DE4343897A1 - Vorrichtung zur Dichte- und Konzentrationsbestimmung von sichtbaren Bestandteilen in Fluiden - Google Patents

Description

Stand der Technik

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.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

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.