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Dokumentenidentifikation DE3921895A1 15.10.1992
Titel Aerosol-Elektrometer, Aerosol-Sensoreinrichtung sowie Sonde
Anmelder Gossen GmbH, 8520 Erlangen, DE
Erfinder Seifert, Wilhelm, 8552 Höchstadt, DE;
Pfeiffer, Eberhard, 8524 Neunkirchen, DE;
Niersberger, Rudi, 8523 Baiersdorf, DE
Vertreter Hafner, D., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 8500 Nürnberg
DE-Anmeldedatum 04.07.1989
DE-Aktenzeichen 3921895
Offenlegungstag 15.10.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.10.1992
IPC-Hauptklasse G01N 15/06
IPC-Nebenklasse G01R 5/28   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aerosol-Elektrometer zur Bestimmung von in einem Gasstrom dispergierter, geladener Teilchen. Das Elektrometer umfaßt eine Abschirmung, eine innerhalb der Abschirmung vorgesehene Abscheideeinrichtung, welche insbesondere einen mechanischen Filter (65) aufweist, welcher mittels einer Halterung (75) in das Aerosol-Elektrometer (60) einsetzbar ist. Der mechanische Filter (65) befindet sich in einem isoliert gelagerten Faraday-Käfig, welcher mit dem Eingang eines Elektrometerverstärkers (76) in Verbindung steht. Zur Durchführung einer definierten Verdünnung des zu entnehmenden Meßgases wird zusätzlich eine Sonde beansprucht, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Meßgasstrom unabhängig vom Entnahmedruck aufnehmbar und mittels mindestens einem Verdünnungsgas auf ein definiertes Verdünnungsverhältnis verdünnbar ist. Hierzu weist die Sonde im Bereich des vorderen Endes ein Ansaugrohr (31) zur Aufnahme des unverdünnten Meßgases auf. Das Ansaugrohr (31) mündet in einen Mischkanal (32), in dem eine Zuführung des Verdünnungsgases derart erfolgt, daß die im Mischkanal (32) abgeführte Gesamtdurchflußmenge Qges bei sich ändernder Verdünnung konstant bleibt (Fig. 1).

Beschreibung[de]

Der vorliegende Erfindungskomplex betrifft allgemein den Bereich der Bestimmung von in einem Gasstrom dispergierter Teilchen (Aerosole) unter Zuhilfenahme der sog. photoelektrischen Detektion.

Aus umweltpolitischen und auch gesundheitlichen Gründen ist es heutzutage in weiten Bereichen der Technik notwendig geworden, den Gehalt an Feststoffen in der Luft, in Gasen oder Abgasen festzustellen. Insbesondere hinsichtlich von Nachforschungen, die die Gesundheitsschädlichkeit von Abgasen betreffen, erhält man wichtige Kenndaten aus der Messung der Feststoffbelastung von Abgasen, wodurch Rückschlüsse auf die Schädlichkeit von Abgaspartikeln auf den menschlichen oder auch tierischen Organismus gezogen werden können. Darüber hinaus ist es in der heutigen Zeit unvermeidbar geworden, Schadstoffkonzentrationen in der Luft, in Abgasen, in Betrieben etc. ständig zu kontrollieren und zu überwachen.

Eine Möglichkeit der Bestimmung von Feststoffteilchen in einem Abgas bietet die bereits eingangs erwähnte photoelektrische Detektion. Hierbei werden in einem Gasstrom enthaltene, dispergiert Teilchen (Aerosole) mit Licht (z. B. UV-Licht der Wellenlänge von 254 nm) photoelektrisch aufgeladen und die Ladung mittels eines Aerosol- Elektrometers kontinuierlich detektiert.

Der hier ausgenutzte Prozeß der Photoemission von kleinen Partikeln läßt sich in folgende Teilschritte unterteilen:

  • 1. Anregen eines Elektrons durch Absorptions eines Photons.
  • 2. Entfernen des Elektrons aus dem Bereich des Oberflächenpotentials.
  • 3. Entfernen des Photoelektrons aus dem Bereich des Bild- und Coulomb-Potentials.
  • 4. Entfernen des Photoelektrons aus der nächsten Nähe des Partikels durch Diffusion in den Raum.


Der Teilschritt 4 ist im Zusammenhang mit der Photoemission an Aerosolen von besonderer Bedeutung. Für große Partikel mit R»λe, wobei R der Partikelradius und λe die mittlere freie Weglänge eines Elektrons im Trägergas ist, wird die Wahrscheinlichkeit, wieder durch Diffusion auf das Partikel zurückzugelangen, gleich 1. Das bedeutet, daß eine effiziente Photoaufladung nur an kleinen Partikeln (R«λe) möglich ist.

Stoffe mit niedriger Austrittsarbeit sind neben reinen Metallen die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAH&min;s).

PAH&min;s entstehen bevorzugt bei der Verbrennung organischen Materials. Wobei die Konzentration an PAH&min;s ein Maß für die Unvollkommenheit der Verbrennung ist, d. h. je höher der Anteil an PAH&min;s im Abgas, desto unvollständiger ist die Verbrennung. Werden diese Stoffe in Aerosolform (d. h. dispergiert in einem Gasstrom) mit Lichtquanten bestrahlt, können die gebildeten positiv geladenen Partikel kontinuierlich detektiert werden.

Die pro Zeiteinheit entstehenden positiv geladenen Teilchen N&spplus; aus einem Ensemble ungeladener Teilchen N kann man folgendermaßen beschreiben:



Y (h·ν) = Photoausbeute eines photoemissionsfähigen Stoffes bei einer gegebenen Energie;

F = Bedeckungsgrad eines Partikels mit photoemmisionsfähigem Stoff;

π·r² = beleuchteter Querschnitt eines Partikels;

I = Intensität der Lichtquelle;

N = Anzahlkonzentration der neuen Partikel; und

tirr = Belichtungszeit

Das Signal der Sonde hängt bei konstantem Photonenfluß, konstanter Intensität und Belichtungszeit somit von der Anzahl der zur Verfügung stehenden Teilchen, dem Bedeckungsgrad dieser Teilchen, dem Partikelquerschnitt und der stoffspezifischen Photoausbeute Y ab. Dieser Zusammenhang konnte auch experimentell bestätigt werden.

Die Nachweisgrenze ist von der Photoausbeute Y und der unteren Grenzempfindlichkeit des verwendeten Aerosol-Elektrometers abhängig. Da die Partikel kontinuierlich elektrisch aufgeladen und ihre Ladungen gemessen werden, ist somit auch eine on-line- und real-time-Detektion möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Ziel zugrunde, die Effizienz und die Aussagekraft von Schadstoffmessungen zu verbessern bzw. zu erhöhen.

Dieses Ziel wird durch die Schaffung eines Aerosol- Elektrometers zur Bestimmung von in einem Gasstrom dispergierter, geladener Teilchen (Aerosole) gelöst, welches gekennzeichnet durch eine Abschirmung, eine innerhalb der Abschirmung vorgesehene Abscheideeinrichtung, welche sich in einem isoliert gelagerten Faraday- Käfig befindet, der mittelbar oder unmittelbar mit dem Eingang eines Elektrometerverstärkers in Verbindung steht und die Abscheideeinrichtung über eine Verschlußeinrichtung dem Aerosol-Elektrometer entnehmbar ist.

Das erfindungsgemäße Aerosol-Elektrometer bietet den Vorteil, daß nach der Bestimmung der Ladung der Aerosole die Aerosole einer chemischen und/oder physikalischen Analyse zugeführt werden können, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, eine Korrelation zwischen beiden Aussagen (nämlich der elektrischen Ladung sowie der chemischen Beschaffenheit) herzustellen.

Eine besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aerosol-Elektrometers ist dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheideeinrichtung einen mechanischen Filter aufweist, welcher mittels einer Halterung in das Aerosol-Elektrometer einsetzbar ist und auf dem die Aerosole abgeschieden werden können. Durch Entnahme des Filters ist in einfacher Weise möglich geworden, die abgeschiedenen Aerosole einer chemischen und/oder physikalischen Prüfung zu unterziehen. Der Filter läßt sich gleichsam in Form eines Einsatzes problemlos dem Aerosol-Elektrometer entnehmen und in eine beispielsweise naß-chemische Apparatur einsetzen. Darüber hinaus können Filter unterschiedlicher Art bzw. Kalibrierung in ein und dasselbe Elektrometer eingesetzt werden.

Zweckmäßigerweise weist eine besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aerosol-Elektrometers als Abschirmung zwei Schirme, nämlich einen äußeren und einen inneren Schirm auf, wobei der Eingang des Elektrometerverstärkers sich im inneren Schirm befindet und unmittelbar mit dem Faraday-Käfig verbunden ist. Durch diese Doppelabschirmung werden störende elektrische Einflüsse von außen vollständig vermieden und ein aussagekräftiges repräsentatives Ergebnis gewährleistet.

Vorteilhafterweise ist als Verschlußeinrichtung ein Bajonett-Verschluß vorgesehen, was den Vorteil hat, daß die Abscheideeinrichtung bzw. der von einer Halterung fixierte Filter rasch aus dem Aerosol-Elektrometer entnehmbar ist. Folglich kann auch ein Wechsel oder eine Erneuerung der Abscheideeinrichtung bzw. des Filters rasch erfolgen, wobei das Aerosol-Elektrometer nicht in Einzelteile zerlegt werden muß.

Als weiteren Bestandteil betrifft die vorliegende Erfindung eine Aerosol-Sensoreinrichtung, welche gekennzeichnet ist durch eine Photoionisationseinheit zur Photoionisation vorher im wesentlichen neutraler Teilchen (Aerosole) eines Gasstroms, einen Aerosol-Elektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mindestens eine Pumpe, mindestens einen Durchflußmesser sowie eine Auswerteelektronik. Mit dieser Einrichtung können photoemissionsfähige Stoffe unter Einbeziehung der Vorteile des erfindungsgemäßen Aerosol-Elektrometers detektiert werden. Insbesondere können polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH&min;s), an deren Messung wegen ihrer gesundheitsgefährdenden Eigenschaften ein erhebliches Interesse besteht, festgestellt werden. Im Vergleich zur herkömmlichen Analytik, welche ein langwieriges Sammeln und Aufbereiten von Proben notwendig macht, kann mit der erfindungsgemäßen Aerosol-Sensoreinrichtung innerhalb nur weniger Sekunden gemessen werden, wobei die Nachweisgrenze hier jedoch sehr beachtlich ist und im Nanogramm/m3-Bereich liegt. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Aerosol-Sensoreinrichtung besteht darin, daß damit bevorzugt die lungengängigen Submikron-Partikel erfaßbar sind, welche insbesondere für den Umweltschutz von zunehmender Bedeutung sind. Diese Partikel sind anderen Methoden, z. B. dem Streulichtmeßverfahren, aufgrund ihrer geringen Größe nicht zugänglich.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aerosol-Sensoreinrichtung ist durch einen elektrostatischen Vorabscheider gekennzeichnet. Dieser elektrostatische Vorabscheider dient dazu, die durch den Verbrennungsprozeß erzeugten bereits geladenen Teilchen abzuscheiden. Hierdurch wird gewährleistet, daß das Meßgas von den im Verbrennungsvorgang entstandenen ionisierten Teilchen befreit wird. Ionisierte Teilchen würden andernfalls die Messung beeinflussen, d. h. die Meßgenauigkeit beeinträchtigen, d. h. das Meßergebnis verfälschen.

Es ist unbedingt darauf zu achten, daß das Meßgas keine Feuchtigkeit enthält bzw. im Meßgas keine Feuchtigkeit ausgeschieden wird. Eine Wasser- oder Wasserdampfkondensation würde das Meßergebnis verfälschen. Um eine Kondensation von Wasser- oder Wasserdampf zu vermeiden könnte die Anlage bzw. Teile davon beheizt werden. Dies ist jedoch sehr aufwendig. Eine zweckmäßige Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung löst dieses Problem dadurch, daß eine Verdünnungseinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher der Meßgasstrom mit einem Verdünnungsgas oder einem inerten Trägergas verdünnbar ist.

Zweckmäßigerweise ist als Verdünnungseinrichtung eine Sonde vorgesehen, mittels welcher Meßgas entnehmbar und welcher zusätzlich das Verdünnungsgas zuführbar ist. Durch die Verdünnung bereits im Bereich der Sonde wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß eine Kondensation in sämtlichen Bereichen der Aerosol-Sensoreinrichtung vermieden wird.

Neben der eigentlichen Verwendung der Aerosol-Sensoreinrichtung zur Bestimmung des Gehaltes an festen Teilchen, insbesondere PAH&min;s in einem Gasstrom hat sich herausgestellt, daß sich die erfindungsgemäße Aerosol-Sensoreinrichtung ganz besonders zur Bestimmung des Erschöpfungszustands von Katalysatoren und/oder Katalysator-Anlagen, insbesondere im Kfz-Bereich. Überraschenderweise wurde nämlich gefunden, daß die Gruppe der PAH&min;s bei funktionierendem Katalysator als erste von Kohlenwasserstoffen abgebaut wird. Man kann folglich anhand der Bestimmung der PAH-Konzentration im Abgas eines Fahrzeugs direkt auf die Funktionstüchtigkeit des Katalysators des betreffenden Fahrzeugs schließen.

Besonders unter Berücksichtigung des immer stärker werdenden Umweltbewußtseins breiter Bevölkerungsschichten wird man in Zukunft nicht umhin können, die aus umweltpolitischen Gründen eingeführten Kfz-Katalysatoren regelmäßig hinsichtlich des Erschöpfungsgrades zu prüfen. Durch die erfindungsgemäße Verwendung läßt sich der Erschöpfungsgrad - vor allem auch bei wissenschaftlichen Untersuchungen - sehr genau und vor allem sehr einfach feststellen.

Der vorliegende Erfindungskomplex betrifft weiterhin eine Sonde zur definierten Verdünnung eines Meßgases insbesondere für den Einsatz als Meßsonde in einer Aerosol-Sensoreinrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8.

Oftmals besteht das Problem, Meßgase aus einem Meßgasreservoir, welches unter einem zum Meßgerät unterschiedlichen Druck steht, dem Meßgerät zuzuleiten bzw. dieses zu verdünnen. Man denke beispielsweise an eine Probegasentnahme aus einem in der Automobilindustrie üblichen Verdünnungstunnel. Bei derartigen Anwendungen können Verdünnungssysteme, welche ausschließlich nach dem Injektorprinzip oder anderen druckabhängigen Verfahren arbeiten nicht eingesetzt werden.

Dieses Problem wird durch die erfindungsgemäße Sonde dahingehend gelöst, daß ein Meßgasstrom unabhängig vom Entnahmedruck aufnehmbar und mittels mindestens einem Verdünnungsgas auf eine definiertes Verdünnungsverhältnis verdünnbar ist. Die den Meßgeräten zugeführte Gesamtgasmenge Qges soll bei einsetzender Verdünnung konstant bleiben, wobei die Gesamtgasmenge Qges darüber hinaus auch einstellbar sein soll.

Eine besondere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sonde ist dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des vorderen Endes der Sonde ein Ansaugrohr zur Aufnahme des unverdünnten Meßgases vorgesehen ist, das Ansaugrohr in einen Mischkanal mündet oder übergeht, in dem eine Zuführung eines Verdünnungsgases derart erfolgt, daß die im Mischkanal abgeführte Gesamtdurchflußmenge Qges bei sich ändernder Verdünnung konstant bleibt. Hierdurch wird erreicht, daß die dem oder den Meßgerät(en) zugeführte konstant gehaltene, aber einstellbare Gesamtdurchflußmenge Qges an Meßgas in einer Vorstufe mit einem konstant gehaltenen aber einstellbaren Prozentsatz an Verdünnungsgasmenge Qv zwangsweise verdünnt wird, wobei Qges jedoch konstant gehalten werden kann.

Eine konstruktiv einfache und daher besonders vorteilhafte erfindungsgemäße Sonde ist dadurch gekennzeichnet, daß das Verdünnungsgas über einen koaxial zum Mischkanal verlaufenden Ringkanal dem Mischkanal zuführbar ist.

Dadurch, daß gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sonde das Ansaugrohr mit seinem innenseitigen Ende über den Bereich hinaus in den Mischkanal hineinverläuft, in dem das Verdünnungsgas dem Mischkanal zugeführt wird, wird gewährleistet, daß eine besonders intensive Mischung bei laminaren Strömungsbedingungen erfolgen kann. Mit dieser Konstruktion läßt sich zudem besonders gut verwirklichen, daß bei der Bedingung Qv>Qges das Meßsystem ohne Aerosolbestandteile gespült werden kann, da kein Meßgas angesaugt werden kann. Vielmehr tritt die Differenz Qv-Qges dann aus der Entnahmesonde, d. h. dem Ansaugrohr, aus.

Als vorteilhaft erweist es sich ferner, wenn die Sonde ein Reservoir aufweist, welches zum Mischkanal über den Ringkanal und zur Außenseite über ein Anschlußteil in Verbindung steht.

Zweckmäßigerweise kann das Reservoir in einem erweiterten Gehäuseteil koaxial zum Mischkanal vorgesehen sein.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sonde weist diese an ihrem vorderen Ende einen Anschluß auf, wodurch die Sonde mit ihrem Ansaugrohr fest mit einem Abgassystem verbunden werden kann, ohne daß schädliche Abgase in den Bereich des Meßaufbaus vordringen können. Der Anschluß an der Meßsonde gewährleistet gleichsam eine Abdichtung des Abgassystems.

In vorteilhafter Weise können die der Sonde zugeführten Gasdurchflußmengen mit Massendurchflußmessern oder Massendurchflußreglern kontrolliert werden, wodurch die Meßgasentnahme weitgehend unabhängig vom Unter- oder Überdruck ist, der an der Meßgasentnahmestelle herrscht. Durch Änderung der der Sonde zugeführten Verdünnungsgasmenge kann eine Verdünnung des Meßgases bis zur vollständigen Spülung des Meßsystems mit dem Verdünnungsgas durchgeführt werden.

Ausgestaltungen der einzelnen Erfindungsbestandteile des Erfindungskomplexes in dieser Anmeldung werden im folgenden anhand von einzelnen Zeichnungsfiguren näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Aerosol-Sensoreinrichtung, welche neben der hochempfindlichen Detektion von photoemissionsfähigen Stoffen in Aerosolform zusätzlich eine Verdünnung des angesaugten Meßgasstroms ermöglicht;

Fig. 2 eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aerosol-Elektrometers, insbesondere für einen Einsatz in einer Aerosol-Sensoreinrichtung gemäß Fig. 1; und

Fig. 3 eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sonde, insbesondere zur Verwendung in einer Aerosol-Sensoreinrichtung gemäß Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Aerosol-Sensoreinrichtung 10 umfaßt eine Sonde 30, welche mit einer Abgasleitung 20 in Verbindung steht. Anstelle der Verbindung der Sonde 30 mit einer Abgasleitung 20 kann die Sonde 30 selbstverständlich auch in einem Raum, im Freien etc. zur Überwachung bzw. Detektion von Aerosolen positioniert werden. Die Sonde 30 steht über eine Leitung 120 mit einem elektrostatischen Vorabscheider 40 in Verbindung. Der elektrostatische Vorabscheider 40 dient zur Abscheidung von im Abgasstrom vorhandener geladener Teilchen. Jegliche von vornherein geladenen Teilchen des Abgasstroms würden zur einer Verfälschung des Meßergebnisses führen.

Zweckmäßigerweise ist der elektrostatische Vorabscheider ein Plattenkondensator. Die an den Platten anliegende Spannung kann, je nach Anwendungsfall, einige KV betragen.

Der elektrostatische Vorabscheider 40 steht über die Leitung 120 mit einer Photoionisationseinheit 50 in Verbindung. Die Photoionisationseinheit 50 dient der gezielten Photoionisation vorher neutraler Teilchen. Die Photoionisationseinheit besitzt einen (nicht dargestellten) elliptischen Querschnitt, wobei in der einen Brennachse eine UV-Lampe und in der anderen Brennachse ein Quarzrohr angeordnet ist. Die inneren Wände der Photoionisationseinheit sind mit UV-reflektierendem Aluminium-Blech belegt. Die emittierten Wellenlängen der UV-Lampe sind ≤185 nm. Zwischen Lampe und Quarzrohr kann eine Blende mit unterschiedlicher Öffnung eingeschoben werden, um die Lichtintensität zu verändern.

Die Photoionisationseinheit 50 steht mit dem Aerosol- Elektrometer 60 in Verbindung. Zur Beschreibung des Aerosol-Elektrometers wird im folgenden auf Fig. 2 Bezug genommen. Das Aerosol-Elektrometer 60 ist in Doppelschirmtechnik aufgebaut. Es besitzt einen äußeren Schirm 61 in Form eines äußeren Gehäuses sowie einen inneren Schirm 62 in Form eines vom äußeren Gehäuse beabstandeten inneren Gehäuses. Äußeres und inneres Gehäuse 61, 62 sind über geeignete Abstandshalter 71 voneinander beabstandet. Innerhalb des inneren Schirms 62 befindet sich ein Faraday-Käfig, welcher einen im inneren Gehäuse 62 fest angeordneten Einsatz 66 sowie einen herausnehmbaren Einsatz 67 aufweist. Die beiden Einsätze 66 sowie 67 besitzen Bohrungen 72 bzw. 73, welche zur Innenseite des Aerosol-Elektrometers 60 hin sich trichterförmig erweitern.

Die Bohrung 72 bzw. 73 mündet in einen Anschluß 63 bzw. 64 zur Verbindung des Aerosol-Elektrometers mit der Photoionisationseinheit 50 bzw. der stromabwärts gelegenen Pumpe 80.

In der Berührungsebene der beiden Einsätze 66 und 67 befindet sich ein mechanischer Filter 65 zur Abscheidung der Aerosole. Gemäß Fig. 2 wird der Filter 65 zwischen die beiden Einsätze 66 und 67 eingespannt. Um eine optimale Einspannwirkung zu erzielen, besteht der Einsatz 67 aus zwei Teilen, welche zueinander mit der Kraft einer Druckfeder 69 beaufschlagbar sind. Der Einsatz 67, das innere Teil 74 des Einsatzes 67, die Druckfeder 69 sowie der Filter 65 sowie dessen Halterung 75 werden seitlich in das innere Gehäuse 62 eingeschoben und mittels des Bajonett-Verschlusses mit dem inneren Gehäuse verriegelt. Folglich ist gewährleistet, daß die an dem Filter 65 angesammelten Aerosole unmittelbar nach der Messung rasch einer chemischen oder physikalischen Analyse zuführbar sind. Als Filter kenn beispielsweise ein Filter der Firma Whatman, des Typs GF/C Verwendung finden. Bezüglich Fig. 2 sei darauf hingewiesen, daß lediglich diejenigen Merkmale beschrieben werden, die für die Erfindung von wesentlicher Natur sind.

Weiterhin befindet sich ein Elektrometerverstärker 76 innerhalb des inneren Schirms 62, dessen Eingang unmittelbar mit dem Faraday-Käfig über eine Zuführung 77 verbunden ist. Die Verbindung des Elektrometerverstärkers 76 zur Elektronik (nicht dargestellt) erfolgt über eine mehrpolige Steckverbindung 78.

Der Ausgang des Aerosol-Elektrometers 60 steht mit einer Pumpe 80 in Verbindung, wobei ein Durchflußmesser 85 oder Durchflußregler zwischengeschaltet ist.

Wie bereits eingangs erwähnt, ist es wichtig, daß bei der Meßgas-Entnahme sich keine Feuchtigkeit ausscheidet und die Aerosolkonzentration nicht so hoch ist. Um diesem Anfordernis genüge zu leisten, sieht die in Fig. 1 dargestellte Aerosol-Sensoreinrichtung eine Verdünnungsmöglichkeit des aus einem Abgasstrom entnommenen Abgases vor. Hierzu wird die Möglichkeit geschaffen, Verdünnungsgas (z. B. Luft), welches vorab in einem Filter 100 gefiltert wird, über eine Pumpe 82 und einem Ventil 90 der Sonde 30 zuzuleiten, wobei eine Vermischung des Meßgases und des Verdünnungsgases in der Sonde vollzogen wird. Zweckmäßigerweise ist in der Verdünnungsgaszuführung 122 ein Durchflußmesser 86 oder Durchflußregler vorgesehen.

Im folgenden wird der Aufbau der Sonde 30 unter Bezugnahme auf Fig. 3 näher erläutert:

Die Sonde 30 umfaßt ein Ansaugrohr 31, welches über ein Trägerteil 39 mit einem Außenrohr 35 in Verbindung steht. Innerhalb des Außenrohrs 35 ist koaxial ein Innenrohr 34 vorgesehen, wodurch ein Ringkanal 33 zwischen beiden Rohren gebildet wird.

Der Ringkanal 33 steht mit einem koaxial angeordneten, ringförmigen Reservoir 36 in Verbindung, welches in einem erweiterten Gehäuseteil 38 vorgesehen ist. Das Reservoir 36 besitzt einen Anschluß 37, welcher mit einer (nicht dargestellten) geeigneten Leitung verbunden werden kann.

Das Innenrohr 34 bildet den sog. Mischkanal 32, in dem die Vermischung von Meßgas und Verdünnungsgas vorgenommen wird.

Das Verdünnungsgas strömt vom Reservoir 36 in den Ringkanal 33 und sogleich über das offene Ende des Innenrohrs in den Mischkanal 32 hinein. Das Ansaugrohr 31 verläuft über diesen Bereich hinaus über eine gewisse Entfernung in den Mischkanal 32 hinein.

Im folgenden wird die Funktion der eingangs erläuterten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Aerosol-Sensoreinrichtung näher beschrieben:

Die beispielsweise aus Verbrennungsvorgängen stammenden, im Meßgas schwebenden Aerosole (beispielsweise Kohlenstoff-Aerosole), auf denen polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH&min;s) kondensiert sind, werden nach einer (später im einzelnen darzulegenden) Meßgaskonditionierung in dem elektrostatischem Vorabscheider 40 von den durch den Verbrennungsvorgang verursachten ionisierten Teilchen befreit.

Anschließend wird der elektrisch neutrale Aerosolstrom in der Photoionisationseinheit 50 mit UV-Licht einer Wellenlänge von λ ≤185 nm bestrahlt. Die mit PAH&min;s kontaminierten Kohlenstoff-Partikel werden dadurch photoionisiert. Die dabei entstehenden negativen Ladungen besitzen eine hohe Mobilität und werden unmittelbar an den Wandungen durch deren Rest-Leitfähigkeit abgeleitet.

Dagegen besitzen die verbleibenden positiv geladenen Teilchen eine wesentlich geringere Mobilität. Diese Teilchen werden zum Aerosol-Elektrometer 60 weitergeführt, dort abgeschieden und ihre Ladung gemessen. Das Ansaugen des Meßgases erfolgt über eine Pumpe 80 sowie einen zu kalibrierenden Durchflußmesser 86. Unmittelbar nach der Messung können die auf dem Filter 65 niedergeschlagenen Teilchen einer chemischen (z. B. naß-chemischen) oder physikalischen Untersuchung unterzogen werden.

Bei der Meßgasentnahme ist unbedingt darauf zu achten, daß sich keine Feuchtigkeit ausscheidet und die Aerosolkonzentration nicht zu hoch ist. Um dies zu erreichen, wird der Meßgasstrom in der Sonde 30 auf einen gewünschten Wert verdünnt. Durch die erfindungsgemäße Sonde 30, welche in dieser Anmeldung auch isoliert beansprucht wird, wird es möglich, einen Meßgasstrom unabhängig vom Entnahmedruck aufzunehmen und mit unterschiedlichen Verdünnungsgasen in ein definiertes Verdünnungsverhältnis zu verdünnen.

Dem Meßgerät, im vorliegenden Fall das Aerosol-Elektrometer 60 wird ein Gasstrom (Gesamtdurchflußmenge) Qges zugeführt, welcher konstant gehalten wird aber einstellbar ist. Bei Erhöhung der über den Ringkanal 33 einströmenden Verdünnungsgasmenge Qv wird die Gesamtdurchflußmenge Qges jedoch konstant gehalten, so daß gleichzeitig verdünntes Abgas dem Meßgerät zugeführt wird. Überschreitet die Verdünnungsmenge Qv die Gesamtdurchflußmenge Qges (d. h. Qv>Qges), tritt die Differenz Qv-Qges aus der Sonde 30 aus, d. h. das Meßsystem wird gespült, da kein Meßgas bzw. Abgas angesaugt werden kann. Vorteilhafterweise können die Gasdurchflußmengen mit Massendurchflußmesser 85, 86 gemessen bzw. mit Massendurchflußreglern kontrolliert werden mit der Folge, daß die Abgasentnahme dann weitgehend unabhängig vom Unter- oder Überdruck ist, der an der Abgasentnahmestelle herrscht.

Durch diese einfache, aber sehr effiziente Methode bzw. Sonde wird sichergestellt, daß eine sehr genau durchzuführende, kontrollierte Verdünnung eines Gasstroms durchgeführt werden kann und dadurch generell hohe Meßgenauigkeiten erreicht werden können.

Insbesondere wird darauf hingewiesen, daß der Einsatz der Sonde nicht auf die Aerosolmessung und deren Anwendung beschränkt ist.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß die erfindungsgemäße Aerosol-Sensoreinrichtung in besonderer Weise zur Bestimmung des Erschöpfungszustandes von Katalysatoren, insbesondere Kfz-Katalysatoren Verwendung finden kann. Erfahrungsgemäß läßt sich die Wirkung bzw. Wirksamkeit eines Katalysators insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen nur unter Schwierigkeiten nachweisen.

Es wurde nunmehr gefunden, daß bei einem voll funktionsfähigen Katalysator polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH&min;s) als erste von den Kohlenwasserstoffen abgebaut werden. Folglich ergibt die Prüfung des den zu testenden Katalysator durchströmenden Abgasstroms auf den Gehalt an PAH&min;s eine eindeutige Aussage betreffend der Funktionstüchtigkeit des Katalysators. Mit anderen Worten man stellt in der katalysatorgereinigten Abluft den Gehalt an PAH&min;s fest und bekommt hierdurch eine direkte Aussage der Funktionstüchtigkeit des Katalysators. Neben der Prüfung der Funktionstüchtigkeit des Katalysatorkörpers kann mittels der erfindungsgemäßen Anlage, d. h. die Katalysatorreglung, Lambda-Sonde u. dgl. auf ihre Funktion geprüft werden.

Diese Anwendung bietet den Vorteil, daß sie problemlos und rasch durchzuführen ist und zudem einen Ausbau des Katalysators etc. nicht erfordert. Besonders unter Berücksichtigung des ständig steigenden Umweltbewußtseins der Bevölkerung bietet sich hier eine Methode an, die es ermöglicht, bereits verbrauchte Katalysatoren in Fahrzeugen schnell zu erkennen und aus dem Verkehr zu ziehen.

Da die Messungen direkt am Auspuff des jeweiligen Fahrzeugs erfolgen kann und die Vorrichtung zudem apparativ nicht sehr aufwendig ist, bietet sich die Möglichkeit, auch im täglichen Straßenverkehr Katalysatoren stichprobenartig (z. B. bei Verkehrsroutineuntersuchungen) zu prüfen.

Neben der Verwendung der erfindungsgemäßen Aerosol- Sensoreinrichtung zur Bestimmung des Erschöpfungszustands eines Katalysators ergeben sich weite Einsatzmöglichkeiten bei Vorgängen, bei denen eine Verbrennung oder ein Verbrennungsprozeß abläuft. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Einrichtung auch zur Überwachung von Klimaanlagen verwendet werden oder aber als Meßgerät für einen Einsatz bei epidemiologischen Studien bei der Bestimmung der Mutagenität und Cancerogenität von Aerosolen bei Tierversuchen.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die Erfindung die Technik der Aerosoldetektion in besonderer Weise bereichert.

Bezugszeichenliste

10 Aerosol-Sensoreinrichtung

20 Abgasleitung

30 Sonde

31 Ansaugrohr

32 Mischkanal

33 Ringkanal

34 Innenrohr

35 Außenrohr

36 Reservoir

37 Anschlußteil

38 Gehäuseteil

39 Trägerteil

40 Vorabscheider

50 Photoionisationseinheit

60 Aerosol-Elektrometer

61 äußerer Schirm (äußeres Gehäuse)

62 innerer Schirm (inneres Gehäuse)

63 Anschluß

64 Anschluß

65 Filter

66 Einsatz

67 herausnehmbarer Einsatz

68 Bajonett-Verschluß

69 Feder

70 Dichtungen

71 Abstandshalter

72 Bohrung

73 Bohrung

74 innerer Teil des Einsatzes

75 Halterung des Filters

76 Elektrometerverstärker

77 Zuführung

78 Steckverbindung

80 Pumpe

82 Pumpe

85 Durchflußmesser

86 Durchflußmesser

90 Ventil

100 Filter (Luft)

120 Leitung

122 Leitung


Anspruch[de]
  1. 1. Aerosol-Elektrometer zur Bestimmung von in einem Gasstrom dispergierter, geladener Teilchen (Aerosole), gekennzeichnet durch eine Abschirmung, eine innerhalb der Abschirmung vorgesehene Abscheideeinrichtung, welche sich in einem isoliert gelagerten Faraday-Käfig befindet, der mittelbar oder unmittelbar mit dem Eingang eines Elektrometerverstärkers in Verbindung steht und die Abscheideeinrichtung über eine Verschlußeinrichtung dem Aerosol-Elektrometer (60) entnehmbar ist.
  2. 2. Aerosol-Elektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheideeinrichtung einen mechanischen Filter (65) aufweist, welcher mittels einer Halterung (75) in das Aerosol-Elektrometer (60) einsetzbar ist und auf dem die Aerosole abgeschieden werden können.
  3. 3. Aerosol-Elektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung zwei Schirme nämlich einen äußeren und einen inneren Schirm aufweist, der Eingang des Elektrometerverstärkers (76) sich im inneren Schirm befindet und unmittelbar mit dem Faraday-Käfig verbunden ist.
  4. 4. Aerosol-Elektrometer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Verschlußeinrichtung ein Bajonett-Verschluß (68) vorgesehen ist.
  5. 5. Aerosol-Sensoreinrichtung gekennzeichnet durch
    1. a) eine Photoionisationseinheit zur Photoionisation vorher im wesentlichen neutraler Teilchen in einem Gasstrom,
    2. b) ein Aerosol-Elektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    3. c) mindestens eine Pumpe (80 bzw. 82),
    4. d) mindestens einen Durchflußmesser (86 bzw. 86) sowie
    5. e) eine Auswerteelektronik.
  6. 6. Aerosol-Sensoreinrichtung nach Anspruch 5 gekennzeichnet durch einen elektrostatischen Vorabscheider, insbesondere einen Plattenkondensator.
  7. 7. Aerosol-Sensoreinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verdünnungseinrichtung vorgesehen ist.
  8. 8. Aerosol-Sensoreinrichtung gemäß den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Verdünnungseinrichtung eine Sonde (30) vorgesehen ist, mittels welcher Meßgas entnehmbar ist und welcher zusätzlich ein Verdünnungsgas zuführbar ist.
  9. 9. Verwendung der Aerosol-Sensoreinrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8 zur Bestimmung des Erschöpfungszustandes von Katalysator und/oder Katalysatoranlagen, insbesondere im Kfz-Bereich.
  10. 10. Sonde zur definierten Verdünnung eines Meßgases, insbesondere für den Einsatz als Sonde in einer Aerosol-Sensoreinrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßgasstrom unabhängig vom Entnahmedruck aufnehmbar und mittels mindestens einem Verdünnungsgas auf ein definiertes Verdünnungsverhältnis verdünnbar ist.
  11. 11. Sonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des vorderen Endes der Sonde (30) ein Ansaugrohr (31) zur Aufnahme des unverdünnten Meßgases vorgesehen ist, das Ansaugrohr (31) in einen Mischkanal (32) mündet oder übergeht, in dem eine Zuführung des Verdünnungsgases derart erfolgt, daß die im Mischkanal (32) abgeführte Gesamtdurchflußmenge Qges bei sich ändernder Verdünnung konstant bleibt.
  12. 12. Sonde nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdünnungsgas über einen koaxial zum Mischkanal (32) verlaufenden Ringkanal (33) dem Mischkanal (32) zuführbar ist.
  13. 13. Sonde nach den Ansprüchen 19 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugrohr (31) mit seinem innenseitigen Ende über den Bereich hinaus in den Mischkanal (32) hineinverläuft, in dem das Verdünnungsgas dem Mischkanal (32) zugeführt wird.
  14. 14. Sonde nach den Ansprüchen 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (30) ein Reservoir (36) aufweist, welches zum Mischkanal über den Ringkanal und zur Außenseite über ein Anschlußteil (37) in Verbindung steht.
  15. 15. Sonde nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Reservoir (36) in einem erweiterten Gehäuseteil (38) koaxial zum Mischkanal (32) vorgesehen ist.
  16. 16. Sonde nach den Ansprüchen 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Ende der Sonde einen Anschluß aufweist.
  17. 17. Sonde nach den Ansprüchen 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßgasstrom sowie im Verdünnungsstrom Durchflußmesser (85, 86) vorgesehen sind.






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