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Einrichtung zur Uberprüfung von Gasen
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Uberprüfung von Gasen,
insbesondere des Abgases von Brennkraftmaschinen, mit einer in dem zu prüfenden
Gas angeordneten Glühwendel.
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nach dem Wärmetönungsverfahren arbeitenden Bei bekanntentVorrichtungen
dieser Art ist die Glühwendel in einem Zweig einer Brückenschaltung angeordnet.
Die Glühwendel wird dabei zunächst durch den in dem Zweig der Brückenschaltung fliessenden
Strom erhitzt. Durch die katalytische Nachverbrennung unvollständig verbrannter
Abgasreste, die die Glühwendel umgeben, erhöht sich die Temperatur der Glühwendel
und damit deren elektrischer Widerstand. Die daraus resultierende Brückenverstimmung
wird angezeigt und bildet ein Mass für den Heizwert der untersuchten Gase. Bei der
Untersuchung von Abgasen aus Brennkraftmaschinen, die mit Benzin betrieben werden,
können die Anzeigeinstrumente grob in Volumenprozent Kohlenmonoxid geeicht werden.
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Ze bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, dass Fertigungstoleranzen
der Glühwendel das Messergebnis stark beeinflussen. Dies hat seine Urasche darin,
dass durch die von Glühwendel zu Glühwendel verschiedenen Kalt-Widerstände unter
schiedliche Ströme über die Brückenzweige der Brückenschaltung fliessen. Die Temperatur
der Glühwendel ist dabei im wesentlichen von dem Quadrat dieses Stromes bestimmt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Uberprüfung
von Gasen, insbesondere des Abgases von Brennkraftmaschinen zu entwickeln, die ein
zuverlässiges und genaues Messergebnis über das zu prüfende Abgas liefert.
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Die Vorrichtung soll dabei einfach und kostensparend in ihrem Aufbau
sein und insbesondere im rauhen Betrieb von Kraft-Tahrzeugwerkstätten zuverlässig
arbeiten.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das Kennzeichen des Hauptanspruchs
gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmässige Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den zugehörigen Zeichnungen.
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Es zeigen: Fig. 1 die Anordnung einer Glühwendel in einer Messkammer,
Fig. 2 eine nach dem Eonstantstrom-Verfahren arbeitende Vorrichtung, Fig. 3 das'Prinzipschaltbild
einer nach dem Konstanttemperatur-Verfahren arbeitende Vorrichtung, Fig. 4 den Stromlaufplan
einer Einrichtung nach Fig. 3 und Fig. 5 das Prinzipbild eines kombinierten CO-HC-Messgerätes.
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In Fig. 1 ist schematisch die Anordnung einer Glühwendel 10 in einer
Messkammer 11 dargestellt. Das Abgas strömt durch eine Eintrittsöffnung 12 zur Messkammer
und tritt durch eine Austrittsöffnung 13 wieder aus. Wie aus Fig. 1 zu erkennen
ist, ist die Glühwendel 10 nicht direkt im Abgasstrom angeordnet, sondern befindet
sich in einem Raum, in dem keine grosse Gasturbulenz auftritt.
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In Fig. 2 ist eine Vorrichtung gezeigt, die nach dem sog.
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Konstantstrom-Messverfahren arbeitet. Dabei ist die Glühwendel 10
mit einer Konstantstromquelle 14 verbunden, die stets einen Strom von derselben
Stärke über die Glühwendel 10 fliessen lässt. Der Verbindungspunkt der Glühwendel
10
und der Stromquelle 14 ist mit dem ersten Eingang eines Subtrahierers
15 verbunden, an dessen zweiten Eingang eine Referenzspannungsquelle 16 angeschlossen
ist Mit dem Ausgang des Subtrahierers 15 ist eine Anzeigeeinrichtung 17 verbunden.
Die Anzeigeeinrichtung kann auch mit einer Auswerteeinrichtung, beispielsweise einem
Diagnoseautomaten, der gleichzeitig das Messergebnis ausdruckt, verbunden sein.
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Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 3 Ist folgende: Durch die
Glühwendel 10 fliesst zunächst ein Strom, der die Glühwendel 10 auf eine bestimmte
Temperatur bringt. Gelangen nun in die Messkammer 11, in welcher die Glühwendel
10 angeordnet ist, noch brennbare Bestandteile des Abgases, dann erhitzt sich die
Glühwendel 10 weiter, wobei der Widerstandswert der Glühwendel zunimmt. Dadurch
erhöht sich aber die Spannung, welche über der Glühwendel 10 abfällt. Von dieser
Spannung wird die Referenzspannung, welche die Referenzspannungsquelle 16 liefert
abgezogen, wobei die Differenz mit Hilfe des Anzeigeinstrumentes 17 angezeigt wird.
Dieses Differenzsignal ist ein Mass für den Heizwert der untersuchten Gase.
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In Reihe zu der Glühwendel 10 ist ein Schalter 18 angeordnet, der
in seinem ersten Schaltzustand den einen Anschluss der Glühwendel 10 direkt mit
einer bei 19 angedeuteten Masseleitung verbindet. Im anderen Schaltzustand des Schalters
18 ist die Glühwendel 10 mit einem Eichwiderstand 20 in Reihe geschaltet.
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Bei in Reihe geschaltetem Eichwiderstand 20 muss sich bei Anordnung
der Glühwendel in reiner Luft oder in einer mit Eichgas gefüllten Messkammer ein
bestimmter Ausschlag des Anzeigeinstrumentes 17 einstellen. Dadurch kann die Vorrichtung
nach Fig. 2 leicht überprüft bzw. geeicht werden.
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Es hat sich beim Betrieb von Vorrichtungen zur Uberprüfung von Abgas,
die nach dem Wärmetönungsverfahren arbeiten, herausgestellt, dass die Glühwendeln
im rauhen Werkstatteinsatz keine besonders hohen Standzeiten haben. Das liegt daran,
dass die Glühwendeln, die zwar bei schwacher Rotglut betrieben werden, mit Krusten
aus unverbrannten hochmolekularen Abgasresten (vorwiegend ölresten) bedeckt werden.
Dadurch wird die aktive Fläche für die Nachverbrennung von Kohlenmonoxid an den
Glühwendeln verkleinert.
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In zweckmässiger Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb vorgesehen,
dass der Betriebsstrom über die Glühwendel 10 kurzzeitig erhöht wird. Dadurch werden
die Krusten, welche sich auf der Glühwendel 10 abgesetzt haben, abgebrannt.
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Wie sich gezeigt hat, hat das Ausglühen der Glühwendel 10 keinen Einfluss
auf die Messgenauigkeit in der Vorrichtung zur Überprüfung von Gasen. Das Ausglühen
wird bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 mit Hilfe der Stromquelle 14 vorgenommen,
deren Stromstärke einstellbar ist.
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In Fig. 2 ist das Prinzip einer Vorrichtung zur Überprüfung von Abgasen
gezeigt, die nach dem Prinzip des Konstanttemperatur-Verfahrens arbeitet. Bei diesem
Verfahren wird die Temperatur der Glühwendel konstant gehalten, bzw.
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der elektrische Widerstand der Glühwendel 10 auf einem konstanten
Wert gehalten. Die Glühwendel ist hier ein Zweig einer Brückenschaltung, die ausser
der Glühwendel 10 noch Widerstände 21, 22 und 23 aufweist. Der Widerstand 23 und
die Glühwendel 10 sind einseitig mit Masse verbunden und die Widerstänae 21 und
22 sind mit einer gemeinsamen Verbindungsleitung versehen, welche an den Ausgang
eines Reglers 24 angeschlossen ist, der die Versorgungsspannung der Brückenschaltung
10, 21, 22 und 23 beeinflusst. Mit
dem Ausgang des Reglers ist ausserdem
eine Anzeige einrichtung 25 verbunden.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende: Die Glühwendel
10 wird zunächst von einem Strom durchflossen, der die Glühwendel auf eine bestimmte
Ausgangstemperatur bringt. Wird die Glühwendel 10 nun mit brennbaren Resten des
zu überprüfenden Abgases in Verbindung gebracht, beginnt sie sich weiter zu erhitzen.
In dem Masse, in dem sich jedoch die Glühwendel 10 weiter erwärmt und in dem Masse
wie dadurch ihr elektrischer Widerstand steigt, regelt der Regler 24 die Versorgungsspannung
der Brückenschaltung zurück, so dass der Grundstrom, welcher durch die Glühwendel
10 fliesst, verringert wird. Dadurch wird der Widerstandswert der Glühwendel 10
bzw. und damit die Temperatur auf einem konstanten Wert gehalten. Das Ausgangssignal
der Regeleinrichtung 24, das an die Anzeigeeinrichtung 25 angelegt ist, gibt Auskunft
über den Heizwert der brennbaren Bestandteile des Abgases.
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In Fig. 4 ist der Stromlaufplan einer Vorrichtung nach Fig. 3 dargestellt.
Die Regeleinrichtung 24 ist eingangsseitig mit der Diagonale der Brückenschaltung
aus den Widerständen 21, 22, 23 sowie der Glühwendel 10 verbunden. Der Ausgang der
Regeleinrichtung 24 ist mit der Steuerelektrode eines Ausgangstransistors 26 verbunden,
mit dessen Emitter ein Widerstand 27 sowie die Anzeigeeinrichtung 25 verbunden ist.
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Der Kollektor des Ausgangstransistors 26 ist über eine Versorgungsleitung
28, einen Widerstand 29 und die Schaltstrecke eines Steuertransistors 30 mit einem
zweiten Brückenanschluss 31 der Brückenschaltung 21, 22, 23 und 10 verbunden. Der
erste Brückenanschluss 32 der Brückenschaltung 21, 22, 23 und 10 ist über einen
Messwiderstand 33 mit einer zweiten Versorgungsleitung 34, im vorliegenden Fall
der Masseleitung verbunden. Ausserdem ist der zweite
Brückenanschluss
32 über einen Vorwiderstand 35 mit einem ersten Eingang eines Subtrahierers 37 verbunden1
an dessen zweiten Eingang eine Referenzspannung Uref angelegt ist. Der Ausgang des
Subtrahierers 37 ist mit der Basis des Steuertransistors 30 verbunden. An den ersten
Eingang des Subtrahierers 37 ist mit seinem Kollektor ein Schalttransistor 36 angeschlossen,
dessen Emitter an Masse liegt und dessen Basis über eine monostabile Eippstufe 38
ansteuerbar ist. Die monostabile Kippstufe 38 kann mit Hilfe eines Auslöseschalters
39 in ihre instabile Schaltlage gebracht werden.
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Die Wirkungsweise des in Fig. 4 dargestellten Ausführungs beispieles
ist folgende: ueber die Glühwendel 10 fliesst ein Grundstrom, der mit Hilfe des
Transistors 30 eingestellt werden kann. Erwärmt sich die Glühwendel 10 infolge unverbrannter
Anteile des Abgases über ihre Grundtemperatur hinaus, dann steigt die Spannung über
der Glühwendel zunächst an. Damit wird über den Regler 24 der Ausgangstransistor
26 stärker leitend über die Schaltstrecke dieses Ausgangstransistors 26, den Widerstand
27 und den Messwiderstand 33 fliesst ein grösserer Strom. Dieser grössere Strom
bedingt ein positiveres Signal an dem ersten Eingang des Subtrahierers 37.
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Durch Vergleichen dieses Signales mit dem Referenzsignal wird nunmehr
der Steuertransistor weiter in Richtung seines -nicht leitenden Zustandes gesteuert,
so dass der über die Glühwendel 10 fliessende Grundstrom verringert wird. Dadurch
wird die Temperatur der Glühwendel 10 auf einem kontanten Wert gehalten. Durch die.
beschriebene Regelung der Temperatur der Glühwendel 10, ergeben sich stets gleichbleibende
Nachverbrennungsbedingungen für alle Abgaskomponenten bei allen Konzentrationen
des Abgases.
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Zur Regenerierung der Glühwendel, d.h. zum Abbrennen von Krusten auf
der Glühwendel kann mit Hilfe des Schalttransistors 36 das Potential am ersten Eingang
des Subtrahierers 77 soweit abgesenkt werden, dass der Steuertransistor 30 voll
in seinen leitenden Zustand gesteuert wird. Dadurch fliesst ein hoher Strom über
die Glühwendel 10, so dass sich diese so stark erhitzt, dass die vorhandenen Krusten
an der Oberfläche der Glühwendel abbrennen. Um eine definierte Zeit für die Erhöhung
des Betriebsstromes für die Glühwendel 10 vorzugeben, wird der Schalttransistor
36 mit Hilfe der monostabilen Kippstufe 38 angesteuert, wobei die Dauer des instabilen
Schaltzustandes der monostabilen Kippstufe 38 diejenige Zeitdauer bestimmt, während
der ein hoher Strom über die Glühwendel 10 fliessen soll. Die monostabile Kippstufe
38 kann mit Hilfe eines Auslöseschalters 39 ausgelöst werden, wobei der Auslöseschalter
auch so aufgebaut sein kann, dass er automatisch vor bzw. nach jedem Messvorgang
geschlossen wird, so dass vor bzw. nach jedem Messvorgang die Glühwendel ausgeglüht
wird und die Kruste abgebrannt wird.
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Vorrichtungen zur Überprüfung von Abgasen, die nach dem Wärmetönungsverfahren
arbeiten, sind nicht selektiv für Kohlenmonoxid einerseits und Kohlenwasserstoffe
andererseits. Es wird ein Summeneffekt gemessen, nämlich der Gesamtheizwert der
untersuchten Abgase. Dagegen sind selektiv arbeitende Prüfgeräte bekannt, beispielsweise
sog. Infrarot-Gasanalyse-Messgeräte..In Fig. 5 ist ein Messgerät dargestellt, das
sowohl eine nach dem Wärmetönungsverfahren arbeitende Vorrichtung als auch eine
nach dem Infrarot-Gasanalyse-Messverfahren arbeitende Vorrichtung aufweist. Die
nach dem Wårmetönungsverfahren
arbeitende Vorrichtung 40 ist mit
einem ersten Eingang eines Subtrahierers 41 verbunden, während die nach der Infrarot-Gasanalyse
arbeitende selektive Nesavorrichtung mit einem zweiten Eingang des Subtrahierers
41 verbunden ist. Die nach dem Infrarot-Gasanalyse-Messverfahren arbeitende selektive
flesavorrichtung 42 liefert ein Ausgangssignal, das den Anteil an Kohlenmonoxid
im Abgas kennzeichnet. Dieses Signal wird mit Hilfe eines Messinstrumentes 43, das
in Volumenprozent Kohlenmonoxid geeicht ist, angezeigt. Am Ausgang des Subtrahierers
41 liegt ein Signal an, das der Differenz des Gesamtheizwertes und des Heizwertes
des CO-Anteiles entspricht. Dieses Differenzsignal kennzeichnet die Anteile der
Kohlenwasserstoffe und des freien Wasserstoffes. Letzterer steht im wesentlichen
im Wassergas-Gleichgewicht mit dem Kohlenmonoxid Anteil. Das Messinstrument 44 kann
deshalb in Volumenprozent Kohlenwasserstoffe geeicht werden. Der Vorteil dabei ist,
daß sämtliche brennbaren Kohlenwasserstoffe zur Anzeige gelangen. Mit dem zuletzt
beschriebenen Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist also eine Überprüfung des Abgases
auf seine Einzelbestandteile hin möglich.
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L e e r s e i t e