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Verfahren zur quantitativen Bestimmung von Probenpartikeln
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung
von Probenpartikeln, insbesonders von partikelförmigen Verbrennungsrückständen von
Verbrennungskraftmaschinen.
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Bei bekannten derartigen Verfahren bzw. Einrichtungen zu deren Durchführung
wird beispielsweise die Änderung der Lichtreflexion von mit den Probenpartikeln
geschwärztem Filtermaterial, oder die Lichtschwächung beim Durchgang durch ein die
Pyobenpartikeln in einem gasförmigen Träger enthaltendes Meßvolumen, gemessen.
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Ebenfalls bekannt ist beispielsweise die quantitative Bestimmung von
Probenpartikeln durch Wägung der auf einem Probenträger angelagerten Partikeln.
Die Nachteile dieser bekannten Verfahren liegen einerseits in ihrer relativ geringen
Genauigkeit - so ist beispielsweise bei den genannten optischen Meßverfahren die
Schichtdicke bzw. auch die Partikelgröße ein die Messung sehr wesentlich beeinflussender
Parameter - und andererseits im relativ großen zeitlichen Aufwand zum Ermitteln
einzelner Meßwerte - so beispielsweise bei dem angeführten Wägeverfahren - was wiederum
die Anwendung für eine kontinuierliche bzw. quasikontinuierliche Bestimmung der
Partikelmenge verhindert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs
genannten Art anzugeben, welches auf einfache, genaue und auch für kontinuierliche
Messungen ausreichend schnelle Art und Weise Aussagen über die vorhandene Menge
von Probenpartikeln erlaubt, Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß
die Probenpartikeln in das von einem Mikrowellen-
Generator erzeugte
elektromagnetische Feld gebracht werden, daß zumindest ein sich aufgrund der Probenpartikeln
ändernder Parameter des elektromagnetischen Feldes gemessen wird und daß aus den
gemessenen Änderungen auf die Menge der Probenpartikeln geschlossen wird. Aufgrund
der Schnelligkeit und Einfachheit, mit der Messungen von Parametern eines elektromagnetischen
Feldes durchgeführt werden können, ist eine kontinuierliche Messung an den eingebrachten
Probenpartikeln möglich, wobei durch die Verwendung von Mikrowellen (als solche
ist elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 300 MHz bis GHz
zu verstehen) sehr genau quantitative Messungen möglich sind, und auch die Partikelbelegung
von optisch undurchlässigen Körpern, wie z.B. Keramikfiltern, gemessen werden kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Probenpartikeln
in den Innenraum eines vom Mikrowellen-Generator angespeisten Hohlraum-Resonators
eingebracht werden. Unter einem Hohlraum-Resonator versteht man einen leeren oder
mit einem dielektrischen Material mit relativ geringen Verlusten erfüllten Raum,
der allseitig von elektrisch gut leitenden Wänden begrenzt ist. Über eine Kopplungseinrichtung,
z.B. über Öffnungen in den elektrisch leitenden Wänden, wird die elektromagnetische
Energie ein- bzw. ausgekoppelt. Von den in den Hohlraum-Resonator eingebrachten
Probenpartikeln wird ein Teil der eingekoppelten Mikrowellenenergie absorbiert,
bzw. das ursprüngliche, ohne Probenpartikeln vorhandene elektromagnetische Feldbild
gestört. Über die sich dabei ändernden Parameter des elektromagnetischen Feldes-kann
auf die Menge der im Hohlraum-Resonator befindlichen Probenpartikeln geschlossen
werden.
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In diesem Zusammenhang ist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung vorgesehen, daß die Änderung der Güte und/oder der Resonanzfrequenz
einer Resonanz des Hohlraum-Resonators gemessen wird. Ein Hohlraum-Resonator der
beschriebenen Art hat eine unendliche An-
zahl von Eigenfrequenzen,
welche für einen gegebenen Resonator praktisch nur mehr von der Dielektrizitätskonstante
des im Innenraum des Resonators befindlichen Materials abhängen. Betrachtet man
eine einzelne Resonanzfrequenz, so kommt es durch Änderung der Dielektrizitätskonstante
des im Innenraum befindlichen Materials - wie dies durch Einbringung von Probenpartikeln
geschieht - zu einer Verschiebung der Resonanz frequenz. Außerdem- ändert sich aufgrund
der absorbierenden Eigenschaften der eingebrachten Probenpartikeln die Güte Q des
Hohlraum"Resonators, die folgendermaßen definiert ist: Q = wo . W mit tJo Kreisfrequenz
bei Resonanz W . ... die im Resonator gespei cherte Energie P v ... Verlustleistung
Die Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes im Hohlraum-Resonator bei Einbringung
von Probenpartikeln kann auch nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung dadurch
bestimmt werden, daß die Anderung eines vom Hohlraum-Resonator reflektierten Signals
bei einer bestimmten Frequenz gemessen wird. Diese Ausgestaltung des Verfahrens
ist für rasche Messungen vorzuziehen, da damit nicht mehr eine komplette Resonanzkurve
aufgezeichnet werden muß, was insbesonders dynamische bzw.
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kontinuierliche Messungen sehr erleichtert.
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Bei einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, daß die Dämpfung des Ausgangssignals einer übertragungsstrecke in
deren Innenraum die Probenpartikeln einbringbar sind und die vom Mikrowellen-Generator
mit einer bestimmten Frequenz angespeist wird, gemessen wird. Es kann auch hier
wiederum ein einfacher Mikrowellen-Generator, der einen bei einer festen Frequenz
schwingenden Oszillator hat, verwendet werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung werden die
Probenpartikeln mittels eines Trägers
aus verlustarmem Material
in das Mikrowelienfeld gebracht, wobei besonders vorteilhaft ist, wenn die Probenpartikeln
in kontinuierlicher oder zumindest quasikontinuierlicher Weise auf das Trägermaterial
aufgebracht und mit einer Abdeckung versehen werden und vorzugsweise sowohl Trägermaterial
als auch Abdeckung nach der Messung gereinigt und der Wiederverwendung zugeführt
werden. Prinzipiell wäre es natürlich auch möglich, die Probenpartikeln in Form
von Schwebeteilchen über eine Gasströmung in den Hohlraum-Resonator bzw. den Hohlleiter
einzubringen, wobei allerdings ebenfalls ein Hüllrohr von großem Vorteil ist, um
Verschmutzungen bzw.
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unkontrollierbare Strömungswege zu vermeiden. Besonders die Verwendung
eines Trägermaterials, auf welchem die Probenpartikeln beispielsweise elektrostatisch
aufgebracht sind, bietet jedoch den Vorteil, daß nach Reinigung desselben auf einfache
Weise Serienmessungen bzw.
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kontinuierliche Messungen durchgeführt werden können.
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Das Trägermaterial weist dabei ebenso wie die über den Probenpartikeln
aufgebrachte Abdeckung einen möglichst geringen Verlustwinkel für die eingekoppelte
Mikrowellenstrahlung auf, wodurch unerwünschte Leistungsverluste möglichst gering
gehalten werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin,
daß als Träger für die Probenpartikeln unmittelbar ein Teil einer Abgasnachbehandlungseinrichtung
einer Verbrennungskraftmaschine, vorzugsweise eine Partikelfalle in Form eines keramischen
Filters, verwendet wird. Damit ist beispielsweise auf sehr einfache Weise erstmals
die kontinuierliche Beobachtung der Partikelbeladung in Abgasnachbehandlungseinrichtun
gen möglich. Dabei kann die Partikelfalle wieder im Innenraum eines Hohlraum-Resonators
liegen, aus dessen Resonanzeigenschaften in oben beschriebener Art, die augenblickliche
Partikelbelegung der Partikelfalle (z.B.
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des Filters) bestimmt werden kann. Aus dem zeitlichen Verlauf dieser
Partikelbelegung kann auch die Menge der
pro Zeiteinheit von der
Verbrennungskraftmaschine ausgestoßenen Partikeln bestimmt werden. Ebenso kann damit
die Wirkung von Reinigungs- bzw. Regenerationsverfahren (z.B. Nachverbrennen der
Partikeln in einem keramischen Filter) beobachtet werden.
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Die Abgasnachbehandlungseinrichtung oder der die Partikelfalle beinhaltende
Teil dieser Einrichtung kann statt in einen Hohlraum-Resonator, natürlich in vorstehend
beschriebener Art auch in eine übertragungsstrecke des Mikrowellenfeldes gebracht
werden. Aus der Änderung des Übertragungsverhaltens dieser Strecke kann ebenfalls
die augenblickliche Partikelbelegung bestimmt werden.
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Diese Verfahren haben den großen Vorteil, daß mit ihnen die Funktion
von Abgasnachbehandlungseinrichtungen in situ und mit einem Echtzeit-Verfahren überprüft
werd.en können. Da die Partikelfallen häufig aus optisch undurchsichtigen Keramikfiltern
bestehen, welche für Mikrowellen aber fast vollkommen durchlässig sind, eignet sich
dieses Verfahren hervorragend zur kontinuierlichen Messung der Partikelbelegung
dieser keramischen Filter, und es wird das bisher durchgeführte komplizierte und
zeitraubende Ausbauen und Abwägen der Filter, welche auch gegen Feuchtigkeitsannahme
geschützt werden müssen, vermieden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispie le für Einrichtungen zur Anwendung des Verfahrens
näher erläutert: Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Fig. 2 zeigt ein Detail aus einem weiteren Ausführungsbeispiel und
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer anderen Einrichtung zur Anwendung des Verfahrens
pach der Erfindung
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist ein Mikrowellen-Generator 1 als sogenannter ldobbelsender ausgebildet, dessen
vorzugsweise im X-Band liegende Frequenzen (Um 10GHz) und Wobbelgeschwindigkeit
eingestellt werden können. Die vom Mikrowellen-Generator 1 gelieferte Mikrowellenenergie
gelangt über eie Abschwächereiheit 2 - diese weist in der Regel mehrere einzelne
Abschwächer auf, da damit auch große Dämpfungswerte noch präzise einstellbar sind
- sowie einen Frequenzmesser 3 zu einem Richtkoppler oder Zirkulator 4.
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Der Frequenzmesser 3 dient zur exakten Frequenzskalierung und besteht
üblicherweise aus einem Hohlleiter mit einem angekoppelten abstimmbaren Resonator,
der der Leitung bei seiner Resonanzfrequenz Energie entzieht. Die dadurch entstehenden
Einbrüche in der Frequenzkennlinie können als Frequenzmarken in die aufgenommene
Frequenz/ Leistungs-Kennlinie eingeblendet werden.
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über den Zirkulator 4 wird die Mikrowellenenergie vom Tor 5 zum Tor
6 gekoppelt, von wo ein Hohlraum-Resonator 7 über eine Kopplungseinrichtung 11 (z.B.
ein hier nicht dargestelltes Loch in einer der Resonatorwände) angespeist wird.
Das vom Hohlraum-Resonator 7 reflektierte Signal wird vom Zirkulator 4 vom Tor 6
zum Tor 8 gekoppelt und einem Detektor 9 zugeführt. Das Ausgangssignal des Detektors
9 sowie ein Referenzsignal des Mikrowellengenerators 1 werden an eine Auswerte-bzw.
Registriereinheit 10 weitergeleitet. Diese ist im einfachsten Fall ein x-y Schreiber.
Zur Echtzeitauswertung ist es jedoch vorteilhafter, die genannten Signale über Analogdigitalwandler
einer digitalen Weiterverarbeitung zuzuführen.
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In den Innenraum des Hoglraum-Resonators 7 sind auf hier nicht dargestellte
Weise Probenpartikeln, deren Menge bestimmt werden soll, einbringbar. Dadurch wird
das ohne Probenpartikeln im Hohlraum-Resonator vorhandene ursprüngliche elektromagnetische
Feldbild gestört, was über die Messung von Änderungen von Parametern des
elektromagnetischen
Feldes einen Rückschluß auf die Menge der in den Hohlraum-Resonator eingebrachten
Probenpartikeln erlaubt. Mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung kann beispielsweise
die Güteänderung des Hohlraum-Resonators bestimmt werden. Pro Mengenmessung müssen
dabei zwei Resonanzkurven aufgezeichnet werden.
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Eimal die Resonanzkurve des unbeladenen Resonators -d.h. des Resonators
ohne Probenpartikeln - und einmal die Resonanzkurve des Resonators mit den zu messenden
Probenpartikeln. Aus diesen beiden Kurven können in der Auswerteeinheit die Güte
QO 0 des ungestörten Resonators sowie die Güte Q des gestörten Resonators berechnet
und zum Beispiel aus dem Quotienten Qo/Q1 dieser beiden Größen die Masse der Probenpartikeln
eventuell mit Hilfe einer vorher bestimmten Zuordnung&funktion berechnet werden.
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Anstelle des in Fig. 1 als Abschlußresonator ausgebildeten Hohlraum-Resonators
7 kann auch ein Durchgangs-Resonator verwendet -werden, der neben einer Einkoppelungsvorrichtung
auch eine Auskoppelungsvorrichtung für Mikrowellenenergie aufweist, wodurch auch
der Zirkulator 4 entfallen könnte.
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In Fig. 2 ist ein Beispiel für die Einbringung der Probenpartikeln
in den Innenraum des Hohlraum-Resonators 7 dargestellt. An einer durch Pfeile 13
gekennzeichneten Stelle werden Probenpartikeln, wie beispiels weise partikelförmige
Verbrennungsrückstände von Verbrennungskraftmaschinen, auf ein bandförmiges Träger
material 12 aufgebracht, welches sich in Richtung des Teiles 14 über Rollen 15 bewegt.
Die Aufbringung kann beispielsweise elektrostatisch oder auf sonstige geeignete
Weise erfolgen. Über Schlitze 16 in der Wand des Hohlraum-Resonators 7 wird das
Trägermaterial 12 durch den Innenraum des Resonators geführt, wobei mit Hilfe einer
bandförmigen Abdeckung 17 eine Verunreinigung des Innenraumes des Resonators durch
vom Trägermaterial 12 abfallende Probenpartikeln verhindert wird Sowohl Trägermaterial
12 als auch Abdeckung 17 sind in Form
von Endlosbändern ausgeführt
und werden nach dem Durchgang der Probenpartikeln durch den Innenraum des Hohlraum-Resonators
-7 durch nur schematisch dargestllte Einrichtungen 18 gesäubert.
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Die dargestellte Einrichtung eignet sich insbesonders zur Durchführung
von raschen Messungen, wie sie beispielsweise zur Überwachung von dynamischen Vorgängen
- z.B. Bestimmung von Verbrennungsrückständen als Funktion der Drehzahl bei Verbrennungskraftmaschlnen
-erforderlich sind. Dazu ist allerdings die oben besprochene Art der Messung von
Änderungen des elektromagnetischen Feldes im Hohlraum-Resonator über die Gütebestimmung
desselben weniger geeignet, da die Aufnahme der gesamten Resonanzkurve doch gewisse
Zeit in Anspruch nimmt. Für derartige dynamische Messungen kann jedoch anstelle
der Güte messung des Hohlraum-Resonators beispielsweise eine Messung des reflektierten
Signals bei einer festen Frequenz durchgeführt werden, woraus ebenfalls auf die
im Resonator befindliche Menge an Probenpartikeln geschlossen werden kann. Der dazu
erforderliche Meßaufbau ist prinzipiell der gleiche wie in Fig.
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1 dargestellt, wobei für den Mikrowellengenerator 1 aber kein relativ
aufwendiger Wobbelsender mehr erforderlich ist, sondern mit einem einfachen Oszillator,
z.B. einem sogenannten Gunn-Oszillator, das Auslangen gefunden wird.
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In Fig. 3 ist eine weitere Möglichkeit zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens dargestellt, wobei als Mikrowellen-Generator 1 wiederum ein einfacher
Oszillator, der bei einer festen Frequenz schwingt, verwendet werden kann. über
einen Richtkoppler 19 und einen Detektor 20 wird ein Referenzsignal ausgekoppelt
und an einen Eingang (+) eines Differenzverstärkers 21 gelegt.
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Anstelle des bei den Ausführungen nach den Fig. 1 und 2 vorhandenen
Hohlraum-Resonator 7 ist hier eine z.B. als Hohlleiter 22 ausgebildete Übertragungsstrecke
vorgesehen, welche vom Mikrowellen-Generator 1 angespeist wird und deren Ausgangssignal
über einen einstellbaren Abschwächer 23 einem Detektor 24 zugeführt wird. Das Meß-
signal
des Detektors 24 liegt am anderen Eingang (-) des Differenzverstärkers 21.
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Die Probenpartikeln werden hier z.B. in einem Keramikfilter 25 in
der Übertragungsstrecke gesammelt, wodurch deren Ubertragungseigenschaften beeinflußt
werden und eine Dämpfung ihres Ausgangssignals auftritt. Der Abschwächer 23 wird
so eingestellt, daß zu einer Zeit t die vom Differenzverstärker 21 festgestellte
Signaldifferenz Null wird. Ändert sich nun die Partikelbelegung, so wird sich am
Ausgang des Differenzverstärkers 21 ein Meßsignal ergeben, das eine Funktion der
Menge nach der Zeit to eingebrachten Probenpartikeln ist.
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Anstelle der in Fig. 2 dargestellten Möglichkeit der Einbringung
der Probenpartikeln über bandförmiges und mit einer Abdeckung versehenes Trägermaterial
ist es auch möglich, die Probenpartikeln in Form von Schwebeteilchen über eine Gasströmung
in den Hohlraurn-Resonator bzw. in die Übertragungsleitung einzubringen. Um Ablagerungen
der Probenpartikeln in den Mikrowellen-Bauelementen zu verhindern, könnte dabei
der Gasstrom auch in einem verlustarmen Füllrohr geführt werden.
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