DE19651611A1 - Einrichtung zur Messung einer Teilchenzustandsgröße - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung einer
Teilchenzustandsgröße eines elektrisch geladene Teilchen
enthaltenden strömenden Mediums nach der Gattung der
nebengeordneten Ansprüche. Die Teilchenzustandsgröße ist
dabei entweder die Teilchendichte oder die
Teilchengeschwindigkeit oder der Teilchendurchsatz.
Es ist bekannt, bei der Messung eines Volumenstromes eines
bewegten Mediums wenigstens zwei Sensoren einzusetzen, die
bezogen auf die Strömungsrichtung des strömenden Mediums
hintereinander liegen. Die Ausgangssignale dieser Sensoren
werden mit Hilfe einer Auswerteeinrichtung in elektrische
Signale gewandelt, die dann miteinander verglichen werden.
Aus der DE-PS 36 27 162 ist eine solche Anordnung zur
berührungslosen Messung des Volumenstroms eines bewegten
Mediums bekannt, bei der zwei Wandler eingesetzt werden,
deren Ausgangssignale mit Hilfe einer
Kreuzkorrelationsfunktion ausgewertet werden. Der Wert für
den Volumenstrom des bewegten Mediums wird aus der Steigung
der zeitlichen Kreuzkorrelationsfunktion der beiden Signale
bei der zeitlichen Verschiebung Null oder aus dem ersten
Moment des Kreuzleistungsdichtespektrums der beiden Signale
bestimmt. In einer Erweiterung dieser bekannten Anordnung
werden mehrere Wandler entlang der Bewegungsrichtung des
bewegten Mediums angeordnet, wobei sich die
Erfassungsbereiche der Wandlerelemente überlappen. Als
Wandler wird beispielsweise eine Sender-Empfänger-Einheit
eingesetzt. Der Sender erzeugt ein von den Inhomogenitäten
des Mediums zu beeinflussendes Feld. Ein zugehöriger
Empfänger spricht auf das von den Inhomogenitäten
beeinflußte Feld an und gibt ein die zeitlichen Änderungen
des Feldes wiedergebendes elektrisches Signal ab. Als
Wandler bzw. Empfänger können optische, akustische oder
kapazitive Systeme eingesetzt werden. Bei strömenden Medien,
deren Inhomogenitäten aktiv sind und selbst ein nutzbares
Feld erzeugen, beispielsweise bei Medien, die radioaktive
Partikel aufweisen, kann ohne Sender gearbeitet werden, es
wird dann im Empfänger die Strahlung der radioaktiven
Partikel empfangen und in ein elektrisches Signal gewandelt.
Aus der US-PS 3 744 461 ist eine Anordnung zur Messung der
Rauchdichte im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine bekannt,
bei der die Teilchendichte der elektrisch geladenen Teilchen
mit Hilfe einer Elektrodenanordnung ermittelt wird. Die
Elektroden liegen einander gegenüber und werden durch die
geladenen Rauchteilchen aufgeladen. Durch Messung des
Potentials der Elektroden läßt sich die Dichte der
strömenden Rauchpartikel ermitteln.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Messung einer
Teilchenzustandsgröße mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat
gegenüber den bekannten Systemen den Vorteil, daß die
Meßanordnung einfach und dennoch empfindlich ist. Da die
Elektrode der Meßanordnung auf Massepotential gehalten wird,
ergeben sich Vorteile bei der Signalauswertung. Ein durch
Rußbelegung hervorgerufener Leckwiderstand der Elektroden
gegen Masse beeinflußt die Funktionsweise infolge der auf
Masse liegenden Elektroden nicht oder nur sehr wenig.
Erzielt werden diese Vorteile durch eine Einrichtung mit den
Merkmalen des Anspruchs 1, bei der zur berührungslosen
Messung der Teilchenkonzentration eines elektrisch geladene
Teilchen enthaltenden strömenden Mediums wenigstens eine
flächenhafte Elektrode so im Teilchenstrom angeordnet wird,
daß die geladenen Teilchen nicht auf die Elektrode
auftreffen und beim Vorbeifliegen elektrische Ladungen
influenzieren. Diese Influenzladungen bewirken einen
elektrischen Wechselanteil im Ausgangssignal des Sensors,
der als Maß für die Teilchenkonzentration dient.
Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 2 hat den Vorteil, daß sich die
Teilchengeschwindigkeit einfach ermitteln läßt und die
erfindungsgemäße Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
3 hat darüber hinaus noch den Vorteil, daß sich auch der
Teilchendurchsatz ermitteln läßt.
Erzielt werden diese Vorteile, indem bei einer
erfindungsgemäßen Einrichtung mit den zur berührungslosen
Messung einer Teilchenzustandsgröße eines elektrisch
geladene Teilchen enthaltenden strömenden Mediums zwei
Elektroden in Strömungsrichtung gesehen hintereinander
angeordnet werden und die elektrischen Ausgangssignale, die
durch Influenz auf den Elektroden erzeugt werden, zueinander
in Bezug gesetzt werden. Da sowohl die statistische
Ähnlichkeit der beiden Ausgangssignale als auch ihre
zeitliche Verschiebung, die von der Transport zeit der
Partikel von der ersten zur zweiten Elektrode abhängen,
ausgewertet werden, läßt sich eine besonders vorteilhafte
Signalauswertung erzielen. Weitere Vorteile der Erfindung
werden mit Hilfe der in den weiteren Unteransprüchen
angegebenen Maßnahmen erzielt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit
zwei Elektroden dargestellt, mit dem die Partikelemission im
Abgas, beispielsweise eines Dieselmotors, ermittelt werden
kann. Dazu werden in einem Rohr 10, beispielsweise dem
Auspuff des Dieselmotors wenigstens zwei Elektroden 11, 12,
die beispielsweise flächenhaft ausgestaltet sind,
angebracht. Diese beiden Elektroden 11, 12 sind in
Strömungsrichtung, die mit V bezeichnet ist, hintereinander
angeordnet, wobei die Flächen etwa parallel zur Störungs- bzw.
Flugrichtung der elektrisch geladenen Teilchen liegen.
Die Elektroden 11, 12 dürfen mit dem Auspuff 10 leitend in
Verbindung stehen, sie befinden sich aufgrund der
verwendeten Verstärker ebenso wie der Auspuff auf
Massepotential.
Die im Abgas befindlichen Partikel 13 sind elektrostatisch
aufgeladen und influenzieren daher bei ihrem Vorbeiflug an
den Elektroden 11, 12 eine Ladungsverschiebung. Diese
Ladungsverschiebung wird von den den Elektroden zugeordneten
Ladungsverstärkern 14, 15 in Spannungssignale 51, 52
transformiert. Die Ladungsverstärker 14, 15 können als
Operationsverstärker OP1 und OP2 mit jeweils im
Rückkopplungszweig liegenden Kondensatoren C1, C2 aufgebaut
sein. Die Verstärker halten dabei die Elektroden auf
Massepotential.
Die von den Ladungsverstärkern OP1, OP2 abgegebenen
Spannungssignale sind von der Ladungsdichte der elektrisch
geladenen Partikel 13 abhängig. Jede gewonnene
Rauschspannung erhöht sich somit mit der
Partikelkonzentration und -ladung. Die Signalverläufe, die
sich am Ausgang der Ladungsverstärker 14, 15 einstellen,
sind als Signale S1 (t) und S2 (t) über der Zeit t
aufgetragen. Es ist zu erkennen, daß diese Signale eine
gewisse Korrelation zueinander aufweisen. Infolge der
Bewegungsrichtung von Elektrode 11 nach Elektrode 12 sind
die Signale S1 (t) und S2 (t) gegeneinander zeitlich um die
Transportzeit τ verschoben. Die Transportzeit τ ist also die
Zeit, die die Teilchen benötigen, um von der Elektrode 11
zur Elektrode 12 zu gelangen.
Die Signale S1 (t) und S2 (t) werden in einer z. B.
mikroprozessorgesteuerten Auswerteeinrichtung 16 sowohl
einer statistischen Auswertung unterzogen, als auch
hinsichtlich ihrer zeitlichen Verschiebung gegeneinander
ausgewertet, wobei je nach Auswerteart die Konzentration der
elektrisch geladenen Teilchen, die Teilchengeschwindigkeit
oder aus der Multiplikation von Teilchenkonzentration und
Teilchengeschwindigkeit auch der Teilchendurchsatz ermittelt
werden kann. Die statistische Auswertung des einzelnen
Signals führt dabei zu einem Maß für die Beladung des
Abgasstroms mit elektrisch geladenen Teilchen, z. B. mit
Rußteilchen. Durch die Auswertung der statistischen
Ähnlichkeiten (Korrelationen) zweier Signale, die von
unterschiedlichen Elektroden stammen und die zeitlich um die
Transport zeit τ der Partikel gegeneinander verschoben sind,
läßt sich auch ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des
Abgasstromes gewinnen. Es wird dazu die Transportzeit τ
berechnet, dies kann beispielsweise durch Auswertung der
Kreuzkorrelationsfunktion der beiden Signale erfolgen.
Insgesamt wird also sowohl die Signalhöhe der beiden Signale
als auch ihre zeitliche Verschiebung gegeneinander
ausgewertet, um den Teilchendurchsatz zu bestimmen.
Werden weitere Elektroden periodisch in Strömungsrichtung
hintereinander angeordnet und die zugehörigen Signale in
geeigneter Weise durch Addition und Subtraktion zu einem
Gesamtsignal verknüpft, so erzeugen elektrisch geladene
Teilchen, die an der Elektrodenstruktur vorbeifliegen,
periodische Anteile im Gesamtsignal. Die Frequenz der
periodischen Anteile ist dabei proportional zur
Partikelgeschwindigkeit. Die Bestimmung der Frequenz bzw.
der mittleren Frequenz kann als Maß für die
Strömungsgeschwindigkeit verwendet werden. Die Bestimmung
dieser Frequenz kann beispielsweise durch Spektralanalyse
der Signale oder durch geeignete Wahl des
Verknüpfungsschemas der Elektrodensignale zum Gesamtsignal
mit geringem Aufwand im Zeitbereich erfolgen.
Wird die beschriebene Einrichtung zur berührungslosen
Messung der Teilchenkonzentration im Auspuff eines
Dieselmotors eingesetzt, läßt sich eine Größe gewinnen, die
ein Maß für den emittierten Ruß des Motors darstellt. Diese
Größe kann als Regelgröße oder als zusätzliche Meßgröße im
Betrieb des Dieselmotors zur Regelung des Einspritzsystems
verwendet werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die
Rußmessung bei Dieselmotoren beschränkt, sondern kann
allgemein zur Erfassung von bewegten elektrisch geladenen
Teilchen verwendet werden.
Wird in einer vereinfachten Ausführungsform nur eine
Elektrode eingesetzt, kann aus der Analyse des
Signalsverlaufs insbesonders des Wechselanteils des Signals,
z. B. durch Bildung der Varianz die Konzentration der
geladenen Teilchen ermittelt werden. Zur Bildung der Varianz
wird das Signal quadriert und tiefpaßgefiltert. Diese
Signalverarbeitung kann in der Auswerteeinrichtung 16, die
dann über geeignete Mittel verfügen muß, erfolgen.
Die Bildung der Varianz kann selbstverständlich auch bei
einer Anwendung nach Fig. 1 erfolgen, es kann dabei
wenigstens eines der beiden Signale S1 (t) oder S2 (t)
verarbeitet werden.
Wird lediglich die Flugzeit bzw. die Transportzeit τ
ausgewertet, kann immerhin die Geschwindigkeit der Teilchen
ermittelt werden. Die Berechnung der Transportzeit kann
beispielsweise über die Bildung einer
Krenzkorrelationsfunktion erfolgen.
Claims (11)
1. Einrichtung zur berührungslosen Messung einer
Teilchenzustandsgröße eines elektrisch geladene Teilchen
enthaltenden in einem Rohr strömenden Mediums, mit
wenigstens einem Sensorelement, das elektrische
Ausgangssignale liefert, die von der Zusammensetzung des
strömenden Mediums abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß das
Sensorelement eine flächenhafte Elektrode ist, die im
wesentlichen parallel zur Teilchenflugrichtung liegt und auf
Rohrpotential gehalten wird, wobei durch die sich
vorbeibewegenden elektrisch geladenen Teilchen wechselnde
Ladungsverschiebungen influenziert werden, die einen
Signalwechselanteil im elektrischen Ausgangssignal
verursachen, der als Maß für die Teilchenkonzentration
ausgewertet wird.
2. Einrichtung zur berührungslosen Messung einer
Teilchenzustandsgröße eines elektrisch geladene Teilchen
enthaltenden in einem Rohr strömenden Mediums, mit
wenigstens einem Sensorelement, das elektrische
Ausgangssignale liefert, die von der Zusammensetzung des
strömenden Mediums abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens zwei Sensorelemente als flächenhafte Elektroden
ausgestaltet sind, die im wesentlichen parallel zur
Teilchenflugrichtung liegen und in Störungsrichtung gesehen
hintereinander angeordnet sind und auf Rohrpotential
gehalten werden, wobei durch die sich vorbeibewegenden
elektrisch geladenen Teilchen wechselnde
Ladungsverschiebungen influenziert werden, die einem
Signalwechselanteil in den elektrischen Ausgangssignalen
verursachen und die Zeitverzögerung τ der Ausgangssignale
gegeneinander als Maß für die Teilchengeschwindigkeit
ausgewertet wird.
3. Einrichtung zur berührungslosen Messung einer
Teilchenzustandsgröße nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß zusätzlich die Signalwechselanteile in
den elektrischen Ausgangssignalen als Maß für die
Teilchenkonzentration ausgewertet wird und auch ein Maß für
den Teilchendurchsatz aus dem Produkt aus der
Teilchenkonzentration und der Teilchengeschwindigkeit
ermittelt wird.
4. Einrichtung zur berührungslosen Messung einer
Teilchenzustandsgröße nach Anspruch 1 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auswertung der Signalwechselanteile
zur Bestimmung der Teilchenkonzentration durch Ermittlung
ihrer Varianz erfolgt.
5. Einrichtung zur berührungslosen Messung einer
Teilchenzustandsgröße nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Varianz durch Quadrierung der
Signale und anschließende Tiefpaßfilterung ermittelt wird.
6. Einrichtung zur Messung einer Teilchenzustandsgröße nach
einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Elektrode ein Verstärker mit wenigstens einem
Operationsverstärker und einem Rückkoppelkondensator
zugeordnet ist.
7. Einrichtung zur Messung einer Teilchenzustandsgröße nach
einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß weitere Elektroden periodisch in Strömungsrichtung
hintereinander angeordnet sind, deren Ausgangssignale
ebenfalls mittels zugeordneter Ladungsverstärker verstärkt
werden.
8. Einrichtung zur Messung einer Teilchenzustandsgröße nach
einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz des periodischen Anteils ermittelt wird,
daß daraus die mittlere Frequenz bestimmt wird und diese
mittlere Frequenz als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit
der elektrisch geladenen Teilchen ausgewertet wird, wobei
die Auswertung mittels Spektralanalyse der Signale erfolgt.
9. Einrichtung zur Messung einer Teilchenzustandsgröße nach
einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswertung der einzelnen Signale durch geeignete
Wahl des Verknüpfungsschemas der Einzelsignale zum
Gesamtsignal erfolgt und im Zeitbereich abläuft.
10. Einrichtung zur Messung einer Teilchenzustandsgröße nach
einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensorelemente bzw. Elektroden im Auspuff einer
Brennkraftmaschine angeordnet sind und zur Ermittlung der
geladenen Abgaspartikel dienen.
11. Einrichtung zur Messung einer Teilchenzustandsgröße nach
Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Brennkraftmaschine ein Dieselmotor ist und die Konzentration
der im Abgas enthaltenen Rußteilchen ermittelt wird.
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