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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Qualitätsmeßanordnung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Es ist schon bekannt, beispielsweise die Qualität einer wässrigen Harnstofflösung zu bestimmen. Eine solche Harnstofflösung kommt bei der Nachbehandlung von Abgasen von selbstzündenden Brennkraftmaschinen zum Einsatz, um Stickoxide unter Verwendung eines Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion aus dem Abgas zu entfernen. Hierbei ist es bekannt, unter Verwendung eines Ultraschall-Meßprinzips und unter Ausnutzung der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Harnstoffkonzentration in der Lösung eine Konzentrations- und damit eine Qualitätsbestimmung des Reduktionsmittels durchzuführen.
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Des Weiteren ist es aus der
DE202010012771 bekannt, ein optisches Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Mediums einzusetzen. Hierbei dient eine Verschiebung der Spektrallinien einer elektromagnetischen Strahlung als Maß für eine Veränderung der Zusammensetzung des Mediums.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Qualitätsmeßanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil einer einfachen und robusten Bestimmung beispielsweise der Konzentration einer wässrigen Lösung, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung. Hierbei wird in vorteilhafter Weise eine einfach zu messende Größe, beispielsweise eine Strahlungsintensität, gemessen, die beispielsweise mit dem Brechungsindex der Lösung und daher mit der Konzentration der Lösung korreliert. Des Weiteren ist von Vorteil, daß als Strahlungsquelle, beispielsweise als elektromagnetische Strahlungsquelle, preisgünstige optische Bauteile wie Lichtdioden (LED's) oder Laserdioden verwendet werden können. Als Strahlungsempfänger können in vorteilhafter Weise preisgünstige optische Bauteile zum Einsatz kommen, wie Fotodioden, Fototransistoren oder Fotowiderstände im Falle der Verwendung elektromagnetischer Strahlung bzw. der Verwendung von Licht. Des Weiteren wirkt sich der Fokussierungseffekt stark nichtlinear auf die Strahlungsintensität aus, die der Empfänger detektiert. Damit kann der Detektor so platziert werden, dass er im relevanten Brechungsindex-Bereich besonders genau mißt. Unsicherheiten in der Leistung des Senders bzw. Empfängers wirken sich wegen des nichtlinearen Zusammenhangs der detektierten Strahlungsintensität mit dem Brechungsindex des Fluids generell gutmütig aus. Darüber hinaus sind bei der Verwendung elektromagnetischer Strahlung in Form von Licht der Strahlengang bei Kalibrierung mit leerer Kammer bzw. bei Messung mit gefüllter Kammer nahezu identisch, so daß auch eventuelle Verschmutzungen der Kammer- bzw. Hohlkammerwände, Materialtrübungen, alterungsbedingte Änderungen des Senders und/oder des Empfängers usw. bei der Kalibrierung automatisch berücksichtigt werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Qualitätsmeßanordnung möglich.
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In bevorzugter Ausführungsform kann ein für die Strahlung durchlässiger, als einfaches Spritzgußteil herstellbarer Kunststoffkörper vorgesehen sein, welcher einerseits den Sender bzw. eine Lichtquelle und andererseits den Empfänger trägt, zumindest weitgehend den Strahlengang vor und hinter der Fluidkammer ausfüllt und darüber hinaus den Strahlengang durch das Fluid durch die Form der Kammerwände festlegt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 eine Qualitätsmeßanordnung,
- 2 Intensitätsverteilungen und
- 3 eine weitere Qualitätsmeßanordnung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Qualitätsmeßanordnung 1 mit einem Strahlungssender 3 in Form einer lichtaussendenden Diode („LED“), einem Strahlungsempfänger 5 und einer dazwischen angeordneten Fluidkammer bzw. Hohlkammer bzw. Kammer 9, welche mit dem zu vermessenden Fluid 8 befüllt bzw. von dem zu vermessenden Fluid über einen Zulauf 13 und einen Ablauf 15 durchströmt werden kann. Der Strahlungsempfänger 5 ist mit einer Auswertungs- und Versorgungselektronik 6 verbunden. Die Ansteuerungs- und Versorgungselektronik des Strahlungssenders bzw. die Verbindung des Strahlungssenders mit der Elektronik 6 ist nicht näher dargestellt. Die Qualitätsmeßanordnung 1 weist einen von einem lichtdichten Gehäuse 11 umgebenen Kunststoffkörper 7 auf, der für die elektromagnetische Strahlung bzw. das von der LED ausgestrahlte Licht durchlässig ist. In dieser Ausführungsform werden die von der Strahlung durchquerten Wände 10 der Kammer 9 durch entsprechende Oberflächen des Kunststoffkörpers gebildet. In dieser Ausführungsform sind ferner Lichtquelle 3 und Detektor 5 in dem Kunststoffkörper integriert, d.h. eingegossen oder ei ngesteckt.
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In der Darstellung gemäß 1 ist die Kammer 9 mit einer wässrigen Harnstofflösung als durchsichtigem Fluid befüllt. Der Brechungsindex des Kunststoffkörpers 7 ist größer als der von Luft, Wasser oder von einer wässrigen Harnstofflösung. Daher wirkt die dargestellte Kontur der Kammer, die als solche als Kontur einer klassischen Zerstreuungslinse erkennbar ist, nicht als Zerstreuungs-, sondern als Sammellinse auf die elektromagnetische Strahlung bzw. das Licht, die gefüllte Hohlkammer besitzt also eine fokussierende Eigenschaft. Der Strahlengang des Lichts ausgehend von der Lichtquelle mit einem Öffnungswinkel Alpha (a), der die Divergenz des Lichtstrahls kennzeichnet, bis zur Fotodiode 5 ist in 1 nicht nur für den Fall der Befüllung mit normgerechter wässriger Harnstofflösung, sondern für verschiedenartige Befüllungen eingezeichnet. Abhängig vom Brechungsindex des Fluids ergeben sich folgende Strahlungsgänge: Strahlengang 21, falls die Kammer nur mit Luft befüllt ist; Strahlengang 23, falls die Kammer mit Wasser befüllt ist; Strahlengang 25, falls die Kammer mit einer wässrigen Harnstofflösung befüllt ist, die eine geringere Konzentration als eine normgerechte Konzentration aufweist, und Strahlengang 27, falls die Kammer mit einer normgerechten wässrigen Harnstofflösung, auch „AdBlue“ genannt, befüllt ist. Abhängig vom Brechungsindex des jeweiligen Fluids ergibt sich eine für die jeweilige Befüllung charakteristische Fokussierung, welche sich in der Signalhöhe des fest verorteten Empfängers 5 für die Lichtintensität auswirkt.
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2 zeigt die Verteilung der Lichtintensität I auf Höhe des Empfängers 5 entlang der in der 1 markierten Raumrichtung x. Die als Kurvenparameter verwendeten Bezugszeichen 210, 230, 250 und 270 stehen für die räumliche Verteilung der Lichtintensität im Falle der Befüllung der Kammer 9 mit Luft (210), Wasser (230), einer nicht normgerechten, verdünnten wässrigen Harnstofflösung (250) bzw. mit einer normgerechten wässrigen Harnstofflösung (270), welche im Handel unter dem Namen „AdBlue“ erhältlich ist. Die Apertur des Empfängers 5 ist hierbei beispielsweise so ausgelegt, daß er den Bereich 30 entlang der Raumrichtung x erfaßt; der Bereich 30 bezeichnet also das Sichtfenster des Empfängers. Das resultierende elektrische und auf die Fluidqualität auswertbare Signal des Empfängers 5 ist proportional zum Integral des jeweiligen Kurvenverlaufs im Bereich des Sichtfensters 30. Im dargestellten Beispiel ist also der Empfänger 5 in einem solchen Abstand zur Kammer 9 positioniert, daß die Lichtintensität im Falle der Befüllung der Kammer mit normgerechter wässriger Harnstofflösung am Ort des Empfängers bei gegebener Signalstärke des Senders maximal ist. Jede Abweichung der Befüllung mit einem Medium mit einem Brechungsindex, der vom Brechungsindex der normgerechten wässrigen Harnstofflösung abweicht, führt zu einer vergleichsweise kleinen Lichtintensität am Ort des Empfängers, wobei die Signalintensität nichtlinear und monoton vom Brechungsindex des Fluids abhängt.
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Alternativ kann der Empfänger bevorzugt auch so angeordnet sein, daß im Falle der Befüllung der Kammer mit normgerechter wässriger Harnstofflösung am Ort des Empfängers die Lichtintensität bei gegebener Signalstärke knapp unterhalb des möglichen Maximalwerts liegt. Dies erhöht eine Robustheit gegenüber Fertigungstoleranzen und vermeidet Doppeldeutigkeiten in einer Zuordnung zwischen der Lichtintensität und der bspw. in einer entsprechenden Tabelle elektronisch hinterlegten Qualitäts- bzw. Harnstoffkonzentrationswerte.
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Bei leerer Kammer (bzw. bei leerem Tank für den Fall, daß die Quailitätsmeßanordnung im Innern eines Tanks für das zu vermessende Fluid im Bodenbereich des Tanks angeordnet ist) ist der Lichtstrahl 21 stark defokussiert. Das resultierende schwache Signal des Empfängers 5, also das Integral unter der Kurve 210 im Bereich des Sichtfensters 30, kann zur Kalibrierung der Anordnung verwendet werden, zum Beispiel, um Alterungs- oder Verschmutzungseffekte z.B. auf den Wänden 10 der Hohlkammer 9 auszugleichen.In diesem Fall kann auch dem Fahrer signalisiert werden, daß AdBlue-Flüssigkeit nachgefüllt werden muß.
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Bei befüllter Kammer mißt der Empfänger dann in Abhängigkeit von der Befüllung eine gewisse Lichtintensität. Über Kennfelder kann aus der Signalstärke der Brechungsindex der Flüssigkeit bzw. die Phasengeschwindigkeit des (Licht-)Signals und damit bei einer wässrigen Lösung wie AdBlue deren Konzentration bestimmt werden. Aber es kann auch eine Fehlbetankung mit Wasser erkannt werden.
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Das Festkörperbauteil 7 bzw. der Kunststoffkörper 7 braucht nicht massiv ausgeführt zu werden. Es bzw. er kann alternativ zum Zweck der Materialersparnis auch hohl ausgeführt sein. Dann durchschreitet der Lichtstrahl außerhalb der mit dem zu vermessenden Fluid gefüllten Kammer 9 größtenteils Raumbereiche, die mit Luft bzw. einem Gas gefüllt sind.
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Das Festkörperbauteil 7 kann auch massiv aus einem Kunststoff gefertigt sein, dessen Brechungsindex kleiner bzw. deutlich kleiner ist als der Brechungsindex der zu vermessenden bzw. zu untersuchenden Flüssigkeit. In diesem Fall wird zur Fokussierung eine Hohlkammer vorgesehen, die in einer Querschnittsseitenansicht analog zur 1 im Zentrum des Strahlengangs ihre größte Ausdehnung hat, und nicht, wie in 1 gezeigt, die kleinste Ausdehnung.
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Anstelle einer rotationssymmetrischen Geometrie der als Flüssigkeitslinse dienenden Kammer 9 - die Rotationssymmetrie besteht in der Anordnung nach 1 entlang einer gedachten geraden Verbindungslinie zwischen Sender 3 und Empfänger 9 - können auch astigmatische „Linsen“ vorgesehen sein. Es kann auch eine Zylinder„linse“ vorgesehen sein, wobei die Zylinderachse in der Darstellung nach 1 dann senkrecht zur Zeichnungsebene steht. All diese Ausführungsformen können erfindungsgemäß als Sammellinsen vorgesehen sein. Der Vorteil solcher Abwandlungen von einer bezüglich des Strahlengangs rotationssymmetrischen Ausgestaltung der Form der Kammer 9 kann darin liegen, den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Brechungsindex und Detektorsignal gezielt zu beeinflussen und auf den relevanten Brechungsindex-Bereich rund um den Wert 1,38 im Falle einer normgerechten wässrigen Harnstofflösung zu optimieren.
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3 zeigt eine Qualitätsmeßanordnung mit einem Ultraschallwandler 35, der integriert einen Strahlungssender 3 und einen Strahlungsempfänger 5 bereitstellt.
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Der ausgestrahlte Ultraschallstrahl 40 in Form eines oder aufeinanderfolgender Ultraschallimpulse durchläuft den Kunststoffkörper 7 und die mit dem Fluid 8 befüllte Fluidkammer 9, deren vom Strahlengang gekreuzte Oberflächen plankonkav ausgebildet sind. Zur Reflektion der Ultraschallimpulse nach Durchlaufen der Kammer zurück zum Ultraschallwandler ist im Beispiel an der betreffenden planen Oberfläche ein Reflektor 42 vorgesehen. Eine Auswertung der Schallintensität der Ultraschallimpulse am Ultraschallwandler kann entsprechend der Anordnung nach 1 auf eine physikalische Größe des Fluids ausgewertet werden, die mit der Qualität des Fluids in Verbindung steht, beispielsweise mit der Konzentration von Harnstoff in einer wässrigen Harnstofflösung. Die physikalische Größe ist hierbei vorzugsweise das Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten im Körper 7, beispielsweise einem Kunststoffkörper, und im Fluid 8. Dieses Verhältnis bestimmt das Beugungsverhalten der Anordnung bzgl. des Ultraschalls und damit die mehr oder weniger starke Fokussierung des Ultraschallimpulses, wenn er zum Ultraschallwandler zurückgelangt.
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In weiteren Abwandlungen im Falle einer Schall- bzw. Ultraschall-Anwendung kann zusätzlich eine Temperaturmessung und/oder eine Fluiddruckmessung vorgesehen sein, die in die Signalauswertung einfließt und Temperatur- bzw. Druckeinflüsse kompensieren helfen.
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Die Qualitätsmeßanordnung kann also so ausgestaltet sein, daß die Fluidkammer zwischen Sender und Empfänger angeordnet ist, sie kann aber auch so ausgestaltet sein, daß sich Sender und Empfänger auf der gleichen Seite der Fluidkammer befinden. In letzterem Fall weist die Kammeranordnung neben einer Fluidkammer auch einen Reflektor auf. Hierbei kann allein die Fluidkammer fokussierend wirkend geformt sein, oder es kann auch der Reflektor so ausgebildet sein, daß er zusätzlich fokussierend wirkt. Die Fluidkammer kann aber auch auf den Signalstrahl zerstreuend wirkend geformt sein, wenn der Reflektor so geformt ist, daß er die zerstreuende Wirkung der Fluidkammer überkompensiert und die Kammeranordnung, also die Fluidkammer zusammen mit dem Reflektor, insgesamt fokussierend wirkt.
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Es kann auch eine Anordnung vorgesehen werden, die Ultraschallmessung und Lichtmessung miteinander kombiniert, um Fluide mit gleichen Schall-, aber unterschiedlichen elektromagnetischen Phasengeschwindigkeiten oder umgekehrt voneinander unterscheiden zu können. Beiden Meßprinzipien ist gemein, daß die Phasengeschwindigkeit des Signals im Fluid bzw. Medium beispielsweise mit der Konzentration eines gelösten Stoffs variiert. Beim Schall- bzw. Ultraschallmeßprinzip ist dies die Schallgeschwindigkeit, bei einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere bei Licht, die Phasengeschwindigkeit des Lichts in dem Fluid.
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Die Fluidkammer der Kammeranordnung enthält jedenfalls im Innern das zu vermessende Fluid und wirkt als aktives Element, dessen den Strahlengang beeinflussende Wirkung von der chemischen Zusammensetzung des Fluids abhängt. Beeinflussende Größen sind hierbei auch die Temperatur des Fluids und der Druck des Fluids. Zur chemischen Zusammensetzung gehört insbesondere die Konzentration eines gelösten Stoffs in dem Fluid, wie beispielsweise die Harnstoffkonzentration in einer wässrigen Lösung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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