AT515495B1 - 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 geladenen 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

Beschreibung

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG EINER PARTIKELKONZENTRATI¬ON EINES MIT PARTIKEL GELADENEN MESSGASES

[0001] Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Messgerät zur Bestimmung einer Partikelkon¬zentration in einem mit Partikeln beladenen Messgas, mit einer Messkammer, in die eine Zu¬führleitung zur Zuführung von Messgas und eine Abführleitung zur Abführung des Messgasesmündet und in der Messkammer ein Filterpapier angeordnet ist, durch das das Messgas in einerStrömungsrichtung durchströmt und sich dabei Partikeln am Filterpapier ablagern. Ebenfallsbetrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Partikelkonzentration eines mit Parti¬kel geladenen Messgases.

[0002] Um die Umweltbelastung durch in der Luft enthaltene Partikel erfassen zu können,werden verschiedenste Messgeräte eingesetzt. Die Umweltbelastung kann dabei als Emissio¬nen oder Immissionen gemessen werden. Für die Emissionsmessung werden beispielsweisedas Abgas eines Verbrennungsmotors, z.B. eine Kraftfahrzeuges, nach verschiedenen Kriterienuntersucht. Für die Immissionsmessung sind örtlich verteilt Messstationen aufgestellt, die dieLuft ebenfalls nach verschiedenen Kriterien untersuchen. Ein wesentlicher Unterschied bei derEmissionsmessung und der Immissionsmessung ist der jeweils erforderliche Messbereich, derum einige Größenordnungen abweichen kann. Für Immissionsmessungen muss die Auflösungdes Messgeräts deutlich größer sein, typischerweise für Partikelkonzentrationen im Bereich vonmg/m3 bis pg/m3, oder sogar ng/m3, als bei Emissionsmessungen, wo auch Auflösungen imBereich von mg/m3 bis g/m3 ausreichen können.

[0003] Aus dem Stand der Technik sind verschiedenste Messgeräte bekannt, die grundsätzlichzur Emissionsmessung und/oder oder Immissionsmessung geeignet sind. Beispiele hierfür sindsogenannte Schwärzungszahl-Messgeräte (Smoke Meter), Streulichtmessgeräte oder Opazi¬meter, wobei jedes Messgerät Vor- und Nachteile aufweist.

[0004] Ein Schwärzungszahl-Messgerät misst bekanntermaßen die Ablagerung des schwarzenAnteils (Kohlenstoffanteil) eines Messgases auf einem Filterpapier, also z.B. die Rußablagerungdes in einem Abgas enthaltenen Rußes. Hierbei wird das Filterpapier eine Zeit lang mit Abgas(unverdünnt oder verdünnt) beaufschlagt und danach die sogenannte Schwärzungszahl FSNbestimmt, die ein Maß für die Rußkonzentration in Gewicht/Volumen, z.B. mg/m3 darstellt. Miteinem Schwärzungszahl-Messgerät ist aber nur eine integrale Messung möglich, bei der einMesswert nur nach einer gewissen (langen) Zeitspanne vorliegt. Je besser die Auflösung seinsoll, umso größer wird die Zeitspanne. Ein typischer Wert eines heutigen Schwärzungszahl-Messgerätes hat eine Auflösung von ungefähr 1000pg/m3/Saugzeit (in Sekunden). Bei einergeforderten Auflösung bzw. Präzision von Konzentrationen von 1 pg/m3 stünde ein Messwertfolglich nur alle 1000 Sekunden zur Verfügung. Eine zeitliche Auflösung der Messung, also einzeitlicher Verlauf der gemessenen Konzentration, ist hierbei nicht möglich.

[0005] Ein Opazimeter misst die durch Partikel in einem Messgas bewirkte Abschwächung vonLicht. Hierzu wird das Messgas mit Licht bestrahlt und das durchtretende Licht an der gegen¬überliegenden Seite, das ein Maß für die Partikelkonzentration darstellt, gemessen. Mit einemOpazimeter können zeitlich aufgelöste Messungen durchgeführt werden, jedoch nur mit gerin¬ger Messwertauflösung, im Bereich von 0.1% in der Opazität (entspricht ca. 500 pg/m3).

[0006] Ein Streulichtmessgerät erfasst das an in einem Messgas befindlichen Partikeln gestreu¬te Licht. Hierzu wird das Messgas mit Licht, in der Regel Laserlicht, beleuchtet und das an denPartikeln abgelenkte Streulicht mittels Detektoren erfasst. Je nach Anzahl und Anordnung derDetektoren kann dabei nicht nur eine Aussage über eine Partikelkonzentration im Messgas,sondern unter Umständen auch eine Aussage zur Partikelgrößenverteilung und auch über dieZusammensetzung der Partikel getroffen werden. Mit einem Streulichtmessgerät sind für diegegenständliche Anwendung zeitlich aufgelöste Messungen im Bereich von 1 s bis ungefähr0,1 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 heuti¬ger Technologie auch zeitliche Auflösungen bis in den 1 ns Bereich und sogar darunter möglichsind, was aber für die gegenständliche angestrebte Partikelanalyse in Messgasen nicht not¬wendig ist. Ebenso sind mit heutigen Streulichtmessgeräten auch Messwertauflösungen weiterunter 0,001 μg/m3 erzielbar. Hier sind Messwertauflösungen in den Pikogramm oder sogarFemtogramm Bereich möglich, was aber für die gegenständliche angestrebte Partikelanalyse inMessgasen, zumindest aus heutiger Sicht, ebenfalls unnötig ist. Eine Schwierigkeit eines Streu¬lichtmessgerätes ist allerdings die schlechte Kalibrierbarkeit, um verlässlich reproduzierbareMessungen zu ermöglichen. Insbesondere gibt es noch keinen Standard, der eine zuverlässigeKalibrierung sicherstellen würde.

[0007] In der AT 002 225 U2 wurde bereits erkannt, dass sich die Vorteile der verschiedenenMessgeräte kombinieren lassen, wenn zumindest ein Streulichtmessgerät mit einem Schwär¬zungszahl-Messgerät oder einem Opazimeter zur Messung kombiniert werden. Hierbei wird derNachteil der schlechten Kalibrierbarkeit des Streulichtmessgerätes dadurch behoben, indem diehochdynamischen Streulicht-Messwerte auf die nach dem anderen Messverfahren erhaltenenintegralen Messwerte kalibriert werden.

[0008] Es ist nun eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung eine Vorrichtung anzugeben,mit der bei einem sehr großen möglichen Messbereich auf einfache Weise sowohl eine integra¬le Messung einer Partikelkonzentration, als auch eine zeitlich aufgelöste Messung möglich ist.

[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, in der das Filterpa¬pier die Messkammer in ein erstes, stromaufwärts des Filterpapiers angeordnetes Messvolu¬men und in ein zweites, stromabwärts des Filterpapiers angeordnetes Messvolumen aufteilt,und am Messgerät eine erste Lichtquelle und eine Anzahl von Streulichtdetektoren vorgesehensind, wobei die erste Lichtquelle einen Lichtstrahl in das erste Messvolumen einstrahlt, und dieAnzahl von Streulichtdetektoren an den Partikeln gestreutes Streulicht erfassen. Ebenso wirddie Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem eine Messkammer durch ein Filterpapier in einstromaufwärts liegendes erstes Messvolumen und in ein stromabwärts liegende zweites Mess¬volumen 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 Partikelngestreute Streulicht mittels einer Anzahl von Streulichtdetektoren mit einer ersten zeitlichenAuflösung erfasst wird und beim Durchströmen des Filterpapiers Partikel des Messgases amFilterpapier abgelagert werden und die abgelagerten Partikel mit einer zweiten zeitlichen Auflö¬sung erfasst werden, wobei die erste zeitliche Auflösung größer ist als die zweite zeitliche Auf¬lösung.

[0010] Ein solches Messgerät, bzw. ein solches Verfahren, zeichnet sich dadurch aus, dass füralle darin implementierten Messverfahren dieselbe Messkammer verwendet werden kann,woraus sich ein einfacher und kompakter konstruktiver Aufbau ergibt. Darüber hinaus wirddamit für alle Messungen auch nur eine einzige Entnahmestelle für das Messgas benötigt. Daswird insbesondere dadurch ermöglicht, da das Schwärzungszahl-Messgerät mit einem Mess¬verfahren, hier eine Streulichtmessgerät, kombiniert wird, das die Messung durch das Schwär¬zungszahl-Messgerät nicht beeinflusst. Durch diese Kombination wird weiters in einfacherWeise die zeitliche Auflösung der integralen Messung des Schwärzungszahl-Messgerätesmöglich, da das Streulichtmessgerät Messwerte mit höherer zeitlicher Auflösung liefert, als dasSchwärzungszahl-Messgerät. Nachdem das Schwärzungszahl-Messgerät und das Streulicht¬messgerät zusammen auch einen sehr großen Messbereich abdecken, kann mit dem Messge¬rät ein sehr großer Bereich von Partikelkonzentrationen erfasst werden, womit sich das Mess¬gerät gleichermaßen für Emissions- als auch für Immissionsmessungen eignet. Nicht zuletztkann das Streulichtmessgerät auch auf einfache Weise mittels der integralen Messwerte desSchwärzungszahl-Messgerätes kalibriert werden, was für genaue und wiederholbare Messun¬gen vorteilhaft ist.

[0011] Wenn im Strahlgang des Lichtstrahls ein weiterer Lichtdetektor angeordnet ist, kann einweiteres Messignal für die Partikelkonzentration gewonnen werden, das ebenfalls entweder zur zeitlichen Auflösung der integralen Messung des Schwärzungszahl-Messgerät oder zur Kalibrie¬rung der Messergebnisse eines der anderen Messverfahren oder einfach nur zur Verifizierungoder Verbesserung der anderen Messungen verwendet werden kann. Ebenfalls ist es damitmöglich, für verschiedene Messgase verschiedene Messverfahren zu nutzen, falls die Messver¬fahren zur Messung an unterschiedlichen Messgasen unterschiedlich gut geeignet sind.

[0012] Wenn am Messgerät im Bereich des zweiten Messvolumens eine zweite Lichtquellevorgesehen ist, die die stromabwärts gelegene Rückseite des Filterpapiers beleuchtet, und einReflexionslichtdetektor vorgesehen ist, der das an der Rückseite des Filterpapiers reflektierteLicht der zweiten Lichtquelle erfasst, kann ebenfalls ein weiteres Messignal für die Partikelkon¬zentration gewonnen werden, das ebenfalls entweder zur zeitlichen Auflösung der integralenMessung des Schwärzungszahl-Messgerät oder zur Kalibrierung der Messergebnisse eines deranderen Messverfahren oder einfach nur zur Verifizierung oder Verbesserung der anderenMessungen verwendet werden kann. Ebenfalls ist es damit möglich, für verschiedene Messga¬se verschiedene Messverfahren zu nutzen, falls die Messverfahren zur Messung an unter¬schiedlichen Messgasen unterschiedlich gut geeignet sind.

[0013] Die zeitliche Auflösung des integralen Messwertes des Schwärzungszahl-Messgerätesgelingt auf vorteilhafte Weise auch mit einem Drucksensor, der den Unterdrück im zweitenMessvolumen erfasst. Auch mit dieser zusätzlichen Messung kann eine Verifizierung oderVerbesserung der anderen Messungen erfolgen.

[0014] Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1bis 3 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausge¬staltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt [0015] Fig.1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Messgerätes, [0016] Fig.2 einen Querschnitt A-A durch das erfindungsgemäße Messgerät und [0017] Fig.3 einen Querschnitt B-B durch das erfindungsgemäße Messgerät.

[0018] Das erfindungsgemäße Messgerät 1 nach Fig.1 besteht aus einer geschlossenen Mess¬kammer 2, in die eine Zuführleitung 3 und eine Abführleitung 4 mündet. Über die Zuführleitung3 wird dem Messgerät 1, bzw. der Messkammer 2, Messgas, das an einer beliebigen Messstel¬le 6 entnommen wurde, zugeführt und über die Abführleitung 4 abgeführt (angedeutet durch diePfeile in Fig.1). Damit wird die Messkammer 2 von der Zuführleitung 3 zur Abführleitung 4durchströmt. 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 Mess¬kammer 2 zu fördern. Die Fördereinrichtung 5 könnte aber auch in der Zuführleitung 3 angeord¬net sein. Die Messstelle 6 ist z.B. ein Auspuffrohr eines Verbrennungsmotors aus dem für eineEmissionsmessung mittels einer hinlänglich bekannten Abgassonde Abgas als Messgas ent¬nommen wird. Das Abgas kann dabei unverdünnt entnommen werden, kann aber auch vor demMessgerät 1 in hinlänglich bekannter Weise verdünnt und/oder anderweitig aufbereitet (bei¬spielsweise durch Entfernung im Messgas enthaltener flüchtiger Bestandteile) werden. DieMessstelle 6 kann aber auch die Umgebung des Messgerätes 1 sein, wenn für eine Immissi¬onsmessung als Messgas die Umgebungsluft verwendet wird.

[0019] Das Messgerät 1 umfasst auch eine Auswerteeinheit 20, in der die verschiedenenMesssignale zur Bestimmung einer Partikelkonzentration K ausgewertet werden, wie nachfol-gen eingehender beschrieben wird.

[0020] In der Messkammer 2 des Messgerätes 1 ist ein Filterpapier 7 für die Messung derSchwärzungszahl FSN angeordnet. Das Filterpapier 7 teilt den geschlossenen Innenraum derMesskammer 2 in ein erstes abgeschlossenes Messvolumen 8 stromaufwärts des Filterpapiers7 und in ein zweites abgeschlossenes Messvolumen 9 stromabwärts des Filterpapiers 7. ZurFestlegung der gewünschten Strömungsrichtung mündet die Zuführleitung 3 in das erste Mess¬volumen 8 und die Abführleitung 4 in das zweite Messvolumen 9. Das dem Messgerät 1 zuge¬führte Messgas wird dabei durch das Filterpapier 7 durchgeführt, womit sich im Messgas befind- liehe Partikel (z.B. Rußpartikel) am Filterpapier 7 ablagern. Nach einer gewissen, vorgegebenenZeitspanne wird eine Vorschubeinheit 10 betätigt, mit der der mit Partikel beaufschlagte Ab¬schnitt des endlosen Filterpapiers 7 aus der Messkammer 2 gefördert wird und gleichzeitig einneuer unbeaufschlagter Abschnitt des Filterpapiers 7 in die Messkammer 2 gefördert wird.Außerhalb der Messkammer 2 ist ein Schwärzungszahlmesskopf 11 angeordnet, mit dem dieSchwärzungszahl FSN als Maß für die Partikelkonzentration im Messgas ermittelt werden kann.Dazu kann auch vorgesehen sein, dass das vom Schwärzungszahlmesskopf 11 gelieferteMesssignal M1 an die Auswerteeinheit 20 weitergeleitet wird, um eine Partikelkonzentration Kzu bestimmen. Messkammer 2, Filterpapier 7, Vorschubeinrichtung 10 und Schwärzungszahl¬messkopf 11, gegebenenfalls gemeinsam mit der Auswerteeinheit 20, bilden dabei ein hinläng¬lich bekanntes Schwärzungszahl-Messgerät 12 aus.

[0021] Das Schwärzungszahl-Messgerät 12 ermöglicht eine integrale Messung der Partikelkon¬zentration, bei der nach einer bestimmten Beladungsdauer, beispielsweise alle 100 Sekunden,ein Messwert für die Partikelkonzentration K, z.B. in Form der Schwärzungszahl FSN (welchereinem optischen Absorptionskoeffizienten entspricht) oder als Messwert mit der Einheit Ge-wichtseinheit/Volumeneinheit, z.B. mg/m3 (welcher in kalibrierter Form einem Massenabsorpti¬onskoeffizienten entspricht), vorliegt.

[0022] 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 amMessgerät 1 eine erste Lichtquelle 14, vorzugsweise ein Laser, angeordnet, mit dem ein Licht¬strahl 17 in das erste Messvolumen 8 eingestrahlt wird. Die erste Lichtquelle 14 kann an derWand der Messkammer 2, gegebenenfalls hinter einem optischen Fenster, angeordnet sein. Ander gegenüberliegenden Seite ist vorzugsweise eine Strahlensenke 15 angeordnet, um allfälligestörende Reflexionen des Lichtstrahles 17 an der Wand der Messkammer 2 zu verhindern. Imersten Messvolumen 8, vorzugsweise an der Wand der Messkammer 2, gegebenenfalls hinteroptischen Fenstern, sind eine Anzahl von Streulichtdetektoren 16a, 16b, vorzugsweiser zweioder mehr, räumlich verteilt angeordnet. An im durch das Messvolumen 8 strömenden Messgasenthaltenen Partikeln P wird der Lichtstrahl 17 abgelenkt und das dabei entstehende Streulicht18 durch die Streulichtdetektoren 16a, 16b erfasst. Das Streulicht 18 ist ein Maß für die Parti¬kelkonzentration im Messgas. Das von den Streulichtdetektoren 16a, 16b erfasste MesssignalMa, Mb wird an die Auswerteeinheit 20 weitergeleitet, um daraus eine Partikelkonzentration Kzu bestimmen. Durch die Messung und dem Vergleich der Messsignale Ma, Mb bei zumindestzwei verschiedenen Winkeln kann in der Auswerteeinheit 20 in an sich bekannter Weise auchdie mittlere Partikelgröße und die Partikelgrößenverteilung beurteilt werden. Die Streulichtmes¬sung beeinflusst das Messgas und die darin befindlichen Partikel P in keiner Weise, weshalbdas Streulichtmessgerät 13 stromaufwärts des Schwärzungszahl-Messgerätes 12 angeordnetwerden kann.

[0023] An Stelle der Strahlensenke 15 könnte auch ein weiterer Lichtdetektor 16c für eineTranmissionsmessung vorgesehen sein, um z.B. auch die Opazität O, als weiteres Maß für diePartikelkonzentration im Messgas, zu erfassen. Das vom weiteren Lichtdetektor 16c erfassteMesssignal Mc wird an die Auswerteeinheit 20 weitergeleitet, um daraus eine Partikelkonzentra¬tion K zu bestimmen. Bei Bedarf kann das Messignal des Lichtdetektors 16c auch zur Korrekturder Messsignale Ma, Mb verwendet werden, wenn das Streulicht durch sehr hohe Konzentrati¬onen an Partikeln im Messvolumen selbst abgeschwächt wird. Das Maß der mit dem Lichtde¬tektor 16c erfassten Abschwächung, kann dann verwendet werden, um die Messsignale Ma,Mb zu korrigieren, da angenommen werden kann, dass auch das Streulicht mit demselben Maßabgeschwächt wird. Mit dem Lichtdetektor 16c und der Lichtquelle 14 wird demnach ein Opazi¬meter 26 ausgebildet.

[0024] Falls Daten über die Größe und Form der Partikel P benötigt werden, kann im Streu¬lichtmessgerät 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, 16bkönnen auch Art und Form der Partikel diskriminiert werden, da z.B. die Streulichtintensitäten bei Verwendung linear polarisierten (oder zirkular polarisierten) Lichtes in den drei Raumrich¬tungen für annähernd sphärische (Tröpfchen, Aerosole) und fraktale Partikel (wie Black Carbon)unterschiedlich in den verschiedenen Raumrichtungen sind. Die Polarisation kann dabei nachBedarf durch die Auswerteeinheit 20 eingestellt oder umgestellt werden, wie in Fig.2 angedeu¬tet.

[0025] Das Streulichtmessgerät 13 ermöglicht zeitlich hoch aufgelöste Messungen mit einerhohen Messwertauflösung. Mit Streulichtmessgeräten 13 sind mit heutigen Technologien zeitli¬che Auflösungen mit mehr als 100 bis 1000 Messwerten pro Sekunde möglich und ausreichend.Theoretisch wären mit einem Streulichtmessgerät 13 noch weitaus größere zeitliche Auflösun¬gen 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. HeutigeOpazimeter weisen typischerweise zeitliche Auflösungen bis in den Bereich von 100Hz (100Messwerte/s) auf, bei Messwertauflösungen von 0.01 bis 100% Opazität (entspricht Partikel¬konzentrationen von 100pg/m3 bis größer 10000 mg/m3).

[0026] Mit einem Messsignal Ma, Mb des Streulichtmessgeräts 13 oder dem Messsignal Mcdes Opazimeters 26 kann damit die mit dem Schwärzungszahl-Messgerät 12 gemessene, sehrgenaue integrale Partikelkonzentration zeitlich aufgelöst werden. Dazu wird das Messsignal Ma,Mb des Streulichtmessgeräts 13 oder das Messsignal Mc des Opazimeters 26 mit einer erstenzeitlichen Auflösung (Anzahl der Messungen pro Sekunde) erfasst und das Messsignal M1 desSchwärzungszahl-Messgerät 12 mit einer zweiten zeitlichen Auflösung (Anzahl der Messungenpro Sekunde), wobei die erste zeitliche Auflösung größer ist, als die zweite zeitliche Auflösung.Nachdem jedes Messverfahren für eine bestimmte Zeitspanne, beispielsweise die zweite zeitli¬che Auflösung, die gleiche Partikelkonzentration K liefern muss, können die Messignale zeitlichzueinander in Bezug gesetzt werden, das Messsignal M1 des Schwärzungszahl-Messgeräts 12also zeitlich durch die Messsignale Ma, Mb, Mc des Streulichtmessgerät 13 oder Opazimeter 26aufgelöst werden.

[0027] Im zweiten Messvolumen 9 in der Messkammer 2 kann eine zweite Lichtquelle 21, vor¬zugsweise 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, gegebenenfallshinter einem optischen Fenster, angeordnet sein. Gleichwertig kann in der Wand der Mess¬kammer 2 eine optische Linse 24 angeordnet sein, die mit einer davon beabstandeten Licht¬quelle 21 zusammenwirkt (angedeutet in Fig.3). Die zweite Lichtquelle 21 bestrahlt, gegebenen¬falls über die optische Linse 24, die nicht mit Partikel beaufschlagte Seite des Filterpapiers 7,also die reine, stromabwärts liegende Rückseite des Filterpapiers 7. Je stärker das Filterpapier7 während der integralen Messung des Schwärzungszahl-Messgerätes 12 verschmutzt, umsoweniger 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 Reflexionsbe¬reich angeordneten Reflexionslichtdetektor 22 in gewissen zeitlichen Abständen erfasst und daserfasste Messsignal M2 in der Auswerteeinheit 20 ausgewertet. Das reflektierte Licht kanndabei auch durch eine Sammellinse 25 in der Wand der Messkammer 2 gesammelt und an denReflexionslichtdetektor 22 weitergeleitet werden, wie in Fig.3 angedeutet. Das ermöglicht eben¬falls eine zeitliche Auflösung der an sich integralen Messung des Schwärzungszahl-Messgerä-tes 12, da aus der zeitlichen Änderung des Messwertes des Reflexionslichtdetektors 22 (Mess¬signal M2) auf die Beaufschlagung des Filterpapiers 7 mit Partikeln P im jeweiligen zeitlichenAbstand geschlossen werden kann.

[0028] Wenn die Partikel P sich auf und auch im Filterpapier 7 ablagern, wird stetig wenigerreflektiertes Licht den Reflexionslichtdetektor 22 erreichen. Das im Reflexionslichtdetektor 22erfasste Messsignal M2 ist aber in der gegebenen Konfiguration zeitlich auflösbar. Das zeitlicheIntegral dieser Messung im Reflexionslichtdetektor 22 muss aber per Definition mit dem zeitli¬chen Integral der Messung mit dem Schwärzungszahl-Messgerät 12 übereinstimmen, sodassdamit eine entsprechend präzisere Kalibrierung möglich ist, da damit der Messwert desSchwärzungszahl-Messgerätes 12 verifiziert werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass sich die

Messwertauflösung mit dem Reflexionslichtdetektor 22 nur im Bereich der Opazitätsmessungbewegt. Im Gegenteil zur Streulichtmessung mit dem Streulichtmessgerät 13 kann daher mitdem Reflexionslichtdetektor 22 keine sehr große Messwertauflösung erreicht werden. Für hohePartikelkonzentrationen, welche bei Emissionsmessungen durchaus auftreten können, kann dieMesswertauflösung im Bereich von mehr als ca. 10 mg/m3 durchaus sehr wohl ausreichendsein, wobei die zeitliche Dynamik dieses Messsignals aber sehr wohl im Bereich der Streulicht¬messungen von ca. 100 Hz bleibt. Bei Partikelkonzentrationsmesswerten von größer 100mg/m3hat diese Messmethode gegenüber der Streulichtmessung wieder Vorteile, bzw. ergänzt diese,da optische Selbstabsorptionseffekte damit vermieden werden können.

[0029] Hier ist anzumerken, dass die Kombination des Schwärzungszahl-Messgerätes 12 mitder zweiten Lichtquelle 21 zur zeitlichen Auflösung des integralen Messwertes des Schwär¬zungszahl-Messgerätes 12 auch für sich alleine als erfinderisch anzusehen ist.

[0030] Für die Ermittlung einer Partikelkonzentration K aus der Schwärzungszahl FSN ist auchdas integrale Saugvolumen, also das Volumen an Messgas, das für einen integralen Messwertdes Schwärzungszahl-Messgerätes 12 durch die Messkammer 2 durchströmt, von Nöten. DasSaugvolumen kann beispielsweise anhand des nach dem Filterpapier 7 gemessenen Unterdru¬ckes berechnet werden. Dazu ist der Absolutdruck, der Unterdrück am/nach dem Filterpapier 7,der an einer Messblende durch die Gasströmung verursachte Differenzdruck und die Tempera¬tur an der Messblende bzw. am Filterpapier 7 erforderlich. Daraus kann das integrale Saugvo¬lumen gemäß einem bekannten formelmäßigen Zusammenhang berechnet werden.

[0031] Eine allgemeine und bekannte Formel zum Berechnen eines Volumenflusses V ist imFolgenden dargestellt:

[0032] Mit dem MassenflussM in kg/s und der Dichte p des Mediums in kg/m3. Der Massen¬fluss M ergibt sich aus

[0033] Mit dem Differenzdruck Δρ an der Messblende, dem Absolutdruck p vor der Messblende,der absoluten Temperatur T an der Messblende und einem Kalibrierfaktor k.

[0034] Das Saugvolumen in m3 ergibt sich dann mit dem Integral (oder der Summe) der einzel¬nen zeitlich aufgelöst gemessenen Volumenflüsse V, wobei natürlich für die korrekte Messungdie Zeitauflösung der einzelnen Volumenflüsse V, ebenfalls im Bereich der zeitlichen Auflösungder Ermittlung der Partikelkonzentration K, z.B. im Bereich von ca. 100 Hz, liegen muss.

[0035] 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 fest¬gestellt, dass sich der Unterdrück bei Beibehaltung des Saugvolumens mit der Ablagerung vonPartikeln P am Filterpapier 7 ändert. Mit steigender Ablagerung bzw. längerer Beladungszeitdes Filterpapiers 7 steigt auch der Unterdrück. Damit kann auch der zeitliche Verlauf des Unter¬drucks (Messsignal M3) verwendet werden, um die an sich integrale Messung des Schwär¬zungszahl-Messgerätes 12 zeitlich aufzulösen. Diese Auswertemethode erfolgt äquivalent derMethode mit dem am Filterpapier 7 reflektierten Licht der zweiten Lichtquelle 21 und dem Refle¬xionslichtdetektor 22, mit dem Unterschied, dass hier nicht die Änderung des diffus reflektiertenLichtes sondern die Änderung des Differenzdruckes vor und nach dem Filterpapier 7, hervorge¬rufen durch die Partikelablagerungen, zur zeitaufgelösten Messung der Menge der abgelager¬ten Partikel verwendet werden kann. Die Auflösung dieser Methode ist in etwa gleich gut wie mitder optischen Reflexionsmethode mit der zweiten Lichtquelle 21 und dem Reflexionslichtdetek¬tor 22.

[0036] Hier ist anzumerken, dass die Kombination des Schwärzungszahl-Messgerätes 12 mitder Erfassung des Unterdrucks zur zeitlichen Auflösung des integralen Messwertes desSchwärzungszahl-Messgerätes 12 auch für sich alleine als erfinderisch anzusehen ist.

[0037] Eine Emissions- oder Immissionsmessung kann nun so ablaufen, dass mit dem Schwär¬zungszahl-Messgerät 12 eine integrale Messung der Partikelkonzentration K durchgeführt wird.Das Streulichtmessgerät 13 kann dazu verwendet werden, um sehr niedrige Partikelkonzentra¬tionen zu messen (im mg/m3 bis in den niedrigen μg/m3 und ng/m3 Bereich), kann aber auchdazu genutzt werden, um die integrale Messung des Schwärzungszahl-Messgerätes 12 zeitlichaufzulösen. Die Messwerte des Streulichtmessgerätes 13 können auch auf die integrale Mes¬sung des Schwärzungszahl-Messgerät 12 kalibriert werden, z.B. wie in der AT 002 225 U2beschrieben. Für niedrige Partikelkonzentrationen K können die Messwerte des Streulicht¬messgerätes 13 auch unmittelbar herangezogen werden, um notwendigen langen Beladungs¬zeiten im Schwärzungszahl-Messgerät 12 auszuweichen. Es kann aber auch eine zweite Licht¬quelle 21 und die Auswertung der Reflexion an der Rückseite des Filterpapiers 7 und/oder dieMessung des Unterdrucks im Messvolumen 9 genutzt werden, um die die integrale Messungdes Schwärzungszahl-Messgerät 12 zeitlich aufzulösen. Bei Verwendung mehrerer Methodenzur zeitlichen Auflösung der integralen Messung des Schwärzungszahl-Messgerät 12 kann dieGenauigkeit der zeitlichen Auflösung durch statistische Methoden, wie z.B. eine Mittelwertbil¬dung, verbessert werden bzw. kann eine mögliche Anfälligkeit einer bestimmten Methode aufäußere Einflüsse oder auf die Art der Partikel oder Partikelzusammensetzung ausgeglichenwerden. Damit erhält man mit dem Messgerät 1 in einem bestimmten zeitlichen Abstand mitdem Schwärzungszahl-Messgerät 12 einen sehr genauen integralen Messwert der Partikelkon¬zentration K, der anhand der oben beschriebenen Methoden auch zeitlich aufgelöst (Partikel¬konzentration K(t)) werden kann. Dazu können mit dem Streulichtmessgerät 13 auch sehrniedrige Partikelkonzentrationen K gemessen werden.

[0038] Darüber hinaus kann die integrale Messung auch verwendet werden, um die zeitlichaufgelösten Messwerte zu kalibrieren. Dazu könnte dem Messgerät 1 ein definiertes Kalibrier¬gas zugeführt werden und eine oder mehrere integrale Messungen (Schwärzungszahl-Messgerät 12) durchgeführt werden, auf die die anderen Messverfahren kalibriert werden. Dasist möglich, da die verschiedenen Messverfahren für einen bestimmten Zeitbereich dieselbenMessergebnisse liefern müssen. Als Kalibriergas kann z.B. ein Gas verwendet werden, das voneinem Partikelgenerator erzeugt wird und eine bekannte Partikelkonzentration enthält.

[0039] Um die beschriebene gegenseitige Kalibrierung im Messgerät 1 zu ermöglichen, ist esaber erforderlich, zumindest das im Messgerät 1 enthaltenen Schwärzungszahl-Messgerät 12oder Opazimeter 26 oder Streulichtmessgerät 13 zu kalibrieren. Hierbei sind verschiedeneKalibrierverfahren denkbar.

[0040] Beispielsweise könnte auf die optische Absorption der zu messenden Partikel kalibriertwerden. Dazu kann zur Kalibrierung die optische Absorption an einem definierten Kalibriergasgemessen werden. Die optische Absorption folgt bekanntermaßen dem Lambert-BeerschenGesetz in der Form l(L) = l0 · e 'μ1. Dabei ist l0 die abgegebene Lichtintensität und μ der Absorp¬tionskoeffizient des Mediums (hier des Kalibriergases). Der Abstand L ist ein gegebener Gerä¬teparameter. Wird ein definiertes Kalibriergas dem Messgerät 1 zugeführt und mit dem Opazi¬meter 26 und/oder Streulichtmessgerät 13 gemessen, so kann das jeweilige gemessene Mess¬signal Ma, Mb, Mc durch das Lambert-Beerschen Gesetz kalibriert werden. Für eine reale Mes¬sung an einem Messgas ist im Messgerät 1 nur mehr auf den geänderten Absorptionskoeffi¬zient μ des Messgases umzurechnen. Dazu kann der Absorptionskoeffizient μ des Messgasesam Messgerät einstellbar sein, z.B. über eine entsprechende Eingabemöglichkeit an der Aus¬werteeinheit 20. Zur Unterstützung können im Messgerät 1 auch Referenzen bekannter Absorp¬tionskoeffizienten μ verschiedener Messgase oder Messgaszusammensetzungen (Art, Größe,Verteilung der enthaltenen Partikel) hinterlegt sein. Gegebenenfalls kann der Absorptionskoeffi¬zient μ des Messgases auch anderweitig, außerhalb des Messgerätes 1, z.B. in einem entspre¬chenden Labor, ermittelt werden.

[0041] Das Lambert-Beerschen Gesetz gilt zwar nicht für das Schwärzungszahl-Messgerät 12,allerdings gilt dort ein ähnlicher Zusammenhang. Insbesondere gibt es auch dort einen Parame¬ter, der vom jeweiligen Medium abhängig ist. Zum Kalibrieren des Schwärzungszahl-Messgerätes 12 gilt somit im Wesentlichen das oben zum Opazimeter 26 und Streulichtmess- gerät 13 Gesagte analog.

[0042] Alternativ oder zusätzlich kann die Kalibrierung auch auf die Partikelmassenkonzentrati¬on erfolgen. Dazu kann ein definierter Kalibrierstandard, wie z.B. ein CAST (Combustion Aero¬sol Standard), mit einer definierten Partikelmassenkonzentration verwendet werden. Die Mes¬sungen mit dem Schwärzungszahl-Messgerät 12 oder Opazimeter 26 oder Streulichtmessgerät13 können dann auf den Kalibrierstandard bezogen und damit kalibriert werden.

[0043] Hier ist es auch möglich, auf das Messgas zu kalibrieren. Dazu muss das Messgasaußerhalb des Messgerätes 1 untersucht werden, um eine Partikelmassenkonzentration desMessgases zu ermitteln. Dazu kann das Messgas gefiltert werden und das gefilterte Materialuntersucht werden. Das kann beispielsweise mittels gravimetrischer Messung des gefiltertenMaterials erfolgen, wenn die Partikelart bekannt ist, wie z.B. Ruß in einem Abgas. Es ist aberauch eine detaillierte chemische Analyse des gefilterten Materials (beispielsweise zur Bestim¬mung der Zusammensetzung der Partikel, der Anteile von grafitischem und nicht grafitischemoder auch amorphem Kohlenstoff und der Anteile verschiedener Kohlenwasserstoffsubstanzenund in weiterer Folge auch deren Zusammensetzungen) möglich.

[0044] Der Absorptionskoeffizient μ ist auch durch die Formel μ = Q * p darstellbar, mit demAbsorptionsquerschnitt Q [m2/g] der zu messenden Substanz und p deren Dichte [g/m3].

[0045] Ein Messgerät kann nun mit einem Kalibriergas einer bekannten Partikelkonzentration Kund dem Absorptionsquerschnitt Q für dieses Kalibriergas, der bekannt sein kann oder anhandvon physikalischen oder chemischen Untersuchungen bestimmt (gemessen oder kalkuliert)werden kann, auf die Anzeige einer Partikelkonzentration K in z.B. mg/m3 kalibriert werden.

[0046] Die Partikelkonzentration K einer zu messenden Substanz ergibt sich somit aus dem obigen Zusammenhang für den Absorptionskoeffizienten μ zu

mit einem Kalib¬ rierfaktor F oder auch eine Kalibrierfunktion F« (beide dimensionslos). Der Absorptionsquer¬schnitt Q wird damit als Teil der Kalibrierfunktion FK bzw. des Kalibrierfaktors F betrachtet undist bei den vorgegebenen Kalibrierpunkten konstant. Dies ist für Gase, Festkörper, Flüssigkeitenwie Propan, Quarz oder Wasser (bei ansonsten konstanten Bedingungen von insbesondereTemperatur T und Absolutdruck Pa und Partialdruck Pp) korrekt, solange diese Substanz nichtchemisch reagiert, adsorbiert, dissoziiert, gelöst, etc. wird. Üblicherweise wird die restlicheAbhängigkeit der Kalibrierfunktion (insbesondere von Temperatur T, Absolutdruck Pa und Parti¬aldruck Pp) in einer Linearisierungskurve der verschiedenen Partikelanalysatoren (Schwär¬zungszahl-Messgerät 12, Opazimeter 26, Streulichtmessgerät 13) im Messgerät 1 berücksich¬tigt werden, sodass nur mehr die Kalibrierung des Nullpunktes und eines weiteren Kalibrier¬punktes erforderlich ist. Querempfindlichkeiten von Fremdsubstanzen werden durch die Wahlder Messbereiche in der Regel fast vollkommen vermieden.

[0047] Für Messungen von kohlenstoffhaltigen schwarzen Partikeln aus Rußemissionen ist dieobige Annahme allerdings nicht gültig, da der Absorptionsquerschnitt Q der Kohlenstoff oderkohlenstoffartigen Partikel variabel ist. m eigentlichen chemischen Sinne sind solche Kohlen¬stoff oder kohlenstoffartigen Partikel keine homogene chemische Substanz, wie eben z.B.Wasser, sondern setzen sich aus einem mehr oder weniger variablen Konglomerat an Substan¬zen zusammen, dessen Hauptanteil aber Aggregatformen von mehr oder weniger schwarzemKohlenstoff sind. Üblicherweise kann der Absorptionsquerschnitt Q im sichtbaren Bereich derAugenempfindlichkeit im Bereich von <2 bis >16 variieren, wobei Diamant als extreme Formdes Kohlenstoffen einen Absorptionsquerschnitt Q von ca. 0 aufweist, während der Absorpti¬onsquerschnitt Q von reinem amorphen Kohlenstoff typisch im Bereich von ca. 8 m2/g liegt.Zusammengesetzte Partikel aus amorphem Kohlenstoff mit angelagerten transparenten Be¬standteilen (typisch im Bereich von mehr als 80% der Masse) können auch Absorptionsquer¬schnitte Q von >16 aufweisen, da hier das Licht durch optische Effekte auf den schwarzenKohlenstoffkern fokussiert wird und damit die Absorption höher werden kann, als ohne transpa¬rente Bestandteile.

[0048] Im üblichen Sprachgebrauch werden aber als schwarzer Kohlenstoff nur Partikel ver¬standen, welche einen Absorptionsquerschnitt Q von zumindest mehr als 4 m2/g aufweisen, beirealen Messungen konnte aber festgestellt werden, dass durchaus immer wieder Werte vonweniger als 4 m2/g aufgetreten sind.

[0049] Der Absorptionsquerschnitt Q des verwendeten Kalibriergases (mit Partikeln beladenesGas bekannter Zusammensetzung und Konzentration) kann als zusätzlicher KalibrierparameterQK zusammen mit dem Kalibrierfaktor FK (oder der Kalibrierfunktion F) im Messgerät 1 abge¬speichert werden.

[0050] Wenn im Messgerät 1 ein Messgas mit einem vom Kalibriergas abweichenden Absorpti¬ onsquerschnitt Qg analysiert werden soll, ist die Kalibrierung mit dem Kalibriergas immer nochgültig. Es ist dabei nur erforderlich den Absorptionsquerschnitt QG des zu analysierenden Gasesdem Messgerät 1 mitzuteilen, z.B. über einen entsprechende Eingabemöglichkeit am Messgerät1, und die Messwertausgabe der Partikelkonzentration in Gewicht / Volumen mg/m3 kann ge¬mäß der Beziehung

automatisch an das Messgas die angepasst werden. Damit kann die Variabilität in der Zusammensetzung der Partikel und damit auch des Absorptions¬querschnittes Q der unterschiedlichen Arten von Partikeln in die Kalibrierung des Messgerätes1, bzw. eines der darin enthaltenen Partikelanalysatoren, einfließen.

Claims (9)

1. Patentansprüche 1. Messgerät zur Bestimmung einer Partikelkonzentration (K) in einem mit Partikeln (P) bela¬denen Messgas, mit einer Messkammer (2), in die eine Zuführleitung (3) zur Zuführung vonMessgas und eine Abführleitung (4) zur Abführung des Messgases mündet und in derMesskammer (2) ein Filterpapier (7) angeordnet ist, durch das das Messgas in einer Strö¬mungsrichtung 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 Mess¬gerät (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 Mess¬volumen (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 Strahl¬gang des Lichtstrahls (17) ein weiterer Lichtdetektor (16c) angeordnet ist.
3. 3. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Messgerät (1) im Be¬reich des zweiten Messvolumens (9) eine zweite Lichtquelle (21) vorgesehen ist, die diestromabwärts gelegene Rückseite des Filterpapiers (7) beleuchtet, und ein Reflexionslicht¬detektor (22) vorgesehen ist, der das an der Rückseite des Filterpapiers (7) reflektierteLicht der zweiten Lichtquelle (21) erfasst.
4. 4. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Messgerät (1) im Be¬reich des zweiten Messvolumens (9) ein Drucksensor (23) vorgesehen ist, der den Unter¬drück im zweiten Messvolumen (9) erfasst.
5. 5. Verfahren zur Bestimmung einer Partikelkonzentration (K) eines mit Partikel (P) geladenenMessgases, bei dem - eine Messkammer (2) durch ein Filterpapier (7) in ein stromaufwärts liegendes erstesMessvolumen (8) und in ein stromabwärts liegende zweites Messvolumen (9) geteilt wirdund das erste Messvolumen (8) und zweite Messvolumen (9) vom Messgas durchströmtwird, - ein erster Lichtstrahl (17) in das erste Messvolumen (8) eingestrahlt wird und das an denPartikeln (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 Auflösungerfasst werden, wobei die erste zeitliche Auflösung größer ist als die zweite zeitliche Auf¬lösung.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der durch Partikel (P) imMessgas abgeschwächte Lichtstrahl (18) mit einem Lichtdetektor (16c) erfasst wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem zweiten Lichtstrahldie stromabwärts gelegene Rückseite des Filterpapiers (7) beleuchtet wird und das am Fil¬terpapier (7) reflektierte Licht mit einem Reflexionslichtdetektor (22) erfasst wird, wobei diezeitliche Auflösung des Reflexionslichtdetektors (22) größer ist als die zweite zeitliche Auf¬lösung.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdrück im zweitenMessvolumen (9) mit einer zeitlichen Auflösung, die größer als die zweite zeitliche Auflö¬sung ist, erfasst wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mes¬sung mit der größeren zeitlichen Auflösung mittels der Messung mit der kleineren zeitlichenAuflösung kalibriert wird. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen