DE4343897A1 - Vorrichtung zur Dichte- und Konzentrationsbestimmung von sichtbaren Bestandteilen in Fluiden - Google Patents
Vorrichtung zur Dichte- und Konzentrationsbestimmung von sichtbaren Bestandteilen in FluidenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dichte- und
Konzentrations-Bestimmung von sichtbaren Bestandteilen in
Fluiden, insbesondere zur Trübungsmessung von Kraftfahr
zeugabgasen, nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Ein derartiges Trübungsmeßgerät oder Opazimeter mißt die
Schwächung eines Lichtstrahls durch eine vom zu messenden
Fluid gefüllte bzw. durchströmte Meßkammer, wobei die
Lichtschwächung als Maß für die Trübung genommen wird. Die
Auswertung erfolgt gemäß dem Lambert-Beerschen Gesetz, das
die Lichtschwächung beim Durchgang von absorbierenden
Medien beschreibt. Die Anmelderin vertreibt ein derartiges
Trübungsmeßgerät unter der Bezeichnung RTT 100/110, das
zur Rauchgas- bzw. Rußmessung in Kraftfahrzeug-Abgasen
dient. Der Nachteil der bekannten Anordnungen besteht
darin, daß dieses Trübungsmeßverfahren bei Abgasen mit
geringen Rußkonzentrationen, wie sie bei Motoren oder Ver
brennungssystemen neuerer Bauart immer häufiger zu finden
sind, versagen. Durch konstruktive oder verbrennungstech
nische Maßnahmen wird die Rußemission so stark reduziert,
daß die Genauigkeit der opazimetrischen Meßverfahren nicht
mehr ausreicht. Der Grund für die begrenzte Genauigkeit bei
niedrigen Rußkonzentrationen liegt im Prinzip des Meßver
fahrens, welches auf einer Differenzmessung zwischen Hell
signal und abgeschwächtem Signal beruht, also einer Diffe
renz zwischen zwei fast gleichgroßen Signalen.
Aus der GB 22 52 621 ist ein Streulichtmeßverfahren be
kannt, bei dem ebenfalls zunächst ein Lichtstrahl in ein
zu messendes Fluid geleitet wird. Der in verschiedenen
Richtungen gestreute Lichtanteil wird erfaßt und ausgewer
tet. Bei Streulichtverfahren erhält man ein Meßsignal,
welches der Konzentration des absorbierenden Mediums pro
portional ist. Dieses Streulichtverfahren eignet sich
besonders für geringe Rußkonzentrationen, ist jedoch im
Bereich höherer Konzentrationen dem opazimetrisichen Meß
verfahren unterlegen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß die Vor
teile der beiden bekannten Meßverfahren miteinander kom
biniert werden, wobei eine einzige Meßkammer erforderlich
ist und die Messungen beider Methoden gleichzeitig erfol
gen können. Hierdurch wird über den gesamten Bereich bei
kaum größerem Meßaufwand insgesamt eine wesentlich höhere
Genauigkeit erreicht, und es können sehr hohe und sehr
geringe Konzentrationen mit hoher Genauigkeit gemessen
werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Die Meßkammer ist zweckmäßigerweise als vom zu messenden
Fluid während der Messung durchströmtes Meßrohr ausgebil
det, wobei der erste Lichtempfänger und die Lichtquelle
vorzugsweise an den bei den Stirnseiten des Meßrohrs ange
ordnet sind, um eine möglichst lange Meßstrecke zu er
reichen.
Der zweite Lichtempfänger (Streulicht) ist in
vorteilhafter Weise im wesentlichen mittig zwischen der
Lichtquelle und dem ersten Lichtempfänger seitlich an der
Meßkammer angeordnet, so daß das Streulicht in geringem
Abstand erfaßt werden kann.
Um die Signale der beiden Lichtempfänger alternativ einer
Anzeigevorrichtung zuführen zu können, weist die Auswerte
einrichtung vorzugsweise eine Umschalteinrichtung auf.
Diese kann manuell umschaltbar ausgebildet sein oder auto
matisch gesteuert werden, wozu im letzteren Fall eine
Steuereinrichtung besonders geeignet ist, die unterhalb
eines vorgebbaren Meßsignalpegels des ersten Lichtempfän
gers durch Umschalten der Umschalteeinrichtung die Meß
signale des zweiten Lichtempfängers der Anzeigevorrichtung
zuführt. Hierdurch ist sichergestellt, daß bei geringen
Rußkonzentrationen die Messung mittels der Streulicht
methode erfolgt, die in diesem Bereich genauer arbeitet.
Es ist selbstverständlich auch möglich, beide Meßverfahren
gleichzeitig einzusetzen, wobei in diesem Falle die Aus
werteeinrichtung zwei Anzeigeeinrichtungen für die
Signale der beiden Lichtempfänger aufweist. Hierdurch ist
ein ständiger Vergleich der beiden Meßverfahren möglich.
Zur Durchführung von Korrelationsmessungen ist zweckmäßi
gerweise eine Vergleichseinrichtung für die Signale der
beiden Lichtempfänger vorgesehen, um den Vergleich automa
tisch durchführen zu können. Durch die Vergleichseinheit
kann in vorteilhafter Weise eine Normierungseinrichtung
zur Normierung des Signals des einen Lichtempfängers in
Abhängigkeit des Signals des anderen Lichtempfängers vor
gesehen sein, um vergleichbare Meßergebnisse zu erzielen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Dar
stellung eines Meßrohrs und ein Blockschaltbild einer Aus
werteeinrichtung.
Ein als Meßkammer eingesetztes Meßrohr 10 besitzt seitlich
an einem Endbereich einen mit einem Kalibrierventil 11
versehenen Einlaß 12 und am gegenüberliegenden Endbereich
seitlich einen Auslaß 13, der mit einer Pumpe 14 verbunden
ist.
An der einlaßseitigen Stirnseite des Meßrohrs 10 ist eine
Lichtquelle 15 angeordnet, und an der gegenüberliegenden
Stirnseite befindet sich ein erster Lichtempfänger 16, der
üblicherweise ein Foto-Empfänger ist. Eine schematisch als
Linse dargestellte Optik 17 bündelt den von der Lichtquel
le 15 durch das Meßrohr 10 gesandten Lichtstrahl auf dem
ersten Lichtempfänger 16. Eine schematisch als Reflektor
dargestellte lichtquellenseitige Optik 18 dient zur Aus
richtung des Lichtstrahls durch das Meßrohr 10. An den
Stirnseiten des Meßrohrs 10 gegebenenfalls noch erforder
liche optische Elemente sind zur Vereinfachung nicht dar
gestellt. In bekannter Weise ist die optische Meßstrecke
durch Meßfenster 8, 9 begrenzt. Bei einer Ausbildung der
Lichtquelle 15 als Laserdiode kann eine Optik weitgehend
oder ganz entfallen.
Zwischen der Lichtquelle 15 und dem ersten Lichtempfänger
16 ist seitlich außen am Meßrohr 10 ein zweiter Licht
empfänger 19 angeordnet, der Streulicht aus einem begrenz
ten Raumbereich erfaßt, wobei eine wiederum schematisch
als Linse dargestellte Optik 20 das durch den Lichtstrahl
im Meßrohr 10 erzeugte Streulicht dem zweiten Lichtempfän
ger 19 zuführt.
Die in den beiden Lichtempfängern 16, 19 erzeugten Meß
signale werden jeweils Signalaufbereitungsstufen 21, 22
zugeführt, die beispielsweise als Verstärker oder Pegel
anpassungsstufen ausgebildet sein können. Weiterhin können
derartige Signalaufbereitungsstufen Filter zur Ausblendung
von Störsignalen oder von Grundrauschen aufweisen. Der
Ausgang der Signalaufbereitungsstufe 21 ist über einen Um
schalter 23 mit einer Anzeige- oder Datenerfassungsvor
richtung 24 verbunden, die im einfachsten Falle als digi
tales oder analoges Meßinstrument oder als Bildschirm
anzeigevorrichtung ausgebildet sein kann. Der Ausgang der
anderen Signalaufbereitungsstufe 22 ist über eine Normie
rungseinrichtung 25 ebenfalls mit dem Umschalter 23 ver
bunden, so daß mittels dieses Umschalters 23 alternativ
die aufbereiteten Signale der bei den Lichtempfänger 16, 19
der Anzeigevorrichtung 24 zugeführt werden können.
Weiterhin sind die Ausgangssignale der Signalaufberei
tungsstufen 21, 22 einer Vergleichseinrichtung 26 zuge
führt, deren Ausgangssignal auf die Normierungseinrichtung
25 einwirkt. Das Ausgangssignal der Signalaufbereitungs
stufe 21 ist zusätzlich einer Pegelsteuereinrichtung 27
zugeführt, durch die der Umschalter unterhalb eines vor
gebbaren Signalpegels des Ausgangssignals der Signalaufbe
reitungsstufe 21 in die dargestellte Schaltstellung ge
bracht wird, in der die Anzeigevorrichtung 24 von Signalen
des zweiten Lichtempfängers 19 beaufschlagt wird.
Zur Messung wird das zu messende Fluid, beispielsweise das
Abgas eines Kraftfahrzeuges, durch das Meßrohr 10
geleitet, indem die Pumpe 14 bei geöffnetem Kalibrier
ventil 11 arbeitet. Hierzu wird beispielsweise das nicht
dargestellte Auspuffrohr eines Kraftfahrzeuges mit dem
Kalibrierventil 11 über einen Schlauch verbunden. Zum
Nullpunktsabgleich wird das Kalibrierventil 11 in die
Spülstellung umgeschaltet, so daß anstelle des Abgases ein
Spülmedium durch die Meßkammer geleitet werden kann.
Niederschläge auf den Meßfenstern können somit erfaßt und
im Meßergebnis berücksichtigt werden.
Der von der Lichtquelle 15 zum ersten Lichtempfänger 16
gelangende Lichtstrahl durch das Meßrohr 10 wird in Ab
hängigkeit der Rußbestandteile im Abgas bzw. der Trübung
des zu messenden Fluids mehr oder weniger geschwächt. Die
Lichtabschwächung beim Durchgang durch absorbierende
Medien wird gemäß dem Lambert-Beerschen Gesetz
ausgewertet. Das in der Signalaufbereitungsstufe 21 aus
gewertete Meßsignal gelangt über den Umschalter 23 zur
Anzeige- oder Datenerfassungsvorrichtung 24 und zeigt dort
den Grad der Trübung bzw. den Rußgehalt im Abgas an.
Sinkt die Trübung unter einen vorgebbaren Wert ab, so
spricht die Pegelsteuervorrichtung 27 an und schaltet den
Umschalter 23 in die dargestellte Schaltstellung. Dadurch
gelangen nunmehr Meßsignale des zweiten Lichtempfängers 19
zur Anzeige- oder Datenerfassungsvorrichtung 24. Durch den
zweiten Lichtempfänger 19 wird das Streulicht erfaßt, das
der Konzentration des absorbierenden Mediums proportional
ist, also beispielsweise der Konzentration des Rußes im
Abgas. Diese Meßmethode ist unterhalb einer vorgebbaren
Trübung genauer als die opazimetrische Meßmethode durch
den ersten Lichtempfänger 16.
Um vergleichbare Meßergebnisse zu erhalten, d. h. um den
Obergang zwischen den verschiedenen Meßmethoden kontinu
ierlich zu gestalten, werden die Ausgangssignale der
beiden Signalaufbereitungsstufen 21, 22 einer Vergleichs
einrichtung 26 zugeführt und steuern in Abhängigkeit
dieses Vergleichs bzw. der jeweiligen Abweichung eine
Normierungseinrichtung 25, durch die die aufbereiteten
Signale des zweiten Lichtempfängers 19 an die des ersten
Lichtempfängers 16 angepaßt werden. Dies kann beispiels
weise dadurch erfolgen, daß die jeweiligen Meßkurven mit
einander verglichen und einander angepaßt werden. Auf
diese Weise können Korrelationsmessungen zwischen den
beiden Verfahren durchgeführt werden. Grenzwerte, die ein
mal für das eine System ermittelt und festgelegt wurden,
können damit auf das andere Meßverfahren übertragen wer
den. Durch die Kombination der Vergleichseinrichtung 26
mit der Normierungseinrichtung 25 können auch Korrekturen
der jeweiligen Meßwerte bzw. Meßkurven durchgeführt
werden. Hierzu kann im Einzelfall auch eine Normierungs
einrichtung der Signalaufbereitungsstufe 21 nachgeschaltet
werden.
Durch Hin- und Herschalten des Umschalters 23 können die
Meßwerte beider Verfahren gleichzeitig auf der Anzeige
oder Datenerfassungsvorrichtung 24 angezeigt werden. Dies
kann selbstverständlich auch dadurch erfolgen, daß beide
Meßleitungen ohne Verwendung eines Umschalters 23 der
Anzeige- bzw. Datenerfassungsvorrichtung 24 oder zwei
getrennten Anzeige-/Datenerfassungseinheiten zugeführt
werden.
Die beschriebene Auswerteeinrichtung kann vorzugsweise als
Mikrorechner ausgebildet sein.
Claims (11)
1. Vorrichtung zur Dichte- und Konzentrations-Bestimmung
von sichtbaren Bestandteilen in Fluiden, insbesondere zur
Trübungsmessung von Kraftfahrzeug-Abgasen, mit einer vom
zu messenden Fluid durchströmten Meßkammer, die an zwei
gegenüberliegenden Stellen einen ersten Lichtempfänger und
eine Lichtquelle mit einem auf den Lichtempfänger gerich
teten Lichtstrahl aufweist, und mit einer das im Licht
empfänger erzeugte Signal als Maß für die Trübung aus
wertenden Auswerteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß
ein zweiter Lichtempfänger (19) zur Erfassung von Streu
licht außerhalb und seitlich des Strahlengangs durch die
Meßkammer (10) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßkammer (10) als vom zu messenden Fluid während
der Messung durchströmtes Meßrohr ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Lichtempfänger (16) und die Lichtquelle (15)
an den beiden Stirnseiten des Meßrohrs (10) angeordnet
sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Lichtempfänger (19) im we
sentlichen mittig zwischen der Lichtquelle (15) und dem
ersten Lichtempfänger (16) seitlich an der Meßkammer (10)
angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung eine
die Signale der beiden Lichtempfänger (16, 19) alternativ
einer Anzeige- oder Datenerfassungsvorrichtung (24) zu
führende Umschalteinrichtung (23) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß eine die Umschalteinrichtung (23) steuernde Steuerein
richtung (27) vorgesehen ist, die unterhalb eines vorgeb
baren Meßsignalpegels des ersten Lichtempfängers (16) oder
des zweiten Lichtempfängers (19) durch Umschalten der Um
schalteinrichtung (23) das Meßsignal des zweiten Licht
empfängers (19) der Anzeige- oder Datenerfassungsvorrich
tung (24) zuführt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Umschalteinrichtung (23) manuell umschaltbar aus
gebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung zwei Anzeige-
oder Datenerfassungsvorrichtungen (24) oder eine Anzeige-
oder Datenerfassungsvorrichtung (24) mit zwei Anzeige
möglichlichkeiten für die Signale der beiden Lichtempfän
ger (16, 19) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung von Korrela
tionsmessungen eine Vergleichseinrichtung (26) für die
Signale der beiden Lichtempfänger (16, 19) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Normierungseinrichtung (25) zur Normierung des
Signals des einen Lichtempfängers (19) in Abhängigkeit des
Signals des anderen Lichtempfängers (16) vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Normierungseinrichtung (25) durch die Vergleichs
einrichtung (26) steuerbar ist.
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