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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Ermitteln der Partikelgröße und/oder der Partikelkonzentration eines strömenden, Partikel mitführenden Gases, insbesondere eines Abgases aus einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs.
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Stand der Technik
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Bei der periodischen Abgasuntersuchung von Dieselfahrzeugen wird derzeit eine Überprüfung der Ruß- und Partikelemissionen verlangt. Die derzeit verwendeten Opazimeter sind nicht ausreichend sensitiv, um die geringen Partikelkonzentrationen und Kleinpartikel bei Fahrzeugen mit Dieselpartikelfiltern nachweisen zu können.
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Aus der
US 2009/0079981 A1 ist eine Laser-basierte Vorrichtung und ein Laserbasiertes Verfahren zum Messen von Agglomeratkonzentrationen und mittleren Agglomeratgrößen bekannt. Eine dort beschriebene Vorrichtung beinhaltet eine Lichtquelle, eine Fokussierungslinse, um ein Probenvolumen zu bilden, einen ersten Lichtsensor, der in einer ersten Winkelposition zu dem Lichtstrahl angeordnet ist, und einen zweiten Lichtsensor, der in einer zweiten Winkelposition zu der ersten Richtung des Lichtstrahls angeordnet ist. Die mittlere Partikelgröße und -konzentration werden bestimmt, indem nahezu invariante Funktionen eines Verhältnisses des gestreuten Lichts verwendet werden, die durch den ersten und den zweiten Sensor gemessen worden sind.
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Die
JP 2003/114192 A offenbart ein Instrument und ein Verfahren zum Messen von granularem Material. Das kompakte Instrument ist mit einem Lichtprojektor ausgestattet, der sichtbares Licht auf das Abgas projiziert, das durch den Auspuff des Kraftfahrzeugs strömt, in einer schrägen Richtung gegenüber der Flussrichtung des Gases nahe dem Auslass des Abgasrohrs. Dieses Instrument umfasst ferner einen Lichtempfänger an einer Position auf einer Seite des Auspuffs gegenüberliegend dem Projektor, in einem Zustand, wo die Lichtempfangsoberfläche des Lichtempfängers in der Richtung gegenüberliegend der Flussrichtung des Gases ausgerichtet ist. Das Instrument empfängt das gestreute Licht, das erzeugt wird, wenn die in dem Abgas enthaltenen Partikel mit dem sichtbaren Licht bestrahlt werden, das von dem Lichtprojektor auf die Innenseite des Auspuffs projiziert wird, mittels des Lichtempfängers. Die Partikel werden basierend auf dem so enthaltenen Intensitätsignal des gestreuten Lichts gemessen.
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Die dort beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren sind aufwändig. Geringe Partikelkonzentrationen und kleine Partikel in dem Abgas können damit nur schlecht nachgewiesen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren anzugeben, mit denen auch kleine Partikelkonzentrationen und auch kleine im Abgas enthaltenen Partikel zuverlässig erfasst werden können.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln der Partikelgröße und/oder der Partikelkonzentration eines strömenden, Partikel mitführenden Gases, insbesondere eines Abgases aus einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, umfasst eine Gasführungsleitung, eine polychromatische Lichtquelleneinheit, die so angeordnet ist, dass sie im Wesentlichen rechtwinklig, bezogen auf die Strömungsrichtung des Gases, auf einen Bereich der Gasführungsleitung gerichtet ist und das jeweils in diesem Bereich strömende Gasvolumen bestrahlt, und einen Farbsensor, der dazu ausgebildet ist, gleichzeitig mehrere Wellenlängenbereiche zu detektieren, oder einen Spektralanalyser. Der Farbsensor/der Spektralanalyser ist so in einem bestimmten Winkel, bezogen auf die Ausstrahlrichtung der polychromatischen polychromatische Lichtquelleneinheit, angeordnet, dass Streulichtanteile des betrachteten Bereichs der Gasführungsleitung auf ihn auftreffen.
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Aus den durch den Farbsensor/den Spektralanalyser zeitgleich erfassten Intensitäten der Wellenlängenbereiche der Streulichtanteile des betrachteten Bereichs der Gasführungsleitung ist die Partikelgröße und/oder die Partikelkonzentration bestimmbar.
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Die polychromatische Lichtquelleneinheit kann dabei entweder als eine polychromatische Lichtquelle ausgebildet sein, die polychromatisches Licht ausstrahlt, oder sie kann als Einheit mehrerer Lichtquellen, die Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen ausstrahlen, z. B. 4-Farben-LEDs, ausgebildet sein.
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Gemäß einer der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis der Erfinder hängt die Streulichtintensität bei einem vorgegebenen Winkel vom Verhältnis der Wellenlänge zu der Partikelgröße ab.
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Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung wird nur ein einziger Farbsensor oder Spektralanalyser verwendet, und dieser ist in der Lage, mindestens zwei Wellenlängen zeitgleich zu erfassen. Aus der Intensität der erfassten mindestens zwei Wellenlängen wird auf die Partikelgröße und/oder die Partikelkonzentration geschlussfolgert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gegenüber konventionellen Vorrichtungen, die zwei Lichtsensoren benötigen, konstruktiv einfacher aufgebaut und kostengünstiger herstellbar. Durch die getrennte Betrachtung mehrerer Wellenlängenbereiche der Streulichtanteile können auch kleine Partikelkonzentrationen und auch kleine im Abgas enthaltene Partikel zuverlässig erfasst werden. Die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gelieferten Ergebnisse für die Partikelkonzentration und die Partikelgröße sind sehr aussagekräftig.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist aus der absoluten Intensität der erfassten Wellenlängenbereiche die Partikelkonzentration bestimmbar, und aus dem Verhältnis der erfassten Intensitäten der Wellenlängenbereiche ist die Partikelgröße bestimmbar.
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Vorteilhafterweise kann bei der Bestimmung der Partikelgröße und/oder der Partikelkonzentration aus den zeitgleich erfassten Intensitäten der Wellenlängenbereiche die Theorie der dem Fachmann bekannten Mie- bzw. der Rayleigh-Streuung zugrunde gelegt werden, welche die Intensität des Streulichts in Abhängigkeit von der Intensität des eingehenden polychromatischen Lichtstrahls, von der Partikelanzahl, von dem Verhältnis Wellenlänge zu Partikelgröße und vom Beobachtungswinkel des Farbsensors/des Spektralanalysers beschreibt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann es sich bei den durch die polychromatische Lichtquelleneinheit ausgestrahlten und durch den Farbsensor/den Spektralanalyser erfassten Wellenlängenbereichen um den Rot-Bereich, den Gelb-Bereich und den Blau-Bereich des sichtbaren Lichts handeln. Ebenfalls kann es sich bei den durch die polychromatische Lichtquelleneinheit ausgestrahlten und durch den Farbsensor/den Spektralanalyser erfassten Wellenlängenbereichen um den UV-Bereich und den IR-Bereich handeln.
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Die mittlere Partikelgröße d kann gemäß einer Funktion bestimmt werden, welche die Intensitäten des Rot-Bereichs, des Gelb-Bereichs und des Blau-Bereichs des sichtbaren Lichts beinhaltet. Die Partikelkonzentration c kann gemäß einer Funktion bestimmt werden, welche nur die Intensität eines Wellenlängenbereichs des sichtbaren Lichts betrachtet.
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Der feste Winkel, unter dem der Farbsensor/der Spektralanalyser in Bezug auf die Ausstrahlrichtung der polychromatischen Lichtquelleneinheit angeordnet ist, kann in einem Bereich von 15 bis 165°, insbesondere in einem Bereich von 30 bis 75° liegen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in dem Lichtpfad zwischen der polychromatischen Lichtquelleneinheit und dem betrachteten Bereich der Gasführungsleitung wenigstens eine Fokussiereinheit, insbesondere eine Fokussierlinse angeordnet. Dadurch kann der polychromatische Lichtstrahl genau auf den betrachteten Bereich der Gasführungsleitung gerichtet werden.
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Gemäß einer werteren Ausführungsform der Erfindung ist hinter dem betrachteten Bereich der Gasführungsleitung eine Lichtsenke für den nicht abgelenkten Lichtanteil der polychromatischen Lichtquelleneinheit angeordnet. Durch eine derartige Lichtsenke können unerwünschte Spiegelungs-, Interferenz- und Streuungseffekte zuverlässig vermieden werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Ermitteln der Partikelgröße und/oder der Partikelkonzentration eines strömenden, Partikel mitführenden Gases, insbesondere eines Gases aus einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, das die folgenden Schritte umfasst: Kontinuierliches Durchleiten des Gases durch eine Gasführungsleitung; Bestrahlen eines Bereichs der Gasführungsleitung durch eine im Wesentlichen rechtwinklig bezogen auf die Strömungsrichtung des Gases angeordnete polychromatische Lichtquelleneinheit; zeitgleiches Detektieren von Intensitäten mehrerer Wellenlängenbereiche der Streulichtanteile des betrachteten Bereichs der Gasführungsleitung durch einen Farbsensor oder einen Spektralanalyser, der in einem bestimmten Winkel bezogen auf die Ausstrahlrichtung der polychromatischen Lichtquelleneinheit angeordnet ist; und Bestimmen der Partikelgröße und/oder der Partikelkonzentration aus den durch den Farbsensor/den Spektralanalyser zeitgleich erfassten Intensitäten der Wellenlängenbereiche.
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Bei den Partikeln in dem betrachteten Gas kann es sich insbesondere um Rußpartikel handeln, die bei der Verbrennung im Verbrennungsmotor entstanden sind.
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Dieses Verfahren ist einfach durchführbar und liefert aussagekräftige Werte für die Partikelgröße und/oder die Partikelkonzentration in dem Gas. Da nur ein Farbsensor oder Spektralanalyser vorgesehen zu werden braucht, ist der Messaufbau für dieses Verfahren zudem einfacher und kostengünstiger realisierbar.
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Die vorstehend mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung aufgeführten Ausführungsformen und die sich jeweils ergebenden Vorteile ergeben sich in gleicher Weise, in jeweils verfahrensmäßiger Ausgestaltung, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln der Partikelgröße und/oder der Partikelkonzentration eines strömenden, Partikel mitführenden Gases. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden diese Ausführungsformen nicht noch einmal mit Bezug auf das Verfahren aufgeführt.
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Die Erfindung kann auch als Streulichtmessung mit polychromatischem Licht zur Detektion von Partikel-Größen in Aerosolen überschrieben werden.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert:
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1 zeigt eine Messprinzipskizze für die Ermittlung der Partikelkonzentration eines Abgases aus einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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2 zeigt eine Berechnungsprinzipskizze für die Ermittlung der mittleren Partikelgröße d und der Partikel-Konzentration c aus den von dem Farbmess-Lichtsensor gemäß 1 bestimmten Wellenlängenbereichen des Rot-Farbanteils, des Gelb-Farbanteils und des Blau-Farbanteils, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt eine Messprinzipskizze 2 für die Ermittlung der Partikelkonzentration eines Abgases aus einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Es ist eine polychromatische Lichtquelle 4 vorgesehen, die einen polychromatischen Lichtstrahl 12 mit einem Wellenlängenbereich eines Rot-Farbanteils 6, einem Wellenlängenbereich eines Gelb-Farbanteils 8 und einem Wellenlängenbereich eines Blau-Farbanteils 10 aussendet. Der polychromatische Lichtstrahl 12 trifft in einer Messkammer senkrecht auf eine Abgas-Partikelprobe 14 auf. Bei der Messkammer handelt es sich um eine offene Anordnung, die kontinuierlich von Abgas durchströmt wird. Das Abgas strömt dabei kontinuierlich in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 1 durch die Messkammer, so dass im Zeitverlauf stets unterschiedliche Partikel-Proben bestrahlt werden. Der unabgelenkte Anteil des polychromatischen Lichtstrahls 12 gelangt danach in eine Lichtsenke 16. Somit verläuft der nicht-gestreute Bereich des polychromatischen Lichtstrahls 12 in die Lichtsenke 16, und ungewünschte Spiegelungs- oder Interferenzeffekte durch ein Rückspiegeln können somit vermieden werden.
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Es ist ferner ein Farbmess-Sensor 18 vorgesehen, der bezüglich der Messkammer 14 in einem definierten Winkel zu der Ausstrahlungsrichtung des polychromatischen Lichtstrahls 12 durch die polychromatische Lichtquelle 4, der vorliegend exemplarisch 60° beträgt, angeordnet ist. Der Farbmess-Sensor 18 ist dazu ausgebildet, gleichzeitig mehrere Wellenlängenbereiche zu detektieren, vorliegend insbesondere den Wellenlängenbereich des Rot-Farbanteils 20, den Wellenlängenbereich des Gelb-Farbanteils 22 und den Wellenlängenbereich des Blau-Farbanteils 24. Der Farbmess-Sensor 18 ist dabei so bezüglich der Abgasströmungsleitung angeordnet, dass er einen Streulichtanteil des durch die Abgasprobe in der Abgasströmungsleitung gestreuten Lichts empfängt und gleichzeitig mehrere Wellenlängenbereiche dieses Streulichts detektiert.
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Bei der polychromatischen Lichtquelle 4 kann es sich insbesondere um eine polychromatische Weißlichtquelle handeln. Generell kann der zum Einsatz kommende Farbmess-Lichtsensor 18 von der Art sein, wie er üblicherweise zur Farbmessung verwendet wird. Insbesondere kann ein derartiger Farbmess-Lichtsensor so ausgebildet sein, dass er zeitgleich die Intensität der spektralen Anteile für drei oder vier Farbanteile getrennt ermitteln kann.
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Alternativ zum Vorsehen eines Farbmess-Lichtsensors 18 kann auch ein Spektralanalyser zum Einsatz kommen, der das gesamte Farbspektrum des Streulichts bei allen betrachteten Wellenlängenbereichen gleichzeitig zur Verfügung stellen könnte.
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Um es zu erlauben, dass der polychromatische Lichtstrahl 12 auf den betrachteten Bereich der Abgasströmungsleitung auftreffen und der Streulichtanteil zu dem Farbmess-Lichtsensor 18 gelangen kann, ist die Abgasströmungsleitung in diesem Bereich entweder von einer transparenten Wand, insbesondere einer Glaswand umgeben, oder sie weist an dieser Stelle gar keine Wand auf.
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Gemäß einer der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis der Erfinder hängt die Streulichtintensität bei einem vorgegebenen Winkel neben der Intensität des polychromatischen Lichtstrahls 12 und der Partikelkonzentration 14 auch vom Verhältnis der Wellenlänge zu der Partikelgröße ab.
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Da bei der vorliegenden Messprinzipskizze 2 die Intensitäten der Farbkomponenten des Rot-Farbanteils 6, des Gelb-Farbanteils 8 und des Blau-Farbanteils 10 gleichzeitig ermittelt werden, kann aus diesen Informationen die Partikelgröße bestimmt werden.
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Des weiteren kann noch eine Auswerte- und Steuereinheit vorgesehen sein, die in Verbindung mit der polychromatischen Lichtquelle 4 und dem Farbmess-Lichtsensor 18 steht.
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2 zeigt eine Berechnungsprinzipskizze 26 für die Ermittlung der mittleren Partikelgröße d und der Partikel-Konzentration c aus den von dem Farbmess-Lichtsensor 18 bestimmten Wellenlängenbereichen des Rot-Farbanteils 20, des Gelb-Farbanteils 22 und des Blau-Farbanteils 24.
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Diese Berechnung wird dabei vorzugsweise in einer in den Figuren nicht dargestellten Auswerteeinheit vorgenommen.
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Bei einem festen Beobachtungswinkel und einer gegebenen Partikel-Größenverteilung wird erfindungsgemäß die Abhängigkeit der Signale bei verschiedenen Wellenlängen beobachtet.
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Die Signale des durch den Farbmess-Lichtsensor 18 empfangenen Rot-Farbanteils 20, des Gelb-Farbanteils 22 und des Blau-Farbanteils 24 sind hinsichtlich der Partikel-Verteilung der Abgas-Partikelprobe 14 in der Messkammer unterschiedlich, weil das Verhältnis der Wellenlänge zur mittleren Partikelgröße bei diesen drei Farb-Komponenten unterschiedlich ist.
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Aus dem Verhältnis der drei Intensitätssignale I(S1) für den Rot-Farbanteil 20, I(S2) für den Gelb-Farbanteil 22 und I(S3) für den Blau-Farbanteil 24 kann gemäß der Berechnungsfunktion d = f(I(S1), I(S2), I(S3)) die mittlere Partikelgröße d bestimmt werden.
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Aus der absoluten Intensität der einzelnen Ausgangssignale des Farbmess-Lichtsensors 18 kann auf die Partikelkonzentration c [mg/m3], also die Anzahl der Partikel pro Volumen geschlossen werden. Dies ist exemplarisch für das Intensitätssignal I(S3) des Blau-Farbanteils 24, wie es durch den Farbmess-Lichtsensor 18 erzeugt worden ist, anhand der Berechnungsfunktion c = g(I(S3)) dargestellt.
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Hierfür wird die Theorie von Rayleigh und von Mie verwendet. Die Rayleigh-Streuung beschreibt das Verhalten für sehr kleine Partikel (d << λ) und sie erhält Terme für:
- 1. die Winkelabhängigkeit (Φ)
- 2. das Verhältnis Partikel-Größe zu Laser-Wellenlänge;
- 3. Brechungsindex der Partikel (n)
- 4. Abstand Partikel zu Sensor (R)
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Die Formel für die Intensität gemäß dieser Rayleigh-Streuung ist wie folgt:
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Vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die nicht gezeigte Gasführungsleitung der Messkammer mit einem Abgasstrang, insbesondere mit einem Auspuffendrohr eines Kraftfahrzeugs verbunden, und der Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs, insbesondere der Dieselmotor, wird danach betrieben, so dass Abgas aus dem Abgasstrang des Kraftfahrzeugs durch die Gasführungsleitung strömt. Dies ist dem Fachmann bekannt und braucht hier nicht weiter beschrieben zu werden.
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Aus der von dem Farbmess-Sensor 18 erfassten absoluten Intensität der erfassten Wellenlängenbereiche kann nun die Partikelkonzentration bestimmt werden, und aus dem Verhältnis der von dem Farbmess-Sensor 18 erfassten Intensitäten der Wellenlängenbereiche kann nun die Partikelgröße bestimmt werden.
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Die Information über die Partikelgröße kann optional zur Verbesserung der Genauigkeit der Partikelkonzentrationsmessung verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0079981 A1 [0003]
- JP 2003/114192 A [0004]
