DE102007010805B3

DE102007010805B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Harnstoffkonzerntration in einer Lösung

Info

Publication number: DE102007010805B3
Application number: DE200710010805
Authority: DE
Inventors: Manfred Weigl
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2027-03-03
Also published as: WO2008107336A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Harnstoffkonzentration in einer Lösung (8), bei dem von einer Leuchtdiode (6) elektromagnetische Strahlung (R) in einen Körper (1) ausgesendet wird, der angrenzend an die Lösung (8) angeordnet ist, so dass zwischen dem Körper (1) und der Lösung (8) eine Grenzfläche (7) gebildet wird, und dessen Brechungsindex größer ist als der Brechungsindex der Lösung (8), bei dem die Strahlung (R) an der Grenzfläche (7) bei verschiedenen Einfallswinkeln reflektiert wird, bei dem zumindest ein Teil der reflektierten Strahlung (R) von einem ortsauflösenden Strahlungsdetektor (9) detektiert wird, und bei dem aus einem Grenzeinfallswinkel, oberhalb dessen für die Strahlung (R) an der Grenzfläche (7) Totalreflexion auftritt, die Konzentration von Harnstoff in der Lösung (8) bestimmt wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 11.
Harnstofflösungen werden beispielsweise als NOx-Reduktionsmittel in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Oftmals wird dabei eine wässrige Harnstofflösung verwendet, die zum Beispiel mittels einer Dosierpumpe oder eines Injektors in den Abgasstrang des Fahrzeugs eingespritzt wird. Für die Dosiersteuerung von Harnstofflösung als NOx-Reduktionsmittel ist die Harnstoffkonzentration ein wichtiger Parameter. Beispielsweise beim Einfrieren und Auftauen der Lösung, wie es im Zuge der Betriebsbedingungen eines Kraftfahrzeugs möglich ist, kann es zu einer Entmischung der Lösung kommen. Ebenfalls kann beispielsweise durch Nachfüllen von Wasser die Lösung verdünnt werden.
Zur Verbesserung der Systemfunktion ist es daher wünschenswert, die Harnstoffkonzentration der Lösung zu bestimmen. Es gibt derzeit Prototypen von Sensoren, welche die Harnstoffkonzentration beispielsweise über eine Messung der Leitfähigkeit und/oder Dielektrizitätszahl berechnen. Da die elektrischen Eigenschaften der Lösung jedoch nicht nur von der Konzentration, sondern von weiteren physikalischen und chemischen Parametern abhängen (Temperatur, Konzentration von freiem Ammoniak, Alter der Lösung), ist die erzielbare Genauigkeit der bekannten Sensoren in der Praxis nicht ausreichend.
Ein weiteres bekanntes Konzept beruht auf der Bestimmung der Harnstoffkonzentration aus der Messung der Absorption von Licht durch die Lösung. Dieses Konzept macht sich zunutze, dass Harnstoff ein charakteristisches frequenzabhängiges Absorptionsspektrum besitzt. So wird bei dem bekannten Verfahren eine Infrarotspektroskopie durchgeführt, um die Harnstoffkonzentration zu bestimmen. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass es aufwendig ist. So müssen teure und aufwendige Filter und insbesondere durchstimmbare Lichtquellen verwendet werden.
Weiterhin sind aus der Praxis Geräte bekannt, mit denen die Harnstoffkonzentration auf Grundlage einer Bestimmung des Brechungsindexes der Lösung ermittelt werden kann. Nachteil solcher Geräte ist, dass eine aufwendige Optik verwendet werden muss, um die Harnstoffkonzentration zu bestimmen. Dadurch sind die bekannten Geräte teuer und außerdem für die insbesondere im Kraftfahrzeugbereich auftretenden rauen Betriebsbedingungen zu empfindlich. Insbesondere kommt es aufgrund in der Praxis auftretender Erschütterungen und Temperaturänderungen zu Fehlfunktionen der bekannten Geräte.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Patentansprüche 1 und 11 sind aus der US 5,694,210 A bekannt. Entsprechende Verfahren und Vorrichtungen sind in der EP 0 836 092 A2 und der US 5,167,149 A beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der angegebenen Art zu schaffen, mit denen auch unter rauen Betriebsbedingungen in besonders einfacher und zuverlässiger Weise die Konzentration einer Substanz in einer Lösung bestimmt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren und einer Vorrichtung der angegebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 11 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Erfindungsgemäß wird Licht unter verschiedenen Einfallswinkeln auf eine Grenzfläche zwischen einem dichteren und einem dünneren Medium, nämlich dem Körper und der Lösung, ausgesendet. Dazu kann bei der Vorrichtung der Körper derart an die Lösung angrenzend angeordnet sein, dass eine Grenzfläche zwischen dem Körper und der Lösung gebildet ist. Das Licht wird an der Grenzfläche je nach Einfallswinkel zum Teil reflektiert, wobei mit zunehmendem Einfallswinkel der von der Grenzfläche reflektierte Anteil des Lichts zunimmt. Ab einem Grenzeinfallswinkel tritt bekanntlich Totalreflexion der Strahlung auf, d. h. es wird im Wesentlichen die gesamte auf die Grenzfläche treffende Strahlung reflektiert. Die bei verschiedenen Einfallswinkeln an der Grenzfläche reflektierte Strahlung wird von einem entsprechend angeordneten ortsauflösenden Strahlungsdetektor detektiert. Der Strahlungsdetektor kann zweidimensional oder auch nur eindimensional ortsauflösend ausgestaltet sein und insbesondere zur Aufnahme der Intensität der reflektierten Strahlung ausgebildet sein. Dabei nimmt der Detektor zumindest einen ausreichenden Teil der reflektierten Strahlung auf, um daraus den Grenzeinfallswinkel bestimmen zu können. Der Grenzeinfallswinkel kann durch die Auswerteeinrichtung anhand des Messergebnisses des Strahlungsdetektors bestimmt werden. Aus dem Grenzeinfallswinkel wird anschließend mittels der Auswerteeinrichtung die Harnstoffkonzentration der Lösung bestimmt.
Dabei wird ausgenutzt, dass der Brechungsindex einer Harnstofflösung, beispielsweise einer wässrigen Harnstofflösung, abhängig von der Harnstoffkonzentration in der Lösung ist. Der Brechungsindex der Lösung hängt wiederum in bekannter Weise mit dem Grenzeinfallswinkel zusammen. Dabei gilt die folgende Beziehung:
wobei i_c der Grenzeinfallswinkel, n_urea der Brechungsindex der Harnstofflösung und n_body der Brechungsindex des Körpers ist.
Zur Bestimmung der Harnstoffkonzentration aus dem ermittelten Grenzeinfallswinkel ist es beispielsweise denkbar, dass anhand einer in einem Kalibrierverfahren erstellten Kennlinie einem bestimmten ermittelten Grenzeinfallswinkel eine bestimmte Harnstoffkonzentration der Lösung zugeordnet werden kann. Natürlich kann mittels der oben genannten Beziehung aus dem ermittelten Grenzeinfallswinkel auch zunächst der Brechungsindex der Lösung bestimmt werden. Dies kann wiederum durch die Auswerteeinrichtung geschehen. Aus dem Brechungsindex der Lösung kann dann die Harnstoffkonzentration der Lösung bestimmt werden. Wiederum ist es denkbar, dass eine Kennlinie erstellt wird, anhand der einem bestimmten ermittelten Brechungsindex eine Harnstoffkonzentration der Lösung zugeordnet werden kann. Der Grenzeinfallswinkel kann mittels der Auswerteeinrichtung insbesondere auf Basis einer Auswertung der relativen Intensitätsvariation der reflektierten Strahlung abhängig vom Einfallswinkel bestimmt werden.
Für das Messprinzip ist nur der Brechungsindex der Harnstofflösung relevant, die Messung der Totalreflexion wird also durch keine anderen optischen Eigenschaften (Trübung, Absorption etc.) beeinflusst. Mit der Ermittlung der Harnstoffkonzentration über die Bestimmung des Brechungsindexes von Licht aus dem kritischen Winkel der inneren Totalreflexion an der Grenze vom dichteren zum dünneren Medium steht somit eine Methode hoher Genauigkeit zur Verfügung.
Um die mit dem bisherigen Einsatz einer solchen Methode verbundenen, eingangs erläuterten Probleme zu lösen, wird erfindungsgemäß als Strahlungsquelle eine Leuchtdiode verwendet, deren Strahlung von einem ortsauflösenden Detektor detektiert wird. Die Erfindung macht sich dabei zunutze, dass Leuchtdioden angenähert punktförmige Lichtquellen bilden. Sie besitzen eine kleine Abstrahlfläche und einen schmalen abgestrahlten Wellenlängenbereich. In Verbindung mit der Verwendung eines ortsauflösenden Strahlungsdetektors kann erfindungsgemäß somit im Gegensatz zum Stand der Technik auf eine aufwendige Optik, insbesondere am Strahlungsdetektor, verzichtet werden. Störeinflüsse und diffuses Licht, die bei konventionellen ausgedehnten Lichtquellen eine aufwendige Optik, insbesondere aufwendige Linsen- und Filtersystem, erforderlich machen, brauchen erfindungsgemäß nicht vorgesehen werden. Durch den Einsatz einer angenähert punktförmigen und darüber hinaus schmalbandigen Lichtquelle, nämlich einer Leuchtdiode, wird erfindungsgemäß vielmehr auch ohne zusätzliche Optik ein Signal hoher Schärfe detektiert, aus welchem präzise und zuverlässig auf den Grenzeinfallswinkel geschlossen werden kann. Die Leuchtdiode weist dabei eine in alle Raumrichtungen weitgehend homogene Abstrahlcharakteristik auf. Daher brauchen auch keine beweglichen Teile, beispielsweise zur Strahlverschwenkung, vorgesehen werden, wie es bei Laser-basierten Strahlungsquellen erforderlich ist, die nur in einen kleinen Raumwinkelbereich Strahlung abgeben.
Erfindungsgemäß wird somit in der Praxis auch unter rauen Betriebsbedingungen eine große Robustheit erreicht. Insbesondere wird im Gegensatz zum Stand der Technik eine hohe Beständigkeit gegen Vibrationen und Temperaturwechsel erreicht, wobei die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens jederzeit sichergestellt ist.
Da erfindungsgemäß keine weiteren optischen Maßnahmen erforderlich sind, kann die Vorrichtung eine besonders kleine Baugröße besitzen, d. h. durch den Entfall insbesondere eines Linsensystems kann das Refraktometer miniaturisiert werden. Es kann daher gut in bestehende Systeme, beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich, integriert werden. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren einfach und kostengünstig zu realisieren, da sowohl Leuchtdioden als auch ortsauflösende Detektoren kostengünstig zur Verfügung stehen.
Erfindungsgemäß ist in dem Körper und/oder auf der Oberfläche des Strahlungsdetektors mindestes ein Bereich vorgesehen, der die elektromagnetische Strahlung anders absorbiert als die übrigen Bereiche des Körpers und/oder der Oberfläche des Strahlungsdetektors. Insbesondere können diese Bereiche die Strahlung stärker absorbieren als die übrigen Bereiche. Es kann insbesondere eine Mehrzahl von Bereichen vorgesehen sein, die die Strahlung unterschiedlich absorbieren. Durch das gezielte Vorsehen von absorbierenden Zonen oder Oberflächen in dem Körper oder auf der Sensoroberfläche kann die Intensitätsverteilung an der Detektoroberfläche an die Detektorempfindlichkeit angepasst werden, um eine möglichst zuverlässige Erkennung des Grenzwinkels der Totalreflektion zu erreichen. So ist es möglich, den Körper oder die Sensoroberfläche gezielt so zu beschichten bzw. mit absorbierenden Bereichen zu versehen, dass im Wesentlichen im gesamten gemessenen Bereich von Einfallswinkeln eine annähernd gleichbleibende Intensität gemessen wird, aber bei Auftreten von Totalreflektionen ein leicht detektierbarer Intensitätssprung entsteht. Der Grenzeinfallswinkel kann dann in besonders genauer Weise ermittelt werden.
Die untersuchte Lösung kann insbesondere eine wässrige Harnstofflösung sein. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung können beispielsweise zur Bestimmung der Harnstoffkonzentration einer Lösung in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Insbesondere kann die Harnstoffkonzentration einer als NOx-Reduktionsmittel in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs eingespritzten Lösung untersucht werden. Auch unter den im Kraftfahrzeugbereich auftretenden rauen Einsatzbedingungen kann die Harnstoffkonzentration erfindungsgemäß mit großer Zuverlässigkeit festgestellt werden.
Grundsätzlich kann die von der Leuchtdiode abgestrahlte Wellenlänge aus dem gesamten Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung ausgewählt werden. Aus Kostengründen ist es jedoch bevorzugt, Leuchtdioden einzusetzen, die im Bereich sichtbaren roten Lichts abstrahlen.
Der Körper kann beispielsweise aus einem Glas oder Kunststoffwerkstoff hergestellt sein. Er kann insbesondere massiv ausgestaltet sein. Entscheidend ist nur, dass sein Brechungsindex über den gesamten untersuchten Konzentrationsbereich der Lösung größer ist als der Brechungsindex der Lösung.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Leuchtdiode eine Abstrahlfläche von maximal (0,5 mm)², insbesondere maximal (0,2 mm)² besitzt. Bei dieser Ausgestaltung liegt eine besonders gut angenäherte punktförmige Lichtquelle vor, so dass ohne weitere Optik die Harnstoffkonzentration besonders genau festgestellt werden kann.
Der Strahlungsdetektor kann insbesondere ein Fotodiodenarray sein. Mit derartigen Fotodiodenarrays ist eine ortsauflösende Messung in besonders einfacher und genauer Weise möglich, ohne dass zusätzliche optische Maßnahmen in dem erfindungsgemäßen Aufbau erforderlich wären. Dabei stehen derartige Detektoren kostengünstig zur Verfügung. Das Fotodiodenarray kann insbesondere ein Zeilenarray oder ein Flächenarray sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die durch die elektromagnetische Strahlung von der Leuchtdiode bis zu dem Strahlungsdetektor in dem Körper zurückzulegende Wegstrecke mit zunehmendem Einfallswinkel der an der Grenzfläche reflektierten Strahlung zunimmt. Gemäß dieser Ausgestaltung der Vorrichtung ist diese derart aufgebaut, dass die durch die elektromagnetische Strahlung von der Leuchtdiode bis zu dem Strahlungsdetektor in dem Körper zurückzulegende Wegstrecke mit zunehmendem Ein fallswinkel der an der Grenzfläche reflektierten Strahlung zunimmt.
Mit dieser Ausgestaltung ist eine besonders präzise Bestimmung des Grenzeinfallswinkels möglich. Indem die Wegstrecke der Strahlung mit zunehmendem Einfallswinkel zunimmt, wird die mit zunehmendem Einfallswinkel zunehmende Reflexion der Strahlung und damit zunehmende von dem Strahlungsdetektor messbare Intensität ausgeglichen dadurch, dass es aufgrund der mit dem Einfallswinkel zunehmenden Wegstrecke zu einer Abnahme der Strahlungsintensität kommt. Insbesondere nimmt die Intensität einer punktförmigen Lichtquelle mit dem Quadrat des Abstands ab. Mit dieser Ausgestaltung ist somit erreichbar, dass die von dem Strahlungsdetektor mit zunehmendem Einfallswinkel der Strahlung gemessene Intensität bis zum Erreichen des Grenzeinfallswinkels im Wesentlichen konstant bleibt. Sobald der Grenzeinfallswinkel überschritten wird, kommt es aufgrund der nunmehr vollständigen Reflexion der elektromagnetischen Strahlung zu einem sprunghaften Anstieg der durch den Strahlungsdetektor gemessenen Intensität. Auf dieser Grundlage kann der Grenzeinfallswinkel und damit die Konzentration mit einer besonders hohen Auflösung bestimmt werden.
Eine besonders einfache und robuste Ausgestaltung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung sieht vor, dass der Körper eine Keilform aufweist, wobei zumindest ein Teil der unteren Keilfläche des Körpers die Grenzfläche bildet, und wobei der Strahlungsdetektor auf der der unteren Keilfläche gegenüberliegenden, oberen Keilfläche des Körpers angeordnet ist. Dabei kann insbesondere die gesamte untere Keilfläche die Grenzfläche bilden. Bei dieser Ausgestaltung wird also in besonders einfacher Weise die Grenzfläche durch die untere Keilfläche realisiert. Indem auf der der unteren Keilfläche gegenüberliegenden oberen Keilfläche der Strahlungsdetektor angeordnet wird, trägt der Keil den Detektor und es wird eine besonders robuste und einfache Anordnung des Detektors in Be zug auf die Grenzfläche erreicht. Dabei kann der Detektor insbesondere an dem der Keilschneide zugeordneten Ende der oberen Keilfläche angeordnet sein.
Weiterhin kann bei einer keilförmigen Ausgestaltung des Körpers vorgesehen sein, dass die Leuchtdiode im der Keilschneide gegenüberliegenden Endbereich des keilförmigen Körpers vorgesehen ist. Sie kann dabei insbesondere auf der der Keilschneide gegenüberliegenden Endfläche des Körpers angeordnet sein. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Leuchtdiode wie der Strahlungsdetektor ebenfalls auf der oberen Keilfläche des Körpers angeordnet ist, beispielsweise im Bereich des der Keilschneide gegenüberliegenden Keilendes. Insbesondere können dabei die Leuchtdioden und der Strahlungsdetektor in einer Montageebene angeordnet sein. Der keilförmige Körper trägt also sowohl den Strahlungsdetektor als auch die Leuchtdiode und es ergibt sich ein besonders einfacher und robuster Aufbau. Sofern die Leuchtdiode im der Keilschneide gegenüberliegenden Endbereich des Körpers angeordnet ist, kann in konstruktionstechnisch besonders einfacher und robuster Weise erreicht werden, dass die durch die elektromagnetische Strahlung von der Leuchtdiode bis zu dem Strahlungsdetektor in dem Körper zurückzulegende Wegstrecke mit zunehmenden Einfallswinkel der an der Grenzfläche reflektieren Strahlung zunimmt.
Grundsätzlich kann die Gestaltung des Körpers so optimiert werden, dass eine optimale Intensitätsverteilung auf der Empfängerfläche erreicht wird und abhängig von den Daten des Strahlungsdetektors der optimale Winkelmessbereich und die benötigte Auflösung der Konzentrationsmessung erreicht wird.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Leuchtdiode und der Strahlungsdetektor in eine gemeinsame Baugruppe integriert sind. Die Leuchtdiode und der Detektor bilden also insbesondere in gemeinsames Bauteil. Die Integration von elektrischen Bauteilen erfolgt am kostengünstigsten an einer gemeinsamen Position. Indem die Leuchtdiode und der Strahlungsdetektor in eine gemeinsame Baugruppe integriert sind, können also die Kosten weiter reduziert werden. Die Diode und der Detektor können insbesondere in einer gemeinsamen Ebene vorgesehen sein, also ein gemeinsames ebenes Bauteil bilden und beispielsweise auf der oberen Keilfläche des keilförmigen Körpers angeordnet sein. Dabei kann insbesondere ein Fotodiodenmodul mit räumlich integrierter Leuchtdiode als Sendediode vorgesehen sein. Um trotz einer Integration der Diode und des Detektors an einer gemeinsamen Position einen geeigneten Strahlverlauf zu realisieren, kann eine Umlenkung der Strahlung an Spiegelflächen und/oder eine geeignet angepasste Form des Körpers vorgesehen werden.
Die zu untersuchende Lösung kann gemäß einer weiteren Ausführung an der Grenzfläche entlang geleitet werden. Dazu kann eine Einrichtung zum Leiten der Lösung entlang der Grenzfläche vorgesehen sein. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine gleichmäßige Untersuchung der gesamten Lösung erfolgt. Außerdem kann in dieser Weise der mechanische Aufbau weiter vereinfacht werden, indem zum Beispiel ein geeigneter Körper als Träger für eine Leuchtdiode und einen Strahlungsdetektor mit einem Bauteil kombiniert wird, welches von der Harnstofflösung durchströmt wird. Ein solches Bauteil kann insbesondere ein Formteil sein, in das ein geeignet geformter Körper integriert wird.
Die Einrichtung kann insbesondere ein an den Körper angesetztes Bauteil aufweisen zum Leiten der Lösung entlang der Grenzfläche, welches Bauteil mindestens eine elastische Wandung besitzt. Gemäß dieser Ausgestaltung wird die Lösung also mittels eines an den Körper angesetzten Bauteils an der Grenzfläche entlang geleitet, wobei das Bauteil mindestens eine elastische Wandung besitzt. Das Bauteil kann insbesondere ein Formteil sein und muss nicht direkt an den Körper angesetzt sein. Vielmehr kann ein Verbindungselement zwischen dem Bauteil und dem Körper vorgesehen sein. Vorzugsweise ist das Bauteil zur Grenzfläche hin offen, so dass die Lösung direkt an der Grenzfläche entlang geleitet wird und die optische Messung nicht beeinträchtigt wird. Indem eine elastische Wandung des Bauteils vorgesehen ist, wird die Frostbeständigkeit des Systems sichergestellt. So kann bei einem Einfrieren der Lösung und einer damit verbundenen Volumenausdehnung diese Volumenausdehnung durch die elastische Wandung ausgeglichen werden. Es kommt somit nicht zu einer Beschädigung des Systems. Die elastische Wandung kann beispielsweise durch ein Gummimaterial realisiert werden. Natürlich kann auch das gesamte Bauteil elastisch sein.
Die Geometrie der Zuführung der Lösung zur Grenzfläche kann grundsätzlich vollkommen frei gestaltet werden. Wesentlich ist dabei nur eine Benetzung der Grenzfläche mit einer Flüssigkeitsschicht, welche dick gegenüber der Wellenlänge des zur Messung verwendeten Lichts ist. Indem also eine möglichst dünne Flüssigkeitsschicht an der Grenzfläche entlang geleitet wird, ist es möglich, die Frostbeständigkeit des Systems weiter zu verbessern, da es bei einer dünnen Flüssigkeitsschicht bei einem Einfrieren auch nur zur einer geringen Volumenausdehnung kommt. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass Flüssigkeitsschichten von weniger als 1 mm Dicke, insbesondere 0,1 bis 0,2 mm Dicke, für die Messung ausreichend sind. Das Bauteil zum Leiten der Lösung entlang der Grenzfläche kann entsprechend dünn ausgestaltet sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind ein Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur der Lösung und eine Einrichtung zur Berücksichtigung der Temperatur bei der Bestimmung der Harnstoffkonzentration der Lösung vorgesehen. Gemäß dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird die Temperatur der Lösung ermittelt und bei der Bestimmung der Harnstoffkonzentration der Lösung berücksichtigt. Da der Grenzeinfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung eine gewisse Temperaturabhängigkeit zeigt, kann gemäß dieser Ausgestaltung die Temperatur der Lösung berücksichtigt werden. Dabei kann der Temperatursensor direkt in der Anordnung, beispielsweise direkt in der Lösung, vorgesehen sein oder zumindest so nahe an derselben, dass er die Temperatur der Lösung zuverlässig bestimmen kann. Als Temperatursensoren kommen grundsätzliche sämtliche Sensoren in Frage. Die durch den internen oder externen Temperatursensor ermittelte Lösungstemperatur kann anschließend rechnerisch berücksichtigt werden, beispielsweise durch einen Vergleich mit einer zuvor angelegten Kennlinie. Auf diese Weise kann mit einem einfachen Aufbau in einfacher Weise eine nachträgliche Korrektur des ermittelten Wertes für die Harnstoffkonzentration in Abhängigkeit von der Lösungstemperatur durchgeführt werden. Die Einrichtung zur Berücksichtigung der Temperatur kann dabei insbesondere in die Auswerteeinrichtung integriert sein.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Harnstoffkonzentration in einer Lösung in einer Schnittansicht,
2 eine mit der Vorrichtung aus 1 aufgenommene Intensitätsverteilung.
In 1 ist ein keilförmiger Körper 1 aus einem massiven Glaswerkstoff dargestellt. Der Körper 1 weist eine Keilschneide 2, eine unter Keilfläche 3, eine der unteren Keilfläche 3 gegenüberliegende obere Keilfläche 4 sowie eine der Keilschneide 2 gegenüberliegende Endfläche 5 auf. An dem der oberen Keilfläche 4 zugeordneten Ende der Endfläche 5 ist eine Leuchtdiode 6 angeordnet. Die untere Keilfläche 3 bildet eine Grenzfläche 7 zwischen dem Körper 1 und einer zu untersuchenden Harnstoffwasserlösung 8. Im Bereich des der Keilschneide 2 zugeordneten Endes der oberen Keilfläche 4 ist auf der oberen Keilfläche 4 ein Strahlungsdetektor 9, im dargestellten Beispiel ein zeilenförmiges Fotodiodenarray 9, angeordnet.
Es ist eine Einrichtung vorgesehen zum Leiten der Lösung 8 entlang der Grenzfläche 7. Die Einrichtung weist ein an den Körper 1 angesetztes Bauteil 10 auf. Das Bauteil 10 besitzt eine Quaderform, wobei die obere Quaderfläche im Wesentlichen fehlt, so dass das Bauteil 10 zur Grenzfläche 7 hin offen ist. Zur Verbesserung der Frostbeständigkeit besitzt das Bauteil 10 eine untere, der Grenzfläche 7 abgewandte elastische Wandung 11 aus einem Gummimaterial. Dadurch wird die Frostbeständigkeit verbessert. Das Bauteil 10 kann insbesondere ein Formteil sein, in welches der Glaskörper 1 als Träger für die Leuchtdiode 6 und das Fotodiodenarray 9 integriert ist.
Das Bauteil 10 kann von der Harnstofflösung durchströmt werden. Dazu weist die Einrichtung zum Leiten der Lösung entlang der Grenzfläche eine mit dem Bauteil 10 verbundene Zuleitung 12 für die Harnstofflösung 8 sowie eine ebenfalls mit dem Bauteil 10 verbundene Ableitung 13 für die Harnstofflösung 8 auf. Die Einrichtung weist darüber hinaus eine nicht dargestellte Pumpe zum Durchleiten der Harnstofflösung 8 durch das Bauteil 10 über die Zuleitung 12 und die Ableitung 13 auf. Der Fluss der Harnstofflösung 8 ist in 1 durch die Pfeile 14 veranschaulicht. Um die Frostbeständigkeit weiter zu verbessern, weist das an den Körper 1 angesetzte Bauteil 10 eine Dicke d von weniger als 1 mm, insbesondere von 0,1 bis 0,2 mm, auf.
Die Leuchtdiode 6 besitzt im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Abstrahlfläche von maximal (0,5 mm)², insbesondere maximal (0,2 mm)². Die Leuchtdiode 6 strahlt im Betrieb elektromagnetische Strahlung R in den Körper 1 aus, im vorliegenden Beispiel im sichtbaren roten Wellenlängenbereich. In 1 ist die Strahlung R zur Veranschaulichung schematisch in Form einzelner Strahlen dargestellt. Tatsächlich erzeugt die Leuchtdiode 6 jedoch eine im Wesentlichen homogene Abstrahlung in alle Richtungen in den Körper 1. Die Strahlung R der Leuchtdiode 6 trifft entsprechend unter verschiedenen Einfallswinkeln auf die Grenzfläche 7. Je nach Größe des Ein fallswinkels wird ein Teil der Strahlung R an der Grenzfläche 7 reflektiert. Ab einem bestimmten Einfallswinkel wird die an der Grenzfläche 7 reflektierte Strahlung R von dem Fotodiodenarray 9 detektiert, der eine entsprechend räumlich aufgelöste Strahlungsintensitätsverteilung misst. Sobald ein Grenzeinfallswinkel überschritten wird, kommt es zur Totalreflexion der Strahlung R, so dass im Wesentlichen die gesamte auf die Grenzfläche 7 treffende Strahlung R reflektiert wird und von dem Diodenarray 9 detektiert wird. Der Detektionsbereich des Diodenarrays 9, innerhalb dessen total reflektierte Strahlung R detektiert wird, ist in 1 mit TR bezeichnet.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Glaskörper 1 einen Brechungsindex von 1,6. Es wurde 32,5%ige wässrige Harnstofflösung verwendet mit einem Brechungsindex von 1,38. Daraus ergibt sich bei einer Temperatur der Lösung von 20°C ein Grenzeinfallswinkel für die Totalreflexion von 60°. Wird der Körper 1 aus einem anderen Glas- oder auch einem Kunststoffwerkstoff hergestellt, ergeben sich andere geometrische Bedingungen. Entscheidend ist nur, dass der Körper 1 über den gesamten im Rahmen der Messung untersuchten Konzentrationsbereich der Lösung 8 einen größeren Brechungsindex als die Lösung 8 besitzt.
Eine mit der in 1 dargestellten Vorrichtung von dem Fotodiodenarray 9 aufgenommene Strahlungsintensitätsverteilung ist in 2 dargestellt. Dabei ist auf der Abszisse der Detektionsort des Detektors 9 aufgetragen und auf der Ordinate die durch den Strahlungsdetektor 9 gemessene Intensität I der reflektierten Strahlung R. Der Bereich DR in 2 bezeichnet dabei den für die Auswertung genutzten Messbereich des Fotodiodenarrays 9, also den für eine ortsaufgelöste Messung der Intensität I der reflektierten Strahlung R durch den Detektor 9 genutzten Bereich. Dieser entspricht vorliegend im Wesentlichen der gesamten Detektorzeile.
In 2 ist zu erkennen, dass die gemessene Strahlungsintensität I ausgehend von dem Beginn des Messbereichs DR des Detektors 9 zunächst im Wesentlichen konstant bleibt. Dies ist der Fall, obwohl mit zunehmendem Detektionsort, also zunehmendem Einfallswinkel der Strahlung R der an der Grenzfläche 7 reflektierte Strahlungsanteil zunimmt. Diese Intensitätszunahme der reflektierten Strahlung R wird erfindungsgemäß jedoch dadurch ausgeglichen, dass in dem keilförmigen Körper 1 die durch die elektromagnetische Strahlung R von der Leuchtdiode 6 bis zu dem Strahlungsdetektor 9 zurückzulegende Wegstrecke mit zunehmendem Einfallswinkel der an der Grenzfläche 7 reflektierten Strahlung R zunimmt. Mit zunehmendem Einfallswinkel kommt es also zu einer zunehmenden Schwächung der Strahlung R in dem Körper 1. Auf diese Weise wird die mit zunehmendem Einfallswinkel erfolgende Intensitätszunahme der reflektierten Strahlung R ausgeglichen, so dass die von dem Detektor 9 gemessene Strahlungsintensität I zunächst im Wesentlichen konstant bleibt.
An dem in 2 mit TRX bezeichneten Detektionsort kommt es zu einem sprunghaften Anstieg der von dem Detektor 9 gemessenen Strahlungsintensität I. Die an diesem Ort TRX von dem Detektor 9 detektierte Strahlung R ist unter dem Grenzeinfallswinkel auf die Grenzfläche 7 getroffen und wurde daher von dieser total reflektiert. Da in diesem Fall also im Wesentlichen sämtliche auf die Grenzfläche 7 treffende Strahlung R reflektiert wurde, kommt es an diesem Ort des Detektors zu einem Anstieg der Intensität I. Mit weiter zunehmendem Detektionsort in dem Diagramm in 2, also weiter zunehmendem Einfallswinkel der Strahlung R, sinkt die von dem Detektor 9 gemessene Intensität I wieder leicht ab. Der Grund dafür ist, dass die von der Strahlung R mit zunehmendem Einfallswinkel zurückzulegende Wegstrecke in dem Körper 1 weiter zunimmt, so dass es zu einer entsprechenden Schwächung der Strahlung R kommt.
Der Grenzwinkel kann mit der in 1 dargestellten Vorrichtung aus der in 2 dargestellten Intensitätsverteilung mit einer hohen Auflösung bestimmt werden. Aus dem derart präzise ermittelten Grenzwinkel kann wiederum in genauer Weise die Harnstoffkonzentration in der wässrigen Harnstofflösung 8 ermittelt werden. Dabei wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein besonders deutlicher Intensitätssprung bei Erreichen des Grenzwinkels bewirkt und damit eine besonders gute Messauflösung ermöglicht. Das Ermitteln des Grenzeinfallswinkels aus der aufgenommenen Intensitätsverteilung erfolgt dabei in an sich bekannter Weise mittels einer nicht näher dargestellten Auswerteeinrichtung. Diese Auswerteeinrichtung ermittelt aus dem Grenzeinfallswinkel auch die Harnstoffkonzentration der Lösung 8. Dazu kann mittels einer entsprechenden Vergleichseinrichtung ein Vergleich mit einer zuvor angelegten Kennlinie erfolgen.
Um die Genauigkeit weiter zu verbessern, ist in dem Körper 1 und/oder auf der Oberfläche des Strahlungsdetektors 9 mindestens ein Bereich vorgesehen, der die elektromagnetische Strahlung R anders absorbiert als die übrigen Bereiche des Körpers 1 und/oder der Oberfläche des Strahlungsdetektors 9. Dies ist in den Figuren nicht dargestellt.
Weiterhin kann ein nicht dargestellter externer oder interner Temperatursensor vorgesehen sein, mit dem die Temperatur der Harnstofflösung 8 ermittelt wird. Die von der Auswerteeinrichtung ermittelte Harnstoffkonzentration kann dann rechnerisch ebenfalls mittels der Auswerteeinrichtung anhand der gemessenen Temperatur der Lösung korrigiert werden.
Selbstverständlich kann die Leuchtdiode 6 auch auf der oberen Keilfläche 4, beispielsweise an dem der Endfläche 5 zugeordneten Ende der oberen Keilfläche 4 angeordnet sein. Ebenfalls ist es denkbar, die Leuchtdiode 6 und den Detektor 9 in eine gemeinsame Baugruppe zu integrieren.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau wird eine besonders kompakte und robuste Vorrichtung geschaffen. So ist es möglich, die gesamte Vorrichtung mit einer Aufbaugröße von wenigen Zentimetern, beispielsweise ca. 2 cm Höhe, zu realisieren.
Mit dem in dem Ausführungsbeispiel dargestellten Verfahren bzw. der dargestellten Vorrichtung ist es möglich, die Harnstoffkonzentration einer im Kraftfahrzeugbereich eingesetzten, insbesondere zur NOx-Reduktion in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs eingespritzten Harnstofflösung zu bestimmen. Dabei ist eine zuverlässige und genaue Bestimmung der Harnstoffkonzentration auch unter im Betrieb auftretenden rauen Betriebsbedingungen möglich. Insbesondere ist aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung einer angenähert punktförmigen Leuchtdiode 6 und eines ortsauflösenden Detektors 9 keine weitere Optik erforderlich. Dadurch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das entsprechende Verfahren unempfindlich gegen äußere Einflüsse, wie beispielsweise Vibrationen, Erschütterungen oder Temperaturschwankungen.

1: Körper
2: Keilschneide
3: untere Keilfläche
4: obere Keilfläche
5: Endfläche
6: Leuchtdiode
7: Grenzfläche
8: Lösung
9: Strahlungsdetektor
10: Bauteil
11: elastische Wandung
12: Zuleitung
13: Ableitung
14: Strömungsrichtung der Lösung
d: Dicke des Bauteils
I: Gemessene Intensität der reflektierten Strahlung
DR: Genutzter Messbereich des Strahlungsdetektors
TR: Detektionsbereich total reflektierter Strahlung
TRX: Detektionsort, ab dem Totalreflexion auftritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5694210 A [0006]
- EP 0836092 A2 [0006]
- US 5167149 A [0006]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Substanz in einer Lösung (8), – bei dem von einer Lichtquelle (6) elektromagnetische Strahlung (R) in einen Körper (1) ausgesendet wird, der angrenzend an die Lösung (8) angeordnet ist, so dass zwischen dem Körper (1) und der Lösung (8) eine Grenzfläche (7) gebildet wird, und dessen Brechungsindex größer ist als der Brechungsindex der Lösung (8), – bei dem die elektromagnetische Strahlung (R) an der Grenzfläche (7) bei verschiedenen Einfallswinkeln reflektiert wird, – bei dem zumindest ein Teil der reflektierten elektromagnetischen Strahlung (R) von einem ortsauflösenden Strahlungsdetektor (9) detektiert wird, und – bei dem aus einem Grenzeinfallswinkel, oberhalb dessen für die elektromagnetische Strahlung (R) an der Grenzfläche (7) zwischen Körper (1) und Lösung (8) Totalreflexion auftritt, die Konzentration von Harnstoff in der Lösung (8) bestimmt wird dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Bestimmung der Harnstoffkonzentration dient, dass als Lichtquelle eine Leuchtdiode (6) verwendet wird und dass in dem Körper (1) und/oder auf der Oberfläche des Strahlungsdetektors (9) mindestens ein Bereich vorgesehen wird, der die elektromagnetische Strahlung (R) anders absorbiert als die übrigen Bereiche des Körpers (1) und/oder der Oberfläche des Strahlungsdetektors (9).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdiode (6) eine Abstrahlfläche von maximal (0,5 mm)², insbesondere maximal (0,2 mm)², besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsdetektor (9) ein Fotodiodenarray (9) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die elektromagnetische Strahlung (R) von der Leuchtdiode (6) bis zu dem Strahlungsdetektor (9) in dem Körper (1) zurückzulegende Wegstrecke mit zunehmendem Einfallswinkel der an der Grenzfläche (7) reflektierten Strahlung (R) zunimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) eine Keilform aufweist, wobei zumindest ein Teil der unteren Keilfläche (3) des Körpers die Grenzfläche (7) bildet, und wobei der Strahlungsdetektor (9) auf der der unteren Keilfläche (3) gegenüberliegenden, oberen Keilfläche (4) des Körpers (1) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdiode (5) im der Keilschneide (2) gegenüberliegenden Endbereich des keilförmigen Körpers (1) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdiode (6) und der Strahlungsdetektor (9) in eine gemeinsame Baugruppe integriert sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung (8) an der Grenzfläche (7) entlang geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung (8) mittels eines an den Körper (1) angesetzten Bauteils (10) an der Grenzfläche (7) entlang geleitet wird, wobei das Bauteil (10) mindestens eine elastische Wandung (11) besitzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Lösung (8) ermittelt wird und die Temperatur bei der Bestimmung der Harnstoffkonzentration der Lösung (8) berücksichtigt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer Substanz in einer Lösung (8), – umfassend eine Lichtquelle (6), mit der elektromagnetische Strahlung (R) in einen Körper (1) aussendbar ist, der angrenzend an die Lösung (8) anordenbar ist, so dass zwischen dem Körper (1) und der Lösung (8) eine Grenzfläche (7) generierbar ist, und dessen Brechungsindex größer ist als der Brechungsindex der Lösung (8), – wobei die elektromagnetische Strahlung (R) an der Grenzfläche (7) bei verschiedenen Einfallswinkeln reflektierbar ist, – umfassend einen ortsauflösenden Strahlungsdetektor (9), mit dem zumindest ein Teil der an der Grenzfläche (7) reflektierten elektromagnetischen Strahlung (R) detektierbar ist, und – umfassend eine Auswerteeinrichtung, mit der aus einem Grenzeinfallswinkel, oberhalb dessen für die elektromagnetische Strahlung (R) an der Grenzfläche (7) zwischen Körper (1) und Lösung (8) Totalreflexion auftritt, die Konzentration von Harnstoff in der Lösung (8) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Bestimmung der Harnstoffkonzentration dient, dass die Lichtquelle eine Leuchtdiode (6) ist und dass in dem Körper (1) und/oder auf der Oberfläche des Strahlungsdetektors (9) mindestens ein Bereich vorgesehen ist, der die elektromagnetische Strahlung (R) anders absorbiert als die übrigen Bereiche des Körpers (1) und/oder der Oberfläche des Strahlungsdetektors (9).
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdiode (6) eine Abstrahlfläche von maximal (0,5 mm)², insbesondere maximal (0,2 mm)², besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsdetektor (9) ein Fotodiodenarray (9) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart aufgebaut ist, dass die durch die elektromagnetische Strahlung (R) von der Leuchtdiode (6) bis zu dem Strahlungsdetektor (9) in dem Körper (1) zurückzulegende Wegstrecke mit zunehmendem Einfallswinkel der an der Grenzfläche (7) reflektierten Strahlung (R) zunimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) eine Keilform aufweist, wobei zumindest ein Teil der unteren Keilfläche (3) des Körpers (1) die Grenzfläche (7) bildet, und wobei der Strahlungsdetektor (9) auf der der unteren Keilfläche (3) gegenüberliegenden, oberen Keilfläche (4) des Körpers (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdiode (6) im der Keilschneide (2) gegenüberliegenden Endbereich des keilförmigen Körpers (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdiode (6) und der Strahlungsdetektor (9) in eine gemeinsame Baugruppe integriert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist zum Leiten der Lösung entlang der Grenzfläche (7).
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung ein an den Körper (1) angesetztes Bauteil (10) aufweist zum Leiten der Lösung entlang der Grenzfläche (7), welches mindestens eine elastische Wandung (11) besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur der Lösung (8) und eine Einrichtung zur Berücksichtigung der Temperatur bei der Bestimmung der Harnstoffkonzentration der Lösung (8) vorgesehen sind.