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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur quantitativen und qualitativen Analyse von Partikeln in Gasen, insbesondere von Partikeln im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, umfassend eine Messkammer mit zumindest einer Eintrittsöffnung für das zu analysierende Gas und mit einem Schwingsystem, das zumindest einen relativ zur Messkammer im wesentlichen ortsfesten und mit zumindest einer Auffangfläche für die zu analysierenden Partikel versehenen Schwingsensor aufweist, vorzugsweise einen piezoelektrischen Resonator, sowie eine Schaltung zur Ermittlung charakteristischer Schwingungsparameter des Schwingsystems und Leit- und Transporteinrichtun- gen für das zu analysierende Gas, sowie ein Verfahren zur quantitativen und qualitativen Analyse von Partikeln in Gasen, insbesondere von Partikeln im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen,
wobei die Partikel durch zumindest eine Austrittsöffnung auf zumindest eine Auffangfläche zumin- dest eines im wesentlichen ortsfesten Schwingsensors, vorzugsweise eines piezoelektrischen Resonators, eines Schwingsystems abgeschieden werden und die Veränderung charakteristischer Schwingungsparameter aufgrund der Partikelabscheidung ermittelt wird.
Die Messung von Partikelemissionen, welche beim Verbrennungsprozess von organischen Sub- stanzen entstehen, ist schon seit vielen Jahren von grossem Interesse. Der Einfluss von Partikeln, welche sich in der Atemluft befinden, auf die menschliche Gesundheit steht zur Zeit im Mittelpunkt vieler wissenschaftlicher Untersuchungen. Da die Partikel als Mass für einen unvollständigen Verbrennungsprozess aufgefasst werden können, ist es nur durch eine kontinuierliche Optimierung des Verbrennungsprozesses möglich den Wirkungsgrad zu erhöhen und damit die Partikelemissi- on zu verringern. Daraus ergeben sich hohe Anforderungen an das Partikelmesssystem bezüglich Auflösung, Messbereich und Dynamik.
Mit Schwingsensoren, wie beispielsweise mit piezoelektri- schen Resonatoren, ist es möglich, die auf der Sensoroberfläche aufgebrachte Fremdmasse direkt über die dadurch auftretende Frequenzänderung zu ermitteln. Um die Partikelmasse und/oder die Konzentration von Partikeln messen zu können, wird mit Hilfe einer Sonde ein bestimmtes Luftvo- lumen durch einen Partikelabscheider gesaugt. Dieser kann einstufig ausgeführt sein, so dass möglichst alle Partikel im Luftstrom auf einem Resonator abgeschieden werden, oder mehrstufig, wobei hier vorteilhafterweise Partikel in definierten Grössenklassen auf mehreren Resonatoren abgeschieden werden, womit nicht nur die Masse bestimmbar ist, sondern auch eine Klassifikation nach der Partikelgrösse möglich ist. Die Abscheidung kann beispielsweise durch elektrostatische Verfahren, d.h.
Beschleunigung der Partikel im elektrischen Feld auf den Schwingkristall hin, erfolgen, wie es etwa in der US-A-5,892,141 beschrieben ist.
Die Abscheidecharakteristik auf der Resonatorauffangfläche ist bei den durch eine Öffnung wie etwa eine Düse od. dgl., ein Beispiel dafür findet sich etwa in der US-A-3,51,253, unmittelbar über der Resonatoroberfläche zugeführten Gasproben neben dem Durchfluss durch die Partikelgrösse, die Geometrie der Öffnung und deren Abstand von der Oberfläche des Resonators gegeben.
Selbst bei mehreren Öffnungen pro Resonatoroberfläche, wie dies in der US-A-4,446,720 geoffen- bart ist, geht nach anfänglich linearer Abnahme der Frequenz mit steigender Partikelbeladung des Resonators die Frequenzänderung nach etwa 100 Hz in einen exponentiellen Verlauf über.
Im Artikel "Applications of piezoelectric quartz crystal microbalances" in #Methods and Pheno- mena, their applications in science and technology", Vol. 7, Elsevier 1984, ist eine Anordnung beschrieben, bei welcher der Schwingkristall mittels eines Motors horizontal unter einer Abscheide- düse bewegt wird, um eine gleichmässigere Partikelverteilung zu erzielen. Bei einer derartigen Anordnung bedarf es eines längeren Zeitraumes von mehreren Sekunden, bis einige Lagen von Partikeln abgeschieden sind, oder der Schwingkristall muss sehr schnell hin und her bewegt wer- den, wofür die Anordnung sehr stabil und massiv - und damit auch entsprechend aufwendig und schlecht für den mobilen Einsatz geeignet - aufgebaut sein muss.
Auch der US-A-5,056,355 sind keinerlei Ablenkeinrichtung für den Gasstrom zu entnehmen, mit welchem eine Bewegung des Gas- und damit auch Partikelstromes über verschiedene Berei- che der Auffangfläche des Schwingsensors zu bewerkstelligen wäre.
Eine derartige Steuerung des Auftreffbereiches der Partikel über die Auffangfläche des Schwingsensors ist auch in der DE-A-31 06 385 nicht beschrieben. Es handelt sich vielmehr um eine passive Ablenkeinrichtung, die zwar den Gasstrom ablenkt, damit er überhaupt zum Schwing- sensor gelangt, die aber dann keinerlei weitere Beeinflussung zulässt, um den Gasstrom oder die darin enthaltenen Partikel über unterschiedliche und wechselnde Bereiche der Auffangfläche des Schwingsensors zu steuern.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine Anordnung und ein Verfahren zur Ana- lyse von Partikeln in Gasen, welche unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik mit einem sehr einfachen und leichten Aufbau einen möglichst grossen Messbereich mit linearer Kennli- nie und damit grosser Empfindlichkeit und Dynamik bezüglich der Massenbeladung im gesamten Messbereich bietet.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs beschriebene Anordnung erfindungsgemäss da- durch gekennzeichnet, dass zumindest eine aktive Ablenkvorrichtung für das Gas bzw. die darin enthaltenen Partikel vorgesehen ist. Damit kann trotz einfachen und leichtem Aufbau eine gleich- mässige Verteilung der abgeschiedenen Partikel über die aktive Auffangfläche des Schwingsensors und damit der gewünschte grosse Messbereich mit linearer Kennlinie und grosser Empfindlichkeit und Dynamik erzielt werden. Durch die Bewegung des Auftreffbereiches der Partikel über die aktive Auffangfläche des Schwingsensors kann der lineare Bereich der Frequenzänderung durch Parti- kelbeladung bedeutend erweitert werden, da die Sättigung einzelner Bereiche vermieden bzw. zumindest viel länger hinausgezögert werden kann wie bei herkömmlichen Systemen.
Eine erste, baulich sehr einfache und verlässliche Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass als aktive Leit- oder Lenkvorrichtung eine Blende mit zumindest einer Blendenöffnung vorgesehen ist, deren durchströmbare Querschnittsfläche klein gegenüber der Auffangfläche des Schwingsensors ist, in Kombination mit einer Einrichtung zur Bewegung der Blende relativ und im wesentlichen parallel zur Auffangfläche des Schwingsensors.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Einrichtung zur Bewegung der der Blende vorgesehen, die zumindest eine Blendenöffnung in einer geschlossenen Bahn bewegt.
Damit kann bei möglichst geringer Baugrösse eine sehr gleichmässige Abscheidung über einen grossen Flächenbereich der aktiven Schwingsensoroberfläche erzielt werden.
Um eine dabei sehr einfach aufgebaute Anordnung zu erhalten, welche auch auf die. typi- scherweise kreisförmigen aktiven Auffangflächen der Schwingsensoren abgestimmt ist, ist eine Einrichtung zur Bewegung der Blende vorgesehen, die zumindest eine der Blendenöffnungen in einer im wesentlichen kreisförmigen Bahn bewegt, wobei die Achse der Kreisbewegung im wesent- lichen normal auf die Auffangfläche des Schwingsensors orientiert ist.
Insgesamt ist dabei vorgesehen, dass der Schwingsensor und/oder dessen Auffangfläche rota- tionssymmetrisch um die Achse der Kreisbewegung ausgebildet ist, wodurch eine optimale Aus- nutzung der Auffangfläche erreicht wird.
Wenn gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung eine Einrichtung zur Bewegung der der Blende vorgesehen ist, die zumindest eine Blendenöffnung auf einer Bahn bewegt, die durch Überlagerung von zumindest zwei Drehbewegungen mit im wesentlichen parallelen Drehachsen entsteht, welche Drehachsen im wesentlichen normal auf die Auffangfläche des Schwingsensors orientiert sind, kann eine noch bessere und auch gleichmässigere Flächendeckung für die Abschei- dung der Partikel auf der aktiven Auffangfläche des Schwingsensors, und das in relativ kurzer Zeit, erreicht werden.
Gemäss einem weitere Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Einrichtung zur Bewe- gung der Blende relativ zum Schwingsensor mit wechselnder Geschwindigkeit, allenfalls mit wech- selnder Winkelgeschwindigkeit, vorgesehen ist.
Für Vorrichtungen mit elektrostatischer Abscheidung kann die ohnedies vorhandene Korona- nadel erfindungsgemäss als aktive Leit- oder Lenkvorrichtung mit Einrichtungen zu deren Bewe- gung relativ zum Schwingsensor gekoppelt werden, so dass sich aufgrund dieser Bewegungen das elektrische Feld laufend verändert und derart die gewünschte Veränderung des Auftreffbereiches der Partikel auf dem Schwingsensor bewirkt. Bei dieser Ausführungsform werden zusätzliche Bauteile zur Ablenkung des Gasstrahls oder der Partikel so weit als möglich vermieden, wodurch eine leichte Anordnung entsteht, bei der auch die Fehleranfälligkeit und der Wartungsaufwand wieder verringert sind.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Anordnung aber auch dadurch gekennzeichnet sein, dass als Leit- oder Lenkvorrichtung zumindest eine Einrichtung zur Erzeugung eines veränderlichen elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feldes zwischen Austrittsöffnung und Schwingsensor sowie eine Einrichtung zur elektrischen Aufladung der Partikel im Gas vorgesehen ist. Um auch für normalerweise neutrale Partikel eine definierte bzw. überhaupt eine Ablenkung der Partikel zu erhalten, sollten die Partikel vor der Austrittsöffnung elektrisch
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geladen werden. Diese Aufladung kann mono- bzw. bipolar durch eine Korona-Entladung bzw. eine radioaktive Quelle erfolgen.
Bei dieser Ausführungsform können bewegliche Teile weitestge- hend vermieden und damit das Gewicht des Gerätes, die Störungsanfälligkeit und der Wartungs- aufwand bedeutend verringert werden. Weiters kann in einfacher Weise und ohne aufwendige mechanische Eingriffe die Bahn des Partikelstrahles abgeändert oder angepasst werden.
Gemäss weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist als Leit- oder Lenkvorrichtung zumin- dest eine Austrittsöffnung für einen zusätzlichen Gasstrahl vorzugsweise seitlich der Eintrittsöff- nung für die Partikel in die Messkammer vorgesehen, wobei die Achsen beider Austrittsöffnungen vorzugsweise einen Winkel ungleich Null miteinander einschliessen, oder es können auch Einrich- tungen zur Erzeugung einer wechselnden Strömungsgeschwindigkeit und/oder -richtung vorgese- hen sein. Eine weitere Ausführungsform stellt eine Anordnung dar, bei der Einrichtungen zur Er- zeugung von wechselnden Gas- bzw. Partikel-Geschwindigkeiten in der Austrittsöffnung vorgese- hen sind.
Das eingangs beschriebene Verfahren zur Partikelanalyse in Gasen ist erfindungsgemäss da- durch gekennzeichnet, dass der Partikelstrahl aktiv über einen immer wechselnden Bereich der Auffangfläche des Schwingsensors bewegt wird. Damit wird eine lokale Sättigung der aktiven Auffangfläche des Schwingsensors vermieden, die Partikel werden gleichmässiger auf der aktiven Auffangfläche verteilt und daraus resultiert eine wesentliche Vergrösserung des linearen Anteils des Messbereiches mit höherer Empfindlichkeit und Dynamik bezüglich der Massenbeladung über den gesamten Messbereich.
Vorteilhafterweise ist dabei gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass der Partikelstrahl entlang einer geschlossenen Kurve geführt wird, wodurch eine sehr gleichmässige Abscheidung über einen grossen Flächenbereich der aktiven Auffangfläche des Schwingsensors bei möglichst geringer Baugrösse kann erzielt werden, wenn gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung über den Zeitraum der Messung ein immer wechselnder Bereich der aktiven Auffangflä- che des Schwingsensors von der Abschirmung ausgenommen wird, welcher Bereich eine ge- schlossenen Kurve definiert.
Eine dabei besonders einfache Variante, welche auch auf die typische Form der Auffangflä- chen der Schwingsensoren Rücksicht nimmt, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelstrahl entlang einer Kreisbahn geführt wird.
Gemäss einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens wird der Partikel- strahl entlang einer Kurve geführt, die durch Überlagerung von zumindest zwei Drehbewegungen mit Drehachsen normal auf die aktive Auffangfläche entsteht. Mit dieser Ausgestaltung kann eine noch bessere und auch gleichmässigere Flächendeckung für die Abscheidung der Partikel auf der aktiven Auffangfläche des Schwingsensors, und das in relativ kurzer Zeit, erreicht werden.
Vorteilhafterweise ist bei allen diesen Varianten vorgesehen, dass der Partikelstrahl mit wech- selnder Geschwindigkeit, allenfalls mit wechselnder Winkelgeschwindigkeit, geführt wird.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist zusätzlich oder alternativ zu den oben beschriebenen Merkmalen vorgesehen, dass der Partikelstrahl durch wechselnde elektrische, magnetische oder elektromagnetische Felder abgelenkt und über die Auffangfläche des Schwingsensors geführt wird.
Bei einer Variante mit elektrostatischer Abscheidung kann das zur Ionisierung der Partikel ver- wendete elektrische Feld fortgesetzt verändert werden, so dass damit eine Veränderung des Auf- treffbereiches des Partikelstrahles auf der Auffangfläche des Schwingsensors erfolgt.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass.ein Gasstrahl wechselnder Strömungsgeschwindigkeit und/oder Richtung auf den Partikelstrahl gerichtet und dieser damit abgelenkt wird.
Vorteilhafterweise kann der die Partikel enthaltende Gasstrahl mit einer wechselnden Strö- mungsgeschwindigkeit und/oder -richtung auf die Auffangfläche des Schwingsensors gerichtet werden.
Die Partikel können bei einer anderen Verfahrensvariante auch mit wechselnder Geschwindig- keit durch die Eintrittsöffnung in die Messkammer eintreten.
In der nachfolgenden Beschreibung sollen einige bevorzugte Ausführungsbeispiele unter Be- zugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt die Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Anordnung in Seitenansicht, Fig. 2 ist eine schematische
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Darstellung einer Blende für eine erfindungsgemässe Anordnung in der Draufsicht, Fig. 3a zeigt das Abscheidungsmuster der Blende von Fig. 2 bei stationärer Anwendung und Fig. 3b bei Drehung der Blende von Fig. 2 um ihre zentrale Achse, Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Blen- denanordnung mit Überlagerung zweier Drehbewegungen, Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Blende, Fig. 6 ist ein Zeit-Frequenz-Diagramm mit Vergleich herkömmlicher Anordnungen mit der erfindungsgemässen Anordnung, Fig.
7 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung mit elektrischer Ablenkung, Fig. 8 eine Anord- nung mit magnetischer Ablenkung und Fig. 9 ist eine Darstellung einer Anordnung mit elektrischer und magnetischer Ablenkung.
Über herkömmliche und nicht dargestellte Probennahme-Vorrichtungen, enthaltend übliche Leit- und Transporteinrichtungen, Ansaugpumpen und dgl. für das mit den zu analysierenden Partikeln 1 beladene Gas, wird dieses Gas in eine Kammer gebracht, in dem sich ein Schwingsy- stem befindet, in welchem es durch die Massenbeladung einer sensitiven Auffangfläche eines Schwingsensors 2 mit dem zu analysierenden Partikeln aus dem Gas zu einer Veränderung der akustischen Parameter des Schwingsensors 2 kommt. Dabei kann sowohl die gepulste als auch kontinuierliche Schwingungsanregung verwendet werden. Diese Parameter umfassen beispiels- weise die Dicke, die Oberflächenmassendichte, die mechanische Impedanz an der Oberfläche oder die Schallgeschwindigkeit im Bereich der Oberfläche, wobei je nach Art des Schwingsystems, d. h.
Volums- oder Oberflächenschwingsysteme, Änderungen der Resonanzfrequenz bzw. der zugehörigen Periodendauer, der Laufzeit eines Schallpulses od. dgl. resultieren. Diese Änderun- gen werden am elektroakustischen Wandler des Schwingsystems detektiert und dann in an sich bekannter Weise zur Bestimmung der Massenbeladung herangezogen. Eines der typischerweise verwendeten Schwingsysteme enthält einen piezoelektrischen Resonator mit einem piezoelektri- schen Schwingsensor 2. Der piezoelektrische Resonator ist noch u. a. mit einem Oszillatorkreis 3 und einer Schaltungsanordnung 4 zur Steuerung des Oszillatorkreises 3 sowie zur Messdatenerfas- sung,-speicherung und-anzeige versehen.
Auf dem piezoelektrischen Schwingsensor 2 sind eine Auffangelektrode 5 als aktive Auffang- fläche für die zu analysierenden Partikel 1 und auf der der Auffangelektrode 5 gegenüberliegenden Seite des Resonators 2 eine Gegenelektrode 6 aufgebracht. Die Auffangelektrode 5 ist vorzugs- weise als offenporige Struktur mit Poren ausgeführt, in welchen Poren sich die Partikel 1 verhaken, die durch elektrostatisches Ausfällen oder durch Impaktion auf dem piezoelektrischen Resonator 2 gesammelt werden, wobei vorteilhafterweise die Grösse der Poren der Auffangelektrode 5 an die zu erwartende Grösse der zu messenden Partikeln angepasst ist.
Selbstverständlich muss die Auffangelektrode 5, und das gilt auch für die Gegenelektrode 6, nicht unmittelbar auf dem aktiven Abschnitt des piezoelektrischen Schwingsensors 2 vorgesehen sein, sondern könnte auch auf einer nicht piezoelektrisch aktiven Verlängerung aufgebracht sein, vorzugsweise und bei optimaler Auswirkung auf die Veränderung der Resonanzfrequenz auf der der Einspannung gegenüberliegenden Seite.
Der beschriebene piezoelektrische Resonator kann auf Basis von Volums (BAW- Bulk Acoustic Waves)- oder Oberflächenschwingsystemen (SAW- Surface Acoustic Waves) aufgebaut sein, wobei es durch die Massenbeladung des piezoelektrischen Schwingsensors 2 mit den zu analysie- renden Partikeln zu einer Veränderung der Resonanzfrequenz bzw. der zugehörigen Periodendau- er kommt. Für andere Schwingsysteme, bei welchen die je nach Massenbeladung veränderte Laufzeit eines Schallpulses gemessen wird, sind in erster Linie Oberflächenschwingsysteme (SAW) von Bedeutung.
In geringem Abstand oberhalb der aktiven Auffangfläche 5 des Schwingsensors 2 ist zumindest eine Blende 8 als Ablenkvorrichtung angebracht, deren zumindest eine Blendenöffnung 9 als Austrittsöffnung für die Partikel 1 eine Querschnittsfläche aufweist, die geringer ist als die Fläche der aktiven Auffangfläche 5. Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche der oder jeder Blendenöff- nung 9 sehr klein gegenüber der aktiven Auffangfläche 5. In jedem Fall wird aufgrund der Blenden- öffnung 9 der Auftreffbereich der Partikel 1, die sich in Richtung des Pfeiles A auf den Schwing- sensor 2 hin bewegen, auf der aktiven Auffangfläche 5 eng begrenzt.
Die oder jede Blende 8 bzw. deren Austrittsöffnung 9 ist gegenüber dem ortsfesten Schwingsensor 2 relativ bewegbar und damit wird im Lauf der Abscheidung der Partikel 1 zumindest eine Blendenöffnung 9 über die aktive Auffangfläche 5 des Schwingsensors 2 im wesentlichen parallel zu dieser hinweggeführt, so
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dass sich der von der Blendenöffnung 9 nicht abgeschirmte Auftreffbereich für die Partikel 1 ent- sprechend über die aktive Auffangfläche 5 verschiebt und damit der Partikelstrahl über die aktive Auffangfläche 5 des Schwingsensors 2 geführt wird.
Vorteilhafterweise ist, wie in Fig. 2 zu sehen ist, oberhalb der aktiven Auffangfläche 5 des Schwingsensors 2 (in Fig. 2 nicht dargestellt) eine Blende 8 mit mehreren Blendenöffnungen 9 vorgesehen, welche Blende 8 sich in diesem Fall vorzugsweise um ihre zentrale Achse - im Be- reich der zentralen Blendenöffnung 9a - dreht und derart die äusseren Blendenöffnungen 9 und damit die aus diesen Blendenöffnungen 9 austretenden Partikelstrahlen - im Laufe der Partikelab- scheidung über unterschiedliche Bereiche der aktiven Auffangfläche 5 führt. Die zentrale Drehach- se der Blende 8 steht im wesentlichen senkrecht auf die aktive Auffangfläche 5 des Schwingsen- sors 2.
Die Fig. 3a und 3b zeigen die mit der Blende der Fig. 2 erzielbaren Abscheidemuster auf der aktiven Auffangfläche 5, wobei die Fig. 3a das Abscheidemuster bei feststehender Blende zeigt, wie es auch bei herkömmlichen Vorrichtungen mit mehreren Düsen zur Gaszufuhr besten- falls erzielt werden kann. Aufgrund der grossflächigeren Abscheidung mittels der erfindungsgemä- #en bewegbaren Blende, wie beispielhaft in Fig. 3b gezeigt, kann aufgrund der deutlichen Verzö- gerung von Sättigungseffekten eine Vergrösserung des linearen Bereiches der Frequenzänderung des Schwingsensors und eine grössere Empfindlichkeit und Dynamik über diese vergrösserten Bereich erreicht werden.
Selbstverständlich sind nicht nur kreisförmige Bewegungen bzw. allgemein Bewegungen der Blende 8 entlang geschlossener Bahnen denkbar. So sind beispielsweise auch Bewegungen von zumindest einer Blendenöffnung 9 möglich, welche durch Überlagerung von zumindest zwei Be- wegungen, vorzugsweise Drehbewegungen, entstehen. -Ein Beispiel für eine derartige Überlage- rung von zwei Drehbewegungen ist im Zusammenhang mit der Fig. 4 erläutert. Die Blende 8 mit hier beispielsweise nur einer einzigen Blendenöffnung 9 rotiert oberhalb der aktiven Auffangfläche 5 um die im wesentlichen senkrecht auf die aktive Auffangfläche 5 orientierte zentrale Drehachse Z. Der Mittelpunkt M der Blende 8 bewegt sich dabei entlang der Kreisbahn B.
Da nun die Blende 8 selbst wieder um eine im wesentlichen zur Achse Z parallele und durch ihren Mittelpunkt M gehen- de Achse in umgekehrtem Drehsinn- symbolisiert durch den Pfeil D - rotiert, ergibt sich bei ent- sprechender Abstimmung der Winkelgeschwindigkeiten eine Pendelbewegung entlang der Linie P der Blendenöffnung 9 über der aktiven Auffangfläche 5 des Schwingsensors 2. Für andere Ver- hältnisse von Winkelgeschwindigkeiten oder gleichem Drehsinn beider Bewegungen ergibt sich hingegen eine rosettenartige Bewegung der Blendenöffnung 9 relativ zum Schwingsensor 2, wo- durch die Partikel mehr flächendeckend abgeschieden werden.
Eine andere Ausführungsform einer Blende 8 für eine erfindungsgemässe Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Hier ist die Blende 8 wesentlich grösser als die aktive Auffangfläche 5 des Schwingsensors 2, wobei natürlich auch mehrere Schwingsensoren 2 und/oder aktive Auffangflä- chenbereiche 5 im hier kreisförmigen Bewegungsbereich der Blendenöffnungen 9a vorgesehen sein könnten. Die einzelnen Blendenöffnungen 9a liegen in Form von radial vom Mittelpunkt der Blende 8 - durch welchen auch die wieder im wesentlichen senkrecht auf die oder jede aktive Auffangfläche 5 orientierte Drehachse verläuft - ausgehenden Längsschlitzen vor. Durch entspre- chende Leiteinrichtungen wird bewirkt, dass immer nur jener Bereich der Blende 8 vom Partikel- strahl durchströmt wird, der oberhalb eines aktiven Auffangflächenbereiches 5 liegt.
Aufgrund der schlitzförmigen Blendenöffnungen 9a und deren Führung im Kreisbogen über die aktive Auffang- fläche 5 aufgrund der beschriebenen Geometrie, werden die Partikel 1 auf der aktiven Auffang- fläche 5 in Streifen mit einer Breite abgeschieden, welche der Länge der schlitzförmigen Blenden- öffnungen 9a entspricht, und in einer Anzahl von Schichten, welche der Anzahl von Schlitzdurch- läufen während der Messdauer entspricht.
Das Zeit-Frequenz-Diagramm der Fig. 6 erläutert die Vorteile und Effekte der erfindungsgemä- #en Anordnung. Dabei entspricht die linke Kurve einer Messung mit einer feststehenden Blende 8 wie sie in Fig. 2 dargestellt ist und deren Abscheidemuster jenem der Fig. 3a entspricht. Nach kurzer Messdauer geht der aufgrund zunehmender Massenbeladung der aktiven Auffangfläche des Schwingsensors verursachte Abfall der Frequenz von einem linearen Verlauf in einen exponentiel- len Bereich mit nur mehr geringster Frequenzveränderung bei weiterer Massenbeladung über.
Demgegenüber zeigt die rechte Kurve der Fig. 6, welche bei einer Messung mit .einer um ihre Achse gedrehten Blende 8 der Fig. 2 ermittelt worden ist, dass durch die Drehung und damit die
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Verteilung der abgeschiedenen Partikel entsprechend einem Muster wie in Fig. 3b eine bedeuten- de Verlängerung des linearen Bereiches - hier um das Fünffache von etwa 100 Hz auf ca. 500 Hz - erzielbar ist.
Selbstverständlich muss die Ablenkung des Partikelstrahls aus der Austrittsöffnung 9 nicht not- wendigerweise durch eine Bewegung dieser Austrittsöffnung bewirkt werden. So ist auch denkbar, dass die Partikel durch die Einwirkung von auf sie direkt während ihrer Bewegung einwirkenden Kräften abgelenkt und der Partikelstrahl derart gesteuert wird. So können beispielsweise als Ab- lenkvorrichtung Einrichtungen zur Erzeugung eines veränderlichen elektrischen oder magnetischen oder elektromagnetischen Feldes zwischen Austrittsöffnung 9 und Schwingsensor 2 vorgesehen sein.
Vorteilhafterweise sind - wie in Fig. 7 bis 9 dargestellt - ähnlich einem Oszilloskop zwei Paare von zusammenwirkenden Elektroden 10 vorgesehen, die zur Erzielung der optimalen Einwirkung auf die Partikel 1 zwischen der Austrittsöffnung 9 und dem Schwingsensor 2, seitlich des Weges des Partikelstrahls, angeordnet sind. Durch entsprechende Ansteuerung der beiden Elektroden- paare, vorzugsweise gleich über die elektronische Schaltungsanordnung 4, können veränderliche elektrische Felder hervorgerufen werden, durch welche der Partikelstrahl in beliebiger Richtung und um beliebige Winkel ausgelenkt und derart über die aktive Auffangfläche 5 des Schwingsen- sors 2 geführt werden kann. Vorzugsweise werden dabei geschlossene Bahnen, etwa Kreisbahnen oder Bahnen, die aus der Überlagerung von zwei Kreisbewegungen entstehen, erzeugt.
Im Fall der elektrostatischen Abscheidung der Partikel 1 auf der aktiven Auffangfläche 5 des Schwingsensors 2 muss zu deren Ionisierung eine Koronanadel oder eine ähnliche Struktur vorge- sehen sein. Durch eine Bewegung dieser Koronanadel oder anderen Struktur über entsprechenden Einrichtungen, allenfalls über eine bewegliche Lagerung der Koronanadel, kann deren Feldcharak- teristik verändert werden, was wiederum zu einer Beeinflussung der Ausrichtung und Gestalt des die Koronanadel passierenden und aus der Austrittsöffnung austretenden Partikelstrahls führt.
Auch dadurch kann gesteuert werden, auf welchem Flächenbereich der aktiven Auffangfläche 5 die Partikel abgeschieden werden. Dabei ist nicht nur eine Bewegung der Koronanadel im wesentli- chen parallel zur aktiven Auffangfläche 5 denkbar, sondern auch im wesentlichen senkrecht auf diese Auffangfläche 5 oder in einer Bewegung, die aus einer Überlagerung der zuvor genannten Bewegungen entsteht. Diese Variante kann allein oder in Kombination mit der zuvor beschriebenen Veränderung eines elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feldes zur Ablenkung des Partikelstrahls angewendet werden.
In Fig. 8 ist eine Ausführungsform schematisch dargestellt, bei welcher die Ablenkung des Par- tikelstrahles über der Auffangfläche 5 mittels einer Anordnung zweier gekreuzter Paare von Mag- neten 11 erzielt wird. Eine Ausführungsform mit Kombination von elektrischer und magnetischer Ablenkung ist in Fig. 9 dargestellt und kann besonders vorteilhaft dort eingesetzt werden, wo geringerer Platzbedarf der Anordnung notwendig ist.
Es sind hier nämlich nur zwei; einander gegenüberliegende Einrichtungen zur Ablenkung der Partikel über der Auffangfläche notwendig, die aus jeweils einer Elektrodenplatte 13 miteiner darauf oder unmittelbar dahinter angebrachten Magnetwicklung 12 aufgebaut sind. Über unterschiedliche Spannung an den Elektrodenplatten 13 kann eine Ablenkung in deren Verbindungsrichtung bewirkt werden, während die Magnetwicklun- gen 12 ein Magnetfeld ebenfalls in Verbindungsrichtung erzeugen, das aber die gewünschte Ab- lenkung der Partikel senkrecht dazu hervorruft.
Schliesslich sei auch noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung erwähnt, bei welcher die Ablenkung des Partikelstrahls dadurch erzielt wird, dass ein Strahl eines neutralen Reingases seitlich auf den Partikelstrahl gelenkt wird und diesen somit gegenüber der unbeeinflussten Strahl- richtung ablenkt. Selbstverständlich muss die Menge des Reingases bei der Konzentrationsbestim- mung berücksichtigt werden, was beispielsweise mittels Durchflusssensoren und deren Abfrage durch die auswertenden Schaltungsanordnung 4 sichergestellt werden kann. Das Reingas wird dabei vorzugsweise über zumindest eine weitere Austrittsöffnung in die Messkammer eingeblasen, deren Achse mit der Achse der Austrittsöffnung 9 für den Partikelstrahl einen Winkel ungleich Null einschliesst.
Allenfalls ist die Austrittsöffnung für das Reingas in ihrer Richtung verstellbar und/oder ist die Strömungsgeschwindigkeit des Reingases veränderbar, um eine unterschiedliche Beeinflus- sung des Partikelstrahles zu ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich könnte durch das Zusammen- wirken von zwei oder mehreren Reingas-Austrittsöffnungen, allenfalls mit jeweils wechselnder
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Strömungsgeschwindigkeit, eine Ablenkung des Partikelstrahles in komplexeren Mustern erreicht werden, die eine Führung dieses Partikelstrahls über die aktive Auffangfläche 5 des Schwingsen- sors 2 auch beispielsweise in geschlossenen Bahnen, vorzugsweise kreisförmig oder durch Über- lagerung mehrerer kreisförmiger Bewegungen entstehend, erlauben.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Anordnung zur quantitativen und qualitativen Analyse von Partikeln in Gasen, insbesonde- re von Partikeln im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, umfassend eine Messkam- mer mit zumindest einer Eintrittsöffnung für das zu analysierende Gas und mit einem
Schwingsystem, das zumindest einen relativ zur Messkammer im wesentlichen ortsfesten und mit zumindest einer Auffangfläche für die zu analysierenden Partikel versehenen
Schwingsensor aufweist, vorzugsweise einen piezoelektrischen Resonator, sowie eine
Schaltung zur Ermittlung charakteristischer Schwingungsparameter des Schwingsystems und Leit- und Transporteinrichtungen für das zu analysierende Gas, dadurch gekenn- zeichnet, dass zumindest eine aktive Leit- oder Lenkvorrichtung für das Gas bzw. die darin enthaltenen Partikel vorgesehen ist.