Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Partikelkonzentration in einem Aerosol

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Partikelkonzentration in einem Aerosol.

Die Verwendung von Streulichtverfahren zur Messung der Konzentration von Partikeln in Abgasen und anderen Aerosolen ist im Stand der Technik bekannt.

Dabei wird üblicherweise eine in bzw. an einer Messkammer angeordnete Lichtquelle, wie z. B. ein Laser, eingesetzt und das zu messende Aerosol wird durch die Messkammer geleitet. In bzw. an der Messkammer ist wenigstens ein Lichtsensor vorhanden, der Streulicht, das von im Aerosol vorhandenen Partikeln gestreut worden ist, detektiert.

Um dauerhaft korrekte Messergebnisse zu gewährleisten, müssen die Lichtausgangsflächen der Lichtquelle und die Lichteingangsflächen der Lichtsensoren, die mit dem Aerosol in Berührung kommen, sauber von Ablagerungen und Kondenswasser gehalten werden. Dazu wird üblicherweise saubere Luft in Form von sogenannten Spülluftvorhängen über die Lichteingangs- und Lichtausgangsflächen geleitet.

Dies erfordert einen zusätzlichen Aufwand beim Aufbau und Betrieb der Vorrichtung.

Offenbarung der Erfindung Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine vereinfachte Vorrichtung und ein vereinfachtes Verfahren zum Messen der Partikelkonzentration in einem Aerosol zur Verfügung zu stellen, die auch bei längerem Betrieb fortlaufend korrekte Messergebnisse liefern.

Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach dem unabhängigen Patentanspruch 1 und ein erfindungsgemäßes Verfahren nach dem Patentanspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Eine Vorrichtung zum Messen der Partikelkonzentration in einem Aerosol hat ein Strömungsrohr, das von dem zu messenden Aerosol durchströmt wird, und eine Messkammer, die zum Messen der Partikelkonzentration in dem Aerosol ausgebildet ist. Die Vorrichtung hat auch einen Hohlraum, der von dem Strömungsrohr abzweigt, und eine in dem Hohlraum angeordnete Hülse, die sich mit einem dem

Strömungsrohr zugewandten ersten Ende bis in das Strömungsrohr erstreckt. Die Hülse weist an einem von dem Strömungsrohr abgewandten zweiten Ende einen um den Umfang der Hülse umlaufenden Kragen auf, der am Umfang des Hohlraums befestigt ist. In dem Kragen ist wenigstens eine Einströmöffnung aus- gebildet. Am ersten Ende der Hülse, das im Strömungsrohr angeordnet ist, ist wenigstens eine Ausströmöffnung ausgebildet. Die Messkammer ist auf der von dem Strömungsrohr abgewandten Seite der Hülse in dem Hohlraum ausgebildet.

Der im Strömungsrohr an der Ausströmöffnung der Hülse vorbei strömende Ab- gasstrom erzeugt einen Unterdruck, der dazu führt, dass ein Teil des durch das

Strömungsrohr strömenden Aerosols durch die wenigstens eine im Kragen der Hülse ausgebildete Einströmöffnung in die Hülse gesaugt wird und an ihrem dem Strömungsrohr zugewandten Ende wieder zurück in das Strömungsrohr strömt. Es entsteht eine Aerosol-Nebenströmung durch den in radialer Richtung äußeren Bereich des Hohlraums, die auf der von dem Strömungsrohr abgewandten Seite der Hülse in dem Hohlraum ausgebildete Messkammer und das Innere der Hülse. Die kontinuierliche Nebenströmung verhindert, dass die Wände der Messkammer durch Ablagerung verschmutzt werden und das Messergebnis verfälscht wird. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung stellt somit auch bei längerem Betrieb dauerhaft zuverlässige Messergebnisse zur Verfügung. Die Hülse schützt die

Messkammer auch vor Kondenswasser, das im Aerosol enthalten ist oder aus diesem auskondensiert. Eine erfindungsgemäße Hülse ist ein einfaches mechanisches Bauteil, das kostengünstig herstellbar ist und im Betrieb keiner Wartung bedarf.

Die Erfindung stellt eine kostengünstige Vorrichtung zum Messen der Partikelkonzentration in einem Aerosol zur Verfügung, die dauerhaft und zuverlässig korrekte Messergebnisse liefert.

In einer Ausführungsform ist die Ausströmöffnung in einer dem Abgasstrang zugewandten Stirnseite der Hülse ausgebildet. Durch eine Ausströmöffnung, die in der dem Abgasstrang zugewandten Stirnseite der Hülse ausgebildet ist, wird durch die Strömung im Strömungsrohr eine besonders gute Sogwirkung erzeugt und ein starker Druckabfall im Inneren der Hülse bewirkt.

In einer Ausführungsform ist die Hülse eine handelsübliche Schutzkappe, wie sie zum Schutz von Lambdasonden verwendet wird. Schutzkappen für Lambdason- den werden in hohen Stückzahlen zu geringen Kosten produziert und stellen einfach zu beschaffende und kostengünstige Hülsen zur Verfügung, die zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gut geeignet sind.

In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens einen Lichtsensor auf. Eine Lichtquelle und ein Lichtsensor ermöglichen es, die Partikelkonzentration im Aerosol mit Hilfe eingestrahlten Lichtes und insbesondere durch eine Streulichtmessung zu bestimmen.

In einer Ausführungsform weist die Messkammer transparente Fenster auf, die es ermöglichen, Licht durch die Messkammer zu strahlen. Dies ermöglicht es, die Lichtquelle und den Lichtsensor außerhalb der Messkammer anzuordnen.

In einer Ausführungsform ist die Messkammer als Streulicht-Messkammer ausgebildet, wobei der Lichtsensor das von den in dem Aerosol in der Messkammer vorhandenen Partikeln gestreute Licht (Streulicht) erfasst und die Konzentration der Partikel in dem Aerosol aus der Intensität des Streulichts bestimmt wird. Streulicht-Messkammern stellen ein bewährtes Mittel zur Bestimmung der Partikelkonzentration in Aerosolen dar. In einer Ausführungsform ist der Hohlraum auf der vom Strömungsrohr abgewandten Seite durch einen entfernbaren Stopfen verschlossen. Ein entfernbarer Stopfen ermöglicht einen Zugang zur Messkammer und/oder zur Hülse, um diese bei Bedarf zu warten und/oder auszutauschen.

In einer Ausführungsform ist der entfernbare Stopfen in den Hohlraum eingeschraubt. Durch Einschrauben des Stopfens in den Hohlraum wird sichergestellt, dass der Stopfen sicher fixiert ist und den Hohlraum gasdicht abdichtet.

In einer Ausführungsform ist der Hohlraum in einem im Wesentlichen rechten Winkel zur Längserstreckung des Strömungsrohres ausgebildet. Ein in einem rechten Winkel zur Längserstreckung des Strömungsrohres ausgebildeter Hohlraum ist einfach herstellbar und ermöglicht eine gute Nebenströmung durch die Messkammer und die Hülse.

In einer Ausführungsform ist der Hohlraum zylinderförmig ausgebildet. Ein zylinderförmiger Hohlraum ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar.

In einer Ausführungsform ist die Hülse in einem im Wesentlichen rechten Winkel zur Längserstreckung des Strömungsrohres angeordnet. In einer Orientierung im rechten Winkel zur Längserstreckung des Strömungsrohres ist die Hülse besonders einfach montierbar und die im Strömungsrohr an der Hülse vorbeiströmende Abgasströmung erzeugt einen besonders hohen Unterdruck in der Hülse.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Messen der Partikelkonzentration in einem Aerosol, wobei das Verfahren einschließt, das Aerosol durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zu leiten.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.

Die Vorrichtung 1 weist ein Strömungsrohr 4 mit einem eingangsseitigen Ende 2 und einem ausgangsseitigen Ende 8 auf. Zur Messung der Partikelkonzentration wird das eingangsseitige Ende 2 des Strömungsrohres 4 derart z. B. im Strömungsrohr eines Verbrennungsmotors positioniert, dass das zu messende Aerosol (die zu messenden Abgase) am eingangsseitige Ende 2 in das Strömungsrohr 4 eintritt, durch das Strömungsrohr 4 strömt und durch das ausgangsseitiges Ende 8 aus dem Strömungsrohr 4 austritt. Am ausgangsseitigen Ende 8 des Strömungsrohres 4 kann ein Schlauch oder eine andere Aufnahmevorrichtung angebracht sein, um das aus dem Strömungsrohr 4 austretende Aerosol aufzunehmen und abzuführen.

Am Strömungsrohr 4 ist eine Klemme bzw. ein Griff 6 angebracht, um es zu ermöglicht, das Strömungsrohr 4 einfach und bequem in der gewünschten Position im bzw. am Abgasstrang zu positionieren.

An dem Strömungsrohr 4 ist auch eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 10 angebracht, die es ermöglicht, die Konzentration von Partikeln, die in dem Aerosol, das durch das Strömungsrohr 4 strömt, enthalten sind, zu messen.

Der Aufbau und die Funktion einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 gemäß dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel wird im Folgenden anhand einer vergrößerten Darstellung, wie sie in der Figur 2 gezeigt ist, beschrieben.

Figur 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10, die an einem Strömungsrohr 4 angebracht ist.

Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 10 weist einen Hohlraum 12 auf, der von dem Strömungsrohr 4 abzweigt und in Strömungsverbindung mit dem Strömungsrohr 4 steht. In dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Hohlraum 12 zylinderförmig ausgebildet, wobei die Achse des Zylinders in einem rechten Winkel zur Längserstreckung des Strömungsrohres 4 angeordnet ist. Der Hohlraum 12 ist auf der dem Strömungsrohr 4 abgewandten, in der Figur 2 oben dargestellten, Seite durch einen Stopfen 20 verschlossen, der durch eine Verschraubung 34 in dem Hohlraum 12 fixiert ist. Der Stopfen 20 kann beispielsweise aus Gummi oder einem anderen elastischen Werkstoff ausgebildet sein.

Entlang der Längsachse des zylinderförmigen Hohlraums 12 ist eine Hülse 14 angeordnet. Die Hülse 12 ist topfformig ausgebildet und ist mit ihrer Längsachse im Wesentlichen parallel zur Längserstreckung des Hohlraums 12 in einem rechten Winkel zur Längserstreckung des Strömungsrohres 4 und damit auch zur Strömung 22 im Abgasrohr 4 angeordnet. Die Hülse 14 erstreckt sich dabei mit ihrem unteren, dem Strömungsrohr 4 zugewandten Ende 14a aus dem unteren, dem Strömungsrohr 4 zugewandten Ende des Hohlraums 12 bis in das Strömungsrohr 4, so dass das dem Strömungsrohr 4 zugewandte Ende 14a der Hülse 14 innerhalb des Strömungsrohres 4 angeordnet ist und von der Aerosol- Strömung 22 im Strömungsrohr 44 umströmt wird.

In der dem Strömungsrohr 4 zugewandten Stirnseite der Hülse 14 ist eine Ausströmöffnung 18 ausgebildet. Am gegenüberliegenden, vom Strömungsrohr 4 abgewandten Ende 14b weist die Hülse 14 einen den Umfang der Hülse 14 umlaufenden Kragen 15 auf, der an der den Umfang des Hohlraums 12 begrenzenden Wand fixiert ist und die Hülse 14 so im Hohlraum 12 befestigt. In dem Kragen 15 sind Ausströmöffnungen 16 ausgebildet, die eine Strömungsverbindung zwischen einem in radialer Richtung äußeren Bereich 12a des Hohlraums 12, der um den Umfang der Hülse 14 angeordnet ist, und einem Bereich 12c des Hohlraums 12 oberhalb des Kragens schaffen. Der Bereich 12c des Hohlraums 12 oberhalb der Hülse 14 ist als Messkammer

12c mit zwei Messfenstern 26 ausgebildet, durch die im Betrieb ein von einer (Laser-)Lichtquelle 28 erzeugter Lichtstrahl 32 durch die Messkammer 12c gestrahlt wird. Der aus der Messkammer 12c austretende Lichtstrahl 32 oder das von in dem Aerosol enthaltenen Partikeln gestreute Licht (Streulicht) tritt durch ein zweites Fenster 26 aus der Messkammer aus und wird von wenigstens einem

Lichtsensor 30 detektiert. Das von dem wenigstens einen Lichtsensor 30 ausgegebene Signal wird einer in der Figur 2 nicht gezeigten Auswertvorrichtung zuge- führt, um die Partikelkonzentration des Aerosols in der Messkammer 12c zu bestimmen.

Im Betrieb strömt das zu messende Aerosol entlang der Längserstreckung des Strömungsrohres 4 durch das Strömungsrohr 4. Die Strömung 22 erzeugt dabei an der strömungsrohrseitigen Ausgangsöffnung 18 der Hülse 14 einen Unterdruck, der eine Strömung aus dem Inneren 12b der Hülse 14 in das Strömungsrohr 4 bewirkt. Dadurch entsteht im Inneren 12b der Hülse 14 ein Unterdruck, der zu einem Nachströmen von Aerosol aus dem Strömungsrohr 4 durch die in dem Kragen 15 der Hülse 14 ausgebildeten Einströmöffnungen 16 in die Messkammer 12c und von dort in das Innere 12b der Hülse 14 führt. Es entsteht eine Nebenströmung 24 durch den in radialer Richtung äußeren Bereich 12a des Hohlraums 12, der um den Umfang der Hülse 14 ausgebildet ist, die Messkammer 12c und das Innere 12b der Hülse 14.

Die Messkammer 12c und insbesondere die Fenster 26 der Messkammer 12c sind dabei durch die Hülse 14 vor Kondenswasser, das in dem Aerosol 22 enthalten sein kann, geschützt. In dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine topfförmig ausgebildete Hülse 14 verwendete. Eine topfförmig ausgebildete Hülse 14 ist nicht zwingend erforderlich. Die Hülse 14 kann eine beliebige Form haben, solange ihre Öffnungen 16, 18 so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie eine Nebenströmung 24 durch die Messkammer 12c ermöglichen und an der Hülse 14 der für das Bewirken der Nebenströmung 24 notwendige Druckunterschied erzeugt wird.

Der Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 bewirkt eine kontinuierliche Strömung 24 des Aerosols über die Fenster 26 der Messkammer 12c, so dass Ablagerungen von Ruß oder anderen Schmutzpartikeln auf den Fenstern 26 der

Messkammer 12c, die das Messergebnis verfälschen könnten, zuverlässig vermieden werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist im Vergleich zu herkömmlichen Lösun- gen, die einen Spülluftvorhang einsetzen, um die Fenster der Messkammer frei von Ablagerungen zu halten, einfacher, kleiner und kostengünstiger zu realisieren und kann insbesondere einfach mit kostengünstigen Bauteilen, wie z.B. Hül- sen, wie sie für Lambdasensoren verwendet werden, realisiert werden. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch problemlos in herkömmliche Sonden, wie sie zur Abgasmessung verwendet werden, integriert werden.