DE102010038897A1

DE102010038897A1 - Streulichtmessverfahren

Info

Publication number: DE102010038897A1
Application number: DE102010038897A
Authority: DE
Inventors: Karl Stengel; Gerhard Haaga; Michael Neuendorf; Raymond Sieg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-08-04
Filing date: 2010-08-04
Publication date: 2012-02-09
Also published as: WO2012016815A1; US20130182252A1; BR112013002520A2; US8659756B2; CN103026201B; EP2601510A1; CN103026201A

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Streulichtverfahren zum Messen partikelabhängiger Parameter (17, 18, 19) von Gasen, insbesondere partikelabhängiger Parameter von Verbrennungsmotorabgasen oder anderen Kolloiden, umfasst die Schritte: Einleiten eines partikelhaltigen Gases in eine Messkammer (2); Einstrahlen eines Lichtstrahls (6) in die Messkammer (2); Empfangen von Licht (7), das an den Partikeln (14) gestreut worden ist, mit wenigstens zwei Streulichtsensoren (12a, 12b), wobei die Streulichtsensoren (12a, 12b) Streulichtsensorsignale (U1, U2) erzeugen, die jeweils eine Funktion des von dem jeweiligen Streulichtsensor (12a, 12b) empfangenen Lichts (7) sind; Bestimmen einer mittleren Partikelgröße (d) aus den Streulichtsensorsignalen (U1, U2) von wenigstens zwei Streulichtsensoren (12a, 12b) und Bestimmen wenigstens eines weiteren Partikelparameters (17, 18, 19) aus der zuvor bestimmten mittleren Partikelgröße (d) und den Streulichtsensorsignalen (U1, U2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Streulichtmessverfahren zum Bestimmen wenigstens eines partikelabhängigen Parameters in Gasen, insbesondere in Abgasen eines Verbrennungsmotors, und eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Stand der Technik
Zur Messung partikelabhängiger Parameter, z. B. einer Partikelmassenkonzentration (Masse/Volumen) in Abgasen und anderen Kolloiden, werden häufig Streulichtverfahren eingesetzt. Dabei wird ein Lichtstrahl in das Partikel enthaltende Gas eingestrahlt. Als Lichtquelle wird häufig ein Laser verwendet. Das von den Partikeln gestreute Licht (Streulicht) wird von wenigstens zwei Sensoren, die in unterschiedlichen Winkeln in Bezug zur Richtung des eingestrahlten Lichtstrahls angeordnet sind, detektiert und ausgewertet.
Die Intensität des Streulichts und damit auch die Größe der von den Sensoren ausgegebenen Signale ist neben der zu messenden Partikelmassenkonzentration auch von der mittleren Größe der Partikel abhängig. Es ist daher bei einer unbekannten Partikelgröße nicht möglich, die Partikelmassenkonzentration allein aus den Streulichtsensorsignalen zu bestimmen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Streulichtverfahren bereitzustellen, welches eine genaue Bestimmung partikelabhängiger Parameter, wie z. B. der Partikelmassenkonzentration, in einem Gas ermöglicht, auch wenn die Größe der Partikel unbekannt ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Streulichtverfahren nach dem unabhängigen Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung zur Streulichtmessung partikelhaltiger Gasen nach dem unabhängigen Patentanspruch 7 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Bei einem erfindungsgemäßen Streulichtverfahren zum Messen und Bestimmen partikelabhängiger Parameter partikelhaltiger (Ab-)Gase wird das zu messenden partikelhaltige Gas in eine Messkammer eingeleitet. In die Messkammer wird ein Lichtstrahl eingestrahlt, der von den in dem Gas enthaltenen Partikeln gestreut wird. Das von den Partikeln gestreute Licht (Streulicht) wird von wenigstens zwei Streulichtsensoren empfangen und die Streulichtsensoren geben elektrische Streulichtsensorsignale aus, die jeweils eine Funktion der Intensität des von dem jeweiligen Streulichtsensor empfangenen Streulichts sind. Aus den Streulichtsensorsignalen von wenigstens zwei Streulichtsensoren wird mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren die mittlere Partikelgröße bestimmt. In Kenntnis der derart bestimmten mittleren Partikelgröße können aus den Streulichtsensorsignalen weitere partikelabhängige Parameter, wie z. B. die Partikelmassenkonzentration innerhalb der Messkammer und/oder ein Absorptionskoeffizient, des partikelhaltigen Gases bestimmt werden.
Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren können partikelabhängige Parameter, insbesondere eine Partikelmassenkonzentration und ein zu Opazimetern kompatibler Absorptionskoeffizient, mit hoher Genauigkeit auch dann bestimmt werden, wenn die mittlere Partikelgröße vor der Messung unbekannt ist. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist einfach und mit geringem Aufwand durchführbar, da herkömmliche Streulichtmessgeräte verwendet werden können, ohne dass eine mechanische Auf- oder Umrüstung erforderlich ist.
Die Streulichtsensoren sind vorzugsweise in verschiedenen Winkeln in Bezug auf die Einstrahlrichtung des in die Messkammer eingestrahlten Lichtstrahls angeordnet, so dass sie jeweils Streulicht, dass von den im Gas enthaltenen Partikeln in verschiedene Richtungen gestreut worden ist, detektieren.
In einer Ausführungsform ist die mittlere Partikelgröße eine Polynomfunktion von wenigstens zwei Streulichtsensorsignalen. Die Bestimmung der Partikelgröße aus wenigstens zwei Streulichtsensorsignalen ist im Stand der Technik bekannt und wird z. B. in US 2009/079981 A und GB 2 226 880 A beschrieben.
In einer Ausführungsform sind die zu bestimmenden Partikelparameter Polynomfunktionen der Streulichtsensorsignale und einer zuvor bestimmten Kennliniensteigung.
Die Koeffizienten der Polynomfunktionen sind durch theoretische Überlegungen oder durch das Anpassen (Anfitten) der jeweiligen Polynomfunktion an experimentelle Ergebnisse bestimmbar.
Polynomfunktionen sind einfach zu handhaben und ermöglichen eine schnelle und genaue Berechnung der gewünschten Parameter. Insbesondere kann die Genauigkeit des Verfahrens durch die Wahl des Grades des Polynoms bedarfsgemäß gewählt werden. Polynomfunktionen können mit bekannten Anpassungsalgorithmen gut an experimentelle Ergebnisse angepasst werden.
Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zur Streulichtmessung von partikelhaltigen Gasen mit einer Messkammer, die zur Aufnahme des zu messenden partikelhaltigen Gases ausgebildet ist; einer Lichtquelle, welche im Betrieb einen Lichtstrahl in die Messkammer einstrahlt; wenigstens zwei Streulichtsensoren, die derart in der Messkammer angeordnet sind, dass sie unter verschiedenen Winkeln von im Gas enthaltenen Partikeln gestreutes Licht (Streulicht) detektieren; und eine Auswerteinrichtung, die ausgebildet ist, um ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Messung von Partikelparametern in Gasen durchzuführen.
In einer Ausführungsform ist die Lichtquelle eine monochromatische Lichtquelle, insbesondere eine Laserlichtquelle. Mit einer monochromatischen Lichtquelle ist das Streulichtverfahren besonders effektiv und mit hoher Genauigkeit durchführbar. Eine Laserlichtquelle ist besonders geeignet, um monochromatisches Licht hoher Qualität zur Verfügung zu stellen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Streulichtmessung;
2 ein Diagramm, welches die Abhängigkeit des Streulichtsensorsignals von der mittleren Partikelgröße und der Partikelmassenkonzentration beschreibt; und
3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Streulichtmessverfahrens.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Streulichtmessung, wie sie in der 1 gezeigt ist, weist eine Messkammer 2 auf, die mit wenigstens einer Zuleitung 8 und wenigstens einer Ableitung 9 ausgebildet ist. Über die Zuleitung 8 und die Ableitung 9 wird im Betrieb zu messendes Abgas oder ein anderes Kolloid durch die Messkammer 2 geführt.
An oder in der Messkammer 2 ist eine Lichtquelle 4, die z. B. als Laserlichtquelle 4 ausgebildet ist, vorgesehen. Im Betrieb strahlt die Lichtquelle 4 einen Lichtstrahl 6 in die Messkammer 2.
Zusätzlich sind in der Messkammer 2 wenigstens zwei Streulichtsensoren 12a, 12b angeordnet. Die Streulichtsensoren 12a, 12b sind elektrisch mit einer außerhalb der Messkammer 2 angeordneten Auswerteinheit 10 verbunden, um Streulichtsensorsignale, die jeweils eine Funktion des von dem jeweiligen Streulichtsensor 12a, 12b empfangenen Streulichts 7 sind, an die Auswerteinheit 10 zu übertragen.
Im Betrieb wird das von der Lichtquelle 4 in die Messkammer 2 eingestrahlte Licht 6 von Partikeln 14, die in dem in die Messkammer 2 eingeleiteten Gas enthalten sind, gestreut. Das gestreute Licht (Streulicht) 7 wird von den Streulichtsensoren 12a, 12b erfasst und entsprechende Streulichtsensorsignale werden von den Streulichtsensoren 12a, 12b an die Auswerteinheit 10 ausgegeben.
2 zeigt ein Diagramm, welches die Abhängigkeit der elektrischen Spannung U eines von einem der Streulichtsensoren 12a, 12b ausgegebenen Streulichtsensorsignals als Funktion der Partikelmassenkonzentration c in der Messkammer 2 und der mittleren Partikelgröße d zeigt.
Insbesondere ist in der 2 die Spannung U des von einem Streulichtsensor 12a, 12b ausgegebenen Streulichtsensorsignals (y-Achse) als Funktion der Partikelmassenkonzentration c in der Messkammer 2 (x-Achse) für verschiedene mittlere Partikelgrößen d aufgetragen. Die verschiedenen mittleren Partikelgrößen d werden dabei durch verschiedene Symbole der Messpunkte repräsentiert.
Die in der 2 gezeigte Darstellung macht deutlich, dass der Zusammenhang zwischen der Partikelmassenkonzentration c und dem Streulichtsensorsignal U in hohem Maße von der mittleren Partikelgröße d abhängig ist. Insbesondere ist kein Rückschluss aus dem Streulichtsensorsignal U auf die Partikelmassenkonzentration c möglich, wenn die mittlere Partikelgröße d unbekannt ist, da in diesem Fall nicht bekannt ist, auf welche der in der 2 gezeigten Kennlinien (Geraden) für die Auswertung zurückzugreifen ist.
3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Wie bereits beschrieben, wird von einer Lichtquelle 4 ein Lichtstrahl 6 in eine Messkammer 2 eingestrahlt, in der sich das zu messende Gas befindet. Licht 7, das von den Partikeln 14, die in dem zu messenden Gas enthaltenen sind, gestreut worden ist, wird von zwei Streulichtsensoren 12a, 12b erfasst. Die Streulichtsensoren 12a, 12b geben Streulichtsensorsignale U₁, U₂ aus, die eine Funktion des von dem jeweiligen Streulichtsensor 12a, 12b empfangenen Streulichts 7 sind.
In einem ersten Schritt 16 wird aus den Streulichtsensorsignalen U₁, U₂ der beiden Streulichtsensoren 12a, 12b die mittlere Größe d der im Gas innerhalb der Messkammer 2 enthaltenen Partikel 14 berechnet. Die Berechnung der mittleren Partikelgröße d einer unbekannten Partikelverteilung aus wenigstens zwei Streulichtsensorsignalen U₁, U₂ ist, wie zuvor erwähnt, im Stand der Technik bekannt.
Wenn die mittlere Partikelgröße d bekannt ist, ist es möglich, aus einem bekannten, in der Auswerteinheit gespeicherten Kennlinienfeld (siehe z. B. 2) eine der jeweiligen mittleren Partikelgröße d zugeordnete Kennlinie auszuwählen und mit Hilfe dieser Kennlinie aus den Streulichtsensorsignalen U₁, U₂ im Schritt 15 die mittlere Partikelmassenkonzentration c in der Messkammer 2 oder andere von den Partikeln 14 abhängige Parameter 17, 18, 19, wie z. B. einen Absorptionskoeffizienten, zu berechnen.
In einem Ausführungsbeispiel werden die so zu bestimmenden Parameter 17, 18, 19 im Schritt 15 als Funktionen h_n der Sensorlichtsignale U₁, U₂ und einer von der mittleren Partikelgröße d abhängigen Kennliniensteigung m = g(d) dargestellt: A_n = h_n(U1, U2, m).
Die Funktionen g(d), d. h. die Kennliniensteigung als Funktion der mittleren Partikelgröße d, und h_n(U1, U2, m) sind als Polynomfunktionen darstellbar, wobei die Polynom-Koeffizienten z. B. durch Anpassen (Fitten) der jeweiligen Polynomfunktion an experimentelle Messergebnisse bestimmbar sind. Alternativ können die Funktionen g und h_n aufgrund theoretischer Überlegungen aufgestellt werden.
Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, die Partikelmassenkonzentration c und/oder andere von Partikeln 14 in Gasen abhängige Parameter 17, 18, 19 auch dann zuverlässig zu bestimmen, wenn die mittlere Partikelgröße d vor der Messung unbekannt ist.
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 2009/079981 A [0009]
GB 2226880 A [0009]

Claims

Streulichtverfahren zum Bestimmen wenigstens eines partikelabhängigen Parameters (17, 18, 19) partikelhaltiger Gase, insbesondere partikelhaltiger Abgase eines Verbrennungsmotors, mit den Schritten: a) Einleiten von partikelhaltigem Gas in eine Messkammer (2); b) Einstrahlen eines Lichtstrahls (6) in die Messkammer (2); c) Empfangen von Streulicht (7), das an im Gas enthaltenen Partikeln (16) gestreut worden ist, mit wenigstens zwei Streulichtsensoren (12a, 12b), wobei die Streulichtsensoren (12a, 12b) Streulichtsensorsignale (U1, U2) erzeugen, die jeweils eine Funktion des von dem jeweiligen Streulichtsensor (12a, 12b) empfangenen Streulichts (7) sind; d) Bestimmen einer mittleren Partikelgröße (d) aus den Streulichtsensorsignalen (U1, U2) von wenigstens zwei Streulichtsensoren (12a, 12b) und e) Bestimmen wenigstens eines weiteren Partikelparameters (17, 18, 19) aus der zuvor bestimmten mittleren Partikelgröße (d) und den Streulichtsensorsignalen (U1, U2).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Streulichtsensoren (12a, 12b) so ausgebildet und/oder angeordnet sind, dass sie Streulicht (7) detektieren, dass in Bezug auf den eingestrahlten Lichtstrahl (6) in unterschiedlichen Winkeln gestreut worden ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein zu bestimmender Partikelparameter (19) die Massenkonzentration (c) von Partikeln (14) innerhalb des Gases in der Messkammer (2) oder ein optischer Absorptionskoeffizient des partikelhaltigen Gases ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mittlere Partikelgröße (d) als Polynomfunktion der Streulichtsensorsignale (U1, U2) dargestellt ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Steigung (m) der Kennlinie des Sensorsignals (U1, U2) als Funktion der Partikelmassenkonzentration (c) als Polynomfunktion der mittleren Partikelgröße (d) dargestellt ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein zu bestimmender Partikelparameter (17, 18, 19) als Polynomfunktion (h) der Streulichtsensorsignale (U1, U2) und der von der mittleren Partikelgröße (d) abhängigen Kennliniensteigung (m) dargestellt ist.
Vorrichtung zum Bestimmen wenigstens eines partikelabhängigen Parameters partikelhaltiger Gase, insbesondere partikelhaltiger Abgase eines Verbrennungsmotors, mit: einer Messkammer (2), die zur Aufnahme eines zu messenden partikelhaltigen Gases ausgebildet ist; einer Lichtquelle (4), die ausgebildet ist, um im Betrieb einen Lichtstrahl (6) in die Messkammer (2) einzustrahlen; wenigstens zwei Streulichtsensoren (12a, 12b), die derart in der Messkammer (2) angeordnet sind, dass sie im Betrieb Streulicht (7), das von in dem Gas enthaltenen Partikeln (14) gestreut worden ist, detektieren; und einer Auswerteinrichtung (10), die mit den Streulichtsensoren (12a, 12b) zur Datenübertragung verbunden und ausgebildet ist, um eine mittlere Partikelgröße (d) und wenigstens einen weiteren partikelabhängigen Parameter (17, 18, 19) nach einem der in den Ansprüchen 1 bis 6 beanspruchten Verfahren zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Streulichtsensoren (12a, 12b) in Bezug auf die Einstrahlrichtung des Lichtstrahls (6) in die Messkammer (2) in wenigstens zwei verschiedenen Winkeln angeordnet sind
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Lichtquelle (4) eine monochromatische Lichtquelle ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Lichtquelle (4) eine Laserlichtquelle ist.