DE102009025183B4

DE102009025183B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Staub- und Rußpartikelkonzentration

Info

Publication number: DE102009025183B4
Application number: DE200910025183
Authority: DE
Inventors: Knut Hoyer; Thomas Springmann; Christian Schwär; Christian Bär
Original assignee: Testo SE and Co KGaA
Current assignee: Testo SE and Co KGaA
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2029-06-13
Also published as: DE102009025183A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Staub- und Rußpartikelkonzentration in einer Gasprobe, wobei ein erster Filter (4) und ein zweiter Filter (10), dessen Färbung verschieden von der Färbung des ersten Filters (4) ist, mit Staub- und Rußpartikeln (20) aus einem Probenanteil der Gasprobe beladen werden, der beladene erste Filter (4) und der beladene zweite Filter (10) jeweils mit Licht (16, 17, 18) bestrahlt und die Anteile (19, 21) des von dem beladenen ersten Filter (4) und dem zweiten Filter (10) reflektierten Lichts gemessen werden, und hieraus die Flächenbelegung des ersten Filters (4) und des zweiten Filters (10) mit Staub- und Rußpartikeln (20) ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Staub- und Rußpartikelkonzentration in einer Gasprobe.
Es sind Verfahren bekannt, bei denen ein erster Filter mit Staub- und Rußpartikeln aus einem Probenanteil der Gasprobe beladen wird, der beladene erste Filter mit Licht bestrahlt und der Anteil des von dem beladenen ersten Filter reflektierten Lichts gemessen wird, die Flächenbelegung des Filters mit Staub- und Rußpartikeln unter Verwendung des gemessenen Anteils des von dem ersten Filter reflektierten Lichts bestimmt wird und die Staub- und Rußpartikelkonzentration aus der bestimmten Flächenbelegung ermittelt wird.
Die Flächenbelegung ist hierbei als der prozentuale Anteil der mit Staub- und Rußpartikeln bedeckten Fläche des Filters in Bezug auf die wirksame Gesamtfläche des Filters gegeben.
Derartige Verfahren sind beispielsweise aus der internationalen Norm ISO 10054:1998(E) bekannt und werden zur Bestimmung der Konzentration an Rußpartikeln in einem Abgas eingesetzt. Beispiele hierfür sind Dieselmotoren und Heizungssysteme. In diesen genannten Gebieten sind die bekannten Verfahren besonders vorteilhaft einsetzbar, weil die auftretenden Rußpartikel schwarz sind.
Zur Ausführung des bekannten Verfahrens wird üblicherweise ein vorbestimmter Anteil eines Abgases entnommen und durch einen weißen Filter gesaugt. Hierbei lagern sich Rußpartikel in diesem Filter ab und beladen diesen. Durch Bestrahlung dieses Filters mit Licht nach der Rußbeladung lässt sich die Flächenbelegung des Filters mit Rußpartikeln bestimmen, indem der Anteil des reflektierten Lichtes bestimmt wird.
Dieses Verfahren bereitet technische Probleme, wenn der Ruß nicht schwarz ist, da sich in diesem Fall Messfehler einstellen können. Beispielsweise reflektieren rote Partikel den roten Anteil eines einfallenden Lichtstrahls, so dass sich insgesamt eine im Verhältnis zur tatsächlichen Flächenbelegung des Filters zu große Intensität und dementsprechend eine zu geringe berechnete Flächenbelegung ergibt. Es entstehen somit je nach auftretenden Staub- und Rußpartikeln systematische Messfehler.
Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Bestimmung der Staub- und Rußpartikelkonzentration in einer Gasprobe.
Hierbei werden zur Ausführung des beschriebenen, bekannten Verfahrens Vorrichtungen eingesetzt, die Mittel zur Beladung eines ersten Filters mit Staub- und Rußpartikeln aus einem Probenanteil der Gasprobe, einer Lichtquelle, die zur Bestrahlung des ersten Filters mit Licht eingerichtet ist, einen ersten Detektor, welcher zur Messung des Anteils des von dem beladenen ersten Filter reflektierten Lichts eingerichtet ist, und eine Verarbeitungseinheit, welche zur Bestimmung der Flächenbelegung des Filters mit Staub- und Rußpartikeln unter Verwendung des gemessenen Anteils des von dem ersten Filter reflektierten Lichts und zur Ermittelung der Staub- und Rußpartikelkonzentration aus der bestimmten Flächenbelegung eingerichtet ist, aufweisen.
Aus der DE 694 06 034 T2 sind ein Verfahren und ein Gerät zur Messung und Analyse der am Auspuff von Dieselmotoren ausgestoßenen Feststoffteilchen bekannt, bei dem die Probe von am Auslass des Auspuffs entnommenem Gas in zwei Anteile getrennt wird, wobei der erste auf einer Temperatur gleich oder über einem festgelegten Wert gehalten wird, ab dem die unverbrannten Kohlenwasserstoffe sich in der Gasphase befinden, und wobei der zweite unter eine festgelegte Temperatur gekühlt wird, ab der ein Anteil der im flüssigen Zustand in der Probe enthaltenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe vor dem Durchgang durch ein Filter kondensiert ist, das in der Lage ist, die in dieser Probe enthaltenen Feststoffteilchen zurückzuhalten.
Aus der DE 42 20 997 A1 ist eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Analyse eines Partikel enthaltenden Mediums bekannt, wobei ein Probengas in ein Referenzgas überführt wird, bevor es in einem Ofen erhitzt wird, indem ein Teil des bei der Verbrennung erhaltenen Probengases in einen Referenzkanal abgezweigt wird, wobei die im Probengas enthaltenen Partikel mit Hilfe eines im Referenzkanal vorhandenen Auffangfilters herausgefiltert werden.
Aus der US 4 633 706 A ist ein System zur Messung der von einer Fahrzeugmaschine ausgestoßenen Partikelmenge bekannt, wobei ein Teil des verdünnten Gases in eine erste Entnahmeanordnung eingeführt wird, welche mit einem ersten Filter zur Aufnahme von trockenen Rußpartikeln versehen ist, und wobei ein weiterer Teil des verdünnten Gases in eine zweite Entnahmeanordnung eingeführt wird, welche mit einem zweiten Filter zur Aufnahme von Partikeln von lösbaren organischen Bruchteilen versehen ist.
Aus der AT 348 802 B ist eine Einrichtung zur Bestimmung des Rußwertes aus der Schwärzung eines von einer vorbestimmten Rauchgasmenge durchströmten Filters mit einer fotoelektrischen Messschaltung zur Bestimmung der relativen Lichtabsorption bekannt, wobei mindestens eine Lichtquelle und ein das aufgenommene Licht in ein elektrisches Signal umwandelnder Lichtempfänger vorgesehen sind und das am Lichtempfänger abnehmbare und vorzugsweise verstärkte Signal einer Anzeigeeinrichtung zugeführt wird, wobei die Lichtquelle und der Lichtempfänger nebeneinanderliegend und optisch gegeneinander abgeschirmt in einem Träger angeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass systematische Messfehler verringert sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung bei dem eingangs beschriebenen Verfahren vorgesehen, dass ein erster Filter und ein zweiter Filter, dessen Färbung verschieden von der Färbung des ersten Filters ist, mit Staub- und Rußpartikeln aus einem Probenanteil der Gasprobe beladen werden, der beladene erste Filter und der beladene zweite Filter jeweils mit Licht bestrahlt und die Anteile des von dem beladenen ersten Filter und dem zweiten Filter reflektierten Lichts gemessen werden, die Flächenbelegung des ersten Filters und/oder des zweiten Filters mit Staub- und Rußpartikeln unter Verwendung der gemessenen Anteile des von dem ersten Filter und dem zweiten Filter reflektierten Lichts bestimmt wird, und die Staub- und Rußpartikelkonzentration in der Gasprobe aus der bestimmten Flächenbelegung ermittelt wird/werden.
Die ermittelten bzw. berechneten Größen können sich auf einen Filter oder beide Filter beziehen. Im letztgenannten Fall werden vorzugsweise die Beladungsbedingungen, wie Filtergröße, Volumen der zur Beladung verwendeten Gasprobe und dergleichen, für beide Filter gleich oder in einem festen Verhältnis zueinander gewählt.
Vorzugsweise wird der Anteil des von dem beladenen Filter reflektierten Lichts jeweils als Reflexionsgrad bestimmt. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Flächenbelegung des zweiten Filters bestimmt wird.
Gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei der Messung der Anteile des jeweils von dem ersten bzw. zweiten Filter reflektierten Lichts jeweils die Intensität des reflektierten Lichts gemessen wird.
Die gemessenen Anteile können als absolute Intensitätswerte vorliegen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass zur Bestimmung der Flächenbelegung die gemessenen Anteile des von dem ersten Filter und dem zweiten Filter reflektierten Lichts mit jeweils einer ersten bzw. zweiten Bezugsgröße und/oder mit einer gemeinsamen Bezugsgröße normiert werden. Beispielsweise kann eine Bezugsgröße durch die Intensität der Lichtquelle gegeben sein. Besonders günstig ist es, wenn als die erste bzw. die zweite Bezugsgröße der Anteil des von dem ersten bzw. zweiten, unbeladenen Filter reflektierten Lichts verwendet wird oder wenn als die gemeinsame Bezugsgröße die Differenz der Anteile des von dem ersten und zweiten, unbeladenen Filter reflektierten Lichts verwendet wird. Die Anteile des reflektierten Lichts können beispielsweise mit einem Reflektometer bestimmt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform kann vorsehen, dass zur Bestimmung der Flächenbelegung des ersten Filters mit Staub- und Rußpartikeln die Differenz der gemessenen, gegebenenfalls normierten Anteile des von dem ersten Filter und dem zweiten Filter reflektierten Lichts gebildet wird.
Zur weiteren Eliminierung von systematischen Messfehlern kann vorgesehen sein, dass der erste und der zweite Filter mit Licht bestrahlt werden, das wenigstens zwei spektrale Komponenten aufweist.
Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Anteil des jeweils von dem ersten bzw. zweiten Filter reflektierten Lichts für die spektralen Komponenten separat oder gemeinsam gemessen wird.
Eine bereits vorhandene Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art ist mit dem neuen Verfahren verwendbar, wenn der erste und der zweite Filter nacheinander beladen werden und wenn die jeweils für die Filter bestimmten Anteile des vom jeweiligen Filter reflektierten Lichts bzw. die bestimmten Flächenbelegungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren weiterverarbeitet werden.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass der erste Filter und der zweite Filter gleichzeitig beladen werden. Vorzugsweise werden erster und zweiter Filter mit derselben Menge an Staub- und Rußpartikeln beladen, oder es wird ein festes Zahlenverhältnis zwischen den Beladungen eingestellt.
Zur schnellen Auswertung kann vorgesehen sein, dass der erste Filter und der zweite Filter gleichzeitig mit Licht bestrahlt werden. Hierbei kann vorgesehen sein, dass das Licht aus einer gemeinsamen Lichtquelle oder aus separaten Lichtquellen stammt.
Eine besonders einfache Elimination des Einflusses der Farbe der Staub- und Rußpartikel auf die bestimmte Flächenbelegung ist möglich, wenn die Färbung des ersten Filters komplementär zur Färbung des zweiten Filters gewählt wird. Unter komplementär wird in dieser Anmeldung die Verwendung von Komplementärfarben für die Filter oder die Verwendung von schwarzer Färbung für den einen Filter, beispielsweise den ersten, und weißer Färbung für den anderen Filter, beispielsweise den zweiten, verstanden. Auf diese Weise wird erreicht, dass eine spektrale Komponente, die von dem einen Filter reflektiert wird, von dem anderen Filter gerade absorbiert wird und umgekehrt. Auf diese Weise ist auch eine besonders einfache Bestimmung der Intensität des von den unbeladenen Filtern reflektierten Lichts, beispielsweise als Bezugsgröße(n), ermöglicht.
Besonders günstig ist es dabei, wenn die spektrale Färbung des verwendeten Lichts gleich der Färbung des ersten oder zweiten Filters gewählt wird, weil in diesem Fall die unbeladenen Flächenanteile des jeweils anderen Filters nicht zur Reflektion beitragen. Beispielsweise kann bei Verwendung eines weißen Filters weißes Licht eingesetzt werden.
Es kann für das Verfahren auch monochomatisches Licht verwendet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass bei der Bestimmung der Staub- und Rußpartikelkonzentration das Volumen des Probenanteils am ersten und/oder am zweiten Filter berücksichtigt wird. Das Volumen des Probenanteils kann beispielsweise durch einen Volumenbegrenzer vorgegeben sein oder durch einen Durchflussmesser ermittelt werden. Da sich die Menge an Staub- und Rußpartikeln auf dem Filter aus der Flächenbelegung des Filters ableiten lässt, kann somit die Konzentration der Staub- und Rußpartikel in dem Volumen des Probenanteils berechnet werden. Vorzugsweise werden bei der Bestimmung des Volumens das Totvolumen bei Probenentnahme und/oder Verluste durch Leckagen berücksichtigt.
Zur weiteren Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass bei der Bestimmung der Staub- und Rußpartikelkonzentration weitere Parameter der Gasprobe, beispielsweise die Druckdifferenz vor und hinter dem Filter und/oder die Dichte der Gasprobe, berücksichtigt werden. Es sind hierzu Messsonden zur Messung des Drucks vor und/oder hinter dem Filter oder den Filtern und/oder zur Messung der Dichte der Gasprobe und/oder zur Messung der Differenz der Dichten der Gasprobe vor und hinter dem Filter oder den Filtern vorgesehen.
Zur Lösung der Aufgabe ist bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art vorgesehen, dass Mittel zur Beladung eines ersten Filters und eines zweiten Filters, wobei die Färbung des zweiten Filters verschieden von der Färbung des ersten Filters ist, mit Staub- und Rußpartikeln aus einem Probenanteil der Gasprobe, eine Lichtquelle, die zur Bestrahlung des ersten Filters mit Licht eingerichtet ist, und ein erster Detektor, welcher zur Messung des Anteils des von dem beladenen ersten Filter reflektierten Lichts eingerichtet ist, vorgesehen sind, wobei die oder eine Lichtquelle zur Bestrahlung des zweiten Filters mit Licht eingerichtet ist und der erste Detektor oder ein zweiter Detektor zur Messung des Anteils des von dem beladenen zweiten Filter reflektierten Lichts eingerichtet ist, und wobei eine Verarbeitungseinheit, welche zur Bestimmung der Flächenbelegung des ersten Filters und/oder des zweiten Filters mit Staub- und Rußpartikeln unter Verwendung der gemessenen Anteile des von dem ersten Filter und dem zweiten Filter reflektierten Lichts und zur Ermittelung der Staub- und Rußpartikelkonzentration aus der bestimmten Flächenbelegung eingerichtet ist, vorgesehen ist.
Der erste Filter kann separat von dem zweiten Filter oder einstückig mit diesem verbunden ausgebildet sein.
Für eine einfache Weiterverarbeitung der gemessenen Anteile kann die Verarbeitungseinheit derart eingerichtet sein, dass zur Bestimmung der Flächenbelegung die gemessenen Anteile des von dem ersten Filter und dem zweiten Filter reflektierten Lichts mit jeweils einer ersten bzw. zweiten Bezugsgröße und/oder mit einer gemeinsamen Bezugsgröße normiert werden.
Es können hierzu Mittel zur Bereitstellung des Anteils des von dem ersten bzw. zweiten, unbeladenen Filter reflektierten Lichts als die erste bzw. zweite Bezugsgröße ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass Mittel zur Bereitstellung der Differenz der Anteile des von dem ersten und zweiten, unbeladenen Filter reflektierten Lichts als die gemeinsame Bezugsgröße ausgebildet sind. Derartige Mittel können beispielsweise als Speichermittel, die vorzugsweise während eines Kalibriervorgangs mit Werten belegt werden, ausgebildet sein.
Für eine besonders einfache und wirkungsvolle Elimination des Einflusses der Färbung der Staub- und Rußpartikel auf die Staub- und Rußpartikelkonzentration kann die Verarbeitungseinheit zur Bildung der Differenz der gemessenen, gegebenenfalls normierten Anteile des von dem ersten, beladenen Filter und dem zweiten, beladenen Filter reflektierten Lichts eingerichtet sein.
Eine Ausführungsform der Erfindung kann vorsehen, dass die Lichtquelle des ersten Filters und/oder die Lichtquelle des zweiten Filters durch eine gemeinsame Lichtquelle ausgebildet sind.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Lichtquelle oder die Lichtquellen des ersten und/oder des zweiten Filters Mittel zur Erzeugung von wenigstens zwei spektralen Komponenten von Licht aufweisen. Derartige Mittel können durch unterschiedliche Lichtquellen oder unter Verwendung von Farbfiltern, Beugungsgittern oder dergleichen ausgebildet sein.
Die Messung der Anteile des reflektierten Lichts kann für jede spektrale Komponente getrennt erfolgen, beispielsweise spektral selektiv über mehrere Detektoren.
Eine konstruktiv besonders einfache Ausführungsform kann vorsehen, dass der Detektor bzw. die Detektoren zur Messung der spektralen Komponenten des Lichts gemeinsam eingerichtet sind, so dass die Summe der Intensitäten der spektralen Komponenten erfasst wird.
Eine robuste Ausführungsform kann vorsehen, dass die Filter aus Filterpapier gefertigt sind.
Ist die Färbung des ersten Filters komplementär zur Färbung des zweiten Filters, so vereinfachen sich die Formeln für die Normierung der gemessenen Anteile auf die Werte für unbeladenen Filter.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die spektrale Färbung des verwendeten Lichts gleich ist der Färbung des ersten oder zweiten Filters. Beispielsweise kann rotes Licht bei einem roten Filter oder weißes Licht bei einem weißen Filter vorgesehen sein.
Zur Bestimmung der Staub- und Partikelkonzentration kann wenigstens ein Durchflussmesser vorgesehen sein, der zur Bestimmung des Volumens des Probenanteils am ersten und/oder zweiten Filter eingerichtet ist.
Bei einer Ausgestaltung kann eine einstellbare Heizvorrichtung vorgesehen sein. Die Heizvorrichtung ist zum Temperieren der Gasprobe vor dem Filter und/oder des Filters eingerichtet. Von Vorteil ist dabei, dass die Messung bei unterschiedlichen Temperaturen Rückschlüsse auf auskondensierte Partikel erlaubt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit die Gasprobe vor Beladung des Filters mit Staub- und Rußpartikeln auf eine vorgegebene Temperatur – oder in mehreren aufeinander folgenden Verfahrensschritten auf mehrere unterschiedliche vorgegebene Temperaturen – temperiert werden, wobei zu jeder Temperatur die Beladung oder Flächenbelegung des Filters bestimmt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung können beispielsweise bei der Untersuchung des Abgasausstoßes von Verbrennungsmotoren, Biomassefeuerungen, bei der Filterüberwachung, insbesondere von Dieselmotoren, auf Motorenprüfständen, auf Fahrzeugprüfständen und/oder unter Arbeitsbedingungen des Verbrennungsmotors mit Vorteil eingesetzt werden.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ist aber nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich für den Fachmann in naheliegender Weise durch Kombination der Merkmale der Ansprüche und/oder der Ausführungsbeispiele untereinander.
Es zeigt
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Staub- und Rußpartikelkonzentration,
2 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Staub- und Rußpartikelkonzentration,
3 die Reflektion von Licht an einem ersten, unbeladenen Filter,
4 die Reflektion von Licht an einem zweiten, unbeladenen Filter,
5 die Reflektion von Licht an einem ersten, beladenen Filter und
6 die Reflektion von Licht an einem zweiten, beladenen Filter.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer als Rußmesser beziehungsweise Rußmeter ausgebildeten und allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung zur Bestimmung der Staub- und Rußpartikelkonzentration in einer Gasprobe.
Die nicht weiter ersichtliche Gasprobe wird hierzu in einem Behälter 2 vorgehalten.
Die Vorrichtung 1 weist Mittel zur Beladung 3 eines ersten Filters 4 mit Staub- und Rußpartikeln aus einem Probenanteil der Gasprobe auf.
Die Mittel zur Beladung 3 umfassen ein Entnahmerohr 5 und eine beispielsweise als Pumpe ausgebildete Fördereinrichtung 6. Die Fördereinrichtung 6 fördert über ein Rohrsystem 7 einen über das Entnahmerohr 5 aus dem Behälter 2 entnommenen Probenanteil der Gasprobe durch den ersten Filter 4, wobei sich die in dem Probenanteil enthaltenen Staub- und Rußpartikel auf dem ersten Filter 4 ablagern.
Der erste Filter 4 ist aus weißem Filterpapier gefertigt. Durch die Ablagerung der Staub- und Rußpartikel bei der Beladung des ersten Filters 4 verändert sich somit die Färbung des ersten Filters 4, da die Staub- und Rußpartikel eine von der weißen Farbe abweichende Färbung aufweisen.
Die Flächenbelegung des ersten Filters 4, also der Anteil der mit Staub- und Rußpartikeln beladenen Fläche im Verhältnis zur Gesamtfläche des ersten Filters 4, wird mit einem nicht weiter dargestellten Reflektometer bestimmt.
Die Mittel zur Beladung 3 umfassen schließlich einen Durchflussmesser 8, mit welchem das Volumen des der Gasprobe entnommenen Probenanteils festgelegt beziehungsweise gemessen werden kann.
Die Vorrichtung 1 verfügt weiter über ein Mittel zur Beladung 9 eines zweiten Filters 10.
Diese Mittel zur Beladung 9 sind prinzipiell gleichartig zu den Mitteln zur Beladung 3 des ersten Filters 4 ausgebildet und umfassen insbesondere eine Fördereinrichtung 11, die über ein Rohrsystem 12 an das Entnahmerohr 5 angeschlossen ist und einen Probenanteil durch den zweiten Filter 10 fördern kann.
Ein Durchflussmesser 13 der Mittel zur Beladung 9 des zweiten Filters 10 dient zur Bestimmung, also Festlegung beziehungsweise Messung, des Volumens des entnommenen Probenanteils.
Der zweite Filter 10 ist im Gegensatz zum ersten Filter 4 aus schwarzem Filterpapier gefertigt.
Während die Beladung des ersten Filters 4 eine Verminderung der Reflektivität, also des Reflexionsgrades, dieses ersten Filters 4 bewirkt, ergibt eine Beladung des zweiten Filters 10 mit Staub- und Rußpartikeln eine Erhöhung der Reflektivität, sofern diese Staub- und Rußpartikel nicht vollständig schwarz sind.
Die Filter 4, 10 sind in jeweiligen Aufnahmen 14, 15 auswechselbar gehalten und können nach Beladung mit Staub- und Rußpartikeln in der Betriebsposition oder separat in einem Reflektometer ausgewertet werden.
Das nicht weiter dargestellte Reflektometer enthält zu diesem Zweck eine Lichtquelle zur Bestrahlung des jeweiligen Filters mit Licht und einen Detektor, welcher zur Messung des Anteils des von dem beladenen Filter reflektierten Lichtes eingerichtet ist. Es wird somit der Reflexionsgrad für jeden Filter 4, 10 nach Beladung bestimmt.
Eine ebenfalls nicht weiter dargestellte Verarbeitungseinheit bestimmt aus dem Detektorsignal die Flächenbelegung des jeweiligen Filters 4, 10 mit Staub- und Rußpartikeln unter Verwendung des gemessenen Anteils des von dem Filter 4, 10 reflektierten Lichts.
Diese Flächenbelegung ist proportional zu der abgelagerten Menge an Staub- und Rußpartikel.
Durch Verrechnung mit dem jeweils in dem Durchflussmesser 8 beziehungsweise in dem Durchflussmesser 13 bestimmten Volumen des Probenanteils, gegebenenfalls korrigiert um ein Totvolumen und/oder um Leckageverluste, kann hieraus die Staub- und Rußpartikelkonzentration in der Gasprobe im Behälter 2 ermittelt werden.
Sobald die Staub- und Rußpartikel nicht vollständig schwarz gefärbt sind, besteht der Anteil des von einem beladenen Filter 4, 10 reflektierten Lichtes aus der Summe des Lichtes, das von noch unbeladenen Flächenteilen dieses Filters 4, 10 herrührt und Licht, das von den auf dem Filter 4, 10 abgelagerten Staub- und Rußpartikeln reflektiert wird.
Die Intensität des reflektierten Lichts ist somit nicht mehr proportional zu der Flächenbelegung des Filters 4, 10, und es entstehen systematische Messfehler.
Um diese systematischen Messfehler zu eliminieren, ohne dass die genaue Farbe der Staub- und Rußpartikel bekannt sein muss, sieht die Erfindung vor, dass die gegebenenfalls auf geeignete Bezugsgrößen normierten Anteile des von dem ersten Filter 4 beziehungsweise zweiten Filter 10 reflektierten Lichts bestimmt werden und dass die Differenz zwischen diesen bestimmten Anteilen berechnet wird.
Auf diese Weise wird erreicht, dass der von den Staub- und Rußpartikeln reflektierte Lichtanteil eliminiert wird, so dass die genaue Farbe der Staub- und Rußpartikel für die weiteren Berechnungen unerheblich ist.
2 zeigt die Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer an sich bekannten Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Staub- und Rußpartikelkonzentration in einer Gasprobe.
Hierbei sind für funktionell gleiche Bauteile wie bei der Vorrichtung gemäß 1 gleiche Bezugszeichen gewählt.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht bei dieser Vorrichtung 1 vor, in einem ersten Schritt einen ersten Filter 4 aus weißem Filterpapier in die Aufnahme 14 einzulegen und wie zu 1 beschrieben mit Staub- und Rußpartikeln aus der in dem Behälter 2 vorgehaltenen Gasprobe zu beladen.
In einem zweiten Schritt wird in die Aufnahme 14 ein zweiter Filter 10 aus schwarzem Filterpapier statt des ersten Filters 4 eingelegt. Anschließend wird dieser zweite Filter 10 wie zu 1 beschrieben mit Staub- und Rußpartikeln aus der in dem Behälter 2 vorgehaltenen Gasprobe beladen.
Somit liegen beladene Filter 4, 10 vor, die wie zu 1 beschrieben ausgewertet werden können.
Statt des zweiten Filters 10 kann auch als erster Filter 4 in einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Filterpapier verwendet werden, welches weiße und schwarze Unterteilungen oder unterschiedlich gefärbte Unterteilungen aufweist, die nach Beladung mit Staub- und Rußpartikeln separat ausgewertet werden.
3 bis 6 zeigen die Auswertung der Filter 4, 10 bei einem erfindungsgemäßen Verfahren.
3 zeigt den ersten Filter 4 in unbeladenem Zustand.
Der unbeladene erste Filter 4 wird mit Licht bestrahlt, welches im Ausführungsbeispiel drei spektrale Komponenten, nämlich rotes Licht 16, grünes Licht 17 und blaues Licht 18, aufweist. Da der erste Filter 4 aus weißem Filterpapier gefertigt ist, beträgt der Anteil des vom ersten Filter 4 reflektierten Lichts 22 im Idealfall 100% der eingestrahlten Intensität. Wird dagegen farbiges Filterpapier verwendet, so verändert sich der Anteil des reflektierten Lichts 22 entsprechend, da einige spektrale Komponenten nicht oder nicht in vollem Umfang reflektiert, sondern absorbiert werden.
5 zeigt den ersten Filter in beladenem Zustand. Es haben sich somit auf der Oberfläche des ersten Filters 4 Staub- und Rußpartikel 20 abgelagert, die die Oberfläche des ersten Filters 4 zumindest teilweise abdecken.
Es wird in diesem Ausführungsbeispiel angenommen, dass die Staub- und Rußpartikel 20 rotgefärbt sind. In diesem Fall wird die rote Komponente 16 des eingestrahlten Lichts vollständig reflektiert, weil sowohl das weiße Filterpapier des ersten Filters 4 an den nicht durch Staub- und Rußpartikel abgedeckten Stellen als auch die Staub- und Rußpartikel 20 selbst die rote Komponente 16 im Idealfall vollständig reflektieren.
Dagegen werden die grüne 17 und blaue 18 Komponente des eingestrahlten Lichtes von den Staub- und Rußpartikeln 20 absorbiert und nur von den nicht durch Staub- und Rußpartikel abgedeckten Stellen des ersten Filters 4 reflektiert.
Es ergibt sich somit ein gegenüber 3 verminderter Anteil des vom ersten Filter 4 reflektierten Lichts 19.
4 zeigt einen unbeladenen zweiten Filter 10, der aus schwarzem Filterpapier gefertigt ist.
Das eingestrahlte Licht, das wie in 3 eine rote 16, eine grüne 17 und eine blaue 18 Komponente aufweist, wird somit im Idealfall vollständig absorbiert, so dass der Anteil des vom zweiten Filter 10 reflektierten Lichts 0% der eingestrahlten Intensität aufweist.
6 zeigt die Verhältnisse bei dem mit Staub- und Rußpartikel 20 beladenen zweiten Filter 10.
Es wird wie bei 5 beispielhaft angenommen, dass die Staub- und Rußpartikel 20 rot gefärbt sind.
Da die nicht mit Staub- und Rußpartikeln 20 abgedeckten Stellen des zweiten Filters 10 weiterhin das eingestrahlte Licht vollständig absorbieren, enthält der Anteil des reflektierten Lichts 21 nur die von den abgelagerten Staub- und Rußpartikeln 20 reflektierte rote Komponente 16 des eingestrahlten Lichts.
Die Flächenbelegung des ersten Filters 4 mit Staub- und Rußpartikeln 20 ergibt sich nun unter Verwendung der gemessenen Anteile 19, 21 des vom ersten 4 und zweiten 10 Filter reflektierten Lichts. Hierzu werden die jeweils gemessenen Intensitäten der Anteile 19, 21 auf geeignete Bezugsgrößen normiert. Diese Bezugsgrößen berücksichtigen jeweils die eingestrahlten Intensitäten, die Größe der Oberfläche der Filter 4, 10 und/oder das Volumen der jeweils zur Beladung verwendete Probenanteile der Gasprobe, um vergleichbare Bedingungen in 5 und 6 zu schaffen.
Somit beschreibt die Differenz der normierten Intensitäten der Anteile 19, 21 aus 5 und 6 nur denjenigen Anteil des reflektierten Lichts, der von den nicht mit Staub- und Rußpartikeln 20 abgedeckten Flächenanteilen des ersten Filters 4 stammt.
Diese Intensität ist unabhängig von der Färbung der Staub- und Rußpartikel 20 und somit proportional zu der Flächenbelegung der ersten Filter 4, 10.
Die Elimination des Beitrags der Staub- und Rußpartikel 20 bei der Reflexion beruht auf der Annahme, dass die Flächenbelegung des ersten Filters 4 mit Staub- und Rußpartikeln 20 gleich der Flächenbelegung des zweiten Filters 10 ist, was durch geeignete Wahl der Bedingungen während der Beladung erreicht und mit Durchflussmessern kontrolliert wird.
Statt eines ersten Filters 4 aus weißem Filterpapier und eines zweiten Filters 10 aus schwarzem Filterpapier sind beliebige, vorzugsweise komplementäre Färbungen der Filter 4, 10 verwendbar. In diesem Fall ist auch statt der Flächenbelegung des ersten Filters 4 die Flächenbelegung des zweiten Filters 10 bestimmbar.
In dem zu 3 bis 6 beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die Intensität des von den beladenen Filtern 4, 10 reflektierten Lichts gemeinsam, also als Summe, für alle spektralen Komponenten 16, 17, 18 gemessen. In weiteren Ausführungsbeispielen ist eine separate Auswertung der spektralen Komponenten 16, 17, 18 vorgesehen.
Eine zu 3 bis 6 vergleichbare Situation ergibt sich bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei welchem nur eine spektrale Komponente 16 verwendet wird, wobei deren Farbe gleich der Färbung des ersten Filters 4 ist, während der zweite Filter 10 eine hierzu komplementäre Färbung aufweist und daher diese spektrale Komponente 16 vollständig absorbiert.
Bei dem Verfahren zur Bestimmung der Staub- und Rußpartikelkonzentration in einer Gasprobe werden wenigstens zwei Filter 4, 10, die unterschiedlich gefärbt sind, mit Staub- und Rußpartikeln 20 aus der Gasprobe beladen, und es wird die Flächenbelegung wenigstens eines Filters 4, 10 durch Bestimmung des Reflexionsgrades der beladenen Filter 4, 10 bestimmt.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Staub- und Rußpartikelkonzentration in einer Gasprobe, wobei ein erster Filter (4) und ein zweiter Filter (10), dessen Färbung verschieden von der Färbung des ersten Filters (4) ist, mit Staub- und Rußpartikeln (20) aus einem Probenanteil der Gasprobe beladen werden, der beladene erste Filter (4) und der beladene zweite Filter (10) jeweils mit Licht (16, 17, 18) bestrahlt und die Anteile (19, 21) des von dem beladenen ersten Filter (4) und dem zweiten Filter (10) reflektierten Lichts gemessen werden, und hieraus die Flächenbelegung des ersten Filters (4) und des zweiten Filters (10) mit Staub- und Rußpartikeln (20) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Filter (4) separat von dem zweiten Filter (10) oder einstückig mit dem zweiten Filter (10) verbunden ausgebildet verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (4) und/oder der zweite Filter (10) mit Licht (16, 17, 18) bestrahlt werden, das wenigstens zwei spektrale Komponenten (16, 17, 18) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des jeweils von dem ersten (4) bzw. zweiten Filter (10) reflektierten Lichts (19, 21) für die spektralen Komponenten (16, 17, 18) gemeinsam gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Filter (4) und der zweite Filter (10) gleichzeitig beladen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Färbung des ersten Filters (4) komplementär zur Färbung des zweiten Filters (10) gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Staub- und Rußpartikelkonzentration das Volumen des Probenanteils am ersten Filter (4) und/oder am zweiten Filter (10) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Staub- und Rußpartikelkonzentration als weitere Parameter der Gasprobe die Druckdifferenz vor und hinter dem Filter und/oder die Dichte der Gasprobe berücksichtigt werden.
Vorrichtung zur Bestimmung der Staub- und Rußpartikelkonzentration in einer Gasprobe, mit Mitteln zur Beladung (5, 6, 7, 8) eines ersten Filters (4) und eines zweiten Filters (10) mit Staub- und Rußpartikeln (20) aus einem Probenanteil der Gasprobe, wobei die Färbung des zweiten Filters (10) verschieden von der Färbung des ersten Filters (4) ist, mit einer Lichtquelle, die zur Bestrahlung des ersten Filters (4) mit Licht (16, 17, 18) eingerichtet ist, wobei diese Lichtquelle oder eine weitere Lichtquelle zur Bestrahlung des zweiten Filters (10) mit Licht (16, 17, 18) eingerichtet ist, mit einem ersten Detektor, welcher zur Messung des Anteils des von dem beladenen ersten Filter (4) reflektierten Lichts eingerichtet ist, wobei der erste Detektor oder ein zweiter Detektor zur Messung des Anteils (21) des von dem beladenen zweiten Filters (10) reflektierten Lichts eingerichtet ist, und mit einer Verarbeitungseinheit, welche zur Bestimmung der Flächenbelegung des ersten Filters (4) und des zweiten Filters (10) mit Staub- und Rußpartikeln unter Verwendung der gemessenen Anteile (19, 21) des von dem ersten Filter (4) und dem zweiten Filter (10) reflektierten Lichts und zur Ermittelung der Staub- und Rußpartikelkonzentration eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Filter (4) separat von dem zweiten Filter (4) oder einstückig mit dem zweiten Filter (4) verbunden ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle(n) des ersten (4) und/oder des zweiten (10) Filters Mittel zur Erzeugung von wenigstens zwei spektralen Komponenten (16, 17, 18) von Licht aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor bzw. die Detektoren zur gemeinsamen Messung der spektralen Komponenten (16, 17, 18) des Lichts eingerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor bzw. die Detektoren zur Messung der Intensität von Licht eingerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Färbung des ersten Filters (4) komplementär zur Färbung des zweiten Filters (10) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Durchflussmesser (8, 13) vorgesehen ist, der zur Bestimmung des Volumens des Probenanteils am ersten (4) und zweiten (10) Filter eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine einstellbare Heizvorrichtung vorgesehen ist.