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Diese Erfindung betrifft einen Abgaspartikelsensor und insbesondere
einen Fahrzeugabgasrauchsensor.
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Zunehmend werden Gesetze erlassen, um Grenzen für
Fahrzeugabgasrauch, insbesondere von dieselbetriebenen Fahrzeugen festzusetzen.
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Für Kompressionszündungsmotoren, die auch als Dieselmotoren bekannt
sind, ist die gegenwartige Abgasrauchgrenze im Vereinigten Königreich als
ein Absorptionskoeffizient von 3,2 m-1 definiert.
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Es ist in unserer GB-Patentanmeldung Nr. GB-A-2252621 vorgeschlagen
worden, daß Rauchniveaus oder andere Partikel in Fahrzeugabgasen
durch Messen der Lichtundurchlässigkeit der Abgase gefühlt werden
könnten.
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Die Lichtundurchlässigkeit wird dadurch gemessen, daß ein Lichtstrahl
quer durch eine Kammer geleitet wird, durch die die Abgase strömen, und
die Intensitätsäbnahme des Lichtstrahles nach seinem Durchgang durch
die Kammer gemessen wird.
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Bei einem üblichen Typ eines Lichtundurchlässigkeitsmeßsystems sind
eine Lichtquelle und ein Hauptlichtsensor auf gegenüberliegenden Seiten
einer Fühlerkammer angeordnet. Die Intensität eines Lichtstrahles von
der Lichtquelle, die auf den Lichtsensor einfällt, wird nur mit reiner Luft
in der Fühlerkammer gemessen, und dann noch einmal mit den Abgasen
in der Fühlerkammer gemessen. Durch Vergleich der beiden Intensitäten
kann die Lichtundurchlässigkeit der Abgase berechnet werden.
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Bei derartigen Lichtundurchlässigkeitsmeßsystemen ist es bekannt, einen
Überwachungslichtsensor vorzusehen, der die Intensität des durch den
Lichtstrahler erzeugten Lichtstrahles mißt, bevor der Lichtstrahl in die
Fühlerkammer eintritt. Durch Vergleich dieser Intensitätsmessung, wenn
nur Luft in der Fühlerkammer vorliegt, mit einer Intensitätsmessung des
Lichtstrahles, bevor der Lichtstrahl in die Fühlerkammer mit Abgasen in
der Fühlerkammer eintritt, können jegliche Änderungen der Intensität des
durch den Lichtstrahler erzeugten Lichtstrahles kompensiert werden.
Abgassensoren dieses Typs sind bei der Messung von Feuerungsgasen in
Ofenkaminen oder Dampfkesselentlüftungen verwendet worden.
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Das U.S.-Patent 3,743,430 offenbart eine Anordnung zum Messen der
Lichtundurchlässigkeit von Verbrennungsgasen in Ofenkaminen oder
Dampfkesselentlüftungen. Stark parallel ausgerichtetes Licht von einem
Laser wird in den Kamin über ein Fenster eingeführt, das mit einem
geringfügigen Winkel zu der Achse des Strahles geneigt ist. Ein Prozentsatz
des Strahles wird von der Vorderseite des Fensters auf eine erste
Photozelle reflektiert. Der durchgelassene Strahl verläuft quer durch den Kamin
und durch ein zweites Fenster auf eine zweite Photozelle. Die Differenz
zwischen den Photozellenausgängen stellt die Lichtundurchlässigkeit der
Verbrennungsgase dar.
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Diese Anordnung erfordert die Verwendung von relativ großen Photozellen,
die ihre jeweiligen Strahlen vollständig abfangen.
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Das U.S.-Patent 4,937,461 offenbart eine Meßanordnung für die
Abgaslichtundurchlässigkeit, bei der ein Strahlteiler in dem Weg eines Lichtes
von einer Lichtquelle angeordnet ist, bevor der Strahl das zu messende
Gas durchquert.
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Der Strahlteiler teilt den Strahl in einen Hauptstrahl, der durch das Gas
geführt wird, und einen Fühlerstrahl, der auf einen Photodetektor auftrifft.
Der Photodetektor ist ausreichend groß, um den gesamten Lichtfluß des
Fühlerstrahls abzufangen. Dies weist den Nachteil auf, daß es die
Vorkehrung eines Strahlteilers erfordert und das Licht, das durch den
Strahlteiler abgeteilt wird, eine entsprechende Verringerung der Energie des
Hauptstrahles bewirkt.
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Keine dieser Anordnungen nach dem Stand der Technik, die für eine
dauerhafte Anbringung in Verbrennungskaminen bestimmt sind, weisen
irgendeine Vorkehrung zum Kompensieren von Umgebungslicht auf und
sind so nicht zur Messung von Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen
geeignet.
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Derartige Messungen erfordern die Vorkehrung einer Vorrichtung, die mit
dem Auspuffrohr eines Fahrzeugs auf eine einfache Weise verbunden
werden kann. Dies macht es schwierig, Streulicht vollständig zu beseitigen.
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Ein Problem, auf das bei Systemen zum Messen der optischen
Lichtundurchlässigkeit gestoßen wird, besteht darin, daß äußere Lichtquellen, die
auf die Detektoren auftreffen, fehlerhafte Messungen der
Lichtundurchlässigkeit erzeugen können, da sie die Messung der Lichtintensität
überlagern. Es ist vorgeschlagen worden, dieses Problem dadurch zu bewältigen,
daß eine modulierte Lichtquelle verwendet wird und die Signale, die durch
die Photodetektoren erzeugt werden, gefiltert werden, um Signale als Folge
von Umgebungslicht zu beseitigen.
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Das Problem bei herkömmlichen Filtern besteht darin, daß ihre
Kennlinien, einschließlich Verstärkung, durch den Temperaturkoeffizienten ihrer
Komponenten beeinflußt werden. Eine normale Praxis würde für das AC-
Signal, das durch den Photodetektor erzeugt wird, darin bestehen, daß es
in DC umgewandelt und dann durch einen A/D-Wandler gefühlt wird.
Dies weist den Nachteil auf, daß jegliches Restrauschen in dem Signal zu
dem DC-Signal hinzugefügt wird, wodurch ein Fehler erzeugt wird.
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Die europäische Patentanmeldung EP-A-0 218 213 A2, die auf eine
Anordnung zum Messen der Lichtundurchlässigkeit und / oder des
Reflexionsvermögens von einzelnen optischen Elementen gerichtet ist,
verwendet einen Strahlteiler, um die Intensität eines Strahlungsstrahles
abzufühlen, der auf einen Meßraum und eine Anzahl von Sensoren zu gerichtet
ist, die auf bestimmte Wellenlängen unter Verwendung von Filtern
ansprechend sind. Eine Modulation der Lichtquelle wird durch Verwenden
einer kontinuierlich angeregten weißglühenden Lampe oder eines Lasers
in Verbindung mit einer sich drehenden mechanischen Blende erreicht,
um einen zerhackten Lichtstrahl zu erzeugen. Die Sensorausgänge werden
kontinuierlich gefühlt und es wird eine relativ große Anzahl von
Abtastungen während jedes Zyklus des zerhackten Lichtstrahles genommen. In der
Praxis ist die mechanische Blende nicht in der Lage, eine Wellenform mit
flachen Scheiteln und Tälern zu erzeugen, erzeugt aber stattdessen eine
Wellenform mit beträchtlichem Überschwingen und beträchtlicher
Welligkeit. Spitzendetektoren, die auf das anfängliche Überschwingen
ansprechen,
fühlen den Beginn der jeweiligen Spitze und Täler ab und es sind
Verarbeitungsschaltungen erforderlich, um sicherzustellen, daß die
Abtastungen, die verarbeitet werden, diejenigen sind, die bei einem
vorbestimmten Zeitpunkt nach dem anfänglichen Spitzenwert auftreten, wenn
die Welligkeit der Wellenform relativ klein ist.
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Die gewählte Anzahl von Abtastungen, die während jedes halben Zyklus
genommen werden, wird dann angeordnet, um eine Schätzung der
jeweiligen hohen und niedrigen Amplituden zu ergeben, die erzeugt worden
wären, wenn ein idealer Zerhacker verwendet worden wäre, und die somit
bestimmten Amplituden werden subtrahiert, um den Effekt von
Umgebungslicht zu beseitigen.
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Der Artikel "Measurement of the Opacity of Smoke and Suspensions under
Ambient Lighting Conditions" von A R Churchley (Measurement and
Control Band 10. Januar 1977 Seiten 2 - 4) offenbart eine Anordnung zum
Messen der Rauchlichtundurchlässigkeit, bei der eine sich drehende
mechanische Blende durch eine LED ersetzt ist, die wechselweise durch eine
Rechteckwelle an- und ausgeschaltet wird. Dieser Vorschlag ist nicht
damit verbunden, daß Abtastungen während der An- und Aus-Perioden der
Lichtwellenform genommen werden, sondern statt dessen wird das Licht,
das durch die zu messende Probe geführt wird, durch einen Photodetektor
detektiert, der ein entsprechendes Rechteckwellenausgangssignal erzeugt.
Dieses Signal wird verstärkt, um ein pulsierendes Signal zu erzeugen, das
zum Betreiben eines analogen Drehspulmeßgerätes oder eines
Diagrammaufzeichnungsgerätes geeignet ist.
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Wenn der Lichtsender eine lichtemittierende Diode und die Sensoren
Photodioden sind, kann der Überwachungslichtsensor benachbart zu dem
Lichtsender auf einem gemeinsamen Sockel angebracht sein.
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Theoretisch sollte eine derartige Anordnung zulassen, daß die
Lichtundurchlässigkeit mit hoher Genauigkeit gemessen wird, da jegliche
Differenz der Intensität des Lichtstrahles, der durch den Lichtsender erzeugt
wird, kompensiert werden kann, wobei nur die Intensitätsdifferenzen, die
durch die Lichtundurchlässigkeit der Abgase erzeugt werden, innerhalb
der Kammer verbleiben. Überdies ist es, wenn der
Überwachungslichtsensor und der Hauptlichtsensor vom gleichen Typ sind und durch identische
Verarbeitungselektroniken verarbeitet werden, möglich, die durch den
Überwachungslichtsensor erzeugten Signale zu verwenden, um
Änderungen des Sensorwirkungsgrades oder der Verstärkung und des
Wirkungsgrades der Verarbeitungsschaltungen als Folge von externen Parametern,
wie beispielsweise der Temperatur, zu kompensieren. In der Praxis ist
jedoch herausgefunden worden, daß, wo der Lichtsender und der
Überwachungslichtsensor auf einem gemeinsamen Sockel angeordnet und durch
eine gemeinsame Umhüllung eingeschlossen sind, das Licht von der
lichtemittierenden Diode die Photodiode nur nach Reflexion von der
Umhüllung und anderen Teilen des optischen Systems erreicht. Als ein Ergebnis
können ansonsten unbedeutende kleine relative Bewegungen der Teile des
optischen Systems, die dieses Licht reflektieren, plötzliche Änderungen
der durch die Photodiode empfangenen Lichtintensität bewirken. Dies
wird als eine Änderung der durch den Lichtsender erzeugten
Lichtintensität interpretiert, und beim Versuch diese zu kompensieren, kann eine
Änderung der Lichtundurchlässigkeit ohne irgendeine Änderung einer
aufgetretenen Lichtundurchlässigkeit registriert werden.
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Dies stellt ein Problem dar, da es eine genaue Messung der erzeugten
Lichtundurchlässigkeit verhindert.
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Diese Erfindung wurde bei einem Versuch gemacht, einen
Abgaspartikelsensor zu erzeugen, der diese Probleme zumindest teilweise bewältigt.
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Die Erfindung sieht einen Abgaspartikelsensor vor, wie in Anspruch 1
definiert ist. Die Lichtundurchlässigkeit des Gases wird dadurch gemessen,
daß ein Lichtstrahl, der durch die Lichtquelle emittiert wird, durch das
Gas geleitet wird und die Intensität des Lichtstrahles, der durch die
Lichtquelle emittiert wird, in eine an eine Rechteckwelle angenäherte
Wellenform verändert wird.
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Eine angenäherte Rechteckwelle ist eine Wellenform annähernd einer
Rechteckwelle, aber mit einer kurzen aber endlichen Zeit, bei der sie
vielmehr von ihrem unteren Zustand in ihren hohen Zustand und umgekehrt
verläuft, als sich sofort von einem Zustand in einen anderen zu bewegen.
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Der modulierte Lichtstrahl läßt zu, daß die Effekte des unmodulierten
Umgebungslichtes beseitigt werden, wobei gut bekannte
Signalverarbeitungstechniken verwendet werden.
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Wenn eine Sinuswellenmodulation verwendet würde, würde jegliche
Zeitfehlersyrichronisation des Abtastens der Intensitätsniveaus des
Lichtstrahles, bevor und nachdem er durch das Gas gelangt, eine fehlerhafte
Lichtundurchlässigkeitsmessung bewirken. Dies wird dadurch vermieden,
daß eine Modulation vom Rechteckwellentyp verwendet wird, die einen
konstanten oberen und unteren Wert für einen bedeutenden Bruchteil
jedes Zyklus aufweist.
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Eine reine Rechteckwelle würde die Nachteile aufweisen, daß sie eine DC-
Komponente besitzen würde, und daß die sehr schnelle Flanke, die durch
die Zustandsänderung zwischen Spitze und Tal erforderlich ist, einen
Schaltungsaufbau mit einem sehr hohen Frequenzansprechen erfordern
würde und durch verschiedene Teile der Schaltung abgestrahlt und
aufgenommen werden könnte, wodurch eine Interferenz erzeugt wird.
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All diese möglichen Nachteile können durch Verwenden einer Wellenform
einer angenäherten Rechteckwelle vermieden werden, um den Lichtstrahl
zu modulieren. Die bevorzugte Wellenform ist eine Rechteckwelle, die
durch einen Tiefpaßfilter geführt worden ist.
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Es ist in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung JP-A-
56132035 vorgeschlagen worden, eine Schaltung zum Reduzieren von
Interferenz von Übertragungsleitungen vorzusehen, die bipolare
Binärlogiksignale übermitteln, in denen die beiden verschiedenen Logikzustände
durch Spannungen von entgegengesetzten Polaritäten relativ zu Erde
dargestellt sind. Sie reduziert die Interferenz dadurch, daß Trapezimpulse mit
relativ langen Anstiegs- und Abfallzeiten erzeugt werden, die einen
bedeutenden Prozentsatz jedes Impulszyklus besetzen. Ihre Impulse sind
eine nähere Approximation an eine Sinuswelle, als an eine Rechteckwelle.
Sie verwendet eine relativ komplexe Anordnung von ergänzenden
Energieversorgungen und Stromspiegeln und erfordert ergänzende
Antriebssignale.
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Bei Anordnungen in Übereinstimmung mit der Erfindung kann der
Lichtstrahl durch eine lichtemittierende Diode erzeugt werden, wobei eine erste
Photodiode derart angeordnet ist, um die Intensität des Lichtstrahles
abzufühlen, bevor er durch das Gas gelangt, die Intensität des Lichtstrahles
durch eine zweite Photodiode gefühlt wird, nachdem er durch das Gas
gelangt ist, eine lichtemittierende Diode an einem Sockel angebracht ist und
die erste Photodiode an einer starren Verlängerung des gleichen Sockels
derart angebracht ist, daß ein Teil des Lichtes, das durch die emittierende
Diode emittiert wird, direkt auf die erste Photodiode einfällt.
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Dies ermöglicht, daß die erste oder überwachende Photodiode starr in
einer feststehenden Position relativ zu der lichtemittierenden Diode ohne
Abhängigkeit von reflektiertem Licht gehalten wird.
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Es wird nun ein Sensor, der die Erfindung darstellt, nur beispielhaft unter
Bezugnahme auf die begleitenden schematischen Zeichnungen
beschrieben, in welchen;
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Fahrzeug-
Abgaspartikelsensors gemäß der Erfindung zeigt,
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Fig. 2 eine Querschnittsansicht durch den Sensor von Fig. 1 entlang
der Linie A - A in Fig. 1 zeigt,
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Fig. 3 eine detailliertere Ansicht eines Teiles des Querschnittes von
Fig. 2 zeigt,
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Fig. 4 ein Diagramm des optischen
Lichtundurchlässigkeitsmeßsystems, das bei dem Sensor von Fig. 1 verwendet wird, und
dessen zugeordneter Elektronik zeigt, und
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Fig. 5 das Befestigungsverfahren eines Lichtstrahlers und
Photodetektors zeigt, das bei dem Lichtundurchlässigkeitsmeßsystem
von Fig. 4 verwendet wird, wobei identische Teile überall die
gleichen Bezugszeichen aufweisen.
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In den Fig. 1 bis 3 ist ein Abgaspartikelsensor 1 gezeigt, der dazu
bestimmt ist, Partikelniveaus in Abgasen von einem Abgasrohr 2 durch
Messen der Lichtundurchlässigkeit der Abgase zu messen. Der Partikelsensor
1 weist drei Hauptteile auf, ein Eingangsrohr 3, einen Fühlerabschnitt 4
und einen im wesentlichen "U"-förmigen Hauptkörper 5. Der Hauptkörper
5 ist starr an das Eingangsrohr 3 angebracht, während der
Fühlerabschnitt 4 freigebbar an dem Hauptkörper 5 und dem Eingangsrohr 3
angebracht ist.
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Das Eingangsrohr 3 ist kreisförmig und weist einen Durchmesser von 25
mm auf, so daß es bei der Verwendung in das Ende eines
Fahrzeugauspuffrohres 2 eingesetzt werden kann. Die Schmalheit des Eingangsrohres
läßt zu, daß es in einen sehr breiten Größenbereich von Auspuffrohren
paßt. Da das Eingangsrohr 3 innerhalb des Fahrzeugauspuffrohres 2
angeordnet ist, werden nur unverdünnte Abgase in den Sensor 1
aufgenommen.
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Das Eingangsrohr 3 ist starr und kurz, wobei das Eingangsrohr 3 kurz ist,
um in den Abgasen die Tendenz zu verringern, daß Partikel an den Seiten
des Eingangsrohres 3 anhaften oder aneinanderhaften, wobei beides
davon dazu neigen würde, die gemessene Lichtundurchlässigkeit der Abgase
zu reduzieren.
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Der Fühlerabschnitt 4 umfaßt einen Übergangsteilabschnitt 4A
unmittelbar unterstromig zu dem Eingangsrohr 3 und einen
Konstantflächenabschnitt 48 mit rechtwinkligem Querschnitt unterstromig des
Übergangsteilabschnittes 4A. Der Konstantflächenabschnitt 48 bildet eine
Gasröhrenleitung, die 100 mm breit und 10 mm hoch ist, wobei dies eine
Verzweifachung der Querschnittsfläche gegenüber dem Eingangsrohr 3
darstellt, und der Übergangsteilabschnitt 4A bildet einen glatten Übergang
zwischen dem Eingangsrohr 3 und dem Konstantflächenabschnitt 48. Die
Lichtundurchlässigkeit der Abgase wird gemessen, wenn sie durch den
Konstantflächenabschnitt 48 verlaufen. Diese Anordnung wird verwendet,
da, wenn der Sensor überall den gleichen Querschnitt hätte, der kleine
Durchmesser des Eingangsrohres 3 nur eine sehr kurze optische
Weglänge für die Lichtundurchlässigkeitsmessung ergeben würde, und so wird
durch Messen der Lichtundurchlässigkeit quer über den
Konstantilächenabschnitt 48 eine vierfache optische Weglänge geschaffen.
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Der U-förmige Körper 5 weist zwei Ständer 5A und 5B auf. Die
Lichtundurchlässigkeitsmessung wird dadurch ausgeführt, daß ein Lichtstrahl
verwendet wird, der innerhalb des Ständers 5A erzeugt wird, dieser durch
den Konstanfflächenabschnitt 4B geführt wird und in dem Ständer 5B
entlang eines optischen Wegs 6 empfangen wird.
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In dem Übergangsabschnitt 4A ist eine erste Anzahl von Lenkplatten 7
vorgesehen. Die Lenkplatten 7 erstrecken sich angemessen über den
Übergangsabschnitt 4A und modifizieren die Abgasströmung durch den
Übergangsabschnitt 4A so, daß die Zeit, die für den Verlauf einer
Wellenfront von dem oberstromigen Ende des Übergangsabschnittes 4A zu dem
optischen Weg 6 in dem Abgas genommen wird, im wesentlichen über die
gesamte Breite der Abgasströmung eine Konstante bildet. Die genommene
Zeit wird selbstverständlich abhängig von dem Druck und der
Strömungsrate der Abgase schwanken, aber eine wichtige Tatsache ist, daß bei
jeglichem gegebenen Abgasdruck und Strömungsrate die genommene Zeit von
der Position über die Abgasströmung unabhängig ist.
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Wenn die ersten Ablenkplatten 7 nicht vorgesehen wären, würde die
Geschwindigkeit des Gases in dem Zentralbereich des Übergangsabschnittes
4A größer sein, als an den Kanten, so daß, wenn ein Rauchstoß in den
Abgasen, die in den Übergangsabschnitt 4A eintreten, auftreten würde, er
sich entlang der Strömung der Abgase ausbreiten würde, wobei ein
verringerter Lichtundurchlässigkeitswert bewirkt würde, wenn der Rauch den
optischen Weg 6 kreuzt.
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Die genommene Zeit wird als im wesentlichen konstant bezeichnet, da es
immer noch Grenzschichteffekte an den Kanten des Übergangsabschnittes
4A und des Konstantvolumenabschnittes 4B gibt, aber die Wirkung von
diesen ist unbedeutend im Vergleich zu den Wirkungen, die durch den
Übergang erzeugt würden, wenn die Ablenkplatten 7 nicht vorhanden
wären.
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Ein zweiter Satz von 11 Lenkplatten 8 ist unterstromig des optischen
Weges 6 an dem unterstromigen Ende des Konstantflächenabschnittes 4B
vorgesehen. Diese Lenkplatten erstrecken sich über den Konstantflächen
abschnitt 4B und teilen ihn in 12 parallele Gasströmungskanäle von
gleicher Größe.
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Die Lenkplatten 8 verhindern jeglichen Wind nach dem Sensor 1, der reine
Luft in den Konstantvolumenabschnitt 48 und in den optischen Weg 6
bläst. Wenn dies auftreten würde, würde sie selbstverständlich die
Lichtundurchlässigkeitsmessung unzuverlässig machen.
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Die Lenkplatten 8 verhindern, daß derartige reine Luft in den optischen
Weg 6 eintritt, da sie die seitliche Ausdehnung von irgendeinem Wirbel
verringern, der durch Wind erzeugt wird, und so die Distanz verringern,
mit der irgendein winderzeugter Wirbel in den Konstanffiächenabschnitt
4B eindringen wird.
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In Fig. 3 sind die Ständer 5A und 5B des Hauptkörpers 5 detaillierter
gezeigt. Innerhalb des Ständers 5A ist ein Lichtsender 20 und eine Linse 21
angeordnet, um einen Lichtstrahl 22 zu erzeugen, der dem Lichtweg 6
folgt. Der Lichtstrahl 22 gelangt durch ein Schutzfenster 23A in einer
Wand 32A innerhalb des Ständers 5A und eine Öffnung 24A in einer
Wand 25A des Ständers 5A und einer Wand 26A des
Konstantflächenabschittes 4B in die Abgase innerhalb des Abschnittes 4B.
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Um zu verhindern, daß Partikel von den Abgasen an dem Fenster 23A
abgelagert werden, ist ein zweifacher Luftvorhang vorgesehen. Es wird reine
Luft unter Druck entlang einer Reinluftröhrenleitung 27A vorgesehen.
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Diese Luft kommt von einem Kompressor 28, der einen elektrostatischen
Staubabscheider (nicht gezeigt) aufweist, der die Luft filtert, um jeglichen
Rauch und andere Partikel in der Umgebungsluft zu entfernen, bevor sie
entlang der Reinluftröhrenleitung 27A geführt wird.
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Eine Wand 29A teilt die Reinluftröhrenleitung 27A in einen ersten
Reinluftdurchgang 30A und einen zweiten Reinluftdurchgang 3 1A, wobei der
erste Reinluftdurchgang 30A zwischen der Wand 29A und der Wand 25A
definiert ist, während der zweite Reinluftdurchgang 31A zwischen der
Wand 29A und der Wand 32A definiert ist. Die Wand 29A weist eine
Öffnung 33A auf, um zuzulassen, daß der Lichtstrahl 22 durch sie hindurch
gelangt.
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Die Luftströmung entlang der beiden Reinluftdurchgänge 30A und 31A
verläuft parallel zu der Richtung der Strömung der Abgase durch den
Konstantflächenabschnitt 4B, der durch den Pfeil 34 angezeigt ist. Diese
parallele Strömung unterstützt die Verringerung der Tendenz, das
Reinluftfahnen in den Konstantflächenabschnitt 4B eingeblasen werden. Die
beiden Reinluftdurchgänge 30A und 31A vereinigen sich unterstromig des
optischen Weges 6 und die Reinluftströmung wird in die Abgasströmung
durch eine Öffnung 35A eingeführt. Bevor sich die beiden
Reinluftdurchgänge 30A und 31A vereinigen, besteht eine Verengung 36A in dem
zweiten Reinluftdurchgang 31A, so daß der Luftdruck innerhalb des zweiten
Reinluftdurchgangs 31A stets größer als der Luftdruck innerhalb des
zweiten Reinluftdurchganges 30A ist. Als ein Ergebnis besteht ein
Drukkunterschied quer über die Öffnung 33A, der eine Reinluftströmung von
dem zweiten Reinluftdurchgang 31A in den ersten Reinluftdurchgang 30A
erzeugt. Wenn ein Abgasleck von dem Konstantflächenabschnitt 4B in den
ersten Reinluftdurchgang 30A besteht, werden die Abgase am Erreichen
des Fensters 23A durch den höheren Druck in dem zweiten Reinluft
durchgang 31A gehindert und die Abgase werden entlang des ersten
Reinluftdurchganges 30A ausgetragen.
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Wenn der "Frei-Beschleunigungs"-Test verwendet wird, muß der
Reinluftdruck in dem ersten Reinluftdurchgang 30A nicht so hoch wie bei
Einzelluftvorhangsystemen nach dem Stand der Technik sein, da ein gewisses
Abgasleck in den ersten Reinluftdurchgang 30A ohne irgendeine
Kontamination des Fensters 23A toleriert werden kann, wenn der Motor bei voller
Geschwindigkeit läuft und sich die Abgase bei einem hohen Druck
befinden. Als ein Ergebnis ist es, wenn der Motor bei einer niedrigeren
Geschwindigkeit oder im Leerlauf läuft und der Abgasdruck reduziert ist,
wenig wahrscheinlich, daß Reinluft in den Konstantvolumenabschnitt 4B
entweichen wird und eine Reinluftfahne entlang des optischen Weges 6
erzeugt.
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Ein ähnliches Luftvorhangsystem, das durch den Buchstaben B in Fig. 3
angezeigt ist, wird in dem zweiten Ständer 5B verwendet, um eine
Partikelablagerung auf einem Fenster 23B zu verhindern. Hinter dem Fenster
23B ist eine Linse 37 angeordnet, um den Lichtstrahl 22 auf einen
Photosensor 38 zu fokussieren.
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Durch Vergleichen der Intensität des Lichtstrahles 22, der auf den
Photodetektor 38 einfällt, wenn Abgase in der Kammer 10 vorhanden sind, mit
der Intensität des Lichtstrahles 22, der auf den Photodetektor 38 einfällt,
wenn nur Reinluft in der Kammer 10 vorhanden ist, kann die
Lichtundurchlässigkeit der Gase entlang des optischen Weges 6 innerhalb des
Konstanfflächenabschnittes 48 berechnet werden, wie aus der
Patentanmeldung Nr.9105731 bekannt ist.
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An dem Hauptkörper 5 ist ein Halter 39 angebracht, um zu ermöglichen,
daß der Sensor 1 in Position mit dem Eingangsrohr 3 innerhalb eines
Fahrzeugauspuffrohres 2 gehalten wird. Die Energie für den Kompressor
25, den Lichtsender 20, den Photodetektor 38 und die zugeordnete
Elektronik wird durch Batterien vorgesehen, die an dem Hauptkörper 5
befestigt sind. Dies ermöglicht, daß der Sensor 1 für Stichproben an
Fahrzeugen leicht tragbar ist, wenn er aber nur an einem Ort verwendet wird,
könnte eine Zuleitung, um ihn an das Stromnetz zu stecken, oder ein
separates Netzgerät verwendet werden.
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Der Fühlerabschnitt 4 des Partikelsensors ist an das Eingangsrohr 3
durch eine Schiebepassungsabdichtung angeordnet, die durch eine
elastische Dichtung ausgebildet ist, und ist freigebbar an dem Hauptkörper 5
durch zwei Greifeinrichtungen (nicht gezeigt) befestigt, von denen sich
eine an jedem der Ständer 5A und 5B befindet. Dies ermöglicht, daß der
Fühlerabschnitt entfernt und ersetzt wird, wie es im Falle eines Schadens
erforderlich ist, oder um ein Entfernen des von den Abgasen abgelagerten
Rußes zu erlauben.
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Um eine Kalibrierung des Sensors 1 zu erlauben, kann der
Fühlerabschnitt 4 entfernt und ein optischer Filter mit einer bekannten
Lichtundurchlässigkeit in dem Lichtweg 6 angeordnet werden.
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Es würde auch möglich sein, eine Anzahl von verschiedenen
Fühlerabschnitten für verschiedene Motoren zu verwenden, wobei dies
wünschenswert ist, wenn beispielsweise die Unterschiede der Abgasdrücke
sonst zu groß wären, daß der Sensor damit fertig wird.
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Da alle optischen Komponenten in dem Hauptkörper 5 eingeschlossen
sind, wird die Entfernung und Ersetzung des Fühlerabschnittes 4 aus
welchem Grund auch immer keine erneute Ausrichtung oder Einstellung
von irgendwelchen optischen Komponenten notwendig machen.
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In Fig. 4 ist die Anordnung des Lichtsenders 20 und Photodetektors 38
und deren zugeordneter Antreib- und Analyseelektronik detaillierter
gezeigt. Der Lichtsender 20 ist eine lichtemittierende Diode und wird durch
einen Wellenformgenerator 40 für angenäherte Rechteckwellen
angetrieben. Das Licht, das durch die lichtemittierende Diode 20 erzeugt wird,
wird durch eine Linse 21 in einen Strahl geformt und gelangt dann durch
Fenster 23A in den Fühlerabschnitt 4. Eine Überwachungsphotodiode 41
ist so angebracht, daß ein Anteil des durch die lichtemittierende Diode 20
erzeugten Lichtes darauf fällt.
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Die Anordnung der Photodiode 41 ist detaillierter in Fig. 5 gezeigt. Die
lichtemittierende Diode 20 ist an einem Halbleitersockel 42 angebracht
und die Photodiode 41 ist an einer starren Verlängerung 43 orthogonal zu
dem Sockel 42 derart angebracht, daß das durch die lichtemittierende
Diode 20 emittierte Licht direkt auf die Photodiode 41 einfällt.
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Nach dem Verlaufen durch die Fühlerkammer 4 gelangt der Lichtstrahl
durch das Fenster 23B und wird durch eine Linse 37 auf eine Photodiode
38 fokussiert.
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Die durch die beiden Photodioden 38 und 41 erzeugten Signale werden
durch zwei Verstärker 42 bzw. 43 verstärkt und werden dann durch zwei
A/D-Wandler 44 bzw. 45 digitalisiert, die die Spitzen und Täler der Signale
abtasten und diese Abtastungen an Prozessoren 46 bzw. 47 liefern. Die
Prozessoren 46 und 47 speichern die Abtastungen in zugeordneten
Speichern 48 bzw. 49 und mitteln die Spitzenwerte über vier Zyklen einer
angenäherten Rechteckwelle und mitteln die Talwerte der vier Zyklen, um
einen Mittelspitzenwert und einen Mitteltalwert zu erzeugen. Als ein
Ergebnis dieser Digitalisierungs- und Mittelungsprozesse tendieren jegliche
Rauschfehler dazu, sich auf Null auszumitteln, womit dieses Mitteln
Rauschen aus dem Signal ausfiltert.
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Diese gemittelten Spitzen- und Talwerte werden dann in den Prozessoren
46 und 47 voneinander subtrahiert, um gemittelte Amplitudenwerte zu
erhalten.
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Der Mittelungsprozeß arbeitet als eine laufende Mittelung, wodurch jeder
Wertesatz mit den drei vorausgehenden Werten gemittelt wird. Dieses
Mitteln verringert nicht die Genauigkeit der
Lichtundurchlässigkeitsmessung, vorausgesetzt, daß die Frequenz der Wellenform einer angenäherten
Rechteckwelle und der Abtastung ausreichend hoch ist.
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Da die lichtemittierende Diode 20 mit einer an eine Rechteckwelle
angenäherten Wellenform betrieben wird, werden kleine Fehler der Abtastzeit
das gemessene Niveau der Lichtintensität nicht beeinflussen, wohingegen,
wenn eine herkömmliche Sinuswelle verwendet würde, jeglicher Zeitfehler
einen Fehler der gemessenen Intensität bewirken würde.
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Die verwendete Rechteckwelle ist keine reine Rechteckwelle, sondern eine
angenäherte Rechteckwelle mit einer ansteigenden und einer fallenden
Flanke in einer endlichen Zeit. Der Rechteckwellengenerator 40 enthält
einen Generator 40A für reine Rechteckwellen, dessen Ausgang durch
einen Tiefpaßfilter 40B geführt wird, um die angenäherte Rechteckwelle zu
erzeugen, mit der die lichtemittierende Diode 20 angetrieben wird. Diese
Wellenform der angenäherten Rechteckwelle weist eine relativ kurze
Anstiegs- und Abfallzeit und ein flaches oberes und unteres Plateau auf.
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Die gemittelten Amplitudenwerte, die durch die Berechner 46 und 47
erzeugt werden, werden zu einem weiteren Berechner 50 geliefert.
Anfänglich wird eine Null-Einstellungsmessung durchgeführt, wobei sich nur
Luft in dem Fühlerbereich 4 befindet, und die sich ergebenden gemittelten
Amplitudenwerte von den Photodioden 38 und 41 werden in einem
Speicher 51 gespeichert. Dann wird der Sensor 1 in das Abgasrohr 2
eingesetzt und der Motor läuft bis zur maximalen Drehzahl hoch und es wird
zugelassen, daß er auf den Leerlauf zurückfällt. Die Messungen, die
während dieses Testzyklus genommen werden, werden alle an den Berechner
50 geliefert, der diese und die Nur-Luft-Ablesungen, die in dem Speicher
51 gehalten werden, verwendet und die korrigierte proportionale Änderung
der Amplitude unter Verwendung der Formel berechnet.
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Wobei AA die gemittelte Amplitude ist, die durch die Photodiode 38 mit
Luft in dem Fühlerbereich 4 gemessen wurde.
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Änderung = AExAMA/AAxAME
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AA ist die gemittelte Amplitude, die durch die Photodiode 38 mit Abgasen
in dem Fühlerbereich 4 gemessen wurde.
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AMA ist die gemittelte Amplitude, die durch die Überwachungsphotodiode
41 gemessen wurde, wenn AA gemessen wurde.
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AME ist die gemittelte Amplitude, die durch die Überwachungsphotodiode
41 gemessen wurde, wenn AE gemessen wurde.
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Dies stellt den Sensor 1 vor jeder Messung in dem Falle auf Null, wenn der
Lichtübertragungsweg 6 zwischen der lichtemittierenden Diode 20 und der
Photodiode 41 seine Durchlässigkeit geändert hat, beispielsweise durch
Schmutz auf oder Schaden an den Fenstern 23A und 23B.
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Die Einbeziehung der Amplituden von der Überwachungsphotodiode 41
wirkt als ein Korrekturfaktor für Schwankungen der Lichtintensität von
den lichtemittierenden Dioden, und da die Photodioden 38 und 41
identische Verarbeitungsschaltungen aufweisen, neigen jegliche Änderungen als
Folge einer Temperaturschwankung, dazu, sich auszugleichen.
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Der Prozessor 50 speichert den höchsten Anderungswert über den
Testzyklus in dem Speicher 51. Der Zyklus wird noch zweimal wiederholt und
der höchste Änderungswert, der über alle drei Testzyklen erhalten wurde,
wird in dem Speicher 51 gespeichert.
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Wird dieser höchste Änderungswert genommen, verwendet der Berechner
50 ihn dann und Daten, die permanent in dem Speicher 51 gehalten
werden, um die Spitzenlichtundurchlässigkeit des Gases innerhalb der
Fühlerkammer 4 zu berechnen. Er gibt diesen Lichtundurchlässigkeitswert
dann auf einer Leitung 52 zur Anzeige auf einer Sichtanzeigeeinheit (nicht
gezeigt) an den Benutzer aus.
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Die Daten, die in dem Speicher 51 permanent gehalten werden, definieren
die Beziehung zwischen einem Ändern der Amplitude mit Luft und mit
Abgas und einem Ansteigen der Lichtundurchlässigkeit der Abgase.
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Der elektrostatische Staubabscheider könnte durch irgendeinen anderen
Filtertyp, wie beispielsweise einen Maschenfilter ersetzt werden, um
Partikel von der bei den Luftvorhängen verwendeten Luft zu entfernen. Es
könnte ein Fernlufteinlaß, beispielsweise an dem Ende eines an dem
Sensor befestigten flexiblen Schlauches verwendet werden, um das
erforderliche Filtern dadurch zu verringern, daß relativ reine Luft entfernt von dem
Fahrzeugauspuffrohr erhalten wird. Alternativ dazu könnten, wo der
Sensor wiederholterweise in dem gleichen Bereich, wie beispielsweise einer
Teststation verwendet wird, der Kompressor und der Filter von dem
Sensor weggelassen werden und reine komprimierte Luft durch einen
Schlauch von einem feststehenden Fernkompressor und -filter geliefert
werden.
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Die Verwendung eines Halbleitersockels wird bevorzugt, aber es könnte
jeglicher anderer Befestigungstyp verwendet werden.
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Die Verwendung von drei Testzyklen ist nicht notwendig, es könnte nur
ein Zyklus oder irgendeine andere Anzahl verwendet werden.
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Anstatt des Speicherns des höchsten Änderungswertes, der bei einer
Anzahl von Zyklen erzeugt wird, könnte der höchste Änderungswert, der bei
jedem Zyklus erzeugt wird, über eine Anzahl von Zyklen gemittelt werden.
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Der Fühlerabschnitt 4A könnte an dem Hauptkörper vielmehr durch eine
Greifeinrichtung oder drei oder mehr Greifeinrichtungen befestigt sein, als
an den beiden beschriebenen Greifeinrichtungen, wenn es praktisch ist.
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Die erforderlichen Befehle zum Betreiben des Systems werden unter
Verwendung eines Tastaturfeldes eingegeben, das direkt an dem Hauptkörper
befestigt sein kann, oder auf einem Ferntastaturfeld, das durch eine
Zuleitung verbunden ist.