-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Gas-
und/oder Partikelmessung gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur optischen Gas- und/oder Partikelmessung
gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 12.
-
Die
optische Gas- und Partikelmessung gewinnt zunehmende Bedeutung insbesondere
im Bereich der Abgassensorik, wobei die Abgase eines Verbrennungsmotors
detektiert bzw. analysiert werden. Die Abgassensorik wird beispielsweise
zur Kontrolle oder Steuerung des Katalysators eingesetzt oder sie
dient zur Unterstützung
des Motormanagements. Beispielsweise kann mittels optischer Gas- und
Partikelmessung eine Rußdetektion
erfolgen. Dadurch ist es möglich,
bei einer Verbrennungskraftmaschine Schadstoffe wirksam zu reduzieren
und den Treibstoffbedarf zu verringern.
-
Ein
weiteres mögliches
Anwendungsgebiet der optischen Gas- und Partikelmessung ist die Branddetektion.
Dabei entstehen in den meisten Fällen
größere Russpartikel,
an denen einfallendes Licht gestreut wird. Aber auch Brände mit
relativ wenig Russpartikeln lassen sich optisch detektieren, indem z.
B. die Absorption von Licht durch Brandgase gemessen wird.
-
Optische
Gas- und Partikelmessgeräte
sind daher insbesondere auch zum Einsatz in Kraftfahrzeugen und
Flugzeugen bzw. Luftfahrzeugen geeignet, beispielsweise um Abgase
zu analysieren und Brände
in Fracht- und Passagierräumen
zu detektieren.
-
Bei
der optischen Gas- und Partikelmessung wird Licht im Infrarotbereich
oder im sichtbaren Bereich auf das zu messende Gas oder auf einen
zu überwachenden
Raumbereich gerichtet. Mittels eines Detektors wird anschließend z.
B. die Absorption gemessen, wodurch die Art des Gases und die jeweilige
Konzentration bestimmt werden kann. An größeren Partikeln, beispielsweise
an Russpartikeln, erfolgt eine Streuung des Lichts, die ebenfalls
durch geeignete Detektoren bestimmt wird.
-
Aus
der
AT 384 488 B ist
eine Vorrichtung zur Messung eines Dampf- beziehungsweise Gasspektrums
von bei Raumtemperatur flüssigen
oder festen Probesubstanzen bekannt. Die Vorrichtung weist einen
Küvettenkörper auf,
der mittels strahlungsdurchlässiger
Deckel dicht verschließbar
ist. Im Bereich der Deckel sind Heizelemente angeordnet, durch die eine
Kondensation an den Deckeln vermieden werden sollen.
-
Aus
der
DE 199 43 733
C1 ist eine Anordnung zur optoelektronischen Identifikation
strömender
Flüssigkeiten
bekannt, bei der entlang eines Strömungskanals mehrere Lichtkanäle vorgesehen
sind, die hintereinander in Bohrungen senkrecht zum Strömungskanal
angeordnet sind. In den Lichtkanälen sind
jeweils ein optischer Sender in Form einer Lichtquelle und ein optischer
Empfänger
angeordnet, so dass die Flüssigkeit
bei einer Durchströmung
des Strömungskanals
mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge beaufschlagbar. Der Strömungskanal
ist mit einem Quarzglasrohr ausgekleidet, wobei Sender und Empfänger außerhalb
von dem Quarzglasrohr angeordnet sind.
-
Aus
der
DE 39 18 994 C1 ist
eine Vorrichtung zur optischen Messung einer Gaskomponente in einer
Gasprobe bekannt. Die Vorrichtung umfasst ein Messgehäuse, das
unter anderem einen optischen Sender, einen optischen Empfänger und
eine Küvette
zur Aufnahme der Gasprobe beinhaltet. Sender und Empfänger sind
durch Fenster in der Küvette
und in einer Küvettenhalterung
von der Gasprobe getrennt. Auf den Fenstern der Küvettenhalterung
sind Heizelemente in Form von Heizbahnen aufgebracht durch die eine
Kondensation von Wasserdampf vermieden wird. Die Fenster bestehen
aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit,
z.B. Saphir.
-
Aus
der
DE 198 15 273
A1 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der sich Konzentrationen
gasförmiger
und fester Bestandteile eines Abgasstroms eines Kraftfahrzeugs mittels
Infrarot-Spektroskopie
bestimmen lassen. Die Vorrichtung weist dazu ein durchströmbares Messgehäuse mit
beiheizbaren Wänden auf,
in dem Abgas mit Infrarot-Strahlung bestrahlt wird. Aus einer durch
den Messraum gelangten Strömung
lassen sich die Konzentrationsverhältnisse von gasförmigen Bestandteilen
und festem Kohlenstoff des Abgases ermitteln.
-
Aus
der
DE 199 04 691
A1 ist eine Vorrichtung zur optischen Bestimmung von Partikelkenngrößen in einem
Fluid, zum Beispiel Teilchengrößen oder
Konzentrationen, bekannt. Die Vorrichtung umfasst ein von Abgas
durchströmbares
Messgehäuse in
Form eines Rohrstücks
sowie einen optischen Sender in Form eines Lasers und einen Detektor.
Der Detektor ist über
Analog-Digital-Wandler mit einem Mikroprozessor verbunden, so dass
sich die gewonnenen Messdaten unmittelbar zur Steuerung eines Verbrennungsmotors
verwenden lassen. Die Messanordnung ist Rohrleitungen mit unterschiedlichen Durchmessern
anpassbar.
-
Aus
der
DE 195 41 516
C2 ist eine Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration
im Abgas eines Verbrennungssystem bekannt, bei der ein Sender in
Form eines Diodenlasers und ein Empfänger vorgesehen sind. Zur Korrektur möglicher
Verschmutzungseinflüsse
auf Fenstern der Messobjekte ist neben dem Diodenlaser ein zweiter
Laser mit einer leicht versetzten Wellenlänge vorgesehen. Auf diese Weise
lassen sich eine Verschmutzungsabschwächung der Strahlung detektieren
und eine Abschwächung
der Messstrahlung bei der Auswertung korrigieren.
-
Optische
Gas- und Partikelmessungen finden zumeist unter rauen Umgebungstemperaturen statt.
In den zu messenden Bereichen herrschen in vielen Anwendungsfällen sehr
hohe Temperaturen und oftmals auch ein erhöhter Druck. Dabei besteht das
Problem, dass sich Ablagerungen von Partikeln, beispielsweise Ruß, auf dem
Fenster zwischen dem eigentlichen Messsystem und dem zu messenden Medium
bilden. Auf einem derartigen Fenster, das z. B. einen Laser bzw.
eine Lichtquelle von dem zu messenden Medium räumlich trennt, kann insbesondere
auch eine Kondensation von Wasser erfolgen. Die Ablagerungen von
Partikeln oder auch die Kondensation von Wasser führen zur
Beeinträchtigung des
Messsignals und somit zu ungenauen Messergebnissen bis hin zur dauerhaften
Störung
des Messbetriebs.
-
Bisher
wurde versucht, das Problem der durch Ablagerungen verursachten
verminderten Transparenz durch eine elektronische Kompensation der
detektierten Signale zu lösen.
Dies ist jedoch nur bis zu einem bestimmten Verschmutzungsgrad möglich, so
dass ein dauerhafter Messbetrieb mit zuverlässigen und genauen Messergebnissen
auf diese Weise kaum oder nur mit sehr großem, zusätzlichen Aufwand erreicht werden
kann.
-
Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, optische Gas-
und Partikelmessgeräte derart
weiter zu entwickeln, dass auch unter rauen Umgebungsbedingungen
ein dauerhafter und zuverlässiger
Messbetrieb mit genauen Messergebnissen gewährleistet ist. Die Beeinträchtigung
durch Ablagerungen von Partikeln und Wasser auf den Fenstern von
Gas- und/oder Partikelmessgeräten
soll wirksam reduziert oder vermieden werden. Weiterhin soll ein Verfahren
zur optischen Gas- und Partikelmessung angegeben werden, das auch
unter rauen Umgebungsbedingungen dauerhafte, zuverlässige und
genauere Messergebnisse liefert.
-
Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Vorrichtung zur optischen Gas- und/oder Partikelmessung gemäß Patentanspruch
1, sowie durch das Verfahren zur optischen Gas- und/oder Partikelmessung
gemäß Patentanspruch
12. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen.
-
Die
Vorrichtung umfasst ein Messgehäuse, welches
von Abgas durchströmbar
ist. Dem Messgehäuse
sind ein optischer Sender zur Erzeugung eines Lichtstrahls sowie
ein optischer Empfänger
zum Erfassen des Lichtstrahls zugeordnet. Die Messanordnung weist
ferner einen Träger
in Form einer dünnen Platte
auf, der wenigstens ein Fenster zur Trennung des optischen Senders
und/oder des optischen Empfängers
von dem zu vermessenden Abgas umfasst, wobei das Fenster eine Fensteröffnung in
dem Träger
mit einem transparenten Fenster element umfasst, das für Licht
eines Wellenlängenbereiches durchlässig ist.
Auf dem Träger
ist ein Temperaturfühler
angeordnet, der sich von einem unteren Ende des Trägers zur
Fensteröffnung
hin erstreckt. Ferner ist auf dem Träger ein elektrisch an eine
Spannungsquelle koppelbares Heizelement angeordnet, das einen Heizabschnitt
aufweist, mit Hilfe dessen das transparente Fensterelement auf eine
erhöhte
Heiztemperatur bringbar ist, und das zwei sich parallel zueinander
erstreckende Leitungsabschnitte aufweist, wobei sowohl elektrische
Anschlüsse
des Heizelements als auch elektrische Anschlüsse des Temperaturfühlers am
unteren Ende des Trägers
positioniert sind.
-
Das
Fenster dient zur Trennung einer Lichtquelle und/oder eines Detektors
von den zu messenden Gasen oder Partikeln, und zeichnet sich insbesondere
dadurch aus, dass es mit einem Heizelement versehen ist, das an
eine Spannungsquelle elektrisch gekoppelt oder koppelbar ist, um
das transparente Element durch Anlegen einer Heizspannung an das
Heizelement zu reinigen.
-
Bei
dem Fenster werden Ablagerungen und Verbrennungsrückstände auf
dem transparenten Element wirksam beseitigt, ohne dass der Messbetrieb unterbrochen
werden muss. Insbesondere kann ein hoher Grad an Transparenz über einen
langen Zeitraum aufrechterhalten werden, so dass ein dauerhafter
und zuverlässiger
Messbetrieb gewährleistet
ist. Das Fenster hat somit selbstreinigende Eigenschaften.
-
Das
transparente Element kann beispielsweise durch Kleben auf dem Träger befestigt
sein, wobei es eine Öffnung
des Trägers überdeckt,
durch die das Licht bei der Durchführung der Messung hindurchtritt.
Weiterhin kann das transparente Element in der Öffnung des Trägers durch
Klemmen befestigt sein, insbesondere durch thermisches Klemmen.
Dadurch kann eine besonders zuverlässige Verbindung ohne den Einsatz
von Klebstoffen erzielt werden.
-
Vorteilhaft
hat der Träger
mehrere Öffnungen,
die jeweils durch ein transparentes Element verschlossen sind. Dadurch
sind Messungen mit mehreren Detektoren möglich, und es können Differenzsignale
erzeugt werden, die zu noch weiter verbesserten Messergebnissen
führen.
-
Bevorzugt
ist das transparente Element aus Saphir gefertigt. Dadurch ergibt
sich eine besonders hohe Temperaturbeständigkeit, so dass die optische Gas-
und Partikelmessung dauerhaft im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen
erfolgen kann.
-
Vorteilhafterweise
umfasst das Heizelement eine Metallisierung, von der mindestens
ein Abschnitt das transparente Element in räumlicher Nähe umgibt, um es thermisch
an das Heizelement zu koppeln. Dadurch wird eine besonders wirksame
Heizung des transparenten Elements möglich, wobei die Heizung sehr
schnell erfolgen kann.
-
Vorteilhafterweise
hat die Metallisierung mindestens einen Leitungsabschnitt mit relativ
breitem Querschnitt und mindestens einen Heizabschnitt mit relativ
schmalem Querschnitt, wobei der Heizabschnitt das transparente Element
U-förmig
umgibt. Insbesondere durch die U-förmige Ausgestaltung des Heizabschnitts
ist eine sehr wirksame und schnelle Aufheizung des transparenten
Elements durch Anlegen der Heizspannung möglich.
-
Der
an das transparente Element bzw. an die Fensteröffnung angrenzende Heizabschnitt
kann insbesondere auch zickzackförmig
ausgestaltet sein. Dadurch kann die Aufheizung des transparenten
Elements noch schneller und wirksamer erfolgen.
-
Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn mehrere Heizabschnitte des Heizelements
parallel zueinander angeordnet sind, wobei ein oder mehrere transparente
Elemente jeweils zwischen zwei Heizabschnitten angeordnet sind.
Dadurch ergibt sich eine besonders gleichmäßige und schnelle Aufheizung
der Fensteröffnung
beim Anlegen der Heizspannung.
-
Besonders
vorteilhaft ist das transparente Element auf eine Temperatur von
mindestens 400°C heizbar,
wobei die Temperatur vorzugsweise mehr als 600°C beträgt und insbesondere bevorzugt
im Bereich von 600-700°C
liegt. Durch diese Ausgestaltung können besonders Rußpartikel
wirksam entfernt werden, die sich normalerweise als Verbrennungsrückstand
auf der Oberfläche
des Fensters ablagern. Durch die hohe Temperatur kann z.B. ein Übergang der
Rußpartikel
in die Gasphase erfolgen bzw. die Haftung der Rußpartikel reduziert werden,
so dass sie z.B. abfallen und im Gasstrom von dem Fenster wegtransportiert
werden.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Messgehäuse vorgesehen,
dem ein optischer Sender zum Aussenden von Licht in einem Raumbereich,
der von dem Abgas des Verbrennungsmotors durchströmbar ist,
sowie ein optischer Empfänger
zum Empfang des Lichts zugeordnet sind, wobei der optische Sender
und/oder der optische Empfänger
von dem Raumbereich durch mindestens ein Fenster mit einem transparenten
Element insbesondere aus Keramik oder Saphir getrennt ist, wobei
die Lichtquelle zur Emission blauen sichtbaren Lichts vorgesehen
ist und das transparente Fensterelement entsprechend des von der
Lichtquelle emittierten Lichtes für blaues Licht durchlässig gestaltet
ist.
-
Durch
die beschriebene Vorrichtung ist ein dauerhafter und zuverlässiger Messbetrieb
mit genaueren Messergebnissen möglich.
Beispielsweise muss der Messbetrieb nicht mehr unterbrochen werden,
um das Fenster auszutauschen oder zu reinigen, da es eine selbstreinigende
Funktion hat. Durch das Anlegen einer Heizspannung kann das Fenster auch
während
des laufenden Messbetriebs gereinigt werden, so dass die Transparenz
aufrechterhalten oder wiederhergestellt wird.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur optischen Gas-
und/oder Partikelmessung angegeben, bei dem mittels eines optischen
Senders Licht in einen Raumbereich gesendet und mittels eines optischen
Empfängers
detektiert wird, um durch Absorption und/oder Streuung des Lichts
Eigenschaften des Abgases des Verbrennungsmotors zu bestimmen, wobei
ein Fenster mit einem, transparenten Fensterelement aus einem temperaturbeständigen Material,
insbesondere aus einer Keramik oder einem Saphir, das den optischen
Sender und/oder den optischen Empfänger von dem Abgas räumlich trennt,
durch ein Aufheizen auf eine erhöhte
Dauerbetriebstemperatur von mehr als 400°C gereinigt wird, während der
Messbetrieb zwischen optischem Sender und optischem Empfänger fortgesetzt
wird.
-
Durch
das beschriebene Verfahren können auch
unter rauen Umgebungsbedingungen bzw. bei erhöhten Drücken und Temperaturen dauerhaft
zuverlässige
Messergebnisse erzielt werden, wobei die Transparenz des Fensters
aufrechterhalten oder im laufenden Betrieb wiederhergestellt werden
kann. Vorteilhafterweise wird das Fenster auf eine Temperatur von
mehr als ca. 400°C
gereinigt. Dadurch können Wasserablagerungen
beseitigt oder auch sonstige Verbrennungsrückstände, beispielsweise Rußpartikel
entfernt werden.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft beschrieben,
in denen
-
1a und 1b ein
Fenster der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
als Ansicht der Vorderseite bzw. Rückseite schematisch zeigen;
-
2 ein
Fenster gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
mit Temperaturfühler und
zickzackförmigen
Heizabschnitt zeigt;
-
3 ein
Fenster gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
mit Temperaturfühler und
mäanderförmigem Heizabschnitt
zeigt;
-
4 eine
zeitliche Abfolge des Abbrennens von Ruß auf einem erfindungsgemäßen Fenster zeigt;
-
5 eine
noch weitere Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Fensters
mit vier Öffnungen
zum Durchgang von Licht zeigt;
-
6 eine
Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen
Gas- und/oder Partikelmessung mit einem Fenster zeigt, das gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgestaltet ist;
-
7 eine
weitere Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Messeinrichtung zur Rußmessung zeigt.
-
In
den 1a und 1b ist
ein Fenster 10 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung in einer Vorderansicht (Ia)
und Rückansicht (Ib) gezeigt. Das erfindungsgemäße Fenster 10 dient
zum Einsatz in optischen Gas- und/oder Partikelmessgeräten zur
Trennung einer Lichtquelle oder eines Detektors von den zu messenden
Gasen oder Partikeln. Das Fenster 10 umfasst eine runde
Fensteröffnung 11,
um einen für
die Messung benötigten Lichtstrahl
hindurch treten zu lassen. Weiterhin ist das Fenster 10 mit
einem Heizelement 12 versehen, das an eine Spannungsquelle,
die in den Figuren nicht dargestellt ist, elektrisch angeschlossen
ist oder im Betrieb angeschlossen wird.
-
Das
Heizelement 12 liegt in Form einer Metallisierung vor,
die auf der Vorderseite eines Trägers 13 angeordnet
ist. Der Träger 13 ist
in Form einer rechteckigen dünnen
Platte ausgestaltet, auf deren Vorderseite das Heizelement mittels
eines Beschichtungsverfahrens in Dick- oder Dünnschichttechnik aufgebracht
ist. Auf der Rückseite
des Trägers 13 befindet
sich ein transparentes Fensterelement 14, das auf den Träger 13 aufgeklebt
ist und die Fensteröffnung 11 überdeckt.
Dadurch bildet die Fensteröffnung 11 eine
räumliche
Trennung der optischen Einheiten von dem Bereich der zu messenden
Gase und Partikel. Die zur Messung benötigten Lichtstrahlen können jedoch
durch die Fensteröffnung 11 mit
dem transparenten Fensterelement 14 hindurchtreten.
-
Das
Fensterelement 14 ist aus Saphir gefertigt und als dünnes Plättchen bzw.
als dünne
Scheibe ausgestaltet. Als Material für das transparente Fensterelement 14 können allgemein
temperatur- und hochtemperaturbeständige, transparente Materialien wie
beispielsweise transparente Keramiken verwendet werden, die für die Wellenlänge oder
den Wellenlängenbereich
des zur Messung verwendeten Lichtstrahls transparent sind.
-
Das
Heizelement 12 umfasst einen ersten und einen zweiten Leitungsabschnitt 12a, 12b,
die sich an den Rändern
des rechteckigen Trägers 13 parallel
zueinander erstrecken, sowie einen Heizabschnitt 12c, der
die Fensteröffnung 11 umgibt.
Dabei ist der Heizabschnitt 12c U-förmig ausgestaltet und mit seinen
beiden Enden jeweils mit einem Leitungsabschnitt verbunden. Im Zentrum
des U-förmigen Heizabschnitts 12c ist
die Fensteröffnung 11 angeordnet.
Die Leitungsabschnitte 12a, 12b haben gegenüber dem
Heizabschnitt 12c einen größeren Leitungsquerschnitt,
so dass die Heizleistung im Wesentlichen im Bereich des U-förmigen Heizabschnitts 12c erbracht
wird.
-
Die 2 und 3 zeigen
jeweils ein Fenster 20, 30 gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung. Dabei sind nachfolgend funktionsgleiche oder ähnliche
Elemente mit denselben Bezugszeichen wie in 1a und 1b gekennzeichnet. Das Fenster 20 weist
jedoch einen zickzackförmig
ausgestalteten Heizabschnitt 22c auf, der die Fensteröffnung 11 umgibt,
wie in 2 gezeigt. Die in 3 gezeigte
Ausführungsform
hat einen mäanderförmigen Heizabschnitt 32c,
der die Fensteröffnung 11 umgibt.
-
Im
Zentrum des jeweiligen Trägers 13 ist
ein Temperaturfühler 16 angeordnet,
der sich vom unteren Ende des Trägers 13 zur
Fensteröffnung 11 erstreckt,
um im Bereich der Fensteröffnung 11 im
laufenden Betrieb die Temperatur zu bestimmen. An seinem unteren
Ende hat der Temperaturfühler 16 zwei Anschlüsse 16a zur
elektrischen Verbindung mit einer Temperaturmesseinheit, die in
den Figuren nicht dargestellt ist. Dabei kann über eine Steuer- oder Regeleinrichtung
die Temperatur des Fensters 20 bzw. 30 gesteuert
oder geregelt werden.
-
4 zeigt
den zeitlichen Ablauf beim Abbrennen von Ruß von dem beschriebenen Fenster. Dabei
wird zumindest der transparente Bereich des Fensters mit einem Keramikheizer
auf konstante Temperatur geregelt. Dabei zeigt sich, wie mit fortschreitender
Zeit die Verrußung
des Fensters abnimmt und das transparente Fensterelement 14 mit der
Fensteröffnung
in seinem Zentrum freigelegt wird. Zuletzt, d.h. im rechten Bildabschnitt
von 4 ist der Ruß im
Bereich des Fensterelements 14 und insbesondere im Bereich
der Fensteröffnung
vollständig
entfernt.
-
5 zeigt
in einer perspektivischen Ansicht von vorne ein Fenster 40 gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung, das mehrere, im vorliegenden Fall vier, Fensteröffnungen 41 aufweist.
In jeder der Fensteröffnungen 41 ist
ein transparentes Fensterelement 44 durch Klemmen befestigt
oder befestigbar. Dazu sind die Außenabmessungen des Fensterelements 44 so
gewählt,
dass es sich in einem Zustand, in dem der Träger 13 erhitzt ist,
in die Fensteröffnung 41 einsetzen
lässt und
nach Abkühlen
des Trägers 13 aufgrund
der erfolgten Kontraktion in der Fensteröffnung 41 eingeklemmt
ist.
-
Auf
der Oberfläche
des Trägers 13 erstrecken
sich mehrere, parallel zueinander ausgerichtete Heizabschnitte 42c,
so dass jede Fensteröffnung 41 zwischen
mindestens zwei parallelen Heizabschnitten 42c positioniert
ist. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung der Heizleistung
auf die verschiedenen Fensteröffnungen 41 mit
den darin eingeklemmten und/oder eingeklebten Fensterelementen 44.
-
Durch
die Vielzahl von Fensteröffnungen 41 und
deren gleichmäßige Beheizung
mit den Heizabschnitten 42c können verschieden- oder gleichartige Sensoren
zur Messung von Gasen oder Partikeln angeordnet werden. Dadurch
ergibt sich eine erhöhte Flexibilität bei der
Messung, und es können
darüber hinaus
auch Differenzmessungen durchgeführt
werden, die eine noch weiter verbesserte Messgenauigkeit ermöglichen.
-
Am
unteren Ende des Trägers 13 sind
auf den Leitungsabschnitten 12a, 12b elektrische
Anschlüsse 15 angeordnet,
um dort eine Heizspannung anzulegen, die im Bereich der Fensteröffnungen 41 zur
Aufheizung führt.
Mittels des Temperaturfühlers 16 mit
seinen elektrischen Anschlüssen 16a wird
im Betrieb die Temperatur des Fensters 40 gemessen
-
In 6 ist
schematisch eine Vorrichtung 100 zur optischen Gas- und/oder
Partikelmessung gezeigt, die Fenster 110, wie sie oben
diskutiert sind, umfasst. Eine Lichtquelle 3, z.B. in Form
eines Infrarotlasers, dient zur Erzeugung eines Lichtstrahls, der auf
einen gegenüberliegenden
Detektor 4 gerichtet ist. Der Raum 5, der die
zu messenden Gase oder Partikel enthält, ist durch die Fenster 110 von
der Lichtquelle 3 bzw. vom Detektor 4 räumlich getrennt. Die
Fenster 110 sind jeweils mit einem Heizelement versehen,
das an eine Spannungsquelle elektrisch gekoppelt oder koppelbar
ist, um das jeweilige Fenster 110 durch Anlegen einer Heizspannung
an das Heizelement zu reinigen. Dabei sind die Fenster wie oben
im Detail beschrieben ausgestaltet.
-
7 zeigt
ein Prinzipskizze einer Ruß-Messeinrichtung
für einen
Auspuff Erfindung. Dabei dient ein optischer Sender 73 mit
einer Licht quelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls S. Der optische
Sender wird durch eine Steuereinrichtung elektrisch angesteuert.
Ein Messgehäuse 74 in
Form eines Messflansches dient zum Einsatz im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors 75.
An der Eintrittsseite und der Austrittsseite des Messflansches bzw.
Messgehäuses 74 befindet
sich jeweils ein beheizbares Fenster 110, wie es oben im
Detail in verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen erläutert ist.
Die beheizten Fenster 110 dienen zur Durchführung des
Lichtstrahls S durch das Messgehäuse 74.
Zu diesem Zweck sind sie als Saphirfenster ausgelegt, so dass der
Lichtstrahl im Bereich des Messflansches mit dem Auspuffgas in Wechselwirkung
treten kann. An der Austrittsseite trifft der Lichtstrahl S auf
einen optischen Empfänger 76 und
von dort auf eine nachgeschaltete, in der Figur nicht gezeigte Einrichtung
zur elektrischen Signalaufbereitung. Die beheizbaren Fenster sind
elektrisch an eine Einrichtung zur Heiztemperaturregelung 77 gekoppelt
um die jeweils benötigte
Temperatur des Fensters 110 einzustellen.
-
Mit
der beschriebenen Messeinrichtung ist es möglich, beispielsweise die Rußdichte
oder den Schadstoffgehalt im Auspuffabgas in Abhängigkeit von den Betriebsparametern
des Motors, der beispielsweise ein Otto- oder Dieselmotor ist, zu
bestimmen. Dabei wird vorzugsweise im blauen Spektralbereich die
Trübung
des Motorabgases z.B. durch Rußpartikel
und Tröpfchen
von unvollständig
verbrannten Kohlenwasserstoffen gemessen. Die Wellenlänge des
blauen Lichts ist vorteilhaft, um auch noch kleine Partikel mit
einer Größe von kleiner
als 1 μm
erfassen zu können.
Das Maximum der statistischen Verteilung der Teilchengröße liegt
im unteren Nanometerbereich. Blaue Leuchtdioden sind für diesen
Bereich besonders geeignet und dabei kostengünstig und leicht verfügbar. Ein
weiterer Vorteil bei der Verwendung blauer LEDs liegt in der höheren Temperaturfestigkeit
ihres Chips gegenüber
konventionellen Halbleitern. Der Chip wird in einem temperaturfesten Saphirfenster
integriert. Allgemein sind jedoch auch UV-Strahler als Strahlungsquelle
zur Messung sehr kleiner Teilchen besonders geeignet.
-
Das
durch optischen den Sender 73 erzeugte Licht, das beispielsweise
mittels einer blauen LED erzeugt wird, strahlt im Betrieb mit konstanter
Leistung durch das beheizbare Eintrittsfenster in das Abgas des
Motors und wird, mehr oder weniger stark ge dämpft, hinter dem gegenüberliegenden
Austrittsfenster mit Hilfe einer einfachen Optik auf eine Empfangsdiode,
die Teil des optischen Empfängers 76 ist, fokussiert.
Das elektrische Signal der Empfangsdiode wird in einer nachfolgenden
Schaltung so aufbereitet, dass deren Ausgangsspannung ein Maß für den Verschmutzungsgrad
des Abgases darstellt.
-
Durch
Vorheizen der – Fenster
wird ein mögliches
Beschlagen der Fenster am Auspuff mit Kondenswasser und Ruß schon
vor der Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors verhindert.
-
Durch
eine geeignete Steuer-/Regeleinrichtung werden die gewonnenen Messdaten
nach ihrer Analyse zur Motorsteuerung verwendet. Dabei wird der
Ruß im
Abgas minimiert und die Emission von Schadstoffen reduziert. Somit
ergibt sich eine besonders umweltfreundliche Motorsteuerung, die
z.B. auch als Ersatz oder als Ergänzung eines Rußfilters im
Dieselfahrzeug einsetzbar ist.
-
Als
Material für
den Träger
des beschriebenen Fensters wird beispielsweise Al2O3 verwendet, beispielsweise mit einem Anteil
von größer als
99%. Das Heizelement ist bevorzugt aus Platin gefertigt und mit
einer Schichtdicke von 0,4-0,5 μm auf dem Träger aufgebracht.
An dem Fenster werden Temperaturen im Bereich von ca. 400-700°C erzeugt,
wobei z.B. eine Dauerbetriebstemperatur von ca. 650°C besonders
geeignet ist, um eine Rußbildung
zu verhindern oder Ruß zu
entfernen.