DE2154611C2

DE2154611C2 - Trübungsmeßgerät

Info

Publication number: DE2154611C2
Application number: DE19712154611
Authority: DE
Inventors: Ulrich Prof.Dr.-Ing.Habil. 6380 Bad Homburg Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1971-11-03
Filing date: 1971-11-03
Publication date: 1983-11-10
Also published as: DE2154611A1

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

30

S) die durch die Meßküvette (10) von deren Eintritts- (13) zur Austrittsöffnung (14) führende Gasströmung im Bereic;i des Lichtdurchganges quer zu dessen Strahlengang verläuft

g) die rotierenden Scheiben ;>1, 22) lichtdurchlässige (32) und lichtundurchlässige Sektoren (31) aufweisen, die den Lichtdurchgang durch die Meßküvette und die Vergleichsküvette abwechselnd sperren oder öffnen

h) die lichtempfindliche Einrichtung eine Strahlenzusammenführung (35, 36) zu einem einzigen Sensor (37) aufweist

i) die Scheiben (21, 22) in geringem Abstand von den Küvetten (10,11) im Bereich der Öffnungen (15,16,19,20) angeordnet sind

k) die Vergleichsküvette (11) zur Aufrechterhaltung eines leichten Überdrucks im reinen Medium an eine Druckmittelquelle (12) angeschlossen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Scheiben (21, 22) von den Öffnungen (15, 16, 19, 20) der Küvetten (10, 11) bis 0,4 mm, insbesondere 0,2 mm beträgt.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Austrittsöffnungen (16, 20) der Küvetten (10, 11) gegenüber je ein Ende von zwei Lichtleitern (35, 36) angeordnet ist, deren andere Enden auf den gemeinsamen lichtempfindlichen Sensor (37), insbesondere auf eine lichtempfindliche Diode gerichtet sind, die mit einem Anzeigegerät verbunden ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle (25) und der Eintrittsöffnung (19) der Vergleichsküvette (11) ein Polarisationsfilter (30) angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einstellung des PolarisaiionsfiI-^; ters (30) der Lichtstrom durch die Vergleichsküvette (11) änderbar ist und insbesondere auf einen Wert einstellbar ist; der dem aus der Meßküvette (10) austretenden Lichtstrom gleich ist, wobei die Einstellung des Polarisationsfilters (30) ein Maß für die Trübung des in der Meßküvette (10) befindlichen Gases ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Ausgang des lichtempfindlichen Sensors (37) mit einem Servomotor (38) zur Verstellung des Polarisationsfilters (30) verbunden ist

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen den Austrittsöffnungen (16, 20) der Küvetten und den Enden der Lichtleitern (35,36) je ein Linsensystem (33) zur Bündelung des aus den Austrittsöffnungen (16, 20) austretenden Lichtes vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Eintrittsöffnung (15) der Meßküvette (10) ein Interferenzfilter (28) angeordnet ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßküvette (10) mit einem Teifiperaturfühler versehen ist

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Einströmseite der Meßküvette (10) Leitbleche (24) zur gleichmäßigen Verteilung des Meßgases über die gesamte Länge der Meßküvette (10) angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Trübung von Gasen, insbesondere von Abgasen aus Brennkraftmaschinen.

Die Messung der Trübung vcn Gasen, insbesondere von Abgasen aus Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, hat den Zweck, trübende Bestandteile in den Abgasen zu ermitteln. Das Prinzip derartiger Trübungsmeßgeräte beruht darauf, daß sich die Beleuchtungsstärke einer am Ende eines Meßrohres angebrachten Fotozelle ändert, wenn das von einer Lichtquelle ausgesandte Licht statt durch reine Luft durch eingetrübtes Gas in die Fotozelle geleitet wird. Die durch das Metrohr strömenden Meßgase, deren Trübung in der Hauptsache durch Rußpartikelchen hervorgerufen wird, schlagen sich dabei sehr schnell auf den Oberflächen der Lichtquelle und der Fotozelle nieder. Damit wird das Meßergebnis ungenau, bzw. die Messung ist überhaupt nicht möglich.

Ein solches Trübungsmeßgerät ist beispielsweise aus der US-PS 27 91 932 bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist ebenfalls eine Meß- und eine Vergleichsküvette auf, durch die jeweils ein Lichtstrahl geschickt wird, der von einer Lichtquelle erzeugt wird. Die Lichtstrahlen werden am Ende der Küvette jeweils von einem Sensor aufgenommen. Weiterhin sind die Küvetten der bekannten Vorrichtung mittels transparenter, sich drehender Scheiben abgeschlossen. Diese vorbekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß durch die Führung der Gasströmung in den Küvetten längs zum Strahlengang des Lichtes die Vorrichtung nur langsam auf Trübungsänderungen anspricht. Durch die

Anordnung der Scheiben an der Küvette besteht die Gefahr, daß die Scheiben zerkratzt werden und dadurch Licht absorbieren. Als weiteren Nachteil der bekannten Vorrichtung ist anzusehen, daß für jede Küvette ein eigener Sensor vorgesehen ist Alterungserscheinungen der Sensoren, die jeweils iinterschiedlich ausfallen können, sind dazu geeignet, das Meßergebnis zu verfälschen, so daß die vorbekannte Einrichtung in regelmäßigen und kurzen Abständen nachkalibriert werden muß und trotzdem die Gefahr besteht, daß zwischen zwei Eichvorgängen die Empfindlichkeit eines der Sensoren entscheidend abnimmt

Ein Wechsellichtfotometer ist des weiteren in der VDI-Zeitschrift Nr. 30, 19S8, Seite 1346 gezeigt Das dort gezeigte Fotometer weist zwar ein Strömungsverlauf des Meßgases quer zum Lichtdurchgang auf, und verwendet ebenfalls nur eine Fotozeile, die mittels einer Blende einmal mit dem Licht durch die Meßküvette und einmal mit Licht der Vergleichsküvette bestrahlt wird, jedoch werden bei dieser bekannten Vorrichtung feststehende Scheiben verwendet. Da insbesondere die Gläser der Meßküvette durch das verrußte Gas mehr oder minder schnell lichtundurchlässig werden, ist bereits nach kurzer Zeit keine sichere Messung mehr gegeben. Besonders kritisch ist bei dieser bekannten Vorrichtung, daß in Abhängigkeit von den zu messenden Gasen die Verschmutzung der Scheiben der Meßküvette unterschiedlich schnell stattfinden kann, so daß auch bei dieser bekannten Vorrichtung eine Eichung und Reinigung in sehr kurzen Abständen notwendig ist. Die Zuverlässigkeit der Anzeige ist daher schon nach kurzer Zeit in Frage gestellt

In der Zeitschrift Automatik, Februar 1959, Seite 39 bis 42 ist schließlich noch eine Vorrichtung zur Trübungsmessung nach der Kompensationsmethode beschrieben, bei der ebenfalls nur eine Lichtquelle und ein Fotodetektor Verwendung findet Mittels eines Schwingspiegels wird das Licht der Lampe unterschiedlichen Meßkammern zugeführt, das reflektierte Licht der Meßkamrr^r aufgefangen und von einer Fotodiode aufgenommen. Mittels einer Blende wird erreicht, daß die Dämpfung des Lichtes in beiden Kanälen gleich ist. Abgesehen davon, daß bei dieser Vorrichtung nicht erkennbar ist, in welcher Art das zu messende Gas in die Meßkammer gebracht ist, werden hierbei aufwendige mechanische Vorrichtungen wie Schwingspiegel und motorisch gesteuerte Blenden benötigt, die einerseits in der Herstellung teuer und andererseits wartungsintensiv sind. Des weiteren ist auch bei dieser Vorrichtung nicht das Problem der Verschmutzung der Meßkammer gelöst.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Trübung von Gasen zu schaffen, die relativ einfach aufgebaut ist, betriebssicher arbeitet und bei der eine Verfälschung des Meßergebnisses wesentlich verringert ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Durch die Führung der Gasströmung in den Küvetten quer zum Strahlengang des Lichtes spricht die Vorrichtung schnell auf Trübungsänderungen an. Durch das weitgehende Vermeiden von bewegten mechanischen Teilen wird erreicht, daß die Anordnung wenig störanfällig ist.

Durch die Verwendung derselben Lampe und desselben lichtaufnehmenden Elementes für beide Meßkanäle wird erreicht, daß Alterungserscheinungen der Lampe oder des lichu;i^lf-nehmenden Elementes ohne Einfluß auf das Meßergebnis bleiben. Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, daß die rotierenden Scheiben lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Sektoren aufweisen. Auf diese Art und Weise wird einerseits das Problem der Verschmutzung der lichtdurchlässigen Sektoren sicher gelöst und andererseits die Meßsignale getaktet, so daß die Auswertung durch ein lichtaufnehmendes Element möglich ist Durch die Anordnung der Scheiben in geringem Abstand von den Küvetten im Bereich der Öffnungen wird einerseits eine Dichtfunktion ausgeübt und andererseits bewirkt, daß die Scheiben nicht verkratzen und dadurch das Meßergebnis verschlechtert wird. Durch die Aufrechterhaltung eines leichten Oberdruckes in der Vergleichsküvette wird auf vorteilhafter Weise verhindert, daß verschmutzte Gasströme von außen in das Innere der Vergleichsküvette gelangen und dadurch das Meßergebnis verfälschen. Insgesamt ergib* sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ein einfaches, betriebssicheres und genaues Meßgerät.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles nebst den Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau des Meßgerätesund

Fig.2 den Spannungsverlauf an dem elektrischen Ausgang eines lichtempfindlichen Sensors.

Das Trübungsmeßgerät weist zwei Küvetten, eine Meßküvette 10 und eine Vergleichsküvette 11 auf. Während des Meßvorgangs wird die Meßküvette 10 ständig von dem zu messenden Gas, das beispielsweise vom Auspuff einer Brennkraftmaschine zu dieser Meßküvette 10 geleitet werden kann, durchströmt. Die Vergleichsküvette 11 ist dagegen an eine Pumpe 12 angeschlossen, die ständig reine Luft in die Vergleichsküvette 11 fördert, wobei stets ein leichter Überdreck in dieser Vergleichsküvette 11 aufrechterhalten wird. Die Meßküvette 10 weist außer der Eintrittsöffnung 13 und der A'.istrittsöffnung 14 für das Meßgas zwei Öffnungen 15 und 16 auf. Die Öffnung !5 ist dabei als Lichteintrittsöffnung und die Öffnung 16 als Lichtaustrittsöffnung der Meßküvette 10 bestimmt

Die Vergleichsküvette 11 ist prinzipiell gleich aufgebaut, auch sie weist außer den Lufteintritts- und austrittsöffnungen 17 und 18 eine Lichteintrittsöffnung 19 und eine Lichtaustrittsöffnung 20 auf. Vor den Öffnungen 15 und 16 sowie 19 und 20 sind Scheiben 21 und 22 angebracht. Diese Scheiben 21 und 22 sitzen auf einer gemeinsamen Achse 23, die von einem weiter nicht dargestellten Motor in Umdrehung versetzt wird. Die Scheiben sind dabei in geringem Abstand von den Öffnungen 15, 16, 19 und 20 angeordnet, so daß an der Scheibenoberfläche eine laminare Grenzschicht auftritt, die sich nicht auf die Meßlänge der Küvetten 10 und 11 auswirkt. Die Dicke der laminaren Grenzschicht kann dabei zwischen 0 und 0,4 mm schwanken. Bei einer angenommen Länge der Meßküvette von 140 mm würde dann der Einfluß der laminaren Grenzschicht auf die Meßlänge äußerst gering sein. Da die Meßgase in Längsrichtung durch die Meßküvette 10 hiTidurchströmen, können Änderungen in der Trübung des Meßgases schnell erfaßt werden. Zudem ist auch die Temperatur über die gesamte Läng?, der Meßküvette 10 annähernd gleich. Zudem kann mit einem über die gesamte Länge der Meßküvette angeordneten Widerstandsdraht, der in der Zeichnung weiter nicht dargestellt ist, die mittlere

Temperatur des Meßgases exakt festgestellt werden.

Auf der Einströmseite der Meßküvette 10 sind Leitbleche 24 angebracht, die für eine gleichmäßige Verteilung der Strömung über die gesamte Meßküvette

10 sorgen. Durch die Meßküvette 10 und die Vergleichsküvette 11 fließt ein von einer Lichtquelle 25 ausgesandter Lichtstrom, der über Umlenkspiegel 26 und 27 zu der Meßküvette 10 und der Vergleichsküvette

11 geleitet wird. In dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle 25 und der Meßküvette 10 ist dabei ein Interferenzfilter 28 und ein Linsensystem 29 zur Bündelung des Lichtstrahles angeordnet. In dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle 25 und der Vergleichsküvette 11 ist ein Polarisationsfilter 30 und ebenfalls ein Linsensystem 29 zur Bündelung des Lichtstromes angeordnet.

Die Scheiben 21 und 22 weisen lichtundurchlässige Sektoren 31 und lichtdurchlässige Sektoren 32 auf. Dabei überdecken sich die lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Sektoren auf den Scheiben 21 und 22. Die Aufteilung dieser Sektoren erfolgt dabei so, daß bei lichtundurchlässigen Sektoren 31 vor den öffnungen 15 und 16 vor den öffnungen 19 und 20 lichtdurchlässige Sektoren 32 vorbeibewegt werden, während umgekehrt bei lichtundurchlässigen Sektoren 31 vor den öffnungen 19 und 20 lichtdurchlässige Sektoren 32 vor den Öffnungen 15 und 16 vorbeibewegt werden.

Hinter der Austrittsöffnung 16 der Meßküvette ist ein Sammellinsensystem 33 angeordnet, hinter dem eine Lochblende 34 vorgesehen ist. In gleicher Weise ist hinter der Öffnung 20 der Vergleichsküvette U ein Sammellinsensystem 33 angeordnet, hinter dem ebenfalls eine Lochblende 34 angeordnet ist. Von den Lochblenden weg führen Lichtleiter 35 und 36 zu der lichempfindlichen Fläche eines Sensors 37.

Die Wirkungsweise dieser Meßanordnung ist folgende:

Die Lichtquelle 25 sendet Licht aus, das durch die Sammellinsen 29 gebündelt wird und zu der Meßküvette

10 beziehungsweise der Vergleichsküvette 11 gelangt. Befindet sich, wie in der Zeichnung dargestellt, vor der Öffnung 15 der Mtiiküvette 10 ein lichtundurchlässiger Sektor 31 der Scheibe 21. so kann das Licht nicht durch die Meßküvette 10 hindurchdringen. Dagegen kann das über der. Umlenkspiegel 27, das Polarisationsfilter 30 und das Sammellinsensystem 29 zur Vergleichsküvette

11 gelangende Licht durch den lichtdurchlässigen Sektor 32 der Scheibe 21 in die Vergleichsküvette eindringen und durch die Öffnung 20 und den lichtdurchlässigen Sektor 32 der Scheibe 22 aus der Vergleichsküvette 11 austreten. Das aus der öffnung 20 austretende Licht wird über die Sammellinse 33 der Lochblende 34 und von dort über den Lichtleiter 36 auf die lichtempfindliche Fläche des Sensors 37 geleitet. Vom Sensor 37 wird dabei eine Ausgangsspannung abgegeben, die dem in F i g. 2 bei a dargestellten Kurvenrüg entspricht

Werden nun die Scheiben 21 und 22 weitergedreht, so gelangen die lichtdurchlässigen Sektoren 32 der Scheiben 21 und 22 vor die öffnungen 15 und 16, während die lichtundurchlässigen Sektoren 31 der Scheiben 21 und 22 vor die Öffnungen 19 und 20 der Vergleichsküvette 11 gelangen. Damit kann das Licht nicht mehr durch die Vergleichsküvette 11 dringen, wohl aber durch die Meßküvette 10. Auch hier wird das Licht über die Sammeüinsen 29 und 33 sowie über die Lochblende 34 und den Lichtleiter 35 zur lichtempfindlichen Räche des Sensors 37 geleitet.

Das Ausgangssignal des Sensors 37 wird dabei dem in Fig. 2 bei b dargestellten Kurvenzug entsprechen, wobei durch die Trübung des in der Meßküvette 10 befindlichen Gases der Lichtstrom, der auf die lichtempfindliche Fläche des Sensors 37 auftrifft, geringer sein wird, so daß das Ausgangssignal entsprechend F i g. 2 ebenfalls geringer sein wird. Verstärkt man nun dieses Ausgangssignal und gibt es auf ein Anzeigegerät, so kann man aus dem Unterschied der Ausgangssignale das Maß der Trübung des >\ Meßgases ableiten.

Als besonders zweckmäßig hat es sich herausgestellt, wenn man das Polarisationsfilter 30 im Strahlengang zwischen der Lichtquelle 25 und der Vergleichsküvctie 11 solange verdreht, und damit den Lichtstrom durch die Vergleichsküvetie schwächt, bis der aus der Meßküvette 10 und der aus der Meßküvette 11 alistretende Lichtstrahl die gleiche Stärke hat. Dies ist dann der Fall, wenn der Sensor 37 eine Gleichspannung abgibt, das heißt wenn die Spannung in den Bereichen a und b gleich groß sind. Bei gleichem Lichtstrom ist dann der Verdrehwinkel des Polarisationsfilters 30 ein Maß für die Trübung des in der Meßküvette 10 befindlichen Meßgases. Die Skala des Polarisationsfilters kann deshalb direkt in Einheiten geeicht werden, die die Trübung des Meßgases angeben.

Ah besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Verdrehung des Polarisationsfilters automatisch user einen Servomotor 38 erfolgt, wodurch die Zeit für den Abgleich wesentlich verkürzt werden kann, und wodurch auch Änderungen in der Trübung des Meßgases erfaßt werden können. Als besonders vorteilhaft hat sich bei dem beschriebenen Meßgerät herausgestellt, daß der durch die beiden Küvetten 10 und 11 fließende Lichtstrom von einer gemeinsamen Lichtquelle geliefert wird. Durch die Linsensysteme 29 und 33 sowie die Lochblenden 34 wird vermieden, daß durch reflektiertes Lieht oder Streulicht das in den Küvetten 10 beziehungsweise 11 entstehen kann, große Meßverfälschungen auftreten. Außerdem hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, daß die beiden Lichtleitfasern 35 und 36 auf eine gemeinsame lichtempfindliche Fläche einer Fotozelle gerichtet sind, so daß Verfälschungen durch unterschiedliche Kennwerte von zwei verschiedenen Sensoren ausgeschlossen werden. Durch die rotierenden Scheiben 21 und 22 ist dabei sichergestellt, daß eine Verschmutzung der Lichtquelle 25 und des Sensors 37 ausgeschlossen ist. Auch eine Erwärmung des lichtempfindlichen Sensors 37 kann durch die räumlich entfernte Anordnung diest Sensors von der sich während des Meßvor^anges erwärmenden Meßküvette 10 ausgeschlossen werden. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Zuführung des Abgases zu der Meßküvette 10 gut wärmeisoliert ist, so daß die Temperaturveränderungen des Meßgases sich schnell auf das Gas in der Meßküvette übertragen. ; Durch das Interferenzfilter 28 vor dem Eingang der Meßküvette 10 wird erreicht, daß bei Füllung beider h Küvetten mit reiner Luft die Lichtströme in beiden ij Küvetten gleich groß sind. Unabhängig von der ; jeweiligen Stellung der teilweise lichtundurchlässigen ~-i rotierenden Scheiben 21 und 22 erhält die Fotozelle also ΐ ständig die gleiche Beleuchtungsstärke. >^:

Wird dagegen trübes Gas durch die Meßküvette geschickt, so fällt die Beleuchtungsstärke der Fotozelle während des Lichtdurchganges durch diese Meßküvette ;{ 10 ab. Damit wird der Gleichspannung, die von der >:\ Fotozelle geliefert wird eine Wechselspannung überla- ;;

gert. Wenn nun durch Verdrehung des Polarisationsfilters diese Wechselspannung zu Null gemacht wird, so kann aus der Verdrehung des Polarisationsfilters, wie bereits schon angedeutet, ein Maß für die Trübung des Meßgases abgeleitet werden.

Zur Steigerung des Auflösungsvermögens des Meßgerätes kann die Drehzahl der rotierenden Blenden 21 und 22 erhöht werden, und die Anzahl der Sektoren der Blenden vergrößert werden. Das Auflösungsvermögen ist dann praktisch nur noch von der Trägheit des verwendeten Sensors 37 abhängig.

Sollen sehr schnell veränderliche Vorgänge mit dem Gerät oszilographisch aufgenommen werden, so kann

dies nicht mehr mit dem verstellbaren Polarisationsfilter 30 vor der Vergleichsküvette erfolgen. Statt dessen muß unter Zwischenschaltung eines geeigneten Filters der Spannungsverlauf an dem lichtempfindlichen Sensor direkt aufgenommen werden.

Durch Verwendung von monochromatischem Licht bei der Trübungsmessung ist es möglich, nicht die Trübung, sondern den Gehalt an Trübungsstoffen in Gramm pro Kubikmeter zu ermitteln. Durch die Verwendung des monochromatischen Lichtes von geeigneter Wellenlänge kann ein Einfluß der RußpartikelgröDe auf das Meßergebnis ausgeschlossen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Trübung von Gasen, insbesondere von Dieselmotorabgasen, anhand des optischen Absorptionsvermögens der Gase

a) einer von dem zu messenden Gas durchströmten Meßküvette mit einer Eintritts- und einer Austrittsöffnung für das Gas sowie mit dem Lichtdurchgang dienenden Öffnungen

b) einer das zu vergleichenden Medium aufnehmenden Vergleichsküvette mit Öffnungen für den Lichtdurchgang

c) einer Lichtquelle zur Durchleuchtung der beiden Küvetten

d) einer von dem Licht der Lichtquelle nach Durchtritt durch die Küvetten beaufschlagten lichtempfindlichen Einrichtung, deren Ausgangssignal von der Trübung des 5n der Meßlrüvette befindlichen Gases relativ zu dem in use Vergleichsküvette befindlichen reinen Gas abhängt und ein Maß für die Trübung des Gases in der Meßküvette bildet

e) rotierenden Scheiben, die vor den Öffnungen für den Lichtdurchtritt der Küvetten angeordnet sind und eine Dichtfunktion für die Öffnungen der Meßküvette übernehmen.