DE19943733C1

DE19943733C1 - Verfahren und Anordnung zur optoelektronischen Identifikation strömender Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE19943733C1
Application number: DE1999143733
Authority: DE
Inventors: Otto Hoff; Joerg Noack
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 1999-09-03
Publication date: 2001-06-13
Anticipated expiration: 2019-09-04

Abstract

Verfahren und Anordnung zur optoelektronischen Identifikation strömender Flüssigkeiten insbesondere von Betriebsflüssigkeiten in Kraftfahrzeugen auf der Basis der Messung einer wellenlängenabhängigen Lichtstreuung und -absorption. DOLLAR A Bekannte Verfahren und Anordnungen sind zur Unterscheidung ähnlicher bzw. geringfügig unterschiedlicher Flüssigkeiten im Durchfluss nicht geeignet. DOLLAR A Nach der Erfindung werden die Transmissionsintensitäten I¶n¶ mehrerer ausgewählter monochromatischer Anregungswellenlängen lambda¶n¶ gemessen und in einer Auswerteschaltung daraus rechnerisch Extinktionsfaktoren E¶n¶ ermittelt, deren Verhältnisse in allen Variationsmöglichkeiten zueinander rechentechnisch verarbeitet und mit vorgegebenen Eichwerten zur Bestimmung der gesuchten Flüssigkeiten verglichen werden.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der automatischen Detektion und Unterscheidung insbesondere von Betriebsflüssigkeiten in Kraftfahrzeugen.

Stand der Technik

Allgemein bekannt sind Verfahren und Anordnungen, in denen Flüssigkeiten durch Messung des Transmissionsvermögens er fasst, unterschieden und/oder analysiert werden.

Die DE 196 17 097 C2 beschreibt ein Verfahren und eine Anord nung zur Entnahme von Flüssigkeiten, insbesondere Restflüs sigkeiten aus Altautos.

In dieser Erfindung ist ein Sensor in der Entnahmeleitung angeordnet, der im Durchflussverfahren das Vorhandensein von Flüssigkeit und ihrer Opazität detektiert. Mit diesem Sensor, der auch spektrometrisch die Transmissionsfähigkeit der Flüssigkeit auswertet, sind nur grobe Messungen möglich, z. B. ob Flüssigkeit in der Leitung ist oder nicht oder ob die Flüssigkeit stark verschmutzt ist oder nicht. Prinzipiell sind das Unterschiede, die auch mit dem bloßen Auge beobach tet werden können.

Eine Vorrichtung zum Messen des von Flüssigkeiten durchgelas senen Lichtes ist aus der DE 30 48 153 A1 bekannt. Das von einer Fluidprobe durchgelassene Licht wird in einem ausge wählten Spektralband von einem Fotodetektor erfasst, elektro nisch in ein Signal umgewandelt und zur Anzeige gebracht.

Mit einer elektronischen Auswerteschaltung wird die molare Konzentration c eines gesuchten chemischen Stoffes nach dem Lambert-Beer'schen-Gesetz, ausgedrückt in der mathemati schen Gleichung

mit: k = Proportionalitätskonstante
λT = von der Probe durchgelassenes Licht
λI = auf die Probe auftreffendes Licht
berechnet.

Da die molare Konzentration nur in einem ausgewählten Spekt ralband ausgewertet wird, ist diese Erfindung zur Erfassung geringfügiger Unterschiede von ähnlichen Flüssigkeiten wie zum Beispiel der Unterschied von Normalbenzin und Super nicht möglich.

Schließlich ist aus der DE 44 07 332 C2 ein Verfahren zur Bestimmung der Extinktion oder Transmission sowie ein Photo meter dazu bekannt, bei dem die Strahlung, die eine breitban dige Lichtquelle aussendet, geteilt wird.

Ein Teil der Strahlung wird über einen Messkanal durch die Probe und ein, die Messwellenlänge oder eine Polarisations einrichtung ausfilterndes, auswechselbares erstes optisches Filter zu einem ersten Photoempfänger geleitet.

Der andere Teil der Strahlung wird über einen Referenzkanal zu einem zweiten Photoempfänger geleitet. Die Strahlungsin tensitäten beider Lichtwege werden gemessen und bei einer Veränderung der im Referenzkanal ermittelten Strahlungsinten sität wird gegenüber einem Ausgangswert der für den Messkanal ausgegebene Intensitätswert entsprechend korrigiert.

Diese Erfindung verlangt eine durchstrahlbare Küvette mit einer homogenen Probe und ist deshalb ebenfalls nicht für Messungen im Durchflussverfahren, wie sie für die automati sche Detektion und Unterscheidung von Betriebsflüssigkeiten in Kraftfahrzeugen notwendig sind, geeignet. Ein zusätzlicher Referenzkanal zur Unterdrückung von Strahlungsschwankungen kompliziert das Gerät.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anord nung zu schaffen, die mit hoher Genauigkeit und Sicherheit, im Prinzip ähnliche bzw. geringfügig unterschiedliche Flüs sigkeiten im Durchfluss erkennt und unterscheidet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen des 1. Patentanspruches bezüglich des Verfahrens und den Merkmalen des 6. Patentanspruches in bezug auf die Anordnung gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Die Erfindung geht ebenfalls von dem Lambert-Beer'schen- Absorptionsgesetz aus, indem jedoch die Transmissionsintensi tät I nach der mathematischen Formel

I = I₀.e^(-c.x.ε) (2)

ausgewertet wird.

Formel-Legende

I₀

= Referenzintensität des leeren Probenraums
c = Stoffkonzentration
x = durchstrahlte Strecke
ε = Extinktionskoeffizient

Der Extinktionskoeffizient ist ein stoffspezifisches Maß, der das Absorptions- und Streuverhalten der Substanz beschreibt.

Werden in der Gleichung (2) die Größen Konzentration c, bezogen auf eine bestimmte, durch Vergleichsmessungen ermit telte gesuchte Flüssigkeit, und die durchstrahlte Strecke x als Konstante angenommen, kann der gesamte Exponent als ein Maß für die Extinktion der Probe angesehen werden.

Dieser Extinktionsfaktor

E = c.x.ε (3)

ist wellenlängenabhängig und wird vorzugsweise für drei unterschiedliche Flüssigkeiten, wie im Ausführungsbeispiel beschrieben, bestimmt.

Prinzipiell bietet das Verfahren auch die Möglichkeit, das gesamte Spektrum zwischen 350 nm und 1200 nm aufzunehmen, fotometrisch auszuwerten und elektronisch zu verarbeiten. Dadurch kann die Auswahl der Anregungswellenlängen λ opti miert werden.

Die Größen c und ε stehen in einem festen Verhältnis zueinan der. Ändert sich die Konzentration c, z. B. durch Verunreini gung der Flüssigkeit, ändert sich auch der Extinktionskoeffe zient ε.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst Licht einer Lichtquelle in mehreren ausgewählten monochromatischen Anregungswellenlängen λ₁, λ₂, λ₃, . . . λ_n, die zeitlich, örtlich oder zeitlich und örtlich gestaffelt ausgesendet werden können, durch den Strömungskanal geleitet.

Dann werden die den Anregungswellenlängen λ₁, λ₂, λ₃, . . . λ_n zugeordneten Transmissionsintensitäten I₁, I₂, I₃ . . . I_n durch Lichtempfänger gemessen und anschließend in einer Auswerte schaltung rechnerisch Extinktionsfaktoren E₁, E₂, E₃ . . . E_n für die ausgewählten Anregungswellenlängen λ₁, λ₂, λ₃, . . . λ_n bestimmt.

Die Verhältnisse der ermittelten Extinktionsfaktoren E₁, E₂, E₃ . . . E_n werden in allen Variationsmöglichkeiten zueinander rechentechnisch verarbeitet und mit vorgegebenen Eichwerten zur Bestimmung der gesuchten Flüssigkeit verglichen und dann werden die so ermittelten Werte einem Computer zugeführt, der durch Vergleich mit Vergleichswerten die Art der Flüssigkeit ermittelt und ein Signal für die entsprechende Weiterleitung und Verwertung der Flüssigkeit abgibt.

Das Ausgangssignal dient z. B. dazu, um verschiedene Flüssig keiten, die in Kraftfahrzeugen vorkommen, voneinander zu unterscheiden und über ein Steuersignal die Entnahme zu starten, entsprechend umzuleiten oder zu stoppen.

Für eine geeignete Auswahl der Anregungswellenlängen λ, die gemäß der Erfindung eingesetzt werden, wird in einem vorbe reitenden Auswahlschritt das gesamte Spektrum der zu erfas senden Flüssigkeiten gemessen und die Anregungswellenlängen λ bestimmt, die die größten Unterschiede erwarten lassen.

Beispiele

Anhand von Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel zur Unterscheidung von Normalbenzin und Super näher erläutert und eine geeignete Messanordnung beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine mögliche Anordnung zur optoelektronischen Identifikation strömender Flüssigkeiten,

Fig. 2 die Transmissionsintensitäten I bei drei ausge wählten Anregungswellenlängen λ für Super- Benzin,

Fig. 3 die Transmissionsintensitäten I bei drei ausge wählten Anregungswellenlängen λ für Normal- Benzin,

In Fig. 1 ist eine Anordnung zur optoelektronischen Identifi kation strömender Flüssigkeiten nach dem erfinderischen Verfahren dargestellt. Sie besteht aus einem rohrförmigen Gehäuse 1, durch das längst ein Strömungskanal 2 zum Trans port der zu identifizierenden Flüssigkeit geführt ist.

Für den Anschluss von Schlauchleitungen zum Zu- und Abführen der Flüssigkeit sind Anschlußstutzen 3 vorgesehen. Aber auch andere Leitungsverbindungen, wie z. B. Rohrverbindungen (steck- oder schraubbar) sind möglich.

In das Gehäuse 1 ist ein Quarzglasrohr 4 eingesetzt, das durch das Gehäuseteil 5 fest verschraubt und mittels zwei Dichtringen 6 abgedichtet ist.

Senkrecht zum Strömungskanal 2 sind im Gehäuse 1 drei Bohrun gen 7 angeordnet, die als Lichtkanäle 7.1, 7.2, 7.3 dienen. Eingangsseitig sind in die Lichtkanäle 7.1, 7.2, 7.3 Lichtdi oden 8.1, 8.2, 8.3 eingesetzt, die Licht in den ausgewählten Anregungswellenlängen λ senden. Z. B. Diode 8.1 für grünes Licht (λ = 568 nm), Diode 8.2 für rotes Licht (λ = 690 nm) und Diode 8.3 für IR-Licht (λ = 950 nm).

Ausgangsseitig sind an den Lichtkanälen 7.1, 7.2, 7.3 opto elektronische Lichtempfänger 9.1, 9.2, 9.3 zur Erfassung des von der zu identifizierenden Flüssigkeit durchgelassenen Lichtes (Transmissionsintensität) in das Gehäuse 1 einge setzt.

Alternativ dazu ist es auch möglich, das Licht der drei unterschiedlichen Anregungswellenlängen durch eine Bohrung 7, z. B. zeitlich nacheinander, zu leiten. In diesem Fall ist nur ein optoelektronischer Lichtempfänger 9.1, 9.2, oder 9.3 notwendig.

Die Fig. 2 und 3 verdeutlichen die Wirkungsweise des Verfahrens.

Fig. 2 zeigt die Transmissionsintensitäten I₁, I₂ und I₃ bei drei ausgewählten Anregungswellenlängen λ₁ = 568 nm, λ₂ = 690 nm und λ₃ = 950 nm für Super-Benzin und Fig. 3 die Transmissionsin tensitäten I₁, I₂ und I₃ bei drei ausgewählten Anregungswellen längen λ₁ = 568 nm, λ₂ = 690 nm und λ₃ = 950 für Normal-Benzin.

Die Intensitätsunterschiede I₁, I₂ und I₃ sind in Fig. 2 und Fig. 3 kaum zu erkennen und für sich allein als eine genaue und sichere Auswertung unbrauchbar.

Deshalb werden die gemessenen Transmissionsintensitäten I₁, I₂ und I₃ für die drei ausgewählten Anregungswellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ rechentechnisch weiterverarbeitet, indem entsprechend Gleichung (2) die Transmissionsintensitäten I₁, I₂ und I₃ durch eine entsprechende Referenzintensität I₀ bei diesen Wellen längen dividiert wird. Nach Logarithmierung erhält man die Extinktionsfaktoren:

E₁ = ln(I₁/I₀) für λ₁

E₂ = ln(I₂/I₀) für λ₂

E₃ = ln(I₃/I₀) für λ₃ (3)

Dieses charakteristische Zahlentripel wird nun zur Stoffse lektion durch Bildung von drei Quotienten E₁/E₂, E₁/E₃ und E₂/E₃ herangezogen.

Bei der Quotientenbildung addieren sich die relativen Unter schiede zweier Spektren an diesen Stellen und eine mögliche Unterscheidbarkeit wird deutlicher.

Z. B. ergibt sich für das vorliegende Beispiel:

Wie die Tabelle zeigt, sind die Unterschiede, die nach Mes sung der Intensitäten I₁, I₂ und I₃ unter 1% und im Bereich der üblichen statistischen Abweichung liegen, auf bis zu 6% erhöht.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse der Messeinrichtung

2

Durchflusskanal

3

Anschlussstutzen

4

Glasküvette

5

aufschraubbares Gehäuseteil

6

Dichtringe

7

Lichtkanal, Bohrung

7.1

Lichtkanal 1

7.2

Lichtkanal 2

7.3

Lichtkanal 3

8.1

Lichtdiode 1

8.2

Lichtdiode 2

8.3

Lichtdiode 3

9.1

Lichtempfäger 1

9.2

Lichtempfäger 2

9.3

Lichtempfäger 3

Claims

1. Verfahren zur optoelektronischen Identifikation strömen der Flüssigkeiten, insbesondere kohlenwasserstoffhaltiger Betriebsmittel von Kraftfahrzeugen durch Messung des Transmissionsvermögens im Durchflussverfahren, indem ein Strömungskanal, der von der zu identifizierenden Flüssig keit durchströmt wird, mittels einer Lichtquelle senk recht zum Strömungskanal durchstrahlt, ein dem durchge lassenen Licht entsprechendes Signal von einem Fotodetek tor erfasst und elektronisch ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Lichtquelle Licht in mehreren ausgewählten mono chromatischen Anregungswellenlängen λ₁, λ₂, λ₃, . . . λ_n, die zeitlich, örtlich oder zeitlich und örtlich gestaf felt ausgesendet werden, durch den Strömungskanal strahlt,
- die den Anregungswellenlängen λ₁, λ₂, λ₃, . . . λ_n zugeord neten Transmissionsintensitäten I₁, I₂, I₃ . . . I_n gemessen werden,
- in einer Auswerteschaltung rechnerisch Extinktionsfak toren E₁, E₂, E₃. . . E_n für die ausgewählten Anregungs wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃, . . . λ_n ermittelt werden,
- die Verhältnisse der ermittelten Extinktionsfaktoren E₁, E₂, E₃. . . E_nin allen Variationsmöglichkeiten zu einander rechentechnisch verarbeitet werden und mit vorgegebenen Eichwerten zur Bestimmung der gesuchten Flüssigkeit verglichen werden
- und dann die so ermittelten Werte einem Computer zuge führt werden, der durch Vergleich mit Vergleichswerten die Art der Flüssigkeit ermittelt und ein Signal für die entsprechende Weiterleitung und Verwertung der Flüssigkeit abgibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Extinktionsfaktoren E aus mindestens zwei charakte ristischen Anregungswellenlängen λ ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung in den ausgewählten charakteristi schen Anregungswellenlängen λ monochromatisches Licht von Halbleiterstrahlungsquellen verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung in den ausgewählten charakteristi schen Anregungswellenlängen λ breitbandiges Licht einer Halogenlichtquelle mit schmalbandigen Lichtfiltern ver wendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung in den ausgewählten charakteristischen Anregungswellenlängen λ nacheinander mit unterschiedli chen schmalbandigen Lichtfiltern an einer Stelle am Strö mungskanal erfolgt.

6. Anordnung zur optoelektronischen Identifikation strömen der Flüssigkeiten, insbesondere kohlenwasserstoffhaltiger Betriebsmittel von Kraftfahrzeugen, bestehend aus einem Strömungskanal, der von der zu identifizierenden Flüssig keit durchströmmt wird, und einem Lichtkanal, der senk recht zum Strömungskanal angeordnet ist und bei dem ein gangsseitig ein Lichtsender und ausgangseitig ein Licht empfänger angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtkanal (7) senkrecht zum Strömungskanal (2) meh rere Lichtkanäle (7.1, 7.2, 7.3), mindestens jedoch zwei, in einem Gehäuse (1) angeordnet sind, wobei eingangssei tig jedem Lichtkanal (7.1, 7.2, 7.3) eine Lichtquelle (8.1, 8.2, 8.3) mit monochromatischem Licht einer der aus gewählten Anregungswellenlängen λ₁, λ₂, λ₃, . . . λ_n zugeord net und ausgangsseitig zu jedem Lichtkanal (7.1, 7.2, 7.3) ein optoelektronischer Lichtempfänger (9.1, 9.2, 9.3) angeordnet ist, oder der Lichtkanal (7) mehrere Lichteingänge (7.1, 7.2, 7.3) unterschiedlicher Anre gungswellenlängen λ oder der Lichtkanal (5) eine breit bandige Lichtquelle aufweist, wobei zwischen der breit bandigen Lichtquelle und dem Lichtkanal (7) auswechselba re Lichtfilter für je eine der Anregungswellenlängen λ₁, λ₂, λ₃, . . . λ_n angeordnet sind, und zur Auswertung der Messsignale der Lichtempfänger (9.1, 9.2, 9.3) eine Aus werteelektronik und ein Computer angeordnet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtkanäle (7.1, 7.2, 7.3) am Strömungskanal (2) im Gehäuse (1) hintereinander in mehreren Bohrungen (7) an geordnet sind.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtkanäle (7.1, 7.2 oder 7.3) am Strömungskanal (2) im Gehäuse (1) in einer Bohrung (7) angeordnet und durch mehrere monochromatische Lichtzuleitungen unterschiedli cher Wellenlängen λ gespeist sind.

9. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtkanäle (7.1, 7.2 oder 7.3) am Strömungskanal (2) im Gehäuse (1) in einer Bohrung (7) angeordnet und durch eine Lichtzuleitung gespeist sind, in der nacheinander mehrere monochromatische Lichtfilter unterschiedlicher Durchlasswellenlängen λ auswechselbar angeordnet sind.

10. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (8.1, 8.2, 8.3) monochromatische Licht dioden mit unterschiedlichen Wellenlängen λ sind.

11. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Lichteinspeisung in die Lichtkanäle (7.1, 7.2, 7.3) eine breitbandige Halogenlichtquelle angeordnet ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zuführung von Licht der Lichtquellen (8.1, 8.2, 8.3) zu den Lichtkanälen (7.1, 7.2, 7.3) Lichtleit fasern angeordnet sind.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Weiterleitung von Licht aus den Lichtkanälen (7.1, 7.2, 7.3) zu den optoelektronischen Lichtempfängern (9.1, 9.2, 9.3) Lichtleitfasern angeordnet sind.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) eine in das Gehäuse (1) ein setzbare, lichtdurchlässige Durchflussküvette (4) ist.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung der Durchflussküvette (4) mindestens im Be reich der Lichtkanäle (7.1, 7.2, 7.3) plan ausgeführt ist.