DE19651611A1

DE19651611A1 - Einrichtung zur Messung einer Teilchenzustandsgröße

Info

Publication number: DE19651611A1
Application number: DE19651611A
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Bauer; Hans Dr Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-12-12
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 1998-06-18
Also published as: US20020000810A1; DE59712898D1; EP0892912B1; EP0892912A1; WO1998026255A1; JP2000508427A

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.

Stand der Technik

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.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Beschreibung

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

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.