用于确定气流内的碳颗粒的至少一个浓度的方法和设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于确定气流动内的碳颗粒的至少一个浓度的方法和设备。
【背景技术】
[0002]此方法和此设备可以例如使用在能源技术的内燃机和燃烧系统中，并且用于监测和控制内燃机中或燃烧系统中的燃烧过程。在燃烧过程的范围内，碳颗粒在至少一个燃烧室内燃烧。为了实现最优的或特别是在有害物形成方面的有利的燃烧过程，随着时间的推移输送给燃烧室的碳颗粒的质量浓度的尽可能好的均匀性起到关键作用。
[0003]碳颗粒例如借助于气流特别是空气流被输送给燃烧室，在所述气流内容纳有碳颗粒。气流内的质量浓度的不均匀性在此可能通过不同的机械效应和流体动力学效应而出现，且例如表现为气流的流动管内的局部升高的、碳颗粒的粉尘浓度。就碳颗粒在气流内的质量浓度的分布而言所述不均匀性是不希望的，并且应被识别到，使得例如作为结果可以采取应对措施，以避免此类不均匀性。
【发明内容】
[0004]因此本发明的任务是提供用于确定气流内的碳颗粒的至少一个浓度的方法和设备，借助于所述方法和设备可以以特别简单的方式检测至少在气流的一个部分内的碳颗粒的分布或浓度分布的不均匀性。
[0005]此任务通过具有权利要求1的特征的方法以及具有权利要求9的特征的设备解决。本发明的具有合适的且非平庸的改进方案的有利的设计方案在其他权利要求中给出。
[0006]本发明的第一方面涉及用于确定流过通道的气流内的碳颗粒的至少一个浓度的方法。在所述方法中，通过至少一个微波传感器检测其内容纳有碳颗粒的气流的至少一个部分。此外，通过微波传感器提供至少一个表征碳颗粒的浓度的测量信号。
[0007]在根据本发明的方法的范围内，确定测量信号的自相关函数。此外，根据自相关函数确定表征气流的与浓度有关的点距微波传感器的距离的至少一个距离值。
[0008]换言之，可以根据测量信号确定气流内的碳颗粒的至少一个浓度。该浓度在此存在于气流的点上或存在于气流内，其中此点或所述点相对于气流的位置进而相对于微波传感器的位置暂时不可以确定或仅可在很高的成本下可以确定。现在为了对气流内的点的至少一个浓度相对于微波传感器进行分配，确定测量信号的自相关函数并且根据自相关函数确定距离值。因此，在根据本发明的方法的范围内，可以以特别简单的方式并且因此以时间和成本低的方式确定在其上存在至少一个浓度的点相对于微波传感器并且因此相对于气流的位置，以便因此以特别简单的方式得到至少在气流的部分内的碳颗粒的浓度分布的结论。在其上存在至少一个浓度的点的位置在此通过距离值、即通过所述点距微波传感器的距离来表征。因为微波传感器相对于通道或相对于气流的位置是已知的，所以由距离值也可以总体上以简单的方式计算出在其上存在至少一个浓度的点相对于通道或相对于气流的位置。
[0009]优选地规定，根据测量信号来检测或确定气流内的碳颗粒的多个浓度或根据测量信号来检测或确定气流内的所属的浓度值，其中通过确定测量信号的自相关函数，可以确定在其上存在相应的浓度的相应的点距微波传感器的相应的距离或距离值。以此方式可以确定气流内的碳颗粒的浓度分布，并且作为结果总体上检测浓度分布的可能的不均匀性并且因此检测碳颗粒的分布。
[0010]如果确定了在第一点上存在碳颗粒的第一浓度，其中在与第一点间隔开的第二点上存在碳颗粒的第二浓度并且其中在第二点上的第二浓度明显地大于第一点上的第一浓度，则认为例如存在浓度分布的这种不均匀性。如果检测到浓度分布的这种不均匀性，则可以引入相应的应对措施，以避免这些不希望的不均匀性。例如，可以在气流的流动方面影响所述气流，以引起在气流内的碳颗粒的至少基本上均勾的分布。
[0011]通过根据本发明的方法，因此可以不仅检测碳颗粒的浓度，而且可以以简单的方式得到空间分辨能力，使得也可以确定在其上存在浓度的点或所述点相对于气流的位置。为此不需要且设置昂贵的、附加的传感器。而是可以利用借助于至少一个微波传感器所执行的反射测量和透射测量的数据。
[0012]本发明基于如下认识，即在例如为空气流的气流内容纳有大量单独的碳颗粒，所述碳颗粒具有一系列的统计特征。所述统计特征例如是粒度或颗粒大小、粒度分布或颗粒分布、颗粒形状、颗粒材料特征例如灰分含量和/或湿度等、在给定的时刻的颗粒位置以及颗粒速度。
[0013]虽然碳颗粒自身因其大小和反射强度很弱而仅在特殊情况下在测量信号中可以被单独地识别到，但是碳颗粒的整体在测量信号中可以被观察到。相应的测量信号因此携带了统计噪声的大量特征。但是这些统计特征携带了附加的信息，所述信息可以被评估并且在根据本发明的方法的范围内通过确定自相关函数来进行所述评估。
[0014]此外所述方法基于如下构思，即单独的碳颗粒虽然自身在统计的测量信号中不可被识别到，但提供了对于测量信号的信号贡献，所述信号贡献可以被视为确定性的，特别是当碳颗粒的轨迹和反射性已知时。在这些情况下，此单独的碳颗粒的信号贡献具有自相关函数，所述自相关函数在颗粒传感器对碳颗粒进行检测期间，在时间上持续性地不为零。换言之，单独的碳颗粒的自相关函数在碳颗粒处在微波传感器的检测范围内或碳颗粒持续地穿过微波传感器的视野或检测区域期间，在时间上持续性地不为零。
[0015]这也意味着，与靠近微波传感器通过所述微波传感器的检测区域的碳颗粒相比，远离微波传感器的碳颗粒由于从微波传感器中发出的微波信号的所谓的辐射扩宽而相应地需要更长的时间以便通过微波传感器的检测区域。因此，与靠近微波传感器通过所述微波传感器的检测区域的碳颗粒相比，远离微波传感器通过检测区域的碳颗粒具有在时间方面更为延长的自相关函数。
[0016]单独的碳颗粒的此特征现在转移到由多个碳颗粒叠加所形成的真实的情况或测量信号的自相关函数上。当微波传感器的直接测量的信息具有类似噪声的特征时，其显示出，特别是靠近微波传感器或直接在微波传感器前经过的碳颗粒的束具有时间上相对短的自相关函数，其中与之相反，碳颗粒的远离微波传感器的束具有在时间方面更为延长的自相关函数。
[0017]基于此认识，现在可以通过自相关函数检测距微波传感器不同距离的碳颗粒的束及其浓度，以便因此可以检测在气流内的碳颗粒的浓度方面的可能的不均匀性。
[0018]为了实现特别廉价地执行所述方法，在本发明的一种实施方式中规定，微波传感器以单频的方式运行。由此，所述方法可以用特别简单并且因此廉价的微波传感器来执行，所述微波传感器优选地在至少基本上连续的单频的运行中运行。例如可以使用多普勒传感器作为微波传感器。
[0019]在本发明的另外的有利的设计方案中，根据距离值确定表征点相对于通道的位置的至少一个位置值。如已解释的那样，这可以通过如下方式实现，即根据距离值总体上确定在其上存在至少一个浓度的点相对于通道或气流的位置。由此可以特别精确地确定浓度分布、浓度分布的可能的不均匀性。
[0020]另一实施方式的特征在于，通过至少一个第二微波传感器检测在其内容纳有碳颗粒的气流的至少部分并且提供表征碳颗粒的浓度的至少一个第二测量信号。此外，确定第二测量信号的第二自相关函数。此外，根据所确定的第二自相关函数确定表征气流的与浓度有关的点距第二微波传感器的距离的至少一个第二距离值。
[0021]通过使用第二传感器，因此可以计算第二距离值并且将所述第二距离值与第一距离值进行比较。由此，可以补偿可能的测量误差。其结果是可以特别精确地检测气流内的碳颗粒的浓度分布。通过相应地使用和布置多个微波传感器，例如沿限定通道的管的圆周使用和布置多个微波传感器，可以获得至少部分地重叠的测量区域的多个传感器信息。换言之，微波传感器的相应的检测区域重叠。
[0022]因此可以不仅通过第一传感器而且可以通过第二传感器检测重叠的区域，确定重叠的区域上的相应的数据，并且然后将这些数据进行比较，以例如补偿测量误差。通过合适地计算单独的传感器信息，可以提供以断层(tomographisch)方式起作用的评估方法。由此，可以提高所获得的通道内的浓度-或密度分布的可靠性和说服力。
[0023]通过使用其微波源以已知的频率-和相位关系相互运行的微波传感器还可以评估微波传感器之间的透射信息。如果例如碳颗粒被施加以从第一微波传感器发出的信号(微波)，使得信号被散射，从而出现散射的信号，并且散射的信号到达与第一微波传感器不同的第二微波传感器和/或第三微波传感器并且可以通过第二和/或第三传感器检测散射的信号，那么因此与使用仅一个传感器相比提高了总测量的可用于评估的信息含量。
[0024]在本发明的一种特别有利的实施方式中规定根据距离值来确定位置值。换言之，为了确定位置值考虑两个距离值，使得可以特别准确地计算位置值。
[0025]信号评估的另一可行方案在于确定微波传感器的测量信号的互相关函数。换言之，可以计算和评估微波传感器之间的互相关性。借助于互相关性或互相关函数，例如可以形成通道的横截面的成像的测量方法。为此，可以例如设置两行具有分别直线的布置的相应的微波传感器，所述行相互成角度地在气流的相同体积内测量。换言之，微波传感器如此相互定向，使得微波传感器的相应的测量区域的相应的中轴线相互围成一角度，其中所述测量区域可以包括气流的、被微波传感器的所共有的区域。
[0026]如果现在由第一行和第二行来检查微波传感器的互相关性，则可以确定，例如在微波传感器的相应的测量区域的重叠区域内存在束时互相关性或互相关函数具有与零不同的值，而其余的互相关性至少基本上为零。因此，可以特别精确地定位碳颗粒的束的位置并且因此定位其浓度或密度，以便由此可以特别好地检测可能的不均匀性。
[0027]当微波传感器或其相应的中轴线并非成直角或成直线地布置而是例如安装在限定通道的管的圆周上时，也可以进行互相关性的评估。对于该评估类型而言，合适地设置微波传感器的相应的检测区域的遮盖或重叠是重要的，其中检测区域也称为微波传感器的可视范围。
[0028]基于互相关性的评估的大的优点是微波传感器为此不必相关联地运行或不必已知微波传感器的相应的频率的相对位置。此方法因此可以被特别简单地执行。
[0029]通过使用关于至少一个