DE4025789A1

DE4025789A1 - Optisches verfahren zur bestimmung des partikelgehaltes in gasen und fluessigkeiten

Info

Publication number: DE4025789A1
Application number: DE19904025789
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Trinkaus
Original assignee: Appsys Mess Versorgungs U GmbH
Current assignee: Appsys Mess Versorgungs U GmbH
Priority date: 1990-08-10
Filing date: 1990-08-10
Publication date: 1992-02-13

Description

Stand der Technik

Gemäß Hauptanspruch betrifft die Erfindung ein Verfahren aus der Gattung der optischen Verfahren und der Untergattung der Streulichtverfahren zur Bestimmung des Partikelgehaltes in Gasen und Flüssigkeiten. Der entscheidende Vorteil der optischen gegenüber anderen Verfahren ist ihr extrem hohes zeitliches Auflösungsvermögen, wenn Leucht- und Photodioden verwandt werden. In den bekannten Ausführungsformen ist aber ihre Empfindlichkeit gegen eine unkontrollierte Verschmutzung der Fenster ein genereller Nachteil. Prinzipiell kommen Extinktions- und Streulicht-Messungen in Frage, die verschiedene, zum Teil komplementäre Vor- und Nachteile haben.

So kann beim Extinktionsverfahren durch geeignete Wahl der Wellenlänge λ dafür gesorgt werden, daß die Meßgröße unabhängig vom Durchmesser D der Partikel und damit ein direktes Maß für ihre Massendichte ρ ist. Hierbei muß die Größe x=πD/λ sehr klein gegen 1 sein (Rayleigh-Bereich). Für typische Größen von Rußpartikeln um 0.1 bis 0.2 µm müßte demnach IR-Licht verwandt werden. Ein Einsatz von IR-Extinktions-Verfahren unmittelbar hinter dem Auslaßventil eines Dieselmotors ist aber wegen der Wärmestrahlung der Umgebung problematisch.

Demgegenüber gibt es bei Benutzung von Streulichtverfahren keinen endlich großen Wellenlängenbereich, in dem die Streuintensität von der Partikelgröße unabhängig wäre: Prinzipiell kann aber die Größenverteilung der Partikel aus der Winkelverteilung ermittelt werden. Bei gegebener Form der Größenverteilung kann die häufigste Größe und die Massendichte der Partikel durch zwei unabhängige Messungen, z. B. bei zwei verschiedenen Wellenlängen oder Streuwinkeln gemessen werden.

Ein genereller Nachteil des Extinktionsverfahrens ist, daß der Partikelgehalt aus der bei geringer Trübung kleinen Differenz von Meß- und Referenz-Signal bestimmt werden muß. Daraus ergibt sich eine große Anfälligkeit des Verfahrens gegen störende Einflüsse wie unkontrollierte Änderungen der Primärintensitäten, Detektorempfindlichkeiten und Fenstertrübungen.

Gegenüber Extinktionsmessungen haben Streulichtmessungen den Vorteil, daß hier der Meßwert als Signal über dem Nullpegel bestimmt wird. Die Anfälligkeit gegen störende Einflüsse wie Fenstertrübungen ist dementsprechend geringer. In den herkömmlichen Ausführungsformen wird aber auch die Empfindlichkeit der Streulichtverfahren durch solche Störeinflüsse begrenzt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs verbindet demgegenüber die Vorteil des Streulichtverfahrens mit einem exakten Referenzverfahren zur Elimination der Primärintensitäten, Detektorempfindlichkeiten und Fenstertrübungen. Die in den Unteransprüchen beschriebenen Maßnahmen betreffen vorteilhafte Ausführungen.

Die in Anspruch 2 beschriebene einfache Ausführungsform ist zu empfehlen, wenn keine großen Ansprüche an die quantitative Genauigkeit des Verfahrens gestellt werden, und/oder wenn damit gerechnet werden kann, daß sich im Laufe der Kontrollen der Massendichte der Partikel deren Größenverteilung nicht wesentlich ändert. Für die Wellenlänge λ werden am besten Werte in der Nähe desjenigen Vielfachen (ungefähr des 2- bis 3fachen) des zu erwartenden wahrscheinlichsten Partikeldurchmessers D_o gewählt, bei dem die Streustärke maximal und damit unempfindlich gegen Änderungen des Partikeldurchmessers wird.

Das Verfahren nach Anspruch 3 zur genaueren Bestimmung des Partikelgehaltes durch Lichtstreuung in zwei verschiedene Winkelbereiche beruht darauf, daß die Winkelverteilung der Streustärke im Rayleigh-Bereich, x=πD_o/λ< <1, näherungsweise symmetrisch bezüglich Vorwärts- und Rückwärtsrichtung ist, sich aber im Mie-Bereich, x< <1, mit zunehmendem x in einen immer enger werdenden Winkelbereich Δδ (im Bogenmaß) <1/x konzentriert. Bei geeigneter Wahl der Wellenlänge und der Winkelbereiche ergibt das Verhältnis der Streustärken für vorwärts und rückwärts gerichtete Streuung s_v/s_r, nach Fig. 5 und 6 ein Maß für den wahrscheinlichsten Partikeldurchmesser und für den Eichfaktor zwischen der Streustärke für einen der beiden Winkelbereiche und der Massendichte ρ der Partikel, also z. B. für s_v/ρ. Am besten werden für die Vorwärtsstreuung Winkelbereiche um 10° bis 20°, und für die Wellenlänge Werte um das 3- bis 5fache des zu erwartenden häufigsten Partikeldurchmessers gewählt.

Die Eichkenntlinie zur Bestimmung der Massendichte der Partikel wird am besten "statistisch" ermittelt: Neben den Streustärken in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung, s_v und s_r, wird mit einem anderen unabhängigen Verfahren der Massendichte der streuenden Partikel unter verschiedenen Betriebsbedingungen gemessen. Die hinreichend umfangreiche Korrelation der Größen s_v/ρ mit s_v/s_r liefert die der Fig. 6 entsprechende empirische Eichkennlinie.

Als Lichtquellen für die Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 stehenden Leuchtdioden, als Lichtempfänger Photodioden zur Verfügung. Da Halbleiter nur bei Temperaturen bis etwa 150°C eingesetzt werden können, muß das Licht zur Messung des Rußgehalts im Abgas unmittelbar hinter einem Dieselmotor mit Lichtleitern zwischen der heißen Meßstrecke und einem hinreichend kühlen Ort für die Leucht- und Photodioden transportiert werden. Leuchtdioden mit geeigneten Wellenlängen für Streulichtmessungen im Übergangsbereich zwischen Rayleigh- und Mie-Streuung sind verfügbar. Der für kombinierte Streulicht-/ Transmissions-Messungen erforderliche Meßumfang von mindestens vier Größenordnungen wird durch moderne Photodioden bei weitem abgedeckt.

Im Hauptanspruch und in den Nebenansprüchen wird ein internes Referenzverfahren vorgeschlagenen, bei dem die absolute Streustärke des Mediums für einen durch die Anordnung von Quellen und Empfängern definierten Streuwinkelbereich rechnerisch aus zwei geometrisch gleichwertigen Kombinationen von Streulicht- und Transmissions-Messungen ermittelt wird. Dabei wird ausgenutzt, daß für Streulicht- wie für Transmissions-Messungen die Stärke S_ÿ eines von einer Quelle Q_i ausgehenden und an einem Empfänger E_j ankommenden Signals durch ein Produkt von Faktoren gegeben ist, die die Intensität der Quelle, die Reduktion beim Durchgang durch das Fenster hinter der Quelle, die Extinktion und Streuung im untersuchten Medium, die Reduktion beim Durchgang durch das Fenster vor dem Empfänger und die Empfängerempfindlichkeit beschreibt. Bei der Bildung des Quotienten aus dem Produkt der Signalstärken zweier geometrisch gleichwertiger Streulichtmessungen und dem Produkt der Signalstärken der beiden entsprechenden Transmissionsmessungen heben sich deshalb die Primärintensitäten, Fenstertrübungen und Detektorempfindlichkeiten heraus. Das Ergebnis ist eine das streuende Medium charakterisierende Meßgröße. Benutzt man die in Fig. 1 gewählte Indizierung, so erhält man die Streustärken für die Streuung in die durch das Sondensystem definierten vorwärts und rückwärts gerichteten Winkelbereiche aus den Formeln

Die Struktur der beiden Formeln verdeutlicht, warum die Primärintensitäten, Fenstertrübungen und Detektorempfindlichkeiten herausfallen: In den jeweiligen Zählern und Nennern treten die gleichen Kombinationen der die Quellen und Empfänger kennzeichnenden Indizies und damit die gleichen Kombinationen von Störfaktoren auf, wodurch sich diese herauskürzen.

Die Vorzüge des vorgeschlagenen Referenzverfahrens sind bemerkenswert: Die Fenstertrübungen dürfen verschieden und ansonsten ziemlich groß sein. Da diese aber wie Verminderungen der Primärintensitäten bzw. der Detektorempfindlichkeit wirken, stellt die gewünschte Empfindlichkeit und Genauigkeit des Verfahrens gewisse Anforderungen an die maximale zulässige Trübung (z. B. <90%). Die einzige Anforderung an das zeitliche Verhalten der Detektorempfindlichkeiten und Fenstertrübungen ist, daß sie sich während einer Meßperiode nicht signifikant ändern dürfen. Die Primärintensitäten brauchen sogar nur über Zeiten von der Größenordnung der Ansprechzeiten der Detektoren konstant zu sein. Selbst gegen Änderungen der Strahlungscharakteristiken, z. B. durch ungleichmäßige Trübung der Fensterflächen, ist das Verfahren unempfindlich.

Zeichnung

Prinzipiell kann jede Anordnung als erfindungsgemäßer Sensor verwendet werden, bei der mit vier in Rechtecksymmetrie angeordnetem und auf ihren gemeinsamen Mittelpunkt ausgerichteten Komponenten eines optischen Sondensystems zwei geometrisch gleichwertige Kombinationen aus Streulicht- und Transmissionsmessungen ausgeführt und ausgewertet werden können. Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 Anordnung und Funktion des Sondensystems,

Fig. 2 Schnitt durch eine Ausführungsform zur Streulichtmessung in einem Abgasrohr,

Fig. 3 Blockschaltbild zur Lichtquellensteuerung und Signalverarbeitung bei Messung und Auswertung der Lichtstreuung in einen Winkelbereich,

Fig. 4 Blockschaltbild zur Lichtquellensteuerung und Signalverarbeitung bei Messung und Auswertung der Lichtstreuung in zwei verschiedene Winkelbereiche,

Fig. 5 zu erwartender ungefährer Verlauf der Eichkurve zur Bestimmung der häufigsten Größe von Rußpartikel,

Fig. 6 zu erwartender ungefähr Verlauf der Eichkurve zur Bestimmung der Massendichte von Rußpartikeln.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel zu Anordnung und Funktion der vier Komponenten des Sondensystems schematisch dargestellt. Die Aktivierbarkeit einer Komponenten als Quelle ist mit Q, als Empfänger mit E gekennzeichnet. Die Indizierung ist so gewählt, daß die Transmissions-Signale die Diagonal-Elemente und die Streu-Signals die Außerdiagonal-Elemente der Übertragungsmatrix bilden. Zur Auswertung der Lichtstreuung in einen Bereich um den durch die Diagonalen definierten spitzen Winkel, hier ungefähr 11°, werden als Empfänger gleichzeitig E₁ und E₂ und als Quellen abwechselnd Q₁ und Q₂, und für den dazu komplementären Winkelbereich als Empfänger gleichzeitig E₁ und E₃ und als Quellen abwechselnd Q₁ und Q₃ aktiviert.

In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel zur Streulichtmessung in einem Abgasrohr schirmen Rohrwände (RW) und Blenden (B) strörendes indirektes Streulicht über beleuchtete Fenster- und Wandflächen für Lichtkegel (LK) der gezeigten Öffnung weitgehend (bis zur zweiten Ordnung) ab. Bei Anwendung des vereinfachten Verfahrens nach Anspruch 2 kann die Blende zwischen den Komponenten mit reiner Quellenfunktion weggelassen werden.

In Fig. 3 ist ein Ausführungskonzept zur Lichtquellensteuerung und Signalverarbeitung bei Messung und Auswertung der Lichtstreuung in einen Winkelbereich dargestellt. Es bedeuten: EV: Energieversorgung; U: Umschalter; SS: Sondensystem mit Quellen Q₁ und Q₂ und Empfänger E₁ und E₂; Lg: Logarithmierer; Df: Differenzenbildner; Sp: Speicher; T: Taktgeber; MS: Meßsignal.

In Fig. 4 ist ein Ausführungskonzept zur Lichtquellensteuerung und Signalverarbeitung bei Messung und Auswertung der Lichtstreuung in zwei verschiedene Winkelbereiche dargestellt. Es bedeuten: EV: Energieversorgung; U: Umschalter, SS: Sondensystem mit Quellen Q₁, Q₂ und Q₃ und Empfängern E₁, E₂ und E₃; Lg: Logarithmierer; Df: Differenzenbildner; Sp: Speicher; T₁ und T₂: Taktgeber mit einfacher und doppelter Frequenz; EK: Eichkennlinie; MS₁ und MS₂: Meßsignale für Massendichte und Größe der streuenden Partikel.

In Fig. 5 ist der auf Grund von theoretischen Überlegungen zu erwartende Verlauf des Verhältnisses der korrigierten Streustärken für vorwärts und rückwärts gerichtete Streuung, s_v/s_r, und zwar für Vorwärts-Streuwinkel, δ, von 10° bis 20° als Funktion der reduzierten Partikelgröße x=πD_o/λ skizziert wobei D_o die häufigste Partikelgröße und λ die Wellenlänge des verwendeten Lichtes ist. Die Bänder deuten den Einfluß der Varianz der Größenverteilung der Partikel an. Der Kurvenverlauf zeigt, daß für δ20° durch Messung von s_v/s_r die häufigste Partikelgröße D_o über eine ganze Größenordnung definiert durch 0.3x_o3 bestimmt werden kann. In diesem Bereich scheint der Kurvenverlauf nur geringfügig von der Varianz der Größenverteilung anzuhängen. Die Existenz eines Maximums macht die Bestimmung von D_o im Prinzip mehrdeutig. Allerdings kann bei geeigneter Wahl der Wellenlänge praktisch ausgeschlossen werden, daß der unbrauchbare obere Zweig erreicht wird. Die Wellenlänge wird am besten so gewählt, daß für die am häufigsten vorkommende häufigste Partikelgröße x_o≈0.7 wird. Für typische Rußpartikelgrößen um 0.1 µm wäre demnach violettes bis blaues Licht mit Wellenlängen um 0.4 bis 0.5 µm am meisten geeignet.

In Fig. 6 ist der auf Grund von theoretischen Überlegungen zu erwartende Verlauf des Verhältnisses der korrigierten Streustärken für vorwärts gerichtete Streuung zur Massendichte der streuenden Partikel s_v/ρ, für Vorwärtsstreuung unter 10° und 20° in hier nicht interessierenden Einheiten als Funktion des Verhältnisses s_s/s_r dargestellt. Der Meßwert von s_v/s_r liefert s_v/ρ, aus dem mit dem Meßwert von s_v die Massendichte ρ ermittelt wird.

Claims

1. Ein Verfahren zur Bestimmung des Partikelgehaltes in Gasen und Flüssigkeiten, insbesondere des Rußgehaltes von Dieselabgasen im Fahrbetrieb, auf der Grundlage der Lichtstreuung im Übergangsbereich zwischen Rayleigh- und Mie-Streuung, dadurch gekennzeichnet, daß vier in Rechtecksymmetrie angeordnete und optisch auf ihren gemeinsamen Mittelpunkt ausgerichtete Komponenten eines optischen Sondensystems als Quelle und/oder Empfänger aktiviert werden können, daß bei Aktivierung einer Komponenten als Quelle und zweier Komponenten als Empfänger eine Streulicht- und eine Transmissions-Messung ausgeführt werden, daß bei einem Wechsel der Sendeaktivität auf die verbleibende vierte Komponente eine geometrisch gleichwertige Meßkombination ausgeführt wird, daß mit zwei geometrisch gleichwertigen Meßkombinationen jeweils alle vier Teilabschnitte der durch das Sondensystem definierten, sich kreuzenden optischen Wege jeweils zweimal, und zwar in gleichen Richtungen, benutzt werden, und daß aus zwei geometrisch gleichwertigen Meßkombinationen Änderungen der Primärintensitäten, Detektorempfindlichkeiten und Fenstertrübungen rechnerisch eliminiert und die das streuende Medium charakterisierenden Kenngrößen für die durch die Anordnung von Quellen und Empfängern definierten Streuwinkelbereiche ermittelt werden.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, wenn Lichtstreuung in einen einzigen Winkelbereich zur Bestimmung des Partikelgehalts als ausreichend betrachtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch abwechselnde Aktivierung zweier auf einer Seite des Sondensystems liegenden Komponenten als Quelle an den beiden gegenüberliegenden Komponenten gleichzeitig wechselweise Streulicht- und Transmissions-Messungen ausgeführt werden, und daß aus zwei Meßkombinationen dieser Art rechnerisch die das streuende Medium charakterisierende Kenngröße ermittelt wird.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1, wenn Lichtstreuung in zwei verschiedene Winkelbereiche zur Bestimmung des Partikelgehalts erforderlich sind, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Komponenten des Sondensystems ein wesentlich ungleichseitiges Rechteck bilden, daß von zwei diagonal zueinander angeordneten Komponenten des Sondensystems eine nur als Quelle, die andere nur als Empfänger aktiviert wird, während die beiden anderen Komponenten abwechselnd und im Wechsel mit der Sonde mit reiner Quellenfunktion als Quelle und Empfänger aktiviert werden, daß durch abwechselnde Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 auf die beiden geometrisch verschiedenartigen Kombinationen von je zwei Quellen und Empfängern abwechselnd je zwei Streulichtmessungen, kombiniert mit Transmissionsmessungen, unter den entsprechenden durch das Sondensystem definierten kleinen und großen Streuwinkel durchgeführt werden, z. B. drei- oder vierphasisch periodisch, und daß aus den entsprechenden Kenngrößen für die beiden Winkelbereiche mit Hilfe einer Eichkurve die Massendichte und gegebenenfalls die häufigste Größe der Partikeln ermittelt wird.

4. Eine Vorrichtung zur Abschirmung von störendem indirektem Streulicht über beleuchtete Fenster- und Wandflächen bei Anwendung von Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle denkbaren geraden Verbindungen von den Fenstern der als Quelle aktivierbaren Komponenten des Sondensystems sowie von den direkt beleuchteten Wandflächen zu den Fenstern der auf den jeweiligen gleichen Seiten des Sondensystems liegenden, als Empfänger aktivierbaren Komponenten durch geeignete Blenden geschnitten werden.

5. Eine Vorschrift zur Lichtquellensteuerung und Signalverarbeitung bei Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Quellen zweiphasisch periodisch aktiviert werden, und daß in jeder Halbperiode das Verhältnis (bzw. die Differenz der Logarithmen) der gleichzeitig gemessenen Streulicht- und Transmissions-Signale und in jeder Vollperiode ein dem geometrischen Mittelwert der beiden Verhältnisse entsprechendes, das streuende Medium charakterisierendes Meßsignal gebildet wird.

6. Eine Vorschrift zur Lichtquellensteuerung und Signalverarbeitung bei Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem vierphasisch periodischen Meßvorgang eine Komponente im Wechsel mit zwei weiteren Komponenten als Quelle aktiviert wird, wobei die letzteren wiederum abwechselnd aktiviert werden, daß in jeder Viertelperiode das Verhältnis (bzw. die Differenz der Logarithmen) der gleichzeitig gemessenen Streulicht- und Transmissions-Signale gebildet wird, daß in jeder Halbperiode ein dem geometrischen Mittelwert der beiden Verhältnisse entsprechendes, die Streuung des Mediums in den jeweiligen Winkelbereich charakterisierendes Signal gebildet wird, und daß in jeder Vollperiode aus den Signalen für die beiden Winkelbereiche mit Hilfe einer Eichkurve das Meßsignal für die Massendichte und gegebenenfalls für die häufigste Größe der Partikeln gebildet wird.

7. Bei Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder 3 zur schnellen Bestimmung des Partikelgehalts in Gasen oder Flüssigkeiten die Verwendung von Leuchtdioden mit Emmissionswellenlängen um das 3- bis 5fache der zur erwartenden häufigsten Partikelgröße, zur Rußbestimmung im Abgas unmittelbar hinter einem Dieselmotor also Wellenlängen zwischen 300 und 500 nm.

8. Bei Anwendung von Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 die Verwendung von Photodioden als Lichtempfängern.

9. Bei Anwendung von Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 die Verwendung von Lichtleitfasern zur Einkopplung des Lichtes in die Meßstrecke.