DE3240559C2

DE3240559C2 - Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Masse von Aerosolteilchen in gasförmigen Proben sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE3240559C2
Application number: DE3240559A
Authority: DE
Inventors: Leopold Mank Faschingleitner; Peter W. Dr. Krempl; Wolfgang Dr. Graz Schindler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-11-09
Filing date: 1982-11-03
Publication date: 1985-03-28
Also published as: ATA481481A; US4518861A; AT375469B; DE3240559A1

Abstract

Zur kontinuierlichen Messung der Masse von absorbierenden Teilchen in einer gasförmigen Probe wird die Probe von elektromagnetischer Strahlung, deren Wellenlänge größer als der mittlere Radius der Teilchen ist, durchstrahlt und die Differenz der Absorption bei zumindest zwei Frequenzen bestimmt und der gesuchten Teilchenmasse zugeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Masse von Aerosolteilchen in gasförmigen Proben, insbesondere im Auspuffgas von Brennkraftmaschinen, wobei die Probe von elektromagnetischer Strahlung durchstrahlt wird, deren Wellenlänge größer als der mittlere Aerosolteilchenradius ist und die verursachte Absorption gemessen und als der Gesamtmasse an Aerosolteilchen entsprechender Meßwert verwendet wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur kontinuierlichen Überprüfung des Aerosoltcilchengehaltes von gasförmigen Proben sind Verfahren bekannt, bei denen die partikelgeladene Probe von Licht durchstrahlt und die Absorption oder Streuung durch die Partikel gemessen wird. In einem der bekannten Verfahren sind die verwendeten Strahlungswcllenlängen von der selben Größenordnung wie die Radien der Partikel; die Messung findet im sogenannten optischen Mie-Bereich statt. In diesem Bereich ist der Absorptionskoeffizient pro Masse und daher auch die ge-

messene Gesamtabsorption sehr stark von der Teilchengröße abhängig, weshalb die Gesamtmasse der Aerosolteilchen nicht ohne gleichzeitige Bestimmung zumindest der mittleren Teilchengröße bestimmt werden kann. Da beispielsweise im Zusammenhang mit der Messung von Aerosolteilchen im Auspuffgas von Brennkraftmaschinen bekannt ist, daß die mittlere Teilchengröße vom verwendeten Brennstoff bzw_t seinen Zusätzen und vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängt, liefert die Messung nach diesem bekannten Verfahren nur eine grobe Abschätzung der tatsächlich emittierten Gesamtmasse an Aerosolteilchen.

Bei einem weiteren der bekannten Verfahren wird mit Strahlung von größeren Wellenlängen, z. B. im Infrarot-Bereich, gearbeitet. Bei diesen Wellenlängen ist der Absorptionskoeffizient pro Masse unabhängig von der Teilchengröße; die Messung erfolgt im sogenannten optischen Rayleigh-Bereich, wobei die verwendete Wellenlänge wesentlich größer, vorzugsweise mindestens doppelt so groß, wie der mittlere AercsoUeüchenradius sind. Da jedoch der Absorptionsquerschnitt ·;οη Aerosolteilchen mit wachsender Wellenlänge der einfallenden Strahlung stark abnimmt, sinkt aufgrund von äußeren Beeinflussungen die mit dem nur sehr geringen Meßsignal erzielbare Genauigkeit bei diesem bekannten Verfahren stark ab.

Aus diesem Grunde sind spezielle Meßverfahren bekanntgeworden, um Änderungen der gemessenen Absorption infolge einer tatsächlich variierenden Partikelemission von apparativbedingten Schwankungen, z. B. der Intensität der Strahlungsquelle, zu unterscheiden. Eine bekannte derartige Anordnung arbeitet unter Ausnutzung der Spektrophonie, welche auf der Umwandlung der absorbierten Lichtenergie in Wärme beruht, welche Ober die Expansion des absorbierenden Mediums oder des umgebenden Trägergases Schallimpulse erzeugt, die über ein Mikrophon detektiert werden. Zum Unterschied zur Extinktionsmessung, bei welcher die Differenz der Strahlungsintensität vor und nach der Meßkammer bestimmt wird, was langzeitstabile Strahlungssensoren und genaue Subtraktionsverfahren erfordert, erhält man bei der Spektrophonie oder photoakusiisehen Sepektroskopie direkt ein der absorbierten Lichtenergie proportionales Signal. Der Hauptnachteil dieses bekannten Meßverfahrens liigt in der hohen Empfindlichkeit auf Schalleinstrahlung von außen, was die Anwendung beispielsweise in der Nähe von Brennkraftmaschinen praktisch unmöglich macht; insbesonders ist eine direkte Mejsung am eine der stärksten Schallquellen der Brennkraftmaschine darstellenden Auspuffkrümmer mit vernünftigem Aufwand nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die angeführten Nachteile der bekannten Verfahren zu vermeiden und ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß ein von der durchschnittlichen Teilchengröße unabhängiger und auf Störungen durch äußere Einflüsse weitgehend unempfindlicher Meßwert für die Gesamtmasse von Aerosolteilchen in gasförmigen Proben mit geringem apparativen Aufwand erhallen werden kann.

Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß die Absorption bei zumindest zwei unterschiedlichen Frequsnzen gemessen wird, und daß die Differenz der bei den unterschiedlichen Frequenzen erhaltenen der jeweiligen Absorption proportionalen Signule als Meßwert dient, wobei es besonders vorteilhaft ist. wenn nach einer Ausgestaltung der Erfindung unmittelbar die Differenz der Absorption bei den unterschiedlichen Frequenzen gemessen wird. Da der Absorptionsquerschnitt der Aerosolteilchen und damit die durch die Teilchen verursachte Gesamtabsorption in vorbekannter Weise von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung abhängt, erhält man bei dieser Art der Messung ein Differenzsignal, dessen Größe sehr genau bestimmt werden kann. Durch die Ausnutzung des für die verschiedenen Frequenzen unterschiedlich großen Absorptionsquerschnittes ist es auf sehr einfache Weise möglich, Schwankungen der Gesamtmasse an absorbierenden Teilchen von apparativbedingten Schwankungen — wie beispielsweise Schwankungen der Intensität der Strahlungsquelle — zu unterscheiden, da eine Schwankung der Gesamtmasse von absorbierenden Teilchen sich aufgrund der verschiedenen Absorptionsquerschnitte in einer Änderung des Differenzsignales auswirkt, wohingegen eine Schwankung der Quellenintensität das Differenzsignal des Meßv/crtes bei den verschiedenen Frequenzen konstant laut Eine genauere Beschreibung dieser mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwirklichten Differentialabsorptionsmessung erfolgt zu Beginn der Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

In Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß eine schmalbandige Strahlungsquelle mit vorgebbarer Periode über einen bestimmten Frequenzbereich abgestimmt wird, und daß der mit der vorgegebenen Periode schwankende Teil des nach dem Durchgang dieser Strahlung durch die Probe delektierten Signales als Meßwert dient. Es wird also bereits vor dem Durchtritt der Strahlung durch die zu untersuchende Probe ein schmales Frequenzband herausgefiliert und dieses zwischen zwei Grenzfrequenzen mit einer wählbaren Periode durchgestimmt. Der mit bekannten Methoden bestimmbare Teil des Detektorsignales, der mit der Periode der Durchstimmung der einfallenden Strahlung schwankt, wird als Meßwert weiterverarbeitet, wodurch auch sehr hohe Uruergrundsignale, welche das I00--1000fache des eigentlichen Meßsignales erreichen können, diskriminiert werden können. Es ist dabei lediglich darauf zu achten, daß das Detektorsignal beim Durchstimmen der MeOfrequenzen konstant bleibt, sofern sich keine Aerosolteilchen in der Probe befinden. In diesem Zusammenhang ist es auch besonders vorteilhaft, wenn nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung die schmalbandige Strahlungsquelle über zumindest einen Teil einer Resonanzabsorptionsbande der zu messenden Aerosolteilchen abgestimmt wird und als Meßsignal jener Te'i? des Detektorsignales herangezogen wird, welcher mit der Form eines, der Absorptionsbande entsprechenden Bezugssignales korreliert. Durch die charakteristische Form der Absorptionsbande kann mit Hilfe von bereits zum Stande der Technik gehö; enden elektronischen Korrelatoren eine noch exaktere Unterdrückung der Hintergrundsignale und damit Erhöhung der Meßgenauigkeit erreicht werden.

Nach einem and.-ren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, daß aus der Strahlung einer, zumindest teilweise ein kontinuierliches Spektrum aufweisenden Strahlungsquelle nach Durchgang durch die Probe mittels einer Selektoreinheit mit vorgebbarer Periode zwischen vorgebbaren Frequenzen jeweils ein schmales Frequenzband ausgewählt wird, und daß der

f.5 mit der vorgegebenen Periode schwankende Teil der Strahlungsintensität nach der Selektoreinheit als Meßwert dient. Damit erfolgt also die Durchstrahlung der Probe mit Strahlung von unterschiedlichen Frequenzen.

welche erst nach dem Probendurchgang — also nach der Absorption durch die Aerosolteilchen — durch entsprechende Filter mit vorgebbarer Periode auf bestimmte schmale Frequenzbänder reduziert wird.

Nach einer anderen Ausbildung der Erfindung wird ein Detektor mit vorgebbarer Periodizität abwechselnd mit den gewählten Strahlungsfrequenzen beaufschlagt, wobei die ohne absorbierende Aerosolteilchen im Prüfvolumen jeweils zum Detektor gelangenden Strahlungsintensitäten bei diesen Frequenzen gleich eingestellt werden. Es ist also ein Detektor vorgesehen, dem in zeitlicher Aufeinanderfolge die gewählten Strahlungsfrequenzen zugeführt werden. Dazu ist in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, daß im Strahlengang nach dem von der Probe durchströmten Raum ein Strahlteiler angeordnet ist, daß nach dem Strahlteiler für die gewählten Frequenzen selektiv durchlässige Filter in die Teilstrahlen eingeschaltet sind und daß eine Auswahleinrichtung vorgesehen ist, welche, mit der vorgegebenen Periodizität abwechselnd, jeweils einem Teilstrahl den Weg zum Detektor freigibt. Diese Auswahleinrichtung kann — wie in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen — von einer rotierenden Scheibe gebildet sein, welche vor dem Detektor im Strahlengang angeordnet ist und öffnungen für die Teilstrahlen aufweist, die abwechselnd den Weg zum Detektor freigeben. Dies ist eine einfache und robuste Anordnung, welche — bei geeigneter Ausbildung und Anordnung der öffnungen für die Teilstrahlen — die einwandfreie Ausführung der abwechselnden Frequenzbeaufschlagung des Detektors ermöglicht. Nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es in diesem Zusammenhang jedoch auch möglich, daß die Auswahleinrichtung verschieden ausgerichtete Polarisatoren in den Teilstrahlen und einen mit der vorgegebenen Periodiziiät die verschiedenen röiarisaiiorisrichtungen durchlassenden Polarisator vor dem Detektor aufweist. Durch diese Ausbildung entfallen die Auswirkungen der Herstellungs- und Montagetoleranzen der Auswahleinrichtung auf das Meßsignal, was eine weitere Erhöhung der Meßgenauigkeit mit sich bringt.

In weiterer Ausgestaltung der oben stehenden Vorrichtungen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens ist zur Auswertung der Detektorsignale ein sogenannter Lock-In-Verstärker vorgesehen, der mit dem Detektor und mit einem an der Auswahleinrichtung vorgesehenen Taktgeber verbunden ist. wobei der Taktgeber der vorgegebenen Periodizität entsprechende Taktsignale liefert. Damit ist die bereits besprochene Diskriminierung von Detektorsignalen, welche nicht mit der vorgegebenen Periode schwanken, auf einfache Weise möglich, was die besprochene Erhöhung der Meßgenauigkeit ermöglicht.

Nach einem anderen Vorschlag ist das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgestaltet, daß nach Durchgang durch die Probe die Strahlung jeder der für die Absorptionsmessung verwendeten Frequenzen räumlich getrennt detektiert wird, wobei vorzugsweise nur die Differenz der Strahlungsintensitäten bei den unterschiedlichen Frequenzen registriert wird. Es ist also nach diesem Vorschlag für jede der für das Meßverfahren verwendeten Strahlungsfrequenzen ein eigener Detektor vorgesehen, welche vorzugsweise so zusammengeschaitet sind, daß überhaupt nur die Differenz der Strahlungsintensitäten nach der Absorption aufgenommen wird. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Strahlungsintensität periodisch moduliert wird.

wodurch sich auch im Zusammenhang mit dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die bereits genannten Vorteile hinsichtlich der Diskriminierung von nicht mit der vorgegebenen Periode schwankenden Teilendes Detektorsignales ergeben.

Während der Messung kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ein Absorber mit bekannter Absorptionswirkung zu Kalibrierungszwecken vorübergehend in den Strahlengang eingebracht werden.

ίο wobei diese Einbringung in vorteilhafter Weise mit einer Periode, welche ein ganzzahliges Vielfaches der Periode des Frequenzwechsels der einfallenden Strahlung ist, erfolgt. So kann die Kalibrierung der Meßanordnung unmittelbar während der Messung erfolgen, wodurch die Genauigkeit der Meßergebnisse laufend sichergestellt ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zusätzlich zur Messung dir durch Absorption geschwächten durchgehenden Strahlung auch die von der Probe gestreute Strahlung, vorzugsweise in einem Raumwinkel größer als 10°, gemessen wird. Diese zusätzliche Erfassung des Streulichtes dient zur genaueren Charakterisierung der Aerosolteilchen. Während die Streuintensität in einem schmalen Winkelbereich keine eindeutige Antwort auf die Frage nach der Größe der Einzelteilchen geben kann, ist die Streulichtausbeule über einefi größeren Winkelbereich mit der Größe bzw. der Größenverteilung der Aerosolteilchen korreliert. Bei der erfindungsgemäßen Selektion von mindestens zwei Frequenzen der einfallenden Strahlung und getrennter Registrierung der Streuir.iensitäten kann zusätzlich Information über die optischen Eigenschaften der Aerosolteilchen gewonnen werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen und Diagrammen näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 und 2 jeweils eine prinzipielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die
Fig.3 und 4 Diagramme des Verlaufes des Absorptionsquerschnittes von Aerosolteilchen abhängig von der Strahlungsfrequenz, die

F i g. 5 im oberen Teil einen gemäß der vorliegenden Erfindung charakteristischen zeitlichen Frequenzverlauf der einfallenden Strahlung und im unteren Teil das zugehörige Intensitäts/Zeit-Diagramm bei Durchstimmung der Frequenzen im Bereich von Resonanzen der Aerosolteilchen, die

Fig.6 und 7 Intensitäts/Zeit-Diagramme zur Erklärung der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens.

so F i g. 8 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung . ur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig.9 ein vergrößertes Detail aus Fig.8 in einer Ansicht entlang des Pfeiles IX in F i g. 8. und die

Fig. 10 und 11 jeweils weitere Ausführungsbeispicie

von Meßvorrichtungen nach der Erfindung.

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens zur kontinuierlichen Messung der Masse von Aerosolteilchen in gasförmigen Proben sei im folgenden kurz anhand der F i g. 1 bis 7 erläutert:

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung zur Durchführung des Verfahrens weist eine Strahlungsquelle 1 auf, welche elektromagnetische Strahlung im optischen Rayleigh-Bereich — also mit Wellenlängen, die wesentlich größer, vorzugsweise mindestens doppelt so groß

wie der mittlere Aerosolteilchenradius sind — beispielsweise Infrarot-Strahlung, emittiert. Im Inneren einer Probenkammer 2 wird die zu vermessende gasförmige Probe, beispielsweise in Richtung des Pfeiles 3. an zwei

im Sirahlengang 4 der von der Strahlungsquelle 1 emittierten Strahlung liegenden und für die Strahlung möglichst durchlässigen Fenstern 5 vorbeibewegt. Die aus der Probenkammer austretende und durch Absorption entsprechend der in der Probe enthaltenen Masse an Aerosolteilchen geschwächte Strahlung wird mittels eines Direktors 6 registriert, dem in dem in F i g, 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Selektoreinheit 7 und eine Sammellinse 8 vorgeschaltet sind. Weiters ist eine Steuereinheit 9 vorgesehen, welche über eine Leitung 10 mit der Selektoreinheit und über eine Leitung U mit einer Auswerteschaltung 14 verbunden ist. Der Auswertcschaltung 14 ist über eine Leitung 12 auch das Meßsignal des Detektors 6 zugeführt: der ermittelte Meßwert kann über einen Ausgang 13 weiterverarbeitet bzw. angezeigt werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Strahlungsquelle ι eifi ZütTiiriucSt teilweise fCüftunüicTiiCficS üiTiiä- sionsspektrum auf, weshalb also die Probe in der Probenkammer 2 von Strahlung mit einer Vielzahl von Frequenzen durchstrahlt wird. Erst über die von der Steuereinheit 9 gesteuerte Selektoreinheit 7 wird aus dem einfallenden Strahlungsspektrum jeweils ein schmales Frequenzband ausgewählt, welches über die Sammellinse 8 uuf den Detektor 6 fällt und dort entsprechend seiner Intensität ein Signal auslöst, welches über die Leitung 12 der Auswerteschaltung 14 zugeführt wird.

In F i g. 3 ist auf der senkrechten Achse der Absorptionsquerschnitt σ von Aerosolteilchen und auf der waagrechten Achse die Frequenz γ der einfallenden Strahlung aufgetragen. Es ist ersichtlich, daß bei unterschiedlichen Strahlungsfrequenzen die Absorption durch die in der Probe enthaltenen Aerosolteilchen verschieden groß ist. Von dieser Tatsache wird bei dem erfindungsgemäßen Meßverfahren Gebrauch gemacht; es wird — beispielsweise bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung — die Absorption durch in der Probe enthaltene Aerosolteilchen bei zumindest zwei unterschiedlichen Frequenzen gemessen und die Differenz der bei den unterschiedlichen Frequenzen erhaltenen und der jeweiligen Absorption proportionalen Signale als Meßwert verwendet Dadurch kann auf sehr einfache und wirkungsvolle Weise die Meßgenauigkeit erhöht werden, was insbesondere deswegen wichtig ist, weil bei langwelliger Strahlung im Rayleigh-Bereich der Absorptionsquerschnitt von Aerosolteilchen bereits sehr gering ist und sich deswegen bereits ein ziemlich starker Untergrund im Meßsignal störend bemerkbar macht.

Die in den F i g. 6 und 7 dargestellten Intensitäts/Zeit-Diagramme können beispielsweise mit der in F i g. 1 dargestellten Anordnung dadurch erhalten werden, daß die Selektoreinheit 7 über die Steuereinheit 9 zwischen zwei Frequenzen bzw. Wellenlängen A I₁ A 2 abwechselnd hin- und hergeschaltet wird, wobei die Taktfrequenz dieses Wellenlängenwechsels über die Leitung 11 der Auswerteschaltung 14 zugeführt ist Diese kann beispielsweise nach Art der sogenannten Lock-In-Verstärker ausgebildet sein, und nur diejenigen Teile der über die Leitung 12 kommenden Detektorsignale als Meßsignale verwenden, welche mit der von der Steuereinheit vorgegebenen Periode schwanken. In den F i g. 6 und 7 ist mit I₀ die Intensität der Strahlungsquelle ohne Schwächung durch Absorptions der Aerosolteilchen, mit / (A₁) die vom Detektor festgestellte Intensität bei der Wellenlänge A\ und mit / (A₃) die vom Detektor nachgewiesene Strahlungsintensität bei der Wellenlänge /"> bezeichnet. Im unteren Teil der Fig.6 und 7 ist jeweils das am Ausgang 13 der Auswcrtcschaltung 14 vorliegende Meßsignal aufgetragen.

F i g. 6 zeigt nun den Fall, daß die Strahlungsintensität der Strahlungsquelle 1 zeitlich nicht konstant ist. also s mit relativ geringer Frequenz Schwankungen durchmacht. Bei Annahme einer gleichbleibenden Aerosolteilchendichte — wie in F i g. 6 dargestellt — ändert sich sowohl I(A\) als auch 1(A₂) in einer der Änderung von I_n entsprechenden Weise; aufgrund der Differenzbildung bleibt jedoch das Meßsignal konstant.

In Fig.7 ist der Fall dargestellt, daß bei konstanter Strahlungsintensität /0 die Gesamtmasse an Aerosoltcilchen in der Probe zeitlich schwankt: dies drückt sich in einer entsprechenden Schwankung von 1(A]) und 1(A₁) aus, wobei diese aber — wegen der in F i g. 3 dargestellten Frequenzcharakteristik des Absorptionsquerschnittes zwar synchron aber nicht gleich verlaufen. Es kommt daher in diesem Falle zu einer die sich ändernden Aerosolteilchenmasse im durchstrahlten Probenvolumen rc- präsentierenden Änderung des Meßsignales.

Bei den in den F i g, 6 und 7 dargestellten Fällen wurde absichtlich der zeitliche Verlauf von 1(A₁) beide Male gleich gewählt um zu zeigen, daß es nur durch die erfindungsgemäße Messung auch bei mindestens einer zwei-

ten Frequenz möglich ist, die tatsächliche Änderung der Aerosolteilchendichte gemäß F i g. 7 von der Quellenschwankung gemäß F i g. 6 zu unterscheiden.

Abgesehen von der zu den F i g. 6 und 7 besprochenen Hin- und Herschaltung der vom Detektor regi- strierten Strahlung zwischen zwei vorgebbaren Frequenzen ist es mit der in F i g. 1 dargestellten Anordnung natürlich auch ohne weiteres möglich, die Selektoreinheit 7 bei jeweiliger Durchlassung von nur einem schmalen Frequenzband zwischen zwei vorgebbaren Frequenzen mit vorgebbarer Periode stetig durchzustimmen und den mit der vorgegebenen Periode schwankenden Teil des Detektorsignales als Meßwert zu verwenden. Die in F i g. 2 dargestellte Anordnung entspricht im wesentlichen völlig der in Fig. 1 dargestellten: unterschiedlich ist hier nur. daß die Steuereinheit 9 nicht auf eine nach dem Durchstrahlen der Probenkammer 2 angeordnete Selektoreinheit sondern unmittelbar auf die Strahlungsquelle 1 einwirkt. Bei geeigneter Auswahl ci ner schmalbandigen Strahlungsquelle kann diese über die Steuereinheit 9 mit vorgebbarer Periode über einen bestimmten Frequenzbereich abgestimmt werden. Für die weitere Messung und Auswertung gilt das gleiche wie bereits oben ausgeführt

In F i g. 4 ist die Frequenzabhängigkeit des Absorptionsquerschnittes von Aerosolteilchen für den Fall dargestellt, daß diese Resonanzfrequenzen für die verwendete Strahlung im interessierenden Bereich aufweisen. Das einfache Hin- und Herschalten zwischen zwei Fre quenzen und die Auswertung gemäß den bereits zu den F i g. 6 und 7 besprochenen Prinzipien ist auch hier auf einfache Weise dadurch möglich, daß die beiden Meßfrequenzen y\ und γι außerhalb des Resonanzbereiches angesetzt werden.

eo Wie in Fig.5 dargestellt ist es jedoch auch möglich, bewußt die spezielle Charakteristik der Frequenzabhängigkeit des Absorptionsquerschnittes im Resonanzbereich zur Erhöhung der Meßgenauigkeit mitzuverwenden. Wie im oberen Teil der F i g. 5 zu ersehen, wird in diesem Falle die vom Detektor registrierte Strahlung im zeitlichen Verlauf nach Art eines Sägezahnes zwischen zwei Frequenzen y\ und ^2 durchgestimmt, wobei zwischen diesen Frequenzen Resonanzen der Aerosol-

teilchen (nicht aber des Trägergases) liegen. Im unteren Teil der Fig.5 ist die auf diese Weise am Detektor nachweisbare Strahlungsintensität / in ihrem zeitlichen Verlauf aufgetragen. Ausgehend von einer Anfangszeit 7Ό wiederholt sich ^er durch das Resonazverhalten der Absorption der Aerosolteilchen bedingte Verlauf der Intensität jeweilo mit einer Periode T. Durch die Verwendung eines sogenannten elektronischen Korrelators, dem die charakteristische Form der Frequenzabhängigkeit des Absorptionsquerschnittes im Resonanzbereich als Referenzsignal zugeführt ist, kann derjenige Teil des am Detektor feststellbaren Signals herausgefiltert werden, der im zeitlichen Verlauf mit dem zeitlichen Verlauf des besagten Referenzsignales korreliert, was die Meßgenauigkeit weiter erhöht.

Bei der in F i g. 8 schematisch dargestellten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist '.!P. Strahlengang 4 nach dc>" Probenkammer 2 ein Strahlteiler 15 angeordnet, der hier in Form eines halbdurchlässigen Spiegels ausgebildet ist. Der obere, durchgehende Teilstrahl 16 gelangt über ein selektiv durchlässiges Filter 17 und einen in Richtung des Pfeiles 18 verschiebbaren Graukeil 19 an eine Sammellinse 20, welche ihn durch eine öffnung 21 in einer um eine Achse 22 drehbaren Scheibe 23 auf eine weitere Sammellinse 24 und von dort zum Detektor 6 fokussiert Der untere Teilstrahl 25 gelangt durch ein zweites selektives Filter 26, welches für eine andere Frequenz als das selektive Filter 17 im oberen Teilstrahl 16 durchlässig ist, ebenfalls zu einer Sammellinse 27 und über eine Öffnung 28 in der Scheibe 23 und die Sammellinse 24 ebenfalls zum Detektor 6. Zu beachten ist hier, daß — wie im Detail in F i g. 9 dargestellt — abwechselnd nur immer einer der beiden Teilstrahlen 16,25 durch die ihm zugeordnete öffnung 21, 28 zur Sammellinse 24 bzw. zum Detektor 6 gelangen kann; der jeweils andere der beiden Teilstrahlen wird durch für die Strahlung undurchlässige Teile der Scheibe 23 abgehalten. Die Anordnung der Öffnungen 21 und 28 ist dabei so, daß es zu keiner Überschneidung der öffnungen aber auch zu keinen Dunkelphasen zwischen deTi Durchlaß eines der beiden Teilstrahlen kommen kann.

Die gesamte Anordnung kann über den Graukeil 19 so justiert werden, daß der Detektor 6 bei arosolteilchenfreier Probe für beide Teilstrahlen die gleiche Intensität registriert

Die eine Auswahleinrichtung für die zum Detektor gelangenden Teilstrahlen darstellende drehbare Scheibe 23 weist an ihrem äußersten Rand 29 Periodizitätsmarken 30 auf, welche mittels eines beispielsweise nach Art einer Lichtschranke ausgebildeten Taktgebers 31 der vorgegebenen Periodizität des Frequenzwechsels entsprechende Taktsignale liefern. Diese sind über eine Leitung 32 wiederum einer beispielsweise als Lock-In-Verstärker ausgebildeten Auswerteschaltung 14 zugeführt

Hinsichtlich der Durchführung bzw. Auswertung von Messungen mit Hilfe dieser Vorrichtung sei auf die bereits zu den F i g. 1 bis 7 gemachten Ausführungen verwiesen.

Die in F i g. 10 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von der gemäß F i g. 8 im wesentlichen dadurch, daß hier die beiden Teilstrahlen 16 und 25 von zwei getrennten Detektoren 33 und 34 hinsichtlich ihrer Intensität registriert werden. Die Ausgangssignale der Detektoren 33,34 werden über Leitungen 35,36 einer Auswerteeinheit 37 zugeführt, an deren Ausgang 38 die Differenz der beiden Detektorsignale vorliegt Mit dem Graukeil 19 im oberen Teilstiahl 16 kann auch hier wiederum die Relation zwischen den Intensitäten der beiden Teilstrahlen so eingestellt werden, daß — sofern keine Aerosolteilchen in der Probenkammer 2 bzw. im Strahlen· gang 4 vorhanden sind — der Ausgang 38 der Auswerteeinheit 37 den Wert Null hat

In diesem Ausführungsbeispiel ist bereits vor der Probenkammer 2 im Strahlengang 4 eine Zerhackerscheibe 39 angeordnet, die um eine Achse 40 drehbar ist und die von der Quelle 1 emittierte Strahlung mit vorgebbarer Periodizität moduliert. Über einen Taktgeber 31 wird auch hier wiederum ein Taktsignal über eine Leitung 32 abgegeben, welches als Referenzsignal einem Lock-InVerstärker 41 zugeführt ist. der andererseits über eine Leitung 42 mit dem Ausgang 38 der Auswerteeinheit 37 verbunden ist Dadurch ist es auch mit dieser Anordnung möglich bei kleinen Absorptionsquerschnitten des zu messenden Aerosols auf die bereits beschriebene Weise zu ausreichend genauen Meßresultaten zu kommen.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung wird die von der Strahlungsquelle 1 ausgesandte Strahlung nach dem Durchgang durch die Probenkammer 2 wiederum auf die bereits beschriebene Weise in zwei Teilstrahlen 16,25 aufgeteilt, aus denen über die selektiven Filter 17, 26 schmale Frequenzbänder herausgefiltert werden. Die Auswahleinrichtung wird hier durch Polarisatoren 43, 44 sowie einen nach einer Sammellinse 45 im Strahlengang beider Teilstrahlen drehbar angeordneten Polarisator 46 gebildet Die Polarisatoren 43 und 44 sind mit verschiedenen Polarisationsrichtungen in den Teilstrahlen 16 und 25 angeordnet, wodurch über den drehbaren Polarisator 46 nur jeweils immer ein bestimmter Teil der Teilstrahlen 16, 25 durchgelassen wird. Aufgrund der geometrischen Bedingungen der Polarisation bleibt bei dieser Anordnung — gleiche Intensitäten der Tcilstrahlen vor den Polarisatoren 43, 44 vorausgesetzt — die vom nachgeschalteten Detektor 6 registrierte Intensität zeitlich konstant soferne sich keine Aerosolieilchen in der Probenkammer 2 befinden. Diese Anordnung weist gegenüber der in F i g. 8 dargestellten den Vorteil auf, daß hier eine geringfügige Dejustierung der Polarisatoren 43, 44 und des Polarisators 46 weil weniger Einfluß auf die am Detektor 6 nachzuweisende Intensitat hat als dies bei der Auswahleinrichtung nach F i g. 8 der Fall ist

Am Umfang des drehbaren Polarisators 46 sind auch hier wiederum Periodizitätsmarken 30 angebracht, welche über einen Taktgeber 31 Taktsignale an die Auswerteschaltung 14 abgeben. Die Auswerteschaltung 14 ist wiederum beispielsweise nach Art eines Lock-InVerstärkers aufgebaut und über eine Leitung 12 mit dem Detektor 6 verbunden.

Bei dem in F i g. 11 dargestellten Ausführungsbeispiel wird zusätzlich zur Messung der durch Absorption geschwächten durchgehenden Strahlung auch die von der Probe im wesentlichen senkrecht zur Richtung der durchgehenden Strahlung gestreute Strahlung gemessen. Dazu ist in der Wand der Probenkammer 2 eine Sammellinse 47 vorgesehen, welche die aus einem bestimmten Raumwinkelbereich kommende Streustrahlung bündelt und über eine weitere Sammellinse 48 einem halbdurchlässigen Spiegel 49 zugeführt, der wiederum die Aufteilung auf zwei Teilstrahlen 50,51 durchführt Es sind auch hier zwei selektivdurchiässige Filter 52, 53 mit verschiedenen Durchlaßfrequenzen in die Teilstrahlen eingeschaltet, was den Nachweis der Intensität der Streustrahlung bei verschiedenen Frequenzen

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über Detektoren 54,55 ermöglicht. Die Ausgangssigna-Ic der Detektoren 54, 55 sind über Leitungen 56, 57 einer Recheneinheit 58. beispielsweise einem Mikroprozessor zugeführt, welcher über eine Leitung 59 auch mit dem Ausgangssignal der Auswerteschaltung 14 beliefert s ist. In der Recheneinheit 58 werden die eingehenden Meßsignale durch geeignete Rechenoperationen derart verknüpft, daß außer der Gesamtmasse auch die durch die Steueranordnung zusätzlich gewonnene Information angezeigt werden kann, also etwa die mittleren Teilchengröße und/oder die chemische Zusammensetzung der Aerosolteilchen. Die Berechnung dieser zusätzlichen Größen ist aber erst durch die genaue Erfassung der Geiamtpartikelmasse möglich.

Die in den Fig.8, 10 und 11 dargestellte Aufteilung der für die Absorptionsmessung verwendeten Strahlung in zwei Teilstrahlen mit unterschiedlicher Frequenz könnte natürlich auch bereits vor dem Durchgang der Probenkammer erfolgen. Dies hätte praktisch keine Auswirkungen auf die Verwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens, ist jedoch hauptsächlich deswegen nicht so vorteilhaft, da damit nicht auf einfache Weise sichergestellt werden könnte, daß beide Teilstrahlen das gleiche Meßvolumen und damit die gleiche Masse an Aerosolteilchen durchstrahlen, was unter Umstanden zu Verfälschungen des Meßergebnisses führen könnte. Die Aufteilung in Teilstrahlen könnte im übrigen natürlich auch auf jede andere geeignete Art und Weise erfolgen; so z. B. indem dei teildurchlässige Spiegel nur für eine bestimmte Frequenz durchlässig und der den zweiten Teilstrahl reflektierende Spiegel nur für eine bestimmte Frequenz reflektierend gewählt wird, wodurch die selektiven Filter in den Teilstrahlen überflüssig werden. Die in den dargestellten Ausführungsbeispielen durch die verschiebbaren Graukeile realisier- te Möglichkeit der richtigen Einstellung der relativen

Stnmiungsiniensiiäien bei den verschiedenen Meßfre- |

quenzen könnte beispielsweise auch durch eine Ände- I

rung der Strahlungstemperatur der Strahlungsquelle erreicht werden.

Weiters ist es in allen dargestellten Ausführungsbeispielen noch möglich, einen Absorber mit bekannter Absorptionswirkung zu Kalibrierungszwecken während der Messung vorübergehend, beispielsweise mit einer Periode welche ein ganzzahliges Vielfaches der Periode des Frequenzwechsels der einfallenden Strahlung ist. in den Strahlengang einzubringen. Dieser Absorber könnte beispielsweise aus einer rotierenden Scheibe aus strahlungsdurchlässigem Material bestehen. welche in eine gerade Anzahl von Sektoren geteilt so ist. von denen jeder zweite mit einer definierten Menge von Aerosolpartikel beladen ist, so daß in ihnen Sürahlung ebenso geschwächt wird wie im Meßvolumen bei einer bestimmten Beladung mit Aerosolteilchen. Beim Einbringen des Kalibrierabsorbers besteht das Detektorsignal sodann aus dem Meßsignal plus dem Kalibrierungssignal, wobei sowohl Periode als auch Größe des letzteren bekannt sind. Soferne sich beispielsweise bei einer Anordnung nach Fig. 10 die Empfindlichkeit der beiden Detektoren verstellt, so würde das Kalibrierstgnal nicht mehr dem bei der Eichung eingestellten Wert entsprechen. Diese Abweichung könnte in der Auswerteschaltung elektronisch aufgespürt und über einen Regelkreis die korrekte Empfindlichkeit wieder eingestellt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Masse von Aerosoiteilchen in gasförmigen Proben, insbesondere im Auspuffgas von Brennkraftmaschinen, wobei die Probe von elektromagnetischer Strahlung durchstrahlt wird, deren Wellenlänge größer als der mittlere Aerosolteilchenradius ist und die verursachte Absorption gemessen und als der Gesamtmasse an Aerosolteilchen entsprechender Meßwert verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorption bei zumindest zwei unterschiedlichen Frequenzen gemessen wird, und daß die Differenz der bei den unterschiedlichen Frequenzen erhaltenen, der jeweiligen Absorption proportionalen Signale als Meßwert dient

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar die Differenz der Absorption bei den unterschiedlichen Frequenzen gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine schmalbandige Strahlungsquelle mit vorgebbarer Periode über einen bestimmten Frequenzbereich abgestimmt wird, und daß der mit der vorgebbaren Periode schwankende Teil des nach dem Durchgang dieser Strahlung durch die Probe detektierten Signals als Meßwert dient.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalbandige Strahlungsquelle Ober zumindest emen Te·' einer Resonanzabsorptionsbande der zu messenden Aerosolteilchen abgestimmt wird und als Meßsif-ial jener Teil des Detektorsignals herangezogen wird, welcher mit der Form eines, der Absorptionsbande entsprechenden, Bezugssignales korreliert.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Strahlung einer, zumindest teilweise ein kontinuierliches Spektrum aufweisenden Strahlungsquelle nach Durchgang durch die Probe mittels einer Selektoreinheit mit vorgebbarer Periode zwischen vorgebbaren Frequenzen jeweils ein schmales Frequenzband ausgewählt wird, und daß der mit der vorgegebenen Periode schwankende Teil der Strahlungsintensität nach der Selektoreinheit als Meßwert dient.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor mit vorgebbarer Periodizität abwechselnd mit den gewählten Strahlungsfrequenzen beaufschlagt wird, wobei die ohne absorbierende Aerosolteilchen im Prüfvolumen jeweils zum Detektor gelangenden Strahlungsintensitäten bei diesen Frequenzen gleich eingestellt werden.

7. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß nach Durchgang durch die Probe die Strahlung jeder für die Absorptionsmessung verwendeten Frequenzen räumlich getrennt delektiert wird, wobei vorzugsweise nur die Differenz der Strahlungsintensitäten bei den unterschiedlichen Frequenzen registriert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsintensität periodisch moduliert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Absorber mit bekannter Absorptionswirkung zu Kalibrierungszwekken während der Messung vorübergehend in den

Strahlengang eingebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, daß die Einbringung des Absorbers in den Strahlengang mit einer Periode, welche ein ganzzahliges Vielfaches der Periode des Frequenzwechsels der einfallenden Strahlung ist, erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche t bis 10. dadurch gekennzeichnet daß zusätzlich zur Messung der durch Absorption geschwächten durchgehenden Strahlung auch die von der Probe gestreute Strahlung, vorzugsweise in einem Raumwinkel größer als 10° gemessen wird.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang (4) nach dem von der Probe durchströmten Raum (2) ein Strahlteiler (15) angeordnet ist, daß nach dem Strahlteiler (15) für die gewählten Frequenzen selektiv durchlässige Filter (17, 26) in die Teilstrahlen (16, 25) eingeschaltet sind und daß eine Auswahieinrichiüiig vorgesehen ist, welche, mit der vorgegebenen Periodizität abwechselnd, jeweils einem Teilstrahl den Weg zum Detektor (6) freigibt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahleinrichtung von einer rotierenden Scheibe (23) gebildet ist welche vor dem Detektor (6) im Strahlengang angeordnet ist und Öffnungen (21, 28) für die Te?lstrahlen (16, 25) aufweist, die abwechselnd den Weg zum Detektor freigeben.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahleinrichtung verschieden ausgerichtete Polarisatoren (43,44) in den Teilstrahlen (16, 25) und einen mit der vorgegebenen Periodizität die verschiedenen Polarisationsrichtungen durchlassenden Polarisator (46) vor dem Detektor (6) aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichne', daß ζ·χ Auswertung der Detektorsignaie ein sogenannter Lock-In-Verstärker (14) vorgesehen ist, der mi« dem Detektor (6) und mit einem an der Auswahleinrichtung vorgesehenen Taktgeber (31) verbunden ist, wobei der Taktgeber (31) der vorgegebenen Periodizität entsprechende Taktsignale liefert.