DE2945608A1 - Vorichtung zur bestimmung der konzentrationen von aus verschiedenen gasen und gegebenenfalls rauchteilchen bestehenden komponenten eines abgasgemisches - Google Patents

Vorichtung zur bestimmung der konzentrationen von aus verschiedenen gasen und gegebenenfalls rauchteilchen bestehenden komponenten eines abgasgemisches

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DE2945608A1
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Gerhard 8000 München Stölzl
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Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
    • G01N21/53Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid within a flowing fluid, e.g. smoke
    • G01N21/534Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid within a flowing fluid, e.g. smoke by measuring transmission alone, i.e. determining opacity

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff
  • des Patentanspruchs 1.
  • Bei einer bekannten Vorrichtung dieser in Autokollimation arbeitenden Vorrichtung (DE-AS 25 21 934) kann eine Rückstreuung des in die Meßstrecke gelangenden Lichtes insbesondere beim Vorliegen von dichtem Rauch in der Meßstrecke zu Fehlmessungen führen, weil das rückgestreute Licht als reflektiertes Licht gedeutet wird, obwohl es die Meßstrecke nicht vollkommen durchlaufen hat.
  • Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der nur das vom Meßreflektor zurückgeworfene Licht auf der Empfangsseite erfaßt wird.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß zwischen Meßstrecke und Meßreflektor ein Lichtzerhacker und auf der Empfangsseite ein Band filter vorgesehen ist, welches Gleichspannungsanteile unterdrückt. Auf diese Weise wird sowohl das von der Meßstrecke her unmittelbar zurückgestreute Licht als auch sonstiges Gleich-, Fremd- und Grundlicht im Empfänger nicht wahrgenommen. Für den Meßempfänger kommt das Licht scheinbar nur vom Reflektor Fehlmessungen sind dadurch wirksam vermieden. Obwohl die erfindungsgemäße Vorrichtung in Autokollimation arbeitet, weist sie die wesentlichen Vorteile von solchen Systemen auf, bei denen Sender und Empfänger an entgegengesetzten Enden der Meßstrecke untergebracht sind.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
  • Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt: Fig. 1 ein Funktionsschema einer bevorzugten Vorrichtung gemäß der Erfindung und die Fig. 2, 3 Intensität-Frequenzdiagramme bei Verwendung zweier Zerhacker.
  • Nach der Zeichnung weist die Vorrichtung einen auf der einen Seite eines Kamins 72 befestigten Lichtsender-Empfänger 11 und einen auf der gegenüberliegenden Seite des Kamins 72 befestigten Reflektorkopf 12 auf, der aus einem Gehäuse 14 und einem an dessen Stirnseite angeordneten Retroreflektor 13 besteht. Zum Durchgang der Lichtbündel weist der Kamin 72 im Bereich des Lichtsender-Empfängers 11 und des Reflektorkopfes 12 Öffnungen 74, 75 auf.
  • Das Gehäuse 14 des Reflektorkopfes 12 und ein Anschlußstutzen 76, der das Gehäuse 15 des Lichtsender-Empfängers 11 mit dem Kamin 72 verbindet, sind mit Spülluft-Zuführungsstutzen 71 versehen, durch welche in Richtung der Pfeile f Spülluft eingeblasen wird, die verhindert, daß Verunreinigungen aus dem Kamin 72 in den Anschlußstutzen 76 bzw. an das Frontobjektiv 20 gelangen und sich dort absetzen.
  • Im Gehäuse 15 des Lichtsender-Empfängers 11 ist eine vorzugsweise durch eine Quecksilberdampf-Niederdrucklampe gebildete Strahlungsquelle 16 angebracht, welche über den Kondensor 19, gegebenenfalls einen Zerhacker 7 und einen Strahlenteilerspiegel 77 ein in der Stirnwand des Gehäuses 15 angeordnetes Frontobjektiv 20 ausleuchtet. Aus dem Frontobjektiv 20 tritt ein nahezu paralleles und vorzugsweise leicht divergentes Lichtbündel 50 aus, das den Anschlußstutzen 76, den mit Rauchgasen 49 durchsetzten Kamin 72 und schließlich das Gehäuse 14 des Reflektorkopfes 13 durchquert, um auf den vorzugsweise aus Tripeln bestehenden Retroreflektor 13 aufzutreffen. Wesentlich ist, daß das Lichtbündel 50 am Ort des Reflektors 13 im Durchmesser größer dimensioniert ist als der Retroreflektor 13, so daß eine allseitige Uberstrahlung des Reflektors 13 vorliegt. Auf diese Weise ändert sich der vom Reflektor 13 zurückgeworfene Lichtstrom nicht, wenn gewisse Relativverschiebungen oder Verkippungen zur optischen Achse zwischen Reflektorkopf 12 und Lichtsender-Empfänger 11 auftreten.
  • Aufgrund der Dimensionierungsverhältnisse des Lichtbündels 50 und des Retroreflektors 13 weist das reflektierte Bündel 78 einen geringeren Durchmesser als das vom Sender ausgehende, ebenfalls nahezu parallele Bündel 50 auf.
  • Das reflektierte Bündel 78 wird durch das Objektiv 20 und nach Reflexion an dem Strahlenteilerspiegel 77 auf einem Photoempfänger 17 konzentriert, vor dem ein Filterrad 18 mit zum auffallenden Licht paralleler Drehachse 79 angeordnet ist. Das Filterrad 18 wird durch einen Motor 80 zu einer Drehbewegung angetrieben.
  • Vor das Filterrad ist auch noch ein Kontrollfilter 23 einschiebbar, welches einer vorbestimmten Komponentenverteilung der Abgase entspricht und zur Prüfung der Vorrichtung auf Funktionsfähigkeit dient.
  • Filter 23, 24, 25 gelangen bei einer Drehung des Filterrades 18 nacheinander in den zum Photoempfänger 17 verlaufenden Strahlengang.
  • Auf einem weiter innen liegenden Umfang des Filterrades 18 sind sich ebenfalls über jeweils etwas weniger als 900 erstreckende in Umfangsrichtung längliche Schlitze 34 angeordnet, von denen jeder einem der Filter zugeordnet ist. Zweck der Umfangsschlitze 34 ist es, ein Taktsignal zu erzeugen, welches eine Elektronik in geeigneter Weise aktiviert.
  • Schließlich ist auf einem dritten, zwischen dem ersten und zweiten liegenden Umfang noch eine kleine runde Steueröffnung 36 vorgesehen, welche mit einer weiteren Lichtschranke 37 zusammenarbeitet und zur Erzeugung eines Pückstellungssignals für den Taktgeber und damit zur Kcnnzeichnung für den jeweiligen Zyklusbeginn dient.
  • Der Photoempfänger 17 ist vorzugsweise ein Photo-Multiplier, Zur vollständigen Driftkompensation ist zwischen dem Lichtsender-Empfänger 11 und der Eintrittsöffnung 74 im Kamin 72 ein Vergleichsreflektor 22 vorgesehen, der zwecla,äßig genauso wie der Reflektor 13 als Tripelreflektor ausgebildet ist. Der Vergleichsreflektor 22 ist normalerweise neben dem Strahlengang angeordnet. Er ist jedoch in Richtung des Doppelpfeiles f in die in strichpunktierten Linien dargestellte Lage innerhalb des Strahlenganges verschiebbar, derart, daß das auf ihn auftreffende Lichtbündel 50 in sich selbst zurückreflektiert wird.
  • An irgendeiner Stelle des beim Umschalten von Messen auf Vergleich beweglichen Teiles, z.B. am Vergleichsreflektor 22 ist ein Kontaktstück oder ein Nocken 29 angeordnet, welcher mit einem Kontaktgeber 30 derart zusammenarbeitet, daß einem Taktgeber 28 bei eingeschobenem Vergleichsreflektor 22 ein diesbezügliches Signal zugeführt wird. Der Taktgeber 28 kann mit anderen Worten jederzeit erkennen, ob der Vergleichsreflektor 22, 22' wirksam ist oder nicht.
  • Im folgenden Teil wird der elektronische Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben: Am Photoempfänger 17 ist ein nach Nasse geführter Lastwiderstand 38 angeordnet, an dem eine einem Vorverstärker 21 zugeführte Spannung abgegriffen ist. Der Vorverstärker 21 enthält Filtermittel 8, ist also selektiv.
  • Der Ausgang des Vorverstärkers weist eine verstärkte Spannung Uv auf, die einer Kanalabgleichstufe zugeführt ist.
  • Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 21 wird parallel sieben Verstärkern 41, 42, 43, 44, 45, 46 und 47 mit Abgleich zugeführt. Diese Aufteilung des Ausgangssignals des Spannungsverstärkers 21 setzt bereits eine später erfolgende Kanaltrennung voraus.
  • Die Ausgangssignale der Verstärker 41 bis 47 mit Abgleich werden einzeln einem elektronischen Schalter 27 zugeführt, der durch einen Taktgeber 28 angesteuert wird, welcher Steuersignale U, von der Lichtschranke 37 und UT von der Lichtschranke 35 am Filterrad 18 empfängt und außerdem über den Kontaktgeber 30 die Wirksamkeit oder Nichtwirksamkeit des Vergleichsreflektors 22 feststellt.
  • Jeder Meßwellenlänge ist sowohl für wirksamen als auch für nicht wirksamen Vergleichsreflektor 22 im Schalter 27 ein Haltekreis 51, 52, 53, 54, 55, 56 zugeordnet. Ein siebter Haltekreis 57 speichert das für den Dunkelstrom repräsentative Signal ab und führt es über einen Impedanzwandler 32 zwecks Bildung einer Basis an den Eingang der Kanalabgleichstufe 31 zurück.
  • Am Ausgang des Schalters 27 stehen an den Haltekreisen 51 bis 56 ständig sechs Signale zur Verfügung, von denen die Signale U'1, U'2 und U'3 den empfangenen Signalen für die einzelnen Meßwellenlängen bei eingeschobenem Vergleichsreflektor 22 entsprechen, während die Signale U1, U2 und U3 für die Wellenlängensignale bei wirksamem Meßreflektor 13 repräsentativ sind.
  • Aufgrund der Abgleichmdglichkeit in den Verstärkern 41-47 können durch einen Abgleich vor Inbetriebnahme des Gerätes sämtliche Ausgangssignale der Haltekreise 51 bis 56 auf gleiches Niveau gebracht werden. Dies gilt nicht nur für die einzelnen Wellenlängensignale im Vergleich zueinander, sondern insbesondere für die bei Einschaltung des Vergleichsreflektors einerseits und Wirksamkeit des Meßreflektors andererseits erscheinenden Ausgangssignale. Auf diese Weise können z.B.
  • auch unterschiedliche Reflexionseigenschaften des Meßreflektors 13 und des Vergleichsreflektors 22 auf einfachste Weise ohne weiteres ausgeglichen werden.
  • Die Auswertung der Signale U1 bis U3 erfolgt in einer Rechenschaltung 33.
  • An die drei Ausgänge der Rechenschaltung 33 schließt sich dann ein Anzeigegerät 69 an, welches z.B. nach erfolgter Spannungsstromwandlung als Dreifachschreiber mit einem jeweiligen Anzeigebereich 0 bis 20 mA entsprechend vorgegebenen Konzentrationsbereichen ausgebildet sein kann, damit Konzentrationsänderungen stetig verfolgt werden können.
  • Die Strahlungsquelle 16, die Antriebe für Filterrad und Vergleichsreflektoranordnung, die Lampen der Lichtschranken sowie die gesamte Elektronik werden von einem gemeinsamen Netzgerät 70 gespeist.
  • Zwischen die Meßstrecke 49 und den Meßreflektor 13 ist erfindungsgemäß noch ein Lichtzerhacker 10 eingeschaltet, welcher durch ein Ansteuergerät 9 dazu veranlaßt wird, das Gleichlichtbündel 50 periodisch zu unterbrechen. Besteht ein Bedarf, den Lichtzerhacker 10 möglichst klein zu gestalten, so kann er am Ort einer stark verkleinerten Zwischenabbildung angebracht werden. Das Empfangslichtbündel 78 besteht daher aus periodisch zerhacktem Licht, was durch eine gestrichelte Darstellung dieses Bündels veranschaulicht wird.
  • In den Vorverstärker 21 ist erfindungsgemäß ein Bandpaßfilter 8 eingetaut, welches auf die gleiche Frequenz f wie das Ansteuergerät 9 abgestimmt ist. Auf diese Weise nimmt die Empfarlgsanordnung nur das vom Meßreflektor 13 reflektierte Licht wahr, welches die Meßstrecke 49 vollständig durchlaufen hat. Das beispielsweise von Rauchpartikeln in der Meßstrecke 49 direkt zurückgestreute Licht wird dagegen von dem Bandpaßfilter unterdrückt, Wird zwischen Strahlungsquelle 16 und Meßstrecke 49 auch der zweite Lichtzerhacker 7 einaebaut. so kann außerdem das Störz.B. Sonnenlicht licht/unterdrückt werden, das auf den Reflektor 13 fällt und somit von dem erfindungsgemäßen Lichtzerhacker 10 in Wechsellicht umgeformt und fälschlicherweise als Meßlicht gedeutet werden würde. Der Lichtzerhacker 8 zwischen Strahlungsquelle und Meßstrecke 49 muß eine andere Zerhackerfrequenz besitzen als die des erfindungsgemäßen Zerhackers 10. Am Photoempfänger 17 steht nun eine Mischung der beiden Zerhackerfrequenzen zur Auswertung zur Verfügung. Das Filter 8 im Verstärker 21 darf also ein Ausgangssignal UV nur dann abgeben, wenn das vom Phctoempfänger 17 abgegebene elektrische Signal von beiden Zerhackern beeinflußt wurde.
  • Das Filter 8 kann dabei berücksichtigen, daß neben den beiden Trägerfrequenzen f7 und f10 noch je zwei Seitenbänder S1, S2 entstehen (Fig. 2). In diesen Seitenbändern ist jeweils die Information von beiden Frequenzen gleichzeitig enthalten. Das Filter 8 des Empfängers 21 muß also mindestens eines der beiden Seitenbänder S1, S2 eines Trägers durchlassen und den Gleichstromanteil sperren. Es können dabei die Seitenbandfrequenzen f10 + f7 oder f7 + f ausgewertet werden.
  • Eine zweite Möglichkeit, ein von Störlicht befreites Signal zu erhalten, besteht darin, das Signalgemisch, bestehend aus einem Träger und mindestens einem Seitenband, zu demodulieren und das so entstehende Signal selektiv zu messen. Nach der Danodulation genügt es, den Gleichstrcrrunteil z unterdrücken. Eine dritte Möglichkeit ist die Mischung des Signals mit einer Hilfsfrequenz gemäß Fig. 3. Dabei entstehen verschiedene Mischfrequenzen. Davon wird eine ausgesucht, die die Information von f7 und f10 enthält. Wird z.B. nach Fig. 3 f7 mit 150 Hz, f10 mit 500 Hz und die Hilfsfrequenz mit 450 Hz gewählt, so entsteht unter anderem die Mischfrequenz 100 Hz, die im Vorverstärker 21 durch das Filter 8 herausgesiebt werden kann und als Meßsignal zur Verfügung steht.
  • Die Filterung des Signals wird im Beispiel vom Filter 8 übernommen. Es ist jedoch grundsätzlich möglich, auch später z.B.
  • mit einem digitalen Filter auszuwerten. Dies kann beispie£sweise in einem Mikroprozessor erfolgen.
  • Der Modulationsgrad des Zerhackers muß nicht 100 % betragen, sondern kann auch kleiner sein.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentrationen von aus verschiedenen Gasen und gegebenenfalls Rauchteilchen bestehenden Komponenten eines Abgasgemisches Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentrationen von aus verschiedenen Gasen und gegebenenfalls Rauchteilchen bestehenden Komponenten eines Abgasgemisches, mit a) einer optischen Strahlungsquelle zur Durchstrahlung des Abgasgemisches entlang einer Meßstrecke, b) einem die Strahlung in sich selbst zurückwerfenden Meßreflektor am Ende der Meßstrecke, c) einer photoelektrischen Wandleranordnung zur Erzeugung von Meßsignalen aus den durch die Meßstrecke gegangenen und am Meßreflektor reflektierten Strahlungsanteilen sowie d) einer Auswerteschaltung zur Verarbeitung der Meßsignale, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen Meßstrecke (49) und Meßreflektor (13) ein Lichtzerhacker (10) und im Empfänger mindestens ein selektives übertragungsglied (8) vorgegesehen ist, welcher Gleichspannungsanteile unterdrückt.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Lichtzerhacker (10) ein elektrooptischer Modulator ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n nz e i c h n e t , daß der Lichtzerhacker (10) eine rotierende Zerhackerscheibe ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Lichtzerhacker (10) ein Drehprisma ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Lichtzerhacker in einer Zwischenabbildung angebracht ist.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Wandleranordnung (17) an einen Verstärker (21) mit Bandpaß- bzw.
    Hochpaß-Charakteristik bzw. an einen Synchrondemodulator angeschlossen ist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein zweiter Lichtzerhacker zwischen Lichtquelle und Meßstrecke angeordnet ist und die Zerhackerfrequenzen der beiden Zerhacker unterschiedlich sind.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß eine Zerhackerfrequenz demoduliert wird und anschließend das demodulierte Signal selektiv gemessen wird.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Eingangssignal mit einer Hilfsfrequenz gemischt wird und die entstehende Zwischenfrequenz selektiv gemessen wird.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Summenfrequenz und/oder die Differenzfrequenz der beiden Zerhackerfrequenzen selektiv gemessen wird.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 9, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Demodulation und/oder die Messung mit einem Synchrondemodulator vorgenommen wird.
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