DE102016223440A1

DE102016223440A1 - Partikelmessvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung charakteristischer Größen eines Aerosols

Info

Publication number: DE102016223440A1
Application number: DE102016223440.4A
Authority: DE
Inventors: Karl Stengel; Gerhard Haaga
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-11-25
Filing date: 2016-11-25
Publication date: 2018-05-30
Also published as: WO2018095733A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine die Ermittlung von charakteristischen Größen der Partikel in einem Aerosol mittels eines Durchlichtverfahrens. Hierzu wird eine mit einem Aerosol gefüllte Partikelmesskammer mit einem Lichtstrahl durchleuchtet, wobei die Wellenlänge des Lichtstrahls variiert wird. Durch die Verwendung von mindestens drei unterschiedlichen Wellenlängen können die für die Charakterisierung des Aerosols erforderlichen Größen vollständig bestimmt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Partikelmessvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung charakteristischer Größen eines Aerosols.
Stand der Technik
Dieselmotoren werden sowohl in Nutzfahrzeugen als auch in Personenkraftwagen eingesetzt. Aus Umweltschutzgründen soll dabei der Schadstoffausstoß der Dieselmotoren minimiert werden. Um die Funktionsfähigkeit der dabei eingesetzten Systeme zu überprüfen, sind in vielen Ländern gesetzlich regelmäßige Abgasuntersuchungen vorgeschrieben. Bei diesen Abgasuntersuchungen erfolgt unter anderem eine Überprüfung der Ruß- und Partikelemission. Dies geschieht gegenwärtig mittels Opazimetern. Hierbei wird die optische Schwächung eines Lichtstrahls durch eine mit dem Messgas gefüllte Kammer gemessen und der Messwert als Opazität oder Trübungskoeffizient ausgegeben.
Die Druckschrift DE 10 2005 006 368 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung der Abgastrübung von Dieselfahrzeugen. Hierzu wird insbesondere ein Opazimeter vorgeschlagen. Die Vorrichtung ist dauerhaft an den Abgasstrang des Fahrzeugs angrenzend installiert.
Im Zuge von Weiterentwicklungen der Messtechnik und der aktuellen Diskussion über eine Verschärfung von Grenzwerten besteht darüber hinaus ein großes Interesse an präzisen Informationen über die charakteristischen Größen der in dem Abgas enthaltenen Partikel.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Partikelmessvorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Bestimmung charakteristischer Größen eines Aerosols gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 8.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Partikelmessvorrichtung mit einer Partikelmesskammer, einer Lichtquelle, einem Lichtsensor und einer Auswerteeinrichtung. Die Partikelmesskammer ist dabei von einem Aerosol durchströmbar. Die Lichtquelle ist dazu ausgelegt, einen Lichtstrahl in Richtung der Partikelmesskammer auszusenden. Der von der Lichtquelle ausgesendete Lichtstrahl kann insbesondere mindestens drei vorbestimmte Wellenlängen umfassen. Alternativ kann die Lichtquelle dazu ausgelegt sein, die Wellenlänge des ausgesendeten Lichtstrahls abwechselnd auf eine von mindestens drei vorbestimmten Wellenlängen einzustellen. Der Lichtsensor ist dazu ausgelegt, einen durch die Partikelmesskammer transmittierenden Anteil des Lichtstrahls zu erfassen und ein zu einer Intensität des erfassten transmittierten Anteils des Lichtstrahls korrespondierendes Ausgangssignal bereitzustellen. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgelegt, basierend auf den zu den jeweiligen Wellenlängen des Lichtstrahls korrespondierenden Ausgangsignalen des Lichtsensors charakteristisch Größen des Aerosols zu berechnen.
Weiterhin ist vorgesehen:
Ein Verfahren zur Bestimmung einer Partikelgröße von Partikeln in einem Aerosol mit den Schritten des Aussendens eines Lichtstrahls durch eine mit dem Aerosol durchströmten Partikelmesskammer. Der Lichtstrahl kann mindestens drei vorbestimmte Wellenlängen umfassen. Alternativ kann die Wellenlänge des ausgesendeten Lichtstrahls abwechselnd auf eine von mindestens drei vorbestimmten Wellenlängen eingestellt werden.
Das Verfahren umfasst fernen einen Schritt zum Erfassen einer Intensität eines durch die Partikelmesskammer transmittierenden Anteils des Lichtstrahls, und einen Schritt zum Ermitteln charakteristischer Größen des Aerosols basierend auf den zu den jeweiligen Wellenlängen des Lichtstrahls korrespondierenden erfassten Intensitäten des transmittierten Anteile des Lichtstrahls.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine konventionelle Trübungsmessung von Aerosolen, wie beispielsweise Abgase eines Dieselfahrzeugs, nur eine begrenzte Aussage über die charakterisierenden Größen der in dem Aerosol enthaltenen Partikel liefert. Eine weitergehende Analyse von Aerosolen zur Klassifizierung der darin enthaltenen Partikel mit konventionellen Methoden ist darüber hinaus relativ komplex und erfordert daher hohe Kosten. Der hohe Preis und der große Wartungsaufwand derartiger konventioneller Geräte, sowie die geringe Robustheit verhindern daher gegenwärtig noch den Einsatz von komplexeren Partikelzählern im Werkstattbereich.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine einfache, kostengünstige und robuste Partikelmessung von Aerosolen, wie zum Beispiel Abgasen eines Dieselfahrzeugs, bereitzustellen. Dabei liegt der vorliegenden Erfindung die Beobachtung zugrunde, dass der Anteil des transmittierenden Lichts durch eine mit einem Aerosol gefüllte Partikelmesskammer für verschiedene Wellenlängen des Lichts in Abhängigkeit von den die Partikel charakterisierenden Größen variiert. Mit anderen Worten, wird eine Partikelmesskammer von Licht unterschiedlicher Wellenlängen durchstrahlt, so ist der Anteil des transmittierenden Lichts in Abhängigkeit von Partikelgröße, Partikelkonzentration und/oder Partikelmasse sowie ggf. weiterer charakteristischer Größen unterschiedlich.
Daher kann aus dem Verhältnis der Dämpfung des Lichtstrahls in einer Partikelmesskammer bei unterschiedlichen Wellenlängen, auf weitere, die Partikel des Aerosols charakterisierende Eigenschaften geschlossen werden. Die Variation des Trübungskoeffizienten der mit dem Aerosol gefüllten Messkammer in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts, welches die Messkammer durchstrahlt, ermöglicht somit auf einfache und kostengünstige Weise eine detailliertere Aussage über die charakteristischen Eigenschaften der in dem Aerosol enthaltenen Partikel. Werden dabei mindestens drei unterschiedliche Wellenlängen für den Lichtstrahl verwendet, so ist eine umfassende Charakterisierung der Partikeleigenschaften des Aerosols möglich.
Gemäß einer Ausführungsform der Partikelmessvorrichtung ist die Lichtquelle dazu ausgelegt, einen Lichtstrahl auszusenden, der mindestens drei vorbestimmte Wellenlängen umfasst. Der Lichtsensor kann in diesem Fall dazu ausgelegt sein, den transmittierten Anteil des Lichtstrahls für die vorbestimmten Wellenlängen separat zu erfassen. Dabei muss keine zeitliche Synchronisation der Lichtquelle mit dem Lichtsensor oder der nachgeschalteten Auswerteeinrichtung vorgesehen sein.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen die charakteristischen Größen des Aerosols eine mittlere Partikelgröße, eine Verteilung der Partikelgröße, eine Partikelkonzentration, eine Gesamtanzahl der Partikel und/oder eine mittlere Partikelmasse in dem Aerosol. Durch die Auswertung der transmittierenden Anteile des Lichtstrahls bei mindestens drei unterschiedlichen Wellenlängen ist es möglich, mehrere charakteristische Größen des Aerosols präzise zu ermitteln.
Gemäß einer Ausführungsform der Partikelmessvorrichtung umfasst die Auswerteeinrichtung eine Speichereinrichtung. Die Speichereinrichtung ist dazu ausgelegt, eine oder mehrere vorbestimmte Kennlinien für charakteristische Größen in Abhängigkeit von einem Verhältnis der Ausgangssignale des Lichtsensors für die verschiedenen Wellenlängen abzuspeichern. Die Auswerteeinrichtung ist hierbei dazu ausgelegt, die charakteristischen Größen des Aerosols unter Verwendung der in der Speichereinrichtung gespeicherten Kennlinie zu bestimmen. Durch die Verwendung von zuvor abgespeicherten Kennlinien, welche die charakteristischen Größen des Aerosols in Abhängigkeit von einem unterschiedlichen Verhältnis der Lichttrübung durch das Aerosol in der Partikelmesskammer charakterisieren, können auf einfache Weise die charakteristischen Größen des Aerosols bestimmt werden. Darüber hinaus können in der Speichereinrichtung auch mehrere Kennlinien oder auch mehrdimensionale Kennlinien abgespeichert sein, die eine rasche Bestimmung der charakteristischen Größen ermöglichen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Partikelmessvorrichtung mindestens einen weiteren Sensor, der dazu ausgelegt ist, eine weitere Betriebsgröße zu erfassen. Die Auswerteeinrichtung kann dabei dazu ausgelegt sein, die charakteristischen Größen unter Verwendung der erfassten weiteren Umgebungsgröße zu bestimmen. Insbesondere kann der weitere Sensor beispielsweise einen Drucksensor, einen Temperatursensor und/oder einen Volumenstromsensor für das durch die Partikelmesskammer strömende Aerosol umfassen. Auf diese Weise ist eine einfache und zuverlässige präzise Bestimmung der charakteristischen Größen des auch bei variablen Umgebungsbedingungen möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Lichtquelle Laser-Lichtquellen, Leuchtdioden oder eine Multicolor-Leuchtdiode für die vorbestimmten Wellenlängen. Lichtemittierenden Dioden (LED) weisen einen sehr guten Wirkungsgrad auf. Insbesondere kann es sich bei den Wellenlängen des Lichtes, welche durch die Lichtquelle emittiert wird, um sichtbares Licht handeln. Darüber hinaus kann auch mindestens eine der Lichtquellen Licht im infraroten Wellenlängenbereich oder im ultravioletten Wellenlängenbereich emittieren. Die vorbestimmten Wellenlängen des von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahls unterscheiden sich dabei vorzugsweise signifikant. Beispielsweise kann eine Wellenlänge im blauen Wellenlängenbereich liegen, beispielsweise zwischen 400 und 450 nm. Eine Wellenlänge kann ferner beispielsweise Licht im roten Wellenlängenbereich, beispielsweise zwischen 700 und 750 bzw. 800 nm liegen. Weiterhin ist es auch möglich, dass eine vorbestimmte Wellenlänge im grünen Wellenlängenbereich, beispielsweise zwischen 500 und 650 nm liegt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, das Einstellen der Wellenlänge für den ausgesendeten Lichtstrahl in der Lichtquelle und ein Empfangen des Ausgangssignals von dem Lichtsensor miteinander zu synchronisieren. Hierdurch ist es möglich, das von dem Lichtsensor bereitgestellte Ausgangssignal und der von der Lichtquelle ausgesendeten Lichtstrahlen in Abhängigkeit der aktuellen Wellenlänge miteinander zu synchronisieren.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung charakteristischer Größen in dem Aerosol umfasst das Verfahren einen Schritt zum Einleiten eines Kalibrieraerosols mit einer vorbestimmten Partikelgröße in die Partikelmesskammer; und einen Schritt zum Erfassen einer Kalibrierintensität eines durch die Partikelmesskammer transmittierenden Anteils für jede Wellenlänge des ausgesendeten Lichtstrahls. Dabei erfolgt das Ermitteln der charakteristischen Größen des Aerosols unter Verwendung der erfassten Kalibierintensitäten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden das Einstellen der Wellenlänge des ausgesendeten Lichtstrahls und das Erfassen der Intensitäten miteinander synchronisiert.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:

1: eine schematische Darstellung einer Partikelmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
2: eine schematische Darstellung einer Dichtefunktion F für eine Partikelverteilung in einem Aerosol und
3: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Partikelmessvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform. Die Partikelmessvorrichtung 1 umfasst eine Partikelmesskammer 20, die von einem Aerosol durchströmbar ist. Bei dem Aerosol, welches durch die Partikelmesskammer 20 strömt, kann es sich um ein Gas bzw. Gasgemisch handeln, in welchem Partikel enthalten sind. Beispielsweise kann es sich bei dem Aerosol um die Abgase eines Fahrzeugs, insbesondere um die Abgase eines Dieselfahrzeugs handeln. Die Partikelmesskammer 20 kann beispielsweise eine oder mehrere Einlassöffnungen 23 und eine oder mehrere Auslassöffnungen 24 umfassen. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel dient nur zur Veranschaulichung und soll keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung darstellen. Das Aerosol kann hierbei durch die Einlassöffnung 23 in die Partikelmesskammer 20 eingeleitet werden und durch die Auslassöffnungen 24 wieder aus der Partikelmesskammer 20 austreten. Vorzugsweise kann die Partikelmesskammer 20 mit einem konstanten Volumenstrom des Aerosols durchströmt werden.
Die Partikelmesskammer 20 weist darüber hinaus mindestens zwei lichtdurchlässige Bereiche 21 und 22 auf. Die lichtdurchlässigen Bereiche 21 und 22 sind vorzugsweise an gegenüberliegenden Seiten der Partikelmesskammer 20 angeordnet.
Weiterhin umfasst die Partikelmessvorrichtung 1 eine Lichtquelle 10. Die Lichtquelle 10 ist dazu ausgelegt, einen Lichtstrahl mit einer vorgegebenen Wellenlänge zu emittieren. Die vorgegebene Wellenlänge kann dabei aus mehreren vorbestimmten Wellenlängen ausgewählt werden. Beispielsweise kann die Lichtquelle 10 die Wellenlänge des Lichtstrahls aus 3 vorbestimmten Wellenlängen auswählen. Insbesondere ist es möglich, dass die Lichtquelle 10 die Wellenlänge des Lichtstrahls in einem Zeitmultiplexverfahren o.ä. aus den vorbestimmten Wellenlängen variiert. So können zum Beispiel abwechselnd nacheinander die vorbestimmten Wellenlängen für den Lichtstrahl in der Lichtquelle 10 eingestellt werden.
Alternativ kann die Lichtquelle 10 auch einen Lichtstrahl emittieren, der Licht mehrerer Wellenlängen umfasst. Beispielsweise kann der Lichtstrahl von der Lichtquelle 10 drei vorbestimmte Wellenlängen umfassen.
Der Lichtstrahl der Lichtquelle 10 ist von der Lichtquelle 10 in Richtung der eines ersten transparenten Bereichs in der Partikelmesskammer 20 ausgerichtet. Insbesondere kann der Lichtstrahl an dem ersten transparenten Bereich 21 in das Innere der Partikelmesskammer 20 hineintreten und an der gegenüberliegenden Seite an dem optisch transparenten zweiten Bereich 22 wieder aus dem Inneren der Partikelmesskammer 20 heraustreten. Dabei wird der Lichtstrahl durch das in der Partikelmesskammer 20 enthaltene Aerosol in seiner Intensität abgeschwächt. In dem Aerosol enthaltenen Partikel können den Lichtstrahl teilweise absorbieren oder streuen. Daher wird nur ein Teil des Lichtstrahls durch die Partikelmesskammer 20 hindurch transmittieren und wieder aus der Partikelmesskammer 20 austreten. Dieser transmittierende Anteil des Lichtstrahls kann von einem Lichtsensor 30 erfasst werden. Der Lichtsensor 30 kann daraufhin ein zu der Intensität des erfassten durch die Partikelmesskammer transmittierten Anteils des Lichtstrahls korrespondierendes Ausgangssignal bereitstellen. Hierzu ist der Lichtsensor auf der der Lichtquelle 10 gegenüberliegenden Seite der Partikelmesskammer 20 angeordnet.
Bei der Lichtquelle 10 kann es sich beispielsweise um eine lichtemittierende Diode (LED) oder ähnliches handeln. Hierbei sind für jede der Wellenlängen, welche die von der Lichtquellen 10 emittiert werden, separate lichtemittierende Dioden möglich. Alternativ ist auch eine sogenannte Multicolor-LED möglich, Hierbei handelt es sich um eine einzelne lichtemittierende Diode, welche je nach Ansteuerung Licht unterschiedlicher Wellenlängen emittieren kann. Darüber hinaus sind auch beliebige weitere Lichtquellen möglich, die dazu in der Lage sind, Licht mit den vorgegebenen Wellenlängen zu emittieren. Beispielsweise kann als Lichtquelle 10 auch eine Laserlichtquelle oder ähnliches vorgesehen sein.
Die Wellenlängen des Lichtstrahls können dabei im Bereich des sichtbaren Lichts zwischen 400 und 750 bzw. 400 und 800 nm liegen. Darüber hinaus kann die Wellenlänge des Lichtstrahls auch im infraroten Lichtbereich oder im ultravioletten Lichtbereich liegen. Vorzugsweise liegen die Wellenlänge des Lichtstrahls möglichst weit auseinander. Beispielsweise kann eine Wellenlänge des Lichtstrahls im roten Wellenlängenbereich zwischen 800 und 700 nm bzw. 800 und 750 nm liegen. Eine der vorbestimmten Wellenlänge kann z.B. im grünen Wellenlängenbereich, zwischen 500 und 650 nm liegen. Eine weitere Wellenlänge des Lichtstrahls kann im blauen Wellenlängenbereich zwischen 400 und 450 nm liegen. Darüber hinaus sind jedoch auch beliebige andere Wellenlängen, insbesondere Wellenlängen mit einem deutlichen Unterschied zwischen den einzelnen Wellenlängen möglich.
Die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichtstrahls, der von der Lichtquelle 10 emittiert wird, können dabei beispielsweise jeweils abwechselnd nacheinander eingestellt werden. Es wird also jeweils nur Licht einer Wellenlänge durch die Partikelmesskammer 20 transmittiert. Das Aussenden des Lichtstrahls durch die Lichtquelle 10 und das Erfassen der durch die Partikelmesskammer 20 hindurch transmittierenden Anteile der Lichtstrahlen durch den Lichtsensor 30 können dabei mittels eines geeigneten Synchronisationssignals miteinander synchronisiert werden. Beispielsweise kann die Lichtquelle 10 von der Auswerteeinrichtung 40 ein entsprechendes Ansteuersignal empfangen und daraufhin jeweils den Lichtstrahl emittieren. Somit kann die Auswerteeinrichtung 40 das Ausgangssignal, welches zu dem erfassten transmittierten Anteil des Lichtstrahls mit der jeweiligen Wellenlänge korrespondiert der entsprechenden Wellenlänge zuweisen. Auf diese Weise kann eine eindeutige Zuordnung der erfassten Ausgangssignale von dem Lichtsensor 30 zu den entsprechenden Wellenlängen der jeweiligen Lichtstrahlen erfolgen.
Alternativ kann der Lichtstrahl, der von der Lichtquelle 10 emittiert wird auch gleichzeitig mehrere, beispielsweis mindestens drei vorbestimmte Wellenlängen umfassen. In diesem Fall dann die Sensoreinrichtung 30 eine Filereinrichtung (nicht dargestellt) umfassen, welche eine separate Erfassung der einzelnen Wellenlängen des transmittierten Lichtstrahls ermöglicht. Beispielsweise kann der transmittierte Anteil des Lichtstrahls durch ein Prisma oder ähnliches aufgespalten werden, so dass die Anteile der verschiedenen Wellenlängen an räumlich unterschiedlichen Positionen mittels separater Sensorelemente erfasst werden können. Ferner kann auch eine Filtereinrichtung vorgesehen sein, die jeweils gesteuert nur einen Frequenzanteil des transmittierten Lichtstrahls transmittieren lässt. Wird eine solche Filtereinrichtung nacheinander auf die vorbestimmten Wellenlängen des Lichtstrahls eingestellt, so können mittels eines Sensorelements nacheinander die jeweiligen Intensitäten des transmittierten Anteils der korrespondierenden Wellenlängen durch die Sensoreinrichtung 30 erfasst werden. Ferner sind auch weitere Konfigurationen zur individuellen Erfassung der transmittierten Anteile des Lichtstrahls in Abhängigkeit der Wellenlängen möglich.
Die Auswerteeinrichtung 40 kann daraufhin die Größen der Ausgangssignale von dem Lichtsensor 30 der unterschiedlichen Wellenlängen miteinander vergleichen. Basierend auf dem Verhältnis einzelnen Ausgangssignale kann die Auswerteeinrichtung 40 daraufhin ein Maß für die charakteristischen Größen der Partikel des Aerosols bestimmen.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Dichtefunktion F für eine Partikelverteilung in einem Aerosol. Die Dichtefunktion ist hierbei als Anzahl N der Partikel pro Volumeneinheit und Durchmesser dargestellt. Wie in 2 zu erkennen ist, kann die Partikelverteilung über die Partikelgröße als eine Log-Normal-Verteilung beschrieben werden. Die Partikel in dem Aerosol können beispielsweise durch die folgenden drei Parameter charakterisiert werden: der mittlere Durchmesser Dm der Partikel, Spitzenwert PV der Partikelverteilung und Breite SD der Partikelverteilung. Dabei kann die Breite der Partikelverteilung beispielsweise als der Bereich definiert werden, an dem die Partikelverteilung 0,67 des Spitzenwertes PV überschreitet. Die Dichtefunktion F der Partikelverteilung kann beispielsweise durch folgende Formel beschrieben werden: $F (D p) = \frac{d N}{d D p} (D p) = P V \cdot e^{- 0,5 {(\frac{l n \frac{D p}{D m}}{ln (S D)})}^{2}}$
Für die Bestimmung der charakteristischen Größen des Aerosols kann die Auswerteeinrichtung 40 beispielsweise die Verhältnisse der Ausgangssignale des Lichtsensors berechnen, die zu den jeweiligen Wellenlängen des Lichtstrahls korrespondieren. Diese berechneten Verhältnisse können mit einer zuvor ermittelten Kennlinie abgeglichen werden. Die zuvor ermittelten Kennlinien können beispielsweise in einer Speichereinrichtung der Auswerteeinrichtung 40 in Form einer Lookup-Tabelle oder ähnlichem abgespeichert sein. Alternativ können auch Rechenvorschriften für die Bestimmung der charakteristischen Größen des Aerosols abgespeichert werden. Werden für die Ermittlung der drei charakteristischen Größen mittlerer Durchmesser Dm, Spitzenwert PV und Breite SD mindestens drei unterschiedliche Wellenlängen für den Lichtstrahl durch das Aerosol verwendet, so können die drei Parameter in der Regel eindeutig aufgelöst werden. Das Aerosol kann daraufhin vollständig charakterisiert werden.
Insbesondere kann mittels der drei zuvor beschriebenen Parameter auch die Gesamtpartikelanzahl Nges geschlossen werden. Diese Gesamtpartikelanzahl kann durch Integration von Null bis Unendlich als geschlossene Lösung berechnet werden: $\begin{matrix} N g e s = \int_{0}^{\infty} \frac{d N}{d D p} (D p) D p = \int_{0}^{\infty} P V \cdot e^{- 0,5 (\frac{l n \frac{D p}{D m}}{ln (S D)})} & D p \\ N g e s = \sqrt{2 \cdot π \cdot} P V \cdot D m \cdot ln (S D) \cdot S D^{(ln \frac{(S D)}{2})} \end{matrix}$
Aus den Größen mittlerer Durchmesser Dm, Spitzenwert PV und Breite SD kann somit auch unmittelbar die Gesamtpartikelanzahlkonzentration bestimmt werden.
Ferner ist es auch möglich, vor der eigentlichen Messung durch die Partikelmessvorrichtung eine Kalibrierung durchzuführen. Hierzu wird ein Aerosol mit Partikeln mit vorbestimmten Eigenschaften, wie einer bekannten Partikelgröße, einer bekannten Konzentration von Partikeln und/oder einer bekannten Partikelmasse in die Partikelmesskammer 20 eigeleitet. Daraufhin kann für dieses Kalibrieraerosol jeweils die Intensität des transmittierenden Anteils des ersten Lichtstrahls und des zweiten Lichtstrahls erfasst werden. Basierend auf diesen erfassten Intensitäten und den dazu durch den Lichtsensor 30 korrespondierenden Ausgangssignalen können anschließend während Messungen von unbekannten Aerosolen die dabei erfassten Intensitäten bzw. das Verhältnis der Intensität des transmittierten Anteils der Lichtstrahlen für unterschiedliche Wellenlängen in Bezug gesetzt werden. Hieraus kann abgeleitet werden, ob die Partikeleigenschaften in dem unbekannten Aerosol nach oben oder unten von den Partikeleigenschaften des Kalibrieraerosols abweichen. Weitere Möglichkeiten zur Kalibrierung sind darüber hinaus selbstverständlich ebenso möglich.
Die Partikelmessvorrichtung 1 kann darüber hinaus noch einen oder mehrere weitere Sensoren 50 zur Erfassung von weiteren Betriebsgrößen umfassen.
Beispielsweise kann die Partikelmessvorrichtung 1 einen Drucksensor umfassen, der den Druck des Aerosols in der Partikelmesskammer 20 erfasst und der Auswertevorrichtung 40 bereitstellt. Ferner kann die Partikelmessvorrichtung 1 auch einen Temperatursensor umfassen, der die Temperatur des Aerosols in der Partikelmesskammer 20, an der oder den Einlassöffnungen 23 und/oder der oder den Auslassöffnungen der Partikelmesskammer 20 erfasst. Ferner kann die Partikelmessvorrichtung 1 auch einen Volumenstromsensor umfassen, der den Volumenstrom des durch die Partikelmesskammer 20 hindurchströmenden Aerosols erfasst und eine hierzu korrespondierende Größe an der Auswertevorrichtung 40 bereitstellt. Weitere Sensoren zur Erfassung von Betriebsgrößen der Partikelmessvorrichtung 1 sind darüber hinaus ebenso möglich.
Stehen von einem oder mehreren weiteren Sensoren 50 weitere Informationen über eine oder mehrere weitere Betriebsgrößen der Partikelmessvorrichtung 1 bereit, so können diese Informationen ebenfalls mit in die Bestimmung der charakteristischen Größen des Aerosols einfließen. Beispielsweise können auch mehrere Kalibriervorgänge für Variationen dieser weiteren Betriebsgrößen ausgeführt werden. Zusätzlich oder alternativ können auch für Variationen der Betriebsgrößen mehrere Kennlinien oder Kennlinienfelder abgespeichert werden. Auf diese Weise kann in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebsgröße wie Temperatur, Druck oder Volumenstrom jeweils die Bestimmung der charakteristischen Größen in dem Aerosol angepasst werden.
Die ermittelten Daten über die charakteristischen Größen des Aerosols können daraufhin beispielsweise an einer Schnittstelle in digitaler oder analoger Form bereitgestellt werden. Ferner kann die Auswerteeinrichtung 40 auch die ermittelten Daten an einer Anzeigevorrichtung (nicht dargestellt) anzeigen oder die Daten in einem weiteren Speicher zur nachfolgenden Weiterverarbeitung abspeichern.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Bestimmung einer Partikelgröße von Partikeln in einem Aerosol gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. In Schritt S1 wird Lichtstrahls durch eine mit dem Aerosol durchströmten Partikelmesskammer ausgesendet. Die Wellenlänge des ausgesendeten Lichtstrahls wird dabei abwechselnd auf eine von mindestens drei vorbestimmten Wellenlängen eingestellt. Alternativ kann auch ein Lichtstahl ausgesendet werden, der mehrere, insbesondere mindestens drei vorbestimmte Wellenlängen umfasst. In Schritt S2 wird einer Intensität eines durch die Partikelmesskammer transmittierenden Anteils des Lichtstrahls erfasst. Insbesondere kann das Aussenden des jeweiligen Lichtstrahls und das Erfassen der Intensität dabei miteinander synchronisiert werden. Daraufhin werden in Schritt S3 charakteristische Größen des Aerosols basierend auf den zu den jeweiligen Wellenlängen des Lichtstrahls korrespondierenden erfassten Intensitäten der transmittierten Anteile des Lichtstrahls bestimmt.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Ermittlung von charakteristischen Größen der Partikel in einem Aerosol mittels eines Durchlichtverfahrens. Hierzu wird eine mit einem Aerosol gefüllte Partikelmesskammer mit einem Lichtstrahl durchleuchtet, wobei die Wellenlänge des Lichtstrahls variiert wird. Durch die Verwendung von mindestens drei unterschiedlichen Wellenlängen können die für die Charakterisierung des Aerosols erforderlichen Größen vollständig bestimmt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005006368 A1 [0003]

Claims

Partikelmessvorrichtung (1), mit: einer Partikelmesskammer (20), die von einem Aerosol durchströmbar ist; einer Lichtquelle (10), die dazu ausgelegt ist, einen Lichtstrahl in Richtung der Partikelmesskammer (20) auszusenden, wobei der Lichtstrahl mindestens drei vorbestimmte Wellenlängen umfasst oder die Lichtquelle (10) dazu ausgelegt ist, die Wellenlänge des ausgesendeten Lichtstrahls abwechselnd auf eine von mindestens drei vorbestimmten Wellenlängen einzustellen; einem Lichtsensor (30), der dazu ausgelegt ist, einen durch die Partikelmesskammer (20) transmittierenden Anteil des Lichtstrahls zu erfassen, ein zu einer Intensität des erfassten transmittierten Anteils des Lichtstrahls korrespondierendes Ausgangssignal bereitzustellen; und einer Auswerteeinrichtung (40), die dazu ausgelegt ist, basierend auf den zu den jeweiligen Wellenlängen des Lichtstrahls korrespondierenden Ausgangsignalen des Lichtsensors (30) charakteristisch Größen des Aerosols zu berechnen.
Partikelmessvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (10) dazu ausgelegt ist, einen Lichtstrahl auszusenden, der mindestens drei vorbestimmte Wellenlängen umfasst, und wobei der Lichtsensor (30) dazu ausgelegt ist den transmittierten Anteil des Lichtstrahls für die vorbestimmten Wellenlängen separat zu erfassen.
Partikelmessvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die charakteristischen Größen des Aerosols eine mittlere Partikelgröße, eine Verteilung der Partikelgröße, eine Partikelkonzentration, eine Gesamtanzahl der Partikel und/oder eine mittlere Partikelmasse in dem Aerosol umfassen.
Partikelmessvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Anspruch, wobei die Auswerteeinrichtung (40) eine Speichereinrichtung umfasst, die dazu ausgelegt ist, eine oder mehrere vorbestimmte Kennlinien für charakteristischen Größen in Abhängigkeit von einem Verhältnis der Ausgangssignale des Lichtsensors (30) für die verschiedenen Wellenlängen abzuspeichern, und wobei die Auswerteeinrichtung (40) dazu ausgelegt ist, die charakteristischen Größen des Aerosols unter Verwendung der in der Speichereinrichtung gespeicherten Kennlinie zu bestimmen.
Partikelmessvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem weiteren Sensor (50), der dazu ausgelegt ist, eine weitere Betriebsgröße zu erfassen, wobei die Auswerteeinrichtung (40) dazu ausgelegt ist, die charakteristischen Größen des Aerosols unter Verwendung der erfassten weiteren Betriebsgröße zu bestimmen.
Partikelmessvorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei der weitere Sensor (50) mindestens einen Drucksensor, einen Temperatursensor und/oder einen Volumenstromsensor für das durch die Partikelmesskammer (20) strömende Aerosol umfasst.
Partikelmessvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Lichtquelle (10) Laser-Lichtquellen, Leuchtdioden oder eine Multicolor-Leuchtdiode für die vorbestimmten Wellenlängen umfasst.
Partikelmessvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, das Einstellen der Wellenlänge für den ausgesendeten Lichtstrahl in der Lichtquelle (10) und ein Empfangen des Ausgangssignals von dem Lichtsensor miteinander zu synchronisieren.
Verfahren zur Bestimmung charakteristischer Größen eines Aerosols, mit den Schritten: Aussenden (S1) eines Lichtstrahls durch eine mit dem Aerosol durchströmten Partikelmesskammer (20), wobei die Wellenlänge des ausgesendeten Lichtstrahls mindestens drei vorbestimmte Wellenlängen umfasst oder der Lichtstrahl abwechselnd auf eine von mindestens drei vorbestimmten Wellenlängen eingestellt wird; Erfassen (S2) einer Intensität eines durch die Partikelmesskammer (20) transmittierenden Anteils des Lichtstrahls; Ermitteln (S3) charakteristischer Größen des Aerosols basierend auf den zu den jeweiligen Wellenlängen des Lichtstrahls korrespondierenden erfassten Intensitäten der transmittierten Anteile des Lichtstrahls.
Verfahren nach Anspruch 9, mit den Schritten: Einleiten eines Kalibrieraerosols mit einer vorbestimmten Partikelgröße in die Partikelmesskammer (20); und Erfassen einer Kalibrierintensität eines durch die Partikelmesskammer (20) transmittierenden Anteils für jede Wellenlänge des ausgesendeten Lichtstrahls; wobei das Ermitteln (S3) der charakteristischen Größen des Aerosols unter Verwendung der erfassten Kalibierintensitäten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei das Einstellen der Wellenlänge des ausgesendeten Lichtstrahls und das Erfassen der Intensitäten synchronisiert werden.