用于確定氣流內(nèi)的碳顆粒的至少一個(gè)濃度的方法和設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于確定氣流動(dòng)內(nèi)的碳顆粒的至少一個(gè)濃度的方法和設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]此方法和此設(shè)備可以例如使用在能源技術(shù)的內(nèi)燃機(jī)和燃燒系統(tǒng)中，并且用于監(jiān)測(cè)和控制內(nèi)燃機(jī)中或燃燒系統(tǒng)中的燃燒過(guò)程。在燃燒過(guò)程的范圍內(nèi)，碳顆粒在至少一個(gè)燃燒室內(nèi)燃燒。為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的或特別是在有害物形成方面的有利的燃燒過(guò)程，隨著時(shí)間的推移輸送給燃燒室的碳顆粒的質(zhì)量濃度的盡可能好的均勻性起到關(guān)鍵作用。
[0003]碳顆粒例如借助于氣流特別是空氣流被輸送給燃燒室，在所述氣流內(nèi)容納有碳顆粒。氣流內(nèi)的質(zhì)量濃度的不均勻性在此可能通過(guò)不同的機(jī)械效應(yīng)和流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)而出現(xiàn)，且例如表現(xiàn)為氣流的流動(dòng)管內(nèi)的局部升高的、碳顆粒的粉塵濃度。就碳顆粒在氣流內(nèi)的質(zhì)量濃度的分布而言所述不均勻性是不希望的，并且應(yīng)被識(shí)別到，使得例如作為結(jié)果可以采取應(yīng)對(duì)措施，以避免此類(lèi)不均勻性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]因此本發(fā)明的任務(wù)是提供用于確定氣流內(nèi)的碳顆粒的至少一個(gè)濃度的方法和設(shè)備，借助于所述方法和設(shè)備可以以特別簡(jiǎn)單的方式檢測(cè)至少在氣流的一個(gè)部分內(nèi)的碳顆粒的分布或濃度分布的不均勻性。
[0005]此任務(wù)通過(guò)具有權(quán)利要求1的特征的方法以及具有權(quán)利要求9的特征的設(shè)備解決。本發(fā)明的具有合適的且非平庸的改進(jìn)方案的有利的設(shè)計(jì)方案在其他權(quán)利要求中給出。
[0006]本發(fā)明的第一方面涉及用于確定流過(guò)通道的氣流內(nèi)的碳顆粒的至少一個(gè)濃度的方法。在所述方法中，通過(guò)至少一個(gè)微波傳感器檢測(cè)其內(nèi)容納有碳顆粒的氣流的至少一個(gè)部分。此外，通過(guò)微波傳感器提供至少一個(gè)表征碳顆粒的濃度的測(cè)量信號(hào)。
[0007]在根據(jù)本發(fā)明的方法的范圍內(nèi)，確定測(cè)量信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)。此外，根據(jù)自相關(guān)函數(shù)確定表征氣流的與濃度有關(guān)的點(diǎn)距微波傳感器的距離的至少一個(gè)距離值。
[0008]換言之，可以根據(jù)測(cè)量信號(hào)確定氣流內(nèi)的碳顆粒的至少一個(gè)濃度。該濃度在此存在于氣流的點(diǎn)上或存在于氣流內(nèi)，其中此點(diǎn)或所述點(diǎn)相對(duì)于氣流的位置進(jìn)而相對(duì)于微波傳感器的位置暫時(shí)不可以確定或僅可在很高的成本下可以確定?，F(xiàn)在為了對(duì)氣流內(nèi)的點(diǎn)的至少一個(gè)濃度相對(duì)于微波傳感器進(jìn)行分配，確定測(cè)量信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)并且根據(jù)自相關(guān)函數(shù)確定距離值。因此，在根據(jù)本發(fā)明的方法的范圍內(nèi)，可以以特別簡(jiǎn)單的方式并且因此以時(shí)間和成本低的方式確定在其上存在至少一個(gè)濃度的點(diǎn)相對(duì)于微波傳感器并且因此相對(duì)于氣流的位置，以便因此以特別簡(jiǎn)單的方式得到至少在氣流的部分內(nèi)的碳顆粒的濃度分布的結(jié)論。在其上存在至少一個(gè)濃度的點(diǎn)的位置在此通過(guò)距離值、即通過(guò)所述點(diǎn)距微波傳感器的距離來(lái)表征。因?yàn)槲⒉▊鞲衅飨鄬?duì)于通道或相對(duì)于氣流的位置是已知的，所以由距離值也可以總體上以簡(jiǎn)單的方式計(jì)算出在其上存在至少一個(gè)濃度的點(diǎn)相對(duì)于通道或相對(duì)于氣流的位置。
[0009]優(yōu)選地規(guī)定，根據(jù)測(cè)量信號(hào)來(lái)檢測(cè)或確定氣流內(nèi)的碳顆粒的多個(gè)濃度或根據(jù)測(cè)量信號(hào)來(lái)檢測(cè)或確定氣流內(nèi)的所屬的濃度值，其中通過(guò)確定測(cè)量信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，可以確定在其上存在相應(yīng)的濃度的相應(yīng)的點(diǎn)距微波傳感器的相應(yīng)的距離或距離值。以此方式可以確定氣流內(nèi)的碳顆粒的濃度分布，并且作為結(jié)果總體上檢測(cè)濃度分布的可能的不均勻性并且因此檢測(cè)碳顆粒的分布。
[0010]如果確定了在第一點(diǎn)上存在碳顆粒的第一濃度，其中在與第一點(diǎn)間隔開(kāi)的第二點(diǎn)上存在碳顆粒的第二濃度并且其中在第二點(diǎn)上的第二濃度明顯地大于第一點(diǎn)上的第一濃度，則認(rèn)為例如存在濃度分布的這種不均勻性。如果檢測(cè)到濃度分布的這種不均勻性，則可以引入相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，以避免這些不希望的不均勻性。例如，可以在氣流的流動(dòng)方面影響所述氣流，以引起在氣流內(nèi)的碳顆粒的至少基本上均勾的分布。
[0011]通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法，因此可以不僅檢測(cè)碳顆粒的濃度，而且可以以簡(jiǎn)單的方式得到空間分辨能力，使得也可以確定在其上存在濃度的點(diǎn)或所述點(diǎn)相對(duì)于氣流的位置。為此不需要且設(shè)置昂貴的、附加的傳感器。而是可以利用借助于至少一個(gè)微波傳感器所執(zhí)行的反射測(cè)量和透射測(cè)量的數(shù)據(jù)。
[0012]本發(fā)明基于如下認(rèn)識(shí)，即在例如為空氣流的氣流內(nèi)容納有大量單獨(dú)的碳顆粒，所述碳顆粒具有一系列的統(tǒng)計(jì)特征。所述統(tǒng)計(jì)特征例如是粒度或顆粒大小、粒度分布或顆粒分布、顆粒形狀、顆粒材料特征例如灰分含量和/或濕度等、在給定的時(shí)刻的顆粒位置以及顆粒速度。
[0013]雖然碳顆粒自身因其大小和反射強(qiáng)度很弱而僅在特殊情況下在測(cè)量信號(hào)中可以被單獨(dú)地識(shí)別到，但是碳顆粒的整體在測(cè)量信號(hào)中可以被觀察到。相應(yīng)的測(cè)量信號(hào)因此攜帶了統(tǒng)計(jì)噪聲的大量特征。但是這些統(tǒng)計(jì)特征攜帶了附加的信息，所述信息可以被評(píng)估并且在根據(jù)本發(fā)明的方法的范圍內(nèi)通過(guò)確定自相關(guān)函數(shù)來(lái)進(jìn)行所述評(píng)估。
[0014]此外所述方法基于如下構(gòu)思，即單獨(dú)的碳顆粒雖然自身在統(tǒng)計(jì)的測(cè)量信號(hào)中不可被識(shí)別到，但提供了對(duì)于測(cè)量信號(hào)的信號(hào)貢獻(xiàn)，所述信號(hào)貢獻(xiàn)可以被視為確定性的，特別是當(dāng)碳顆粒的軌跡和反射性已知時(shí)。在這些情況下，此單獨(dú)的碳顆粒的信號(hào)貢獻(xiàn)具有自相關(guān)函數(shù)，所述自相關(guān)函數(shù)在顆粒傳感器對(duì)碳顆粒進(jìn)行檢測(cè)期間，在時(shí)間上持續(xù)性地不為零。換言之，單獨(dú)的碳顆粒的自相關(guān)函數(shù)在碳顆粒處在微波傳感器的檢測(cè)范圍內(nèi)或碳顆粒持續(xù)地穿過(guò)微波傳感器的視野或檢測(cè)區(qū)域期間，在時(shí)間上持續(xù)性地不為零。
[0015]這也意味著，與靠近微波傳感器通過(guò)所述微波傳感器的檢測(cè)區(qū)域的碳顆粒相比，遠(yuǎn)離微波傳感器的碳顆粒由于從微波傳感器中發(fā)出的微波信號(hào)的所謂的輻射擴(kuò)寬而相應(yīng)地需要更長(zhǎng)的時(shí)間以便通過(guò)微波傳感器的檢測(cè)區(qū)域。因此，與靠近微波傳感器通過(guò)所述微波傳感器的檢測(cè)區(qū)域的碳顆粒相比，遠(yuǎn)離微波傳感器通過(guò)檢測(cè)區(qū)域的碳顆粒具有在時(shí)間方面更為延長(zhǎng)的自相關(guān)函數(shù)。
[0016]單獨(dú)的碳顆粒的此特征現(xiàn)在轉(zhuǎn)移到由多個(gè)碳顆粒疊加所形成的真實(shí)的情況或測(cè)量信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)上。當(dāng)微波傳感器的直接測(cè)量的信息具有類(lèi)似噪聲的特征時(shí)，其顯示出，特別是靠近微波傳感器或直接在微波傳感器前經(jīng)過(guò)的碳顆粒的束具有時(shí)間上相對(duì)短的自相關(guān)函數(shù)，其中與之相反，碳顆粒的遠(yuǎn)離微波傳感器的束具有在時(shí)間方面更為延長(zhǎng)的自相關(guān)函數(shù)。
[0017]基于此認(rèn)識(shí)，現(xiàn)在可以通過(guò)自相關(guān)函數(shù)檢測(cè)距微波傳感器不同距離的碳顆粒的束及其濃度，以便因此可以檢測(cè)在氣流內(nèi)的碳顆粒的濃度方面的可能的不均勻性。
[0018]為了實(shí)現(xiàn)特別廉價(jià)地執(zhí)行所述方法，在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中規(guī)定，微波傳感器以單頻的方式運(yùn)行。由此，所述方法可以用特別簡(jiǎn)單并且因此廉價(jià)的微波傳感器來(lái)執(zhí)行，所述微波傳感器優(yōu)選地在至少基本上連續(xù)的單頻的運(yùn)行中運(yùn)行。例如可以使用多普勒傳感器作為微波傳感器。
[0019]在本發(fā)明的另外的有利的設(shè)計(jì)方案中，根據(jù)距離值確定表征點(diǎn)相對(duì)于通道的位置的至少一個(gè)位置值。如已解釋的那樣，這可以通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)，即根據(jù)距離值總體上確定在其上存在至少一個(gè)濃度的點(diǎn)相對(duì)于通道或氣流的位置。由此可以特別精確地確定濃度分布、濃度分布的可能的不均勻性。
[0020]另一實(shí)施方式的特征在于，通過(guò)至少一個(gè)第二微波傳感器檢測(cè)在其內(nèi)容納有碳顆粒的氣流的至少部分并且提供表征碳顆粒的濃度的至少一個(gè)第二測(cè)量信號(hào)。此外，確定第二測(cè)量信號(hào)的第二自相關(guān)函數(shù)。此外，根據(jù)所確定的第二自相關(guān)函數(shù)確定表征氣流的與濃度有關(guān)的點(diǎn)距第二微波傳感器的距離的至少一個(gè)第二距離值。
[0021]通過(guò)使用第二傳感器，因此可以計(jì)算第二距離值并且將所述第二距離值與第一距離值進(jìn)行比較。由此，可以補(bǔ)償可能的測(cè)量誤差。其結(jié)果是可以特別精確地檢測(cè)氣流內(nèi)的碳顆粒的濃度分布。通過(guò)相應(yīng)地使用和布置多個(gè)微波傳感器，例如沿限定通道的管的圓周使用和布置多個(gè)微波傳感器，可以獲得至少部分地重疊的測(cè)量區(qū)域的多個(gè)傳感器信息。換言之，微波傳感器的相應(yīng)的檢測(cè)區(qū)域重疊。
[0022]因此可以不僅通過(guò)第一傳感器而且可以通過(guò)第二傳感器檢測(cè)重疊的區(qū)域，確定重疊的區(qū)域上的相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且然后將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以例如補(bǔ)償測(cè)量誤差。通過(guò)合適地計(jì)算單獨(dú)的傳感器信息，可以提供以斷層(tomographisch)方式起作用的評(píng)估方法。由此，可以提高所獲得的通道內(nèi)的濃度-或密度分布的可靠性和說(shuō)服力。
[0023]通過(guò)使用其微波源以已知的頻率-和相位關(guān)系相互運(yùn)行的微波傳感器還可以評(píng)估微波傳感器之間的透射信息。如果例如碳顆粒被施加以從第一微波傳感器發(fā)出的信號(hào)(微波)，使得信號(hào)被散射，從而出現(xiàn)散射的信號(hào)，并且散射的信號(hào)到達(dá)與第一微波傳感器不同的第二微波傳感器和/或第三微波傳感器并且可以通過(guò)第二和/或第三傳感器檢測(cè)散射的信號(hào)，那么因此與使用僅一個(gè)傳感器相比提高了總測(cè)量的可用于評(píng)估的信息含量。
[0024]在本發(fā)明的一種特別有利的實(shí)施方式中規(guī)定根據(jù)距離值來(lái)確定位置值。換言之，為了確定位置值考慮兩個(gè)距離值，使得可以特別準(zhǔn)確地計(jì)算位置值。
[0025]信號(hào)評(píng)估的另一可行方案在于確定微波傳感器的測(cè)量信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)。換言之，可以計(jì)算和評(píng)估微波傳感器之間的互相關(guān)性。借助于互相關(guān)性或互相關(guān)函數(shù)，例如可以形成通道的橫截面的成像的測(cè)量方法。為此，可以例如設(shè)置兩行具有分別直線的布置的相應(yīng)的微波傳感器，所述行相互成角度地在氣流的相同體積內(nèi)測(cè)量。換言之，微波傳感器如此相互定向，使得微波傳感器的相應(yīng)的測(cè)量區(qū)域的相應(yīng)的中軸線相互圍成一角度，其中所述測(cè)量區(qū)域可以包括氣流的、被微波傳感器的所共有的區(qū)域。
[0026]如果現(xiàn)在由第一行和第二行來(lái)檢查微波傳感器的互相關(guān)性，則可以確定，例如在微波傳感器的相應(yīng)的測(cè)量區(qū)域的重疊區(qū)域內(nèi)存在束時(shí)互相關(guān)性或互相關(guān)函數(shù)具有與零不同的值，而其余的互相關(guān)性至少基本上為零。因此，可以特別精確地定位碳顆粒的束的位置并且因此定位其濃度或密度，以便由此可以特別好地檢測(cè)可能的不均勻性。
[0027]當(dāng)微波傳感器或其相應(yīng)的中軸線并非成直角或成直線地布置而是例如安裝在限定通道的管的圓周上時(shí)，也可以進(jìn)行互相關(guān)性的評(píng)估。對(duì)于該評(píng)估類(lèi)型而言，合適地設(shè)置微波傳感器的相應(yīng)的檢測(cè)區(qū)域的遮蓋或重疊是重要的，其中檢測(cè)區(qū)域也稱為微波傳感器的可視范圍。
[0028]基于互相關(guān)性的評(píng)估的大的優(yōu)點(diǎn)是微波傳感器為此不必相關(guān)聯(lián)地運(yùn)行或不必已知微波傳感器的相應(yīng)的頻率的相對(duì)位置。此方法因此可以被特別簡(jiǎn)單地執(zhí)行。
[0029]通過(guò)使用關(guān)于至少一個(gè)