DE102009054594B4 - Device and method for determining the particle size and particle concentration of a flowing, particle-carrying gas - Google Patents
Device and method for determining the particle size and particle concentration of a flowing, particle-carrying gasInfo
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Abstract
Verfahren zum Ermitteln der Partikelgröße und der Partikelkonzentration eines strömenden, Partikel mitführenden Gases, insbesondere eines Gases aus einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, aufweisend die folgenden Schritte:
kontinuierliches Durchleiten des Gases durch eine Gasführungsleitung; Bestrahlen eines Bereichs der Gasführungsleitung durch eine im Wesentlichen rechtwinklig bezogen auf die Strömungsrichtung des Gases angeordnete polychromatische Lichtquelleneinheit (4);
zeitgleiches Detektieren von Intensitäten mehrerer Wellenlängenbereiche der Streulichtanteile des betrachteten Bereichs der Gasführungsleitung durch einen Farbsensor (18) oder einen Spektralanalyser (18), der in einem bestimmten Winkel bezogen auf die Ausstrahlrichtung der polychromatischen Lichtquelleneinheit (4) angeordnet ist; und
Bestimmen der Partikelgröße und/oder der Partikelkonzentration aus den durch den Farbsensor/den Spektralanalyser (18) zeitgleich erfassten Intensitäten der Wellenlängenbereiche,
dadurch gekennzeichnet, dass aus der absoluten Intensität der erfassten Wellenlängenbereiche die Partikel-Konzentration bestimmt wird und aus dem Verhältnis der erfassten Intensitäten der Wellenlängenbereiche die Partikelgröße bestimmt wird.
Method for determining the particle size and particle concentration of a flowing gas carrying particles, in particular a gas from an exhaust system of a motor vehicle, comprising the following steps:
Continuous passage of the gas through a gas guide line; irradiation of a region of the gas guide line by a polychromatic light source unit (4) arranged substantially perpendicular to the direction of gas flow;
Simultaneous detection of intensities of several wavelength ranges of the scattered light components of the considered area of the gas flow line by a color sensor (18) or a spectral analyzer (18) arranged at a specific angle relative to the emission direction of the polychromatic light source unit (4); and
Determining the particle size and/or particle concentration from the wavelength range intensities simultaneously recorded by the color sensor/spectral analyzer (18),
characterized in that the particle concentration is determined from the absolute intensity of the detected wavelength ranges and the particle size is determined from the ratio of the detected intensities of the wavelength ranges.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Ermitteln der Partikelgröße und der Partikelkonzentration eines strömenden, Partikel mitführenden Gases, insbesondere eines Abgases aus einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs.The invention relates to a device and a method for determining the particle size and particle concentration of a flowing gas carrying particles, in particular an exhaust gas from an exhaust stream of a motor vehicle.
Stand der TechnikState of the art
Bei der periodischen Abgasuntersuchung von Dieselfahrzeugen wird derzeit eine Überprüfung der Ruß- und Partikelemissionen verlangt. Die derzeit verwendeten Opazimeter sind nicht ausreichend sensitiv, um die geringen Partikelkonzentrationen und Kleinpartikel bei Fahrzeugen mit Dieselpartikelfiltern nachweisen zu können.Periodic emissions testing of diesel vehicles currently requires a check of soot and particulate emissions. The opacimeters currently in use are not sensitive enough to detect the low concentrations of particulate matter and small particles produced by vehicles with diesel particulate filters.
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Die dort beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren sind aufwändig. Geringe Partikelkonzentrationen und kleine Partikel in dem Abgas können damit nur schlecht nachgewiesen werden.The devices and methods described there are complex. Low particle concentrations and small particles in the exhaust gas are difficult to detect with them.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren anzugeben, mit denen auch kleine Partikelkonzentrationen und auch kleine im Abgas enthaltenen Partikel zuverlässig erfasst werden können.It is therefore an object of the present invention to provide a cost-effective device and an associated method with which even small particle concentrations and even small particles contained in the exhaust gas can be reliably detected.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This problem is solved by the subject matter of the independent patent claims; advantageous developments result from the dependent claims.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln der Partikelgröße und der Partikelkonzentration eines strömenden, Partikel mitführenden Gases, insbesondere eines Abgases aus einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, umfasst eine Gasführungsleitung, eine polychromatische Lichtquelleneinheit, die so angeordnet ist, dass sie im Wesentlichen rechtwinklig, bezogen auf die Strömungsrichtung des Gases, auf einen Bereich der Gasführungsleitung gerichtet ist und das jeweils in diesem Bereich strömende Gasvolumen bestrahlt, und einen Farbsensor, der dazu ausgebildet ist, gleichzeitig mehrere Wellenlängenbereiche zu detektieren, oder einen Spektralanalyser. Der Farbsensor/der Spektralanalyser ist so in einem bestimmten Winkel, bezogen auf die Ausstrahlrichtung der polychromatischen polychromatische Lichtquelleneinheit, angeordnet, dass Streulichtanteile des betrachteten Bereichs der Gasführungsleitung auf ihn auftreffen. Aus den durch den Farbsensor/den Spektralanalyser zeitgleich erfassten Intensitäten der Wellenlängenbereiche der Streulichtanteile des betrachteten Bereichs der Gasführungsleitung ist die Partikelgröße und die Partikelkonzentration bestimmbar.An inventive device for determining the particle size and particle concentration of a flowing gas carrying particles, in particular exhaust gas from an exhaust system of a motor vehicle, comprises a gas guide line, a polychromatic light source unit arranged such that it is directed substantially perpendicularly to the direction of gas flow onto a region of the gas guide line and irradiates the gas volume flowing in that region, and a color sensor configured to simultaneously detect several wavelength ranges, or a spectral analyzer. The color sensor/spectral analyzer is thus positioned at a specific angle relative to the emission direction of the polychromatic light source. The unit is arranged so that scattered light components from the considered section of the gas duct strike it. The particle size and particle concentration can be determined from the wavelength range intensities of the scattered light components from the considered section of the gas duct, which are simultaneously recorded by the color sensor/spectral analyzer.
Die polychromatische Lichtquelleneinheit kann dabei entweder als eine polychromatische Lichtquelle ausgebildet sein, die polychromatisches Licht ausstrahlt, oder sie kann als Einheit mehrerer Lichtquellen, die Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen ausstrahlen, z.B. 4-Farben-LEDs, ausgebildet sein.The polychromatic light source unit can either be designed as a single polychromatic light source that emits polychromatic light, or it can be designed as a unit of several light sources that emit light with different wavelengths, e.g. 4-color LEDs.
Gemäß einer der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis der Erfinder hängt die Streulichtintensität bei einem vorgegebenen Winkel vom Verhältnis der Wellenlänge zu der Partikelgröße ab.According to one of the inventors' findings underlying the invention, the scattered light intensity at a given angle depends on the ratio of the wavelength to the particle size.
Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung wird nur ein einziger Farbsensor oder Spektralanalyser verwendet, und dieser ist in der Lage, mindestens zwei Wellenlängen zeitgleich zu erfassen. Aus der Intensität der erfassten mindestens zwei Wellenlängen wird auf die Partikelgröße und die Partikelkonzentration geschlussfolgert.According to a fundamental principle of the invention, only a single color sensor or spectral analyzer is used, and this sensor is capable of simultaneously detecting at least two wavelengths. The particle size and particle concentration are then inferred from the intensity of the detected at least two wavelengths.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gegenüber konventionellen Vorrichtungen, die zwei Lichtsensoren benötigen, konstruktiv einfacher aufgebaut und kostengünstiger herstellbar. Durch die getrennte Betrachtung mehrerer Wellenlängenbereiche der Streulichtanteile können auch kleine Partikelkonzentrationen und auch kleine im Abgas enthaltene Partikel zuverlässig erfasst werden. Die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gelieferten Ergebnisse für die Partikelkonzentration und die Partikelgröße sind sehr aussagekräftig.The device according to the invention is structurally simpler and less expensive to manufacture than conventional devices that require two light sensors. By separately analyzing several wavelength ranges of the scattered light components, even low particle concentrations and small particles contained in the exhaust gas can be reliably detected. The results obtained by the device according to the invention for particle concentration and particle size are highly informative.
Gemäß der Erfindung ist aus der absoluten Intensität der erfassten Wellenlängenbereiche die Partikelkonzentration bestimmbar, und aus dem Verhältnis der erfassten Intensitäten der Wellenlängenbereiche ist die Partikelgröße bestimmbar.According to the invention, the particle concentration can be determined from the absolute intensity of the detected wavelength ranges, and the particle size can be determined from the ratio of the detected intensities of the wavelength ranges.
Vorteilhafterweise kann bei der Bestimmung der Partikelgröße und der Partikel-konzentration aus den zeitgleich erfassten Intensitäten der Wellenlängenbereiche die Theorie der dem Fachmann bekannten Mie- bzw. der Rayleigh-Streuung zugrunde gelegt werden, welche die Intensität des Streulichts in Abhängigkeit von der Intensität des eingehenden polychromatischen Lichtstrahls, von der Partikelanzahl, von dem Verhältnis Wellenlänge zu Partikelgröße und vom Beobachtungswinkel des Farbsensors/des Spektralanalysers beschreibt.Advantageously, when determining the particle size and particle concentration from the simultaneously recorded intensities of the wavelength ranges, the theory of Mie or Rayleigh scattering, known to those skilled in the art, can be used as a basis, which describes the intensity of the scattered light as a function of the intensity of the incoming polychromatic light beam, the number of particles, the ratio of wavelength to particle size and the observation angle of the color sensor/spectral analyzer.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann es sich bei den durch die polychromatische Lichtquelleneinheit ausgestrahlten und durch den Farbsensor/den Spektralanalyser erfassten Wellenlängenbereichen um den RotBereich, den Gelb-Bereich und den Blau-Bereich des sichtbaren Lichts handeln. Ebenfalls kann es sich bei den durch die polychromatische Lichtquelleneinheit ausgestrahlten und durch den Farbsensor/den Spektralanalyser erfassten Wellenlängenbereichen um den UV-Bereich und den IR-Bereich handeln.According to a further embodiment of the invention, the wavelength ranges emitted by the polychromatic light source unit and detected by the color sensor/spectral analyzer can be the red, yellow, and blue ranges of visible light. The wavelength ranges emitted by the polychromatic light source unit and detected by the color sensor/spectral analyzer can also be the UV and IR ranges.
Die mittlere Partikelgröße d kann gemäß einer Funktion bestimmt werden, welche die Intensitäten des Rot-Bereichs, des Gelb-Bereichs und des Blau-Bereichs des sichtbaren Lichts beinhaltet. Die Partikelkonzentration c kann gemäß einer Funktion bestimmt werden, welche nur die Intensität eines Wellenlängenbereichs des sichtbaren Lichts betrachtet.The mean particle size d can be determined according to a function that includes the intensities of the red, yellow, and blue regions of visible light. The particle concentration c can be determined according to a function that considers only the intensity of one wavelength range of visible light.
Der feste Winkel, unter dem der Farbsensor/der Spektralanalyser in Bezug auf die Ausstrahlrichtung der polychromatischen Lichtquelleneinheit angeordnet ist, kann in einem Bereich von 15 bis 165°, insbesondere in einem Bereich von 30 bis 75° liegen.The fixed angle at which the color sensor/spectral analyzer is arranged in relation to the emission direction of the polychromatic light source unit can be in a range of 15 to 165°, in particular in a range of 30 to 75°.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in dem Lichtpfad zwischen der polychromatischen Lichtquelleneinheit und dem betrachteten Bereich der Gasführungsleitung wenigstens eine Fokussiereinheit, insbesondere eine Fokussierlinse angeordnet. Dadurch kann der polychromatische Lichtstrahl genau auf den betrachteten Bereich der Gasführungsleitung gerichtet werden.According to a further embodiment of the invention, at least one focusing unit, in particular a focusing lens, is arranged in the light path between the polychromatic light source unit and the area of the gas duct under consideration. This allows the polychromatic light beam to be directed precisely onto the area of the gas duct under consideration.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist hinter dem betrachteten Bereich der Gasführungsleitung eine Lichtsenke für den nicht abgelenkten Lichtanteil der polychromatischen Lichtquelleneinheit angeordnet. Durch eine derartige Lichtsenke können unerwünschte Spiegelungs-, Interferenz- und Streuungseffekte zuverlässig vermieden werden.According to a further embodiment of the invention, a light sink for the undeflected light component of the polychromatic light source unit is arranged behind the considered section of the gas duct. Such a light sink reliably prevents undesired reflection, interference, and scattering effects.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Ermitteln der Partikelgröße und der Partikelkonzentration eines strömenden, Partikel mitführenden Gases, insbesondere eines Gases aus einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, das die folgenden Schritte umfasst: Kontinuierliches Durchleiten des Gases durch eine Gasführungsleitung; Bestrahlen eines Bereichs der Gasführungsleitung durch eine im Wesentlichen rechtwinklig bezogen auf die Strömungsrichtung des Gases angeordnete polychromatische Lichtquelleneinheit; zeitgleiches Detektieren von Intensitäten mehrerer Wellenlängenbereiche der Streulichtanteile des betrachteten Bereichs der Gasführungsleitung durch einen Farbsensor oder einen Spektralanalyser, der in einem bestimmten Winkel bezogen auf die Ausstrahlrichtung der polychromatischen Lichtquelleneinheit angeordnet ist; und Bestimmen der Partikelgröße und der Partikelkonzentration aus den durch den Farbsensor/den Spektralanalyser zeitgleich erfassten Intensitäten der Wellenlängenbereiche.The invention also relates to a method for determining the particle size and particle concentration of a flowing gas carrying particles, in particular a gas from an exhaust system of a motor vehicle, comprising the following steps: continuously passing the gas through a gas guide line; irradiating a region of the gas guide line with a polychromatic light source unit arranged substantially perpendicular to the direction of gas flow; simultaneously detecting intensities of several wavelength ranges of the scattered light components of the considered region of the gas guide line using a color sensor or a spectral analyzer arranged at a specific angle relative to the emission direction of the polychromatic light source unit; and determining the particle size and particle concentration from the wavelength range intensities simultaneously detected by the color sensor/spectral analyzer.
Bei den Partikeln in dem betrachteten Gas kann es sich insbesondere um Rußpartikel handeln, die bei der Verbrennung im Verbrennungsmotor entstanden sind.The particles in the gas under consideration may in particular be soot particles that were produced during combustion in the internal combustion engine.
Dieses Verfahren ist einfach durchführbar und liefert aussagekräftige Werte für die Partikelgröße und die Partikelkonzentration in dem Gas. Da nur ein Farbsensor oder Spektralanalyser vorgesehen zu werden braucht, ist der Messaufbau für dieses Verfahren zudem einfacher und kostengünstiger realisierbar.This method is easy to perform and provides meaningful values for particle size and particle concentration in the gas. Since only a color sensor or spectral analyzer is required, the measurement setup for this method is also simpler and more cost-effective.
Die vorstehend mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung aufgeführten Ausführungsformen und die sich jeweils ergebenden Vorteile ergeben sich in gleicher Weise, in jeweils verfahrensmäßiger Ausgestaltung, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln der Partikelgröße und der Partikelkonzentration eines strömenden, Partikel mitführenden Gases. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden diese Ausführungsformen nicht noch einmal mit Bezug auf das Verfahren aufgeführt.The embodiments listed above with reference to the device according to the invention, and the advantages arising from each, are identical, in each case in a procedural configuration, in the method according to the invention for determining the particle size and particle concentration of a flowing gas carrying particles. To avoid repetition, these embodiments are not listed again with reference to the method.
Die Erfindung kann auch als Streulichtmessung mit polychromatischem Licht zur Detektion von Partikel-Größen in Aerosolen überschrieben werden.The invention can also be described as scattered light measurement with polychromatic light for the detection of particle sizes in aerosols.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert:
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1 zeigt eine Messprinzipskizze für die Ermittlung der Partikelkonzentration eines Abgases aus einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und -
2 zeigt eine Berechnungsprinzipskizze für die Ermittlung der mittleren Partikelgröße d und der Partikel-Konzentration c aus den von dem Farbmess-Lichtsensor gemäß1 bestimmten Wellenlängenbereichen des Rot-Farbanteils, des Gelb-Farbanteils und des Blau-Farbanteils, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 shows a measurement principle diagram for determining the particle concentration of an exhaust gas from an exhaust stream of a motor vehicle, according to an embodiment of the invention; and -
2 shows a calculation principle sketch for determining the mean particle size d and the particle concentration c from the measurements taken by the color measurement light sensor according to1 specific wavelength ranges of the red color component, the yellow color component and the blue color component, according to an embodiment of the invention.
Es ist eine polychromatische Lichtquelle 4 vorgesehen, die einen polychromatischen Lichtstrahl 12 mit einem Wellenlängenbereich eines Rot-Farbanteils 6, einem Wellenlängenbereich eines Gelb-Farbanteils 8 und einem Wellenlängenbereich eines Blau-Farbanteils 10 aussendet. Der polychromatische Lichtstrahl 12 trifft in einer Messkammer senkrecht auf eine Abgas-Partikelprobe 14 auf. Bei der Messkammer handelt es sich um eine offene Anordnung, die kontinuierlich von Abgas durchströmt wird. Das Abgas strömt dabei kontinuierlich in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der
Es ist ferner ein Farbmess-Sensor 18 vorgesehen, der bezüglich der Messkammer 14 in einem definierten Winkel zu der Ausstrahlungsrichtung des polychromatischen Lichtstrahls 12 durch die polychromatische Lichtquelle 4, der vorliegend exemplarisch 60° beträgt, angeordnet ist. Der Farbmess-Sensor 18 ist dazu ausgebildet, gleichzeitig mehrere Wellenlängenbereiche zu detektieren, vorliegend insbesondere den Wellenlängenbereich des Rot-Farbanteils 20, den Wellenlängenbereich des Gelb-Farbanteils 22 und den Wellenlängenbereich des Blau-Farbanteils 24. Der Farbmess-Sensor 18 ist dabei so bezüglich der Abgasströmungsleitung angeordnet, dass er einen Streulichtanteil des durch die Abgasprobe in der Abgasströmungsleitung gestreuten Lichts empfängt und gleichzeitig mehrere Wellenlängenbereiche dieses Streulichts detektiert.Furthermore, a color measurement sensor 18 is provided, which is arranged relative to the measuring chamber 14 at a defined angle to the emission direction of the polychromatic light beam 12 from the polychromatic light source 4, which in this example is 60°. The color measurement sensor 18 is designed to simultaneously detect several wavelength ranges, in this case, in particular, the wavelength range of the red color component 20, the wavelength range of the yellow color component 22, and the wavelength range of the blue color component 24. The color measurement sensor 18 is arranged relative to the exhaust gas flow line such that it receives a scattered light component of the light scattered by the exhaust gas sample in the exhaust gas flow line and simultaneously detects several wavelength ranges of this scattered light.
Bei der polychromatischen Lichtquelle 4 kann es sich insbesondere um eine polychromatische Weißlichtquelle handeln. Generell kann der zum Einsatz kommende Farbmess-Lichtsensor 18 von der Art sein, wie er üblicherweise zur Farbmessung verwendet wird. Insbesondere kann ein derartiger Farbmess-Lichtsensor so ausgebildet sein, dass er zeitgleich die Intensität der spektralen Anteile für drei oder vier Farbanteile getrennt ermitteln kann.The polychromatic light source 4 can, in particular, be a polychromatic white light source. Generally, the color measurement light sensor 18 used can be of the type commonly used for color measurement. In particular, such a color measurement light sensor can be designed to simultaneously determine the intensity of the spectral components for three or four color components separately.
Alternativ zum Vorsehen eines Farbmess-Lichtsensors 18 kann auch ein Spektralanalyser zum Einsatz kommen, der das gesamte Farbspektrum des Streulichts bei allen betrachteten Wellenlängenbereichen gleichzeitig zur Verfügung stellen könnte.As an alternative to providing a color measurement light sensor 18, a spectral analyzer can also be used, which could provide the entire color spectrum of the scattered light simultaneously at all wavelength ranges considered.
Um es zu erlauben, dass der polychromatische Lichtstrahl 12 auf den betrachteten Bereich der Abgasströmungsleitung auftreffen und der Streulichtanteil zu dem Farbmess-Lichtsensor 18 gelangen kann, ist die Abgasströmungsleitung in diesem Bereich entweder von einer transparenten Wand, insbesondere einer Glaswand umgeben, oder sie weist an dieser Stelle gar keine Wand auf. To allow the polychromatic light beam 12 to strike the area under consideration of the exhaust gas flow line and the scattering The proportion of light that can reach the color measurement light sensor 18 is either surrounded by a transparent wall, in particular a glass wall, or it has no wall at this point.
Gemäß einer der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis der Erfinder hängt die Streulichtintensität bei einem vorgegebenen Winkel neben der Intensität des polychromatischen Lichtstrahls 12 und der Partikelkonzentration 14 auch vom Verhältnis der Wellenlänge zu der Partikelgröße ab.According to one of the inventors' findings underlying the invention, the scattered light intensity at a given angle depends not only on the intensity of the polychromatic light beam 12 and the particle concentration 14, but also on the ratio of the wavelength to the particle size.
Da bei der vorliegenden Messprinzipskizze 2 die Intensitäten der Farbkomponenten des Rot-Farbanteils 6, des Gelb-Farbanteils 8 und des Blau-Farbanteils 10 gleichzeitig ermittelt werden, kann aus diesen Informationen die Partikelgröße bestimmt werden.Since the intensities of the color components of the red color component 6, the yellow color component 8 and the blue color component 10 are determined simultaneously in the present measurement principle diagram 2, the particle size can be determined from this information.
Des Weiteren kann noch eine Auswerte- und Steuereinheit vorgesehen sein, die in Verbindung mit der polychromatischen Lichtquelle 4 und dem Farbmess-Lichtsensor 18 steht.Furthermore, an evaluation and control unit can be provided, which is connected to the polychromatic light source 4 and the color measurement light sensor 18.
Diese Berechnung wird dabei vorzugsweise in einer in den Figuren nicht dargestellten Auswerteeinheit vorgenommen.This calculation is preferably performed in an evaluation unit not shown in the figures.
Bei einem festen Beobachtungswinkel und einer gegebenen PartikelGrößenverteilung wird erfindungsgemäß die Abhängigkeit der Signale bei verschiedenen Wellenlängen beobachtet.According to the invention, for a fixed observation angle and a given particle size distribution, the dependence of the signals at different wavelengths is observed.
Die Signale des durch den Farbmess-Lichtsensor 18 empfangenen Rot-Farbanteils 20, des Gelb-Farbanteils 22 und des Blau-Farbanteils 24 sind hinsichtlich der Partikel-Verteilung der Abgas-Partikelprobe 14 in der Messkammer unterschiedlich, weil das Verhältnis der Wellenlänge zur mittleren Partikelgröße bei diesen drei Farb-Komponenten unterschiedlich ist.The signals of the red color component 20, the yellow color component 22 and the blue color component 24 received by the color measurement light sensor 18 are different with respect to the particle distribution of the exhaust gas particle sample 14 in the measuring chamber, because the ratio of the wavelength to the mean particle size is different for these three color components.
Aus dem Verhältnis der drei Intensitätssignale I(S1) für den Rot-Farbanteil 20, I(S2) für den Gelb-Farbanteil 22 und I(S3) für den Blau-Farbanteil 24 kann gemäß der Berechnungsfunktion d = f(I(S1), I(S2), I(S3)) die mittlere Partikelgröße d bestimmt werden.From the ratio of the three intensity signals I(S1) for the red color component 20, I(S2) for the yellow color component 22 and I(S3) for the blue color component 24, the mean particle size d can be determined according to the calculation function d = f(I(S1), I(S2), I(S3)).
Aus der absoluten Intensität der einzelnen Ausgangssignale des Farbmess-Lichtsensors 18 kann auf die Partikelkonzentration c [mg/m3], also die Anzahl der Partikel pro Volumen geschlossen werden. Dies ist exemplarisch für das Intensitätssignal I(S3) des Blau-Farbanteils 24, wie es durch den Farbmess-Lichtsensor 18 erzeugt worden ist, anhand der Berechnungsfunktion c = g(I(S3)) dargestellt.The particle concentration c [mg/m³], i.e., the number of particles per volume, can be determined from the absolute intensity of the individual output signals of the color measurement light sensor 18. This is illustrated using the calculation function c = g(I(S3)) as an example for the intensity signal I(S3) of the blue color component 24, as generated by the color measurement light sensor 18.
Hierfür wird die Theorie von Rayleigh und von Mie verwendet. Die Rayleigh-Streuung beschreibt das Verhalten für sehr kleine Partikel (d << λ) und sie erhält Terme für:
- 1. die Winkelabhängigkeit (Φ)
- 2. das Verhältnis Partikel-Größe zu Laser-Wellenlänge;
- 3. Brechungsindex der Partikel (n)
- 4. Abstand Partikel zu Sensor (R)
- 1. the angular dependence (Φ)
- 2. the ratio of particle size to laser wavelength;
- 3. Refractive index of the particles (n)
- 4. Distance of particles to sensor (R)
Die Formel für die Intensität gemäß dieser Rayleigh-Streuung ist wie folgt:
Vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die nicht gezeigte Gasführungsleitung der Messkammer mit einem Abgasstrang, insbesondere mit einem Auspuffendrohr eines Kraftfahrzeugs verbunden, und der Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs, insbesondere der Dieselmotor, wird danach betrieben, so dass Abgas aus dem Abgasstrang des Kraftfahrzeugs durch die Gasführungsleitung strömt. Dies ist dem Fachmann bekannt und braucht hier nicht weiter beschrieben zu werden.Before carrying out the method according to the invention, the gas guide line of the measuring chamber (not shown) is connected to an exhaust system, in particular to an exhaust tailpipe of a motor vehicle, and the internal combustion engine of the motor vehicle, in particular a diesel engine, is then operated so that exhaust gas from the exhaust system of the motor vehicle flows through the gas guide line. This is known to those skilled in the art and need not be described further here.
Aus der von dem Farbmess-Sensor 18 erfassten absoluten Intensität der erfassten Wellenlängenbereiche kann nun die Partikelkonzentration bestimmt werden, und aus dem Verhältnis der von dem Farbmess-Sensor 18 erfassten Intensitäten der Wellenlängenbereiche kann nun die Partikelgröße bestimmt werden. The particle concentration can now be determined from the absolute intensity of the detected wavelength ranges recorded by the color measurement sensor 18, and the particle size can now be determined from the ratio of the intensities of the wavelength ranges recorded by the color measurement sensor 18.
Die Information über die Partikelgröße kann optional zur Verbesserung der Genauigkeit der Partikelkonzentrationsmessung verwendet werden.Information about particle size can optionally be used to improve the accuracy of particle concentration measurement.
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