DE102009046279A1

DE102009046279A1 - Measuring device for measuring exhaust gas

Info

Publication number: DE102009046279A1
Application number: DE200910046279
Authority: DE
Inventors: Jens Dambietz; Elmar Tschinkel
Original assignee: Maha Maschinenbau Haldenwang GmbH and Co KG; Maha GmbH and Co KG
Current assignee: Maha Maschinenbau Haldenwang GmbH and Co KG; Maha GmbH and Co KG
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2011-05-05
Also published as: WO2011050932A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Bestimmung von Abgasbestandteilen in einem Partikelkollektiv eines Messgases, insbesondere zur Bestimmung der Massenkonzentration mehrerer Partikelarten eines Verbrennungsabgases. Das erfindungsgemäße Messgerät (100) umfasst einen zumindest teilweise lichtdurchlässigen Messgaskanal (15) zur Aufnahme des Messgases (1), eine erste Strahlungsquelle (2) zur Erzeugung eines ersten Lichtstrahls (4) und eine zweite Strahlungsquelle (3) zur Erzeugung eines zweiten Lichtstrahls (5), wobei die Lichtstrahlen (4, 5) den Messgaskanal durchqueren und die Wellenlänge des ersten Lichtstrahls (2) von der Wellenlänge des zweiten Lichtstrahls (3) verschieden ist. Das Messgerät (100) umfasst weiterhin ein Detektionsmittel, das in zumindest einem vorbestimmten Streuwinkel zur Strahlrichtung der Lichtstrahlen angeordnet ist zur Bestimmung der bei Durchquerung des Messgaskanals (15) gestreuten Anteile der ersten und zweiten Lichtstrahlen, und eine Recheneinheit zur Bestimmung der Massenkonzentration der Partikel in dem im Messgaskanal befindlichen Messgas aus den bestimmten Anteilen der gestreuten Lichtstrahlen.The invention relates to a measuring device for determining exhaust gas constituents in a particle collective of a measuring gas, in particular for determining the mass concentration of a plurality of particle types of a combustion exhaust gas. The inventive measuring device (100) comprises an at least partially transparent measuring gas channel (15) for receiving the measuring gas (1), a first radiation source (2) for generating a first light beam (4) and a second radiation source (3) for generating a second light beam ( 5), wherein the light beams (4, 5) traverse the measuring gas channel and the wavelength of the first light beam (2) is different from the wavelength of the second light beam (3). The measuring device (100) further comprises a detection means, which is arranged in at least a predetermined scattering angle to the beam direction of the light beams for determining the scattered when crossing the Meßgaskanals (15) portions of the first and second light beams, and a computing unit for determining the mass concentration of the particles in the measuring gas in the sample gas channel from the specific proportions of the scattered light rays.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Bestimmung von Abgasbestandteilen in einem Partikelkollektiv eines Messgases, insbesondere eines Verbrennungsabgases um mit einem kompakten Abgasmessgerät selektiv die Massenkonzentration verschiedener Partikelarten hochgenau zu ermitteln.The invention relates to a measuring device for determining exhaust gas constituents in a particle collective of a measuring gas, in particular a combustion exhaust gas in order to determine with a compact exhaust gas analyzer selectively the mass concentration of different particle types with high precision.

Messgeräte zur Abgasmessung von Kraftfahrzeugen werden zur Prüfung und Diagnose von Kraftfahrzeugabgasen eingesetzt. Aus dem Stand der Technik sind Abgasmessgeräte zur Bestimmung der Abgasmassenkonzentration für Kraftfahrzeuge bekannt, die auf einem Streulichtverfahren basieren. Hierbei wird die Massenkonzentration eines Partikelkollektivs aus der Intensität eines an einem Partikelkollektiv gestreuten Laserstrahls abgeleitet. Das Streulichtsignal hängt bei einer Messung an einem Partikelkollektiv neben der Partikelmassenkonzentration auch von der Partikelart ab. Kennlinien zur Massenkonzentrationsbestimmung werden in der Regel für eine bestimmte Partikelart, beispielsweise für Rußpartikel bei Dieselfahrzeugen, aufgenommen. Sind in einem Abgas mehrere Partikelarten vorhanden, kann mit den aus der einschlägigen Technik bekannten Laserstreulichtverfahren die Massenkonzentration nur für das gesamte Partikelkollektiv, nicht aber zuverlässig für die einzelnen Partikelarten getrennt bestimmt werden.Measuring devices for measuring the exhaust gas of motor vehicles are used for testing and diagnosis of vehicle exhaust gases. Exhaust gas measuring devices for determining the exhaust gas mass concentration for motor vehicles, which are based on a scattered light method, are known from the prior art. Here, the mass concentration of a particle collective is derived from the intensity of a scattered at a particle collective laser beam. The scattered light signal also depends on the particle type in a measurement on a particle collective in addition to the particle mass concentration. Characteristics for determining the mass concentration are generally recorded for a specific particle type, for example for soot particles in diesel vehicles. If several types of particles are present in an exhaust gas, the mass concentration can only be determined separately for the entire particle collective, but not reliably for the individual particle types, using the laser scattering light method known from the relevant art.

DE 20 2008 014 667 U1 offenbart ein Messgerät zur Bestimmung der Massenkonzentration eines Partikelkollektivs, das eine Änderung der Partikelgrößenverteilung mittels einer Lichtquelle und zwei Lichtdetektoren zur Bestimmung der Intensität des an den Abgaspartikeln gestreuten Lichts bestimmt, wobei ein erster Detektor einen seitwärts gestreuten Anteil des Lichtstrahls erfasst und ein zweiter Detektor einen vorwärts gestreuten Anteil des Lichtstrahls erfasst. DE 20 2008 014 667 U1 discloses a measuring device for determining the mass concentration of a particle collective which determines a change of the particle size distribution by means of a light source and two light detectors for determining the intensity of the light scattered on the exhaust particles, wherein a first detector detects a sideward scattered portion of the light beam and a second detector detects a forward scattered proportion of the light beam detected.

Das Messgerät macht sich die Erkenntnis zunutze, dass die Winkelabhängigkeit der Streuamplitude des gestreuten Lichtstrahls auch von der Partikelgrössenverteilung abhängt. Durch die Bestimmung der in einem ersten und in einem zweiten Streuwinkel zu der Strahlrichtung nach Durchquerung des Messgaskanals gestreuten Anteile des Lichtstrahls ist diese Winkelabhängigkeit näherungsweise bestimmbar, und es kann hieraus eine Bewertungsgröße abgeleitet werden, mittels derer eine Kennlinie zur Massenkonzentrationsbestimmung des Partikelkollektivs entsprechend angepasst werden kann.The measuring device makes use of the knowledge that the angular dependence of the scattering amplitude of the scattered light beam also depends on the particle size distribution. By determining the portions of the light beam scattered in a first and in a second scattering angle with respect to the beam direction after passing through the measurement gas channel, this angular dependence can be approximately determined, and an evaluation variable can be derived by means of which a characteristic curve for determining the mass concentration of the particle collective can be adapted accordingly ,

Das in DE 20 2008 014 667 U1 offenbarte Verfahren hat den Nachteil, dass bei Partikelkollektiven, die mehrere unterschiedliche Partikelarten; wie z. B. Ruß. Asche, Salze etc. enthalten, die Abgasmassenkonzentration nur für das Partikelkollektiv, nicht aber für jede Partikelart einzeln zuverlässig bestimmt wird. Die zunehmend strengeren Abgasverordnungen und Erkenntnisse bzgl. der Gesundheitsrisiken von Abgaspartikel (z. B. Feinstaub) erfordern jedoch eine genaue Messung der Massenkonzentration der unterschiedlichen Abgasbestandteile.This in DE 20 2008 014 667 U1 The disclosed method has the disadvantage that in the case of particle collectives containing several different particle types; such as B. soot. Ashes, salts, etc., the exhaust gas mass concentration is determined reliably only for the particle collective, but not individually for each particle type. However, the increasingly stringent emissions regulations and findings regarding the health risks of exhaust particulates (eg, particulate matter) require accurate measurement of the mass concentration of the different exhaust gas constituents.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit einem kompakten Messgerät die Massenkonzentration für die in einem Abgasstrahl vorhandenen unterschiedlichen Partikelarten selektiv und hochgenau zu bestimmen.The invention is therefore based on the object with a compact meter, the mass concentration for the present in an exhaust jet different types of particles selectively and with high accuracy.

Diese Aufgabe wird durch ein Messgerät zur Abgasmessung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.This object is achieved by a measuring device for measuring exhaust gas according to the features of patent claim 1. The dependent claims relate to advantageous embodiments of the invention.

Erfindungsgemäß umfasst das Messgerät zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in einem Messgas, insbesondere einem Verbrennungsabgas, einen zumindest teilweise lichtdurchlässigen Messgaskanal zur Aufnahme des Messgases, eine erste Strahlungsquelle zur Erzeugung eines ersten Lichtstrahls und eine zweite Strahlungsquelle zur Erzeugung eines zweiten Lichtstrahls, wobei die Lichtstrahlen den Messgaskanal durchqueren und die Wellenlänge des ersten Lichtstrahls von der Wellenlänge des zweiten Lichtstrahls verschieden ist. Die Strahlungsquellen zur Erzeugung von Lichtstrahlen sind vorzugsweise Laservorrichtungen. Lichtstrahl im Sinne dieser Erfindung ist ein elektromagnetischer Strahl. Die Wellenlängen der Lichtstrahlen werden aufgrund der Größe der zu bestimmenden Partikelarten festgelegt und können auch im für Menschen nichtsichtbaren Bereich liegen. Das Messgerät umfasst weiterhin ein Detektionsmittel, das in zumindest einem vorbestimmten Streuwinkel zur Strahlrichtung des ersten Lichtstrahls und einem vorbestimmten Streuwinkel zur Strahlrichtung des zweiten Lichtstrahls angeordnet ist zur Bestimmung der bei Durchquerung des Messgaskanals gestreuten Anteile der ersten und zweiten Lichtstrahlen, und einer Recheneinheit zur Bestimmung der Massenkonzentration der Partikel in dem im Messgaskanal befindlichen Messgas aus den bestimmten Anteilen der gestreuten Lichtstrahlen. Das Detektionsmittel ist ein optischer Empfänger zur Messung der Intensität des jeweils an den Partikeln gestreuten Lichts. Das Detektionsmittel ist vorzugsweise als ein Detektor ausgebildet sein, der mindestens zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge selektieren und auswerten kann. Das Detektionsmittel kann auch als zwei oder mehrere Detektoren ausgebildet sein.According to the invention, the measuring device for determining the particle mass concentration in a measurement gas, in particular a combustion exhaust gas, an at least partially transparent gas channel for receiving the sample gas, a first radiation source for generating a first light beam and a second radiation source for generating a second light beam, wherein the light beams pass through the sample gas channel and the wavelength of the first light beam is different from the wavelength of the second light beam. The radiation sources for generating light beams are preferably laser devices. Light beam in the sense of this invention is an electromagnetic beam. The wavelengths of the light rays are determined on the basis of the size of the types of particles to be determined and can also lie in the area invisible to humans. The measuring device further comprises a detection means, which is arranged in at least a predetermined scattering angle to the beam direction of the first light beam and a predetermined scattering angle to the beam direction of the second light beam for determining the scattered when traversing the Meßgaskananal portions of the first and second light beams, and a computing unit for determining the Mass concentration of the particles in the measuring gas located in the sample gas from the specific proportions of the scattered light rays. The detection means is an optical receiver for measuring the intensity of each of the particles scattered on the particles. The detection means is preferably designed as a detector which can select and evaluate at least two light beams of different wavelengths. The detection means may also be designed as two or more detectors.

Die erfindungsgemäße Streulichtmessung mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen ermöglicht somit die Massenkonzentrationsbestimmung von mindestens zwei in einem Messgas enthaltenen unterschiedlichen Partikelarten, indem vorzugweise in einem Speichermittel mindestens eine erste und eine zweite Kennlinie hinterlegt ist, welche die Abhängigkeit der Massenkonzentration einer ersten und einer zweiten Partikelart in dem im Messgaskanal befindlichen Messgas von dem bestimmten Streulichtanteil repräsentiert. Mittels der Recheneinheit, die vorzugsweise zur Verwendung der ersten und der zweiten Kennlinie in einem Auswertungsalgorithmus ausgebildet ist kann dann die Bestimmung der Massenkonzentration der ersten und der zweiten Partikelart erfolgen.The scattered light measurement according to the invention with at least two different wavelengths thus makes it possible to determine the mass concentration of at least two in a measuring gas At least a first and a second characteristic curve is stored in a storage means preferably, which represents the dependence of the mass concentration of a first and a second particle in the measuring gas located in the measuring gas of the determined scattered light component. By means of the arithmetic unit, which is preferably designed for the use of the first and the second characteristic curve in an evaluation algorithm, the mass concentration of the first and the second particle type can then be determined.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass der von dem Detektionsmittel erfasste gestreute Lichtstrahl der ersten Strahlungsquelle sich aus Streulicht, das an der ersten und der zweiten Partikelart gestreut wurde, zusammensetzt und sich der von dem Detektionsmittel erfasste gestreute Lichtstrahl der zweiten Strahlungsquelle sich aus Streulicht, das ebenfalls an der ersten und der zweiten Partikelart gestreut wurde, zusammensetzt. Die Abhängigkeit der gemessenen Streuintensität von jeder Partikelart ist über eine Kennlinie pro Partikelart bekannt, wobei die Kennlinie die gemessene Streuintensität in einen funktionalen Zusammenhang zur der Partikelmassenkonzentration einer Partikelart setzt. Die erfindungsgemäße Verwendung mindestens zweier Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen ergibt zwei Intensitätsmesswerte, die funktional über die hinterlegten Kennlinien durch die Partikelmassenkonzentration der zwei Partikelarten bestimmt sind. Ein Rechenmittel ermöglicht dann das Auflösen nach der zu bestimmenden Partikelmassenkonzentration für jede Teilchenart. Mit anderen Worten ermittelt das Messgerät zwei Intensitätsmesswerte des gestreuten Lichts unterschiedlicher Wellenlänge zur Lösung eines Gleichungssystems mit den zwei unbekannten Massenkonzentrationswerten mittels wenigstens einer mathematischen Operation. Dabei ist vorausgesetzt, dass die zu messenden Partikelarten bekannt sind, so dass deren Kennlinie im Messgerät hinterlegt werden kann.The invention makes use of the knowledge that the scattered light beam of the first radiation source detected by the detection means is composed of scattered light scattered by the first and second particle types, and the scattered light beam of the second radiation source detected by the detection means is of scattered light , which was also scattered at the first and the second particle type composed. The dependence of the measured scattering intensity of each type of particle is known by means of a characteristic per particle type, the characteristic setting the measured scattering intensity in a functional relationship to the particle mass concentration of a particle type. The use according to the invention of at least two light beams with different wavelengths results in two intensity measurement values which are functionally determined by the stored particle characteristics of the two particle types via the stored characteristic curves. A computer then allows dissolution according to the particle mass concentration to be determined for each type of particle. In other words, the measuring device determines two intensity measured values of the scattered light of different wavelengths for solving a system of equations with the two unknown mass concentration values by means of at least one mathematical operation. It is assumed that the particle types to be measured are known, so that their characteristic can be stored in the meter.

Beispielsweise können auf diese Weise der Massenkonzentrationswert von Rußpartikeln und der Massenkonzentrationswert von Asche in einem Verbrennungsgas zuverlässig selektiv in einem kompakten Messgerät quasisimultan bestimmt werden. Voraussetzung hierfür ist, dass die jeweiligen Kennlinien für Asche und Ruß in dem Messgerät hinterlegt sind.For example, in this way, the mass concentration value of soot particles and the mass concentration value of ash in a combustion gas can be reliably quasi-selectively determined in a compact meter. The prerequisite for this is that the respective characteristic curves for ash and soot are stored in the measuring device.

Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung der ersten und der zweiten Strahlungsquelle derart, dass der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl an der gleichen Stelle im Messgaskanal auf das Messgas treffen. Die Geschwindigkeit und Temperatur des durch den Messgaskanal strömenden Verbrennungsgases unterliegt Schwankungen je nach Position im Messgaskanal, die zu Störeffekten in der gemessenen Streuintensität führen, falls der erste und der zweite Lichtstrahl an Partikelkollektiven mit unterschiedlicher Geschwindigkeits- und Temperaturverteilungen gestreut werden. Durch eine erfindungsgemäße Anordnung, wobei der erste und der zweite Lichtstrahl an der gleichen Stelle im Messgaskanal auf das Messgas treffen, können derartige Störeffekte zuverlässig vermieden werden.An arrangement of the first and the second radiation source is particularly advantageous such that the first light beam and the second light beam strike the measurement gas at the same location in the sample gas channel. The velocity and temperature of the combustion gas flowing through the sample gas channel will vary with position in the sample gas channel, resulting in spurious effects in the measured scattering intensity if the first and second light beams are scattered at particle collectives with different velocity and temperature distributions. By an inventive arrangement, wherein the first and the second light beam meet at the same location in the sample gas channel on the measurement gas, such interference effects can be reliably avoided.

Vorzugsweise ist der Streuwinkel zwischen der Strahlrichtung und dem Detektionsmittel, d. h. der Winkel zwischen der Strahlachse des ungestreuten Strahls und der Strahlachse des gestreuten Strahls der vom Detektionsmittel erfasst wird, zwischen 60° und 120°. Besonders vorteilhaft ist, wenn der Streuwinkel des ersten Lichtstrahls bei 90° liegt und der Streuwinkel des zweiten Lichtstrahls sich um betragsmäßig 5° bis 30° von dem Streuwinkel des ersten Lichtstrahls unterscheidet. Bei den erfindungsgemäßen Streuwinkeln werden die seitwärts gestreuten Anteile der Lichtstrahlen erfasst, die eine geringe Abhängigkeit von der Partikelgröße aufweisen und damit eine genaue Messung der Partikelmassenkonzentration auch bei Schwankungen der Partikelgröße ermöglichen.Preferably, the scattering angle between the beam direction and the detection means, i. H. the angle between the beam axis of the unscattered beam and the beam axis of the scattered beam detected by the detection means is between 60 ° and 120 °. It is particularly advantageous if the scattering angle of the first light beam is 90 ° and the scattering angle of the second light beam differs by an amount of 5 ° to 30 ° from the scattering angle of the first light beam. In the scattering angles of the invention, the sideways scattered portions of the light rays are detected, which have a low dependence on the particle size and thus allow accurate measurement of the particle mass concentration even with variations in the particle size.

Besonders vorteilhaft ist, wenn das Detektionsmittel nur einen Detektor zur Erfassung der gestreuten Anteile sowohl des ersten und des zweiten Lichtstrahls umfasst, wobei die erste und die zweite Lichtquelle derart angeordnet sind, dass der Streuwinkel zwischen dem ersten Lichtstrahl und dem Detektor von dem Streuwinkel zwischen dem zweiten Lichtstrahl und dem Detektor verschieden ist. Die Abfrage der Intensität der ersten und der zweiten Wellenlänge kann dabei zeitlich hintereinander erfolgen. Durch die Verwendung nur eines Detektors wird eine kostengünstige und besonders kompakte Bauweise des Messgeräts, das im Werkstattbetrieb oft mobil einsetzbar sein muss, ermöglicht. Zudem ermöglicht die Erfassung des Streulichts beider Lichtstrahlen mit demselben Detektor eine besonders genaue Messung, da die durch den Einsatz zweier Detektoren bedingte Messungenauigkeiten zuverlässig vermieden werden können (beispielsweise unterschiedliche störende Rückstreueffekte durch die Messkanalwände durch unterschiedliche Position zweier Detektoren, Eichpunktinstabilitäten etc.).It is particularly advantageous if the detection means comprises only one detector for detecting the scattered components of both the first and the second light beam, wherein the first and the second light source are arranged such that the scattering angle between the first light beam and the detector of the scattering angle between the second light beam and the detector is different. The query of the intensity of the first and the second wavelength can be carried out in chronological succession. By using only one detector, a cost-effective and particularly compact construction of the measuring device, which often has to be mobile in workshop operation, is made possible. In addition, the detection of the scattered light of both light beams with the same detector allows a particularly accurate measurement, since the measurement inaccuracies caused by the use of two detectors can be reliably avoided (for example, different disturbing backscattering effects through the measuring channel walls by different position of two detectors, calibration point instabilities, etc.).

Vorzugsweise ist die Wellenlänge der ersten Lichtquelle so festgelegt, dass für eine erste Partikelart des Messgases eine Wellenlänge des ersten Lichtstrahls der ersten Lichtquelle so festgelegt ist, dass für diese Wellenlänge der an der ersten Partikelart gestreute Anteil des ersten Lichtstrahls ein Maximum aufweist. Mit anderen Worten wird die Wellenlänge auf den mittleren Wirkdurchmesser der Partikelart abgestimmt. Die Lichtstreuung an einem Gaspartikel hängen im Wesentlichen von der Partikelgröße, den optischen Eigenschaften der Partikel, z. B. Oberflächenstruktur, und der Lichtwellenlänge ab. Für eine bestimmte Partikelart werden die Partikelgröße und die optischen Streueigenschaften dieser Partikel über den Wirkungsquerschnitt bzw. den Streuquerschnitt angeben. Für Partikelstreulichtmessungen wird auch der Wirkdurchmesser bzw. der Äquivalentdurchmesser, d. h. der Wirkdurchmesser gleichgroßer Kugeln, verwendet. Der Wirkdurchmesser für eine Partikelart, z. B. Dieselrußpartikel ist näherungsweise normalverteil, mit einem mittleren Wirkdurchmesser. Bei einem gegebenen mittleren Wirkdurchmesser einer ersten Partikelart wird nun vorzugsweise die Wellenlänge des ersten Lichtstrahls so gewählt, dass für diese Wellenlänge ein maximales Streusignal gemessen wird. Vorteilhafterweise erzeugt dann die erste vorbestimmte Partikelart für diese Wellenlänge ein maximales Streusignal und Partikel mit kleineren Abweichungen von dem mittleren Wirkdurchmesser erzeugen nur sehr geringe Schwankungen der gemessenen Streuintensitäten. Gleichzeitigt erzeugt eine andere zweite Partikelart mit unterschiedlicher Partikelgröße für diese Wellenlänge ein schwächeres Streusignal. Vorzugsweise ist die festgelegte Wellenlänge einer Lichtquelle für eine bestimmte Partikelart durch ein Maximum der Anzahlkonzentration einer Partikelgrößenverteilung der Partikelart bestimmt. Beispielsweise liegt der mittlere Streuwirkquerschnitt und damit der Maximalwert der Anzahlkonzentration der Wirkdurchmessernormalverteilung von Dieselruß bei 120 nm.The wavelength of the first light source is preferably set such that, for a first particle type of the measurement gas, a wavelength of the first light beam of the first light source is set so that the proportion of the first light beam scattered by the first particle type has a maximum for this wavelength. In other words, the wavelength is tuned to the mean effective diameter of the particle type. The light scattering on a gas particle depends essentially on the particle size, the optical properties of the Particles, eg. B. surface structure, and the wavelength of light. For a particular type of particle, the particle size and the optical scattering properties of these particles are given by the cross-section or the scattering cross-section. For particle scattered light measurements, the effective diameter or the equivalent diameter, ie the effective diameter of balls of the same size, is also used. The effective diameter for a particle type, z. B. Diesel soot particles is approximately normalverteil, with a mean effective diameter. For a given mean effective diameter of a first type of particle, the wavelength of the first light beam is now preferably chosen such that a maximum scattering signal is measured for this wavelength. Advantageously, the first predetermined particle type then generates a maximum scattering signal for this wavelength, and particles with smaller deviations from the mean effective diameter produce only very small fluctuations in the measured scattering intensities. At the same time, another second particle type with different particle size for this wavelength produces a weaker scatter signal. Preferably, the predetermined wavelength of a light source for a particular type of particle is determined by a maximum of the number concentration of a particle size distribution of the particle type. For example, the average scattering cross-section and thus the maximum value of the number concentration of the effective diameter normal distribution of diesel soot is 120 nm.

Vorzugsweise ist für eine zweite Partikelart des Messgases eine Wellenlänge des zweiten Lichtstrahls der zweiten Lichtquelle so festgelegt ist, dass für diese Wellenlänge der an der zweiten Partikelart gestreute Anteil des zweiten Lichtstrahls ein Maximum aufweist. Vorteilhafterweise erzeugt dann die zweite vorbestimmte Partikelart für diese zweite Wellenlänge ein maximales Streusignal und Partikel mit größeren Abweichungen von dem mittleren Wirkdurchmesser erzeugen nur sehr geringe Schwankungen der gemessenen StreuintensitätenPreferably, for a second particle type of the measurement gas, a wavelength of the second light beam of the second light source is set so that the proportion of the second light beam scattered at the second particle type has a maximum for this wavelength. Advantageously, the second predetermined particle type then generates a maximum scattering signal for this second wavelength, and particles with larger deviations from the mean effective diameter produce only very small fluctuations in the measured scattering intensities

Dies ermöglicht eine besonders genaue quasi-simultane Messung der Partikelmassenkonzentration zweier unterschiedlicher Partikelarten.This allows a particularly accurate quasi-simultaneous measurement of the particle mass concentration of two different types of particles.

Vorzugsweise sind die erste Strahlungsquelle und die zweite Strahlungsquelle an der gleichen Stelle außerhalb des Messgaskanals nebeneinander angeordnet. Dadurch ist nur eine lichtdurchlässige Stelle der Wandung des Messgaskanals für beide Lichtstrahlen der ersten und zweiten Strahlungsquelle erforderlich. Im Vergleich zu einer räumlich getrennten Anordnung der ersten und zweiten Strahlungsquelle treten auch weniger störende Rückstreueffekte auf. Diese Anordnung ermöglicht weiterhin eine besonders kompakte Konstruktion des Messgeräts.The first radiation source and the second radiation source are preferably arranged next to one another at the same location outside the sample gas channel. As a result, only one light-transmitting point of the wall of the measuring gas channel is required for both light beams of the first and second radiation source. Compared to a spatially separated arrangement of the first and second radiation source also less disturbing backscatter effects occur. This arrangement further enables a particularly compact construction of the measuring device.

Zur Bestimmung einer dritten Partikelart, wie beispielsweise Salz, umfasst das Messgerät vorzugsweise mindestens eine dritte Lichtquelle, wobei die Wellenlänge des Lichtstrahls der dritten Lichtquelle verschieden ist von der Wellenlänge des ersten und zweiten Lichtstrahls, wobei das Detektionsmittel einen zweiten Detektor zur Erfassung der gestreuten Anteile des dritten Lichtstrahls umfasst, und wobei eine Wellenlänge der dritten Lichtquelle so festgelegt ist, dass der bestimmte gestreute Anteil des dritten Lichtstrahls ein Maximum für die festgelegte Wellenlänge der dritten Lichtquelle aufweist, und wobei in einem Speichermittel eine dritte Kennlinie hinterlegt ist, welche die Abhängigkeit der Massenkonzentration einer in dem Messgas vorhandenen dritten Partikelart von dem bestimmten Anteil des dritten Lichtstrahls repräsentiert.For determining a third particle type, such as salt, the measuring device preferably comprises at least a third light source, wherein the wavelength of the light beam of the third light source is different from the wavelength of the first and second light beam, wherein the detection means comprises a second detector for detecting the scattered components of the and wherein a wavelength of the third light source is set so that the determined scattered portion of the third light beam has a maximum for the predetermined wavelength of the third light source, and wherein in a storage means, a third characteristic is stored, which determines the dependence of the mass concentration represents a present in the measurement gas third particle of the specific proportion of the third light beam.

Vorzugsweise ist das Messgerät eingerichtet, um die Massenkonzentration der Partikelarten Ruß, Asche und/oder Salz zu bestimmen, wobei eine erste Wellenlänge auf den Wert λ1 im Bereich von 640–670 nm, eine zweite Wellenlänge auf den Wert λ2 im Bereich von 520–550 nm und eine dritte Wellenlänge auf den Wert λ3 im Bereich von 400–440 nm festgelegt ist. Mit einem derart eingerichteten Messgerät können die drei häufigsten Abgaspartikel mit einem Messgerät quasi simultan in Echtzeit gemessen werden. Die Wellenlängen λ1, λ2, und λ3 werden experimentell auf Basis der zu untersuchenden Partikelarten bestimmt.Preferably, the measuring device is arranged to determine the mass concentration of the particle types soot, ash and / or salt, wherein a first wavelength to the value λ1 in the range of 640-670 nm, a second wavelength to the value λ2 in the range of 520-550 nm and a third wavelength is set to the value λ3 in the range of 400-440 nm. With a measuring device set up in this way, the three most common exhaust particles can be measured with a measuring device virtually simultaneously in real time. The wavelengths λ1, λ2, and λ3 are determined experimentally on the basis of the particle types to be investigated.

Vorzugsweise wird der Lichtstrahl der dritten Lichtquelle an einer Stelle im Messgaskanal gestreut, der von der Stelle im Messgaskanal, an der der erste und der zweite Lichtstrahl gestreut werden, räumlich in Strömungsrichtung durch eine Entkopplungsblende getrennt ist. Dadurch können störende Blend- und Streueffekte zuverlässig vermieden werden. Um eine Querempfindlichkeit der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen zu vermeiden, können vorteilhafterweise Lichtfallen zur Aufnahme der ungestreuten Anteile der Lichtstrahlen vorgesehen sein um eine Verfälschung der Messergebnisse zu vermeiden.Preferably, the light beam of the third light source is scattered at a location in the sample gas channel which is spatially separated in the flow direction by a decoupling diaphragm from the location in the sample gas channel at which the first and the second light beam are scattered. As a result, disturbing glare and scattering effects can be reliably avoided. In order to avoid a cross-sensitivity of the light beams of different wavelengths, advantageously light traps may be provided for receiving the unscattered portions of the light beams in order to avoid a falsification of the measurement results.

Für eine kompakte Bauweise ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die dritte Lichtquelle und der zweite Detektor auf der gleichen Seite des Messgaskanals angeordnet sind wie die erste und zweite Lichtquelle.For a compact design, it is also advantageous if the third light source and the second detector are arranged on the same side of the sample gas channel as the first and second light source.

Zusammenfassend wird durch die vorliegende Erfindung ein kostengünstiges und kompaktes Messgerät zur selektiven und hochgenauen Bestimmung der Massenkonzentration verschiedener Partikelarten von Abgasbestandteilen eines Verbrennungsabgases ermöglicht. Die erfindungsgemäße Einsatz und Anordnung von mindestens zwei Lichtstrahlen, mit jeweils einer auf die zu untersuchenden Partikelarten abgestimmten Wellenlänge ermöglicht die quasi-simultane Bestimmung der Massenkonzentration für die zu untersuchenden Partikelarten und genügt durch die kompakte Bauweise zudem den hohen Mobilitätsanforderungen im Werkstatteinsatz.In summary, the present invention enables a cost-effective and compact measuring device for the selective and highly accurate determination of the mass concentration of different types of particulates of exhaust components of a combustion exhaust gas. The inventive use and arrangement of at least two light beams, each with a tuned to the particle types to be examined wavelength allows the quasi-simultaneous determination of Mass concentration for the particle types to be examined and satisfies due to the compact design also the high mobility requirements in the workshop.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben.Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

1A zeigt schematisch einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Messgeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 1A shows schematically a structure of a measuring device according to the invention according to an embodiment of the present invention;

1B zeigt schematisch einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Messgeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 1B shows schematically a structure of a measuring device according to the invention according to an embodiment of the present invention;

2A und 2B illustrieren schematisch die Verteilung der Anzahlkonzentration der Partikel einer Partikelart in Abhängigkeit des Wirkquerschnitts der Partikel; 2A and 2 B illustrate schematically the distribution of the number concentration of the particles of a particle type as a function of the effective cross-section of the particles;

3 illustriert schematisch Kennlinien der Streuintensität in Relation zu der Partikelmassenkonzentration für zwei verschiedene Partikelarten; 3 schematically illustrates scattering intensity characteristics in relation to the particle mass concentration for two different types of particles;

4 illustriert schematisch die Bestimmung der Partikelmassenkonzentration für drei verschiedene Partikelarten mittels eines Messgeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; 4 schematically illustrates the determination of the particle mass concentration for three different types of particles by means of a measuring device according to an embodiment of the invention;

5A, 5B und 5C illustrieren schematisch die Bestimmung der Partikelmassenkonzentration und des Wirkdurchmessers für ein Verbrennungsgas mit einer Partikelart mittels eines Messgeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 5A . 5B and 5C schematically illustrate the determination of the particle mass concentration and the effective diameter for a combustion gas with a particle type by means of a measuring device according to an embodiment of the invention.

1A zeigt schematisch einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Messgeräts 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zur Verdeutlichung des Messprinzips wurden die übrigen Bestandteile wie Gehäuse, Halterungen, Zuführungen und dergleichen, die in üblicher Weise ausgeführt sind, nicht weiter dargestellt. Das Messgerät 100 ist zur Bestimmung der Abgasbestandteile in einem Partikelkollektiv eines Messgases, insbesondere zur Bestimmung der Massenkonzentration mehrerer Partikelarten eines Verbrennungsabgases 1, ausgebildet. 1A schematically shows a structure of a measuring device according to the invention 100 according to an embodiment of the present invention. To clarify the measuring principle, the remaining components such as housings, holders, feeds and the like, which are carried out in the usual way, were not further illustrated. The measuring device 100 is for determining the exhaust gas constituents in a particle collective of a measurement gas, in particular for determining the mass concentration of a plurality of particle types of a combustion exhaust gas 1 , educated.

Bei diesem Messgas 1 handelt es sich um ein Verbrennungsabgas, welches in einem Messgaskanal 15 dem Messgerät 100 zugeführt und nach durchgeführter Messung wieder abgeführt wird. Der Messgaskanal 15 ist somit zur Aufnahme des Messgases 100 ausgebildet. Das Messgerät umfasst einen ersten Laser 2 zur Erzeugung eines ersten Lichtstrahls 4 und einen zweiten Laser 3 zur Erzeugung eines zweiten Lichtstrahls 5. Der erste Laser 2 und der zweite Laser 3 sind nebeneinander in paralleler Ausrichtung angeordnet, so dass ihre Lichtstrahlen 4 und 5 von den Abgaspartikeln im Messgas an der gleichen Stelle gestreut werden.For this sample gas 1 it is a combustion exhaust gas, which in a sample gas channel 15 the meter 100 supplied and discharged after performing measurement again. The sample gas channel 15 is thus for receiving the sample gas 100 educated. The meter includes a first laser 2 for generating a first light beam 4 and a second laser 3 for generating a second light beam 5 , The first laser 2 and the second laser 3 are arranged side by side in parallel alignment so that their light rays 4 and 5 be scattered by the exhaust particles in the sample gas in the same place.

Das Messgerät umfasst weiterhin einen dritten Laser 11 zur Erzeugung eines dritten Lichtstrahls 12. Der dritte Laser 11 ist neben dem ersten und zweiten Laser 2, 3 angeordnet, jedoch ist die Strahlachse des dritten Lasers um ca. 70° von der Strahlachse des ersten Lasers 2 gedreht, so dass der Strahl 12 des dritten Lasers an einer Stelle im Messkanal 15 gestreut wird, die von der Stelle im Messgaskanal, an der der erste und der zweite Lichtstrahl gestreut werden, verschieden ist und räumlich in Strömungsrichtung durch eine Entkopplungsblende 10 zur Reduzierung von Streueffekten getrennt ist.The meter also includes a third laser 11 for generating a third light beam 12 , The third laser 11 is next to the first and second lasers 2 . 3 However, the beam axis of the third laser is about 70 ° from the beam axis of the first laser 2 turned so that the beam 12 of the third laser at one point in the measuring channel 15 is scattered, which is different from the location in the sample gas channel at which the first and the second light beam are scattered, and spatially in the flow direction through a decoupling diaphragm 10 is separate for the reduction of scattering effects.

Die Wandung des Messgaskanals 15 ist in mehreren Bereichen lichtdurchlässig ausgebildet. Somit können die in den Lasern 2, 3, 11 erzeugten Lichtstrahlen 4, 5, 12 den Messgaskanal 15 durchqueren. Die Wellenlängen der drei Lichtstrahlen sind voneinander unterschiedlich, wobei die Wellenlänge des ersten Strahls 4 auf 658 nm, die Wellenlänge des zweiten Strahls 5 auf 532 nm und die Wellenlänge des dritten Strahl auf 420 nm festgelegt ist.The wall of the sample gas channel 15 is translucent in several areas. Thus, those in the lasers 2 . 3 . 11 generated light rays 4 . 5 . 12 the sample gas channel 15 traverse. The wavelengths of the three light beams are different from each other, with the wavelength of the first beam 4 at 658 nm, the wavelength of the second beam 5 at 532 nm and the wavelength of the third beam is set to 420 nm.

Auf der zu den Lasern 2 und 3 gegenüberliegenden Seite am Austritt des Lichtstrahls aus dem Messgaskanal 15 ist ein erster Detektor 8 angeordnet, mit welchem ein in einem ersten Streuwinkel 9a zu der Strahlrichtung 4 und ein in einem zweiten Streuwinkel 9b nach Durchquerung des Messgaskanals 15 gestreuter Anteil der Lichtstrahlen 4 und 5 bestimmt werden kann. Der optische Empfänger 8 ist so aufgebaut, dass er mindestens zwei Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge selektieren und auswerten kann. Die Abfrage der Intensität unterschiedlicher Wellenlänge erfolgt dabei zeitlich nacheinander.On the to the lasers 2 and 3 opposite side at the exit of the light beam from the sample gas channel 15 is a first detector 8th arranged, with which a in a first scattering angle 9a to the beam direction 4 and a second scattering angle 9b after traversing the sample gas channel 15 scattered portion of the light rays 4 and 5 can be determined. The optical receiver 8th is constructed so that it can select and evaluate at least two light sources of different wavelengths. The query of the intensity of different wavelengths takes place sequentially in time.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Streuwinkel 9a zwischen der Strahlrichtung 4 und dem Detektor 8 90°, der Streuwinkel 9b zwischen der Strahlrichtung 5 und dem Detektor 8 beträgt 100° wobei die Darstellung nicht maßstäblich ist.In the illustrated embodiment, the scattering angle 9a between the beam direction 4 and the detector 8th 90 °, the scattering angle 9b between the beam direction 5 and the detector 8th is 100 ° although the illustration is not to scale.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist ein dritter Detektor 11 stromabwärts auf der gleichen Seite des Messgaskanals 15 wie der Lasers 11 angeordnet zur Messung des Streulichts des Strahls 12. Der Streuwinkel 9c wischen der Strahlrichtung 4 und dem Detektor 8 beträgt 90°.According to the embodiment is a third detector 11 downstream on the same side of the sample gas channel 15 like the laser 11 arranged to measure the scattered light of the beam 12 , The scatter angle 9c wipe the jet direction 4 and the detector 8th is 90 °.

Die Detektoren 8 und 13 sind so ausgestaltet, dass zu dem in die Streuwinkel 9a, 9b, 9c gestreuten Anteilen der Lichtstahlen 4, 5 und 12 die Intensitäten bestimmt werden können. Enthält das Messgas 1 drei verschiedene Partikelarten wie beispielsweise Ruß, Asche und Salz, dann erfasst der Detektoren 8 einen Anteil der an diesen drei Partikelarten gestreuten Lichtstrahlen 4 und 5. Ebenso erfasst der Detektoren 13 einen Anteil des an diesen drei Partikelarten gestreuten Lichtstrahls 12.The detectors 8th and 13 are designed to be in the scattering angle 9a . 9b . 9c scattered portions of the light beams 4 . 5 and 12 the intensities can be determined. Contains the sample gas 1 three different particle types such as soot, ash and salt, then the detectors detected 8th a proportion of the light rays scattered by these three types of particles 4 and 5 , Likewise, the detectors detected 13 a proportion of the light beam scattered by these three types of particles 12 ,

Die optischen Detektoren 8 und 13 sind so aufgebaut, dass eine Querempfindlichkeit der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge und somit Verfälschung der Messergebnisse verhindert wird. Hierzu sind in der Achse der Lichtstrahlen 4, 5, 12 hinter dem Messgaskanal 15 Lichtfallen 6 angeordnet. Die Lichtfallen 6 nehmen die ungestreuten Lichtstrahlen 4,5, 12 auf.The optical detectors 8th and 13 are designed so that a cross sensitivity of the light beams of different wavelengths and thus falsification of the measurement results is prevented. For this purpose, in the axis of the light rays 4 . 5 . 12 behind the sample gas channel 15 light traps 6 arranged. The light traps 6 take the unscattered rays of light 4 . 5 . 12 on.

In einer nicht dargestellten Recheneinheit ist ein Auswertungsalgorithmus eingerichtet, mit welchem aus dem bestimmten Anteil der gestreuten Lichtstrahlen die Massenkonzentration für jede der drei Partikelarten in dem Messgas 1 im Messgaskanal 15 ausgerechnet werden kann. Die Recheneinheit ist so eingerichtet, dass die bestimmten Intensitäten mit einer mathematischen Operation zur Berechnung der Massenkonzentration der Partikel Ruß, Asche und Salz in dem im Messgaskanal 15 befindlichen Messgas 1 verknüpft werden können.In an arithmetic unit, not shown, an evaluation algorithm is set up, with which from the determined proportion of the scattered light beams, the mass concentration for each of the three types of particles in the sample gas 1 in the sample gas channel 15 can be calculated. The arithmetic unit is set up so that the determined intensities with a mathematical operation for calculating the mass concentration of the particles soot, ash and salt in the in the sample gas channel 15 located sample gas 1 can be linked.

1B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das im Unterschied zu dem zuvor Messgerät beschriebenen Messgerät nur zwei Laserlichtquellen aufweist. 1B shows a further embodiment, which, in contrast to the previously described meter has only two laser light sources.

2A und 2B illustrieren schematisch die Verteilung der Anzahlkonzentration der Partikel einer Partikelart in Abhängigkeit des Wirkquerschnitts der Partikel. 2A and 2 B schematically illustrate the distribution of the number concentration of the particles of a particle type as a function of the effective cross-section of the particles.

Das Streulichtsignal hängt bei einer Messung an einem Partikelkollektiv neben der Wellenlänge des Lichtstrahls im Wesentlichen von der Partikelgrößenverteilung, der Partikelanzahl und den optischen Eigenschaften der Partikel ab. Für eine bestimmte Partikelart werden die Partikelgröße und die optischen Streueigenschaften dieser Partikel über den Wirkungsquerschnitt bzw. den Streuquerschnitt angegeben. Für Partikelstreulichtmessungen wird auch der Wirkdurchmesser bzw. der Äquivalentdurchmesser, d. h. der Wirkdurchmesser gleichgroßer Kugeln, verwendet. Der Wirkdurchmesser für eine Partikelart, z. B. Dieselrußpartikel ist näherungsweise normalverteil um einen mittleren Wirkdurchmesser, der das Maximum der Anzahlkonzentration der Teilchen mit einem bestimmten Wirkdurchmesser darstellt.The scattered light signal depends on a measurement on a particle collective in addition to the wavelength of the light beam substantially on the particle size distribution, the number of particles and the optical properties of the particles. For a particular type of particle, the particle size and the optical scattering properties of these particles are given over the cross section and the scattering cross section. For particle scattered light measurements, the effective diameter or the equivalent diameter, i. H. the effective diameter of equal-sized balls used. The effective diameter for a particle type, z. B. Diesel soot particle is approximately normal distribution around an average effective diameter, which represents the maximum of the number concentration of the particles with a certain effective diameter.

2A zeigt schematisch die Normalverteilung 20 der Anzahl von Dieselrußpartikeln mit einem bestimmten Wirkdurchmesser 25. Der mittlere Wirkdurchmesser liegt für Dieselrußpartikel bei ca. 120 nm. Wie in 2B illustriert, weisen unterschiedliche Partikelarten mit einer unterschiedlichen Partikelgröße und Partikeloberfläche unterschiedliche zueinander verschobene Normalverteilungen 21, 22, 23 mit jeweils unterschiedlichen Wirkdurchmessern auf. 2A shows schematically the normal distribution 20 the number of diesel soot particles having a certain effective diameter 25 , The mean effective diameter for diesel soot particles is about 120 nm. As in 2 B illustrated, different types of particles with a different particle size and particle surface have different normal distributions shifted to each other 21 . 22 . 23 each with different effective diameters.

Für jede Partikelart mit mittlerem Wirkdurchmesser gibt es eine entsprechende Wellenlänge, bei der das an diesen Partikeln gestreute Licht maximal wird. Für jede Partikelart kann diese Wellenlänge durch Testmessungen an einem Testverbrennungsgas, das nur diese Partikelart enthält, experimentell bestimmt werden.For each medium particle diameter particle type, there is a corresponding wavelength at which the light scattered by these particles becomes maximum. For each particle type, this wavelength can be experimentally determined by test measurements on a test combustion gas containing only this type of particle.

Die so bestimmte Wellenlänge erzeugt für die jeweilige Partikelart ein maximales Streusignal und Partikel, deren Wirkdurchmesser von dem mittleren Wirkdurchmesser erzeugen nur sehr geringe Schwankungen der gemessenen Streuintensitäten. Gleichzeitigt erzeugt eine andere zweite Partikelart mit unterschiedlicher Partikelgröße für diese Wellenlänge ein schwächeres Streusignal.The wavelength thus determined generates a maximum scattering signal for the respective particle type and particles whose effective diameters of the average effective diameter produce only very small fluctuations of the measured scattering intensities. At the same time, another second particle type with different particle size for this wavelength produces a weaker scatter signal.

Zur genauen und selektiven Bestimmung der Massenkonzentration der im Verbrennungsgas enthaltenem Partikelarten werden daher die Wellenlängen und die Leistung der Laser jeweils auf eine Partikelart abgestimmt. Für den Fall das die Massenkonzentration dreier Partikelarten bestimmt werden soll, wird die Wellenlänge der Lasers 2 beispielsweise auf das in 2B illustrierte Maximum A der Anzahlkonzentration der ersten Partikelart, die Wellenlänge der Lasers 3 auf das Maximum B der Anzahlkonzentration der zweiten Partikelart, und die Wellenlänge des Lasers 11 auf das Maximum C der Anzahlkonzentration der dritten Partikelart abgestimmt. Für die Partikelarten Ruß, Asche und Salz wurde jeweils die Wellenlängen 658 nm, 532 nm und 420 nm experimentell ermittelt.For accurate and selective determination of the mass concentration of the types of particles contained in the combustion gas, therefore, the wavelengths and the power of the laser are each tuned to a particle type. In case the mass concentration of three types of particles is to be determined, the wavelength of the laser becomes 2 for example, on the in 2 B illustrated maximum A of the number concentration of the first particle type, the wavelength of the laser 3 to the maximum B of the number concentration of the second particle type, and the wavelength of the laser 11 tuned to the maximum C of the number concentration of the third particle type. For the particulate types soot, ash and salt, the wavelengths 658 nm, 532 nm and 420 nm were determined experimentally.

Kommerzielle Laser mit einer definierten Wellenlänge sind für fast jede beliebige Wellenlänge erhältlich. Alternativ wird ein Laser verwendet, dessen Wellenlänge der idealen Wellenlänge für eine Partikelart am nächsten kommt.Commercial lasers with a defined wavelength are available for almost any wavelength. Alternatively, a laser is used whose wavelength is closest to the ideal wavelength for a particle type.

3 illustriert schematisch Kennlinien der Streuintensität in Relation zur Partikelmassenkonzentration für drei verschiedene Partikelarten. Die in 3 dargestellte erste Kennlinie 31 repräsentiert die Abhängigkeit der Massenkonzentration einer ersten Partikelart A von der mit einem der Detektoren 8, 13 bestimmten Intensität. Ein gemessener Wert I_1A entspricht der Partikelmassenkonzentration PM_1A dieser Partikelart falls das Messgas nur diese Partikelart enthält. Sind beispielsweise drei Partikelarten A, B und C im Messgas enthalten, so ist die gemessene Streuintensität I₁ die Summe des Streulichts eines Lichtstrahls, der an den drei Partikelarten A, B und C gestreut wurde: I₁ = I_1A+ I_1B + I_1C. Hierbei bezeichnet beispielsweise I_1A den Streuanteil des Strahls 4, der an den Partikeln A gestreut wurde. 3 schematically illustrates characteristics of the scattering intensity in relation to the particle mass concentration for three different types of particles. In the 3 illustrated first characteristic 31 represents the dependence of the mass concentration of a first particle type A on that with one of the detectors 8th . 13 certain intensity. A measured value I _1A corresponds to the particle mass concentration PM _{1A of} this particle type if the sample gas contains only this particle type. If, for example, three particle types A, B and C are contained in the measurement gas, the measured scattering intensity I _{1 is} the sum of the scattered light of a light beam scattered at the three particle types A, B and C: I ₁ = I _1A + I _1B + I _1C . Here, for example, I _1A denotes the Streuanteil of the beam 4 which was scattered by the particles A.

Analog repräsentieren die dargestellten Kennlinien 32 bzw. 33 die Abhängigkeit der Massenkonzentration einer zweiten bzw. dritten Partikelart. Die auf der Abszisse in 3 abgetragenen Werte entsprechen also den Ausgangsignalen der Detektoren 8, 13. Die Kennlinien 31, 32, 33 sind in einem Speichermittel (nicht gezeigt) des Messgeräts hinterlegt. Analog represent the characteristics shown 32 respectively. 33 the dependence of the mass concentration of a second or third particle type. The on the abscissa in 3 ablated values thus correspond to the output signals of the detectors 8th . 13 , The characteristics 31 . 32 . 33 are stored in a storage means (not shown) of the meter.

Mit dem beschriebenen Messgerät 100 ist nun das folgende Verfahren zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration für drei verschiedene Partikelarten A, B, C ausführbar, was in 4 schematisch für ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung illustriert ist.With the described measuring device 100 Now, the following method for determining the particle mass concentration for three different particle types A, B, C executable, which in 4 is illustrated schematically for an embodiment of the present invention.

In einem Schritt S10 wird mit dem Detektor 8 die Intensität I₁ des Streulichts des Lichtstrahls 4 gemessen. Die Wellenlänge des Lichtstrahls 4 ist auf den mittleren Wirkdurchmesser der erste Partikelart A, z. B. Ruß, abgestimmt. Die gemessene Streuintensität I₁ ist die Summe des Streulichts des Lichtstrahls 4, der an den drei Partikelarten A, B und C gestreut wurde: I₁ = I_1A + I_1B + I_1C. Hierbei bezeichnet beispielsweise I_1A den Streuanteil des Strahls 4, der an den Partikeln A gestreut wurde.In a step S10, the detector is used 8th the intensity I _{1 of} the scattered light of the light beam 4 measured. The wavelength of the light beam 4 is the average effective diameter of the first particle A, z. As soot, tuned. The measured scattering intensity I ₁ is the sum of the scattered light of the light beam 4 which was scattered by the three particle types A, B and C: I ₁ = I _1A + I _1B + I _1C . Here, for example, I _1A denotes the Streuanteil of the beam 4 which was scattered by the particles A.

In einem Schritt S20 wird mit dem Detektor 8 die Intensität I₂ des Streulichts des Lichtstrahls 5 gemessen. Die Wellenlänge des Lichtstrahls 5 ist auf den mittleren Wirkdurchmesser der zweiten Partikelart B, z. B. Asche, abgestimmt. Der Detektor 8 ist so eingerichtet, dass die Abfrage der Intensität der ersten und der zweiten Wellenlänge zeitlich kurz hintereinander erfolgt. Die gemessene Streuintensität I₂ ist die Summe des Streulicht des Lichtstrahls 5, der an den drei Partikelarten A, B und C gestreut wurde: I₂ = I_2A + I_2B + I_2C.In a step S20, the detector is used 8th the intensity I _{2 of} the scattered light of the light beam 5 measured. The wavelength of the light beam 5 is on the average effective diameter of the second particle B, z. As ash, tuned. The detector 8th is arranged so that the query of the intensity of the first and the second wavelength takes place temporally in quick succession. The measured scattering intensity I ₂ is the sum of the scattered light of the light beam 5 which was scattered by the three particle types A, B and C: I ₂ = I _2A + I _2B + I _2C .

In einem Schritt S30 wird mit dem Detektor 13 die Intensität I₃ des Streulichts des Lichtstrahls 12 gemessen. Die gemessene Streuintensität I₃ ist die Summe des Streulicht des Lichtstrahls 12, der an den drei Partikelarten A, B und C gestreut wurde: I₃ = I_3A + I_3B + I_3C.In a step S30, the detector is used 13 the intensity I _{3 of} the scattered light of the light beam 12 measured. The measured scattering intensity I ₃ is the sum of the scattered light of the light beam 12 which was scattered by the three particle types A, B and C: I ₃ = I _3A + I _3B + I _3C .

Der funktionale Zusammenhang zwischen den gemessenen Streuintensitäten und den Partikelmassenkonzentrationen ist bekannt, d. h. die gemessenen Intensitäten können ausgedrückt werden durch: I₁ = I_1A + I_1B + I_1C = f_1A(PM_A) + f_1B(PM_B), + f_1C(PM_C) (Formel 1) I₂ = I_2A + I_2B + I_2C = f_2A(PM_A) + f_2B(PM_B), + f_2C(PM_C) (Formel 2) I₃ = I_3A + I_3B + I_3C = f_3A(PM_A) + f_3B(PM_B), + f_3C(PM_C) (Formel 3) wobei PM_A, PM_B, und PM_C die gesuchten Partikelmassenkonzentration für die Partikelarten A, B, und C darstellen und die Funktionen f_1A beispielsweise den funktionalen Zusammenhang zwischen gemessener Streulichtintensität I_1A und der Partikelmassenkonzentration der Partikelart A angibt, der in Form einer Kennlinien im Messgerät hinterlegt ist. Der mittlere Wirkdurchmesser der Partikelarten wird hierbei als konstant angenommen. Da zudem vorwiegend in Querrichtung zu den Lichtstrahlen gemessen wird, ist die Schwankung der Streuintensität durch Schwankungen der Partikelgrößenverteilung vernachlässigbar.The functional relationship between the measured scattering intensities and the particle mass concentrations is known, ie the measured intensities can be expressed by: I ₁ = I _1A + I _1B + I _1C = f _1A (PM _A ) + f _1B (PM _B ), + f _1C (PM _C ) (Formula 1) I ₂ = I _2A + I _2B + I _2C = f _2A (PM _A ) + f _2B (PM _B ), + f _2C (PM _C ) (Formula 2) I ₃ = I _3A + I _3B + I _3C = f _3A (PM _A ) + f _3B (PM _B ), + f _3C (PM _C ) (Formula 3) wherein PM _A , PM _B , and PM _{C represent} the desired particle mass concentration for the particle types A, B, and C and the functions f _1A, for example, indicates the functional relationship between measured scattered light intensity I _1A and the particle mass concentration of the particle type A, in the form of a characteristic curves is stored in the measuring device. The mean effective diameter of the particle types is assumed to be constant. In addition, since measurements are predominantly transverse to the light rays, the variation in the scattering intensity due to variations in the particle size distribution is negligible.

Dieser funktionalen Zusammenhänge zwischen gemessener Streuintensität und zugrunder liegender Partikelmassenkonzentration sind in Form von Kennlinien wie in 3 illustriert im Messgerät hinterlegt. Im Schritt S40 wird dann das Gleichungssystem bestehend aus den Formeln (1) + (3) zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration erstellt.These functional relationships between measured scattering intensity and underlying particle mass concentration are in the form of characteristic curves as in 3 illustrated deposited in the meter. In step S40, the system of equations consisting of formulas (1) + (3) for determining the particle mass concentration is then created.

Dadurch entsteht ein Gleichungssystem mit 3 Gleichungen, 3 unbekannten Massenkonzentrationen PM_A, PM_B, und PM_C, und den drei gemessenen Intensitäten I₁, I₂ und I₃, das dadurch vollständig bestimmt ist und mittels der Recheneinheit im Schritt S50 nach den drei Unbekannten PM_A, PM_B, und PM_C gelöst wird.This results in a system of equations with 3 equations, 3 unknown mass concentrations PM _A , PM _B , and PM _C , and the three measured intensities I ₁ , I ₂ and I ₃ , which is thereby completely determined and by means of the arithmetic unit in step S50 after the three Unknown PM _A , PM _B , and PM _C is released.

Das erfindungsgemäße Messgerät mit mindestens zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge kann aber auch zur Bestimmung der Massenkonzentration und des mittleren Wirkdurchmessers einer Partikelart eingesetzt werden.However, the measuring device according to the invention with at least two laser beams of different wavelengths can also be used to determine the mass concentration and the mean effective diameter of a particle type.

5A, 5B und 5C illustrieren schematisch gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung die Bestimmung der Partikelmassenkonzentration und des Wirkdurchmessers für ein Verbrennungsgas mit nur einer Partikelart mittels eines Messgeräts. 5A . 5B and 5C schematically illustrate according to a further embodiment of the invention, the determination of the particle mass concentration and the effective diameter for a combustion gas with only one particle type by means of a measuring device.

Wie in 2A illustriert, ist die Anzahlkonzentration einer Partikelart normalverteilt um einen mittleren Wirkdurchmesser, z. B. 120 nm für Dieselrußpartikel. Die Lichtstreuung an Abgaspartikeln wird bei konstanter Teilchendichte, d. h. konstanter Partikelmassenkonzentration, sowohl von dem Partikelwirkdurchmesser als auch von der Wellenlänge des Lichts beeinflusst. 5A illustriert schematisch die Abhängigkeit der Streuintensität vom Wirkdurchmesser für zwei verschiedene Wellenlängen bei festgelegter Partikelmassenkonzentration. Bei Messungen von Fahrzeugverbrennungsabgasen schwanken die mittleren Wirkdurchmesser für eine bekannte Partikelart in einem engen Bereich 28 um den mittleren Wirkdurchmesser. Wird gemäß einem Ausführungsbeispiel die Wellenlänge des ersten Lichtstrahls derart gewählt, dass sie auf den typischen mittleren Wirkdurchmesser einer Partikelart abgestimmt ist, d. h. dass für diese Wellenlänge der an der ersten Partikelart gestreute Anteil des ersten Lichtstrahls ein Maximum aufweist, ergibt sich die gemessene Intensitätsverteilung 24 des Streulichts in Abhängigkeit des Partikelwirkdurchmessers. Die gemessene Streuintensität 25 ist näherungsweise unabhängig von Schwankungen des mittleren Wirkdurchmessers im Bereich 28. Für eine Wellenlänge eines zweiten Lichtstrahls, dessen Wellenlänge nicht dem Wirkquerschnitt beim Maximum der Anzahlkonzentration der Partikelart entspricht, ergibt sich dagegen die Intensitätsverteilung 26, die im Bereich 27 abhängig von Schwankungen des Wirkdurchmessers im Bereich 28 ist. Mit anderen Worten erzeugt dann die erste vorbestimmte Partikelart für die Wellenlänge des ersten Lichtstrahls ein maximales Streusignal und Schwankungen der Partikelgröße der ersten Partikelart erzeugen geringe Schwankungen der gemessenen Streuintensitäten. Gleichzeitigt erzeugt ein Lichtstrahl mit einer anderen Wellenlänge für diese Partikelart ein schwächeres Streusignal.As in 2A illustrated, the number concentration of a particle type is normally distributed around an average effective diameter, e.g. B. 120 nm for diesel soot particles. At constant particle density, ie constant particle mass concentration, the light scattering of exhaust particles is influenced both by the particle effective diameter and by the wavelength of the light. 5A schematically illustrates the dependence of the scattering intensity on the effective diameter for two different wavelengths at a fixed particle mass concentration. For measurements of vehicle combustion exhaust gases, the mean effective diameters for a known type of particle vary within a narrow range 28 around the mean effective diameter. According to one embodiment, the wavelength of the first light beam is chosen such that it corresponds to the typical mean Impact diameter of a particle is tuned, ie that for this wavelength, the scattered at the first particle type portion of the first light beam has a maximum, the measured intensity distribution results 24 the scattered light depending on the particle effective diameter. The measured scatter intensity 25 is approximately independent of fluctuations in the mean effective diameter in the range 28 , For a wavelength of a second light beam whose wavelength does not correspond to the effective cross-section at the maximum of the number concentration of the particle type, on the other hand results in the intensity distribution 26 in the field 27 depending on fluctuations of the effective diameter in the range 28 is. In other words, the first predetermined particle type then generates a maximum scattering signal for the wavelength of the first light beam, and fluctuations in the particle size of the first particle type produce small fluctuations in the measured scattering intensities. At the same time, a light beam with a different wavelength produces a weaker scatter signal for this type of particle.

Die in 5B dargestellte erste Kennlinie 50 repräsentiert die Abhängigkeit der gemessenen Intensität des Streulichts des ersten Lichtstrahls 4 mit der ersten Wellenlänge von der Massenkonzentration einer in einem Messgas 1 enthaltenen vorbestimmten Partikelart. Da die erste Wellenlänge wie in 5A illustriert so festgelegt ist, dass die gemessene Intensität I₁ unabhängig von Schwankungen des Wirkdurchmessers im Bereich 28 ist, kann aus dem gemessenen Intensitätswert I₁ die Partikelmassenkonzentration PM1 ermittelt werden. Die Kennlinien stellt somit den funktionalen Zusammenhang I1 = f1(PM) dar. Die Partikelmassenkonzentration PM1 ergibt sich aus dem gemessenen Streuintensitätswert I₁ und der Kennlinie.In the 5B illustrated first characteristic 50 represents the dependence of the measured intensity of the scattered light of the first light beam 4 with the first wavelength of the mass concentration of one in a sample gas 1 contained predetermined particle type. Because the first wavelength as in 5A illustrated is set so that the measured intensity I ₁ regardless of fluctuations in the effective diameter in the range 28 is, can be determined from the measured intensity value I _1, the particulate mass concentration PM1. The characteristic curves thus represent the functional relationship I1 = f1 (PM). The particle mass concentration PM1 results from the measured scattering intensity value I ₁ and the characteristic curve.

Die zweite Kennlinie 51 repräsentiert die Abhängigkeit der gemessenen Intensität des Streulichts des zweiten Lichtstrahls 4 mit der zweiten Wellenlänge von der Massenkonzentration einer in einem Messgas 1 enthaltenen vorbestimmten Partikelart. Die Kurve ist gestrichelt gezeichnet, da der Kurvenverlauf noch zusätzlich vom Parameter des Wirkdurchmessers ⌀ abhängig ist, wie aus Kurve 26 in 5A ersichtlich ist. Der gemessenen Intensitätsstreuwert I2 steht also in einem funktionellen Zusammenhang f2(PM,⌀) mit der Partikelmassenkonzentration und dem Wirkdurchmesser.The second characteristic 51 represents the dependence of the measured intensity of the scattered light of the second light beam 4 with the second wavelength of the mass concentration of one in a sample gas 1 contained predetermined particle type. The curve is shown in dashed lines, since the curve is additionally dependent on the parameter of the effective diameter ⌀, as from curve 26 in 5A is apparent. The measured intensity scattering value I2 is therefore in a functional relationship f2 (PM, ⌀) with the particle mass concentration and the effective diameter.

Die Schritte zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration und des Wirkdurchmessers sind in 5C schematisch illustriert.The steps for determining the particle mass concentration and the effective diameter are in 5C schematically illustrated.

Gemäß 5C wird im Schritt S60 zuerst die Intensität I1 bestimmt, dann im Schritt S70 die Intensität I₂. I1 und I2 werden über den optischen Empfänger 8 gemessen, der so aufgebaut ist, dass er mindestens zwei Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge selektieren und auswerten kann. Die Abfrage der Intensität unterschiedlicher Wellenlänge erfolgt dabei zeitlich kurz nacheinander.According to 5C If the intensity I1 is determined first in step S60, then the intensity I ₂ in step S70. I1 and I2 are over the optical receiver 8th measured, which is constructed so that it can select and evaluate at least two light sources of different wavelengths. The interrogation of the intensity of different wavelengths takes place in quick succession.

Mittels der Kennlinie 50 lässt sich bei nur einer im Messgas vorhandenen Partikelart die Partikelmassenkonzentration PM für das Messgas im Schritt S80 ermitteln, da der Messwert im Bereich 28 unabhängig von Schwankungen des Wirkdurchmessers ist. Wie zuvor erläutert steht I2 in einem funktionellen Zusammenhang f2(PM,⌀) zur Partikelmassenkonzentration und dem Wirkdurchmesser ⌀. Mit dem gemessenen Wert I2 und dem ermittelten Wert PM1 wird im Schritt S90 der mittlere Wirkdurchmesser mittels wenigstens einer mathematischen Operation durch die Recheneinheit ermittelt.By means of the characteristic 50 If only one particle type present in the measuring gas can be used to determine the particle mass concentration PM for the measuring gas in step S80, since the measured value is in the range 28 is independent of fluctuations in the effective diameter. As explained above, I2 is in a functional relationship f2 (PM, ⌀) to the particle mass concentration and the effective diameter ⌀. With the measured value I2 and the determined value PM1, the mean effective diameter is determined by means of at least one mathematical operation by the arithmetic unit in step S90.

Die einzelnen Merkmale der Erfindung sind selbstverständlich nicht auf die beschriebenen Kombinationen von Merkmalen in Rahmen der vorgestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und können in Abhängigkeit vorgegebener Vorrichtungsparameter auch in anderen Kombinationen eingesetzt werden. Insbesondere ist es möglich, mehr als 2 oder 3 Lichtstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen einzusetzen. Beispielsweise kann bei n zu bestimmenden Partikelmassenkonzentrationen von n Partikelarten ein erfindungsgemäßes Messgerät zum Einsatz kommen, das für den Einsatz von n verschiedenen Wellenlängen eingerichtet ist. Weiterhin können bei n zu bestimmenden Partikelmassenkonzentrationem von n Partikelarten und m zu bestimmenden Wirkdurchmessern dieser n Partikelarten ein erfindungsgemäßes Messgerät eingesetzt werden, dass für die Verwendung von (n + m) Wellenlängen eingerichtet ist.Of course, the individual features of the invention are not limited to the described combinations of features in the context of the presented embodiments and can also be used in other combinations depending on predetermined device parameters. In particular, it is possible to use more than 2 or 3 light beams with different wavelengths. For example, at n particle mass concentrations of n particle types to be determined, an inventive measuring device can be used, which is set up for the use of n different wavelengths. Furthermore, with n particle mass concentrations to be determined of n particle types and m effective diameters to be determined of these n particle types, it is possible to use an inventive measuring device that is set up for the use of (n + m) wavelengths.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 202008014667 U1 [0003, 0005]

Claims

Measuring device ( 100 ) for determining the particle mass concentration in a measurement gas, in particular a combustion exhaust gas, with - an at least partially transparent sample gas channel ( 15 ) for receiving the measuring gas ( 1 ), - a first radiation source ( 2 ) for generating a first light beam ( 4 ) and a second radiation source ( 3 ) for generating a second light beam ( 5 ), whereby the light rays ( 4 . 5 ) traverse the sample gas channel and the wavelength of the first light beam ( 4 ) of the wavelength of the second light beam ( 5 ) is different; Detection means, which is arranged in at least a predetermined scattering angle to the beam direction of the light beams for determining the in Gasgaskanals 15 ) scattered portions of the first and second light beams, and - a computing unit for determining the particle mass concentration of the measuring gas located in the sample gas channel ( 1 ) from the determined proportions of the scattered light rays.

Measuring device according to claim 1, wherein the first radiation source ( 2 ) and the second radiation source ( 3 ) are arranged such that the first light beam ( 4 ) and the second light beam ( 5 ) at the same location in the sample gas channel ( 15 ) on the sample gas ( 1 ) to meet.

Measuring device according to at least one of claims 1 or 2, wherein the detection means is arranged such that the predetermined scattering angle to the beam direction of the light beams is between 60 ° and 120 °.

Measuring device according to at least one of claims 1-3, wherein the detection means comprises a detector ( 8th ) for detecting the scattered components of the first and the second light beam ( 4 . 5 ), and wherein the first and the second light source ( 2 . 3 ) are arranged such that the scattering angle between the first light beam ( 4 ) and the detector ( 8th ) is different from the scattering angle between the second light beam ( 5 ) and the detector ( 8th ).

A meter according to claim 4, wherein the scattering angles differ by a value ranging from 5 to 30 degrees.

Measuring device according to at least one of claims 1-5, wherein for a first particle type of the measuring gas ( 1 ) a wavelength of the first light beam ( 4 ) of the first light source ( 2 ) is set so that for this wavelength the proportion of the first light beam scattered by the first particle type ( 4 ) has a maximum and wherein for a second particle type of the measuring gas ( 1 ) a wavelength of the second light beam ( 5 ) of the second light source ( 3 ) is set so that for this wavelength the proportion of the second light beam scattered by the second particle type ( 5 ) has a maximum.

Measuring device according to at least one of claims 1-6, characterized in that in a storage means a first and a second characteristic curve is stored, which determines the dependence of the mass concentration of a first and a second particle type in the in the sample gas channel ( 15 ) measuring gas ( 1 ) of the determined proportion of the first and the second light beam ( 4 . 5 ), and in that the arithmetic unit for using the first and the second characteristic curve comprises an evaluation algorithm for determining the mass concentration of the first and the second particle type.

Measuring device according to at least one of claims 1-7, characterized in that the measuring device ( 100 ) at least one third light source ( 11 ), wherein the wavelength of the light beam ( 12 ) of the third light source ( 11 ) is different from the wavelength of the first and second light beam ( 4 . 5 ), wherein the detection means comprises a second detector ( 13 ) for detecting the scattered components of the third light beam ( 12 ), and wherein a wavelength of the third light source ( 11 ) is set so that the proportion of the third light beam scattered by the third particle type ( 12 ) has a maximum, and in which a third characteristic is stored in a storage means, which determines the dependence of the mass concentration of a third particle type present in the measurement gas on the determined fraction of the third light beam ( 12 ).

Measuring device according to at least one of claims 1-8, characterized in that the measuring device ( 100 ) is arranged to determine the mass concentration of the particle types soot, ash and / or salt, wherein a first wavelength to the value λ1 in the range of 640-670 nm, a second wavelength to the value λ2 in the range of 520-550 nm and a third wavelength is set to the value λ3 in the range of 400-440 nm.

Measuring device according to claim 8 or 9, wherein the light beam ( 12 ) of the third light source ( 11 ) at one point in the sample gas channel ( 15 ) diffused from the location in the sample gas channel ( 15 ), at which the first and the second light beam ( 4 . 5 ) are scattered spatially in the flow direction by a decoupling diaphragm ( 10 ) is disconnected.