-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen von Partikelkonzentrationen in Aerosolen, insbesondere in den Abgasen eines Verbrennungsmotors.
-
Stand der Technik:
-
Zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in Abgasen und anderen Aerosolen werden sogenannte Opazimeter eingesetzt. Diese beruhen auf dem Lambert-Beerschen Gesetz, indem sie die Abschwächung eines Lichtstrahls in dem untersuchten Medium erfassen und auswerten.
-
Üblich sind dabei Anordnungen, bei denen auf einer Seite einer geraden Messkammer eine Lichtquelle und auf der gegenüberliegenden Seite ein Lichtsensor angeordnet sind.
-
Ebenso sind Messanordnungen bekannt, bei denen zur Erhöhung der effektiven optischen Weglänge Spiegelsysteme verwendet werden. Ein Messstrahl durchläuft dabei mehrfach eine lineare Messstrecke.
-
Zur Messung sehr geringer Partikelkonzentrationen, wie sie den aktuellen und zukünftigen Abgasnormen für Kraftfahrzeuge entsprechen, sind längere Messstrecken erforderlich.
-
Eine Verlängerung der Messstrecke durch Vergrößern der Länge der Messkammer hat zur Folge, dass die Messgeräte groß und unhandlich werden.
-
Offenbarung der Erfindung:
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, die bei geringer Baugröße der Messvorrichtung eine große optische Wegstrecke und damit eine hohe Sensibilität auch bei geringen Partikelkonzentrationen realisiert.
-
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach dem unabhängigen Patentanspruch 10 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 1 bis 9 beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen der Partikelkonzentration in einem Aerosol hat eine Messkammer, in die das zu messende Aerosol einbringbar ist; eine Lichtquelle, die zum Einstrahlen eines Lichtstrahls in die Messkammer ausgebildet ist; wenigstens einen Lichtsensor, der zur Messung der Intensität von aus der Messkammer austretendem Licht ausgebildet ist; und eine Auswerteeinheit, die zur Bestimmung der Partikelkonzentration in dem Aerosol aus der von dem Lichtsensor gemessenen Intensität ausgebildet ist. Die Messkammer weist Reflexionsflächen auf, die ausgebildet sind, um den in die Messkammer eingestrahlten Lichtstrahl zu reflektieren. Die Reflexionsflächen sind in der Form eines Polygons, einer Ellipse oder eines Kreises angeordnet, so dass der Lichtstrahl innerhalb der Messkammer mehrfach an den Reflexionsflächen reflektiert wird und so eine Weglänge in der Messkammer zurücklegt, die größer als der Durchmesser der Messkammer ist.
-
Kreisförmig angeordnete Reflexionsflächen lassen sich besonders einfach in Form eines Zylinders realisieren. In der Form eines Polygons angeordnete Reflexionsflächen ermöglichen es, den Reflexionswinkel gezielt auf einen gewünschten Wert einzustellen.
-
Ein Verfahren zum Messen der Partikelkonzentration in einem Aerosol schließt ein, einen Lichtstrahl in eine das Aerosol enthaltende Messkammer einzustrahlen und die Partikelkonzentration aus der Intensität von Licht, das aus der Messkammer austritt, zu bestimmen. Dabei wird der Lichtstrahl innerhalb der Messkammer an Reflexionsflächen reflektiert, die in Form eines Polygons oder in Form einer Ellipse bzw. eines Kreises angeordnet sind.
-
Dadurch, dass der Lichtstrahl erfindungsgemäß innerhalb der Messkammer mehrfach an Reflexionsflächen reflektiert wird, die in der Form eines Polygons, einer Ellipse oder eines Kreises angeordnet sind, kann trotz einer kleinen Baugröße der Messkammer eine große optische Weglänge des Lichtstrahls innerhalb der Messkammer realisiert werden. Auf diese Weise kann eine Messvorrichtung zur Verfügung gestellt werden, die trotz geringer Baugröße eine hohe Sensibilität aufweist und daher insbesondere auch zur Messung kleiner Partikelkonzentrationen geeignet ist.
-
In einer Ausführungsform sind die Reflexionsflächen in der Form eines Polygons angeordnet, das mindestens fünf, vorzugsweise acht Seiten aufweist. Durch ein Polygon mit fünf oder mehr Seiten kann bei geringer Baugröße der Messkammer eine besonders lange optische Weglänge innerhalb der Messkammer realisiert werden.
-
In einer Ausführungsform weist das Polygon n Seiten auf und der Lichtstrahl wird innerhalb der Messkammer 2n-mal reflektiert, um eine besonders effektive Nutzung der Messkammer zu ermöglichen.
-
In einer Ausführungsform ist zusätzlich im Zentrum des Polygons oder Kreises ein Reflexionselement mit einem polygonen oder kreisförmigen, reflektierenden Umfang ausgebildet ist. Durch ein derartiges Reflexionselement werden zusätzliche Reflexionsflächen geschaffen, die den optischen Weg des eingestrahlten Lichtstrahles in der Messkammer weiter vergrößern.
-
In einer Ausführungsform verlaufen die reflektierten Lichtstrahlen innerhalb der Messkammer in einer gemeinsamen Ebene. Eine Anordnung, bei der die Lichtstrahlen in einer gemeinsamen Ebene verlaufen, ist besonders einfach und kostengünstig realisierbar, da die Reflektoren einfach auszurichten sind.
-
In einer Ausführungsform ist die Messkammer als Zylinder oder als mehrseitiges Polyeder so ausgebildet, dass der Lichtstahl durch die Reflexionsflächen auch in Richtung der Längsachse des Zylinders bzw. Polyeders umgelenkt wird. Die optische Wegstrecke des Lichtstrahls in der Messkammer kann so durch Ausnutzen der Längserstreckung der Messkammer noch weiter vergrößert werden.
-
In einer Ausführungsform wird der Lichtstrahl im Wesentlichen schraubenartig um die Achse des Zylinders bzw. Polyeders reflektiert. Durch einen schraubenförmigen Verlauf des reflektierten Lichtstrahls kann eine besonders lange Wegstrecke des Lichtstrahls in der Messkammer realisiert werden.
-
In einer Ausführungsform sind die Wände der Messkammer auf den Innenseiten Licht reflektierend ausgebildet. Licht reflektierend ausgebildete Wände stellen eine besonders einfach und kostengünstig zu realisierende Messkammer zur Verfügung.
-
In einer Ausführungsform sind auf der Innenseite der Wände der Messkammer Reflektoren angeordnet. Durch auf den Wänden der Messkammer angebrachte Reflektoren kann der Lichtstrahl in der Messkammer besonders effektiv reflektiert werden. Durch eine geeignete Ausrichtung der Reflektoren kann eine beliebige Ablenkung des Lichtstrahls realisiert werden; insbesondere kann der Lichtstrahl auch in Richtung der Längserstreckung der Messkammer abgelenkt werden.
-
In einer Ausführungsform weist die Messvorrichtung einen Sensor auf, der den aus der Messkammer austretenden Lichtstrahl erfasst. Durch die Auswertung der Intensität des aus der Messkammer austretenden Lichtstrahls, dessen Intensität durch die Streuung an in der Messkammer vorhandenen Partikeln geschwächt ist, kann die Partikelkonzentration in der Messkammer bestimmt werden.
-
In einer Ausführungsform ist eine Streulichtoptik vorgesehen, die ausgebildet ist, um von den Partikeln in der Messkammer gestreutes Licht (Streulicht) zu erfassen und auf einen Sensor zu leiten. Die Auswertung des von den Partikeln in der Messkammer gestreuten Lichts stellt eine alternative oder ergänzende Möglichkeit zur Messung der Partikelkonzentration in der Messkammer zur Verfügung.
-
Die Messung der Intensität des aus der Messkammer austretenden, durch die Partikel geschwächten Lichtstrahls, kann auch mit der Messung des aus der Messkammer austretenden Streulichts kombiniert werden, um eine Plausibilitätskontrolle durchzuführen und/oder die Messgenauigkeit zu erhöhen.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Streulichtmessgeräts;
-
2 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Streulichtmessgeräts;
-
3 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Messkammer; und
-
4 eine schematische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Streulichtmessgeräts.
-
1 zeigt eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Streulichtmessgeräts.
-
Das Streulichtmessgerät weist eine Lichtquelle 2 auf, die beispielsweise als Laserlichtquelle ausgebildet ist und im Betrieb einen für die Messung verwendeten Lichtstrahl 4 erzeugt.
-
Der von der Lichtquelle 2 erzeugte Lichtstrahl 4 wird durch eine Eintrittsöffnung 7 in eine Messkammer 6 eingestrahlt, die in dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einen Querschnitt in der Form eines achteckigen Polygons hat und deren acht Wände 8 jeweils Licht reflektierend ausgebildet sind. Der in die Messkammer 6 eingestrahlte Lichtstrahl 4 wird daher mehrfach an den Wänden 8 der Messkammer 6 reflektiert und durchläuft mehrfach das Volumen der Messkammer 6, bevor er durch eine in einer der Wände 8 der Messkammer 6 ausgebildete Austrittsöffnung 9 wieder aus der Messkammer 6 austritt.
-
Das zu messende Aerosol wird über in der 1 nicht gezeigte Leitungen in die Messkammer 6 eingebracht, so dass der Lichtstrahl 4 auf seinem Weg durch das Volumen der Messkammer 6 an den in dem Aerosol enthaltenen Partikeln gestreut und abgeschwächt wird. Die Intensität des aus der Messkammer 6 austretenden Lichtstrahls 5 ist daher in Abhängigkeit von der Partikelkonzentration im Aerosol gegenüber der Intensität des einfallenden Lichtstrahls 4 reduziert. Insbesondere ist die Intensität des austretenden Lichtstrahls 5 eine Funktion der Partikelkonzentration im Aerosol. Der austretende Lichtstrahl 5 wird auf einen Sensor 10 geführt, der die Intensität des austretenden Lichtstrahls 5 misst und das Ergebnis an eine mit dem Sensor 10 verbundene Auswerteeinheit 12 weiter gibt. Die Auswerteeinheit 12 ermittelt aus der von dem Sensor 10 gemessenen Intensität des austretenden Lichtstrahls 5 die Partikelkonzentration im Aerosol und gibt das Ergebnis über eine Anzeigevorrichtung 14 oder eine nicht in der Figur gezeigte elektrische Schnittstelle aus.
-
Dadurch, dass der Lichtstrahl 4, 5 innerhalb der Messkammer 6 mehrfach reflektiert wird, beträgt die effektive Messstrecke, über die die Intensität des Lichtstrahls 4, 5 durch die im Aerosol enthaltenen Partikel reduziert wird, ein Mehrfaches des Durchmessers der Messkammer 6. Es kann daher auch mit einer kompakt aufgebauten Messkammer 6 eine lange Messstrecke mit einer großen effektiven optischen Weglänge realisiert werden, so dass auch geringe Partikelkonzentrationen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können.
-
Die in der 1 gezeigte Ausführung der Messkammer 6 als achteckiges Polygon ist nur beispielhaft und es ist offensichtlich, dass die Messkammer 6 auch als Polygon mit weniger oder mehr Seiten bis hin zu einer Messkammer mit einer kreis- oder ellipsenförmig ausgebildeten umlaufenden reflektierenden Wand 8 realisiert werden kann.
-
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Streulichtmessgeräts. Dabei sind diejenigen Elemente, die mit denen des in der 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel identisch sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht erneut im Detail beschrieben.
-
Auch das in der 2 gezeigte Streulichtmessgerät gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist eine achteckige Messkammer 6 auf. Anders als im ersten Ausführungsbeispiel ist im Zentrum der achteckigen Messkammer 6 ein ebenfalls achteckig ausgebildetes zentrales Reflexionselement 16 angeordnet, das auf seinem äußeren Umfang reflektierend ausgebildet oder mit Reflektoren versehen ist. Der in die Messkammer 6 eingestrahlte Lichtstrahl 4 durchläuft in einer Messkammer 6 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nicht das Zentrum der Messkammer 6, sondern wird an den reflektierenden Flächen bzw. Reflektoren des im Zentrum der Messkammer 6 angeordneten Reflexionselements 16 reflektiert, so dass der in die Messkammer 6 eingestrahlte Lichtstrahl 4 abwechselnd am äußeren Umfang des zentralen Reflexionselements 16 und an den Außenwänden 8 der Messkammer 6 reflektiert wird. Im Ergebnis wird durch den Lichtstrahl 4, 5 innerhalb der Messkammer 6 ein sternförmiges Lichtstrahlmuster ausbildet.
-
Nachdem der Lichtstrahl 4, 5 in Form des sternförmigen Lichtstrahlmusters den Umfang der Messkammer 6 umlaufen hat, verlässt er die Messkammer 6 durch eine in einer der Außenwände 8 ausgebildete Austrittsöffnung 9 und fällt zur weiteren Auswertung auf einen Lichtsensor 10, wie es im Zusammenhang mit dem ersten, in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist.
-
Auch die Messkammer 6 des zweiten Ausführungsbeispiels wird im Betrieb mit dem zu messenden Aerosol gefüllt, so dass der Lichtstrahl 4 an den im Aerosol enthaltenen Partikeln gestreut wird und seine Intensität als Funktion der Partikelkonzentration im Aerosol abnimmt.
-
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Messkammer 6, die als sechsseitiger Polyeder ausgebildet ist. Im Betrieb wird der Lichtstrahl 4 durch eine Eintrittsöffnung 7 schräg in die polyederförmige Messkammer 6 eingestrahlt, so dass er von in der 3 nicht erkennbaren Reflektoren, die an den Seitenwänden 8 der Messkammer 6 angeordnet sind, schraubenartig um den Umfang der polyederförmigen Messkammer 6 und gleichzeitig in Richtung der Längsachse A der polyederförmigen Messkammer 6 abgelenkt wird, bevor er durch eine Austrittsöffnung 9, die entlang der Längsachse des Polyeders 6 versetzt ist, wieder aus der Messkammer 6 austritt.
-
Der Lichtstrahl 4 beschreibt so im Inneren der polyederförmigen Messkammer 6 eine schraubenartige Bahn mit einer großen optischen Weglänge, die insbesondere um ein Mehrfaches größer als der Abstand zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung entlang der Längsachse des Polyeders ist. Mit einer derartigen polyederförmigen Messkammer 6 kann daher eine besonders lange optische Weglänge realisiert werden, mit der auch kleine Partikelkonzentrationen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können.
-
4 zeigt eine schematische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Streulichtmessgeräts. Das Streulichtmessgerät gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel weist ebenfalls eine polyederförmige Messkammer 6 auf, in die ein von der Lichtquelle 2 erzeugter Lichtstrahl 4 eingestrahlt wird, so dass er von den Wänden 8 der Messkammer mehrfach reflektiert und von Partikeln, die in der Messkammer 6 vorhanden sind, gestreut wird.
-
Anders als bei den Anordnungen gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel, wie sie in den 1 und 2 gezeigt sind, wird bei dem Streulichtmessgerät gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel nicht die Intensität des aus der Messkammer 6 austretenden Lichtstrahls 5 gemessen, um die Partikelkonzentration eines Aerosols in der Messkammer 6 zu bestimmen. Vielmehr wird das von den Partikeln gestreute Licht (Streulicht) 22 von einem optischen Streulichtsystem 18 erfasst und auf einen Streulichtsensor 20 konzentriert. In dem in der 4 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel wird insbesondere Streulicht 22 erfasst, das in einem im Wesentlichen rechten Winkel zur Ebene, in der der Lichtstrahl 4 durch die Messkammer 6 geführt wird, abgestrahlt wird.
-
Da die Intensität des von den Partikeln im Aerosol gestreuten Streulichts 22 eine Funktion der Partikelkonzentration im Aerosol ist, kann aus der von dem Streulichtsensor 20 gemessenen Intensität des Streulichts 22 von der Auswerteeinheit 12 auf die Partikelkonzentration im Aerosol geschlossen werden.
-
Aufgrund des großen Volumens und der langen optischen Wegstrecke, die von dem Lichtstrahl 4 in der Messkammer 6 durchlaufen wird, werden starke Sensorsignale erzeugt, so dass eine hohe Sensibilität vorhanden ist und selbst geringe Partikelkonzentrationen im Aerosol mit guter Genauigkeit bestimmt werden können.
-
Die Auswertung des von den Partikeln gestreuten Streulichts 22 kann auch mit der Auswertung der Intensität des aus der Messkammer 6 austretenden Lichtstrahls 5 gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel kombiniert werden, um eine Plausibilitätskontrolle durchzuführen und/oder die Genauigkeit der Messergebnisse weiter zu verbessern.
-
Die Erfindung stellt ein Streulichtmessgerät mit kleiner Baugröße und hoher Sensibilität zur Verfügung, das insbesondere auch zur Bestimmung geringer Partikelkonzentrationen geeignet ist.
