweise durch einen Schieber
manuell, oder auch automatisch, - durch ein Filter im roten (oder auch nahen IR)
Spektralbereich und/oder durch ein Filter im blauen Spektralbereich (oder im nahen UV-
Bereich) ersetzt wird. Alternativ können auch gleichzeitig zwei oder auch mehrere
Detektoren mit verschiedenen spektralen Filtern ausgerüstet sein, oder die Filter
nacheinander, beispielsweise durch ein Chopperrad, in den Strahlengang eingebracht
werden. Damit kann die Messung in allen Wellenlängenbereichen gleichzeitig oder
zumindest schnell hintereinander erfolgen.
Im ersteren Fall muss die Auswertung entweder nach der Messung extern oder auch,
vorzugsweise programmgesteuert, intern erfolgen. Dabei ist überhaupt die zuerst
beschriebene Variante für langzeitig konstante Messungen geeignet, während für schnelle
dynamische Messvorgänge die zweite Alternative verwendet werden muss.
Durch diverse Umrechnungsalgorithmen können damit aus den zwei oder drei
Messwerten, die im grünen, normierten Spektralbereich von Ruß oder auch anderen
Komponenten verursachten Absorptionsanteile selektiv gemessen werden. Die
Konzentration, der k-Wert-Anteil oder auch der Beitrag zur Opazität, welche durch die
anderen absorbierenden Komponenten, wie beispielsweise NO2 und lichtstreuende Partikel,
verursacht sind, kann also damit außerdem zusätzlich ermittelt werden. Durch dieses
Messprinzip und die Auswertung kann damit unterschieden werden, welcher Anteil der im
grünen Spektralbereich hervorgerufenen Opazität bzw. des k-Wertes durch Ruß, ein Gas wie
NO2, oder von streuenden Partikeln wie Sulfaten oder HCs hervorgerufen wird. Es können
weiters auch die Konzentrationen der gasförmigen Komponenten kalibriert und kalkuliert
werden. Aus dem korrigierten Opazitäts- oder k-Wert für "Ruß" kann ebenfalls die echte
Konzentration berechnet bzw. gemessen werden, da der k-Wert direkt proportional der
Konzentration von Ruß ist. Die Bestimmung der Konzentration der Sulfat- oder HC-
Partikelanteile kann mit dieser Methode ebenfalls - zumindest grob - erfolgen, wobei hier
selektiv nur die als Partikel anfallenden Konzentrationen berechenbar sind. Durch die
vorhandene Variation der Größenverteilung der rein streuenden Partikel ist die
Messgenauigkeit der Konzentrationsberechnung nur eingeschränkt möglich. Die Mess- bzw.
Kalkulationsgenauigkeit des durch diese Partikel hervorgerufenen k-Wert Anteiles in den
verschiedenen Spektralbereichen wird aber dadurch nicht eingeschränkt.
Bei Verwendung von drei Filtern bei Vorhandensein von drei zu berücksichtigenden
Komponenten oder von zwei Filtern und dem Vorhandensein von nur zwei Komponenten ist
damit also auch eine Konzentrationsberechnung möglich.
Zur Vermeidung von allfälligen Querempfindlichkeiten müssen die zusätzlichen
Spektralbereiche, insbesondere im nahen IR Bereich, derart gewählt werden, dass keine
oder nur minimalste Absorptionen oder Messeffekte durch den im Messgas vorhandenen
Wasserdampf oder CO2 Gehalt hervorgerufen werden.
Ein derartiges Kalkulationsbeispiel für Messung und Auswertung wird beispielhaft
nachfolgend dargelegt, ebenso wie ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße
Vorrichtung. Die Fig. 1 zeigt dabei die spektrale Empfindlichkeit für ein beispielhaftes System
mit drei Filtern in der Messzelle, Fig. 2 zeigt spektral aufgelöste Messwerte, welche durch
Konzentrationen von Ruß, streuenden Partikeln und einem absorbierenden Gas
hervorgerufen werden, Fig. 3 ist ein schematischer Längsschnitt durch ein
erfindungsgemäßes Opazimeter, Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch die Lampeneinheit der Fig.
3 in vergrößertem Maßstab, Fig. 5 zeigt einen vergrößerten Längsschnitt durch die
Detektoreinheit der Fig. 3, die Fig. 6a und 6b zeigen jeweils eine Draufsicht auf einen
Filtereinsatz für ein erfindungsgemäßes Opazimeter und Fig. 7 ist eine Draufsicht auf eine
Filterplatine für ein derartiges Opazimeter.
Das System ist beispielsweise auch für die Gaskomponente NO2 kalibrierbar und es
kann damit auch der bei der Beschleunigungsphase - beispielsweise der freien
Beschleunigung - emittierte NO2 Emissionswert zusätzlich zum Ruß-Emissionswert
hochdynamisch gemessen werden. Die Kalkulation der einzelnen Konzentrationen der
verschiedenen Komponenten, oder deren k-Werte bzw. Opazitäten (bei einer bestimmten
Wellenlänge) kann durch die Verwendung üblicher mathematischer Matrixfunktionen
erfolgen. Beispielsweise kann der in den obigen Fig. 1 und 2 dargestellte Fall für die drei
Filter und die drei Komponenten im grünen Spektralbereich folgendermaßen, beispielsweise
für den k-Wert, gelöst werden:
Die von den drei verschiedenen Filtern gemessenen Werte k-Werte werden mit einer
transponierten Kalibriermatrix multipliziert und es können daraus die im grünen
Spektralbereich von den einzelnen Komponenten hervorgerufenen Anteile des k-Wertes
kalkuliert werden. Diese Kalibriermatrix ergibt sich teils aus den rein physikalisch/
mathematischen Zusammenhängen für Streuung und Absorption. Bei Vorhandensein
nichtlinearer Abhängigkeiten, wie für Gase, ist eine Kalibrierung möglich.
Werte (Ruß, Gas, Streuende Partikel) = Transponierte Kalibrier Matrix . (Messwerte
(Filter1, Filter2, Filter3)
Die Kalibriermatrix ist in diesem Fall eine 3 × 3 Matrix folgenden Typs:
KR(F1), KR(F2), KR(F3),
KG(F1), KG(F2), KG(F3),
KS(F1), KS(F2), KS(F3).
KR(F1), KR(F2), KR(F3),
KG(F1), KG(F2), KG(F3),
KS(F1), KS(F2), KS(F3).
KR, KG, KS sind Kalibrierfaktoren für Ruß, Gas und streuende Partikel.
F1, F2 und F3 repräsentieren die drei Filter.
Da die Werte in der Kalibriermatrix zumindest teils funktionell zusammenhängen, kann
selbstverständlich auch der k-Wert und/oder die Opazität und und/oder die Konzentration für
die Spektralbereiche der anderen Filter oder auch für "theoretische Filter", welche nicht
verwendet wurden, kalkuliert werden. Allfällige Nichtlinearitäten müssen bei Kalkulationen
hierbei aber berücksichtigt werden.
Sinnvollerweise soll die Kalibriermatrix als k-Werte-Matrix erstellt werden, da dadurch
die Kalibrierung des Mess-Systems, das Auftrennen in die verschiedenen
Komponentenanteile und die Kalkulationen und Berechnungen von Konzentration, k-Wert
und Opazität wesentlich vereinfacht werden können. Die Berechnung von Opazität und
Konzentration aus den k-Werte Anteilen kann anhand des Lambert-Beer'schen Gesetzes
erfolgen. Es ist zwar auch eine Kalibiermatrix in Opazitäts- oder Konzentrationseinheiten
möglich, allerdings sind dann die sich ergebenden Kalibriermatrixwerte zumindest teils
nichtlineare Funktionen der einzelnen Komponentengrößen und müssen iterativ, abhängig
von den Messwerten selbst, angepasst werden. Eine derartige Prozedur erfordert unnötigen
Kalibrier- und Berechnungsaufwand.
Ein erfindungsgemäßes Opazimeter könnte beispielsweise aufgebaut sein, wie dies
in den Fig. 3 bis 7 dargestellt ist und nachfolgend erläutert wird. In einem Gehäuse oder
Rahmen 1 ist ein Messrohr 2 gelagert. In dieses Messrohr wird über den Anschluss 3 das zu
analysierende Gas eingebracht. Gegenüber dem Anschluss 3 ist vorteilhafterweise ein
Prallblech 4 vorgesehen. An den beiden Enden des Gehäuses 1 sind Austrittskammern 5
vorgesehen, in welche das Messrohr 2 mündet und welche gegenüber diesen Mündungen
mit beheizbaren Fensterelementen 6 abgeschlossen sind. An einer Seite ist nun hinter
vorzugsweise einer Blende 7 eine Detektoreinheit mit einem Detektor 8 zur Ermittlung der
Intensität des das Messrohr 2 durchquerenden Lichts einer am gegenüberliegenden Ende
des Messrohrs 2 befindlichen Lampeneinheit vorgesehen.
Die ebenfalls mit einer Blende 7 ausgestattete Lampeneinheit beinhaltet eine oder
mehrere Lampen 9, vorzugsweise Halogenlampen, sowie zumindest einen weiteren
Farbfilter 10, der in einem vorzugsweise automatisch im Strahlengang der Lampeneinheit
verschiebbaren Schieber 11 oder einer gleichartigen Einheit eingesetzt ist.
Das Gas tritt nach Durchströmen des Messrohres 2 und der Austrittskammern 5 über
die Ausgangsanschlüsse 12 aus der Vorrichtung aus.
Der Filtereinsatz 11 für die Aufnahme der verschiedenen Messfilter 10 in den
zumindest zwei Spektralbereichen ist beispielhaft auf der Seite der Lampeneinheit
untergebracht, kann sich aber alternativ selbstverständlich auch auf der Detektorseite
befinden.
In Fig. 4 ist eine beispielhafte Lampeneinheit in vergrößertem Maßstab dargestellt.
Zwischen der Fenstereinheit 13 für das elektrisch über die Anschlussbuchse 14 beheizbare
Fensterelement 6 und dem Lampengehäuse 15 ist der automatisch oder manuell betätigbare
Schieber 11 (siehe auch Fig. 6b) für die Farbfilter eingesetzt. Im Lampengehäuse 15 sind die
Halterung 16 für die Halogenlampen 9 sowie die Anschlussbuchse 17 für deren
Stromversorgung eingebaut. Anstelle des in seiner Längsrichtung verschiebbaren
Filtereinsatzes 11 kann auch eine Einrichtung mit einem rotierenden Filterrad 18 (siehe Fig.
6a), in welches die Filter 10 eingesetzt sind, verwendet werden.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung kann vorsehen, dass die Detektoreinheit
mit einer Detektorplatine 19 (siehe Fig. 7) ausgerüstet ist. Auf dieser Platine 19 können dann
mehrere Detektoren 8 vorhanden sein, vor welche die Farbfilter 10 in den Strahlengang
einschwenkbar sind. Es können aber auch zumindest zwei separate Detektor-Farbfilter-
Einheiten 20 vorgesehen sein, wobei in diesem Fall eine Anordnung ohne eigenen
Filtereinsatz 11 oder Filterrad 18 verwendet werden kann, was insbesondere für
hochdynamische Messungen mit gleichzeitiger Messung in allen Spektralbereichen
gleichzeitig vorteilhaft ist.
Eine Detektoreinheit mit Detektorplatine 19 ist vergrößert in Fig. 5 dargestellt. Hinter
dem beheizbaren Fensterelement 6 in der Fenstereinheit 13 und einer Linse 21 ist die
Detektorplatine 19 montiert und über die Anschlussbuchse 22 durch das Detektorgehäuse
23 hindurch mit der Stromversorgung und der Auswertelektronik verbunden.
Claims (18)
1. Verfahren zur Messung der Opazität in Gasen, insbesonders in Abgasen oder in der
Atmosphäre, beim oder nahe dem Maximum der Augenempfindlichkeit in einem
ersten, grünen Wellenlängenbereich von 550 bis 570 nm Zentralwellenlänge, dadurch
gekennzeichnet, dass die Opazität zusätzlich auch in zumindest einem zweiten
Wellenlängenbereich gemessen wird, welcher sich im Spektralbereich von 200 nm bis
2 µm befindet und sich mit dem ersten Wellenlängenbereich bestenfalls geringfügig
überschneidet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte von
zumindest einem zusätzlich verwendeten Wellenlängenbereich automatisch mit dem
Messwert des grünen Wellenlängenbereiches verglichen werden, und dass daraus
eine Korrektur für den Messwert im grünen Wellenlängenbereich errechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale aller
verwendeten Wellenlängenbereiche automatisch miteinander verglichen und dass
daraus automatisch der Signalanteil zumindest einer weiteren, zur Opazität im
grünen Wellenlängenbereich beitragenden Komponente ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Opazität zusätzlich zumindest in einem Bereich mit der Zentralwellenlänge von 300
bis 450 nm gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Opazität zusätzlich zumindest in einem Bereich mit der Zentralwellenlänge von 600 nm
bis 2 µm gemessen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralwellenlänge
der zusätzlichen Messung im Bereich von 600 nm bis 1,2 µm liegt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messungen in den verschiedenen Wellenlängenbereichen automatisch
gesteuert nacheinander ausgeführt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, durch gekennzeichnet, dass die
Messungen in allen Wellenlängenbereichen gleichzeitig ausgeführt werden.
9. Vorrichtung zur Messung der Opazität in Gasen, insbesonders in Abgasen oder in
der Atmosphäre, welche mit einer optischen Filtereinrichtung für den sichtbaren
grünen Spektralbereich beim oder nahe dem Maximum der Augenempfindlichkeit von
550 bis 570 nm Zentralwellenlänge im Strahlengang vor zumindest einem optischen
Detektor (8) ausgerüstet und mit einer Auswerteelektronik verbindbar oder versehen
ist, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zumindest eine zweite optische
Filtereinrichtung (10) für einen zweiten Wellenlängenbereich vorgesehen ist, dessen
Zentralwellenlänge sich im Spektralbereich von 200 nm bis 2 µm befindet und der sich
mit dem ersten Wellenlängenbereich bestenfalls geringfügig überschneidet.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik
mit einer Schaltung oder einem Programm versehen ist, welche(s) die Messwerte
automatisch abfragt und daraus automatisch eine Korrektur für den Messwert im
grünen Wellenlängenbereich errechnet.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik
mit einer Schaltung oder einem Programm versehen ist, welche(s) die Messwerte in
allen verwendeten Wellenlängenbereichen automatisch abfragt und daraus
automatisch Werte errechnet, um die Signalanteile zumindest einer für die Opazität
im grünen Wellenlängenbereich verantwortlichen Komponente von ebenfalls in
diesem Wellenlängenbereich absorbierenden anderen Komponenten zu
unterscheiden.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine zusätzliche optische Filtereinrichtung (10) für einen
Wellenlängenbereich mit der Zentralwellenlänge von 300 bis 450 nm vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine zusätzliche optische Filtereinrichtung für einen Wellenlängenbereich
mit der Zentralwellenlänge von 600 bis 2 µm vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine
zusätzliche optische Filtereinrichtung (10) für einen Wellenlängenbereich mit der
Zentralwellenlänge von 600 bis 1,2 µm vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die
optischen Filtereinrichtungen (10) tragende Schieber, Schwenkarme, drehbare
Scheiben od. dgl. (11, 18) zum Einschieben oder Einschwenken der oder aller
optischen Filtereinrichtungen (10) in den Strahlengang vor dem Detektor (8)
vorgesehen sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Blende (18) mit
vor den Detektor (8) bewegbaren Öffnungen vorgesehen ist, in welchen Öffnungen
die optischen Filtereinrichtungen (10) eingesetzt sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Antriebseinrichtung für die Blende (11, 18) vorgesehen und mit der
Auswerteelektronik verbunden ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass
parallel mehrere Detektoren (8, 20) vorgesehen und mit einer gemeinsamen
Auswerteelektronik verbunden sind, wobei im Strahlengang vor jedem Detektor
zumindest je eine optische Filtereinrichtung (10, 20) vorgesehen ist.
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