AT515495A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Partikelkonzentration eines mit Partikel geladenen Messgases - Google Patents

Abstract

Für eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Partikelkonzentration eines mit Partikel gelade- nen Messgases, mit der bei einem sehr großen möglichen Messbereich auf einfache Weise sowohl eine integrale Messung einer Partikelkonzentration, als auch eine zeitlich aufgelöste Messung möglich sein soll, ist vorgesehen, dass im Messgerät (1) ein Schwärzungszahl- Messgerät (12) zur integralen Messung angeordnet ist und in einem Messvolumen (8) einer Messkammer (2), das stromaufwärts des Filterpapiers (7) des Schwärzungszahl-Messgerätes (12) angeordnet ist, zusätzlich ein Streulichtmessgerät 13 zur zeitlich aufgelösten Messung angeordnet ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Partikelkonzentration eines mit Partikel geladenen Messgases

Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Messgerät zur Bestimmung einer Partikelkonzentration in einem mit Partikeln beladenen Messgas, mit einer Messkammer, in die eine Zuführleitung zur Zuführung von Messgas und eine Abführleitung zur Abführung des Messgases mündet und in der Messkammer ein Filterpapier angeordnet ist, durch das das Messgas in einer Strömungsrichtung durchströmt und sich dabei Partikeln am Filterpapier ablagern. Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Partikelkonzentration eines mit Partikel geladenen Messgases.

Um die Umweltbelastung durch in der Luft enthaltene Partikel erfassen zu können, werden verschiedenste Messgeräte eingesetzt. Die Umweltbelastung kann dabei als Emissionen oder Immissionen gemessen werden. Für die Emissionsmessung werden beispielsweise das Abgas eines Verbrennungsmotors, z.B. eine Kraftfahrzeuges, nach verschiedenen Kriterien untersucht. Für die Immissionsmessung sind örtlich verteilt Messstationen aufgestellt, die die Luft ebenfalls nach verschiedenen Kriterien untersuchen. Ein wesentlicher Unterschied bei der Emissionsmessung und der Immissionsmessung ist der jeweils erforderliche Messbereich, der um einige Größenordnungen abweichen kann. Für Immissionsmessungen muss die Auflösung des Messgeräts deutlich größer sein, typischerweise für Partikelkonzentrationen im Bereich von mg/m3 bis pg/m3, oder sogar ng/m3, als bei Emissionsmessungen, wo auch Auflösungen im Bereich von mg/m3 bis g/m3 ausreichen können.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedenste Messgeräte bekannt, die grundsätzlich zur Emissionsmessung und/oder oder Immissionsmessung geeignet sind. Beispiele hierfür sind sogenannte Schwärzungszahl-Messgeräte (Smoke Meter), Streulichtmessgeräte oder Opazimeter, wobei jedes Messgerät Vor- und Nachteile aufweist.

Ein Schwärzungszahl-Messgerät misst bekanntermaßen die Ablagerung des schwarzen Anteils (Kohlenstoffanteil) eines Messgases auf einem Filterpapier, also z.B. die Rußablagerung des in einem Abgas enthaltenen Rußes. Hierbei wird das Filterpapier eine Zeit lang mit Abgas (unverdünnt oder verdünnt) beaufschlagt und danach die sogenannte Schwärzungszahl FSN bestimmt, die ein Maß für die Rußkonzentration in Gewicht/Volumen, z.B. mg/m3 darstellt. Mit einem Schwärzungszahl-Messgerät ist aber nur eine integrale Messung möglich, bei der ein Messwert nur nach einer gewissen (langen) Zeitspanne vorliegt. Je besser die Auflösung sein soll, umso größer wird die Zeitspanne. Ein typischer Wert eines heutigen Schwärzungszahl-Messgerätes hat eine Auflösung von ungefähr 1000pg/m3/Saugzeit (in Sekunden). Bei einer geforderten Auflösung bzw. Präzision von Konzentrationen von 1 pg/m3 stünde ein Messwert folglich nur alle 1000 Sekunden zur Verfügung. Eine zeitliche Auflösung der Messung, also ein zeitlicher Verlauf der gemessenen Konzentration, ist hierbei nicht möglich.

Ein Opazimeter misst die durch Partikel in einem Messgas bewirkte Abschwächung von Licht. Hierzu wird das Messgas mit Licht bestrahlt und das durchtretende Licht an der gegenüberliegenden Seite, das ein Maß für die Partikelkonzentration darstellt, gemessen. Mit einem Opazimeter können zeitlich aufgelöste Messungen durchgeführt werden, jedoch nur mit geringer Messwertauflösung, im Bereich von 0.1% in der Opazität (entspricht ca. 500 pg/m3).

Ein Streulichtmessgerät erfasst das an in einem Messgas befindlichen Partikeln gestreute Licht. Hierzu wird das Messgas mit Licht, in der Regel Laserlicht, beleuchtet und das an den Partikeln abgelenkte Streulicht mittels Detektoren erfasst. Je nach Anzahl und Anordnung der Detektoren kann dabei nicht nur eine Aussage über eine Partikelkonzentration im Messgas, sondern unter Umständen auch eine Aussage zur Partikelgrößenverteilung und auch über die Zusammensetzung der Partikel getroffen werden. Mit einem Streulichtmessgerät sind für die gegenständliche Anwendung zeitlich aufgelöste Messungen im Bereich von 1 s bis ungefähr 0,1 ms und auch hohe Messwertauflösungen, im Bereich von einigen 100mg/m3 bis kleiner 0,001 pg/m3 möglich. Es ist aber anzumerken, dass allgemein mit Streulichtmessgeräten heutiger Technologie auch zeitliche Auflösungen bis in den 1 ns Bereich und sogar darunter möglich sind, was aber für die gegenständliche angestrebte Partikelanalyse in Messgasen nicht notwendig ist. Ebenso sind mit heutigen Streulichtmessgeräten auch Messwertauflösungen weiter unter 0,001 pg/m3 erzielbar. Hier sind Messwertauflösungen in den Pikogramm oder sogar Femtogramm Bereich möglich, was aber für die gegenständliche angestrebte Partikelanalyse in Messgasen, zumindest aus heutiger Sicht, ebenfalls unnötig ist. Eine Schwierigkeit eines Streulichtmessgerätes ist allerdings die schlechte Kalibrierbarkeit, um verlässlich reproduzierbare Messungen zu ermöglichen. Insbesondere gibt es noch keinen Standard, der eine zuverlässige Kalibrierung sicherstellen würde.

In der AT 002 225 U2 wurde bereits erkannt, dass sich die Vorteile der verschiedenen Messgeräte kombinieren lassen, wenn zumindest ein Streulichtmessgerät mit einem Schwärzungszahl-Messgerät oder einem Opazimeter zur Messung kombiniert werden. Hierbei wird der Nachteil der schlechten Kalibrierbarkeit des Streulichtmessgerätes dadurch behoben, indem die hochdynamischen Streulicht-Messwerte auf die nach dem anderen Messverfahren erhaltenen integralen Messwerte kalibriert werden.

Es ist nun eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung eine Vorrichtung anzugeben, mit der bei einem sehr großen möglichen Messbereich auf einfache Weise sowohl eine integrale Messung einer Partikelkonzentration, als auch eine zeitlich aufgelöste Messung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, in der das Filterpapier die Messkammer in ein erstes, stromaufwärts des Filterpapiers angeordnetes Messvolumen und in ein zweites, stromabwärts des Filterpapiers angeordnetes Messvolumen aufteilt, und am Messgerät eine erste Lichtquelle und eine Anzahl von Streulichtdetektoren vorgesehen sind, wobei die erste Lichtquelle einen Lichtstrahl in das erste Messvolumen einstrahlt, und die Anzahl von Streulichtdetektoren an den Partikeln gestreutes Streulicht erfassen. Ebenso wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem eine Messkammer durch ein Filterpapier in ein stromaufwärts liegendes erstes Messvolumen und in ein stromabwärts liegende zweites Messvolumen geteilt wird und das erste und zweite Messvolumen vom Messgas durchströmt wird, ein erster Lichtstrahl in das erste Messvolumen eingestrahlt wird und das an den Partikeln gestreute Streulicht mittels einer Anzahl von Streulichtdetektoren mit einer ersten zeitlichen Auflösung erfasst wird und beim Durchströmen des Filterpapiers Partikel des Messgases am Filterpapier abgelagert werden und die abgelagerten Partikel mit einer zweiten zeitlichen Auflösung erfasst werden, wobei die erste zeitliche Auflösung größer ist als die zweite zeitliche Auflösung.

Ein solches Messgerät, bzw. ein solches Verfahren, zeichnet sich dadurch aus, dass für alle darin implementierten Messverfahren dieselbe Messkammer verwendet werden kann, woraus sich ein einfacher und kompakter konstruktiver Aufbau ergibt. Darüber hinaus wird damit für alle Messungen auch nur eine einzige Entnahmestelle für das Messgas benötigt. Das wird insbesondere dadurch ermöglicht, da das Schwärzungszahl-Messgerät mit einem Messverfahren, hier eine Streulichtmessgerät, kombiniert wird, das die Messung durch das Schwärzungszahl-Messgerät nicht beeinflusst. Durch diese Kombination wird weiters in einfacher Weise die zeitliche Auflösung der integralen Messung des Schwärzungszahl-Messgerätes möglich, da das Streulichtmessgerät Messwerte mit höherer zeitlicher Auflösung liefert, als das Schwärzungszahl-Messgerät. Nachdem das Schwärzungszahl-Messgerät und das Streulichtmessgerät zusammen auch einen sehr großen Messbereich abdecken, kann mit dem Messgerät ein sehr großer Bereich von Partikelkonzentrationen erfasst werden, womit sich das Messgerät gleichermaßen für Emissions- als auch für Immissionsmessungen eignet. Nicht zuletzt kann das Streulichtmessgerät auch auf einfache Weise mittels der integralen Messwerte des Schwärzungszahl-Messgerätes kalibriert werden, was für genaue und wiederholbare Messungen vorteilhaft ist.

Wenn im Strahlgang des Lichtstrahls ein weiterer Lichtdetektor angeordnet ist, kann ein weiteres Messignal für die Partikelkonzentration gewonnen werden, das ebenfalls entweder zur zeitlichen Auflösung der integralen Messung des Schwärzungszahl-Messgerät oder zur Kalibrierung der Messergebnisse eines der anderen Messverfahren oder einfach nur zur Verifizierung oder Verbesserung der anderen Messungen verwendet werden kann. Ebenfalls ist es damit möglich, für verschiedene Messgase verschiedene Messverfahren zu nutzen, falls die Messverfahren zur Messung an unterschiedlichen Messgasen unterschiedlich gut geeignet sind.

Wenn am Messgerät im Bereich des zweiten Messvolumens eine zweite Lichtquelle vorgesehen ist, die die stromabwärts gelegene Rückseite des Filterpapiers beleuchtet, und ein Reflexionslichtdetektor vorgesehen ist, der das an der Rückseite des Filterpapiers reflektierte Licht der zweiten Lichtquelle erfasst, kann ebenfalls ein weiteres Messignal für die Partikelkonzentration gewonnen werden, das ebenfalls entweder zur zeitlichen Auflösung der integralen Messung des Schwärzungszahl-Messgerät oder zur Kalibrierung der Messergebnisse eines der anderen Messverfahren oder einfach nur zur Verifizierung oder Verbesserung der anderen Messungen verwendet werden kann. Ebenfalls ist es damit möglich, für verschiedene Messgase verschiedene Messverfahren zu nutzen, falls die Messverfahren zur Messung an unterschiedlichen Messgasen unterschiedlich gut geeignet sind.

Die zeitliche Auflösung des integralen Messwertes des Schwärzungszahl-Messgerätes gelingt auf vorteilhafte Weise auch mit einem Drucksensor, der den Unterdrück im zweiten Messvolumen erfasst. Auch mit dieser zusätzlichen Messung kann eine Verifizierung oder Verbesserung der anderen Messungen erfolgen.

Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Messgerätes,

Fig.2 einen Querschnitt A-A durch das erfindungsgemäße Messgerät und

Fig.3 einen Querschnitt B-B durch das erfindungsgemäße Messgerät.

Das erfindungsgemäße Messgerät 1 nach Fig. 1 besteht aus einer geschlossenen Messkammer 2, in die eine Zuführleitung 3 und eine Abführleitung 4 mündet. Über die Zuführleitung 3 wird dem Messgerät 1, bzw. der Messkammer 2, Messgas, das an einer beliebigen Messstelle 6 entnommen wurde, zugeführt und über die Abführleitung 4 abgeführt (angedeutet durch die Pfeile in Fig. 1). Damit wird die Messkammer 2 von der Zuführleitung 3 zur Abführleitung 4 durchströmt. Hierzu kann in der Abführleitung 4 eine Fördereinrichtung 5 für das Messgas, z.B. eine Säugpumpe, angeordnet sein, um das Messgas in Strömungsrichtung durch die Messkammer 2 zu fördern. Die Fördereinrichtung 5 könnte aber auch in der Zuführleitung 3 angeordnet sein. Die Messstelle 6 ist z.B. ein Auspuffrohr eines Verbrennungsmotors aus dem für eine Emissionsmessung mittels einer hinlänglich bekannten Abgassonde Abgas als Messgas entnommen wird. Das Abgas kann dabei unverdünnt ent nommen werden, kann aber auch vor dem Messgerät 1 in hinlänglich bekannter Weise verdünnt und/oder anderweitig aufbereitet (beispielsweise durch Entfernung im Messgas enthaltener flüchtiger Bestandteile) werden. Die Messstelle 6 kann aber auch die Umgebung des Messgerätes 1 sein, wenn für eine Immissionsmessung als Messgas die Umgebungsluft verwendet wird.

Das Messgerät 1 umfasst auch eine Auswerteeinheit 20, in der die verschiedenen Messsignale zur Bestimmung einer Partikelkonzentration K ausgewertet werden, wie nachfolgen eingehender beschrieben wird.

In der Messkammer 2 des Messgerätes 1 ist ein Filterpapier 7 für die Messung der Schwärzungszahl FSN angeordnet. Das Filterpapier 7 teilt den geschlossenen Innenraum der Messkammer 2 in ein erstes abgeschlossenes Messvolumen 8 stromaufwärts des Filterpapiers 7 und in ein zweites abgeschlossenes Messvolumen 9 stromabwärts des Filterpapiers 7. Zur Festlegung der gewünschten Strömungsrichtung mündet die Zuführleitung 3 in das erste Messvolumen 8 und die Abführleitung 4 in das zweite Messvolumen 9. Das dem Messgerät 1 zugeführte Messgas wird dabei durch das Filterpapier 7 durchgeführt, womit sich im Messgas befindliche Partikel (z.B. Rußpartikel) am Filterpapier 7 ablagern. Nach einer gewissen, vorgegebenen Zeitspanne wird eine Vorschubeinheit 10 betätigt, mit der der mit Partikel beaufschlagte Abschnitt des endlosen Filterpapiers 7 aus der Messkammer 2 gefördert wird und gleichzeitig ein neuer unbeaufschlagter Abschnitt des Filterpapiers 7 in die Messkammer 2 gefördert wird. Außerhalb der Messkammer 2 ist ein Schwärzungszahlmesskopf 11 angeordnet, mit dem die Schwärzungszahl FSN als Maß für die Partikelkonzentration im Messgas ermittelt werden kann. Dazu kann auch vorgesehen sein, dass das vom Schwärzungszahlmesskopf 11 gelieferte Messsignal M1 an die Auswerteeinheit 20 weitergeleitet wird, um eine Partikelkonzentration Kzu bestimmen. Messkammer 2, Filterpapier 7, Vorschubeinrichtung 10 und Schwärzungszahlmesskopf 11, gegebenenfalls gemeinsam mit der Auswerteeinheit 20, bilden dabei ein hinlänglich bekanntes Schwärzungszahl-Messgerät 12 aus.

Das Schwärzungszahl-Messgerät 12 ermöglicht eine integrale Messung der Partikelkonzentration, bei der nach einer bestimmten Beladungsdauer, beispielsweise alle 100 Sekunden, ein Messwert für die Partikelkonzentration K, z.B. in Form der Schwärzungszahl FSN (welcher einem optischen Absorptionskoeffizienten entspricht) oder als Messwert mit der Einheit GewichtseinheitA/olumeneinheit, z.B. mg/m3 (welcher in kalibrierter Form einem Massenabsorptionskoeffizienten entspricht), vorliegt.

In der Messkammer 2 ist im ersten Messvolumen 8 zusätzlich ein Streulichtmessgerät 13 angeordnet, das anhand der Fig. 1 und Fig.2 (Schnitt A-A) beschrieben wird. Hierzu ist am

Messgerät 1 eine erste Lichtquelle 14, vorzugsweise ein Laser, angeordnet, mit dem ein Lichtstrahl 17 in das erste Messvolumen 8 eingestrahlt wird. Die erste Lichtquelle 14 kann an der Wand der Messkammer 2, gegebenenfalls hintereinem optischen Fenster, angeordnet sein. An der gegenüberliegenden Seite ist vorzugsweise eine Strahlensenke 15 angeordnet, um allfällige störende Reflexionen des Lichtstrahles 17 an der Wand der Messkammer 2 zu verhindern. Im ersten Messvolumen 8, vorzugsweise an der Wand der Messkammer 2, gegebenenfalls hinter optischen Fenstern, sind eine Anzahl von Streulichtdetektoren 16a, 16b, vorzugsweiser zwei oder mehr, räumlich verteilt angeordnet. An im durch das Messvolumen 8 strömenden Messgas enthaltenen Partikeln P wird der Lichtstrahl 17 abgelenkt und das dabei entstehende Streulicht 18 durch die Streulichtdetektoren 16a, 16b erfasst. Das Streulicht 18 ist ein Maß für die Partikelkonzentration im Messgas. Das von den Streulichtdetektoren 16a, 16b erfasste Messsignal Ma, Mb wird an die Auswerteeinheit 20 weitergeleitet, um daraus eine Partikelkonzentration Kzu bestimmen. Durch die Messung und dem Vergleich der Messsignale Ma, Mb bei zumindest zwei verschiedenen Winkeln kann in der Auswerteeinheit 20 in an sich bekannterWeise auch die mittlere Partikelgröße und die Partikelgrößenverteilung beurteilt werden. Die Streulichtmessung beeinflusst das Messgas und die darin befindlichen Partikel P in keiner Weise, weshalb das Streulichtmessgerät 13 stromaufwärts des Schwärzungszahl-Messgerätes 12 angeordnet werden kann.

An Stelle der Strahlensenke 15 könnte auch ein weiterer Lichtdetektor 16c für eine Tranmis-sionsmessung vorgesehen sein, um z.B. auch die Opazität O, als weiteres Maß für die Partikelkonzentration im Messgas, zu erfassen. Das vom weiteren Lichtdetektor 16c erfasste Messsignal Mc wird an die Auswerteeinheit 20 weitergeleitet, um daraus eine Partikelkonzentration K zu bestimmen. Bei Bedarf kann das Messignal des Lichtdetektors 16c auch zur Korrektur der Messsignale Ma, Mb verwendet werden, wenn das Streulicht durch sehr hohe Konzentrationen an Partikeln im Messvolumen selbst abgeschwächt wird. Das Maß der mit dem Lichtdetektor 16c erfassten Abschwächung, kann dann verwendet werden, um die Messsignale Ma, Mb zu korrigieren, da angenommen werden kann, dass auch das Streulicht mit demselben Maß abgeschwächt wird. Mit dem Lichtdetektor 16c und der Lichtquelle 14 wird demnach ein Opazimeter 26 ausgebildet.

Falls Daten über die Größe und Form der Partikel P benötigt werden, kann im Streulichtmessgerät 13 auch ein Polarisator 19 vorgesehen sein (Fig.2) oder eine erste Lichtquelle 14 verwendet werden, die die Polarisation des abgestrahlten Lichtstrahles 17 ändern kann. Durch die Polarisationsrichtung relativ zu der Anordnung der Streulichtdetektoren 16a, 16b können auch Art und Form der Partikel diskriminiert werden, da z.B. die Streulichtintensitäten bei Verwendung linear polarisierten (oder zirkular polarisierten) Lichtes in den drei Raumrichtungen für annähernd sphärische (Tröpfchen, Aerosole) und fraktale Partikel (wie Black Car- bon) unterschiedlich in den verschiedenen Raumrichtungen sind. Die Polarisation kann dabei nach Bedarf durch die Auswerteeinheit 20 eingestellt oder umgestellt werden, wie in Fig.2 angedeutet.

Das Streulichtmessgerät 13 ermöglicht zeitlich hoch aufgelöste Messungen mit einer hohen Messwertauflösung. Mit Streulichtmessgeräten 13 sind mit heutigen Technologien zeitliche Auflösungen mit mehr als 100 bis 1000 Messwerten pro Sekunde möglich und ausreichend. Theoretisch wären mit einem Streulichtmessgerät 13 noch weitaus größere zeitliche Auflösungen möglich, hier wurden schon Messungen mit einer zeitlichen Auflösung von 1 ps bekannt, wobei solche hohen Auflösungen in der gegenständlichen Anwendung nicht benötigt werden. Dabei sind Messwertauflösungen von größer 100 mg/m3 bis 0,01 pg/m3 erzielbar. Heutige Opazimeter weisen typischerweise zeitliche Auflösungen bis in den Bereich von 100Hz (100 Messwerte/s) auf, bei Messwertauflösungen von 0.01 bis 100% Opazität (entspricht Partikelkonzentrationen von 100pg/m3 bis größer 10000 mg/m3).

Mit einem Messsignal Ma, Mb des Streulichtmessgeräts 13 oder dem Messsignal Mc des Opazimeters 26 kann damit die mit dem Schwärzungszahl-Messgerät 12 gemessene, sehr genaue integrale Partikelkonzentration zeitlich aufgelöst werden. Dazu wird das Messsignal Ma, Mb des Streulichtmessgeräts 13 oder das Messsignal Mc des Opazimeters 26 mit einer ersten zeitlichen Auflösung (Anzahl der Messungen pro Sekunde) erfasst und das Messsignal M1 des Schwärzungszahl-Messgerät 12 mit einer zweiten zeitlichen Auflösung (Anzahl der Messungen pro Sekunde), wobei die erste zeitliche Auflösung größer ist, als die zweite zeitliche Auflösung. Nachdem jedes Messverfahren für eine bestimmte Zeitspanne, beispielsweise die zweite zeitliche Auflösung, die gleiche Partikelkonzentration K liefern muss, können die Messignale zeitlich zueinander in Bezug gesetzt werden, das Messsignal M1 des Schwärzungszahl-Messgeräts 12 also zeitlich durch die Messsignale Ma, Mb, Mc des Streulichtmessgerät 13 oder Opazimeter 26 aufgelöst werden..

Im zweiten Messvolumen 9 in der Messkammer 2 kann eine zweite Lichtquelle 21, vorzugsweise eine High Efficiency LED, angeordnet sein, wie in Fig. 1 und Fig.3 (Schnitt B-B) dargestellt ist. Die zweite Lichtquelle 21 kann in der Wand der Messkammer 2, gegebenenfalls hinter einem optischen Fenster, angeordnet sein. Gleichwertig kann in der Wand der Messkammer 2 eine optische Linse 24 angeordnet sein, die mit einer davon beabstandeten Lichtquelle 21 zusammenwirkt (angedeutet in Fig.3). Die zweite Lichtquelle 21 bestrahlt, gegebenenfalls über die optische Linse 24, die nicht mit Partikel beaufschlagte Seite des Filterpapiers 7, also die reine, stromabwärts liegende Rückseite des Filterpapiers 7. Je stärkerdas Filterpapier 7 während der integralen Messung des Schwärzungszahl-Messgerätes 12 verschmutzt, umso weniger Licht der zweiten Lichtquelle 21, das das Filterpapier 7 beleuchtet und durchstrahlt, wird am und im Filterpapier 7 reflektiert. Das reflektiert Licht wird mit einem im Reflexionsbereich angeordneten Reflexionslichtdetektor 22 in gewissen zeitlichen Abständen erfasst und das erfasste Messsignal M2 in der Auswerteeinheit 20 ausgewertet. Das reflektierte Licht kann dabei auch durch eine Sammellinse 25 in der Wand der Messkammer 2 gesammelt und an den Reflexionslichtdetektor 22 weitergeleitet werden, wie in Fig.3 angedeutet. Das ermöglicht ebenfalls eine zeitliche Auflösung der an sich integralen Messung des Schwärzungszahl-Messgerätes 12, da aus der zeitlichen Änderung des Messwertes des Reflexionslichtdetektors 22 (Messsignal M2) auf die Beaufschlagung des Filterpapiers 7 mit Partikeln P im jeweiligen zeitlichen Abstand geschlossen werden kann.

Wenn die Partikel P sich auf und auch im Filterpapier 7 ablagern, wird stetig weniger reflektiertes Licht den Reflexionslichtdetektor 22 erreichen. Das im Reflexionslichtdetektor 22 erfasste Messsignal M2 ist aber in der gegebenen Konfiguration zeitlich auflösbar. Das zeitliche Integral dieser Messung im Reflexionslichtdetektor 22 muss aber per Definition mit dem zeitlichen Integral der Messung mit dem Schwärzungszahl-Messgerät 12 übereinstimmen, sodass damit eine entsprechend präzisere Kalibrierung möglich ist, da damit der Messwert des Schwärzungszahl-Messgerätes 12 verifiziert werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass sich die Messwertauflösung mit dem Reflexionslichtdetektor 22 nur im Bereich der Opazitätsmessung bewegt. Im Gegenteil zur Streulichtmessung mit dem Streulichtmessgerät 13 kann daher mit dem Reflexionslichtdetektor 22 keine sehr große Messwertauflösung erreicht werden. Für hohe Partikelkonzentrationen, welche bei Emissionsmessungen durchaus auf-treten können, kann die Messwertauflösung im Bereich von mehr als ca. 10 mg/m3 durchaus sehr wohl ausreichend sein, wobei die zeitliche Dynamik dieses Messsignals aber sehr wohl im Bereich der Streulichtmessungen von ca. 100 Hz bleibt. Bei Partikelkonzentrationsmesswerten von größer 100mg/m3 hat diese Messmethode gegenüber der Streulichtmessung wieder Vorteile, bzw. ergänzt diese, da optische Selbstabsorptionseffekte damit vermieden werden können.

Hier ist anzumerken, dass die Kombination des Schwärzungszahl-Messgerätes 12 mit der zweiten Lichtquelle 21 zur zeitlichen Auflösung des integralen Messwertes des Schwärzungszahl-Messgerätes 12 auch für sich alleine als erfinderisch anzusehen ist. Für die Ermittlung einer Partikelkonzentration K aus der Schwärzungszahl FSN ist auch das integrale Saugvolumen, also das Volumen an Messgas, das für einen integralen Messwert des Schwärzungszahl-Messgerätes 12 durch die Messkammer 2 durchströmt, von Nöten. Das Saugvolumen kann beispielsweise anhand des nach dem Filterpapier 7 gemessenen Unterdruckes berechnet werden. Dazu ist der Absolutdruck, der Unterdrück am/nach dem Filterpapier 7, der an einer Messblende durch die Gasströmung verursachte Differenzdruck und die Temperaturan der Messblende bzw. am Filterpapier7 erforderlich. Daraus kann das integrale Saugvolumen gemäß einem bekannten formelmäßigen Zusammenhang berechnet werden.

Eine allgemeine und bekannte Formel zum Berechnen eines Volumenflusses V ist im Folgenden dargestellt:

Mit dem Massenfluss M in kg/s und der Dichte p des Mediums in kg/m3. Der Massenfluss M ergibt sich aus

Mit dem Differenzdruck Δρ an der Messblende, dem Absolutdruck p vor der Messblende, der absoluten Temperatur T an der Messblende und einem Kalibrierfaktor k.

Das Saugvolumen in m3 ergibt sich dann mit dem Integral (oder der Summe) der einzelnen zeitlich aufgelöst gemessenen Volumenflüsse V,, wobei natürlich für die korrekte Messung die Zeitauflösung der einzelnen Volumenflüsse V ebenfalls im Bereich der zeitlichen Auflösung der Ermittlung der Partikelkonzentration K, z.B. im Bereich von ca. 100 Hz, liegen muss.

Es kann im Messgerät 1 aber auch der Unterdrück stromabwärts des Filterpapiers 7, also im zweiten Messvolumen 9, mit einem Drucksensor 23 gemessen werden. Es wurde festgestellt, dass sich der Unterdrück bei Beibehaltung des Saugvolumens mit der Ablagerung von Partikeln P am Filterpapier 7 ändert. Mit steigender Ablagerung bzw. längerer Beladungszeit des Filterpapiers 7 steigt auch der Unterdrück. Damit kann auch der zeitliche Verlauf des Unterdrucks (Messsignal M3) verwendet werden, um die an sich integrale Messung des Schwärzungszahl-Messgerätes 12 zeitlich aufzulösen. Diese Auswertemethode erfolgt äquivalent der Methode mit dem am Filterpapier 7 reflektierten Licht der zweiten Lichtquelle 21 und dem Reflexionslichtdetektor 22, mit dem Unterschied, dass hier nicht die Änderung des diffus reflektierten Lichtes sondern die Änderung des Differenzdruckes vor und nach dem Filterpapier7, hervorgerufen durch die Partikelablagerungen, zurzeitaufgelösten Messung der Menge der abgelagerten Partikel verwendet werden kann. Die Auflösung dieser Methode ist in etwa gleich gut wie mit der optischen Reflexionsmethode mit der zweiten Lichtquelle 21 und dem Reflexionslichtdetektor 22.

Hier ist anzumerken, dass die Kombination des Schwärzungszahl-Messgerätes 12 mit der Erfassung des Unterdrucks zur zeitlichen Auflösung des integralen Messwertes des Schwärzungszahl-Messgerätes 12 auch für sich alleine als erfinderisch anzusehen ist.

Eine Emissions- oder Immissionsmessung kann nun so ablaufen, dass mit dem Schwärzungszahl-Messgerät 12 eine integrale Messung der Partikelkonzentration K durchgeführt wird. Das Streulichtmessgerät 13 kann dazu verwendet werden, um sehr niedrige Partikelkonzentrationen zu messen (im mg/m3 bis in den niedrigen μg/m3 und ng/m3 Bereich), kann aber auch dazu genutzt werden, um die integrale Messung des Schwärzungszahl-Messgerätes 12 zeitlich aufzulösen. Die Messwerte des Streulichtmessgerätes 13 können auch auf die integrale Messung des Schwärzungszahl-Messgerät 12 kalibriert werden, z.B. wie in der AT 002 225 U2 beschrieben. Für niedrige Partikelkonzentrationen K können die Messwerte des Streulichtmessgerätes 13 auch unmittelbar herangezogen werden, um notwendigen langen Beladungszeiten im Schwärzungszahl-Messgerät 12 auszuweichen. Es kann aber auch eine zweite Lichtquelle 21 und die Auswertung der Reflexion an der Rückseite des Filterpapiers 7 und/oderdie Messung des Unterdrucks im Messvolumen 9 genutzt werden, um die die integrale Messung des Schwärzungszahl-Messgerät 12 zeitlich aufzulösen. Bei Verwendung mehrerer Methoden zur zeitlichen Auflösung der integralen Messung des Schwärzungszahl-Messgerät 12 kann die Genauigkeit der zeitlichen Auflösung durch statistische Methoden, wie z.B. eine Mittelwertbildung, verbessert werden bzw. kann eine mögliche Anfälligkeit einer bestimmten Methode auf äußere Einflüsse oder auf die Art der Partikel oder Partikelzusammensetzung ausgeglichen werden. Damit erhält man mit dem Messgerät 1 in einem bestimmten zeitlichen Abstand mit dem Schwärzungszahl-Messgerät 12 einen sehr genauen integralen Messwert der Partikelkonzentration K, der anhand der oben beschriebenen Methoden auch zeitlich aufgelöst (Partikelkonzentration K(t)) werden kann. Dazu können mit dem Streulichtmessgerät 13 auch sehr niedrige Partikelkonzentrationen K gemessen werden.

Darüber hinaus kann die integrale Messung auch verwendet werden, um die zeitlich aufgelösten Messwerte zu kalibrieren. Dazu könnte dem Messgerät 1 ein definiertes Kalibriergas zugeführt werden und eine oder mehrere integrale Messungen (Schwärzungszahl-Messgerät 12) durchgeführt werden, auf die die anderen Messverfahren kalibriert werden. Das ist möglich, da die verschiedenen Messverfahren für einen bestimmten Zeitbereich dieselben Messergebnisse liefern müssen. Als Kalibriergas kann z.B. ein Gas verwendet werden, das von einem Partikelgenerator erzeugt wird und eine bekannte Partikelkonzentration enthält.

Um die beschriebene gegenseitige Kalibrierung im Messgerät 1 zu ermöglichen, ist es aber erforderlich, zumindest das im Messgerät 1 enthaltenen Schwärzungszahl-Messgerät 12 oder Opazimeter 26 oderStreulichtmessgerät 13 zu kalibrieren. Hierbei sind verschiedene Kalibrierverfahren denkbar.

Beispielsweise könnte auf die optische Absorption der zu messenden Partikel kalibriert werden. Dazu kann zur Kalibrierung die optische Absorption an einem definierten Kalibriergas gemessen werden. Die optische Absorption folgt bekanntermaßen dem Lambert-Beerschen Gesetz in der Form I(L) = I0 -e μί. Dabei ist l0 die abgegebene Lichtintensität und μ der Absorptionskoeffizient des Mediums (hier des Kalibriergases). Der Abstand L ist ein gegebener Geräteparameter. Wird ein definiertes Kalibriergas dem Messgerät 1 zugeführt und mit dem Opazimeter 26 und/oder Streulichtmessgerät 13 gemessen, so kann das jeweilige gemessene Messsignal Ma, Mb, Mc durch das Lambert-Beerschen Gesetz kalibriert werden. Für eine reale Messung an einem Messgas ist im Messgerät 1 nur mehr auf den geänderten Absorptionskoeffizient μ des Messgases umzurechnen. Dazu kann der Absorptionskoeffizient μ des Messgases am Messgerät einstellbar sein, z.B. über eine entsprechende Eingabemöglichkeit an der Auswerteeinheit 20. Zur Unterstützung können im Messgerät 1 auch Referenzen bekannter Absorptionskoeffizienten μ verschiedener Messgase oder Messgaszusammensetzungen (Art, Größe, Verteilung der enthaltenen Partikel) hinterlegt sein. Gegebenenfalls kann der Absorptionskoeffizient μ des Messgases auch anderweitig, außerhalb des Messgerätes 1, z.B. in einem entsprechenden Labor, ermittelt werden.

Das Lambert-Beerschen Gesetz gilt zwar nicht für das Schwärzungszahl-Messgerät 12, allerdings gilt dort ein ähnlicher Zusammenhang. Insbesondere gibt es auch dort einen Parameter, der vom jeweiligen Medium abhängig ist. Zum Kalibrieren des Schwärzungszahl-Messgerätes 12 gilt somit im Wesentlichen das oben zum Opazimeter 26 und Streulichtmessgerät 13 Gesagte analog.

Alternativ oder zusätzlich kann die Kalibrierung auch auf die Partikelmassenkonzentration erfolgen. Dazu kann ein definierter Kalibrierstandard, wie z.B. ein CAST (Combustion Aerosol Standard), mit einer definierten Partikelmassenkonzentration verwendet werden. Die Messungen mit dem Schwärzungszahl-Messgerät 12 oder Opazimeter 26 oder Streulichtmessgerät 13 können dann auf den Kalibrierstandard bezogen und damit kalibriert werden.

Hier ist es auch möglich, auf das Messgas zu kalibrieren. Dazu muss das Messgas außerhalb des Messgerätes 1 untersucht werden, um eine Partikelmassenkonzentration des Messgases zu ermitteln. Dazu kann das Messgas gefiltert werden und das gefilterte Material untersucht werden. Das kann beispielsweise mittels gravimetrischer Messung des gefilterten Materials erfolgen, wenn die Partikelart bekannt ist, wie z.B. Ruß in einem Abgas. Es ist aber auch eine detaillierte chemische Analyse des gefilterten Materials (beispielsweise zur Bestimmung der Zusammensetzung der Partikel, der Anteile von grafitischem und nicht grafitischem oder auch amorphem Kohlenstoff und der Anteile verschiedener Kohlenwasserstoffsubstanzen und in weiterer Folge auch deren Zusammensetzungen) möglich.

Der Absorptionskoeffizient μ ist auch durch die Formel μ = Q * p darstellbar, mit dem Absorptionsquerschnitt Q [m2/g] der zu messenden Substanz und p deren Dichte [g/m3].

Ein Messgerät kann nun mit einem Kalibriergas einer bekannten Partikelkonzentration K und dem Absorptionsquerschnitt Q für dieses Kalibriergas, der bekannt sein kann oder anhand von physikalischen oder chemischen Untersuchungen bestimmt (gemessen oder kalkuliert) werden kann, auf die Anzeige einer Partikelkonzentration K in z.B. mg/m3 kalibriert werden.

Die Partikelkonzentration K einer zu messenden Substanz ergibt sich somit aus dem obigen Zusammenhang für den Absorptionskoeffizienten μ zu

mit einem Kalibrier faktor F oder auch eine Kalibrierfunktion FK (beide dimensionslos). Der Absorptionsquerschnitt Q wird damit als Teil der Kalibrierfunktion FK bzw. des Kalibrierfaktors F betrachtet und ist bei den vorgegebenen Kalibrierpunkten konstant. Dies ist für Gase, Festkörper, Flüssigkeiten wie Propan, Quarz oderWasser (bei ansonsten konstanten Bedingungen von insbesondere Temperatur T und Absolutdruck Pa und Partialdruck Pp) korrekt, solange diese Substanz nicht chemisch reagiert, adsorbiert, dissoziiert, gelöst, etc. wird. Üblicherweise wird die restliche Abhängigkeit der Kalibrierfunktion (insbesondere von Temperatur T, Absolutdruck Pa und Partialdruck Pp) in einer Linearisierungskurve der verschiedenen Partikelanalysatoren (Schwärzungszahl-Messgerät 12, Opazimeter 26, Streulichtmessgerät 13) im Messgerät 1 berücksichtigt werden, sodass nur mehr die Kalibrierung des Nullpunktes und eines weiteren Kalibrierpunktes erforderlich ist. Querempfindlichkeiten von Fremdsubstanzen werden durch die Wahl der Messbereiche in der Regel fast vollkommen vermieden. Für Messungen von kohlenstoffhaltigen schwarzen Partikeln aus Rußemissionen ist die obige Annahme allerdings nicht gültig, da der Absorptionsquerschnitt Q der Kohlenstoff oder kohlenstoffartigen Partikel variabel ist. m eigentlichen chemischen Sinne sind solche Kohlenstoff oder kohlenstoffartigen Partikel keine homogene chemische Substanz, wie eben z.B. Wasser, sondern setzen sich aus einem mehr oder weniger variablen Konglomerat an Substanzen zusammen, dessen Hauptanteil aber Aggregatformen von mehr oder weniger schwarzem Kohlenstoff sind. Üblicherweise kann der Absorptionsquerschnitt Q im sichtbaren Bereich der Augenempfindlichkeit im Bereich von <2 bis >16 variieren, wobei Diamant als extreme Form des Kohlenstoffen einen Absorptionsquerschnitt Q von ca. 0 aufweist, während der Absorptionsquerschnitt Q von reinem amorphen Kohlenstoff typisch im Bereich von ca. 8 m2/g liegt. Zusammengesetzte Partikel aus amorphem Kohlenstoff mit angelagerten transparenten Bestandteilen (typisch im Bereich von mehr als 80% der Masse) können auch Absorptionsquerschnitte Q von >16 aufweisen, da hier das Licht durch optische Effekte auf den schwarzen Kohlenstoffkern fokussiert wird und damit die Absorption höher werden kann, als ohne transparente Bestandteile.

Im üblichen Sprachgebrauch werden aber als schwarzer Kohlenstoff nur Partikel verstanden, welche einen Absorptionsquerschnitt Q von zumindest mehr als 4 m2/q aufweisen, bei realen

Messungen konnte aber festgestellt werden, dass durchaus immer wieder Werte von weniger als 4 m2/g aufgetreten sind.

Der Absorptionsquerschnitt Q des verwendeten Kalibriergases (mit Partikeln beladenes Gas bekannter Zusammensetzung und Konzentration) kann als zusätzlicher Kalibrierparameter Qk zusammen mit dem Kalibrierfaktor Fk (oder der Kalibrierfunktion F) im Messgerät 1 abgespeichert werden.

Wenn im Messgerät 1 ein Messgas mit einem vom Kalibriergas abweichenden Absorptionsquerschnitt Qg analysiert werden soll, ist die Kalibrierung mit dem Kalibriergas immer noch gültig. Es ist dabei nur erforderlich den Absorptionsquerschnitt QG des zu analysierenden Gases dem Messgerät 1 mitzuteilen, z.B. über einen entsprechende Eingabemöglichkeit am Messgerät 1, und die Messwertausgabe der Partikelkonzentration in Gewicht/Volumen mg/m3 kann gemäß der Beziehung

automatisch an das Messgas die ange passt werden. Damit kann die Variabilität in der Zusammensetzung der Partikel und damit auch des Absorptionsquerschnittes Q der unterschiedlichen Arten von Partikeln in die Kalibrierung des Messgerätes 1, bzw. eines der darin enthaltenen Partikelanalysatoren, einfließen.

Claims (9)

1. Patentansprüche 1. Messgerät zur Bestimmung einer Partikelkonzentration (K) in einem mit Partikeln (P) beladenen Messgas, mit einer Messkammer (2), in die eine Zuführleitung (3) zur Zuführung von Messgas und eine Abführleitung (4) zur Abführung des Messgases mündet und in der Messkammer (2) ein Filterpapier (7) angeordnet ist, durch das das Messgas in einer Strömungsrichtung durchströmt und sich dabei Partikeln (P) am Filterpapier (7) ablagern, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterpapier (7) die Messkammer (2) in ein erstes, stromaufwärts des Filterpapiers (7) angeordnetes Messvolumen (8) und in ein zweites, stromabwärts des Filterpapiers (7) angeordnetes Messvolumen (9) aufteilt, und am Messgerät (2) eine erste Lichtquelle (14) und eine Anzahl von Streulichtdetektoren (16a, 16b) vorgesehen sind, wobei die erste Lichtquelle (14) einen Lichtstrahl (17) in das erste Messvolumen (8) einstrahlt, und die Anzahl von Streulichtdetektoren (16a, 16b) an den Partikeln (P) gestreutes Streulicht (18) erfassen.
2. 2. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Messgerät (1) im Strahlgang des Lichtstrahls (17) ein weiterer Lichtdetektor (16c) angeordnet ist.
3. 3. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Messgerät (1) im Bereich des zweiten Messvolumens (9) eine zweite Lichtquelle (21) vorgesehen ist, die die stromabwärts gelegene Rückseite des Filterpapiers (7) beleuchtet, und ein Reflexionslichtdetektor (22) vorgesehen ist, der das an der Rückseite des Filterpapiers (7) reflektierte Licht der zweiten Lichtquelle (21) erfasst.
4. 4. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Messgerät (1) im Bereich des zweiten Messvolumens (9) ein Drucksensor (23) vorgesehen ist, der den Unterdrück im zweiten Messvolumen (9) erfasst.
5. 5. Verfahren zur Bestimmung einer Partikelkonzentration (K) eines mit Partikel (P) geladenen Messgases, bei dem eine Messkammer (2) durch ein Filterpapier (7) in ein stromaufwärts liegendes erstes Messvolumen (8) und in ein stromabwärts liegende zweites Messvolumen (9) geteilt wird und das erste Messvolumen (8) und zweite Messvolumen (9) vom Messgas durchströmt wird, ein erster Lichtstrahl (17) in das erste Messvolumen (8) eingestrahlt wird und das an den Partikeln (P) gestreute Streulicht (18) mittels einer Anzahl von Streulichtdetektoren (16a, 16b) mit einer ersten zeitlichen Auflösung erfasst wird, beim Durchströmen des Filterpapiers (7) Partikel (P) des Messgases am Filterpapier (7) abgelagert werden und die abgelagerten Partikel mit einer zweiten zeitlichen Auflösung erfasst werden, wobei die erste zeitliche Auflösung größer ist als die zweite zeitliche Auflösung.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der durch Partikel (P) im Messgas abgeschwächte Lichtstrahl (18) mit einem Lichtdetektor (16c) erfasst wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem zweiten Lichtstrahl die stromabwärts gelegene Rückseite des Filterpapiers (7) beleuchtet wird und das am Filterpapier (7) reflektierte Licht mit einem Reflexionslichtdetektor (22) erfasst wird, wobei die zeitliche Auflösung des Reflexionslichtdetektors (22) größer ist als die zweite zeitliche Auflösung.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdrück im zweiten Messvolumen (9) mit einer zeitlichen Auflösung, die größer als die zweite zeitliche Auflösung ist, erfasst wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mit der größeren zeitlichen Auflösung mittels der Messung mit der kleineren zeitlichen Auflösung kalibriert wird.