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