DE19831679C2 - Vorrichtung zur Trübungsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trübungsmessung an partikel­ beladenen Gasströmen, insbesonders am Abgas einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit einer in einem Gehäuse angeordneten, im wesentlichen rohrförmigen Meß­ kammer, die im Bereich ihrer offenen Enden einerseits eine Beleuchtungsan­ ordnung und andererseits eine Sensoranordnung aufweist.

Vorrichtungen der genannten Art sind beispielsweise im Zusammenhang mit Absorptions- oder Extinktionsmessungen von elektromagnetischer Strahlung im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Bereich in verschiedensten Aus­ führungen bekannt und werden etwa zur quantitativen Abgasanalyse an Fahrzeug- Brennkraftmaschinen routinemäßig verwendet. Beispielhafte Ausführungen sind etwa in der EP-0 586 363 A1 oder DE 43 15 152 A1 dokumentiert. Derartige Vorrichtungen, bei denen die Extinktion bzw. Trübung von sichtbarem Licht durch feste Partikel im Gasstrom als Meßwert herangezogen wird, werden im allgemeinen als Opazimeter bezeichnet. Diese weisen eine Meßkammer, durch die der partikelbeladene Gasstrom geführt wird, auf. Von der Seite der Be­ leuchtungsanordnung aus, welche zur Meßkammer hin durch optische Fenster begrenzt wird, sendet eine Beleuchtungsquelle Strahlung durch die Meßkammer zur Sensoranordnung bzw. einem darin enthaltenen Detektor. Weitere Details der Meßanordnung bzw. entsprechender Vorrichtungen nach dem Stande der Technik, wie etwa Spülluftvorhänge zum Sauberhalten der optischen Fenster, optische Filter zum Selektieren von bestimmten Wellenlängen, Linsen zur Bündelung des Lichtstrahles, usw. werden hier und im folgenden der Einfach­ heit halber nicht angesprochen, da sie für die vorliegende Erfindung un­ wesentlich sind.

Wird beispielsweise saubere, nicht mit Partikeln beladene Luft durch die Meßkammer gesaugt, so wird am Detektor der Sensoranordnung eine bestimmte Intensität I₀ registriert (Nullwert). Bei zunehmender Beladung des Gasstromes mit Partikeln sinkt die am Detektor registrierbare Intensität auf I ab, wobei das bekannte Beer-Lambert'sche Gesetz gilt. Zum Beispiel zur Messung der Rußemission von Dieselmotoren sind Vorrichtungen der beschrie­ benen Art seit langem im Einsatz.

So werden in der DE-PS 624 724 ein Rauchdichtemesser und in der DE 24 30 672 A1 eine Vorrichtung zum Eichen eines Gerätes zur optischen Dichtemessung in einem Rauchgaskanal beschrieben.

Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen der genannten Art ist insbesondere der Umstand, dass aufgrund der in den letzten Jahren rapide abnehmenden Rußemission beispielsweise der ge­ nannten Dieselmotoren die bekannten bzw. am Markt befindlichen Opazimeter praktisch an ihre Auflösungsgrenze gelangt sind, sodass bereits kleinste Dejustierungen der gegenseitigen An­ ordnung von Beleuchtungsanordnung, Messkammer und Sensoranord­ nung Auswirkungen auf die Messung haben, die leicht die Auflö­ sungsgrenze der Messung übersteigen. Aus diesem Grunde sind verschiedenste Lösungsansätze dafür bekannt geworden, die gegenseitige geometrische Anordnung von Sensoranordnung, Mess­ kammer und Beleuchtungsanordnung möglichst so zu gestalten, dass die üblichen Reinigungs- und Wartungsarbeiten zu keiner Dejustierung führen können, was zumindest diesbezügliche Nach­ teile der beschriebenen Art verhindert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass die erwähn­ ten Nachteile der bekannten Anordnungen bezüglich von einer geometrischen Dejustierung der wesentlichen Komponenten her­ rührenden Messfehlern vermieden werden und zwar insbesondere auch während des normalen Messbetriebes, der beispielsweise bei der Messung von heißem Abgas von Brennkraftmaschinen zu­ sätzliche thermische Einflüsse bringt.

Die vorliegende Erfindung geht von der Überlegung aus, dass beim Durchgang von heißen Gasströmen durch die Messkammer thermisch bedingte Verformungen auftreten, die bewirken kön­ nen, dass sich die räumliche Zuordnung von Lichtquelle, Mess­ kammer und Detektor ändert. Aufgrund dieser thermischen Ver­ formungen ändert sich beispielsweise die Intensität I₀ am Detektor selbst dann, wenn partikelfreies, sauberes, aber heißes Abgas durch die Messkammer gesaugt wird - mit anderen Worten ist in diesem Fall bereits der Nullwert des Opazimeters thermisch nicht stabil. Zur Veranschaulichung dazu ein kleines Rechenbeispiel: Bei einer Entfernung zwischen Lichtquelle und Detektor von beispielsweise 500 mm und einem Durchmesser der Meßkammer von 10 mm ändert sich bereits bei einer leichten Durchbiegung der Meßkammer, so daß die Projektion der einen Seite auf die andere Seite sich um nur 0,05 mm (10^-4 relativ zur Länge) ändert, die lichte Weite für das Strahlenbündel zwischen Lichtquelle und Detektor derart, daß die am Detektor feststellbare Intensität I₀ um ca. 0.9% abnimmt. Eine derartige Instabilität ist nicht akzeptabel, wenn man bedenkt, daß für moderne Meßtechnikaufgaben (z. B. in der eingangs bereits angesprochenen Dieselmotor-Emmissionstechnik) Meßauflösungen von 0,1% und darunter gefordert werden.

Ausgehend von diesen Überlegungen wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Vermeidung der beschriebenen Nachteile so ausgebildet, daß die Meßkammer im Bereich ihrer Enden schwimmend in einem mechanisch und thermisch verwindungssteifen Rahmen gelagert und dazwischen freigestellt ist, daß Beleuchtungsanordnung und Sensoranordnung am Rahmen angeordnet sind, und daß zwischen Beleuchtungsanordnung und Sensoran­ ordnung einerseits und dem zugehörigen Meßkammer-Ende andererseits jeweils eine Blende am Rahmen angeordnet ist, deren Durchlaßquerschnitt kleiner als der Durchlaßquerschnitt der Meßkammer ist. Der stabile Rahmen für die Meß­ kammer ist naturgemäß selbst keinen größeren thermischen Schwankungen aus­ gesetzt, womit die Zuordnung der beiden endseitigen, das Strahlenbündel begrenzenden Blenden zueinander stabil ist und die lichte Weite des Strahlen­ bündels beeinflussende Verschiebungen nicht auftreten können. Der zu messende partikelbeladene Gasstrom, z. B. das Dieselabgas, wird in der Meßkammer geführt, deren Querschnitt größer als der Querschnitt der begrenzenden Blenden ist, wobei die Meßkammer zwischen den endseitigen Lagerungen sich relativ zum stabilen Rahmen durchaus thermisch oder mechanisch bedingt in Grenzen bewegen bzw. verformen oder verbiegen kann, ohne daß es zu einem Einfluß auf das Strahlenbündel zwischen Lichtquelle und Detektor kommen könnte.

Es ist natürlich klar, daß bei der beschriebenen, erfindungsgemäßen Ausgestaltung bezüglich beispielsweise der Zuleitung des zu messenden par­ tikelbeladenen Gasstromes zur Meßkammer darauf geachtet werden muß, daß diese nicht in unerwünschter Weise wiederum Einfluß auf die Meßgeometrie nimmt - da die Position bzw. allfällige leichte Bewegungen dieser Zuführung aber für derartige Messungen problemlos sind, kann diesbezüglich aber keine nach­ teilige Einflußnahme auf das Meßergebnis erwartet werden.

Die Erfindung wird im folgenden noch anhand der in der Zeichnung sche­ matisch dargestellten Ausführungen näher erläutert. Fig. 1 zeigt dabei eine beispielhafte Anordnung nach dem Stande der Technik und Fig. 2 ein sche­ matisches Beispiel für eine Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.

Das nach dem bekannten Stande der Technik ausgebildete Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Trübungsmessung an partikelbe­ ladenen Gasströmen, beispielsweise am Abgas einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit einer in einem Gehäuse 1 (hier nur schematisch mit strichpunktierter Linie angedeutet) angeordneten, im wesentlichen rohrförmigen Meßkammer 2, die in ihrem Mittenbereich 3 eine einmündende Zuführleitung 4 für das entlang des Pfeiles 5 von außen her, beispielsweise vom Auspuff der Brennkraftmaschine, zugeführte zu messende Abgas, und im Bereich ihrer offenen Enden 6, 7 einer­ seits eine Beleuchtungsanordnung 8 und andererseits eine Sensoranordnung 9 aufweist. Das die Meßkammer 2 von der mittleren Zuführleitung 4 her nach beiden Seiten hin durchströmende, zu messende Abgas strömt bei der beispiel­ haften Anordnung nach Fig. 1 über Ausströmleitungen 10 an den Enden 6, 7 der Meßkammer 2 wieder ab, wobei der Eintritt in die Beleuchtungsanordnung 8 bzw. Sensoranordnung 9 mittels optischer Fenster 11 verhindert ist. Maßnahmen zur Verhinderung von Partikelanlagerungen an diesen Fenstern 11 sind in der vereinfachten schematischen Darstellung ebenso nicht eingezeichnet wie etwa Umschaltventile zur Ermöglichung einer Spülung und Kalibrierung der Meßkammer 2 und dergleichen.

Um eine möglichst unveränderliche Geometrie der relevanten Bauteile im Strahlengang zwischen Lichtquelle 12 der Beleuchtungsanordnung 8 und Detektor 13 der Sensoranordnung 9 sicherzustellen, ist bei der beispielhaften An­ ordnung nach Fig. 1 (Stand der Technik) vorgesehen, daß Sensoranordnung 9 und Beleuchtungsanordnung 8 fest mit der Meßkammer 2 verbunden, vorzugsweise einstückig ausgeführt sind. Diese starre gegenseitige Anordnung kann die erwünschten gleichbleibenden geometrischen Verhältnisse allerdings nur bei nicht mechanisch oder thermisch auf Durchbiegung oder sonstige Verformung belasteter Meßkammer 2 sicherstellen. Wenn beispielsweise heißes Ver­ brennungsabgas einer Brennkraftmaschine die Meßkammer 2 durchströmt, so wird zufolge der thermischen Dehnung der Meßkammer 2 diese versuchen, aus der starren Einspannung zwischen Beleuchtungsanordnung 8 und Sensoranordnung 9 irgendwie auszuweichen, was normalerweise zu einer Durchbiegung oder ähn­ lichen Verformungen führt. Da dies mit einer gegenseitigen Verschiebung der den Strahlquerschnitt insgesamt bestimmenden Bauteile einhergeht, werden dabei auf eingangs bereits beschriebene Weise Meßwertverfälschungen aus­ gelöst, die insbesonders im Zusammenhang mit sehr niedrigen zu messenden Trübungswerten nicht mehr tolerierbar sind.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung ist nun die Meßkammer 2 im Bereich ihrer Enden 6, 7 schwimmend in einem mechanisch weitgehend verwindungssteifen Rahmen 14 gelagert und da­ zwischen freigestellt, sodaß beispielsweise wiederum entlang des Pfeiles 5 bzw. der Zuführleitung 4 im Mittenbereich 3 einströmendes und zu den Enden 6, 7 hin abströmendes, heißes Abgas allenfalls nur mehr mittig eine leichte Durchbiegung der rohrförmigen Meßkammer 2 hervorrufen kann.

Beleuchtungsanordnung 8 und Sensoranordnung 9 sind hier nun am stabilen Rahmen 14 angeordnet, wobei jeweils zwischen Beleuchtungsanordnung 8 und Sensoranordnung 9 einerseits und dem zugehörigen Meßkammer-Ende 6, 7 anderer­ seits zusätzlich zum Fenster 11 eine Blende 15 am Rahmen 14 angeordnet ist, deren mittiger Durchlaßquerschnitt kleiner als der Durchlaßquerschnitt der Meßkammer 2 ist - beispielsweise kann das Verhältnis von Durchmesser der Meßkammer 2 (welche hier innen mit Rillen bzw. Aufrauhungen zur Verringerung von Reflexionen des Meßstrahles versehen ist) zum freien Durchmesser der Blenden 15 im Bereich von 1,2 : 1 bis 2 : 1 liegen.

Da hier der freie optische Strahlweg zwischen Lichtquelle 12 und De­ tektor 13 vorrangig von den Blenden 15 begrenzt ist, ist leicht einzusehen, daß die oben angesprochene, unter thermischen Einflüssen mögliche mittige Bewegung der Meßkammer 2 keinen Einfluß auf die am Detektor 13 feststellbare Intensität haben kann, da dadurch keinerlei zusätzliche Beeinflußung des Strahlweges erfolgt. Es kann auf diese einfache Weise also weitgehend aus­ geschlossen werden, daß allein der Umstand, daß die zu messenden Gasströme heiß sind, verfälschende Auswirkungen auf die Messung haben kann.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Trübungsmessung an partikelbeladenen Gasströmen, ins­ besonders am Abgas einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit einer in einem Gehäuse (1) angeordneten, im wesentlichen rohrförmigen Meßkammer (2), die im Bereich ihrer offenen Enden (6, 7) einerseits eine Beleuchtungs­ anordnung (8) und andererseits eine Sensoranordnung (9) aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (2) im Bereich ihrer Enden (6, 7) schwimmend in einem mechanisch und thermisch verwindungssteifen Rahmen (14) gelagert und dazwischen freigestellt ist, daß Beleuchtungsanordnung (8) und Sensoranordnung (9) am Rahmen (14) an­ geordnet sind, und daß zwischen Beleuchtungsanordnung (8) und Sensoran­ ordnung (9) einerseits und dem zugehörigen Meßkammer-Ende (6, 7) an­ dererseits jeweils eine Blende (15) am Rahmen (14) angeordnet ist, deren Durchlaßquerschnitt kleiner als der Durchlaßquerschnitt der Meßkammer (2) ist.