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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines eine Partikelkonzentration von Partikeln in einem Fluidstrom betreffenden Partikelkonzentrationswertes, wobei der Fluidstrom durch ein Messvolumen geführt wird, wobei durch eine Sensoreinrichtung ein von der Partikelkonzentration in dem Messvolumen abhängiger erster Messwert erfasst wird, und wobei der Partikelkonzentrationswert in Abhängigkeit des ersten Messwertes und eines Korrekturwertes berechnet wird. Daneben betrifft die Erfindung eine Messeinrichtung und ein Kraftfahrzeug.
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In einer Vielzahl von Anwendungsfällen sollen Feinstaubkonzentrationen gemessen werden. Beispielsweise können Feinstaubkonzentrationen in einem Kraftfahrzeuginnenraum bzw. in dem Innenraum zugeführter Umgebungsluft gemessen werden oder es kann eine Feinstaubkonzentration in von dem Kraftfahrzeug ausgestoßenen Abgasen gemessen werden. Eine Möglichkeit zur Messung der Partikelkonzentration ist es, das zu erfassende Aerosol mittels einer Pumpe oder einem Lüfter in eine Messkammer zu fördern, und dort mithilfe einer Streulichttechnik eine Partikelkonzentration zu erfassen. Hierbei wird erfasst, wieviel Licht durch die Partikel gestreut wird und dies kann bei einer für einen bestimmten Anwendungsfall im Wesentlichen bekannten Größenverteilung der Partikel als Maß für die Partikelkonzentration genutzt werden.
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Im laufenden Betrieb kann sich die Empfindlichkeit der Einrichtung, wie später noch genauer erläutert werden wird, ändern. Es ist daher bekannt, regelmäßig eine Kalibrierung eines entsprechenden Sensors durchzuführen. Beispielsweise lehrt die Druckschrift
EP 2 790 007 A1 eine zusätzliche Kalibriereinheit zu nutzen, die eine weitere Lichtquelle und einen weiteren Sensor umfasst, um die Intensität des in die Messeinrichtung eingestrahlten Lichts bzw. die Empfindlichkeit des dort genutzten Sensors zu ermitteln.
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Ein weiterer Ansatz zur Kalibrierung entsprechender Messsysteme ist aus der Druckschrift
EP 2 430 465 B1 bekannt. Durch einen dem Messsystem nachgelagerten Filter können die Partikel aus dem das Messsystem durchquerenden Fluidstrom gesammelt werden und, beispielsweise durch Verstimmung einer mechanischen Oszillation, kann das Gewicht der tatsächlich durch das Messsystem geführten Partikel bestimmt werden. Anhand dieser Gewichtsmessung kann das Messsystem kalibriert werden.
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Nachteilig an den vorangehend erläuterten Kalibriermethoden ist es, dass eine zusätzliche Sensorik vorgesehen werden muss, wodurch der Bauraumverbrauch, das Gewicht und die Kosten dieser Messsysteme steigen. Soll der Zusatzaufwand vermieden werden, ist es möglich, Teile der Veränderungen des Messsystems durch regelmäßige Reinigung und Wartung zu Kompensieren. Ein Großteil der Veränderung der Empfindlichkeit des Messsystems resultiert daraus, dass sich ein Teil der Partikel an den Wänden der Messkammer und an der Sensorik anlagert und somit die Messung beeinflussen kann. Durch eine regelmäßige Reinigung können entsprechende Veränderungen weitgehend kompensiert werden. Ein derartiges Vorgehen ist bei Umweltmessstationen leicht möglich, da diese häufig nur für einige Wochen oder Monate genutzt werden. Soll eine entsprechende Sensorik jedoch in einem Kraftfahrzeug genutzt werden, wäre ein entsprechender Wartungsaufwand für einen Nutzer kaum vermittelbar, womit die Akzeptanz einer entsprechenden Sensorik sinken würde.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung einer Partikelkonzentration anzugeben, bei dem eine geringe Komplexität der Messeinrichtung mit einer weitgehenden Wartungsfreiheit oder zumindest langen Wartungsintervallen kombiniert werden kann.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei bei Erfüllung einer Korrekturbedingung, deren Erfüllung von einer Unterbrechung des Fluidstroms durch das Messvolumen abhängt, ein zweiter Messwert durch die Sensoreinrichtung erfasst wird, wobei der Korrekturwert in Abhängigkeit des zweiten Messwertes bestimmt oder verändert wird.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, durch die ohnehin vorhandene Sensorik zu messen, wie stark sich das Verhalten der Messeinrichtung mittlerweile, insbesondere aufgrund von abgelagerten Partikeln, verändert hat. Der zweite Messwert kann nach einer Unterbrechung des Fluidstroms und insbesondere nach einer gewissen Wartezeit hiernach gemessen werden. Nach einer Unterbrechung des Fluidstroms, beispielsweise nach einem Abschalten der Messeinrichtung, setzen sich in dem Messvolumen verbliebene Partikel an den Wänden der Messkammer ab. Die Depositionsgeschwindigkeit ist bei ruhendem Fluid im Wesentlichen vom Partikeldurchmesser abhängig und folgt den Gesetzen der Schwerkraft. Nach einer ausreichenden Ruhezeit haben sich die Partikel im Wesentlichen vollständigen an den Wänden der Messkammer abgesetzt. Hierdurch kann beispielsweise ein Offset für Messwerte der Sensoreinrichtung resultieren. Diese Veränderung kann als zweiter Messwert erfasst werden und zur Korrektur bei späteren Erfassungen von ersten Messwerten bzw. Berechnungen von Partikelkonzentrationswerten genutzt werden. Hierdurch können Einflüsse auf den ersten Messwert bzw. den Partikelkonzentrationswert durch Verunreinigungen des Messvolumens durch abgelagerte Partikel weitgehend kompensiert werden, wodurch auch bei längeren Betriebszeiten ohne eine Reinigung oder Wartung der Messeinrichtung eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden kann.
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Der Korrekturwert kann insbesondere identisch zum zweiten Messwert sein. Beispielsweise kann die Ablagerung von Partikeln im Messvolumen ausschließlich zu einem Offset des ersten Messwertes führen, der durch Subtraktion des zuletzt erfassten zweiten Messwertes korrigiert werden kann.
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Als Fluid kann ein Gas untersucht werden, insbesondere mit Feinstaub beladene Umgebungsluft, Luft in einem Fahrzeuginnenraum oder ein Abgas.
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Zur Führung des Fluidstroms durch das Messvolumen kann eine Fluidfördereinrichtung , beispielsweise eine Pumpe, oder ein Lüfter, genutzt werden. Es ist jedoch auch möglich, das Messvolumen in einen Lüftungskanal zu integrieren. Der Fluidstrom kann beispielsweise durch eine messeinrichtungsexterne Fluidfördereinrichtung , beispielsweise den Lüfter eines Kraftfahrzeugs, oder eine Bewegung des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden.
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Die Korrekturbedingung kann erfüllt werden oder ausschließlich erfüllbar sein, nachdem der Fluidstrom für ein vorgegebenes Zeitintervall unterbrochen wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass sich die Partikel im Wesentlichen an den Wänden des Messvolumens absetzen, wie es vorangehend erläutert wurde.
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Der Fluidstrom kann durch eine Fluidfördereinrichtung in das Messvolumen und/oder aus dem Messvolumen gefördert werden, wobei die Korrekturbedingung erfüllt wird oder ausschließlich erfüllbar ist, wenn die Dauer eines zusammenhängenden Zeitintervalls, während dem die Fluidfördereinrichtung inaktiv ist, einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Die Fluidfördereinrichtung kann beispielsweise eine Pumpe oder ein Lüfter sein. Die Fluidfördereinrichtung kann dann inaktiv sein, wenn sie nicht bestromt wird.
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Die Fluidfördereinrichtung oder eine Fluidfördereinrichtung zum Fördern des Fluidstroms kann aktiviert werden, wenn eine Aktivierungsbedingung erfüllt wird, wobei die Korrekturbedingung bei Erfüllung der Aktivierungsbedingung ebenfalls erfüllt wird, falls die Dauer, während der die Fluidfördereinrichtung vorangehend inaktiv war, den oder einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wobei in diesem Fall vor dem Aktivieren der Fluidfördereinrichtung der zweite Messwert erfasst wird. Die Aktivierungsbedingung kann insbesondere dann erfüllt sein, wenn eine Messeinrichtung zum Messen der Partikelkonzentration aktiviert wird. Beispielsweise ist es möglich, dass eine entsprechende Messeinrichtung in einem Kraftfahrzeug nur dann aktiv ist, wenn eine Zündung des Kraftfahrzeugs aktiv ist, ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs bestromt wird und/oder eine Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs aktiv ist. Wird das Kraftfahrzeug abgestellt, wird die entsprechende Messeinrichtung deaktiviert, wodurch der Fluidstrom unterbrochen wird und sich die Partikel, wie vorangehend beschrieben, absetzen können. Erfolgt eine Reaktivierung nach einer hinreichend langen Startzeit, so kann durch Erfassung des zweiten Messwertes und Anpassung des Korrekturwertes jeweils eine Kalibrierung der Messeinrichtung durchgeführt werden.
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Vor Erfüllung der Aktivierungsbedingung kann insbesondere auch die Sensoreinrichtung inaktiv sein. Beispielsweise kann eine Lichtquelle, die für eine Streulichttechnik genutzt wird, inaktiv sein. In diesem Fall kann bei Erfüllung der Aktivierung und der Korrekturbedingung zunächst die Sensoreinrichtung aktiviert werden, also beispielsweise eine Lichtquelle aktiviert werden, anschließend der zweite Messwert erfasst werden und erst dann die Fluidfördereinrichtung aktiviert werden, um neues Fluid und somit auch neue Partikel in das Messvolumen zu führen. Hierdurch wird eine zuverlässige Korrektur zur Berücksichtigung der abgelagerten Partikel erreicht.
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Die Sensoreinrichtung kann wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens einen lichterfassenden Sensor umfassen. Der erste bzw. der zweite Messwerte entsprechen hierbei Messwerten der Sensoreinrichtung. Werden mehrere Sensoren genutzt, können die einzelnen Ausgangswerte der Sensoren, beispielsweise die einzelnen Spannungen, addiert oder gewichtet addiert werden, um den ersten bzw. den zweiten Messwert zu bestimmen. Die verwendete Verknüpfung kann hierfür für den ersten und zweiten Messwert gleich sein. Als Lichtquelle kann beispielsweise ein Laser genutzt werden.
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Der erste Messwert kann von einer Lichtintensität jenes Teils des Lichts der Lichtquelle abhängen, der durch die Partikel gestreut wird. In diesem Fall ist der Messwert, wenn davon ausgegangen wird, dass die Größenverteilung der Partikel im Wesentlichen über die Zeit konstant ist, proportional zur Konzentration der Partikel in einem Messbereich, der jenem Bereich entspricht, in dem das Licht der Lichtquelle und der Erfassungsbereich des Sensors überlappen. Eine entsprechende Streulichtmessung kann beispielsweise realisiert werden, indem der Zentralstrahl der Lichtquelle und des Erfassungsbereichs des Sensors gewinkelt zueinander, insbesondere senkrecht zueinander, stehen. Die Lichtquelle sollte scharf fokussiert sein, beispielsweise ein Laser.
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Der Partikelkonzentrationswert kann in Abhängigkeit der Differenz zwischen dem ersten Messwert und dem Korrekturwert, insbesondere zwischen dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert, berechnet werden. Insbesondere bei der vorangehend diskutierten Streulichtmethode zur Bestimmung der Partikelkonzentration können Fehler, die aus einer Verunreinigung des Messvolumens durch Partikel resultieren, näherungsweise als Offset betrachtet werden. Sie können somit durch eine relativ einfache Berechnung kompensiert werden.
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Obwohl durch das erfindungsgemäße Vorgehen Messfehler aufgrund einer Verunreinigung des Messvolumens durch abgelagerte Partikel deutlich reduziert werden können, soll eine entsprechende Ablagerung von Partikeln dennoch möglichst weitgehend vermieden werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass dem Messvolumen zusätzlich ein Schutzfluid zugeführt wird, dessen Partikelkonzentration geringer ist als die Partikelkonzentration des Fluidstroms. Ein entsprechendes Schutzfluid kann derart in das Messvolumen eingeleitet werden, dass es an den Wänden des Messvolumens entlangströmt und somit eine Barriere zwischen dem Fluidstrom und somit den Partikeln und den Wänden bildet. Beispielsweise kann ein Teil des dem Messvolumen zugeführten Fluids über Filter geführt werden, um die Partikelkonzentration in diesem Fluidteil zu reduzieren und ihn anschließend als Schutzfluid zu nutzen. Der Fluidstrom kann dem Messvolumen über eine zentrale Fluidöffnung zugeführt werden, um die umlaufend eine oder mehrere Öffnungen für das Schutzfluid angeordnet sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einer Messeinrichtung durchgeführt werden, die Teil eines Kraftfahrzeugs ist, wobei der Fluidstrom bei einem Deaktivieren des Kraftfahrzeugs unterbrochen wird und/oder wobei die Aktivierungsbedingung bei oder nach dem Starten einer Antriebseinrichtung oder dem Aktivieren einer Zündung, des Bordnetzes oder eines Teils des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs erfüllt wird. Die Erfassung des zweiten Messwertes und die Bestimmung bzw. Veränderung des Korrekturwertes kann somit insbesondere bei einem Starten des Kraftfahrzeugs nach längeren Standzeiten erfolgen.
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Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung eine Messeinrichtung zur Ermittlung eines eine Partikelkonzentration von Partikeln in einem Fluidstrom betreffenden Partikelkonzentrationswertes, mit einem Messvolumen, durch das der Fluidstrom führbar ist, einer Sensoreinrichtung, durch die ein von der Partikelkonzentration in dem Messvolumen abhängiger erster Messwert erfassbar ist, und einer Steuereinrichtung, durch die der Partikelkonzentrationswert in Abhängigkeit des ersten Messwertes und eines Korrekturwertes berechenbar ist, wobei die Steuereinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Insbesondere sind auch die Sensoreinrichtung und andere Komponenten der Messeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das eine erfindungsgemäße Messeinrichtung erfasst. Diese kann zur Messung einer Feinstaubkonzentration im Innenraum, in aus dem Umfeld des Kraftfahrzeugs zugeführter Luft oder im Abgas des Kraftfahrzeugs dienen. Die Messeinrichtung kann insbesondere nur beim Betrieb des Kraftfahrzeugs betrieben werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, das zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung umfasst, und
- 2 eine Detailansicht eines der in 1 gezeigten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Messeinrichtung.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, das mehrere Messeinrichtungen 4, 17 zur Erfassung von Partikelkonzentrationen, beispielsweise Feinstaubkonzentrationen, in Fluidströmen umfasst. Zunächst wird die Messung einer Feinstaubkonzentration in einem Luftstrom, der aus dem Kraftfahrzeugumfeld zugeführt wird, beschrieben. Um dies zu ermöglichen, wird mithilfe einer Fluidfördereinrichtung 3, nämlich einem Ventilator, über eine Lüftungsleitung 2 Luft aus dem Fahrzeugumfeld angesaugt. Diese wird über die Messeinrichtung 4 zu der Ausströmdüse 5 und somit zu dem Fahrzeuginnenraum geführt. Die Messeinrichtung misst eine Partikelkonzentration, insbesondere eine Feinstaubkonzentration, in der zugeführten Luft. Dies kann beispielsweise dazu dienen, einem Fahrzeuginsassen Informationen über eine solche Partikelkonzentration über eine nicht gezeigte Anzeigeeinrichtung bereitzustellen. Alternativ oder ergänzend wäre es beispielsweise möglich, dass bei hohen Partikelkonzentrationen die Zufuhr von Luft aus dem Fahrzeugumfeld unterbrochen wird, um hohe Partikel- bzw. Feinstaubkonzentrationen im Fahrzeuginnenraum zu vermeiden.
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Der Aufbau der Messeinrichtung 4 ist detailliert in 2 dargestellt. Ein Fluidstrom 7, der die Partikel 6 umfasst, wird ein Messvolumen 8 der Messeinrichtung 4 zugeführt. Eine Steuereinrichtung 12 erfasst mithilfe einer Sensoreinrichtung 9 währenddessen wiederholt jeweils einen ersten Messwert, der von der Partikelkonzentration in dem Messvolumen 8 abhängt, und berechnet einen Partikelkonzentrationswert in Abhängigkeit des jeweiligen Messwertes und eines Korrekturwertes. Die Berücksichtigung des Korrekturwertes dient insbesondere dazu, Verfälschungen des ersten Messwertes aufgrund von Partikeln 6 zu berücksichtigen, die sich über eine längere Zeit hinweg an den Wänden 18 des Messvolumens 8 abgelagert haben.
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Die Sensoreinrichtung 9 umfasst eine Lichtquelle 10 und einen lichterfassenden Sensor 11. Diese sind derart angeordnet, dass ihre Zentralstrahlen 19, 20 gewinkelt zueinander stehen. Die an dem Sensor 11 erfasste Lichtintensität und somit der erfasste Messwert hängen somit davon ab, welcher Anteil des durch die Lichtquelle 10 abgestrahlten Lichts durch die Partikel 6 gestreut wurde und somit von der Partikelkonzentration der Partikel 6. Ablagerungen von Partikeln 6 an den Wänden 18, die sowohl während Betriebsphasen als auch während Nicht-Betriebsphasen der Messeinrichtung 4 auftreten können, können die Messung jedoch verfälschen und den ersten Messwert insbesondere mit einem Offset beaufschlagen.
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Um eine Verfälschung des ermittelten Partikelkonzentrationswertes zu vermeiden, wird der Partikelkonzentrationswert zusätzlich in Abhängigkeit eines Korrekturwertes berechnet, der jeweils bei Erfüllung einer Korrekturbedingung bestimmt bzw. verändert wird. Die Korrekturbedingung soll dann erfüllt sein, wenn für einen längeren Zeitraum der Fluidstrom 7 unterbrochen war, da in diesem Fall jene Partikel 6, die im Messvolumen 8 verbleiben, im Wesentlich an den Wänden 18 abgelagert sind und somit den zu erwartenden Offset für die Messwerte des Sensors 11 erzeugen.
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Der Fluidstrom 7 wird durch den Betrieb der Fluidfördereinrichtung 3 bereitgestellt. Somit ist der Fluidstrom 7 im Wesentlichen dann unterbrochen, wenn die Fluidfördereinrichtung 3 inaktiv ist, also insbesondere nicht bestromt wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Kraftfahrzeug 1 nicht betrieben wird, also beispielsweise in einer Parkposition abgestellt ist. In diesem Fall wird auch die Sensoreinrichtung 9, insbesondere die Lichtquelle 10, deaktiviert.
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Wird nun das Kraftfahrzeug 1 erneut gestartet, so wird vor Aktivierung der Fluidfördereinrichtung 3 überprüft, ob die Dauer eines zusammenhängenden Zeitintervalls, während dem die Fluidfördereinrichtung 3 inaktiv war bzw. während dem das Kraftfahrzeug 1 abgestellt war, einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Ist dies der Fall, so wird zunächst die Sensoreinrichtung 9, insbesondere die Lichtquelle 10, aktiviert und es wird ein zweiter Messwert erfasst. Da in diesem Fall die Partikel 6 in einem ungestörten Zustand sind und weitgehend an den Wänden 18 abgelagert sind, entspricht dieser zweite Messwert dem gesuchten Offset und kann insbesondere als Korrekturwert genutzt werden, der zur Berechnung des Partikelkonzentrationswertes von dem ersten Messwert abgezogen werden kann. Prinzipiell sind jedoch auch komplexere Zusammenhänge möglich, um beispielsweise eine Alterung der Lichtquelle 10 oder des Sensors 11 zu berücksichtigen oder Ähnliches.
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Nach der Erfassung des zweiten Messwerts kann die Fluidfördereinrichtung 3 wieder aktiviert werden, womit der Fluidstrom 7 durch das Messvolumen 8 geführt wird und die Konzentration der Partikel 6 in diesem Fluidstrom 7 wie vorangehend erläutert gemessen werden kann.
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Obwohl Verunreinigungen des Messvolumens 8 durch abgelagerte Partikel, wie vorangehend erläutert, durch das beschriebene Vorgehen weitgehend kompensiert werden können, sollen derartige Ablagerungen dennoch soweit möglich vermieden werden. Um dies zu erreichen, wird ein Teil des zugeführten Fluids einem ringförmigen Filter 13 zugeführt. Hinter den Filtern 13 wird somit ein Schutzfluid bereitgestellt, dessen Partikelkonzentration geringer ist als die Partikelkonzentration des Fluidstroms 7. Dieses wird, wie durch die Pfeile 14 gezeigt, umlaufend um den Fluidstrom 7 in das Messvolumen 8 eingebracht, um den Fluidstrom 7 und somit die Partikel 6 von den Wänden 18 des Messvolumens 8 fernzuhalten.
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Bei einer inaktiven Messeinrichtung, also wenn die Fluidfördereinrichtung 3 nicht bestromt wird, kommt nicht nur der Fluidstrom 7 zum Erliegen, sondern auch der Zustrom des Schutzfluids. Somit können sich insbesondere in Phasen, in denen mit der Zuführung des Fluidstroms 7 begonnen wird, bzw. in denen sie beendet wird, also in Start- und Stopp-Phasen der Fluidfördereinrichtung 3, Ablagerungen von Partikeln 6 an den Wänden 18 des Messvolumens 8 resultieren. Deren Auswirkungen können, wie vorangehend erläutert, durch Nutzung des Korrekturwertes zumindest teilweise kompensiert werden.
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Wie in 1 gezeigt ist, umfasst das Kraftfahrzeug 1 zusätzlich eine weitere Messeinrichtung 17, der über eine Abgasleitung 16 Abgase der Verbrennungskraftmaschine 15 zugeführt werden. Hierbei dient die Verbrennungskraftmaschine 15 selbst als Fluidfördereinrichtung, die den Luftstrom in das nicht gezeigte Messvolumen der Messeinrichtung 17 fördert. Eine Erfassung des zweiten Messwertes und die Bestimmung des Korrekturwertes kann in diesem Fall bei längeren Nicht-Betriebsphasen der Verbrennungskraftmaschine erfolgen. Vor einem erneuten Start der Verbrennungskraftmaschine nach einer längeren Standzeit kann somit ein zweiter Messwert bestimmt werden und dementsprechend der Korrekturwert geändert oder bestimmt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2790007 A1 [0003]
- EP 2430465 B1 [0004]
