DE3345077A1 - Optoakustisches geraet zum messen einer gaskonzentration - Google Patents

Optoakustisches geraet zum messen einer gaskonzentration

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Description

>: -'ßoriß&Xwi. - HO-121
- 3 BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein optoakustisches Gerät gemäß dom Oberbegriff des Hauptanspruches.
Ein derartiges Gerät dient dazu, die Konzentration besonderer fester/Teilchen in einem zu messenden Gas oder die Konzentration besonderer Gasmoleküle festzustellen. Die Teilchen sind zum Beispiel solche (Rauch), wie sie im Abgas von Fahrzeugen und dergleichen vorkommen. Die zu messenden Gasmoleküle sind zum Beispiel Ammonium,Äthylen oder Ozon. Das zu messende Gas wird in eine optoakustische Zelle geleitet und die Konzentration von Gasmolekülen und/oder Teilchen wird durch den optoakustischen Effekt gemessen.
Als Beispiel wird die Messung der Konzentration von Teilchen in Autoabgasen erläutert. Wenn Laserstrahlen durch das in eine optoakustische Zelle geleitete Abgas gestrahlt werden, absorbieren die im Gas enthaltenen Teilchen optische Energie und werden dadurch aufgeheizt. Wenn der Laserstrahl zerhackt wird, findet eine abwechselnde Erwärmung und Abkühlung der Teilchen in Übereinstimmung mit der Zerhackerfrequeriz statt. Dadurch findet auch eine Druckänderung, das heißt eine Änderung des akustischen Druckes in der Zelle statt.
Diese Änderung des akustischen Druckes, das heißt die Frequenz der Tonwelle (im folgenden der Einfachheit halber als Signalton bezeichnet) entspricht der Zerhackerfrequenz der Laserstrahlen. Die Stärke des Signaltones ist proportional zur optischen Energie, die durch die Teilchen absorbiert ist. Dadurch kann die Konzentration der Teilchen dadurch gemessen werden, daß die Stärke des Signaltones durch ein Mikrofon gemessen wird.
Der Signalton, der in der optoakustischen Zelle erzeugt wird, ist jedoch sehr schwach, so daß ein sehr empfindliches Mikrofon zu verwenden ist, um den Ton zu empfangen. Es ist ein Verstärker erforderlich, um dieses schwache Signal in ein geeignetes elektrisches Signal umzuwandeln. Beim Stand der Technik ist dazu ein teurer Schmalbandverstärker oder ein synchronisierter gleichrichtender Verstärker oder eine Kopplung solcher Verstärker erforderlich, da Fremdtöne, das heißt Rauschen, groß sind im Vergleich zum Signalton.
Besonders dann, wenn die Konzentration von Teilchen im Abgas eines Motors gemessen werden, werden Abgasschwingungsfrequenzen über das zu messende Abgas an die Zelle übertragen. Um dies zu vermeiden, wird ein Schalldämpfer, wie ein Puffertank, in die Gaszuführung geschaltet. Ein solcher Schalldämpfer wie ein Puffertank ist auch zwischen die Zelle und eine Saugpumpe geschaltet, um Schwingungen zu dämpfen, die von der Saugpumpe, die das Gas in die Zelle führt, übertragen werden, zu vermeiden.
Es ist erforderlich, einen großen und teuren Schalldämpfer zu benutzen, um Abgas- und Saugpumpenschwingungen ausreichend zu unterdrücken. Es ergibt sich jedoch der Nachteil, daß sich eine Verzögerung beim Zuführen des Probengases ergibt, daß Teilchen im Schalldämpfer gesammelt werden, usw. Diese Nachteile führen zu Fehlern bei der Messung, besonders auch durch die natürlichen Grenzen in der Wirksamkeit der Schalldämpfer. Wenn die Störschwingungen den zulässigen Bereich des Mikrofones und des Verstärkers übersteigen, wird eine Messung unmöglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optoakustisches Gerät der eingangs genannten Art anzugeben, das verbesserte Meßempfindlichkeit aufweist.
- HO-42,1/ r η 7-y
Die erfindungsgemäße Lösung ist im Hauptanspruch gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein Mikrofon verwendet wird, das eine schmale Bandbreite aufweist und das über einen Resonator verfügt, in dessen Resonanzband die Zerhackerfrequenz fällt. Durch das Messen im Resonanzfrequenzbereich ergibt sich eine sehr hohe Empfindlichkeit.
Erfindungsgemäß ist es also nur erforderlich, die Zerhackerfrequenz so einzustellen, daß feste Teilchen und Gasmoleküle, von denen die Konzentration im Meßgas zu bestimmen ist, Signaltöne innerhalb dem Frequenzbereich abgeben, der durch das Mikrofon empfangen wird. Das Mikrofon empfängt Signaltöne innerhalb dem schmalen Frequenzband. Dieses liegt neben den Frequenzbändern von Abgasschwingungen und anderen Schwingungen. Das Mikrofon spricht also selektiv auf Signaltöne an und gibt kein Signal bei Schwingungen innerhalb von Frequenzbändern, die außerhalb dem Frequenzband des Signaltones liegen. Dadurch ist eine sehr genaue Messung möglich, die nicht durch Fremdschwingungen beeinflußt ist. Es werden einfach Signaltöne verstärkt, die ohne die bisher verwendeten hochempfindlichen Mikrofone, teure und große Schmalbandverstärker und synchronisierende gleichrichtende Verstärker oder unter Zuhilfenahme großer Schalldämpfer empfangen sind, was nur zu Schwierigkeiten bei der Messung führt. Selbstverständlich können aber auch zusammen mit einem erfindungsgemäßen optoakustischen Gerät schmalbandige Verstärker, ein synchronisierender gleichrichtender Verstärker oder gute, wenn a.uch einfache Schalldämpfer verwendet werden, wenn besonders geringe Konzentrationen bei starken Störungen gemessen werden sollen.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines optoakustischen Gerätes zum Messen der Konzentration von Gasen und Teilchen, und
Fig. 2 und J> perspektivische Ansichten zweier Mikrofonaufbauten.
Eine bevorzugte Ausfuhrungsform des Anmeldegegenstandes wird nun an Hand der Figuren erläutert. Fig. 1 zeigt ein optoakustisches Gerät zum Messen der Konzentration von Teilchen in Abgas, welches das zu messende Gas ist. Es sind eine optoakustische Meßzelle 1 und eine optoakustische Referenzzelle 2 vorhanden. Über ein Zuführrohr 4 wird Abgas von einem Motor 3 in die optoakustische Zelle 1 geleitet. Ein Absaugrohr 6 verbindet eine Säugpumpe 5 mit der optoakustischen Meßzelle 1. Ein Abzweigrohr 7 zweigt vom Zuführrohr 4 ab und ist über ein Filter 10 zum Entfernen von Teilchen mit der opto kustischen Referenzzelle 2 verbunden, so daß dieser Abgas ohne Teilchen zugeführt wird. Die Referenzzelle 2 ist über ein Saugrohr 9 mit einer Saugpumpe 8 verbunden.
Von einem Laser 11 abgestrahlte Laserstrahlen werden durch einen Strahlteiler 12 in zwei optische Wege I3 und 14 aufgespalten. Die optoakustische Meßzelle 1 ist im optischen Weg 13 angeordnet, während die Referenzzelle 2 im zweiten optischen Weg 14 angeordnet ist. Statt der zwei optischen Wege 13 und 14 können zwei optische Fasern oder zwei Laser vorhanden sein.
Im optischen Weg Ij5 ist ein sich drehender Zerhacker I5 und im optischen Weg 14 ein sich drehender Zerhacker 16 angeordnet. Wenn zerhackte Laserstrahlen durch das in die
Zellen 1 und 2 geleitete Gas gestrahlt werden, werden, wie oben beschrieben, Signaltöne in den Zellen 1 und 2 erzeugt, deren Frequenzen den Zerhackerfrequenzen der Laserstrahlen entsprechen. Diese Zerhackerfrequenzen der Laserstrahlen sind so eingestellt, daß die Frequenzen der Signaltöne neben dem Frequenzband von Abgas schwingungen vom Motor J>, von Saugschwingungen der Pumpen 5 und 8 und anderen Störschwingungen liegen.
Die Zerhackerfrequenzen können leicht geändert werden und zum Beispiel durch getrennt angetriebene Zerhacker 15 und durch Gleichspannungsmotoren Ml und M2 dadurch eingestellt werden, daß die Gleichspannung dieser Motoren verändert wird. Dadurch wird die Zerhackerfrequenz des einen Zerhackers 15 vorzugsweise so eingestellt, daß sie der Resonanzfrequenz der Zelle 1 im optischen Weg 13 entspricht, während die Zerhackerfrequenz des anderen Zerhackers 16 so eingestellt wird, daß sie der Resonanzfrequenz der Referenzzelle 2 im zweiten optischen Weg 14 entspricht. Die Resonanzeigenfrequenz der Zellen 1 und 2 liegen neben den Frequenzbändern der oben beschriebenen verschiedenen Störschwingungen.
Mikrofone I7 und l8 messen die in den beiden Zellen 1 bzw. erzeugten Signaltöne. Die Mikrofone I7 und l8 sind jeweils im Mittenbereich einer Zelle angeordnet, wo der Signalton am stärksten ist.
Wie in Fig. 2 dargestellt, weisen die Mikrofone I7 und 18 einen Stimmgabelresonator I9 und schwingende Platten 21 auf, die über Verbindungselemente 20 an dem Platz befestigt, sind, an dem der Resonator I9 für Schwingung besonders empfindlich ist. Der Resonator I9 besteht aus einem Kristall, der ein piezoelektrisches Element darstellt, das in einem Bereich J50 enger Bandbreite Resonanzfaufweist, innerhalb welchem Band die Resonanzfrequenzen der Laserstrahlen liegen. Mit der Resonanzschwingung wird ein piezoelektrisches Signal erzeugt.
Wenn die schwingenden Platten 21 durch die Signaltöne zu Schwingungen angeregt werden, werden die Schwingungen über das Verbindungselement 20 auf den Resonator 19 übertragen, wodurch dieser ein den Schwingungen entsprechendes elektrisches Signal von einer Elektrode 22 an Anschlüsse 23 gibt. Durch Verstärker 2Ά werden die elektrischen Signale von den zwei Zellen verstärkt, in einer Teilschaltung 25 werden sie geteilt. In der Blockschaltung gemäß Fig. 1 sind weiterhin Kondensorlinsen 26, Zuführrohre 27 für Ausblasluft, Prusterfenster 28 und Laserleistungsmesser 29 vorhanden.
Gemäß dem oben beschriebenen Aufbau kann der Einfluß interferierender Bestandteile im Abgas ausgeschaltet werden und die Konzentration der Teilchen kann auf Grund der elektrischen Signale gemessen werden. Wenn die Laserausgangsleistung nicht stabil ist, kann durch die Meßergebnisse der Laserleistungsmesser 29 eine Korrektur durchgeführt werden.
Selbst wenn die Meßzelle 1 und die Referenzzelle 2 gleiche Form aufweisen, sind der Druck in der Meßzelle 1, die Dichte und Jie spezifische Wärme des durch die Meßzelle 1 fließenden Gases unterschiedlich von den entsprechenden Werten in der Referenzzelle 2. Dadurch ist die der Meßzelle 1 eigene Resonanzfrequenz unterschiedlich von derjenigen der Referenzzelle 2. Die Zerhackerfrequenzen der Laserstrahlen können aber auf einfache Weise an die Resonanzfrequenzen der ZeI-len 1 und2 angepaßt werden, indem die Zerhackerfrequenzen der Zerhacker 15 bzw. 16 eingestellt werden. Auch dies erhöht die Meßgenauigkeit.
Das in Fig. 3 dargestellt Mikrofon 17 tizw. 18 einer zweiten Ausführungsform weist einen metallischen Stimmgabelresonator 19 enger Bandbreite für Resonanzfrequenzen auf. Die Resonanzfrequenz umfaßt die Zerhackerfrequenzen der Laserstrahlen. Ein piezoelektrisches Element 30 gibt aus den
BAD
- HO-121
Schwingungen des Resonators 19 umgewandelte elektrische Signale ab. Es können, wie strichpunktiert angedeutet, schwingende Platten 21 über ein Verbindungselemente 20 mit dem Resonator 19 verbunden sein. Schmalbandige Mikrofone 17 und 18 mit einem Resonator 19, der ein Resonanzfrequenzband aufweist, das die Zerhackerfrequenzen der Laserstrahlen beinhaltet, können also in unterschiedlichen Konstruktionen ausgebildet sein.
-40·
- Leerseite -

Claims (4)

  1. I-."=· i. .:.""· O O 33 A 5077 TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER
    PATENTANWÄLTE - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS
    Dipl.-Chem. Dr. N. ter Μθθγ Dipl.-lng. H. Steinmeister
    ÄSJXae J?" MÜI!er Artur-Ladebeok-Strasse 51
    D-800O MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1
    Mü/j/ho 13. Dezember 1983
    HO-121
    HORIBA, LTD.
    2 Miyanohigashi-machi, Kissyoin, Minami-ku, Kyoto, Japan
    Optoakustisches Gerät zum Messen einer Gaskonzentration
    Priorität: 8. Januar I985, Japan, Nr.(P) 2614/83
    PATENTANSPRÜCHE
    S- "Ν.
    ( 1.J Optoakustisches Gerät zum Messen der Konzentration von Gas und/oder von Teilchen mit
    - einer optoakustischen Zelle (1), in die das zu messende Gas eingeleitet wird,
    - einem Laser zum Einstrahlen von Laserstrahlen in die optoakustische Zelle,
    - einem Zerhacker (15) sum Zerhacken der vom Laser ausgestrahlten Laserstrahlen mit einer Zerhackerfrequenz und
    - einem Mikrofon (I7) zum Ermitteln von Änderungen des
    Innendruckes der optoakustischen Zelle, dadurch gekennzeichnet,
    daß das Mikrofon (17) enge Bandbreite aufweist und über einen Resonator (19) verfügt mit einem Resonanzfrequenzband, in dem die Zerhackerfrequenz liegt.
  2. 2. Gerät nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß mit ihm Teilchen im Abgas eines Motors gemessen werden.
  3. 5· Gerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Referenzzelle (2), in die Referenzgas eingeleitet wird.
  4. 4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet , daß das Mikrofon (17, 18) einen Stimmgabel-Resonator (19)> ein Paar schwingender Platten (21) und ein Verbindungselement (20) zum Verbinden des Resonators mit den schwingenden Platten aufweist.
DE3345077A 1983-01-08 1983-12-13 Optoakustisches Gerät zur Konzentrationsmessung von Gasen und/oder Teilchen Expired DE3345077C2 (de)

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