DE3322870A1

DE3322870A1 - Optoakustische messvorrichtung zum bestimmen einer partikelkonzentration

Info

Publication number: DE3322870A1
Application number: DE19833322870
Authority: DE
Inventors: Kozo Ishida; Junji Okayama; Kunio Kyoto Otsuki
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1982-07-03
Filing date: 1983-06-24
Publication date: 1984-01-05
Also published as: JPS595939A; GB2123145A; US4594004A; DE3322870C2; GB2123145B; JPS6321131B2; GB8317377D0

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine optoakustische Meßeinrichtung zum kontinuierlichen Bestimmen der Konzentration von in einem Gas enthaltener Partikel.

"Partikel" bedeutet in diesem Fall Teilchen, wie sie zum Beispiel in Rauch vorkommen. Die Meßvorrichtung dient zum Beispiel zum Bestimmen der Konzentration von Rauchbestandteilen im Abgas eines Wagens oder dergleichen.

Das Einfallen von Lichtstrahlen auf eine Zelle, die PartiVel enthält, führt zur Absorption dieser Strahlen durch die Teilchen und dadurch zu deren Erwärmung. Wenn die Teilchen, athängig von der Modulation der Strahlen durch einen Choppe r erwärmt oder gekühlt werden, entsteht ein Druckwechsel innerhalb der Zelle. Die Konzentration der Teilchen kann quantitativ ohne Verzögerung durch Messen dieses Druckwechsels über ein Mikrofon bestimmt werden. Das Prinzip dieses opto· akustischen Effekts wurde praktisch schon bei Meßvorrichtungen unter Verwendung eines Laserstrahls ausgenutzt. Es 1st jedoch unmöglich, eine Partikelkonzentration genau nur durch Messen des Druckwechsels innerhalb einer Zelle zu b<stimmen, der durch die einfallenden Laserstrahlen erzeugt wird, da eine Interferenz mit Bestandteilen des Probengases, wie zum Beispiel CUHg oder CO₂ auftritt, wodurch ebenfalls ein Druckwechsel erzeugt wird.

Diese Interferenz ist durch eine Meßvorrichtung gemäß Pig, I aufgehoben, bei der ein Chopper 3 und zwei optoakustische Zellen 4, 5 hintereinander im optischen Weg 2 eines Laser Strahls von einem Laser 1 angeordnet sind. Gas, das die zl bestimmenden Partikel enthält, ist in eine der Zellen, hi^r die Zelle 5 eingeführt, während Gas, aus dem die Partikel

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entfernt sind, in die andere Zelle k geführt ist. Der Einfluß aufgrund der Interferenz der Gasbestandteile ist dadurch ausgeglichen, daß das Signal vom Mikrofon 6 in der Zelle 4 vom Signal vom Mikrofon 7 in der Zelle 5 abgezogen wird. Die erste Meßzelle 4 und die zweite Meßzelle 5 sind über ein Filter 8 miteinander verbunden, das die Teilchen aus dem der Zelle 5 zugeführten Teilchen enthaltenen Gas herausfiltert.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß erhebliche Streuungen auftreten, wenn die Konzentration ein und desselben Gases mit verschiedenen Vorrichtungen gemessen wird. Unterschiedliche Meßvorrichtungen unterscheiden sich insbesondere durch unterschiedliche Meßzellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optoakustische Meßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs anzugeben, die genauere Messungen als die bisher bekannte Vorrichtung gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Lösung ist im Hauptanspruch kurzgefaßt wiedergegeben. Sie besteht darin, daß die beiden Meßzellen parallel zueinander angeordnet werden und jede mit einem Laserstrahl durchstrahlt wird, der durch einen Chopper mit einer Frequenz zerhackt ist, die der Resonanzfrequenz der jeweiligen Meßzelle, entspricht.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen naher erläutert.

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Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisohe Ansicht einer herkömmlichen Meßvorrichtung zum kontinuierlichen Bestimmen der Konzentration von in einem Gas enthaltener Partikel;

Fig. 2 ein Diagramm über die Abhängigkeit des akustischen Drucks an einem bestimmten Ort in Abhängigkeit von der Zerhackerfrequenz eingestrahlten Lichts; und

10 Fig. 3

eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäi3en optoakustischen Meßvorrichtung zum kontinuierlichen Bestimmen der Konzentration von in einei. Gas enthaltener Partikel.

Die dem Anmeldegegenstand zugrundeliegende Erkenntnis wir' nun anhand von Fig. 2 erläutert. Es wurde festgestellt, dtß der akustische Druck sich innerhalb der Zelle von Ort zu Ort» aufgrund sich ausbreitender akustischer Wellen ändert. Die Mikrofone 6 bzw. 7 sollten an Stellen höchsten Drucks angeordnet sein. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, innerhaJb jeder Zelle 4 bzw. 5 stehende Wellen zu erzeugen, deren Frequenz der Fundamentalmode oder Mehrfachen davon entspracht, Zu diesem Zweck ist es erforderlich, die Zerhackerfrequen des Choppers 3 auf die Frequenz einzustellen, die der Fundamentalmode bzw. Vielfachen davon entspricht, d. h. auf die Resonanzfrequenz. Die Erfinder haben jedoch erkannt, daß es sehr schwierig ist, zwei hintereinander geordnete Zellen 4 und 5 auszuwählen, deren Resonanzfrequenz und damit deren Druck-Frequenzcharakteristiken übereinstimmen. Die Charakteristiken streuen abhängig von der Zusammensetzung

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des Probengases, dem Druck innerhalb der Zellen und dergl. Mit dem eingangs angegebenen Gerät ist es daher unmöglich, die Konzentration von Partikeln genau zu messen, da die Chopperfrequenz in beiden Zellen 4 und 5 dieselbe ist und daher ein Wechsel in der Druckcharakteristik der Zelle4, der durch einen Wechsel im Druck in der Zelle 4 hervorgerufen wird, erheblich unterschiedlich ist von einem Wechsel in der Zelle 5· Dies wird im folgenden näher erläutert.

Die Resonanzfrequenz Gu ₀, bei der sich die Fundamentalmode der akustischen Wellen in einer Zelle ausbreitet, ist durch folgende Gleichung gegeben:

0ü_o*(rP₀/_U)^1/2/ 2 Z,

wobei Z die Länge der Zelle, P₀ den Druck innerhalb der Zelle, 5 ₀ die Dichte des die Zelle durchströmenden Gases und r das Verhältnis der spezifischen Wärmen angibt. Die Resonanzfrequenzen und damit auch die Druck/Frequenz-Charakteristiken der Zellen 4 und 5 sind daher auch dann nicht gleich, wenn die beiden Längen Z übereinstimmen, da die anderen Größen P₀, ξ _Q und r der beiden Zellen voneinander unterschieden sind. Ganz allgemein fällt der akustische Druck erheblich ab, wenn sich die Chopperfrequenz von der Resonanzfrequenz entfernt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Die Kurve 1 in Fig. 2 stellt zum Beispiel die Druck/Frequenz-Charakteristik eines Probengases A dar, das durch die Zelle 5 strömt, während Kurve 2 in Fig. 2 die Charakteristik für das Gasjdarstellt, aus dem die Partikel entfernt worden sind und das durch die Zelle 4 strömt. Mit Co -, ist die Resonanzfrequenz des Probengases A durch die Zelle 5 und mit Co _? die Resonanzfrequenz des Gases ohne Partikel durch die Zelle 4 bezeichnet. Die Resonanzfrequenzen der beiden Zellen 4 und 5 sind jedoch nicht immer Cu₁

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ο ^ ο ο ο ¹^ 0 0 /ZO /

sondern ändern sich um die Werte ω. und α? ρ herum, wobei sich gleichzeitig die Druck/Prequenz-Charakteristik ändert.

Es werde zum Beispiel ein zweites Probengas B ebenfalls nnfc der Chopperfrequenz Co-, gemessen. Das Probengas B soll di ■-selbe Partikelkonzentration und denselben Einfluß von Interferenzbestandteilen wie das Probengas A enthalten. Es stellt sich dann heraus, daß Kurven 1*, 2¹ gemessen werden, die geringfügig nach rechts gegen die Kurven 1, 2 verschoben sind und daß für die Frequenz o> -, das Ausgangssignal für die Konzentration der Partikel p' wird, während es P für das Probengas A ist. Im Beispielsfall ist das Ausgangosignal für das Probengas B größer als das für das Gas A, obwohl die Partikelkonzentration in beiden Gasen dieselbe ist. Dies rührt daher, daß das Ausgangssignal für das Probengas B von der Zelle 5 bei der Resonanzfrequenz cv , für das Probengas A geringfügig kleiner ist als für das Proben gas A, aber daß das Ausgangssignal für das Probengas B in der Zelle 4 erheblich geringer ist als das Ausgangssignal für das Probengas A.Dies rührt daher, daß die Änderung im Ausgangssignal aufgrund einer Änderung der Chopperfrequen in der Nähe der Resonanzfrequenz gering,aber entfernt davon groß ist. Daher kann nicht davon ausgegangen werden, daß die Partikelkonzentration dann genau gemessen wird, wenn die Chopperfrequenz auf die Resonanzfrequenz uj , der Zelle gesetzt wird. Dasselbe Problem tritt auf, wenn die Chopperfrequenz auf die Resonanzfrequenz <jj _? der anderen Zelle blöder auf eine gemittelte Frequenz zwischen den Resonanzfrequenzen COi und co« gesetzt wird.

Diese Erkenntnis hat zu einer anmeldegemäßen Vorrichtung geführt, wie sie nun in einem Beispiel anhand der Fig. 3 näier erläutert wird.

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Ein Laserstrahl von einem Laser 11 wird durch einen Strahlteiler 12 in zwei optische Wege 13 und 14 aufgeteilt. Die Aufteilung kann auch durch zwei optische Fasern ohne Strahlteiler 12 erfolgen, oder es können zwei Laser verwendet werden. In jedem der beiden optischen Wege 13 und 14 sind ein Chopper 15 bzw. 16 und eine optoakustische Meßzelle bzw. 18 vorhanden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind als Meßzellen solche Zellen verwendet, die an beiden Enden von dem Laserstrahl durchstranlt werden können. Es können jedoch auch einseitig geschlossene Zellen verwendet werden. Jeweils ein Mikrofon 19 bzw. 20 ist in der Mitte jeder der Zellen 17 bzw. 13 angeordnet, um den höchsten akustischen Druck in der Fundamentalmode zu messen. Das Partikel enthaltende Gas wird der ersten Zelle 17 über einen Einlaß 12a zugeführt und wird von einem Auslaß 17b durch ein Filter 21 und eine Venturi-Röhre 30 durch eine Pumpe 22 abgesaugt. Das Filter 21 dient gleichzeitig dazu, Druckstörungen von der Pumpe 22 vom Mikrofon 19 abzuhalten. Gas, von dem die Partikel durch ein Filter 23 entfernt sind, wird in die zweite Zelle 18 durch einen Einlaß 18a eingelassen und wird von einem Auslaß 18b durch ein Filter 24 und eine Venturi-Röhre 31 durch eine Pumpe 25 abgesaugt. Dieses Filter 24 an der zweiten Meßzelle wirkt wie das Filter 21 an der ersten Meßzelle.

Die Chopper 15 und 16 werden durch Gleichspannungsmotoren M-, und Mp angetrieben. Die Chopperfrequenzen können jeweils für sich über eine Steuereinrichtung zum Einstellen der Gleichspannung eingestellt werden.

Die Chopperfrequenz des der ersten Meßzelle zugeordneten Choppers 15 wird so eingestellt, daß sie der Resonanzfrequenz dieser Zelle entspricht. Die Zerhackerfrequenz des zweiten Choppers 16 vor der zweiten Meßzelle 18 im optischen

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Weg 14 entspricht dagegen der Resonanzfrequenz dieser zweiten Meßzelle. Bezogen auf Fig. 2 wird die Zerhackerfrequenz des Choppers 15 also zu oj , gewählt und die Zerhackerfrequenz des Choppers 16 zu co ₂· Die Chopperfrequenzen 6t> , und co ₂ werden im allgemeinen dadurch eingestellt, daß die Drehfrequenzen der Chopper 15 und 16 so lange verändert werden, bis die Ausgangssignale von den Mikrofoner und 20 am größten sind. Es ist jedoch nicht erforderlich, die Drehfrequenzen der Chopper über einen weiten Bereich zu ändern, da die Resonanzfrequenz in etwa durch die eingang", genannte Gleichung berechnet werden kann.

Die in die beiden MeßzelieiTlB^und 17 geleiteten Laserstrahlen werden also mit der jeweiligen Resonanzfrequenz der zugehörigen Zelle zerhackt. Dadurch bildet sich innerhalb jeder Zelle die Fundamentalmode (oder höhere Moden) in jeder der Zellen aus, wodurch das Ausgangssignal in jederder beiden Zellen dem Druck P_Q gemäß Fig. 2 entspricht. Daher kann die Konzentration von Partikeln korrekt gemessen werden, indem der Einfluß von Interferenzbestandteilen auf den Druck P_Q eliminiert wird.

Es ist von Vorteil, Mikrofone 19 und 20 zu verwenden, die in der Nähe der Resonanzfrequenz der Zellen am empfindlichsten sind. Dabei werden die Mikrofone 19 und 20 vorteilhafterweise so gewählt, daß ihre Empfindlichkeit für Umgebung^töne möglichst gering ist, so daß sie auf diese Töne nicht ansprechen.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform wird die Ausgangsleistung des Lasers 11 über Laser-Leistungsmeßeinrichtungen 29 gemessen, die hinter jeder der beiden ZeI-len 17 bzw. 18 angeordnet sind. Das Licht vom Laser 11 wird jeweils über eine Linse 26 auf jede der Zellen fokussiert,

q q ο ο ρ 7 η

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Die Zellen weisen auf beiden Seiten jeweils ein Brewster-Penster 28 auf. Es sind weiterhin Einlasse 27 für Ausblasluft vorhanden.

Bei einer anmeldegemäßen Vorrichtung sind also zwei Meßzellen vorhanden, die mit Laserlicht bestrahlt werden, das jeweils mit einer Frequenz entsprechend der Resonanzfrequenz der jeweiligen Zelle zerhackt wird. Dadurch bildet sich in jeder Zelle die akustische Fundamentalmode oder eine höhere Mode aus. Bei diesen Moden ist der akustische Druck, der von einem Mikrofon innerhalb jeder Zelle gemessen wird, am höchsten. Die Konzentration von Partikeln in einem Gas kann daher durch die Differenz der Signale von den beiden Mikrofonen gemessen werden. Selbst dann, wenn die Länge der einen Zelle etwas von der Länge der anderen Zelle abweicht, beeinflußt dies die Messung nicht, da die jeweils zugehörige Resonanzfrequenz wieder durch Einstellen der Zerhackerfrequenz der Laserstrahlen einjustiert werden kann. Mechanische Abweichungen in den Zellen haben daher keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit. Die Zellen lassen sich daher verhältnismäßig einfach herstellen.

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Claims

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TER MEER-MULbER-STElNMEISTER

PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Dip!.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-lng. H, Steinmeister Triftstrasse 4 ' Artur-Ladebeck-Strasse Si

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-480O BIELEFELD 1

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HO-117 24. Juni 1983

HORIBA₁ LTD.

2 Miyanohigashi-machi, Kissyoin, Minami-ku, Kyoto, Japan

Optoakustische Meßvorrichtung zum Bestimmen einer Partikelkonzentration

Priorität: 3. Juli 1982, Japan, Nr. 57-U6W

PATENTANSPRÜCHE '

[ 1./ Optoakustische Meßvorrichtung zum Bestimmen der Konzen- ' tration von in einem Gas enthaltener Partikel mit

- einer ersten Meßzelle (17), der das die Teilchen enthaltende Gas zugeführt wird,

- einer zweiten Meßzelle (18), der das von den Teilche t durch ein Filter (23) gereinigte Gas zugeführt wird,

- jeweils einer Druckmeßeinrichtung (19> 20) in jeder der beiden Meßzellen,

- einem Laser (11) zum Durchstrahlen mindestens der ersten Meßzelle und

- einem ersten Chopper (15) vor der ersten Meßzelle,

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gekennzeichnet durch

- einen zweiten Chopper (16) zum Zerhacken von in die zweite Zelle geführtem Laserlicht und

- eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der beiden Chopper in einer Weise, daß

— der erste Chopper (15) das Laserlicht mit einer ersten Frequenz zerhackt, die der Resonanzfrequenz der ersten Meßzelle entspricht und

-- der zweite Chopper (16) das Laserlicht mit einer zweiten Frequenz zerhackt, die der Resonanzfrequenz der zweiten Meßzelle entspricht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für beide Meßzellen (17, 18) ein gemeinsamer Laser (11) verwendet wird, dessen Laserstrahl aufgespalten wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (17b, 18b) jeder der beiden Meßzellen (17, 18) über jeweils ein Filter (21, 24) mit jeweils einer Pumpe (22, 25) verbunden ist.

k. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Meßzellen (17, 18) eine durchstrahlbare Meßzelle ist und daß hinter dieser Meßzelle ein Laser-Leistungsmeßgerät (29) angeordnet ist, dessen Ausgangssignal zum Korrigieren des Meßsignals dient.