DE4003176A1 - Vorrichtung zum messen der zusammensetzung von fluiden, insbesondere der bestandteile von abgasen von brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Vorrichtung gemäß der Gattung des Hauptanspruchs aus. Bei einer solchen durch die DE-OS 20 22 736 bekannten Vorrichtung führen die lichtleitenden Körper zu räumlich sehr stark voneinander abweichenden Orten, wobei die lichtleitenden Körper flexibel ausgebildet sind. Die Einrichtung ist dabei so aus­ gebildet, daß ein Teil der lichtleitenden Körper zusammen mit der reflektierenden Anordnung in das zu messende Medium eingetaucht wird. Es wird zwar auch vorgeschlagen, die einzelnen Komponenten der gattungsgemäßen Art in einer einzigen Anordnung zusammenzufassen derart, daß man eine kompakte Anordnung erhält, doch ergibt sich hier die Schwierigkeit, daß die Lichtquelle nicht nur den Referenz­ lichtempfänger unmittelbar beaufschlagt, sondern auch den Meß­ streckenlichtempfänger, was zu einer Verfälschung des Meßergebnisses führen würde.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat demgegenüber den Vorteil, daß sie sehr kompakt aufgebaut ist und unter Ausschaltung von Streulicht sehr empfindlich arbeitet und genaue Meßergebnisse ergibt.

Durch die Unteransprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gekennzeichnet. Gemäß den Ansprüchen 2 und 3 wird in vorteilhafter Weise ein Meßfehler dadurch vermieden, daß entweder die Lichtquelle auf einen konstanten Wert geregelt wird oder die tatsächliche Lichtemission unmittelbar mit dem Meßwert des Meßstreckenlichtempfängers verglichen wird. Dabei kann ein Abfall der Lichtleistung der Lichtquelle direkt kompensiert werden.

Durch die Ausgestaltung gemäß Anspruch 4 wird erreicht, daß das von der Lichtquelle abgegebene Licht sehr genau erfaßt wird, da eine Verteilung des Referenzlichtempfängers auf mehrere Empfänger die räumlich abgestrahlte Lichtleistung exakter erfassen kann.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 5 erhält man einen statistischen Mittelwert des Meßergebnisses, wobei Einflüsse, die die Lichtleitung in nur einer Richtung beeinflussen und vor allem Wärmeeinflüsse, die einseitig auftreten können, kompensiert werden können.

In vereinfachter Weise läßt sich das auch mit der Ausgestaltung nach Anspruch 6 erreichen, wobei in beiden Fällen auch Einflüsse der Bauelemente, Lichtquelle bzw. Lichtempfänger langfristig berücksich­ tigt werden können und Driftabweichungen klein gehalten werden, die z. B. auf Alterungseinflüsse zurückzuführen sind. Vorzugsweise wird aber eine gleichmäßige thermische Belastung der optisch aktiven Bauteile, Lichtquelle bzw. Lichtempfänger erzielt, was Drift­ erscheinungen wiederum reduziert.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 7 lassen sich vorteilhaft Bestandteile in den Fluiden ermitteln, die eine spezifische Licht­ absorption des sie bestrahlenden Lichtes bewirken. Durch die Ver­ wendung unterschiedlicher Lichtwellenlängen lassen sich selektiv und genau die Bestandteile in den Fluiden messen, die besonders inten­ sive Rückwirkungen auf diese jeweiligen Lichtwellenlängen haben.

Dabei kann die jeweilige Lichtquelle aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften bei Anregung die spezielle Lichtquellenemission ver­ stärkt erzeugen oder es wird die spezielle Lichtquellenemission durch Nachschalten von optischen Filtern bewirkt. Das Entsprechende gilt für die Lichtempfänger.

In vorteilhafter Weise erfolgt auch eine Ausgestaltung nach Anspruch 9, dabei ergibt sich insgesamt eine sehr kompakte Anordnung der Vorrichtung, die auch bei hohen Abgastemperaturen einsetzbar ist, wenn temperaturbeständige lichtleitende Körper aus Glas verwendet.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung der Vorrichtung im Längsschnitt und Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 1 entlang der Schnittlinie II-II.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein Abgasrohr 1 wiedergegeben, das mit dem Auspuffsystem einer Brennkraftmaschine verbunden wird. In das Abgasrohr sind zwei diametral gegenüberliegende Öffnungen 2 und 102 vorgesehen, von denen aus jeweils ein lichtleitender, stab­ förmiger Körper abführt. Dieser kann z. B. aus Glas, Glasfaser oder einem anderen lichtleitenden Material bestehen. Dabei ist der eine lichtleitende Körper 10 durch eine lichtundurchlässe Schicht 3, die z. B. eine Metallfolie, ein Blech oder im dem Auspuff abgewandten Teil eine lichtundurchlässige Kunststoffschicht oder -folie sein kann, in zwei Hälften geteilt derart, daß ein stabförmiger erster lichtleitender Körper 4 und ein zweiter lichtleitender Körper 5 entstehen, die sich parallel zueinander optisch getrennt, stabförmig in Längsrichtung erstrecken. An dem abgasrohrentfernten Ende der lichtleitenden Körper 4, 5 münden diese in ein Gehäuse 6, das licht­ dicht im Innern eine erste Kammer 8 und eine zweite Kammer 9 ein­ schließt. Das Gehäuse kann dabei z. B. aus Metall bestehen. Die beiden Kammern werden zum Teil durch das aus dem lichtleitenden Körper endseitig herausgeführte Ende des Metallblechs 3 lichtdicht voneinander getrennt. Dabei mündet in die erste Kammer 8 der erste lichtleitende Körper 4 und in die zweite Kammer 9 der zweite licht­ leitende Körper 5. Auf der der Stirnseite 11 des ersten lichtleiten­ den Körper 4 in der ersten Kammer 8 gegenüberliegenden Stirnwand 12 des Gehäuses ist eine steuerbare Lichtquelle 14 angeordnet, die als Lichtsender dient. Bei dieser Lichtquelle kann es sich um eine Leuchtdiode handeln, die auf einen die Stirnseite 12 bildenden Metallboden 15, vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer, angeordnet ist. Dem Schnitt durch das Gehäuse 6 gemäß Fig. 2 ist entnehmbar, daß außer der Lichtquelle, dieser nebengeordnet, ein Referenzlicht­ empfänger 17 angeordnet ist, der auch ein lichtempfindlicher Halb­ leiter sein kann. Vorzugsweise ist außer dem einen Referenzlicht­ empfänger noch wenigstens ein weiterer Referenzlichtempfänger 17′ vorgesehen. Lichtquelle 14 und Referenzlichtempfänger 17, 17′ liegen dicht dem Metallblech 3 gegenüber. Auf der anderen Seite des Metall­ bleches in der zweiten Kammer 9 ist ein Meßstreckenlichtempfänger 18 angeordnet, der ebenfalls auf dem durchgehenden Metallboden 15 angeordnet ist und welcher der in die zweite Kammer 9 weisenden Stirnseite 20 des zweiten lichtleitenden Körpers 5 gegenüberliegt. Auf der Seite des Abgasrohres 1 münden der erste lichtleitende Körper 4 und der zweite lichtleitende Körper 5 rechtwinklig in das Innere des Gasrohres derart, daß die dortigen Stirnseiten 21 und 22 etwa am Innendurchmesser des Abgasrohres enden. Gegenüberliegend führt in gleicher Weise der andere lichtleitende Körper 23 ab, der als reflektierende Anordnung ausgebildet ist mit einer Retro­ reflexionsfläche 24 in Form eines 90° Kegels.

Der Vorrichtung ist ferner noch eine Auswerteschaltung 26 zugeord­ net, die über Leitungsverbindungen 27, 28 mit der Lichtquelle 14, den Referenzlichtempfänger 17, 17′ und dem Meßstreckenlicht­ empfänger 18 verbunden ist.

Im Betrieb der Vorrichtung wird das Abgasrohr 1 vom Abgas einer Brennkraftmaschine durchströmt, das eine zu messende Konzentration von Bestandteilen enthält, die z. B. Schadstoffen wie NOX, CH, CO oder sonstige aus der Verbrennung herrührende chemische Verbin­ dungen, insbesondere aber Rußpartikel sein können. Solche Bestand­ teile von Gasen beeinflussen Licht, das durch das Abgas hindurch­ geschickt wird derart, daß bestimmte Anteile des Lichtes je nach Eigenschaften der Verunreinigungen bzw. Bestandteile des Abgases mehr oder weniger stark absorbieren. Diese durch die sogenannte Trübung des Abgases hervorgerufene Veränderung des durch das Abgas geschickten Lichtes ermöglicht es, aus dem resultierenden Licht Rückschlüsse auf die Bestandteile des Abgases zu ziehen. Dabei kann die Ausgangsintensität des Lichtes nicht nur reduziert werden, sondern es kann auch die spektrale Zusammensetzung des Lichtes ver­ ändert werden, aufgrund bestimmter Absorptionsfähigkeiten der im Abgas vorhandenen Bestandteile. Mit Hilfe der Auswerteschaltung und der Veränderung des Lichtes in Bezug auf den ursprünglichen Zustand läßt sich somit in einfacher Weise berührungslos und ohne weitere andere Analyseverfahren eine Aussage über die Bestandteile im Abgas erzielen. Im Betrieb wird mit der oben beschriebenen Einrichtung von der Lichtquelle 14 ein hingehender Lichtstrahl 32 senkrecht durch die Stirnfläche 11 in den ersten lichtleitenden Körper 4 geschickt, der auf der gegenüberliegenden Stirnseite 22 rechtwinklig wieder austritt und im wesentlichen diametral durch das Abgasrohr, das mit seinem größten Durchmesser eine Meßstrecke 29 an dieser Stelle bildet, hindurchtritt. Gegenüberliegend tritt das Licht rechtwinklig auf der Stirnseite 30 des anderen lichtleitenden Körpers 23 ein und wird an dessen Retroreflexionsflächen 24 jeweils um 90° gedreht und quer zu seiner ursprünglichen Richtung versetzt wieder zurück in das Abgasrohr 1 reflektiert. Von dort tritt der reflektierte Licht­ strahl 31 rechtwinklig in die Stirnseite 21 des zweiten lichtleiten­ den Körpers 5 ein, durchläuft diesen und tritt an dessen Stirn­ seite 20 in die zweite Kammer 9 ein, wo er auf den Meßstreckenlicht­ empfänger 18 trifft. Der hingehende Lichtstrahl 32 durchläuft dabei einmal die Meßstrecke 29, die dann in gleicher Länge auch der reflektierte Lichtstrahl 31 durchläuft. Die Veränderung, die der Lichtstrahl auf diesem Wege erfährt, kann nun im Empfänger als eine gegenüber der Ausgangslichtintensität der Lichtquelle 14 veränderte Lichtintensität ermittelt werden.

Um ein exaktes Meßergebnis zu erzielen, bieten sich drei Möglich­ keiten an. Die eine besteht darin, daß die Ausgangslichtintensität der Lichtquelle auf einen konstanten Wert geregelt wird. Dazu ist in der ersten Kammer 8 der Referenzlichtempfänger 17 vorgesehen. Dieser erfaßt unmittelbar die abgestrahlte Lichtintensität. In der Aus­ werteschaltung wird das Meßergebnis des Referenzlichtempfängers mit einem Sollwert verglichen und je nach Abweichung vom Sollwert die Lichtemission der Lichtquelle nachgeregelt, indem z. B. der Strom­ fluß durch die Leuchtdiode erhöht wird. Bei einer somit auf eine konstante Lichtemission geregelten Lichtquelle kann diese Licht­ emission einem bestandteilfreien Gas im Abgasrohr gleichgesetzt werden. Der Meßwert, der dann vom Meßstreckenlichtempfänger 18 ermittelt wird, kann unmittelbar als Meßergebnis für den Trübungs­ grad oder für den Grad an Belastung des Abgases durch bestimmte Bestandteile verwertet werden.

Ein anderer Weg, ein genaues Meßergebnis zu erzielen, besteht darin, daß die regelbare Lichtquelle durch das Vergleichsergebnis zwischen einem Sollwert und dem Ausgangssignal des Meßstreckenlichtempfängers gesteuert wird. Auf diese Weise wird das Ausgangssignal auf einem konstanten Wert gehalten und es entspricht dann die durch den Referenzlichtempfänger ermittelbare Lichtemission der Lichtquelle dem Grad an Abgastrübung bzw. dem Grad an Belastung des Abgases durch bestimmte Bestandteile.

Schließlich kann die Messung auch so erfolgen, daß die Lichtquelle nicht geregelt wird, daß aber die Ausgangslichtemission der Licht­ quelle durch den Referenzlichtempfänger ermittelt wird und der von diesem abgegebene Wert mit dem des Meßstreckenlichtempfängers verglichen wird. Das Vergleichsergebnis führt dann ebenfalls zu einem Ausgangswert, der der Abgastrübung bzw. der Belastung des Abgases durch Bestandteile entspricht.

Wird mit Hilfe des Lichtstrahles das Abgas auch auf Bestandteile geprüft, die eine besondere Absorptionsfähigkeit von Licht im Bereich von bestimmten Lichtwellenlängen besitzt, so kann zur gezielten Erfassung dieser Bestandteile die Lichtquelle auch über­ wiegend im Bereich dieser Lichtwellen ihre Lichtemission erzeugen. Dies geschieht entweder durch geeignete Auswahl der Lichtquelle, die dann ein bestimmtes Lichtspektrum aufweist oder aber es wird der Lichtquelle ein Filter 33 nachgeschaltet, wie er gestrichelt in der Fig. 1 eingezeichnet ist. In dem Falle kann auch der Meßstrecken­ lichtempfänger 18 eine bestimmte Empfindlichkeit im Spektralbereich des Lichtes aufweisen oder durch ein vorgeschaltetes Filter 34 dafür besonders empfindlich gemacht werden. In bestimmten Fällen genügt es auch, daß nur an einer der Komponenten, Lichtquelle oder Meß­ streckenlichtempfänger, ein solcher Filter vorgesehen ist. Der der Lichtquelle zugeordnete Referenzlichtempfänger ist dann ebenfalls mit einem solchen Filter ausgestattet.

Statt einer einzigen Lichtquelle mit einem allgemeinen Lichtspektrum können auch mehrere Lichtquellen mit einem jeweils speziellen Licht­ spektrum in ihrer Lichtemission vorgesehen werden. Dies gilt auch für die Empfängerseite. Je nach Bedarf kann eine oder mehrere dieser Lichtquellen und Empfänger zugleich betrieben werden. Über eine entsprechend ausgestaltete Auswerteschaltung können dann die einzelnen von den Meßstreckenlichtempfängern bzw. von den Referenz­ lichtempfängern abgegebenen Ausgangswerte selektiv ausgewertet werden.

In der Fig. 2 ist eine Ausgestaltung gezeigt, bei der der Licht­ quelle 14 mehrere Referenzlichtempfänger 17 zugeordnet sind. Mit dieser Zuordnung lassen sich in vorteilhafter Weise die Licht­ emissionen der Lichtquelle genauer erfassen, indem ihre räumliche Abstrahlung berücksichtigt wird.

Um Drifterscheinungen beim Messen zu vermeiden ist es u. a. auch wichtig, daß die Temperaturen von Referenzlichtempfänger und Meßstreckenlichtempfänger annähernd gleich sind. Um dieses auf einfache Weise zu erzielen, werden bereits die Lichtquelle und -empfänger auf den gemeinsamen gut wärmeleitenden Metallboden 15 gesetzt, über den ein Temperturausgleich erfolgt. Es ist ferner möglich, in jeder der Kammern 8 und 9 sowohl eine Lichtquelle als auch einen Referenzlichtempfänger und einen Meßstreckenlicht­ empfänger anzuordnen. Die Einrichtung wird wechselweise betrieben derart, daß jeweils in einer der Kammern eine Lichtquelle und ein Referenzlichtempfänger betrieben wird und in der anderen der Kammern der Meßstreckenlichtempfänger in Betrieb ist. Alternativ kann aber auch in jeder Kammer nur jeweils ein Lichtempfänger vorgesehen werden, der je nach Meßrichtung einmal als Referenzlichtempfänger und das andere Mal als Meßstreckenlichtempfänger dient. Damit werden Temperaturunterschiede durch den unterschiedlichen Betrieb von optoelektrischen Elementen verschiedener Anzahl in der einen oder anderen Kammer ausgeglichen.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungen mit wechselnder Betriebs­ weise können natürlich genauso gut auch wie vorstehend beschrieben mit vor- bzw. nachgeschalteten Lichtfiltern betrieben werden. Dadurch ist es z. B. möglich, die vorher beschriebene Einrichtung nicht nur wechselweise, sondern gleichzeitig zu betreiben. Dabei werden die Lichtquelle der ersten Kammer mit zugehörigem Referenz­ und Meßlichtempfänger mit jeweils gleichem Filter ausgestattet, die aber eine andere spektrale Durchlässigkeit haben als die Filter, mit der die Lichtquelle der zweiten Kammer mit zugehörigem Referenz- und Meßlichtempfänger ausgestattet werden.

Mit der beschriebenen Einrichtung lassen sich die Bestandteile des Abgases in weiten Grenzen sehr genau einhalten. Insbesondere werden auch Drifterscheinungen gering gehalten. Einmal dadurch, daß ein Temperaturausgleich zwischen den optoelektrischen Bauelementen über den gut wärmeleitenden Metallboden erfolgt oder weitergehendenmaßen noch dadurch, daß jeweils zwei der optoelektrischen Bauelemente mal auf der einen und mal auf der anderen Seite oder sogar gleichzeitig betrieben werden. Der Aufbau der Vorrichtung ist klein und kompakt und der Einsatz universell.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Messen der Zusammensetzung von Fluiden, insbeson­ dere der Bestandteile von Abgasen von Brennkraftmaschinen mit einer Lichtquelle (14) deren Licht über einen ersten, lichtleitenden Körper (4) zu einer das Fluid aufnehmenden Meßstrecke (29) geführt ist, mit einer am Ende der Meßstrecke angeordneten reflektierenden Anordnung (23), durch die das zugeführte Licht durch das Fluid zu einem zweiten, vom ersten lichtleitenden Körper (4) optisch getrennten, lichtleitenden Körper (5) reflektiert wird, dem ein Meßstreckenlichtempfänger (18) nachgeschaltet ist und mit einem Referenzlichtempfänger (17), der von dem zweiten lichtleitenden Körper (5) optisch getrennt eine lichtleitende Verbindung mit der Lichtquelle (14) hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht­ quelle (14) und der Referenzlichtempfänger (17, 17′) zusammen in einer lichtdicht abgeschirmten aber mit dem Lichtleitkörper (4) verbundenen Kammer (8) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem der Lichtempfänger eine Auswerteschaltung (26) verbunden ist, durch die ein der Zusammensetzung des Fluids entsprechendes Signal erzeugbar ist, wobei das Ausgangssignal des jeweils anderen der Lichtempfänger mit dem Eingang einer Vergleichseinrichtung verbunden ist, die ferner mit einem Sollwertgeber und ausgangsseitig mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Lichtemission der Licht­ quelle (14) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der beiden Lichtempfänger (18, 17) mit einer Auswerte­ schaltung (26) verbunden sind, durch die die Ausgangssignale der Lichtempfänger miteinander verglichen und entsprechend dem Ver­ gleichsergebnis ein der Zusammensetzung des Fluids entsprechendes Ausgangssignal erzeugt wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Referenzlichtempfänger (17) aus mehreren Einzel­ referenzlichtempfängern (17, 17′) besteht, die um die Licht­ quelle (14) herum angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Lichtquelle (14) und dem Referenzlichtempfänger (17) ein zweiter mit der Eingangsseite des ersten lichtleitenden Körpers (4) verbundener Meßstreckenlichtempfänger in der Kammer angeordnet ist und der zweite lichtleitende Körper (5) ausgangsseitig in eine eben­ falls lichtdicht abgeschirmte Kammer (9) mündet, in der eine zweite Lichtquelle und ein zweiter Referenzlichtempfänger und der Meß­ streckenlichtempfänger angeordnet sind, wobei die Lichtquelle, Referenzlichtempfänger und Meßstreckenlichtempfänger wechselweise betrieben werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite lichtleitende Körper (5) ausgangsseitig in eine ebenfalls lichtdicht abgeschirmte Kammer (9) mündet, in der außer dem Meßstreckenlichtempfänger (18) eine zweite Lichtquelle angeordnet ist, wobei die Lichtquellen wechselseitig und die Lichtempfänger wechselnd als Referenzlichtempfänger oder als Meßstreckenlicht­ empfänger betrieben werden, so daß immer der betriebenen Lichtquelle ein Referenzlichtempfänger zugeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquelle aus mehreren Einzellichtquellen unter­ schiedlicher Lichtwellenlängenemission und/oder die Lichtempfänger aus mehreren einzelnen Lichtempfängern mit unterschiedlicher Licht­ wellenlängenempfindlichkeit bestehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der unterschiedlichen Lichtwellenlängenemission oder -empfindlichkeit der Lichtquelle und/oder den Lichtempfängern optische Filter nach- bzw. vorgeschaltet sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste lichtleitende Körper (4) und der zweite lichtleitende Körper (5) aus einem durch eine metallische Trennebene (3) in zwei optische Längssäulen aufgeteilte Lichtleiter besteht, der in ein lichtdicht abgeschirmtes Gehäuse (6) mündet, das durch einen aus dem Lichtleiter herausragenden Teil der Trennebene in zwei lichtdicht voneinander getrennte Kammern (8, 9) aufgeteilt ist, in denen die Lichtquelle (14) und die Lichtempfänger (17, 18), wärmeleitend miteinander verbunden, angeordnet sind.