AT2226U1 - Vorrichtung zur trübungsmessung - Google Patents

Abstract

Die im wesentlichen rohrförmige Meßkammer (2) eines Opazimeters ist im Bereich ihrer Enden (6, 7) schwimmend in einem mechanisch und thermisch verwindungssteifen Rahmen (14) gelagert und dazwischen freigestellt. Beleuchtungsanordnung (8) und Sensoranordnung (9) sind beidseits der offenen Enden (6, 7) der Meßkammer (2) am Rahmen (14) angeordnet, wobei jeweils eine rahmenfeste Blende (15) vorgeordnet ist, deren Durchlaßquerschnitt kleiner als der Durchlaßquerschnitt der Meßkammer (2) ist. Auf diese Weise können thermisch bedingte Änderungen der Geometrie der Meßkammer (2) keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trübungsmessung an partikelbeladenen Gasströmen, insbesonders am Abgas einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit einer in einem Gehäuse angeordneten, im wesentlichen rohrförmigen Meßkammer, die im Bereich ihrer offenen Enden einerseits eine Beleuchtungsanordnung und andererseits eine Sensoranordnung aufweist.

Vorrichtungen der genannten Art sind beispielsweise im Zusammenhang mit Absorptions- oder Extinktionsmessungen von elektromagnetischer Strahlung im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Bereich in verschiedensten Ausführungen bekannt und werden etwa zur quantitativen Abgasanalyse an Fahrzeug-Brennkraftmaschinen routinemäßig verwendet. Beispielhafte Ausführungen sind etwa in der EP-0 586 363 Al oder DE 43 15 152 Al dokumentiert. Derartige Vorrichtungen, bei denen die Extinktion bzw. Trübung von sichtbarem Licht durch feste Partikel im Gasstrom als Meßwert herangezogen wird, werden im allgemeinen als Opazimeter bezeichnet. Diese weisen eine Meßkammer, durch die der partikelbeladene Gasstrom geführt wird, auf. Von der Seite der Beleuchtungsanordnung aus, welche zur Meßkammer hin durch optische Fenster begrenzt wird, sendet eine Beleuchtungsquelle Strahlung durch die Meßkammer zur Sensoranordnung bzw. einem darin enthaltenen Detektor. Weitere Details der Meßanordnung bzw. entsprechender Vorrichtungen nach dem Stande der Technik, wie etwa Spülluftvorhänge zum Sauberhalten der optischen Fenster, optische Filter zum Selektieren von bestimmten Wellenlängen, Linsen zur Bündelung des Lichtstrahles, usw. werden hier und im folgenden der Einfachheit halber nicht angesprochen, da sie für die vorliegende Erfindung unwesentlich sind.

Wird beispielsweise saubere, nicht mit Partikeln beladene Luft durch die Meßkammer gesaugt, so wird am Detektor der Sensoranordnung eine bestimmte Intensität I0 registriert (Nullwert). Bei zunehmender Beladung des Gasstromes mit Partikeln sinkt die am Detektor registrierbare Intensität auf I ab, wobei das bekannte Beer-Lambert'sehe Gesetz gilt. Zum Beispiel zur Messung der 2 AT 002 226 Ul

Rußemmission von Dieselmotoren sind Vorrichtungen der beschriebenen Art seit langem im Einsatz.

Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen der genannten Art ist insbesonder s der Umstand, daß aufgrund der in den letzten Jahren rapide abnehmenden Rußemission beispielsweise der genannten Dieselmotoren die bekannten bzw. am Markt befindlichen Opazimeter praktisch an ihre Auflösungsgrenze gelangt sind, sodaß bereits kleinste Dejustierungen der gegenseitigen Anordnung von Beleuchtungsanordnung, Meßkammer und Sensoranordnung Auswirkungen auf die Messung haben, die leicht die Auflösungsgrenze der Messung übersteigen. Aus diesem Grunde sind verschiedenste Lösungsansätze dafür bekannt geworden, die gegenseitige geometrische Anordnung von Sensoranordnung, Meßkammer und Beleuchtungsanordnung möglichst so zu gestalten, daß die üblichen Reinigungs- und Wartungsarbeiten zu keiner Dejustierung führen können, was zumindest diesbezügliche Nachteile der beschriebenen Art verhindert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die erwähnten Nachteile der bekannten Anordnungen bezüglich von einer geometrischen Dejustierung der wesentlichen Komponenten herrührenden Meßfehlern vermieden werden und zwar insbesonders auch während des normalen Meßbetriebes, der beispielsweise bei der Messung von heißem Abgas von Brennkraftmaschinen zusätzliche thermische Einflüsse bringt.

Die vorliegende Erfindung geht von der Überlegung aus, daß beim Durchgang von heißen Gasströmen durch die Meßkammer thermisch bedingte Verformungen auftreten, die bewirken können, daß sich die räumliche Zuordnung von Lichtquelle, Meßkammer und Detektor ändert. Aufgrund dieser thermischen Verformungen ändert sich beispielsweise die Intensität I0 am Detektor selbst dann, wenn partikelfreies, sauberes, aber heißes Abgas durch die Meßkammer gesaugt wird - mit anderen Worten ist in diesem Fall bereits der Nu 11wert des 3 AT 002 226 Ul

Opazimeters thermisch nicht stabil. Zur Veranschaulichung dazu ein kleines Rechenbeispiel: Bei einer Entfernung zwischen Lichtquelle und Detektor von beispielsweise 500 mm und einem Durchmesser der Meßkammer von 10 mm ändert sich bereits bei einer leichten Durchbiegung der Meßkammer, so daß die Projektion der einen Seite auf die andere Seite sich um nur 0,05 mm (10'4 relativ zur Länge) ändert, die lichte Weite für das Strahlenbündel zwischen Lichtquelle und Detektor derart, daß die am Detektor feststellbare Intensität I0 um ca. 0.9% abnimmt. Eine derartige Instabilität ist nicht akzeptabel, wenn man bedenkt, daß für moderne Meßtechnikaufgaben (z.B. in der eingangs bereits angesprochenen Dieselmotor-Emmissionstechnik) Meßauflösungen von 0,1% und darunter gefordert werden.

Ausgehend von diesen Überlegungen wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Vermeidung der beschriebenen Nachteile so ausgebildet, daß die Meßkammer im Bereich ihrer Enden schwimmend in einem mechanisch und thermisch verwindungssteifen Rahmen gelagert und dazwischen freigestellt ist, daß Beleuchtungsanordnung und Sensoranordnung am Rahmen angeordnet sind, und daß zwischen Beleuchtungsanordnung und Sensoranordnung einerseits und dem zugehörigen Meßkammer-Ende andererseits jeweils eine Blende am Rahmen angeordnet ist, deren Durchlaßquerschnitt kleiner als der Durchlaßquerschnitt der Meßkammer ist. Der stabile Rahmen für die Meßkammer ist naturgemäß selbst keinen größeren thermischen Schwankungen ausgesetzt, womit die Zuordnung der beiden endseitigen, das Strahlenbündel begrenzenden Blenden zueinander stabil ist und die lichte Weite des Strahlenbündels beeinflussende Verschiebungen nicht auftreten können. Der zu messende partikelbeladene Gasstrom, z.B. das Dieselabgas, wird in der Meßkammer geführt, deren Querschnitt größer als der Querschnitt der begrenzenden Blenden ist, wobei die Meßkammer zwischen den endseitigen Lagerungen sich relativ zum stabilen Rahmen durchaus thermisch oder mechanisch bedingt in Grenzen bewegen bzw. verformen oder verbiegen kann, ohne daß es zu einem 4 AT 002 226 Ul

Einfluß auf das Strahlenbündel zwischen Lichtquelle und Detektor kommen könnte.

Es ist natürlich klar, daß bei der beschriebenen, erfindungsgemäßen Ausgestaltung bezüglich beispielsweise der Zuleitung des zu messenden par-tikelbeladenen Gasstromes zur Meßkammer darauf geachtet werden muß, daß diese nicht in unerwünschter Weise wiederum Einfluß auf die Meßgeometrie nimmt - da die Position bzw. .allfällige leichte Bewegungen dieser Zuführung aber für derartige Messungen problemlos sind, kann diesbezüglich aber keine nachteilige Einlußnahme auf das Meßergebnis erwartet werden.

Die Erfindung wird im folgenden noch anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungen näher erläutert. Fig. 1 zeigt dabei eine beispielhafte Anordnung nach dem Stande der Technik und Fig. 2 ein schematisches Beispiel für eine Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.

Das nach dem bekannten Stande der Technik ausgebildete Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Trübungsmessung an partikelbeladenen Gasströmen, beispielsweise am Abgas einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit einer in einem Gehäuse 1 (hier nur schematisch mit strichpunktierter Linie angedeutet) angeordneten, im wesentlichen rohrförmigen Meßkammer 2, die in ihrem Mittenbereich 3 eine einmündende Zuführleitung 4 für das entlang des Pfeiles 5 von außen her, beispielsweise vom Auspuff der Brennkraftmaschine, zugeführte zu messende Abgas, und im Bereich ihrer offenen Enden 6, 7 einerseits eine Beleuchtungsanordnung 8 und andererseits eine Sensoranordnung 9 aufweist. Das die Meßkammer 2 von der mittleren Zuführleitung 4 her nach beiden Seiten hin durchströmende, zu messende Abgas strömt bei der beispielhaften Anordnung nach Fig. 1 über Ausströmleitungen 10 an den Enden 6, 7 der Meßkammer 2 wieder ab, wobei der Eintritt in die Beleuchtungsanordnung 8 bzw. Sensoranordnung 9 mittels optischer Fenster 11 verhindert ist. Maßnahmen zur Verhinderung von Partikelanlagerungen an diesen Fenstern 11 sind in der vereinfachten schematischen Darstellung ebenso nicht eingezeichnet wie etwa 5 AT 002 226 Ul

Umschaltventile zur Ermöglichung einer Spülung und Kalibrierung der Meßkammer 2 und dergleichen.

Um eine möglichst unveränderliche Geometrie der relevanten Bauteile im Strahlengang zwischen Lichtquelle 12 der Beleuchtungsanordnung 8 und Detektor 13 der Sensoranordnung 9 sicherzustellen, ist bei der beispielhaften Anordnung nach Fig. 1 (Stand der Technik) vorgesehen, daß Sensoranordnung 9 und Beleuchtungsanordnung 8 fest mit der Meßkammer 2 verbunden, vorzugsweise einstückig ausgeführt sind. Diese starre gegenseitige Anordnung kann die erwünschten gleichbleibenden geometrischen Verhältnisse allerdings nur bei nicht mechanisch oder thermisch auf Durchbiegung oder sonstige Verformung belasteter Meßkammer 2 sicherstellen. Wenn beispielsweise heißes Verbrennungsabgas einer Brennkraftmaschine die Meßkammer 2 durchströmt, so wird zufolge der thermischen Dehnung der Meßkammer 2 diese versuchen, aus der starren Einspannung zwischen Beleuchtungsanordnung 8 und Sensoranordnung 9 irgendwie auszuweichen, was normalerweise zu einer Durchbiegung oder ähnlichen Verformungen führt. Da dies mit einer gegenseitigen Verschiebung der den Strahlquerschnitt insgesamt bestimmenden Bauteile einhergeht, werden dabei auf eingangs bereits beschriebene Weise Meßwertverfälschungen ausgelöst, die insbesonders im Zusammenhang mit sehr niedrigen zu messenden Trübungswerten nicht mehr tolerierbar sind.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nun die Meßkammer 2 im Bereich ihrer Enden 6, 7 schwimmend in einem mechanisch weitgehend verwindungssteifen Rahmen 14 gelagert und dazwischen freigestellt, sodaß beispielsweise wiederum entlang des Pfeiles 5 bzw. der Zuführleitung 4 im Mittenbereich 3 einströmendes und zu den Enden 6, 7 hin abströmendes, heißes Abgas allenfalls nur mehr mittig eine leichte Durchbiegung der rohrförmigen Meßkammer 2 hervorrufen kann.

Beleuchtungsanordnung 8 und Sensoranordnung 9 sind hier nun am stabilen Rahmen 14 angeordnet, wobei jeweils zwischen Beleuchtungsanordnung 8 und 6 AT 002 226 Ul

Sensoranordnung 9 einerseits und dem zugehörigen Meßkammer-Ende 6, 7 andererseits zusätzlich zum Fenster 11 eine Blende 15 am Rahmen 14 angeordnet ist, deren mittiger Durchlaßquerschnitt kleiner als der Durchlaßquerschnitt der Meßkammer 2 ist - beispielsweise kann das Verhältnis von Durchmesser der Meßkammer 2 (welche hier innen mit Rillen bzw. Aufrauhungen zur Verringerung von Reflexionen des Meßstrahles versehen ist) zum freien Durchmesser der Blenden 15 im Bereich von 1,2:1 bis 2:1 liegen.

Da hier der freie optische Strahlweg zwischen Lichtquelle 12 und Detektor 13 vorrangig von den Blenden 15 begrenzt ist, ist leicht einzusehen, daß die oben angesprochene, unter thermischen Einflüssen mögliche mittige

Bewegung der Meßkammer 2 keinen Einluß auf die am Detektor 13 feststellbare

iS

Intensität haben kann, da dadurch keinerlei zusätzliche Beeinfluj^ng des Strahlweges erfolgt. Es kann auf diese einfache Weise also weitgehend ausgeschlossen werden, daß allein der Umstand, daß die zu messenden Gasströme heiß sind, verfälschende Auswirkungen auf die Messung haben kann. 7

Claims (1)

1. AT 002 226 Ul Anspruch: 1. Vorrichtung zur Trübungsmessung an partikelbeladenen Gasströmen, ins-besonders am Abgas einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit einer in einem Gehäuse (1) angeordneten, im wesentlichen rohrförmigen Meßkammer (2), die im Bereich ihrer offenen Enden (6, 7) einerseits eine Beleuchtungsanordnung (8) und andererseits eine Sensoranordnung (9) aufweist, d a-durch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (2) im Bereich ihrer Enden (6, 7) schwimmend in einem mechanisch und thermisch verwindungssteifen Rahmen (14) gelagert und dazwischen freigestellt ist, daß Beleuchtungsanordnung (8) und Sensoranordnung (9) am Rahmen (14) angeordnet sind, und daß zwischen Beleuchtungsanordnung (8) und Sensoranordnung (9) einerseits und dem zugehörigen Meßkammer-Ende (6r 7) andererseits jeweils eine Blende (15) am Rahmen (14) angeordnet ist, deren Durchlaßquerschnitt kleiner als der Durchlaßquerschnitt der Meßkammer (2) ist. 8