DE2557448A1

DE2557448A1 - Automatisches gasanalysier- und reinigungssystem

Info

Publication number: DE2557448A1
Application number: DE19752557448
Authority: DE
Inventors: Thomas Albert Cross; Terence William Jowett
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1974-12-19
Filing date: 1975-12-19
Publication date: 1976-06-24
Also published as: SE7513902L; AU8758575A; DK575775A; FR2295415A1; ES443641A1; LU74064A1; US3973848A; BE836808A; BR7508503A; JPS5188289A; NL7514798A

Description

/bbntanwdt JipHng. Rolf /Aenges

nrrni / λ 8011 Pöring/München Commerzbank München

ZOO /HHO Hubertusstrasse 20 4406120

Telefon (08106) 2176

Telegramme ' !Postscheck München

PATENTMENGES Zorneding 30 74 87-803

Mein Zeichen/Myref. ü 283

Tag/Date \ ^ _DeL 1975

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101 V.St.A.

Automatisches Gasanalysier- und Reinigungssystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein automatisches Gasanalysiersystem zum Messen der Verunreinigungen in dem Abgas eines Kraftfahrzeuges und betrifft insbesondere ein System, welches mit einer nichtdispersiven Infrarotgasanalysiereinheit arbeitet, in welcher das zu analysierende Abgas durch eine Probezelle nur während der Zeit hin— durchgeleitet wird, während der die Messungen des Verunreinigungswertes ausgeführt werden, wohingegen die Probezelle während der Zeit, während der keine Messungen ausgeführt werden, mit Umgebungsluft gereinigt wird, um das Abgas aus der Probezelle zu entfernen. Die Erfindung verbessert die Genauigkeit der Messungen, indem aus dem Abgastransportsystem jegliches Abgas, das in dem Gastransportsystem bleiben könnte, ausgeblasen wird, und verhindert, daß die Schmutzstoffe in dem Abgas die Ana-

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lysiereinheit verschmutzen, was der Fall wäre, wenn Abgas ständig in dem System bleiben würde.

Die öffentliche Beunruhigung über die Umweltverschmutzung, insbesondere durch die Schmutzstoffe, die mit den Abgasen von Kraftfahrzeugen ausgestoßen werden, hat zur Entwicklung von Abgasanalysiersystemen geführt, welche die Menge von ausgewählten Schmutzstoffen in den Abgasen messen. Viele derartige Systeme benutzen nichtdispersive Infrarotgasanalysiereinheiten, in welchen das Abgas eines Kraftfahrzeuges in eine Probezelle eingeleitet und ein Infrarotlichtbündel durch die Probezelle hindurchgeleitet wird, wobei die Menge an Infrarotlicht, das bei einer besonderen Wellenlänge absorbiert worden ist, die Menge des ausgewählten Schmutzstoffes in dem Abgas angibt.

Es hat sich gezeigt, daß sich Ungenauigkeiten bei den Messungen ergeben, und zwar aufgrund des Hängenbleibens von Abgas in den Gasübertragungsleitungen und dem Gastransportsystem, welches die Pumpen enthält, die das Abgas aus dem Kraftfahrzeug zu der Probezelle in der Infrarotgasanalysiereinheit fördern. Es hat sich weiter gezeigt, daß die Schmutzstoffe in dem Abgas sich an den Wänden der Probezelle festsetzen und die übertragung von Infrarotlicht durch die Probezelle hindurch verringern, wenn dem Abgas gestattet wird, für eine lange Zeitspanne in der Probezelle zu bleiben. Wenn die Probezelle und andere optische Einrichtungen in der Infrarotgasanalysiereinheit mit Schmutzstoffen überzogen werden, ist ein häufiges Reinigen der Einheit erforderlich, um eine Verschlechterung der Zuverlässigkeit der durch die Einheit vorgenommenen Messungen zu verhindern.

Die Erfindung überwindet die Nachteile der bekannten Gasanalysier systeme, indem sie ein automatisches Gasanalysier- und Reinigungssystem schafft, in welchem Umgebungsluft automatisch in die Probezelle gepumpt

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wird, um die Probezrelle und das Gastransportsystem von Abgasemissionen zu reinigen, und zwar zu allen Zeiten, ausgenommen, wenn Messungen der Abgasschmutzstoffe in der Probezelle ausgeführt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasanalysiersystems nach der Erfindung wird Umgebungsluft zuerst in die Gasprobezelle in der nichtdispersiven Infra«* rotgasanalysiereinheit gefördert und es wird ein Infrarotlichtbündel durch die Umgebungsluft in der Probezelle hindurchgeleitet, wobei die Absorption des Infrarotbündels durch die Umgebungsluft in der Probezelle gemessen wird. Nachdem die Anfangsmessung ausgeführt worden ist, entfernt das Abgasanalysiersystem automatisch die Umgebungsluft aus der Probezelle und pumpt das Abgas aus dem Fahrzeug durch die Probezelle. Wenn eine ausreichende Zeit verstrichen ist, so daß sichergestellt ist, daß die Probezelle vollkommen mit Abgas gefüllt ist, wird das Infrarotlichtbündel wieder durch die Probezelle hindurchgeleitet und es werden Messungen der Schmutzstoffe in dem Abgas in der Probezelle ausgeführt. Wenn die letztgenannten Messungen ausgeführt worden sind, reinigt das Abgasanalysiersystem wieder automatisch die Probezelle mit reiner Umgebungsluft, um das Abgas aus der Probezelle und aus dem Gastransportsystem zu entfernen.

Das automatische Umschalten von der Reinigung mit Umgebungsluft auf die Abgaszufuhr und wieder zurück zu der Reinigung mit Umgebungsluft kann gesteuert durch die Bedienungsperson des Systems oder automatisch durch eine digitale oder eine analoge Datenauswertungs- und Steuereinheit erfolgen.

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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. ι eine Schemazeichnung, teilweise als

Blockschaltbild, des Fahrzeugabgasanalysiersystems, welches mit einem Fahrzeug verbunden ist und eine Ausgangssignalanzeigeeinheit aufweist,

Fig. 2 eine Schemazeichnung des Gastransportsystems von Fig. 1,

Fig. 3 eine Schemazeichnung, welche die Einzelheiten der nichtdispersiven Infrarotgasanalysiereinheit von Fig. 1 zeigt,

Fig. 4 eine Ansicht der Zerhackerscheibe, die in der Infrarotgasanalysiereinheit von Fig. 3 verwendet wird,

Fig. 5 schematisch die Detektoranordnung der Infrarotgasanalysiereinheit von Fig. 3,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht der Infrarotquelle in der Infrarotgasanalysiereinheit von Fig. 3,

Fig. 7 ein Diagramm, welches die Detektor- und Synchronisierungsausgangssignale zeigt/ die von der Infrarotgasanalysiereinheit von Fig.3 erzeugt werden,

Fig. 8 ein schematisches Blockschaltbild der zur

Signalverarbeitung verwendeten elektronischen Schaltungen von Fig. 1,

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Fig. 9 ein vereinfachtes Blockschaltbild der

zur Signalverarbeitung verwendeten elektronischen Schaltungen von Fig. 1, welches außerdem die Verstärkungsfaktoren der Signalverstärker zeigt,

Fig. 10 ein schematisches Blockschaltbild einer

digitalen Ausführungsform des Datenauswertungs- und Steuersystems von Fig. 1,

Fig. 11 einen Ablaufplan der Programmanweisungen

für die digitale Recheneinheit von Fig.10,

Fig. 12 ein Diagramm, in welchem der CQ-Prozent-

satz in dem Abgas in Abhängigkeit von einem berechneten CO-Verhältnis aufgetragen ist,

Fig. 13 ein Diagramm, in welchem der HC-Gehalt

des Abgases in ppm in Abhängigkeit von einem berechneten HC-Verhältnis aufgetragen ist,

Fig. 14 ein Diagramm, welches die Zeitsteuerung der

Reinigung mit Umgebungsluft_#der Abgasprobenahme und der Ablesungen der Detektorausgangssignale in Abhängigkeit von der Motordrehzahl des Fahrzeuges zeigt,

Fig. 15 eine Schemazeichnung einer analogen Ausfüh

rung des Datenauswertungs- und Steuersystems von Fig. 1,

Fig. 16 ein Diagramm, welches die Kennlinien des

HC-Filters von Fig. 5 zeigt, und

^Fi<3' ^{17 ein} Diagramm, welches die Kennlinien des

CO-Filters von Fig. 5 zeigt.

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Das grundlegende Fahrzeugabgasanalysiersystem ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Ein Kraftfahrzeug, welches als ein Auto 10 dargestellt ist und typischerweise einen Verbrennungsmotor enthält, welcher Abgase ausstößt, die Schmutzstoffe enthalten, ist an seinem Abgasausstoßsystem, vorzugsweise an dem Auspuffrohr, mit einer Abgassonde 12 verbunden. Die Abgassonde 12 ist so aufgebaut, daß sie bei sowohl normalen Fahrzeugschwingungen als auch bei Fahrzeugschwingungen unter voller Belastung nicht aus dem Auspuff herausrutscht. Ein Handgriff kann als Teil der Sonde vorgesehen sein und die Sonde sollte biegsam genug sein, so daß sie, wenn möglich, zumindest etwa 15 cm weit in ein gekrümmtes Auspuffrohr hineinreicht. Für Autos mit Doppelauspuff sind zwei Sonden erforderlich.

An der Sonde ist eine flexible Gasübertragungsleitung befestigt, welche vorzugsweise aus einem Schlauch 14 besteht, der als Verbindung zwischen der Auspuffsonde 12 und einem Gastransportsystem 16 dient. Der Schlauch 14 ist vorzugsweise ölbeständig und innen aus einem Schlauchmaterial aufgebaut, welches hohe Gaskonzentratiaien aushält, ohne das Hängenbleiben der Gase innerhalb des Schlauches zu verursachen. Es können Vorkehrungen zum Aufbewahren des Schlauches 14 bei dessen Nichtgebrauch getroffen werden. Der Schlauch sollte auch die Mißhandlung aushalten, wenn er durch ein schweres Fahrzeug überfahren wird, und innerhalb kurzer Zeit seine ursprüngliche Gestalt und Querschnittsfläche wieder annehmen. Der Schlauch 14 sollte in der Lage sein, Auspuffgastemperaturen bis zu 93 C (200 F) auszuhalten, und einen Innendurchmesser haben, der es gestattet, den Schlauch innerhalb weniger Sekunden auf seiner gesamten Länge auszublasen.

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Das Gastransportsystem 16 enthält, wie ausführlich in bezug auf Fig. 2 erläutert/ austauschbare Teilchenfilter, ein Entwässerungssystem, in welchem Wasser in dem Abgas über einen Wasserablaß 18 abgeführt wird, ein Pumpsystem mit einem Pumpenmotor, welches das zu analysierende Gas zu einer nichtdispersiven Infrarotgasanalysiereinheit pumpt, und ein elektromagnetbetätigtes Gasreinigungssystem, welches das System von Abgas reinigt und es durch Umgebungsluft aus einem Einlaß 20 ersetzt. Das Gastransportsystem 16 enthält ausserdem einen Druckschalter, der mehr im einzelnen in Verbindung mit Fig. 2 gezeigt wird, welcher den Druck abfühlt, um festzustellen, ob in dem Gastransportsystem eine Blockierung aufgetreten ist. Ein Filter-blockiert-Signal wird einem Datenauswertungssystem 24 über eine Signalleitung 22 zugeführt, wenn in dem Gastransport-^· system 16 ein Druckabfall abgefühlt worden ist.

Das Probegas, entweder gefilterte Abgasemissionen aus dem Fahrzeug oder Umgebungsluft wird aus dem Gastransportsystem 16 über eine Gasleitung 26 in eine Probezelle 28 geleitet, die in einer nichtdispersiven Infrarotgasanalysiereinheit 30 enthalten ist, welche ausführlich mit Bezug auf die Fig. 3 bis 6 beschrieben wird. Kurz gesagt, die nichtdispersive Infrarotgasanalysiereinheit 30 leitet ein Infrarotstrahlungsbündel durch die Probezelle 28, in die das Probegas gepumpt worden ist. Zwei Detektoren, die jeweils ein besonderes Lichtfilter haben, welches alle Wellenlängen mit Ausnahme der interessierenden Wellenlängen sperrt, sprechen auf die Absorption von Infrarotstrahlung durch die besondere Gaskomponente innerhalb der Probezelle 28 an, welche in den Bereich der ausgewählten Wellenlängen fällt, die von den Filtern durchgelassen werden. Die elektrischen Signale aus dem Detektor werden über Leitungen 32 in ein elektronisches Signalverarbeitungs-

system 33 eingegeben, welches ausführlicher mit Bezug auf Fig. 8 beschrieben wird. Die nichtdispersive Infrarotgasanalysiereinheit 30 enthält außerdem eine Referenzzelle 34, welche vollkommen oder teilweise abgedichtet ist und ein Referenzgas enthält, dessen Infrarotabsorption mit der in "der Probezelle 28 verglichen wird. Die Synchronisierung erfolgt durch lichtempfindliche Einrichtungen, welche Synchronisiersignale über Leitungen 36 an das elektronische Signalverarbeitungssystem 33 abgeben. Nach der Verarbeitung werden die elektrischen Signale von dem elektronischen Signalverarbeitungssystem 33 an ein Datenauswertungssystem 24 über Leitungen 180a, b und 182a, b abgegeben.

Nachdem das Probegas in der nichtdispersiven Infrarotgasanalysiereinheit 30 analysiert worden ist, wird es über einen Ablaß 38 aus der Probezelle 28 entfernt. Innerhalb des Ablasses 38 ist ein Thermistor 40 angeordnet, welcher die Temperatur des Abgases aus der Probezelle 28 mißt und ein die Gastemperatur angebendes Signal über eine Leitung 42 an das Datenauswertungssystem 24 abgibt.

Da die Absorption von Infrarotlicht innerhalb der Probezelle nicht nur durch die Temperatur des Gases innerhalb der Probezelle 28 beeinflußt wird, sondern auch durch den Umgebungsdruck, erzeugt ein Umgebungsdruck fühler 44, welcher ein einfacher Druckgeber sein kann, ein Umgebungsdrucksignal, das über eine Signalleitung 46 an das Datenauswertungssystem 24 abgegeben wird.

Ein besonderes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Konzentration von mehr als einer Gaskomponente in der nichtdispersiven Infrarotgasanalysiereinheit 30 gleichzeitig gemessen werden kann, indem mehrere Detek-

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toren rait passenden Filtern auf dem Weg des Infrarotbündels angeordnet werden, welches durch die Probezelle 28 und die Referenzzelle 34 hindurchgegangen ist. Typische Schmutzstoffe, die gegenwärtig durch staatliche Vorschriften erfaßt werden, sind Kohlenmonoxid (CO) und eine Kohlenwasserstoffkomponente (HC), typischerweise Hexan. Die Vorschriften legen auch verschiedene Grenzen der Menge an CO und HC in den Fahrzeugabgasen bei verschiedenen Motordrehzahlen und unter bestimmten Belastungszuständen fest. Das System nach der Erfindung ist geeignet, die Menge der ausgewählten Emissionsschmutzstoffe in dem Fahrzeugabgas unter jeder Anzahl von festgelegten Testbedingungen zu messen. In einer typischen Gasemissionstestanlage legt die Bedienungsperson unter Berücksichtigung des Typs des getesteten Fahrzeugs die besonderen Testbedingungen, die durch örtliche Gesetze bestimmt sein können, sowie die Grenzen für CO, HC und/oder andere Schmutzstoffe fest, die durch Gesetz bestimmt sein können. In einer typischen Anlage entnimmt die Bedienungsperson die geeigneten Fahrzeugspezifikationsdaten aus Tabellen (einschließlich Drehzahl und Belastungszuständen sowie HC- und CO-Grenzen) und gibt die Daten in eine Fahrzeugdateneingabeeinheit 48 ein, welche geeignete Signale bezüglich der besonderen Fahrzeugdaten an das Datenauswertungssystem 24 über Leitungen 50 abgibt. In vollkommeneren Systemen, zu welchen Kraftfahrzeugdiagnosesysteme gehören, können die geeigneten Fahrzeugspezifikationsdaten in einer Speichereinheit gespeichert werden und die Bedienungsperson gibt lediglich den geeigneten Fahrzeugkenncode in die Fahrzeugspezifikationsdateneingabeeinheit 48 ein, wobei dann die passenden Fahrzeugspezifikationsdaten automatisch dem Datenauswertungssystem 24 zugeführt werden. Obwohl es nicht dargestellt ist, können die Fahrzeugspezifikationsdaten auf Leitungen 50 auch direkt einer An-

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zeigeeinheit 52 zur Anzeige zugeführt werden, vorzugsweise in digitaler Form, zur Verwendung durch die Bedienungsperson.

Die Anzeigeeinheit 52 empfängt Daten aus dem Datenauswertungssystem 24 über Leitungen 53. Die Anzeigeeinheit 52 kann ein in der Hand gehaltenes Steuergerät sein, welches von der Bedienungsperson während der Abgastests benutzt wird, wobei das Handsteuergerät von einer Bauart sein kann, wie sie in der gleichzeitig

eingereichten deutschen Patentanmeldung P ,

"Handbedienungsgerät' für eine elektrische Fahrzeugdiagnoseanlage" vorgeschlagen ist, für welche die US-Priorität vom 19.12.74, SN 534 335 beansprucht wurde. Die Anzeigeeinheit 52 kann entweder automatisch oder gesteuert durch die Bedienungsperson jede der Informationen anzeigen, die zum Durchführen der Abgasanalysetests nützlich ist. Beispielsweise kann die Anzeigeeinheit die für die Abgastests gewünschte Motordrehzahl anzeigen. In diesem Zeitpunkt bringt die Bedienungsperson das Fahrzeug 10 auf die gewünschte Motordrehzahl, beispielsweise durch Niederdrücken des Gaspedals. Ein Drehzahlmesser 54 kann in bekannter Weise mit dem Fahrzeug 10 verbunden sein, um ein Signal zu erzeugen, welches die Motordrehzahl anzeigt, über eine Leitung 56 dem Datenauswertungssystem 24 zugeführt wird und außerdem durch die Anzeigeeinheit 52 angezeigt werden kann. Obgleich nicht dargestellt, kann ein Dynamometer benutzt werden, um die Antriebsräder des Fahrzeuges in geeigneter Weise zu belasten, wobei ein die Fahrzeugbelastung anzeigendes Signal ebenfalls dem Datenauswertungssystem 24 zugeführt wird. Da die Motorsolldrehzahl und die Motoristdrehzahl der Bedienungsperson durch die Anzeigeeinheit 52 angezeigt werden, erhält die Bedienungsperson eine positive An-

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zeige, wenn die Motordrehzahl die gewünschte Motortestdrehzahl erreicht. Nachdem das Fahrzeug die gewünschte Testdrehzahl für eine ausreichende Zeit erreicht hat, damit die Probezelle 28 eine repräsentative Abgasprobe enthält, kann die Emissionsanalyse ausgeführt werden und es können die gemessenen CO- und HC-Werte durch die Anzeigeeinheit 52 angezeigt werden. Die Anzeigeeinheit 52 kann außerdem entweder automatisch oder auf Verlangen der Bedienungsperson die CO- und HC-Grenzen anzeigen, so daß leicht festgestellt werden kann, ob das Fahrzeug den Normen entspricht oder nicht. Die Anzeigeeinheit 52 kann außerdem eine oder mehrere Anzeigelampen aufweisen, welche automatisch einen Systemfehler, wie beispielsweise eine Blockierung in dem Gastransportsystem 16 oder eine Abweichung von der Motorsolldrehzahl, anzeigen.

Das Datenauswertungssystem 24 kann zwar ein Analogprozessor sein, vorzugsweise ist es jedoch ein geeignet programmierter Mehrzweckdigitalrechner bekannter Art. Das Datenauswertungssystem 24 hat die Aufgabe, die CO- und HC-Werte in einer durch die verschiedenen Eingangsdaten vorgeschriebenen Weise zu berechnen, den Betrieb und die Zeitsteuerung des Gastransportsystems 16 mittels Gastransportzeitsteuerungssignalen zu steuern, welche über Leitungen 58a, b zugeführt werden, und die gewünschten Daten über eine Leitung 53 in die Anzeigeeinheit 52 zu überführen. Beispiele sowohl für analoge wie auch digitale Einheiten zur Durchführung der gewünschten Aufgaben werden im Anschluß beschrieben. Die Digitaleinheit ist in Fig. 10 und die Analogeinheit in Fig. 15 dargestellt.

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Fig. 2 zeigt im einzelnen das Gastransportsystem 16 von Fig. 1. Das Abgas aus dem getesteten Fahrzeug wird über die Auspuffrohrsonde 12 und den Schlauch 14 in ein Filterungssystem eingeleitet, welches aus einem Grobfilter und einem Wasserabscheider 60 besteht. Das Filter 60 ist typischerweise ein 25-Mikron-Filter. Jegliches Wasser in dem Abgas wird abgeschieden und aus dem Filter 60 über eine Ablaßleitung 62 abgeführt, welche eine Pumpe 64 enthält. Das abgeschiedene Wasser wird schließlich über einen Auslaß 18 aus dem System abgelassen. Nach der Grobfilterung gelangt das Abgas aus dem Filter 60 zu einem Feinfilter 66, welches typischerweise ein 0,6-Mikron-Filter ist. Nach dem Austritt aus dem Feinfilter 66 geht das gefilterte Abgas durch ein Reinigungselektromagnetventil 68 und anschließend durch eine Pumpe 70 hindurch, von -der aus das Gas aus dem Abgastransportsystem 16 über die Leitung 26 in die Probezelle 28 geht, die in der nichtdispersiven Infrarotgasanalysiereinheit enthalten ist.

In .die Leitung zwischen dem Feinfilter 66 und dem Reinigungselektromagnetventil 68 ist ein druckempfindlicher Schalter 74 eingefügt, welcher die tfulänglichkeit des durch die Filter 60 und 66 hindurchgehenden Gasstroms mißt, indem er den Druckabfall an den Filtern über eine Leitung 72 abfühlt. Der Druckschalter ist auf die Umgebungsluft bezogen und typischerweise so eingestellt, daß er schließt und ein Filter-blockiert-Signal an eine Leitung 22 abgibt, wenn der Druckabfall an den Filtern auf einen Wert zwischen etwa 152 mm Hg und 203 mm Hg ansteigt. Typiseherweise zeigt ein verringerter Druck in der Leitung 72 zwar eine Blockierung in den Filtern an, er kann aber auch durch das Verdrehen oder durch eine Verstopfung in der Auspuffrohrsonde 12 oder in dem Schlauch 14 verursacht werden.

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In jedem Fall zeigt die Erzeugung eines Filter-blockiert-Signals auf der Leitung 22 und die Anzeige desselben durch eine Anzeigelampe in der Anzeigeeinheit 52 von Fig. 1 irgendeine Störung in dem Gastransportsystem an, welche ein Eingreifen der Bedienungsperson erfordert. Das Reinigen oder Austauschen der Filter 60 oder 66 ist eine typische Möglichkeit zur Behebung eines übermäßigen Druckabfalls.

Das Reinigungselektromagnetventil 68 ist ein Zweiwegeventil, welches der Probezelle 28 Gas über die Pumpe 70 zuführt. In einer Stellung gestattet das Elektromagnetventil das Hindurchgehen des Abgases aus dem getesteten Fahrzeug. In der anderen Stellung blockiert das Reinigungselektromagnetventil 68 die Abgasleitung und veranlaßt Umgebungsluft aus der Eingangsgasleitung 20, durch ein normalerweise offenes Ventil 71 und durch das Reinigungselektromagnetventil 68 hindurch und über die Pumpe 70 in die Probezelle 28 zu gehen. Die Stellung des Reinigungselektromagnetventils 68 wird durch das Gastransportzeitsteuersignal auf der Leitung 58a festgelegt, welches von dem Datenauswertungssystem 24 von Fig. 1 geliefert wird. Wie im folgenden beschrieben, erfordert der Betrieb des Gasanalysiersystems, daß die Probezelle am Anfang gereinigt wird und Umgebungsluft enthält, in welchem Zeitpunkt eine Messung der Größe der ausgewählten Verunreinigungen in der Umgebungsluft innerhalb der Probezelle durch Infrarotverfahren ausgeführt wird. Nachdem die Umgebungsluft messung erfolgt ist, wird das Reinigungselektromagnetventil 68 über ein Signal auf der Leitung 58a betätigt, um den Umgebungslufteinlaß abzusperren und um dem Abgas aus dem getesteten Fahrzeug zu gestatten, die Probezelle 28 zu füllen, in welchem Zeitpunkt eine weitere Messung der in dem Gas in der Probezelle enthaltenen Verunreinigungen vorgenommen wird.

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Nach dieser letzten Messung wird das Reinigungselektromagnetventil 68 wieder betätigt, um das Abgas abzusperren und um der Umgebungsluft zu gestatten, die Probezelle 28 zu reinigen. Abgas wird in die Probezelle 28 nur für die Zeit eingelassen, die zur Erzielung der gewünschten Daten erforderlich ist, und anschließend sofort ausgeblasen, um die Verschmutzung der Probezelle 28 durch Verunreinigungen in dem Abgas zu verhindern.

Die Pumpe 64, welche Wasser aus dem Grobfilter .60 abpumpt, und die Pumpe 70, welche entweder das Abgas oder Umgebungsluft in die Probezelle 28 pumpt, werden beide durch einen einzigen Pumpenmotor 73 gesteuert, welcher auf die Gastransportzeitsteuersignale auf der Leitung 58b anspricht. Der Pumpenmotor 73 kann abgeschaltet werden, um zwischen den Tests Energie zu sparen.

Die Förderleistung der Pumpe 64 sollte ausreichend groß sein, so daß sichergestellt ist, daß das aus den Abgasen während des Testens eines Fahrzeuges entfernte Wasser sich nicht in dem Filter 60 ansammelt, sie sollte aber ausreichend kleiner als die Förderleistung der Pumpe 70 sein, um sicherzustellen, daß ausreichend Abgas aus der Abgassonde 12 in die Probezelle 28 strömt. Für den wirksamsten Betrieb sollte die Förderleistung der Pumpe 70 so groß sein, daß sichergestellt ist, daß eine ausreichende Abgasprobe aus dem getesteten Fahrzeug die Probezelle in wenigen Sekunden füllt. Die Umgebungsluf tquelle 20 sollte so angeordnet sein, daß sichergestellt ist, daß die in das System eingelassene Luft nicht durch Abgasemissionen verunreinigt ist.

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Zur Anfangseichung· des Abgasanalysiersystems und zur Eichung in ausgewählten Abständen während des Betriebes wird ein Probegas, wie beispielsweise reiner Stickstoff oder ein bekannte Mengen von ausgewählten Schmutzstoffen enthaltendes Gas, das einem Behälter 76 entnommen wird, dem Reinigungselektromagnetventil 68 über ein normalerweise geschlossenes Ventil 78 zugeführt. Wenn das System geeicht werden soll, wird das Ventil 71 geschlossen und das Ventil 78 wird geöffnet und das Eichgas wird aus dem Behälter 76 in die Probezelle 28 gepumpt. Die Eichung wird durch Einstellen des elektronischen Signalverarbeitungssystems 33 ausgeführt, wie im folgenden beschrieben.

Das Herz des Abgasanalysiersystems sind die nichtdis— persive Infrarotgasanalysiereinheit 30 und ihre zugeordneten Bauteile, die schematisch in den Fig. 3 bis 6 dargestellt sind. Kurz gesagt, eine Infrarotstrahlung mit der gewünschten Wellenlänge wird abwechselnd durch die geschlossene Referenzzelle 34, welche ein Referenzgas, wie beispielsweise reine Luft, enthält, und anschließend durch die Gasprobezelle 28 hindurchgeleitet, welche entweder Umgebungsluft oder das Abgas des Fahrzeuges enthält. Die Infrarotstrahlung wird nach dem Hindurchgang entweder durch die Referenzzelle oder durch die Gasprobezelle durch ein geeignetes Infrarotfilter auf einen Detektor fokussiert, welcher elektrische Signale erzeugt, die sich in Abhängigkeit von der Lichtabsorption in dem gewünschten Wellenlängebereich durch die in jeder der Zellen enthaltene ausgewählte Gaskomponente ändern'. Nach Behandlung durch geeignete elektronische Schaltungen, die mit Bezug auf Fig. 8 beschrieben werden, werden die Ausgangssignale des Detektors benutzt, um die Konzentration der ausgewählten Gaskomponente zu berechnen. Durch Anbringen von zwei oder mehr Detektoren mit geeigneten Filtern

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auf demselben Infrarotstrahlungsweg kann die Konzentration von zwei oder mehr Gaskomponenten gleichzeitig mit einer einzigen Gasanalysiereinheit gemessen werden.

Fig. 3 zeigt die nichtdispersive Infrarotgasanalysiereinheit 30, welche eine optische Bankanordnung enthält, die in geeigneter Weise durch ein starres, stoßfreies Gehäuse 102 umschlossen ist. Eine Infrarotstrahlungsquelle 104 ist in geeigneter Weise in der Mitte der Anordnung angebracht, so daß die von ihr abgegebene Strahlung durch einen in der optischen Bankanordnung angebrachten Konkavspiegel 106 zu einem parallelen Bündel fokussiert wird. Ein Infrarotfenster 108, welches eine hohe Durchlässigkeit in dem Wellenlängebereich von 3 ,um bis 5 ,um hat, kann vor der Infrarotquelle angeordnet sein, um sie vor Streuluftströmen abzuschirmen. Die Infrarotquelle 104 ist vorzugsweise in einer Halteklammer gehaltert und von der optischen Bank und der Umgebung mit Ausnahme des Fensterbereiches vollkommen abgeschirmt. Die Einzelheiten der Infrarotquelle 104 und des Fensters 108 werden mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben.

Eine lichtundurchlässige, nichtreflektierende Zerhackerscheibe 110 ist zwischen der Infrarotquelle 104 und dem Spiegel 106 angeordnet. Die Zerhackerscheibe 110 wird vor dem Spiegel 106 durch einen Motor 112 mit geeigneter Geschwindigkeit in Drehung versetzt, um für die Detektoren eine Zerhackungsfrequenz zwischen 32 Hz und 55 Hz zu erzeugen. Die Zerhackerscheibe 110, welche ausführlicher in Fig. 4 dargestellt ist, enthält einen Schlitz 114, durch den die durch den Spiegel 106 reflektierte Infrarotstrahlung hindurchgehen kann. Der Schlitz 114 erstreckt sich auf etwa 90° über den Umfang

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der Scheibe 11O.Infolge der Drehung der Zerhackerscheibe 110 in der durch den Pfeil 157 in Fig. 4 angegebenen Richtung wird ein rotierendes Strahlungsbündel erzeugt (der geometrische Ort des Bündels beschreibt einen Zylinder), welches abwechselnd durch die Gasreferenzzelle 34 und durch die Gasprobezelle 28 hindurchgeht. Die Zellen 28 und 34 sind identische Röhren und enthalten Infrarotfenster 120, die an jedem Ende der Röhren angebracht sind, um diese an den Enden vollständig abzudichten. Die Infrarotfenster 120 sind für den interessierenden Infrarotwellenbereich, der im allgemeinen zwischen 3 ,um und 5 ,um liegt, durchlässig. Die Referenzzelle 34 ist vollständig oder teilweise abgedichtet und enthält ein Referenzgas, bei welchem es sich um reine Luft handeln kann, während die Probezelle 28 entweder Umgebungsluft oder Fahrzeugabgas enthält, welches ihr durch die Leitung 26 zugeführt wird. Das Gas wird über eine Leitung 27 durch den Ablaß 38 (Fig. 1) aus der Probezelle abgelassen.

Wenn das rotierende Infrarotbündel durch die Referenzzelle und die Probezelle hindurchgeht, wird es durch einen zweiten Konkavspiegel 126 auf eine Detektoranordnung 128 fokussiert, die in Fig. 3 schematisch dargestellt ist und ausführlicher mit Bezug auf Fig. 5 beschrieben wird. Die Detektoranordnung 128 enthält zwei Infrarotdetektoren 130, 132, die innerhalb des durch die Spiegel 106, 126 gebildeten Bildes der Infrarotquelle angebracht sind. Die Detektoren 130, 132 sind vorzugsweise Bleiselenid (PbSe)-Detektoren. Sie sind an einem Halter 134 starr befestigt, welcher die Detektoren wirksam vor Streustrahlung abschirmt. Die Position des Halters kann einstellbar sein, um das Ausrichten des optischen Systems zu erleichtern. Außerdem sind an dem Halter 134 vor jedem Detektor 130, 132 Infrarotfilter

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bzw. 138 angebracht, welche die Abfühlflache der Detektoren wirksam abschirmen. Elektrische Leitungen 32a und 32b sind mit den Detektoren 130 bzw. 132 verbunden, um die Detektorausgangssignale dem elektronischen Signalverarbeitungssystem 33 zuzuführen.

Zu Erlauterungszwecken wird angenommen, daß das Filter 136 so gewählt ist, daß es ein schmales Strahlungsband durchläßt, dessen Mitte bei 4,74 ,um liegt, wo die maximale CO-Konzentration auftritt, so daß der Detektor 130 auf der Signalleitung 32a abwechselnd zwei elektrische Signale erzeugt, die zu dem CO-Gehalt in der Probezelle bzw. in der Referenzzelle proportional sind, und es wird weiter angenommen, daß das Filter 138 so gewählt ist, daß es ein schmales Lichtband durchläßt, dessen Mitte bei 3,41 ,um liegt, das heißt bei einer Wellenlängefbei welcher die maximale Konzentration des Kohlenwasserstoffes Hexan auftritt, so daß der Detektor 132 auf der Signalleitung 32b abwechselnd zwei elektrische Signale erzeugt, die zu dem HC-Gehalt in der Probezelle bzw. in der Referenzzelle proportional sind. Da die Infrarotstrahlungsquelle aufgrund der Rotation der Scheibe 110 rotierend erscheint, geht die Infrarotstrahlung abwechselnd durch die Gasprobezelle 28 und durch die Referenzzelle 34 hindurch und beide Detektoren 130 und 132 werden gleichzeitig mit einer Strahlung beleuchtet, die durch die Gasprobezelle 28 hindurchgegangen ist, und dann mit einer Strahlung, die durch die Referenzzelle 34 hindurchgegangen ist. Jeder der beiden Detektoren erzeugt somit zwei zeitlich voneinander getrennte Ausgangssignale, wobei die Detektorsignale mit V„ für das Detektorausgangssignal bezeichnet sind, wenn der Detektor durch die Infrarotstrahlung beleuchtet worden ist, die durch die Referenz-

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zelle 34 hindurchgegangen ist, und mit V_g für das Aus— gangssignal, welches durch den Detektor infolge der Infrarotstrahlung erzeugt wird, die durch die Gasprobezelle 28 hindurchgegangen ist. Die Detektorausgangssignale sind für jeden Detektor in Fig. 7 durch die Kurve A dargestellt. Die Signalausgangsleitung 32a des Detektors 130 liefert die Signale V₀ und V_, die anschließend mit V-,^,-, bzw. V_n-,- bezeichnet werden, während die Signalausgangsleitung 32b des Detektors 132 ähnliche Signale V₁, und V_n liefert, die anschließend mit V,,„_ bzw. V_„_ bezeichnet werden. Die Detektorsig-

brlC KnC

nale von den Leitungen 32a und 32b werden dann dem elektronischen Signalverarbeitungssystem 33 von Fig. 1 zugeführt, welches mit Bezug auf Fig. 8 beschrieben wird.

Die Detektoren 130 und 132 sprechen nur auf die Strahlung aus der Infrarotquelle 104 an, die entweder durch die Gasprobezelle 28 oder durch die Referenzzelle 34 hindurchgegangen ist, und sie sprechen nicht auf Strahlung aus der Infrarotquelle 104 zu anderen Zeiten an, weil eine Reihe von nicht dargestellten Schutzplatten vorgesehen ist, welche die Beleuchtung der Detektoren in Zeiten verhindern, in welchen das Infrarotbündel nicht durch die Zellen hindurchgeht.

Damit das elektronische Signalverarbeitungssystem 33 und das Datenauswertungssystem 24 zwischen den Signalen Vg und V_R aus der Probezelle und der Referenzzelle unterscheiden können, die durch beide Detektoren 130 und erzeugt werden und auf den Signalleitungen 32a und 32b erscheinen, wird eine Synchronisierung durch drei lichtemittierende Dioden geschaffen, welchen jeweils ein Phototransistor zugeordnet ist. Die Betätigung jedes Phototransistors durch seine zugeordnete lichtemittierende Diode ist mit der Drehung der Zerhackerscheibe 110 (Fig. 4) durch eine Kerbe 144 in dem Außenumfang der

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Zerhackerscheibe 110 synchronisiert. Drei lichtemittierende Dioden, die in den Fig. 3 und 4 mit den Bezugszahlen 146/ 148 und 150 bezeichnet sind, sind auf einer Seite der rotierenden Zerhackerscheibe 110 angeordnet, und entsprechende Phototransistoren 152, 154 und 156 sind auf der entgegengesetzten Seite der Zerhackerscheibe angeordnet. Einander entsprechende lichtemittierende Dioden und Phototransistoren sind einander direkt gegenüberliegend angeordnet, so daß, wenn die Kerbe 144 in der Zerhackerscheibe zwischen der lichtemittierenden Diode und ihrem entsprechenden Phototransistor hindurchgeht, durch den Phototransistor ein Signal erzeugt wird. Diese Signale werden dem elektronischen Signalverarbeitungssystem 33 über Signalleitungen 36a, 36b und 36c zugeführt.

Die Anordnung der lichtemittierenden Dioden in bezug auf die Zerhackerscheibe 110 und die Probezelle 28 sowie die Referenzzelle 34 ist in Fig. 4 gezeigt. Die lichtemittierende Probediode 146 ist um 180 von der Probezelle 28 entfernt, so daß, wenn der Schlitz 114 in einer Linie mit der Probezelle 28 angeordnet ist, die Kerbe 144 zwischen der Probediode 146 und ihrem zugeordneten Phototransistor 152 angeordnet ist. Zu dieser Zeit wird das Probesynchronisiersignal, das in Fig.7 durch die Kurve B dargestellt ist, durch den Phototransistor 152 erzeugt.

Wenn sich die Zerhackerscheibe 110 in der Richtung des Pfeiles 157 in Fig. 4 dreht, bewegt sich der Schlitz 114 vor die Referenzzelle 34 und die Kerbe 144 geht zwischen der lichtemittierenden Referenzdiode 150 und dem Phototransistor 156 hindurch, welcher das Referenzsynchronisiersignal erzeugt, das in Fig. 7 als Kurve C dargestellt ist.

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Wenn der Schlitz 114 der Zerhackerscheibe 110 sich zwischen der Referenzzelle und der Probezelle befindet (diese Position der Zerhackerscheibe ist in Fig. 4 gezeigt), so gibt die Kerbe 144 die lichtemittierende Zwischenraum- oder Pausendiode 148frei-Zu dieser Zeit wird der zugeordnete Phototransistor 154 auf die Strahlung aus der lichtemittierenden Diode 148 ansprechen und das Zwischenraum- oder Pausensynchronisiersignal erzeugen, das als Kurve D in Fig. 7 gezeigt ist. Die vollständige Umdrehungsperiode der Zerhackerscheibe liegt zwischen 18 ms und 31 ms.

Die Probezelle und die Referenzzelle 28 bzw. 34 sind in bezug auf die drei Paare von lichtemittierenden Dioden und Phototransistoren derart angeordnet, daß, wenn das aus der lichtemittierenden Diode 146 und dem Phototransistor 152 bestehende Paar oder das Paar 150-156 sich in dem Mittelpunkt der Kerbe 144 befindet, sich die Probezelle 28 bzw. die Referenzzelle 34 in dem Mittelpunkt des Schlitzes 114 befindet. Die Pausen— Synchronisierdiode 148 und ihr Phototransistor 154 sind um 90 von den Probe- und Referenz-Diode-Transistor-Paaren entfernt. Die lichtemittierenden Dioden sind so angeordnet, daß kein Signal aus den Dioden das Ausgangssignal der Detektoren 130 oder 132 nennenswert beeinflußt.

Gemäß Fig. 4 erstreckt sich der Schlitz 144 umfangsmäßig über einen Winkel X, welcher vorzugsweise maximal 21 beträgt, und hat einen Minimumwinkel, der gleich der Ansprechzeit des elektronischen Signalverarbeitungssystems 33 für die Drehzahl der Zerhackerscheibe ist. Die Kerbe 114 überdeckt vorzugsweise einen Winkel Y, dessen Minimalwert 89° beträgt und dessen Maximalwert so groß ist, daß die Probezelle 28 und die Referenzzelle

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bedeckt sind, d.h. daß kein Licht durch den Schlitz hindurchgelassen wird, wenn das Pausensynchronisiersignal aus der lichtemittierenden Diode 148 und dem Phototransistor 154 über die Kerbe 144 in der in Fig.4 dargestellten Position vorhanden ist. Der in Fig. 4 gezeigte Winkel Z ist so gewählt, daß die elektrischen Signale aus den Detektoren und dem elektronischen Signalverarbeitungssystem 33 ihren Spitzenwert haben, wenn die Kerbe 144 die Probe- und Referenzsynchronisiersignale erzeugt, indem sie die lichtemittierenden Probe- und Referenzdioden 146 bzw. 150 freigibt.

Wie Fig. 4 weiter zeigt,ist der Radius R~ vorzugsweise größer als der Radius R^, und zwar um eine Größe, die ausreicht zu verhindern, daß durch die lichtemittierenden Dioden die Detektoren durch Transmission oder Reflexion beleuchtet werden. Die Größe der Radiendifferenz R. minus R^ ist gleich oder größer als der Innendurchmesser der Probezelle 28 und der Referenzzelle 34. Die Probezelle und die Referenzzelle sind so angeordnet, daß, wenn der Mittelpunkt der Zelle sich in dem Mittelpunkt des Schlitzes 114 befindet, der gesamte Zellendurchmesser die Infrarotstrahlung empfängt und durchläßt. Der Radius R₁ ist so groß wie möglich, damit der Schlitz 114 so groß wie möglich gemacht werden kann, um die Meßwerte aus den Detektoren zu stabilisieren, bevor die Synchronisiersignale durch die Kerbe 144 durchgesteuert werden, wie mit Bezug auf Fig. 8 erläutert. Die Paare aus lichtemittierenden Dioden und Phototransistoren sind vorzugsweise mit Abstand von dem Mittelpunkt der Zerhackerscheibe 110 auf einem gemeinsamen Radius angeordnet.

Die Infrarotquelle 104 von Fig. 3 und ihr Fenster sind ausführlicher in Fig. 6 dargestellt. Die Quelle 104 besteht aus einem Stabheizelement 101, beispiels-

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weise aus einer sog. "Calrod"-Einheit, welche in einen Keramikblock 103 eingeführt ist, der an der optischen Bank fest angebracht ist. Bei dem Keramikblock kann es sich um einen sog. "Alsimag"-Typ handeln, welcher ausgehöhlt wird, um einen Hohlraum zu bilden, in welchem das Heizelement 101 angeordnet wird. Das Heizelement 101 kann in den Hohlraum in dem Keramikblock 103 eingeführt werden, indem ein Loch 105 geeigneter Größe durch den Keramikblock 103 gebohrt wird und indem das Heizelement 101 durch das Loch hindurch in den Hohlraum eingeschoben wird. Das Heizelement 101 kann innerhalb des Keramikblockes 103 mit Hilfe eines Kittes befestigt werden, der auf die Enden des Elements 1O1 aufgebracht wird, wo es mit dem Keramikblock 103 Berührung hat. Aufgrund des beschriebenen Aufbaus besteht der einzige Kontakt zwischen dem Element 101 und dem Keramikblock 103 an den Enden des Elements 101. Da der Keramikblock 103 eine niedrige Wärmeleitfähigkeit hat, wird das Element 101 durch Temperaturänderungen, welche in dem das Element umgebenden Bereich auftreten, relativ wenig beeinflußt.

Das Element 101 wirkt als Energiestrahlungsquelle, wenn ihm über Leitungen 109 Wechselstrom zugeführt wird. Um sicherzustellen, daß das Element 101 eine lange Lebenszeit hat, bevor es ausgetauscht werden muß, wird der ihm zugeführte Strom etwas verringert. Da das Element jedoch eine unterschiedliche Temperatur und damit eine unterschiedliche Energieverteilung über ihr Strahlungsspektrum in Abhängigkeit von der zugeführten Leistung erzeugt, muß ausreichend Leistung zugeführt werden, um die Erzeugung einer ausreichenden Strahlungsenergie in dem interessierenden Band sicherzustellen, d.h. zwischen 3 ,um und 5 ,um.

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Die Höhe der öffnung in dem Keramikblock 103, durch welche die Strahlungsenergie aus dem Element 101 hindurchgehen kann, ist durch die vertikale Höhe der öffnung in dem Halteträger 134 von Fig. 5 festgelegt, durch welche hindurch die Detektoren 130 und 132 der Strahlungsenergie ausgesetzt sind. Vorzugsweise wird ein Verhältnis von 1:1 zwischen der Höhe des Elements 101, welches die Infrarotenergie abstrahlt, und der Höhe der Detektoröffnung aufrechterhalten, durch welche die Strahlungsenergie empfangen wird.

Der Betrieb des Elements 101 in der nichtdispersiven Infrarotanalysiereinheit von Fig. 3 ohne eine Frontabschirmung kann zu einer Instabilität in den Ausgangssignalen der Detektoren führen. Es wurde festgestellt, daß die Temperatur des Elements 101 und infolgedessen sein Energiepegel instabil sein kann, vermutlich wegen Luftströmen aufgrund der Rotation der Zerhackerscheibe 110, die nur wenige Zentimeter entfernt ist. Zur Lösung dieses Problems wird ein Saphirfenster vor der öffnung des Keramikblockes angebracht, wobei das Fenster 108 für Licht in dem Bereich von 3 ,um bis 5 ,um durchlässig ist. Wenn das Fenster 108 angebracht ist, ist das Signal aus den Detektoren sehr stabil.

Germanium- oder Siliciumfenster wären für das Fenster wegen ihrer Änderung mit der Temperatur nicht geeignet. Saphir wird durch Temperaturänderungen nicht in seiner Strahlungsdurchlässigkeit beeinflußt und hat außerdem die Fähigkeit, extremen Temperaturen körperlich standzuhalten.

Das Saphirfenster 108 ist an einem Winkel 107 aus rost-

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freiem Stahl befestigt. Der Winkel, der L-förmig ist, erstreckt sich längs der Oberseite des Keramikblockes 103, wo er an dem Keramikblock in herkömmlicher Weise, beispielsweise durch eine Schraube 107a, befestigt ist. Statt dessen kann der Winkel 107 an der optischen Bankanordnung befestigt sein, an welcher auch der Keramikblock 103 befestigt ist. Der Winkel 107 wird durch Wärme relativ wenig beeinflußt und hält das Saphirfenster 108 in Kontakt mit dem Keramikblock 103 auf dem Umfang der darin gebildeten öffnung. Die gesamte Anordnung 104 ist gegen Temperaturänderungen im wesentlichen immun und stellt eine sehr stabile Infrarotenergiequelle dar.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Saphir für das Fenster 108 besteht darin, daß Saphir für sichtbares Licht durchlässig ist und dadurch ein einfaches Ausrichten der optischen Bankanordnung ermöglicht. Andere Fenstermaterialien, die in dem Bereich von 3 ,um bis 5 ,um durchlässig sind, wie etwa Germanium und Silicium, sind für sichtbares Licht nicht durchlässig.

Die elektronische Signalverarbeitungsschaltung 33 für das Fahrzeugabgasanalysiersystem ist schematisch in Fig. 8 dargestellt. Es werden zwei Gruppen von elektronischen Signalverarbeitungssystemen benötigt, je eines für die Ausgangssignale aus den Detektoren 130 bzw. 132, die auf Leitungen 32a bzw. 32b erscheinen. Es ist in Fig. 8 nur das elektronische Signalverarbeitungssystem für den Detektor 130 ausführlich dargestellt. Es versteht sich, daß für die Signale aus dem Detektor 132 ein identisches elektronisches Signalverarbeitungssystem 33' benötigt wird.

In Fig. 8 wird das elektrische Ausgangssignal des Detektors 130 über die Signalleitung 32a in einen Vorver-

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2 5 5 74 4

stärker 153 eingegeben, dessen Verstärkungsfaktor über einen Verstärkungseinstelleingang 155 eingestellt werden kann, was durch ein Potentiometer oder dgl. erfolgen kann. Das Ausgangssignal des Detektors, das auf der Signalleitung 32a erscheint, ist ein elektrisches Signal des durch die Kurve A von Fig. 7 dargestellten Typs, welches Spitzen V_R und V_g hat, die der Zeit entsprechen, während der das rotierende Infrarotbündel durch die Referenzzelle bzw. durch die Probezelle hindurchgeht. Die Amplitude der Detektorsignale kann in einer Ausfuhrungsform im allgemeinen zwischen 7 mV und 25 mV (Spitze zu Spitze) liegen.

Nach der Vorverstärkung in dem Verstärker 153 und der Rauschfilterung (nicht dargestellt) gehen die Detektorsignale durch eine Schaltung 159 mit automatischer Verstärkungsregelung (AVR) hindurch. Der Verstärkungsfaktor der AVR-Schaltung 159 wird in der im folgenden erläuterten Weise eingestellt. Es sei jedoch beachtet, daß der Verstärkungsfaktor der AVR-Schaltung 159 während jeder Umdrehung der Zerhackerscheibe 110 konstant bleibt, d.h. jede Kombination von Signalen V_c und V_R während einer Umdrehung der Scheibe 110 wird aus den im folgenden beschriebenen Gründen eine konstante Verstärkung durch die Schaltung 159 erhalten.

Die Signale V_c und V_ verlassen die AVR-Schaltung 159 mit gleichen Amplituden oberhalb und unterhalb Masse, wie durch die gestrichelte Linie 161 in der Kurve A von Fig. 7 dargestellt. Um den unteren Rand dieser Signale auf Masse zu beziehen (wie allgemein in der Kurve A dargestellt) , werden die verstärkten Detektorsignale in eine Gleichspannungswiederherstellungsschaltung 158 eingegeben, in welcher der Gleichspannungswert der Detektorsignale auf Masse bezogen wird. Ein weiterer Grund für die Gleichspannungswiederherstellungsschaltung

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besteht darin, daß die Infrarotdetektoren, obgleich sie abgeschirmt sind, eine kontinuierliche schwache Strahlung aus der Infrarotquelle und aus den lichtemittierenden Dioden in der optischen Bankanordnung empfangen. Infolgedessen bringt dieses kontinuierliche Hintergrundlicht eine unbestimmte, eine stationäre Gleichspannungskomponente in die Detektorausgangssignale hinein, die eine Abwanderung von dem Massebezugspotential verursacht. Die Gleichspannungswiederherstellungsschaltung 158 wird mit dem Pausensynchronisiersignal auf der Leitung 36b (als Kurve D in Fig. 7 dargestellt) synchronisiert, um den festen Massebezugswert während der Zeit des Pausensynchronisiersignals zu schaffen, damit die konstante Gleichstromvorspannungskomponente, die durch das Hintergrundlicht erzeugt wird, beseitigt und die untere Seite auf periodischer Basis absolut auf Masse bezogen wird.

Nach der Wiederherstellung werden die Detektorsignale in eine Probe-Syhchrondemodulatorschaltung 116 und in eine Referenz-Synchrondemodulatorschaltung 162 eingegeben. Die Probe-Synchrondemodulatorschaltung 160 wird durch das Probe-Synchronisiersignal, das auf der Leitung 36a erscheint (als Kurve B in Fig. gezeigt), synchronisiert, um ein Gleichspannungssignal zu erzeugen, das proportional zu der abgefühlten Strahlung und deshalb proportional zu der Gaskonzentration in der Probezelle ist, die Strahlung innerhalb der Bandbreite des Filters absorbiert. Infolgedessen wird nur die Strahlung, die durch die Probezelle 28 hindurchgegangen ist (an der Kurve A von Fig. 7 durch V_ dargestellt), dann durch eine Offset-Einstelleinrichtung 164 und eine Probe-Ausgangstreiberstufe hindurchgeleitet., um das Ausgangssignal V_or>rk auf

SW

einer Leitung 180 zu erzeugen.

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2 5 5 7 A 4 δ

Das Ausgangssignal der GleichspannungswiederherStellungsschaltung 158 wird außerdem dem Referenz-Synchrondemodulator 162 zugeführt, welcher durch das Referenz-Synchronisiersignal synchronisiert wird, das auf der Leitung 36c erscheint (als Kurve C in Fig. 7 gezeigt). Aufgrund der Synchronisierung wird nur der als V_R in der Kurve A von Fig. 7 gezeigte Teil des Detektorsignals in dem Demodulator 162 demoduliert. Das Ausgangssignal des Referenz-Synchrondemodulators 162 ist ein Gleichspannungssignal, das zu der Konzentration von CO (und von anderem strahlungsabsorbierendem Gas) proportional ist, welches in der Referenzzelle enthalten ist und Strahlung innerhalb der Bandbreite des Filters absorbiert. Das demodulierte Signal V wird in eine Referenz-Ausgangstreiberstufe 168 eingegeben. Das Ausgangssignal der Referenz-Ausgangstreiberstufe 168 ist das Ausgangssignal V__ auf einer Leitung 182.

Um das Referenzausgangssignal V_nr,_ auf der Leitung 182 auf einem festen Spannungswert zu halten, so daß beide Ausgangssignale V_RCQ und V_sc_ mit dem digitalen oder analogen Datenauswertungssystem 24a oder 24b, das im folgenden beschrieben ist, kompatibel sind, ist für das Referenzsignal V_RCQ eine Rückkopplung für die automatische Verstärkungsregelung (AVR) vorgesehen. Das Referenzsignal ν_η~~ wird über eine Leitung 170 zurück zu einem Komparator 172 geleitet, an welchen außerdem ein konstantes Referenzsignal V^« über eine Leitung 174 angelegt ist. Jede Differenz zwischen dem Referenzsignal V__CQ und dem konstanten Referenzsignal V-^ erscheint als ein Fehlersignal, welches durch den Rückkopplungsverstärker 176 hindurch und dann über eine Leitung 178 zu der AVR-Schal- tung 159 geht. Die Verstärkung der AVR-Schaltung

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wird infolge des Rückkopplungskreises verändert, um das Referenzsignal V_RCQ auf einem konstanten Wert zu halten, der etwas über 8 V liegt. Anhand der Kurven in Fig. 7 ist zu erkennen, daß, da die Verstärkung der AVR-Schaltung 159, wenn überhaupt, nur geändert wird, wenn ein Referenzsignal V_R__O erscheint, und nicht erneut geändert werden kann bis zu dem nächsten Erscheinen eines Referenzsignals V_Rr,_, die Verstärkung der AVR-Schaltung 159 für das anschließende Probesignal V^p₀ konstant bleiben wird, welches durch die AVR-Schaltung 159 hindurchgeht. Nachdem die Verstärkung der AVR-Schaltung 159 geändert worden ist, bleibt sie also für jedes Paar von Referenz- und Probe-Detektorsignalen konstant.

Das zweite elektronische Signalverarbeitungssystem 33' für die HC-Detektorausgangssignale auf der Leitung 32b liefert ein Ausgangssignal V_ _c auf einer Leitung 18O¹ und ein Ausgangssignal V_.„_, auf einer Leitung 182¹.

KrI L.

Fig. 9 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild, welches dem in Fig. 8 ausführlich dargestellten elektronischen Signalverarbeitungssystem 33 äquivalent ist. In Fig.9 sind die Verstärkungen, die durch die verschiedenen Verstärker des elektronischen Signalverarbeitungssystems 33 den Detektorausgangssignalen gegeben werden, innerhalb der Blöcke gezeigt, um das Verständnis der Berechnungen zu erleichtern, die an den verschiedenen Signalen durch das Datenauswertungssystem 24 von Fig. 1 ausgeführt werden.

In Fig. 9 sind die Ausgangssignale eines der Detektoren auf der Signalleitung 32a oder 32b als Signale IR und IS dargestellt, welche abwechselnd erscheinen und bei welchen es sich um das der Intensität äquivalente Detektorausgangssignal bezüglich der Referenzzelle bzw. um

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das der Intensität äquivalente Detektorausgangssignal bezüglich der Probezelle handelt. Die Signale auf den Leitungen 32a oder 32b werden dem Block 184 zugeführt, welcher einen Verstärkungsfaktor K_p enthält, der dem Verstärkungsfaktor des Vorverstärkers 153 von Fig. 8 äquivalent ist, welcher durch die Verstärkungseinstellung auf der Leitung 155 eingestellt ist. Das Ausgangssignal des Blockes 184 wird in den Block 186 geleitet, der eine Verstärkung K_v enthält, die der Verstärkung der AVR-Schaltung 159 von Fig. 8 äquivalent und direkt proportional zu K χ Ε ist. Das Ausgangssignal des Blockes 186 wird dann dem Schalter 188 zugeführt, welcher die Synchrondemodulatoren 160 und 162 von Fig. 7 darstellt. Durch den Schalter wird den Signalen keine Verstärkung gegeben. Das Ausgangssignal V_ des Schalters 188 wird dann in den Block 190 eingegeben, welcher eine Verstärkung erzeugt, die gleich K„ ist, wobei es sich um die durch die Offset-Einstelleinrichtung 164 von Fig. 7 veränderte Verstärkung der Probe-Ausgangstreiberstufe handelt. Dem Ausgangssignal V_n des Schalters 188 wird eine Verstärkung von Eins gegeben. Die Referenzausgangsspannung V_ wird dann zu dem Komparator 192 zurückgeleitet, in welchem sie mit der Referenzspannung V-,„„ verglichen wird. Der Komparator erzeugt ein Fehlersignal E, welches der Differenz zwischen V_R und V-^p äquivalent ist. Das Fehlersignal E wird in einen Block 194 eingegeben, in welchem ihm die Verstärkung K_p des Rückkopplungsverstärkers (176, Fig. 8) gegeben wird, und das Ausgangssignal des Blockes 194 wird dem Block 186 zugeführt, um darin die Verstärkung K entsprechend dem Ausgangssignal des Blockes 194 zu ändern, welcheszu IL χ Ε proportional ist.

Wenn die Gasprobezelle 28 am Anfang mit Umgebungsluft gefüllt ist und wenn das Infrarotstrahlungsbündel gedreht und sowohl durch die ProbezeHe 28 wie auch die

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Referenzzelle 34 hindurchgeleitet wird, während Umgebungsluft in der Gasprobezelle enthalten ist, so können die Referenzausgangsspannung V_ und die Probeausgangsspannung V_g in dieser Zeit als V_{R LüpT} und V_{g LUpT} dargestellt werden. Wenn das Reinigungselektromagnetventil 68 von Fig. 2 dann betätigt wird, um die Umgebungsluftzufuhr zu sperren und Abgasemissionen aus dem getesteten Fahrzeug in die Probezelle 28 zu leiten,und wenn das rotierende Infrarotstrahlungsbündel dann durch die Referenzzelle und durch die Probezelle hindurchgeleitet wird, während die Probezelle mit Abgas gefüllt ist, so können die Referenzausgangsspannung und die Probeausgangs spannung in dieser Zeit durch V_R __„ und Vg ___s dargestellt werden. Es wird gezeigt, daß durch Verwendung des Datenverarbeitungssystems 24 (Fig. 1) zur Ausführung der Berechnung:

^V _x !§_gas _{= VERHÄLTNIS}

^ _x

R GAS S LUFT

ein Verhältnis erzeugt wird, welches äquivalent der Menge eines besonderen Schmutzstoffes,CO oder HC, in dem Abgas in bezug auf die Menge des besonderen Schmutzstoffes ist, der in der umgebenden Atmosphäre und in der am Anfang in die Probezelle 28 eingeleiteten Umgebungsluft enthalten ist. Wenn statt mit Umgebungsluft die Probezelle 28 am Anfang mit einem Referenzgas gefüllt wird, welches eine Konzentration von Null des besonderen Verunreinigungsgases enthält, so ist das durch die Gleichung (1) dargestellte Verhältnis ein absolutes Verhältnis der Menge des besonderen Schmutzstoffes zu einer Probe, welche keinerlei Schmutzstoff enthält.

Durch Ausführen der in Gleichung (1) dargestellten Berechnung, beispielsweise durch einen in bekannter Weise programmierten Digitalcomputer, oder durch Ausführen der Berechnung in analoger Weise wird die Menge des besonderen Schmutzstoffes eindeutig gemessen. Das durch

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die Gleichung (1) berechnete Verhältnis wird dann hinsichtlich Nichtlinearitäten in dem Gasprobenahme- und Meßsystem kompensiert und anschließend hinsichtlich Änderungen des Umgebungsdruckes und der Gastemperatur korrigiert. Das kompensierte Verhältnis wird dann der Anzeigeeinheit 52 von Fig. 1 zugeführt und ist dem Prozentsatz von CO in dem Abgas oder der Menge in

-4
ppm (d.h. 10 Volumen-%) von HC in dem Abgas äquivalent.

Fig. 10 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Abgasanalysiersystems, in welchem die Berechnungen und Korrekturen durch ein digitales Datenauswertungssystem 24a ausgeführt werden, welches eine Digitaldatenrecheneinheit 208 enthält. Die Digitalrecheneinheit 208 kann ein Mehrzweckdigitalcomputer sein. Ein Ablaufplan, welcher die durch die Digitaldatenrecheneinheit 208 ausgeführten Programmschritte darstellt, ist in Fig. 11 gezeigt.

Fig. 10 enthält eine Signalmultiplexiereinheit 206. In die Signalmultiplexiereinheit 206 werden die Ausgangssignale V_sco, V_RC0, V_SHC und V₁₁₁₁₀ aus den elektronischen Signalverarbeitungssystemen 33 und 33' von Fig. 8 über Leitungen 180 bzw. 182 bzw. 180" bzw, 182' eingegeben. Außerdem werden in die Signalmultiplexiereinheit 206 das Filter-blockiert-Signal auf der Leitung 22, das Gastemperatursignal auf der Signalleitung 42 und das Umgebungsdrucksignal auf der Signalleitung 46 eingegeben.

Die Signalmultiplexiereinheit 206 empfängt jedes der analogen Eingangssignale und überführt das ausgewählte Signal zur richtigen Zeit über einen Analog/Digital-Wandler 210 unter der Steuerung der auf einer Leitung 212 auftretenden Adreßsteuersignale in die Datenrecheneinheit 208.

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Außerdem werden direkt in die Datenrecheneinheit 208 die Fahrzeugspezifikationsdatensignale auf den Leitungen 50a, 50b und das Motordrehzahlsignal auf der Leitung 56 eingegeben. Das Motordrehzahlsignal kann in der in Fig. 1 dargestellten Weise mit Hilfe eines Drehzahlmessers erzeugt werden oder es kann ein in Fig. 10 dargestellter Zähler 213 verwendet werden, um auf der Leitung 56 ein Signal zu erzeugen, welches zu der Motordrehzahl proportional ist. Dem Zähler 213 werden aus einer nicht dargestellten Quelle innerhalb der Datenrecheneinheit 2O8 Taktimpulse und eine Reihe von Zeitsteuerimpulsen aus der Primärwicklung der Zündspule des getesteten Fahrzeuges über eine Leitung 215 zugeführt. Der Zähler 213 wird durch einen ausgewählten Primärwicklungsimpuls betätigt und durch den nächsten Primärwicklungsimpuls angehalten, wobei die Anzahl der in dem Zähler zwischen Primärwicklungsimpulsen gezählten Taktimpulse zu der Motordrehzahl proportional ist. Wenn beispielsweise das getestete Fahrzeug einen 8-Zylinder-Motor hat, so ist die Zeit zwischen zwei Primärwicklungsimpulsen gleich einer Viertelumdrehung des Motors, d.h. gleich 90 . Die Datenrecheneinheit 208 empfängt den Zählerstand aus dem Zähler 213 über die Leitung 56 und berechnet daraus die Motordrehzahl, wobei die Berechnung eine Funktion der Zylinderzahl des Motors ist. Diese Datenangabe ist mit den Fahrzeugspezifikationsdaten über die Leitungen 50a, b in die Datenrecheneinheit eingegeben worden.

Die Datenrecheneinheit 208 kann, wie bereits erwähnt, ein Mehrzweckdigitalcomputer sein. Die Programmanweisungen und erforderlichen zusätzlichen Daten, wie beispielsweise Konstanten, sind in einem Festspeicher gespeichert, welcher den Betrieb der Datenrecheneinheit 208 steuert. Eine vorübergehende Speicherung während

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der Berechnung erfolgt in einem Speicher 216 mit direktem Zugriff, welcher mit der Datenrecheneinheit 208 in Verbindung steht. Die Ausgangssignale der Datenrecheneinheit 208 enthalten ein Eingangssignal für die Anzeigeeinheit 52, das über eine Ausgangsleitung 53e abgegeben wird, und Gastransportzeitsteuersignale auf Signalleitungen 58a, b. Die letztgenannten Signale werden dem Abgastransportsystem 16 zugeführt, das in Fig. 2 ausführlich dargestellt ist, und sie steuern die Betätigung des Reinigungselektromagnetventils 68 und die Betätigung des Pumpenmotors 73, damit die Probezelle zu den richtigen Zeiten entweder mit ümgebungsluft oder mit Abgas gefüllt wird.

Die Datenrecheneinheit 208 von Fig. 10 empfängt die Signale aus der Signalmultiplexiereinheit 206, führt die durch die Gleichung (1) dargestellte Berechnung in der durch den Ablaufplan in Fig. 11 dargestellten Weise aus und korrigiert das errechnete Verhältnis hinsichtlich Nichtlinearitäten sowie hinsichtlich des ümgebungsdruckes und der Gastemperatur.

Nach dem Lambert-Beerschen Gesetz ergibt sich folgende Gleichung:

¹V ^{= 1}VO · ^e"^5v ^*^{1 {2)}

wobei I_y = Intensität von Licht mit der Frequenz ν nach

Durchgang durch das Gas I= Anfangslichtintensität δγ = Absorptionskoeffizient des Gases bei der

Frequenz ν

c = Volumenkonzentration des Gases 1 = Weglänge durch das absorbierende Gas.

6_y ist eine Funktion des Druckes und der Temperatur sowie der Frequenz.

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Die Filter 136 und 138, die die Detektoren 130 und abschirmen, haben .zwar eine endliche Bandspreizung und absorbieren bei einer Wellenlänge nicht vollständig, die Gleichung (2) ist jedoch ausreichend genau, wenn ein hochqualitatives Filter benutzt wird, um einen mittleren Absorptionskoeffizienten δ zu bestimmen. Da Luft fast vollständig aus zweiatomigen Gasen, Sauerstoff und Stickstoff, besteht, welche Infrarotstrahlung nicht absorbieren, können, wenn ein Strahlungsbündel mit fester Intensität in den 4,74 ,um (CO)- und 3,41 ,um (HC)-Bändern gemessen wird, nachdem es durch eine zuerst Umgebungsluft und dann ein Fahrzeugabgas enthaltende Probezelle hindurchgeleitet worden ist, die Konzentration von CO und HC in dem Gas aus den Signaländerungen berechnet werden. Die Glieder c und 1 in Gleichung (2) können durch Eichung bestimmt werden, indem die Probezelle mit einem Eichgas gefüllt wird, welches eine bekannte Konzentration der Gase hat.

Zwecks Herleitung der Gleichung (1) und der Darstellung ihrer Beziehung zu der Gleichung (2) ist aus Fig. 9 ersichtlich, daß folgende Gleichung (3) gilt:

^VR^=IR^XKP^XKV und

V_s = I_R χ K_p χ Ky χ K

Da eines der wesentlichen Merkmale der Erfindung die Vermeidung der Notwendigkeit ist, Änderungen des Bereiches (Bereich der Gesamteingangssignalgröße) und Nulleinstellungen manuell zu korrigieren, werden vier Messungen ausgeführt. Die Referenz- und Probespannungen V_R und Vg werden mit Umgebungsluft in der Probezelle bestimmt, und zu einer späteren Zeit werden die Referenz- und Probespannungen V_R und V_g mit dem Abgas in der Probezelle bestimmt. Infolgedessen können die

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Gleichungen (1) und (3) folgendermaßen zu einer Gleichung (4) zusammengefaßt werden:

^VR LUFT _χ ^VS GAS ₌ °^^>ΚΡ 'V LUFT __ ^(IS •^KP'^KV^KS⁾ GAS ₍₄₎ ^VR GAS ^VS LUFT ^(IR'^KP 'V GAS ^(IS '^KP •^KV'^KS⁾ LUFT

K und KL. sind unabhängig davon, ob sich Abgas oder Umgebungsluft in der Probezelle befindet, und sie ändern sich nur mit der Zeit. Da die Probe- und Referenzmessungen gleichzeitig ausgeführt werden, heben sich einige Glieder auf, wie in Gleichung (5) angegeben:

^VR LUFT _χ ^VS GAS ₌ ¹R LUFT _χ ¹S GAS _χ ^KS GAS ₍₅₎ ^VR GAS ^VS LUFT ¹R GAS ¹S LUFT ^KS LUFT

Wenn die Verstärkungsschaltung mit der Verstärkung K , die in dem Block 190 von Fig. 9 dargestellt ist, eine einfache elektronische Schaltung ist, deren Drift etwa Null ist, und wenn die Messungen mit Umgebungsluft und Abgas in der Probezelle zeitlich relativ kurz hintereinander ausgeführt werden, so kann K_g gestrichen werden und es bleibt die Gleichung (6):

^VR LUFT ^VS GAS _ ¹R LUFT ¹S GAS χ — - ^x

χ — - ^x τ

R GAS S LUFT R GAS S LUFT

Das Lambert-Beersche Gesetz von Gleichung (2) kann nun benutzt werden, um in Gleichung (6) die Anfangsquellenintensität einzuführen, wie in Gleichung (7) gezeigt:

^VR LUFT _!r ^VS GAS ye"⁶¹⁰ (LUFT) ye"*¹⁰ (GAS)

^VRGAS ^VS LUFT I_R.e"^61CCGAS) I_g.e"^61C(LUFT)

Da ein Referenzgas, wie etwa reine Luft, immer in der Referenzzelle 34 enthalten ist, ergibt sich aus der

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Gleichung (7) folgende Gleichung (8):

-6Ic(LUFT) -61C(GAS) ^VR LUFT _χ ^VS GAS ₌ Vf _χ Vf ₍₈₎

_v ,. τ -6Ic(GAS) _T -6Ic(LUFT) ^VR GAS ^VS LUFT V^e V^e

welche folgendermaßen vereinfacht werden kann:

^VRLUFT ^VS GAS _ e~ ^«^ _ -61.

V V ^e <^LUFT>

R GAS S LUFT

Auf der linken Seite der Gleichung (9) stehen nur gemes sene Parameter, und auf der rechten Seite stehen nur die Konstanten e,6 und 1 sowie die gewünschten Größen (C_r,_c-C_Tr__m). Es bleiben keine Veränderlichen zurück, welche Null- oder Bereichseinstellungen erfordern.

Die Gleichung (9) kann folgendermaßen als Gleichung (10) angeschrieben werden:

(C-C 1
' ' ^G™ ^LDFT' <¹⁰⁾

^VR	LUFT	X	^VS	GAS
^VR	GAS	^VS	LUFT

Die Gleichung (10) ist aus empirischen Daten unter Verwendung bekannter Gaskonzentrationen für CO in Fig.12 und für HC in Fig. 13 aufgetragen. Die Diagramme dieser Figuren bilden die Grundeichkurve der Emissionsanalysiereinheit. Die Kurven gelten für eine Temperatur von 30,0 °C und für einen Druck von 755,7 mm Hg. Alle individuellen Systeme, die gemäß der Erfindung hergestellt werden, werden auf dieselbe Kurve eingestellt, die in dem Prozessorspeicher, dem Block 214 von Fig.10, gespeichert wird, Mit anderen Worten, durch Berechnen der Gleichung (10), um ein Verhältnissignal zu erzeugen, welches das CO- oder HC-Verhältnis anzeigt, wie am An-

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fang in Gleichung (T) angegeben, und durch Eichen des berechneten Verhältnisses entsprechend der geeigneten Kurve für CO, die in Fig. 12 gezeigt ist, oder für HC, die in Fig. 13 gezeigt ist, ergibt sich das geeichte Verhältnissignal für CO in Prozent C0-Konzentration und das geeichte Verhältnissignal für HC in ppm HC.

Da der Wert von δ tatsachlich durch den Umgebungsdruck und die Gastemperatur beeinflußt wird, werden diese beiden Parameter gemessen und es wird eine Kompensation vorgenommen, indem das in dem Direktzugriffsspeicher 214 von Fig. 10 gespeicherte Computerprogramm benutzt wird. Die Druck- und Temperaturkorrekturen für CO und HC sind in Gleichung (11) angegeben: CO = geeichtes CO-Verhältnis (unkorrigiert) χ

[_1,8256 + 0,0058 T_Q - 0,0336 P_A] HC = geeichtes HC-Verhältnis (unkorrigiert) χ [i,9336 + 0,0022 T_Q - 0,0336 P J

wobei T_G die Gastemperatur (°C) des Abgases aus dem Thermistor 40 von Fig. 1 und P₂. der Umgebungsdruck (mm Hg) aus dem Fühler 44 von Fig. 1 ist.

Nachdem das berechnete Verhältnis gemäß den Kurven von Fig. 12 oder Fig. 13 geeicht worden ist und gemäß der Gleichung (11) druck- und temperaturkorrigiert worden ist, werden die Rechenergebnisse der CO- und HC-Werte aus der Datenrecheneinheit 208 von Fig. 9 in die Anzeigeeinheit 52 überführt, welche den Prozentsatz von CO und/oder die Menge an HC in ppm in digitalem oder numerischem Format für die Bedienungsperson anzeigt. Wenn gewünscht, können die CO-und HC-Werte mit den Grenzwerten für CO und HC verglichen werden, die einen Teil der Fahrzeugspezifikationsdaten bilden, und es kann eine Anzeigelampe zum Aufleuchten gebracht werden, um eine Anzeige zu liefern, wenn sich das getestete Fahr*"

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" ³⁹ " 25574Λ8

zeug außerhalb der Spezifikation für die Mengen von CO oder/und HC befindet.

Es ist wichtig, daß die Messungen von V_n und V unter Verwendung von Umgebungsluft in der Probezelle und die Messungen von V_n und V_ unter Verwendung von Abgas in der Probezelle angemessen zeitlich nahe beieinander ausgeführt werden, um Änderungen der Strahlung aus der Infrarotquelle daran zu hindern, das Ausgangssignal des Detektors zu verändern.

Fig. 11 ist ein vereinfachter Ablaufplan, welcher repräsentative Programmschritte zeigt, die in den Programmanweisungen enthalten sein können, welche in dem Direktzugriffsspeicher 214 von Fig. 10 gespeichert sind und die Berechnungen in der Datenrecheneinheit 208 sowie die Überführung der Eingangssignale aus der Signalmultiplexiereinheit 206 in den Analog/Digital-Wandler 210 und dann in die Datenrecheneinheit 208 steuern. Das Abgeben von Ausgangssignalen aus der Datenrecheneinheit 208 an die Anzeigeeinheit 52 über die Leitung 53e und der Beginn der Gastransportzeitsteuersignale auf den Leitungen 58a, 58b werden ebenfalls durch die in Fig. 11 gezeigten Programmschritte gesteuert. Dem mit der Programmierung von Digitalcomputern vertrauten Fachmann ist klar, daß verschiedene andere Programmschritte und gerätemäßige Ausführungen der Erfindung in Abhängigkeit von dem speziellen Aufbau und dem Betrieb der Datenrecheneinheit 208 geschaffen werden können.

Obwohl es in dem Ablaufplan von Fig. 11 nicht dargestellt ist, kann die Motordrehzahl ständig überwacht werden, d.h. mit der Solldrehzahl des Fahrzeugmotors verglichen werden, die als das Motordrehzahlreferenzsig-

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nal in Verbindung mit den Fahrzeugspezifikationsdaten auf den Leitungen 50a, b von Fig. 1 dargestellt ist. Wenn die Motoristdrehzahl außerhalb des gewünschten Bereiches liegt, d.h. außerhalb eines Bereiches, dessen Mitte bei der Motorsolldrehzahl liegt, werden die HC- und CO-Werte in der Anzeigeeinheit 52 nicht angezeigt und es wird eine Anzeigelampe in der Anzeigeeinheit eingeschaltet, welche anzeigt, daß die Motordrehzahl eingestellt werden muß. Das Filter-blockiert-Signal auf der Leitung 22 kann ebenfalls ständig überwacht werden, und, wenn es vorhanden ist, können die Berechnungen beendigt werden und das System kann mit Umgebungsluft gereinigt werden. Die Art der gerätemäßigen Ausführung dieser Programmschritte kann entsprechend bekannten Programmierverfahren erfolgen und wird deshalb nicht ausführlich beschrieben.

Wenn gewünscht, können die V_{R GAS}~ und V_{g GAS}~Signale ständig während der Zeit überwacht werden, während der diese Ablesungen ausgeführt werden, wobei neue V„ „_A_- und Vg -,,„-Signale ungefähr zweimal pro Sekunde abgenommen werden. Die Berechnungen der HC- und CO-Werte können ebenfalls ständig in gleicher Weise auf den neuesten Stand gebracht und auf kontinuierlicher Basis gemittelt werden, so daß die in der Anzeigeeinheit 52 angezeigten Werte die Mittelwerte von HC und CO sind. Weitere Änderungen in den Programmschritten sind für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich.

Fig. 14 zeigt eine typische Impulsübersicht für die Emissionsanalyse des Abgases aus einem Auto, wie sie durch das System von Fig.1 und das Datenauswertungssystem 24a von Fig. 10 ausgeführt wird. Nachdem das Fahrzeug in richtiger Position für den Test ist, betätigt die Bedienungsperson das Gasanalysiersystem und es werden Gas-

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transportzeitsteuersignale aus dem Datenauswertungssystem 24a über die Leitungen 58a, b abgegeben, um sicherzustellen, daß die Probezelle mit Umgebungsluft gereinigt wird. Wenn das System in einem unmittelbar vorhergehenden Zyklus nicht mit Umgebungsluft gereinigt worden ist, wird ausreichend Zeit zur Verfügung gestellt, so daß sichergestellt ist, daß die Probezelle zuerst mit Umgebungsluft gefüllt wird. Gleichzeitig bringt die Bedienungsperson die Sonde 12 an dem Auspuffrohr des Fahrzeuges an und gibt die Fahrzeugspezifikationsdaten in das Datenauswertungssystem 24a über die Leitungen 50a, b ein. Die Anzeigeeinheit 52 zeigt die Motorsolldrehzahl als digitale Daten an, die durch die Bedienungsperson abgelesen werden, und die Bedienungsperson beschleunigt dann das Fahrzeug auf die Motorsolldrehzahl, in diesem Beispiel auf "Schnelle Fahrt". Die Motoristdrehzahl wird über die Leitung 56 in das Datenauswertungssystem eingegeben. Wenn der Motor die Solldrehzahl erreicht und wenn die Probezelle mit Umgebungsluft gefüllt ist, werden die V_{R LUFT}~ und Vg _LUFT-Ablesungen vorgenommen und zur Speicherung in das Datenauswertungssystem eingegeben.

Nachdem die V_ Trjpm" V_ -Ablesungen vorgenommen worden sind, werden Gastransportzeitsteuersignale von dem Datenauswertungssystem 24a an das Reinigungselektromagnetventil 68 von Fig. 2 abgegeben, damit dieses Ventil die Umgebungsluftzufuhr zu der Probezelle sperrt und Abgas aus der Sonde 12 und dem Schlauch 14 in die Probezelle gepumpt wird. Nach einer Zeit, die ausreicht, um sicherzustellen, daß die Probezelle mit Abgas gefüllt ist, werden die V_R _GAg und V_g _QRS -Ablesungen vorgenommen .

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Es ist zu beachten, daß während der Beschleunigung roher Kraftstoff in den Motor eingeleitet wird und daß jegliche HC- oder CO-Gehaltmessungen, die an dem Abgas des Fahrzeuges in dieser Zeit vorgenommen werden, sehr hoch und unzuverlässig sind. Die Bedienungsperson muß warten, bis der überschüssige Kraftstoff verbrannt ist und sich das Abgas stabilisiert, bevor gültige Ablesungen des CO- und HC-Gehaltes vorgenommen werden können. Eine Zeitspanne von sieben Sekunden nach der Beschleunigung wird für die Ausführung zuverlässiger Messungen als ausreichend angesehen.

Nachdem die gewünschten Ablesungen ausgeführt worden sind, wird die Probezelle wieder mit Umgebungsluft gereinigt, um das Abgas zu entfernen, es werden aber keine zusätzlichen V_{R LUFT}~ oder V_{g LUFT}-Meßwerte benötigt. Während der Reinigungszeit verzögert die Be^ dienungsperson das Fahrzeug auf einen Zustand "Langsame Fahrt", wobei die Motorsolldrehzahl in der Anzeigeeinheit 52 angezeigt worden ist, nachdem die anfänglichen V_{R GAS}~ ^{und v}c _GAS-Ablesungen vorgenommen worden waren. Nach der Reinigung mit Umgebungsluft werden wieder Abgase in die Probezelle eingeleitet und es werden neue V₀ .-_ΛΟ- und V -Ablesungen für den Zustand "Langsame Fahrt" vorgenommen. Der Zyklus des Reinigens mit Umgebungsluft und der Abgasprobenentnahme wird für die Motorleerlaufdrehzahl wiederholt und es werden zusätzliche V und V _G „-Ablesungen für den Leerlaufzustand vorgenommen. Das System wird dann abschließend mit Umgebungsluft gereinigt und in Bereitschaftsstellung gebracht, beispielsweise kann der Pumpenmotor 73 von Fig. 2 abgeschaltet werden, bis das nächste Fahrzeug in Stellung gebracht ist, und der Zyklus wird wiederholt.

Die Verhältnisberechnungen können in der Datenrecheneinheit 208 ausgeführt und entweder während jedes Reinigungs-

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Probe-Zyklus oder nach Beendigung des Zyklus angezeigt werden. Für das gegebene Beispiel werden drei HC- und CO-Verhältnisberechnungen ausgeführt, eine für jede Motordrehzahl. Offensichtlich kann die Drehzahl, bei welcher Messungen von Emissionsschmutzstoffen ausgeführt werden, verändert werden.

Es ist wichtig, daß die Abgasprobe nur für die Zeit, die zum Erzielen der Ablesungen erforderlich ist, in die Probezelle eingegeben wird, während die Probezelle zu allen anderen Zeiten mit Umgebungsluft gereinigt wird, um eine Verunreinigung der Zelle durch Schmutzstoffe in dem Abgas zu verhindern.

Eine analoge Ausführungsform des Systems nach der Erfindung ist in Fig. 15 dargestellt. Die verschiedenen Eingangssignale in Fig. 1 werden in ein analoges Datenauswertungssystem 24b eingegeben, welches dem digitalen Datenauswertungssystem 24a von Fig. 10 gleichwertig ist. Gemäß Fig. 15 werden die auf den Signalleitungen 180 und 182 erscheinenden Signale V_gco und V_RCQ über normalerweise geschlossene Schalter 294 bzw. 296, deren Betrieb im folgenden beschrieben ist, und dann über Schalter 300 bzw. 302 geleitet, wobei das Signal V_ Leitungen 304 oder 306, die mit V_{g LUFT} bzw. V_{g GAg} bezeichnet sind, je nach der Stellung des Schalters 300 zugeführt wird, und wobei das Signal V„ Leitungen 308 oder 310, die mit V_{R LUFT} bzw. V_{R GAg} bezeichnet sind, je nach der Stellung des Schalters 302 zugeführt wird. Die Stellung der Schalter 300 und 302 wird durch die Stellung eines Schalters 312 festgelegt, welcher durch die Bedienungsperson des Systems von Hand betätigt wird. Der Schalter 312 hat zwei Stellungen, REINIGUNG und PROBE, und ist so vorgespannt, daß er, sofern er nicht durch die Bedienungsperson in der PROBE-Stellung gehalten wird, in die REINIGUNG-Stellung zurückkehrt.

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Der Schalter 312 kann ein Zeitverzögerungsschalter sein, der nach einer ausgewählten Zeitspanne von beispielsweise acht Sekunden, nachdem er in die PROBE-Stellung bewegt worden ist, in die REINIGUNG-Steilung zurückkehrt. Während der Schalter in der REINIGUNG-Stellung ist, wird ein Signal über die Leitung 58a¹ zu dem Reinigungselektromagnetventil 68 geleitet, um dieses zu veranlassen, Umgebungsluft in die Probezelle einzulassen. Während der Schalter 312 in der REINIGUNG-Stellung ist, sind die Schalter 300 und 302 normalerweise in der in Fig. 15 gezeigten Weise eingestellt, d.h. mit Leitungen 304 bzw. 308 in Kontakt.

Nimmt man an, daß der Schalter 312 in der REINIGUNG-Stellung ist, so wird das Signal V_g t_UFT ^auf der Leitung 304 zu einer Tastspeicherschaltung 314 geleitet, in welcher das Signal V„ _ΤΐΤρφ gespeichert wird. In gleicher Weise wird das Signal V„ _TTT„_m auf der Leitung 308 zu

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einer Tastspeicherschaltung 316 geleitet, in welcher es gespeichert wird.

Wenn ein Fahrzeug testbereit ist und sein Motor die Solldrehzahl erreicht hat, wie durch eine Anzeige auf dem Sichtgerät 52 angezeigt, bewegt die Bedienungsperson den Schalter 312 in die PROBE-Stellung. Zu dieser Zeit wird ein Signal über eine Leitung 58a" zu dem Reinigungselektromagnetventil 68 geleitet, damit das Einleiten von Umgebungsluft blockiert und Abgas in die Probezelle 28 eingeleitet wird. Ein Zeitgeber 318 wird ebenfalls betätigt und nach einer geeigneten Zeitspanne von beispielsweise sieben Sekunden, die sicherstellt, daß die Probezelle mit Abgas gefüllt worden ist, hört die Zeitsperre des Zeitgebers 318 auf, was bewirkt, daß Relais 320 und 322 betätigt werden. Durch die Betätigung des Relais 3-20 werden Arbeitskon-

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takte 324 und 326 geschlossen, deren Funktion im folgenden beschrieben ist, und durch die Betätigung des Relais 322 werden die Schalter 300 und 302 so eingestellt, daß die Signale V„„. und V-,_,_ auf den Leitungen 180 und 182 zu den Leitungen 306 bzw. 310 geleitet werden.

Eine Multipliziereinrichtung 328, die mit dem Ausgang der Tastspeicherschaltung 314 verbunden ist und ausserdem das Signal auf der Leitung 308 empfängt, er*- zeugt das Produkt N₁ = V_{g LUFT} x V_{R GAS}· Eine Multipliziereinrichtung 330, die mit dem Ausgang der Tastspeicherschaltung 316 verbunden ist und außerdem das Signal auf der Leitung 306 empfängt, erzeugt das Produkt N₂ = Vg _GAS χ V_{R LÜFT}· Die Ausgangssignale N₁ und N₂ der Multipliziereinrichtungen 328 bzw. 330 werden einer Dividierschaltung 33 2 zugeführt, in welcher die Division N₂ZN₁ ausgeführt wird. Diese Division ergibt das VERHÄLTNIS von Gleichung (1). Das VERHÄLTNIS-Signal aus der Dividierschaltung 332 wird in einen Generator 334 eingegeben, der eine nichtlineare Funktion erzeugt und in welchem die Kompensation des VERHÄLTNIS-Signals entsprechend der Kurve von Fig. 12 ausgeführt wird. Der Funktionsgenerator 334 kann ein einfaches Diodennetzwerk sein. Das Ausgangssignal des Nichtlineare-Funktion-Generators 334 wird dann einem Druck- und Temperaturkompensator 336 zugeführt, in welchem der berechnete CO-Wert druck- und temperaturkompensiert wird. Zur Ausführung dieser Kompensation werden das Gastemperatursignal auf der Leitung 42 und das Umgebungsdrucksignal auf der Leitung 46 über Untersetzungsverstärker 338 bzw. 340 in den Komparator 336 eingeleitet, welche die Konstanten für T_Q und P_A in Gleichung (11) liefern, die dann in einem Addierglied (in dem Kompensator 336) mit einer festen Signaldarstellung der Konstante (1,8256) in Gleichung (11) addiert werden. Das Ausgangssignal des Addierglie-

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des wird mit dem Ausgangssignal des Funktionsgenerators 334 in einer analogen Multiplizierschaltung (in dem Kompensator 336) multipliziert.

Das Ausgangssignal des Kompensators 336 ist das resultierende CO-Meßsignal, welches dann über den Kontakt 324, der nun wegen der Betätigung des Relais 320 geschlossen ist, und über die Leitung 53a der Anzeigeeinheit zugeführt wird. Nachdem die CO-Messung ausgeführt und auf der Anzeigeeinheit 52 angezeigt worden ist, bewegt die Bedienungsperson den Schalter 312 zurück in die . REINIGUNG-Steilung oder der Schalter 312 bewegt sich in die REINIGUNG-Stellung nach einer ausgewählten Zeitverzögerung zurück, wodurch der Kontakt 324 geöffnet wird, so daß anschließend kein Signal über diesen Kontakt gehen kann.

Die HC-Messungen werden durch ein Analoggerät 342 ausgeführt, welches mit dem soeben beschriebenen identisch ist (mit Ausnahme der nichtlinearen Funktion, welches die von Fig. 13 ist) und welches Eingangssignale V"_SH_, über die Leitung. 180¹ und V_0x.-, über die Leitung 182' sowie Temperatur- und Druckeingangssignale über Untersetzungsverstärker 338' und 34O¹ empfängt. Das berechnete HC-Signal wird über einen Kontakt 326 und die Leitung 53b dem Sichtgerät 52 in demselben Zeitpunkt zugeführt, in welchem das CO-Signal dem Sichtgerät zugeführt wird.

Wenn während der Messungen das Motordrehzahlsignal auf der Leitung 56 von dem Motordrehzahlreferenzsignal auf der Leitung 50a um einen in einem Komparator 344 bestimmten Wert abweicht oder wenn ein Filter-blockiert-Signal auf der Leitung 22 erscheint, wird eine ODER-

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Schaltung 346 betätigt und ein Relais 348 wird betätigt, um die Kontakte 294 und 296 zu öffnen, so daß ein Nullausgangssignal auf den Leitungen 53a und 53b erzeugt wird, und ein Kontakt 298 wird geschlossen, damit ein Systemfehlersignal über eine Leitung 53c der Anzeigeeinheit 52 zugeführt wird.

Fahrzeugspezifikationsdaten, die in dieser Ausführungsform auf der Leitung 50b erscheinen, können der Anzeigeeinheit 52 über eine Leitung 53d direkt zugeführt werden.

Die Fig. 16 und 17 zeigen die Filterkennlinien der Filter 138 bzw. 136 von Fig. 5, die benutzt werden können, um die angegebenen Wellenlängen für die HC- und CO-Messung durchzulassen. Die gewählten und hier beschriebenen besonderen Wellenlängen wurden durch eine Regierungsstelle für Emissionsanalysetests ausgewählt. Da die Komponenten in Autoauspuffemissionen von Hexan und Kohlenmonoxid bei anderen als den beschriebenen Wellenlängen auftreten, ist klar, daß andere Wellenlängen zur überprüfung auf HC-und CO-Komponenten in dem Abgas gewählt werden können.

Es ist zu erkennen, daß in dem System mehr als zwei Detektoren benutzt werden können und daß Tests ausgeführt werden können, die sich auf andere Schmutzstoffe erstrecken, wie beispielsweise Kohlendioxid, Acetylen, Methan oder Distickstoff-Monoxid (NO),indem einfach die Filter durch andere Filter ersetzt werden, welche eine Strahlung mit den gewünschten Wellenlängen durchlassen.

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Claims

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Patentansprüche :

( 1) Gasanalysiersystem zum Messen der Menge eines ausgewählten Schmutzstoffes in einem Probegas, gekennzeichnet durch eine Probezelle, welche ein Gas aufnehmen kann, durch ein Elektromagnetventil, welches eine erste und eine zweite Stellung hat, durch eine Einrichtung, welche Luft durch das Elektromagnetventil hindurch in die Probezelle leitet, wenn das Ventil in der ersten Stellung ist, und welche Probegas durch das Elektromagnetventil hindurch zu der Probezelle leitet, wenn das Ventil in der zweiten Stellung ist, durch eine Einrichtung zum Erzeugen eines Infrarotstrahlungsbündels und zum Hindurchleiten des Bündels durch die Probezelle während der Zeit, während der die Zelle Luft enthält, und zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals, welches die Absorption der Strahlung durch den ausgewählten Schmutzstoff in der Luft anzeigt, und zum Hindurchleiten des Bündels durch die Probezelle während der Zeit, während der die Zelle das Probegas enthält, und zum Erzeugen eines zweiten elektrischen Signals, welches die Absorption der Strahlung durch den ausgewählten Schmutzstoff in dem Probegas angibt, durch ein Datensteuersystem, welches auf das erste und das zweite elektrische Signal anspricht, zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das die Menge des ausgewählten Schmutzstoffes in dem Probegas angibt, und zum Verstellen des Ventils zwischen der ersten und der zweiten Stellung, wobei das Datensteuersystem das Ventil auf das Erzeugen des Ausgangssignals hin automatisch in die erste Stellung bewegt, so daß die Probezelle unmittelbar im Anschluß an das Messen der Schmutzstoffmenge mit Luft gereinigt wird.
2. Gasanalysiersystem nach. Anspruch 1 _f gekennzeichnet

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durch eine Einrichtung zum Verbinden des Elektromagnetventils mit einer Kraftfahrzeugabgasquelle und zum Fördern des Abgases in die Probezelle, wenn das Elektromagnetventil in der zweiten Stellung ist.

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