DE3322870C2

DE3322870C2 - Optoakustische Meßvorrichtung zum Bestimmen einer Partikelkonzentration

Info

Publication number: DE3322870C2
Application number: DE3322870A
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: 1985-12-12
Also published as: GB2123145A; JPS595939A; GB8317377D0; GB2123145B; US4594004A; DE3322870A1; JPS6321131B2

Abstract

Eine optoakustische Meßvorrichtung zum kontinuierlichen Bestimmen der Konzentration von in einem Gas enthaltenen Partikeln weist zwei Meßzellen (17, 18) auf, die parallel zueinander vom Licht eines Lasers (11) durchstrahlt werden. Der ersten Meßzelle (18) wird Gas ohne Teilchen zugeführt. Im optischen Weg (13, 14) vor jeder der beiden Meßzellen befindet sich ein Chopper (15, 16). Der erste Chopper (15) wird dabei mit einer Zerhackerfrequenz betrieben, die der Resonanzfrequenz der ersten Meßzelle entspricht, während die Zerhackerfrequenz des zweiten Choppers (16) der Reso nanzfrequenz der zweiten Meßzelle entspricht. Mit einer derartigen Meßvorrichtung läßt sich z.B. der Partikelanteil in Abgasen, z.B. von Fahrzeugen, bestimmen.

Description

der Fundamentalmode oder Mehrfachen davon entspricht. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, die Zerhackerfrequenz 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 des P.-obengases, dem Druck innerhalb der Zellen und dgl 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 Zelle 4, 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 ωο, bei der sich die Fundamentalmode der akustischen Wellen in einer Zelle ausbreitet ist durch folgende Gleichung gegeben:

wobei /die Länge der Zelle. P₀ den Druck innerhalb der Zelle, po 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 / übereinstimmen, da die anderen Größen Po, po und rder beiden Zellen voneinander unterschieden sind. Ganz allgemein fällt der akustische Druck erheblich ab, wenn sich die Chopperfrequenz von der Resonanzfrequenz entfernt, wie dies in F i g. 2 dargestellt ist Die Kurve 1 in F i g. 2 stellt zum Beispiel die Druck/Frequenz-Charakteristik eines Probengases A dar, das durch die Zelle 5 strömt, während Kurve 2 in F i g. 2 die Charakteristik für das Gas darstellt aus dem die Partikel entfernt worden sind und das durch die Zelle 4 strömt. Mit ω\ ist die Resonanzfrequenz des Probengases A durch die Zelle 5 und mit ωι die Resonanzfrequenz des Gases ohne Partikel durch die Zelle 4 bezeichnet. Die Resonanzfrequenzen der beiden Zellen 4 und 5 sind jedoch nicht immer (O\ bzw. e&2, sondern ändern sich um die Werte ot\ und 6>2 herum, wobei sich gleichzeitig die Druck/Frequenz-Charaktcristik ändert.

Es werde zum Beispiel ein zweites Probengas B ebenfalls mit der Chopperfrequenz a>\ gemessen. Das Probengas B soll dieselbe Partikelkonzentration und denselben Einfluß von Interferenzbestandteilen wie das Probengas A enthalten. Es stellt sich dann heraus, daß Kurven 1', 2' gemessen werden, die geringfügig nach rechts gegen die Kurven 1, 2 verschoben sind und daß für die Frequenz ω\ das Ausgangssignal für die Konzentration der Partikel P' wird, während es P für das Probengas Λ ist Im Beispielsfall ist das Ausgangssignal 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 co\ für das Probengas A geringfügig kleiner ist als für das Probengas 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 Chopperfrequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz gering, aber emfernt davon groß ist Daher kann nicht davon ausgegangen werden, daß die Partikelkonzentration dann genau gemessen wird, wenn die Chopperfrequenz auf die Resonanzfrequenz ω\ der ZeI-Ie 5 gesetzt wird. Dasselbe Problem tritt auf. wenn die Chopperfrequenz auf die Resonanzfrequenz t&i der anderen Zelle 4 oder auf eine gemittelie Frequenz zwischen den Resonanzfrequenzen <O\ und ah gesetzt wird. Diese Erkenntnis hat zu einer .anmeldegemäßen Vorrichtung geführt, wie sie nun in einem Beispiel anhand der F i g. 3 näher erläutert wird.

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 17 bzw. 18 vorhanden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind als Meßzellen solehe Zellen verwendet, die an beiden Enden von dem Laserstrahl durchstrahlt 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. 18 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 17i> 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/lie Partikel durch ein Filter 23 entfernt sind, wird in die zweite Zelle 18 durch einen Einlaß 18a eingelassen und wird von einem Auslaß 186 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 A/i und M₂ 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 Weg 14 entspricht dagegen der Resonanzfrequenz dieser zweiten Meßzelle. Bezogen auf F i g. 2 wird die Zerhackerfrequenz des Choppers 15 also zu a>\ gewählt und die Zerhackerfrequenz des Choppers 16 zu <W2. Die Chopperfrequenzen ω\ und on werden im allgemeinen dadurch eingestellt daß die Drehfrequenzen der Chopper 15 und 16 so lange verändert werden, bis die Ausgangssignale von den Mikrofonen 19 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 eingangs genannte Gleichung berechnet werden kann.

Die in die beiden Meßzellen 18 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 jeder der beiden Zellen dem Druck P₀ gemäß F i g. 2 entspricht. Daher kann die Konzentration von Partikeln korrekt gemessen werden, indem der Einfluß von Interferenzbestandteilen auf den

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Druck Po 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 Umgebungstöne möglichst gering ist, so daß sie auf diese Töne nicht ansprechen.

Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform wird :;

die Ausgangsleistung des Lasers 11 über Laser-Lei- j

stungsmeßeinrichtungen 29 gemessen, die hinter jeder io ^l

der beiden Zellen 17 bzw. 18 angeordnet sind. Das Licht -ρ

vom Laser 11 wird jeweils über eine Linse 26 auf jede |-

der Zellen fokussiert. Ij

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

Bei einer anmeldegemäßen Vorrichtung sind also

zwei Meßzeüen 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

1 2 Wenn die Teilchen, abhängig von der Modulation der Patentansprüche: Strahlen durch einen Chopper erwärmt oder gekühlt werden, entsteht ein Dnickwechsel innerhalb der Zelle.

1. Optoakustische Meßvorrichtung zum Besiim- Die Konzentration der Teilchen kann quantitativ ohne men der Konzentration von in einem Gas enthalte- 5 Verzögerung durch Messen dieses Druckwechsels über ner Partikel mit ein Mikrofon bestimmt werden. Das Prinzip dieses op-

toakustischen Effekts wurde praktisch schon bei Meß-

— einer ersten Meßzelle (17), der das die Teilchen vorrichtungen unter Verwendung eines Laserstrahls enthaltende Gas zugeführt wird, ausgenutzt Es ist jedoch unmöglich, eine Partikelkon-

— einer zweiten MeßzeUe (18), der das von den io zentration genau nur durch Messen des Druckwechsels Teilchen durch ein Filter (23) gereinigte Gas innerhalb einer Zelle zu bestimmen, der durch die einfalzugeführt wird, lenden Laserstrahlen erzeugt wird, da eine Interferenz

— jeweils einer Druckmeßeinrichtung (19, 20) in mit Bestandteilen des Probengases, wie zum Beispiel jeder der beiden Meßzellen, CaHg oder CO2 auftritt wodurch ebenfalls ein Druck-

— einem Laser (U) zum Durchstrahlen mir.de- 15 wechsel erzeugt wird.

stens der ersten MeßzeUe und Diese Interferenz ist durch eine Meßvorrichtung ge-

— einem ersten Chopper (15) vor der ersten Meß- maß F i g. 1 aufgehoben, bei der ein Chopper 3 und zwei zelle. optoakustische Zellen 4, S hintereinander im optischen

Weg 2 eines Laserstrahls von einem Laser 1 angeordnet

gekennzeichnetdurch 20 sind. Gas, das die zu bestimmenden Partikel enthält ist

in eine der Zellen, hier die Zelle 5 eingeführt während

— einen zweiten Chopper (16) zum Zerhacken von Gas, aus dem die Partikel entfernt sind, in die andere in die zweite Zelle geführtem Laserlicht und Zelle 4 geführt ist Der Einfluß aufgrund der Interferenz

— eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der bei- der Gasbestandteile ist dadurch ausgeglichen, daß das den Chopper in einer Weise, daß 25 Signal vom Mikrofon 6 in der Zelle 4 vom Signal vom

— der erste Chopper (15) das Laserlicht mit Mikrofon 7 in der Zelle 5 abgezogen wird. Die erste einer ersten Frequenz zerhackt, die der Re- MeßzeUe 4 und die zweite Meßzelle 5 sind über ein sonanzfrequenz der ersten Meßzelle ent- Filter 8 miteinander verbunden, das die.Teilchen aus spricht und dem der Zelle 5 zugeführten Teilchen enthaltenen Gas

— der zweite Chopper (16) das Laserlicht mit 30 herausfiltert.

einer zweiten Frequenz zerhackt, die der Es hat sich jedoch herausgestellt daß erhebliche

Resonanzfrequenz der zweiten MeßzeUe Streuungen auftreten, wenn die Konzentration ein und entspricht desselben Gases mit verschiedenen Vorrichtungen ge

messen wird. Unterschiedliche Meßvorrichtungen un-

2. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekenn- 35 terscheiden sich insbesondere durch unterschiedliche zeichnet daß für beide Meßzellen (17, 18) ein ge- Meßzellen.

meinsamer Laser (11) verwendet wird, dessen Laser- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine op-

strahl aufgespalten wird. toakustische Meßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- des Hauptanspruchs anzugeben, die genauere Messunzeichnet, daß der Ausgang (176, Mb) jeder der bei- 40 gen als die bisher genannte Vorrichtung gewährleistet
den Meßzellen (17,18) über jeweils ein Filter (21,24) Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden mit jeweils einer Pumpe (22,25) verbunden ist Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden An- Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüsprüche. dadurch gekennzeichnet, daß mindestens chen gekennzeichnet

eine der Meßzellen (17, 18) eine durchstrahlbare 45 Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch MeßzeUe ist und daß hinter dieser MeßzeUe ein La- Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näser-Leistungsmeßgerät (29) angeordnet ist, dessen her erläutert
Ausgangssignal zum Korrigieren des Meßsignals Es zeigt

dient F i g. 1 eine schematische Ansicht einer herkömmli-

50 chen Meßvorrichtung zum kontinuierlichen Bestimmen

der Konzentration von in einem Gas enthaltener Partikel.

F i g. 2 ein Diagramm über die Abhängigkeit des aku-

Die Erfindung betrifft eine optoakustische Meßein- stischen Drucks an einem bestimmten Ort in Abhängigrichtung zum kontinuierlichen Bestimmen der Konzen- 55 keit von der Zerhackerfrequenz eingestrahlten Lichts; tration von in einem Gas enthaltener Partikel gemäß und

dem Oberbegriff des Anspruchs 1. F i g. 3 eine schematische Ansicht einer erfindungsge-

»Partikel« bedeuten in diesem Fall Teilchen, wie sie mäßen optoakustischen Meßvorrichtung zum kontinu-

zum Beispiel in Rauch vorkommen. Die Meßvorrich- ierlichen Bestimmen der Konzentration von in einem

tung dient beispielsweise zum Bestimmen der Konzen- 60 Gas enthaltener Partikel.

tration von Rauchbestandteilen im Abgas eines Wagens Die dem Anmeldegegenstand zugrundeliegende Er-

oder dergleichen. kenntnis wird nun anhand von F i g. 2 erläutert Es wur-

Die aus der US-PS 42 53 770 bekannte optoakusti- de festgestellt, daß der akustische Druck sich innerhalb

sehe Meßvorrichtung eignet sich nicht zur Untersu- der Zelle von Ort zu Ort aufgrund sich ausbreitender

chung von Aerosolen sondern lediglich von Gasen. 65 akustischer Wellen ändert Die Mikrofone 6 bzw. 7 soll-

Das Einfallen von Lichtstrahlen auf eine Zelle, die ten an Stellen höchsten Drucks angeordnet sein. Zu die-

Partikel enthält, führt zur Absorption dieser Strahlen sem Zweck ist es erforderlich, innerhalb jeder Zelle 4

durch die Teilchen und dadurch zu deren Erwärmung. bzw. 5 stehende Wellen zu erzeugen, deren Frequenz