AT523372B1 - Method and device for determining properties of a fluid flow - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften eines Fluidstroms (1). Der Fluidstrom (1) wird durch eine Bestrahlungskammer (2) geleitet, in welcher der Fluidstrom (1) zur photoelektrischen Aufladung von in dem Fluidstrom (1) mitgeführten Partikeln mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird. Die Aufladung der Partikel wird in einer der Bestrahlungskammer (2) nachgelagerten Partikelmesseinheit (3) ermittelt. Durch eine spektroskopische Auswertung der die Bestrahlungskammer (2) durchdringenden elektromagnetischen Strahlung wird der Anteil zumindest einer Komponente des Fluidstroms ermittelt.Method for determining properties of a fluid flow (1). The fluid flow (1) is passed through an irradiation chamber (2) in which the fluid flow (1) is irradiated with electromagnetic radiation for photoelectrically charging particles carried along in the fluid flow (1). The charging of the particles is determined in a particle measuring unit (3) downstream of the irradiation chamber (2). The proportion of at least one component of the fluid flow is determined by a spectroscopic evaluation of the electromagnetic radiation penetrating the irradiation chamber (2).
Description
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ERMITTLUNG VON EIGENSCHAFTEN EINES FLUIDSTROMS METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING PROPERTIES OF A FLUID FLOW
[0001] Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften eines Fluidstroms, wobei der Fluidstrom aus Partikeln und gasförmigen Komponenten besteht und durch eine Bestrahlungskammer geleitet wird, in welcher der Fluidstrom zur photoelektrischen Aufladung von in dem Fluidstrom mitgeführten Partikeln mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird, wobei die Aufladung der Partikel in einer der Bestrahlungskammer nachgelagerten Partikelmesseinheit ermittelt wird. The subject invention relates to a method for determining properties of a fluid flow, wherein the fluid flow consists of particles and gaseous components and is passed through an irradiation chamber in which the fluid flow for photoelectric charging of particles entrained in the fluid flow is irradiated with electromagnetic radiation , the charge of the particles being determined in a particle measuring unit downstream of the irradiation chamber.
[0002] Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung von Eigenschaften eines Fluidstroms, wobei die Vorrichtung eine Bestrahlungskammer und eine der Bestrahlungskammer nachgelagerten Partikelmesseinheit aufweist, die vom Fluidstrom durchströmt werden, wobei die Bestrahlungskammer einen elektromagnetischen Strahler aufweist, mit dem der Fluidstrom in der Bestrahlungskammer zur photoelektrischen Aufladung von in dem Fluidstrom mitgeführten Partikeln mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlbar ist, und wobei die Aufladung der Partikel in der Partikelmesseinheit ermittelbar ist. The invention further relates to a device for determining properties of a fluid flow, the device having an irradiation chamber and a particle measuring unit downstream of the irradiation chamber, through which the fluid flow flows, the irradiation chamber having an electromagnetic radiator with which the fluid flow in the irradiation chamber can be irradiated with electromagnetic radiation for photoelectrically charging particles entrained in the fluid stream, and wherein the charging of the particles can be determined in the particle measuring unit.
[0003] Zur Messung von Partikelkonzentrationen von Partikeln im Sub-Mikrometerbereich können elektrische Messverfahren verwendet werden. Dabei werden die in einem Fluidstrom mitgeführten Partikel zunächst elektrisch aufgeladen, und anschließend wird ein Stromsignal, welches von den geladenen Partikeln induziert wird, gemessen. Die elektrische Partikelaufladung kann beispielsweise auf Basis eines photoelektrischen Effekts erfolgen, wobei der Fluidstrom mit elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise Licht im sichtbaren Bereich, UV-Licht und/oder Infrarotlicht, bestrahlt wird. Um einen photoelektrischen Effekt zu erzielen, muss die (von der Wellenlänge abhängige) Energie der Photonen größer sein als die Austrittsarbeit der Elektronen in den Partikeln. Die Austrittsarbeit von NaCl-Partikeln liegt beispielsweise bei ca. 5,12 eV, was einer maximalen Wellenlänge von 243 nm entspricht. Für Dieselpartikel liegt diese Schwelle für die Austrittsarbeit (der sogenannte „Photothreshold“) bei ca. 4,9 eV. Das heißt, dass man für die direkte Partikelaufladung von Dieselpartikeln Licht im UV-Bereich benötigt. Die theoretische Basis für die photoelektrische Aufladung wurde im Zusammenhang mit Verbrennungsaerosolen von Burtscher, H. in „Measurement and Characteristics of Combustion Aerosols with Special Consideration of Photoelectric Charging and Charging by Flame ions“, 1992, J. Aerosol Sci., Bd. 23, Nr. 6, Seiten 549-494, und von Burtscher, H. et al. in „Probing aerosols by photoelectric charging“, 1982, J. Appl. Phys. 53(5), beschrieben. Electrical measuring methods can be used to measure particle concentrations of particles in the sub-micrometer range. In this case, the particles carried along in a fluid flow are first electrically charged, and then a current signal, which is induced by the charged particles, is measured. The electrical particle charging can take place, for example, on the basis of a photoelectric effect, the fluid flow being irradiated with electromagnetic radiation, for example light in the visible range, UV light and / or infrared light. In order to achieve a photoelectric effect, the energy of the photons (which is dependent on the wavelength) must be greater than the work function of the electrons in the particles. The work function of NaCl particles is around 5.12 eV, for example, which corresponds to a maximum wavelength of 243 nm. For diesel particles, this threshold for the work function (the so-called “photothreshold”) is approx. 4.9 eV. This means that for the direct particle charging of diesel particles, light in the UV range is required. The theoretical basis for photoelectric charging was in connection with combustion aerosols by Burtscher, H. in "Measurement and Characteristics of Combustion Aerosols with Special Consideration of Photoelectric Charging and Charging by Flame ions", 1992, J. Aerosol Sci., Vol. 23, No. 6, pages 549-494, and by Burtscher, H. et al. in “Probing aerosols by photoelectric charging”, 1982, J. Appl. Phys. 53 (5).
[0004] Im technischen Umfeld der Partikelanzahlmessung ist das Laden der Partikel und die Messung der von geladenen Partikelwolken induzierten Ströme bekannt. Beispielsweise offenbart EP 1655595 A1 Vorrichtungen und Verfahren zur Messung der Anzahlkonzentration und des mittleren Durchmessers von in einem Trägergas suspendierten Partikeln (Aerosol). Das Aerosol wird in einem Diffusionsauflader aufgeladen und anschließend wird dessen Leitfähigkeit gemessen, um die Anzahlkonzentration zu ermitteln. Die für die Diffusionsaufladung erforderlichen freien Ladungsträger können beispielsweise durch eine elektrische Koronaentladung erzeugt werden. In the technical field of particle number measurement, the charging of the particles and the measurement of the currents induced by charged particle clouds are known. For example, EP 1655595 A1 discloses devices and methods for measuring the number concentration and the mean diameter of particles (aerosol) suspended in a carrier gas. The aerosol is charged in a diffusion charger and then its conductivity is measured to determine the number concentration. The free charge carriers required for diffusion charging can be generated, for example, by an electrical corona discharge.
[0005] Fierz, M., et al., offenbaren in „Aerosol Measurement by Induced Currents”, Aerosol Science and Technology, 48:350-357, 2014, eine elektrische Messtechnik für die Aerosoldetektion, die auf einer pulsierten unipolaren Aufladung gefolgt von einer kontaktfreien Messung der Aerosolaufladung in einem Faraday-Käfig basiert. Fierz, M., et al., In "Aerosol Measurement by Induced Currents", Aerosol Science and Technology, 48: 350-357, 2014, disclose an electrical measurement technique for aerosol detection that is followed by pulsed unipolar charge a non-contact measurement of the aerosol charge in a Faraday cage.
[0006] US 5,701,009 A beschreibt eine Messkammer für Luft, die ein Testgas enthalten kann. Das Testgas in der Luft wird mit einer UV-Quelle ionisiert und anschließend mit einem Elektrometer gemessen. Die Offenbarung beschreibt ebenfalls die Möglichkeit die UV-Quelle zu pulsen, um die Quelle zu schonen und um die Sensitivität der Messung zu erhöhen. Weiters wird auch eine spektroskopische Auswertung beschrieben, welche das Vorhandensein eines Testgases in US 5,701,009 A describes a measuring chamber for air, which can contain a test gas. The test gas in the air is ionized with a UV source and then measured with an electrometer. The disclosure also describes the possibility of pulsing the UV source in order to protect the source and to increase the sensitivity of the measurement. Furthermore, a spectroscopic evaluation is also described, which shows the presence of a test gas in
der Luft bestimmt. determined by the air.
[0007] CN 103163090 B beschreibt eine spektroskopische Messung von Poloniumpartikel in einem Aerosol in einem Kernkraftwerk in Echtzeit. Die benutzte Wellenlänge der Lichtquelle beträgt 417 bis 450 nm und ist daher im VIS Bereich. CN 103163090 B describes a spectroscopic measurement of polonium particles in an aerosol in a nuclear power plant in real time. The used wavelength of the light source is 417 to 450 nm and is therefore in the VIS range.
[0008] Die gegenständliche Erfindung hat die Aufgabe, den Stand der Technik insbesondere hinsichtlich der messbaren Parameter und der erzielbaren Messgenauigkeit zu verbessern. The object of the present invention is to improve the state of the art, in particular with regard to the measurable parameters and the achievable measurement accuracy.
[0009] In einem ersten Aspekt werden diese und weitere Aufgaben durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem durch eine spektroskopische Auswertung der die Bestrahlungskammer durchdringenden elektromagnetischen Strahlung der Anteil zumindest einer gasförmigen Komponente des Fluidstroms ermittelt wird. Dies erlaubt es, die für die Aufladung der Partikel erforderliche elektromagnetische Strahlung für noch einen weiteren Zweck, nämlich die Messung der zusätzlichen zumindest einen Komponente zu nutzen. In a first aspect, these and other objects are achieved by a method of the type mentioned in which the proportion of at least one gaseous component of the fluid flow is determined by a spectroscopic evaluation of the electromagnetic radiation penetrating the irradiation chamber. This makes it possible to use the electromagnetic radiation required for charging the particles for a further purpose, namely the measurement of the additional at least one component.
[0010] In vorteilhafter Weise kann die Komponente des Fluidstroms ausgewählt sein aus Stickstoffoxiden und Kohlenwasserstoffen. Die Ermittlung von Stickstoffoxiden (insbesondere NO und/oder NO») und Kohlenwasserstoffen ist insbesondere für die Abgasanalyse von Verbrennungsmotoren vorteilhaft. Theoretisch können mit dem gegenständlichen Verfahren beliebige Gase gemessen werden, die Messung von Stickstoffoxiden und/oder Kohlenwasserstoffen ist für die Anwendung im Bereich der Automobiltechnik besonders wichtig. Für die Messung von Stickstoffoxiden können verschiedene spektroskopische Verfahren angewendet werden. Im einfachsten Fall wird eine Intensitätsminderung durch Lichtabsorption der Gase im Vergleich zu einer Referenzintensität (kein Gas bzw. keine Absorption) entsprechend des Beer-Lambert'schen Gesetzes entsprechend der Formel The component of the fluid stream can advantageously be selected from nitrogen oxides and hydrocarbons. The determination of nitrogen oxides (in particular NO and / or NO ») and hydrocarbons is particularly advantageous for the exhaust gas analysis of internal combustion engines. Theoretically, any gases can be measured with the method in question; the measurement of nitrogen oxides and / or hydrocarbons is particularly important for use in the field of automotive technology. Various spectroscopic methods can be used to measure nitrogen oxides. In the simplest case, there is a reduction in intensity through light absorption of the gases compared to a reference intensity (no gas or no absorption) in accordance with Beer-Lambert's law according to the formula
I=lo*exp(-a*c*x) I = lo * exp (-a * c * x)
mit l: Intensität des transmittierten Lichtes lo: Intensität des einfallenden (eingestrahlten) Lichtes a: Absorptionskoeffizient, C! Konzentration, X: optische Länge, ermittelt. with l: intensity of the transmitted light lo: intensity of the incident (irradiated) light a: absorption coefficient, C! Concentration, X: optical length, determined.
[0011] Entsprechende Absorptionswellenlängen für NO/NO-» finden sich im UV-Bereich (z.B. bei 227 nm für NO und 400 nm für NO»). In vorteilhafter Weise kann daher die elektromagnetische Strahlung UV-Licht sein. Corresponding absorption wavelengths for NO / NO- »can be found in the UV range (e.g. at 227 nm for NO and 400 nm for NO»). The electromagnetic radiation can therefore advantageously be UV light.
[0012] In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die im Fluidstrom mitgeführten Partikel vor dem Durchströmen der Bestrahlungskammer mittels einer Koronaeinheit elektrisch aufgeladen werden. Dadurch kann die Größenabhängigkeit der Aufladung der Partikel durch die Kombination von Koronaufladung und photoelektrischer Aufladung reduziert werden. Als „Koronaaufladung“ wird im Zusammenhang mit der gegenständlichen Offenbarung eine Diffusionsaufladung bezeichnet, bei der die freien Ladungsträger durch eine elektrische Koronaentladung erzeugt werden. In an advantageous embodiment of the invention, the particles carried along in the fluid stream can be electrically charged by means of a corona unit before flowing through the irradiation chamber. As a result, the size dependency of the charging of the particles through the combination of corona charging and photoelectric charging can be reduced. In connection with the present disclosure, “corona charging” refers to diffusion charging in which the free charge carriers are generated by an electrical corona discharge.
[0013] In vorteilhafter Weise kann zwischen der Koronaeinheit und der Bestrahlungskammer in einer Teilerstruktur eine größenselektive Aufteilung der im Fluidstrom mitgeführten Partikel in die Bestrahlungskammer einerseits und in einen die Bestrahlungskammer umgehenden Bypass andererseits erfolgt. Generell hat man bei der Diffusionsaufladung das Problem, dass sich große Partikel stärker aufladen als kleine (die Anzahl der Elementarladungen pro Partikel steigt mit der Partikelgröße). Dies führt dazu, dass kleine Partikel im Messignal weniger stark gewichtet werden als große. Dies führt weiter zu einer größenabhängigen Sensor-Response, was im Falle der Anzahlkonzentrationsmessung ein unerwünschter Effekt ist. Dieser unerwünschte Effekt kann erfindungsgemäß gelindert werden, indem der Partikelstrom größenselektiv aufgeteilt wird, sodass alle kleinen, aber nur ein Teil der großen Partikel in die durch die Bestrahlungskammer bereitge-Advantageously, between the corona unit and the irradiation chamber in a divider structure, a size-selective division of the particles entrained in the fluid flow into the irradiation chamber on the one hand and into a bypass bypassing the irradiation chamber on the other hand. In general, the problem with diffusion charging is that large particles become more charged than small ones (the number of elementary charges per particle increases with the particle size). As a result, small particles are weighted less strongly in the measurement signal than large ones. This also leads to a size-dependent sensor response, which is an undesirable effect in the case of number concentration measurement. According to the invention, this undesirable effect can be alleviated by dividing the particle flow in a size-selective manner so that all small, but only some of the large, particles are
stellte zweite Beladungsstufe kommen. Bei der größenselektiven Aufteilung wird somit der Fluidstrom in einen Strom durch die Bestrahlungskammer und einen Bypass-Strom aufgeteilt. put second loading stage coming. In the case of size-selective division, the fluid flow is thus divided into a flow through the irradiation chamber and a bypass flow.
[0014] In vorteilhafter Weise kann die größenselektive Aufteilung durch eine Ablenkung des Fluidstroms unter Ausnutzung der Trägheit der Partikel erfolgen. Die Größenselektion erfolgt dabei über den aerodynamischen Durchmesser. Dabei wird der Fluidstrom stark umgelenkt. (Aerodynamisch) große Partikel schaffen diese Umlenkung aufgrund ihrer Trägheit nicht, während kleine Partikel in die Bestrahlungskammer gelangen können. Advantageously, the size-selective division can take place by deflecting the fluid flow while utilizing the inertia of the particles. The size selection is based on the aerodynamic diameter. The fluid flow is strongly deflected in the process. (Aerodynamically) large particles do not manage this deflection due to their inertia, while small particles can get into the irradiation chamber.
[0015] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die größenselektive Aufteilung in der Teilerstruktur mittels eines elektrischen Feldes erfolgen. Dabei erfolgt die Größenselektion über die elektrische Mobilität. Zunächst werden die Partikel mittels Diffusionsaufladung elektrisch aufgeladen (die Ladungsträger können zum Beispiel durch eine Korona-Entladung in der Koronaeinheit erfolgen). Diese Aufladung passiert größenabhängig. Mittels eines elektrischen Feldes kann danach die größenselektive Aufteilung des Fluidstromes erfolgen. Der Bypass ist dabei vorzugsweise so ausgelegt, dass beide Pfade des Fluidstroms, der durch die Bestrahlungskammer und der durch den Bypass, in etwa gleiche Durchlaufzeiten aufweisen. In a further advantageous embodiment, the size-selective division in the divider structure can take place by means of an electric field. The size selection is based on electric mobility. First of all, the particles are electrically charged by means of diffusion charging (the charge carriers can, for example, take place via a corona discharge in the corona unit). This charging happens depending on the size. The size-selective division of the fluid flow can then take place by means of an electric field. The bypass is preferably designed in such a way that both paths of the fluid flow, that through the irradiation chamber and that through the bypass, have approximately the same throughput times.
[0016] In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Fluidstrom vor dem Durchströmen der Bestrahlungskammer und vorzugsweise vor dem durchströmen der Teilertruktur und der Koronaeinheit mit zumindest einem Verdünnungsgas verdünnt und gegebenenfalls erwärmt werden. Dadurch können Probleme, die aufgrund von Feuchtigkeit im Fluidstrom entstehen können, gelöst werden. Beispielsweise kann einem Abgasstrom als Verdünnungsgas getrocknete Umgebungsluft zugesetzt werden, die im Bereich der Probenentnahme dem Fluidstrom hinzugefügt wird. Der Taupunkt des Gemisches ist dabei höher als der des reinen Abgases. Zusätzlich können der Fluidstrom und/oder das Verdünnungsgas auch erwärmt werden. Dadurch wird Kondensation weitestgehend vermieden und eine Verschmutzung der optischen Systeme kann verhindert werden. In an advantageous embodiment, the fluid stream can be diluted with at least one diluent gas and optionally heated before flowing through the irradiation chamber and preferably before flowing through the divider structure and the corona unit. Problems that may arise due to moisture in the fluid stream can thereby be solved. For example, dried ambient air can be added as a diluent gas to an exhaust gas stream, which air is added to the fluid stream in the region of the sampling. The dew point of the mixture is higher than that of the pure exhaust gas. In addition, the fluid stream and / or the diluent gas can also be heated. This largely avoids condensation and prevents contamination of the optical systems.
[0017] In einem weiteren Aspekt werden die erfindungsgemäßen Aufgaben durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der an der Bestrahlungskammer zumindest eine Spektrometrieeinheit zur spektroskopischen Auswertung der die Bestrahlungskammer durchdringenden elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist. In a further aspect, the objects of the invention are achieved by a device of the type mentioned at the outset, in which at least one spectrometry unit for the spectroscopic evaluation of the electromagnetic radiation penetrating the irradiation chamber is arranged on the irradiation chamber.
[0018] In vorteilhafter Weise kann die Spektrometrieeinheit ein dispersives Element und einen optischen Detektor aufweisen. Mittels dispersivem Element (z.B. einem Prisma, einem Beugungsgitter oder ähnlichem) kann eine Wellenlängenselektion erfolgen, die von dem optischen Detektor ausgewertet wird. The spectrometry unit can advantageously have a dispersive element and an optical detector. By means of a dispersive element (e.g. a prism, a diffraction grating or the like), a wavelength selection can be carried out, which is evaluated by the optical detector.
[0019] Eine vorteilhafte Ausführungsform kann erfindungsgemäß vorsehen, dass die Bestrahlungskammer einen Hohlkörper aus Quarzglas aufweist, der in eine Gehäusestruktur, vorzugsweise aus Metall, eingebettet ist. Dadurch bildet die Bestrahlungskammer eine reflektierende AuBenwandung aus, die jedoch keine Elektronenfreisetzung verursacht. According to the invention, an advantageous embodiment can provide that the irradiation chamber has a hollow body made of quartz glass, which is embedded in a housing structure, preferably made of metal. As a result, the irradiation chamber forms a reflective outer wall which, however, does not cause any electron release.
[0020] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Teilerstruktur eine Koronaeinheit zur elektrischen Aufladung der Partikel vorgelagert sein. Dadurch kann der unerwünschte Effekt der größenabhängigen Aufladung verringert werden. In a further advantageous embodiment, the divider structure can be preceded by a corona unit for electrically charging the particles. This can reduce the undesirable effect of size-dependent charging.
[0021] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Bestrahlungskammer eine Teilerstruktur vorgelagert sein, wobei in der Teilerstruktur eine größenselektive Aufteilung der im Fluidstrom mitgeführten Partikel in die Bestrahlungskammer einerseits und in einen die Bestrahlungskammer umgehenden Bypass andererseits erfolgt. Dies verbessert die Gleichmäßigkeit der Aufladung unabhängig von der Partikelgröße. In a further advantageous embodiment, the irradiation chamber can be preceded by a divider structure, with a size-selective division of the particles entrained in the fluid flow into the irradiation chamber on the one hand and into a bypass bypassing the irradiation chamber on the other hand. This improves the uniformity of the charge regardless of the particle size.
[0022] In vorteilhafter Weise kann die Teilerstruktur eine Ablenkeinheit aufweisen, welche eine größenselektive Aufteilung der im Fluidstrom mitgeführten Partikel unter Ausnutzung ihrer Trägheit vornimmt. In an advantageous manner, the divider structure can have a deflection unit which undertakes a size-selective division of the particles entrained in the fluid flow by utilizing their inertia.
[0023] In vorteilhafter Weise kann die Teilerstruktur eine Ablenkeinheit aufweisen, welche die größenselektive Aufteilung der im Fluidstrom mitgeführten Partikel mittels eines elektrischen Fel-[0023] The divider structure can advantageously have a deflection unit which enables the size-selective division of the particles entrained in the fluid flow by means of an electrical field.
des vornimmt. that does.
[0024] Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann stromaufwärts der Bestrahlungskammer und vorzugsweise stromaufwärts der Teilerstruktur und der Koronaeinheit eine Verdünnungseinheit vorgesehen ist, mit der der Fluidstrom mit zumindest einem Verdünnungsgas verdünnt und gegebenenfalls erwärmt wird. According to a further embodiment, a dilution unit is provided upstream of the irradiation chamber and preferably upstream of the divider structure and the corona unit, with which the fluid stream is diluted with at least one diluent gas and optionally heated.
[0025] Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt The present invention is explained in more detail below with reference to Figures 1 to 4, which show exemplary, schematic and non-limiting advantageous embodiments of the invention. It shows
[0026] Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform, 1 shows a schematic representation of the device according to the invention according to a first embodiment,
[0027] Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform, 2 shows a schematic representation of the device according to the invention according to a second embodiment,
[0028] Fig. 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform, 3 shows a schematic representation of the device according to the invention according to a third embodiment,
[0029] Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung einer beispielhaften Bestrahlungskammer der erfindungsgemäßen Vorrichtung und 4 shows a diagrammatic representation of an exemplary irradiation chamber of the device according to the invention and
[0030] Fig. 5 eine schematisierte Schnittansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei beispielhafte Trajektorien von Partikeln dargestellt sind. 5 shows a schematic sectional view of part of a device according to the invention, with exemplary trajectories of particles being shown.
[0031] Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 4 in einer schematischen Blockdarstellung. Die Vorrichtung weist eine Verdünnungseinheit 16, eine Bestrahlungseinheit 2, eine Partikelmesseinheit 3, einen elektromagnetischen Strahler 5 und eine Spektrometrieeinheit 6 auf. Ein zu analysierender Abgasstrom 17 wird in der Verdünnungseinheit 16 mit einem Verdünnungsgas 15 vermischt und es wird ein Fluidstrom 1 gebildet, der in weiterer Folge die Bestrahlungseinheit 2 und die Partikelmesseinheit 3 durchströmt. (Alternativ kann der Fluidstrom 1 auch direkt durch den Abgasstrom 17 gebildet sein und/oder ein anderes Messfluid enthalten). Das Verdünnungsgas 15 kann beispielsweise getrocknete Umgebungsluft oder ein anderes, die Messung nicht verfälschendes Gas sein, das eine Kondensation im Fluidstrom 1 in den nachfolgenden Einheiten verhindert. Die exakte Form und Ausführung der Einheiten und Leitungen der Vorrichtung 4 ist in Fig. 1 nicht dargestellt, eine entsprechende Umsetzung liegt jedoch im Können des Durchschnittsfachmanns, der Kenntnisse der hierin offenbarten Lehren hat. 1 shows an exemplary embodiment of the device 4 according to the invention in a schematic block diagram. The device has a dilution unit 16, an irradiation unit 2, a particle measuring unit 3, an electromagnetic radiator 5 and a spectrometry unit 6. An exhaust gas flow 17 to be analyzed is mixed in the dilution unit 16 with a dilution gas 15 and a fluid flow 1 is formed, which subsequently flows through the irradiation unit 2 and the particle measuring unit 3. (Alternatively, the fluid flow 1 can also be formed directly by the exhaust gas flow 17 and / or contain another measuring fluid). The dilution gas 15 can be, for example, dried ambient air or another gas which does not falsify the measurement and which prevents condensation in the fluid flow 1 in the subsequent units. The exact shape and design of the units and lines of the device 4 is not shown in FIG. 1, but a corresponding implementation is within the ability of those of ordinary skill in the art having knowledge of the teachings disclosed herein.
[0032] Die Bestrahlungskammer 2 besteht im Wesentlichen aus einem Hohlkörper 9 aus einem für die elektromagnetische Strahlung durchlässigen Material, wie zum Beispiel Quarzglas, der in eine für die elektromagnetische Strahlung undurchlässige Gehäusestruktur 10 eingefasst ist, wobei die Gehäusestruktur beispielsweise aus Metall sein kann und mit dem Hohlkörper eine reflektierende Innenwandung der Bestrahlungskammer 2 ausbildet. The irradiation chamber 2 consists essentially of a hollow body 9 made of a material that is permeable to electromagnetic radiation, such as quartz glass, which is enclosed in a housing structure 10 that is impermeable to electromagnetic radiation, wherein the housing structure can be made of metal, for example, and with the hollow body forms a reflective inner wall of the irradiation chamber 2.
[0033] Über den elektromagnetischen Strahler 5 wird eine elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise breitbandiges Licht im UV-Spektrum, in die Bestrahlungskammer 2 eingeleitet, wobei dem Strahler 5 gegenüberliegend die Spektrometrieeinheit 6 angeordnet ist, die ein dispersives Element 7, beispielsweise ein Beugungsgitter, ein Prisma oder Ahnliches, und einen optischen Detektor 8, beispielsweise einen Bildsensor, etwa gemäß dem CMOS- oder CCD-Prinzip, oder ein Photodioden-Array umfasst. Die Bestrahlungskammer 2 ist somit derart beschaffen, dass die Innenwandungen reflektierend für die elektromagnetische Strahlung sind (abgesehen von dem Einlass für die elektromagnetische Strahlung und den Auslass für die Spektrometrieeinheit 6), diese elektromagnetische Strahlung aber keine Elektronenfreisetzung an den Wandungen der Bestrahlungskammer 2 verursacht. Die im Fluidstrom mitgeführten Partikel werden dabei in der Bestrahlungskammer 2 durch den direkten photoelektrischen Effekt, der von der elektromagnetischen Strahlung bewirkt wird, aufgeladen. Via the electromagnetic radiator 5, electromagnetic radiation, preferably broadband light in the UV spectrum, is introduced into the irradiation chamber 2, the spectrometry unit 6 being arranged opposite the radiator 5, which has a dispersive element 7, for example a diffraction grating, a prism or the like, and an optical detector 8, for example an image sensor, for example according to the CMOS or CCD principle, or a photodiode array. The irradiation chamber 2 is thus designed in such a way that the inner walls are reflective for the electromagnetic radiation (apart from the inlet for the electromagnetic radiation and the outlet for the spectrometry unit 6), but this electromagnetic radiation does not cause any electron release on the walls of the irradiation chamber 2. The particles carried along in the fluid flow are charged in the irradiation chamber 2 by the direct photoelectric effect that is brought about by the electromagnetic radiation.
[0034] Die Bestrahlungskammer 2 kann beispielsweise als Hohlkörper 9 ein Glasröhrchen aufweisen, welches bis auf die gewünschte Ein- und Austrittstrittsöffnung für die elektromagnetische The irradiation chamber 2 can for example have a glass tube as a hollow body 9, which apart from the desired entry and exit opening for the electromagnetic
Strahlung verspiegelt ist. Beispielsweise kann das Glasröhrchen in einen Metallkörper eingefasst oder metallisch beschichtet sein. Wichtig hierbei ist, dass die Innenwandung der Messzelle bei einer elektromagnetischen Bestrahlung keine Elektronen emittiert. Das kann beispielsweise durch die geeignete Auswahl eines Materials mit hoher Austrittsarbeit gelöst werden. Beispielsweise können Quarz- oder Saphirgläser verwendet werden, wie sie häufig in Spektroskopen vorgesehen sind, um einen Messgasstrom von einer Optik zu trennen. Um die Länge, die die elektromagnetische Strahlung durch das Fluid von dem Strahler 5 zu der Spektrometrieeinheit 6 zurücklegt, kann beispielsweise verlängert werden, in dem die Strahlung unter einem Winkel in die Bestrahlungskammer 2 eingeleitet wird. Die elektromagnetische Strahlung kann so mehrmals an den Wandungen der Bestrahlungskammer 2 reflektiert werden, bevor sie auf die Spektrometrieeinheit 6 trifft. Radiation is mirrored. For example, the glass tube can be enclosed in a metal body or coated with metal. It is important here that the inner wall of the measuring cell does not emit any electrons when exposed to electromagnetic radiation. This can be solved, for example, by appropriately selecting a material with a high work function. For example, quartz or sapphire glasses can be used, as they are often provided in spectroscopes, in order to separate a measuring gas flow from an optical system. The length that the electromagnetic radiation travels through the fluid from the radiator 5 to the spectrometry unit 6 can be lengthened, for example, by introducing the radiation into the irradiation chamber 2 at an angle. The electromagnetic radiation can thus be reflected several times on the walls of the irradiation chamber 2 before it strikes the spectrometry unit 6.
[0035] Nach der Bestrahlungsquelle durchströmt der Fluidstrom 1 mit den geladenen Partikeln die Partikelmesseinheit 3, in der die von den Partikeln mitgeführte Ladung ermittelt wird. Die Partikelmesseinheit 3 kann beispielsweise einen Faradaykäfig aufweisen, mit dem nach dem Spiegelladungsprinzip der Partikelstrom mittels eines Elektrometers detektiert wird. Eine solche Partikelmesseinheit 3 wird auch als Faraday-Cup-Elektrometer - FCE - bezeichnet. After the irradiation source, the fluid stream 1 with the charged particles flows through the particle measuring unit 3, in which the charge carried along by the particles is determined. The particle measuring unit 3 can for example have a Faraday cage with which the particle flow is detected by means of an electrometer according to the mirror charge principle. Such a particle measuring unit 3 is also referred to as a Faraday Cup electrometer - FCE.
[0036] Zusätzlich zur photoelektrischen Aufladung der Partikel, die eine Messung der Partikelanzahl mit der Partikelmesseinheit 3 erlaubt, wird die elektromagnetische Strahlung genutzt, um den Anteil von zumindest einer weiteren Komponente im Fluidstrom 1 zu ermitteln. Bei dieser weiteren Komponente kann es sich insbesondere um gasförmige Bestandteile handeln, die ein charakteristisches Absorptionsverhalten im Bereich des Spektrums der von dem Strahler 5 eingebrachten elektromagnetischen Strahlung bewirken. Insbesondere kann auf diese Weise die Konzentration an Stickstoffoxiden (NOx) und/oder Kohlenwasserstoffen im Fluidstrom 1 ermittelt werden. Damit kann beispielsweise die elektromagnetische Strahlung (insbesondere UV-Licht) gleichzeitig zur Aufladung der Partikel und zur spektroskopischen NOx-Messung verwendet werden. In addition to the photoelectric charging of the particles, which allows the particle number to be measured with the particle measuring unit 3, the electromagnetic radiation is used to determine the proportion of at least one further component in the fluid flow 1. This further component can in particular be gaseous constituents which bring about a characteristic absorption behavior in the range of the spectrum of the electromagnetic radiation introduced by the radiator 5. In particular, the concentration of nitrogen oxides (NOx) and / or hydrocarbons in the fluid stream 1 can be determined in this way. In this way, for example, the electromagnetic radiation (in particular UV light) can be used simultaneously to charge the particles and for the spectroscopic NOx measurement.
[0037] In einer alternativen Ausführungsform kann die Vorrichtung 4 eine der Bestrahlungskammer 2 vorgelagerte Koronaeinheit 11 aufweisen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Die Koronaeinheit 11 erzeugt unipolare Ladungsträger (lonen), welche die Partikel im Fluidstrom insbesondere durch Diffusionsaufladung positiv aufladen. Die Diffusionsaufladung, welche vorwiegend zur unipolaren Partikelaufladung beiträgt, ist jedoch für kleine Partikel sehr ineffizient. Beispielsweise bleiben bei Partikeln mit einer Größe von unter 20 nm typischerweise mehr als 50% unbeladen. Die photoelektrische Aufladung hingegen ist für kleine Partikel besonders effizient. Dies liegt einerseits daran, dass kleinere Partikel eine erhöhte Absorption aufweisen, andererseits steigt die Freisetzungswahrscheinlichkeit der Photoelektronen mit sinkender Partikelgröße an. Durch die der Bestrahlungskammer 2 vorgelagerte Koronaeinheit 11 erfolgt eine Kombination der Diffusionsaufladung in der Koronaeinheit 11 mit der photoelektrischen Aufladung in der Bestrahlungskammer 2, wodurch die Beladungseffizienz sowohl bei den kleineren, als auch bei den größeren Partikeln gezielt erhöht wird. In an alternative embodiment, the device 4 can have a corona unit 11 upstream of the irradiation chamber 2, as is shown in FIG. 2. The corona unit 11 generates unipolar charge carriers (ions) which positively charge the particles in the fluid flow, in particular through diffusion charging. Diffusion charging, which mainly contributes to unipolar particle charging, is, however, very inefficient for small particles. For example, particles with a size of less than 20 nm typically remain more than 50% unloaded. Photoelectric charging, on the other hand, is particularly efficient for small particles. On the one hand, this is due to the fact that smaller particles have increased absorption; on the other hand, the probability of the photoelectrons being released increases with decreasing particle size. The corona unit 11 upstream of the irradiation chamber 2 combines the diffusion charging in the corona unit 11 with the photoelectric charging in the irradiation chamber 2, which increases the loading efficiency of both the smaller and the larger particles in a targeted manner.
[0038] Eine weitere alternative Ausführungsform der gegenständlichen Erfindung ist in Fig. 3 schematische und beispielhaft dargestellt. Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung 4, bei der die zuvor in einer Koronaeinheit 11 aufgeladenen Partikel größenselektiv in die Bestrahlungskammer 2 geleitet werden. Dabei werden größere Partikel über einen Bypass 13 geleitet, über den eine erster Teilströmung 21 des Fluidstroms 1 an der Bestrahlungskammer 2 vorbeigeleitet und danach (d.h. zwischen der Bestrahlungskammer 2 und der Partikelmesseinheit 3) wieder mit der anderen, zweiten Teilströmung 22 des Fluidstroms 1, die durch die Bestrahlungskammer 2 geleitet wurde, vereint wird. Ziel dieser Variante ist es, die Größenabhängigkeit der Aufladung zu kompensieren (da ja große Partikel in der Koronaeinheit stärker aufgeladen als kleine), und so eine bessere Korrelation des gemessenen Stroms zur Partikelanzahl zu erzielen. Bei der Partikelanzahlmessung ist es erwünscht, dass alle Partikel unabhängig von der Größe gleich stark detektiert werden. Durch die größenabhängige Aufladung in der Koronaeinheit 11 werden aber größere Partikel stärker gewichtet als kleinere, sodass diese auch stärker zum Messsignal beitragen. Mit der in Fig. 3 dargestellten Variante kann erreicht werden, dass möglichst alle kleinen Partikel, und mög-Another alternative embodiment of the present invention is shown schematically and by way of example in FIG. 3 shows a device 4 in which the particles previously charged in a corona unit 11 are guided into the irradiation chamber 2 in a size-selective manner. Larger particles are passed over a bypass 13, via which a first partial flow 21 of the fluid flow 1 bypasses the irradiation chamber 2 and then (ie between the irradiation chamber 2 and the particle measuring unit 3) again with the other, second partial flow 22 of the fluid flow 1, which was passed through the irradiation chamber 2, is combined. The aim of this variant is to compensate for the size dependency of the charge (since large particles are more strongly charged in the corona unit than small ones), and thus to achieve a better correlation between the measured current and the number of particles. When measuring the number of particles, it is desirable that all particles are detected to the same extent, regardless of their size. Due to the size-dependent charge in the corona unit 11, however, larger particles are weighted more heavily than smaller ones, so that they also contribute more to the measurement signal. With the variant shown in Fig. 3 it can be achieved that as many small particles as possible, and possibly
lichst wenig große Partikel in die Bestrahlungskammer 2 gelangen, um so die Größenabhängigkeit des Sensorsignals zu kompensieren. Very few large particles get into the irradiation chamber 2 in order to compensate for the size dependency of the sensor signal.
[0039] Die Größenselektion erfolgt bei einer Teilerstruktur 12, bei der die Selektion entweder auf Basis des aerodynamischen Durchmessers oder auf Basis der elektrischen Mobilität der Partikel geschieht, wobei diese beiden Möglichkeiten auch kombiniert angewendet werden können. Bei der ersten Variante (aerodynamischer Durchmesser) wird der Fluidstrom im Bereich der Teilerstruktur 12 derart umgelenkt, dass große Partikel während dieser Umlenkung aufgrund ihrer Trägheit seitlich abgelenkt werden, und so in den Bypass 13 gelangen, während kleine Partikel in die Bestrahlungskammer geleitet werden. Bei der zweiten Variante (elektrische Mobilität) werden die Partikel zunächst (z.B. in der Koronaeinheit) mittels Diffusionsaufladung elektrisch aufgeladen, wobei diese Aufladung größenabhängig erfolgt. Im Bereich der Teilerstruktur ist ein elektrisches Feld angeordnet, welches die stark geladenen Partikel (d.h. die größeren Partikel) in den Bypass 13 ablenkt, wohingegen die wenig oder gar nicht geladenen Partikel vom elektrischen Feld weniger oder gar nicht abgelenkt werden, und so in die Bestrahlungskammer 2 gelangen. Der Verlauf des Bypasses 13 ist dabei vorzugsweise so ausgelegt, dass die erste Teilströmung 21 (durch den Bypass 13) und die zweite Teilströmung 22 (durch die Bestrahlungskammer) von der Teilerstruktur 12 bis zur Einmündung 23 jeweils in etwa gleiche Durchlaufzeiten aufweisen. The size selection takes place in a divider structure 12, in which the selection is made either on the basis of the aerodynamic diameter or on the basis of the electrical mobility of the particles, it being possible for these two possibilities to be used in combination. In the first variant (aerodynamic diameter), the fluid flow is deflected in the area of the divider structure 12 in such a way that large particles are deflected laterally due to their inertia during this deflection and thus get into the bypass 13, while small particles are guided into the irradiation chamber. In the second variant (electrical mobility), the particles are first electrically charged (e.g. in the corona unit) by means of diffusion charging, this charging being dependent on size. An electric field is arranged in the area of the divider structure, which deflects the strongly charged particles (ie the larger particles) into the bypass 13, whereas the little or no charged particles are deflected less or not at all by the electric field, and so into the irradiation chamber 2 arrive. The course of the bypass 13 is preferably designed such that the first partial flow 21 (through the bypass 13) and the second partial flow 22 (through the irradiation chamber) from the divider structure 12 to the confluence 23 each have approximately the same throughput times.
[0040] In der Bestrahlungskammer 2 erfolgt wiederum die Ermittlung der zusätzlichen Komponente(n) des Fluidstroms, wie dies bereits in Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 beschrieben wurde. Es ist allerdings darauf hinzuweisen, dass die Ausführungsformen der Fig. 2 und 3 auch ohne die Spektrometrieeinheit 6 vorteilhaft verwendet werden können, da die Möglichkeit der Steigerung der Beladungseffizienz für sich alleine genommen (d.h. ohne die zusätzliche Messung der Komponente, wie etwa NOx) vorteilhaft ist. Es wird nämlich eine verbesserte Messgenauigkeit in der Partikelmesseinheit 3 erzielt, unabhängig davon, ob auch eine Messung der zusätzlichen Komponente in der Bestrahlungskammer 2 erfolgt. Der gegenständliche Anmeldetext offenbart daher auch eine Vorrichtung 4 gemäß der Darstellung der Fig. 2 oder 3, die keine Spektrometrieeinheit 6 aufweist. Eine solche Ausführungsform ist jedoch kein Gegenstand der Erfindung. In the irradiation chamber 2, the additional component (s) of the fluid flow are again determined, as has already been described in connection with FIGS. 1 and 2. It should be pointed out, however, that the embodiments of FIGS. 2 and 3 can also be used advantageously without the spectrometry unit 6, since the possibility of increasing the loading efficiency alone (ie without the additional measurement of the component such as NOx) is advantageous is. This is because improved measurement accuracy is achieved in the particle measuring unit 3, regardless of whether the additional component is also measured in the irradiation chamber 2. The present application text therefore also discloses a device 4 as shown in FIG. 2 or 3, which does not have a spectrometry unit 6. However, such an embodiment is not an object of the invention.
[0041] Auch in den in Fig. 2 und/oder 3 dargestellten Vorrichtungen 4 kann der Fluidstrom 1 gegebenenfalls von einer Verdünnungseinheit 16 stammen, wie sie in Verbindung mit der Beschreibung der Fig. 1 offenbart ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch nicht auf eine bestimmte Beschaffenheit und/oder Quelle von Fluidströmen eingeschränkt, sondern umfasst alle Arten von Fluida, die einer erfindungsgemäßen kombinierten Messung von Partikeln und anderen Komponenten zugänglich sind. Also in the devices 4 shown in FIGS. 2 and / or 3, the fluid flow 1 can optionally originate from a dilution unit 16, as disclosed in connection with the description of FIG. 1. However, the device according to the invention is not restricted to a specific nature and / or source of fluid flows, but rather comprises all types of fluids that are accessible to a combined measurement according to the invention of particles and other components.
[0042] Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Bestrahlungskammer 2, die einen im Wesentlichen zylindrischen Hohlkörper 9, beispielsweise ein Rohr aus Quarzglas oder Saphirglas, dessen Außenseite von einer Gehäusestruktur 10 umgeben ist, beispielsweise ein Metallkörper oder eine Metallbeschichtung. An der Gehäusestruktur 10 sind mehrere „Fenster“ ausgespart, an denen elektromagnetische Strahler 5, 5‘ beziehungsweise Spektrometrieeinheiten 6, 6‘ angeordnet werden können. Beispielsweise kann ein elektromagnetischer Strahler 5 unter einem Winkel von 90 Grad auf die Rohrachse der Bestrahlungskammer 2 angeordnet sein, wobei die elektromagnetische Strahlung den Durchmesser der Bestrahlungskammer 2 quert und an der gegenüberliegenden Seite auf eine Spektrometrieeinheit 6 trifft. Da die Bestrahlungskammer 2 zylindrisch ausgeführt ist, kann die Strahlung aber auch in einem Winkel ungleich 90° in die Bestrahlungskammer 2 eingestrahlt werden, wie dies in Fig. 4 durch den schräg angeordneten elektromagnetischen Strahler 5‘ dargestellt ist. Die Strahlung kann dabei gegebenenfalls von den Rohrwandungen ein oder mehrere Male reflektiert werden, bevor sie auf die Spektrometrieeinheit 6‘ trifft. Dadurch lässt sich die Länge, die die elektromagnetische Strahlung in der Bestrahlungskammer 2 zurücklegt, definieren und verändern. Im Grenzfall kann die elektromagnetische Strahlung die Bestrahlungskammer 2 auch parallel zur Rohrachse durchqueren. Gegebenenfalls können mehrere Strahler 5, 5‘ und Spektrometrieeinheiten 6, 6‘ mit unterschiedlichen Strahlungsgängen an einer einzigen Bestrahlungskammer 2 angeordnet sein, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Die einzelnen Strahler können beispielsweise elektromagnetische Strahlungen mit unterschiedlicher Wellenlänge aussenden, wobei die entsprechenden Spektrometrieeinheiten auf die jeweilige 4 shows an exemplary embodiment of an irradiation chamber 2, which has a substantially cylindrical hollow body 9, for example a tube made of quartz glass or sapphire glass, the outside of which is surrounded by a housing structure 10, for example a metal body or a metal coating. Several “windows” are recessed on the housing structure 10, on which electromagnetic radiators 5, 5 'or spectrometry units 6, 6' can be arranged. For example, an electromagnetic radiator 5 can be arranged at an angle of 90 degrees on the pipe axis of the irradiation chamber 2, the electromagnetic radiation crossing the diameter of the irradiation chamber 2 and striking a spectrometry unit 6 on the opposite side. Since the irradiation chamber 2 is cylindrical, the radiation can also be irradiated into the irradiation chamber 2 at an angle other than 90 °, as shown in FIG. 4 by the obliquely arranged electromagnetic radiator 5 '. The radiation can optionally be reflected by the pipe walls one or more times before it hits the spectrometry unit 6 ‘. This allows the length that the electromagnetic radiation travels in the irradiation chamber 2 to be defined and changed. In the borderline case, the electromagnetic radiation can also traverse the irradiation chamber 2 parallel to the tube axis. If necessary, several radiators 5, 5 'and spectrometry units 6, 6' with different radiation paths can be arranged on a single irradiation chamber 2, as shown in FIG. The individual radiators can, for example, emit electromagnetic radiation with different wavelengths, with the corresponding spectrometry units on the respective
Wellenlänge abgestimmt sind. Wavelength are matched.
[0043] Fig. 5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Teilkomponente 20 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 4, wobei ein Querschnitt der Teilkomponente 20 entlang einer Strömungsebene des Fluidstroms 1 dargestellt ist. Bezogen auf die Strömungsrichtung beginnt die Teilkomponente 20 an einem Einlass 18, wo der Fluidstrom 1 in den Teilabschnitt 20 eingeleitet wird und endet bei einem Auslass 19, bei dem der Fluidstrom 1 die Teilkomponente 20 wieder verlässt. In Fig. 3 ist der entsprechende Abschnitt der Vorrichtung 4, der die Teilkomponente 20 bildet, mit demselben Bezugszeichen schematisch eingezeichnet. 5 shows an exemplary embodiment of a subcomponent 20 of the device 4 according to the invention, a cross section of the subcomponent 20 along a flow plane of the fluid flow 1 being shown. In relation to the flow direction, the sub-component 20 begins at an inlet 18, where the fluid flow 1 is introduced into the sub-section 20, and ends at an outlet 19, at which the fluid flow 1 leaves the sub-component 20 again. In FIG. 3, the corresponding section of the device 4, which forms the subcomponent 20, is shown schematically with the same reference number.
[0044] Bei einer Teilerstruktur 12 teilt sich die Leitung, von der der Fluidstrom 1 geführt wird, in eine Bypass 13 und einen Kammerkanal 24 auf. Dementsprechend teilt sich auch der Fluidstrom in eine erste Teilströmung 21, die den Bypass 13 durchströmt, und eine zweite Teilströmung 22, die den Kammerkanal 24 durchströmt, auf. Im Bereich der bzw. unmittelbar vor der Teilerstruktur 12 ist eine Ablenkeinheit 14 angeordnet, welche ein elektromagnetisches Feld aufbaut, das vom Fluidstrom durchflossen wird. Das elektromagnetische Feld lenkt die bereits geladenen, schwereren Partikel in den Bypass 13, wohingegen die leichteren, und daher ungeladenen Partikel in den Kammerkanal 24 geleitet werden. In the case of a divider structure 12, the line from which the fluid flow 1 is guided is divided into a bypass 13 and a chamber channel 24. Accordingly, the fluid flow is also divided into a first partial flow 21, which flows through the bypass 13, and a second partial flow 22, which flows through the chamber channel 24. In the area of or directly in front of the divider structure 12, a deflection unit 14 is arranged which builds up an electromagnetic field through which the fluid flow flows. The electromagnetic field directs the already charged, heavier particles into the bypass 13, whereas the lighter, and therefore uncharged, particles are directed into the chamber channel 24.
[0045] Der Kammerkanal 24 leitet die zweite Teilströmung 22 durch eine Bestrahlungskammer 2, in die durch elektromagnetische Strahler 5, 5‘ elektromagnetische Strahlung eingebracht wird, um die mit der zweiten Teilströmung 22 mitgeführten Partikel photoelektrisch aufzuladen. Gegenüber dem ersten Strahler 5, der eine den Durchmesser der Bestrahlungskammer 2 querende Strahlung aussendet, ist eine erste Spektrometrieeinheit 6 angeordnet, mit der gemäß dem zuvor beschriebenen Prinzip eine weitere Komponente des Fluidstroms 1 ermittelt werden kann. Weiters ist stromaufwärts der Bestrahlungskammer 2 in einer Kurve des Kammerkanals 24 ein weiterer Strahler 5‘ angeordnet, der eine elektromagnetische Strahlung parallel zur Achse der Bestrahlungskammer 2 richtet, die auf eine nach der Bestrahlungskammer 2 angeordnete weitere Spektrometrieeinheit 6 ausgerichtet ist. The chamber channel 24 directs the second partial flow 22 through an irradiation chamber 2, into which electromagnetic radiation is introduced by electromagnetic radiators 5, 5 in order to photoelectrically charge the particles carried along with the second partial flow 22. A first spectrometry unit 6 is arranged opposite the first radiator 5, which emits radiation crossing the diameter of the irradiation chamber 2, with which a further component of the fluid flow 1 can be determined according to the principle described above. Furthermore, upstream of the irradiation chamber 2 in a curve of the chamber channel 24, a further radiator 5 is arranged, which directs electromagnetic radiation parallel to the axis of the irradiation chamber 2, which is directed to a further spectrometry unit 6 arranged after the irradiation chamber 2.
[0046] Die Form und Länge des Bypass 13 ist derart ausgelegt ist, dass Partikel, die von der ersten Teilströmung 21 durch den Bypass 13 geführt werden, und Partikel, die von der zweiten Teilströmung 22 durch den Kammerkanal 24 geführt werden, für ihre Bewegung von der Teilerstruktur 12 zu der Einmündung 23 in etwa die selbe Zeit benötigen. The shape and length of the bypass 13 is designed such that particles that are guided by the first partial flow 21 through the bypass 13, and particles that are guided by the second partial flow 22 through the chamber channel 24, for their movement require approximately the same time from the divider structure 12 to the confluence 23.
[0047] Die Teilkomponente 20 ist somit bezogen auf den Fluidstrom 1 zwischen der Koronaeinheit 11 und der Partikelmesseinheit 3 angeordnet, wobei beim Einlass 18 der Fluidstrom 1 mit den von der Koronaeinheit 11 aufgeladenen Partikeln einströmt, und der Fluidstrom 1 die Teilkomponente 20 beim Auslass 19 wieder verlässt, wobei der Teil der Partikel, die durch die Bestrahlungskammer 2 geströmt sind, (d.h. im Wesentlichen die kleineren Partikel), durch die von den elektromagnetischen Strahlern 5, 5‘ in die Bestrahlungskammer 2 eingebrachte elektromagnetische Strahlung zusätzlich aufgeladen wurden. The subcomponent 20 is thus arranged in relation to the fluid flow 1 between the corona unit 11 and the particle measuring unit 3, the fluid flow 1 with the particles charged by the corona unit 11 flowing in at the inlet 18, and the fluid flow 1 the subcomponent 20 at the outlet 19 leaves again, the part of the particles that have flowed through the irradiation chamber 2 (ie essentially the smaller particles) being additionally charged by the electromagnetic radiation introduced into the irradiation chamber 2 by the electromagnetic radiators 5, 5 '.
[0048] Ein Vorteil der hierin offenbarten Vorrichtungen und Verfahren liegt darin, dass man im Unterschied zu bisherigen Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Partikelanzahlkonzentration die Größenabhängigkeit des Sensorsignals lediglich durch die Aufladung kompensieren kann. Es sind daher keinerlei Filter, Diffusionsgitter oder elektrostatischer Ablenker erforderlich, welche einen erheblichen Teil der Partikel vom Abgasstrom entnehmen, ohne dass diese zur weiteren Diagnose zur Verfügung stehen. Gemäß der gegenständlichen Erfindung stehen (abgesehen von Diffusionsverlusten oder thermophoretischen Verlusten) im Wesentlichen alle Partikel zur weiteren Messung zur Verfügung. An advantage of the devices and methods disclosed herein is that, in contrast to previous methods and devices for measuring the particle number concentration, the size dependency of the sensor signal can only be compensated for by charging. No filters, diffusion grids or electrostatic deflectors are therefore required, which remove a considerable part of the particles from the exhaust gas flow without these being available for further diagnosis. According to the present invention (apart from diffusion losses or thermophoretic losses) essentially all particles are available for further measurement.
[0049] Die gegenständliche Erfindung ist insbesondere im Zusammenhang mit einer kombinierten Messung von Partikeln und Stickstoffoxiden (NOx) vorteilhaft, welche speziell für automotives Abgas relevant ist. Die gegenständliche Offenbarung ist jedoch nicht auf solche Messverfahren beschränkt. The present invention is particularly advantageous in connection with a combined measurement of particles and nitrogen oxides (NOx), which is particularly relevant for automotive exhaust gas. However, the present disclosure is not restricted to such measurement methods.
BEZUGSZEICHEN: REFERENCE MARK:
Fluidstrom 1 Bestrahlungskammer 2 Partikelmesseinheit 3 Vorrichtung 4 elektromagnetischen Strahler 5 Spektrometrieeinheit 6 dispersives Element 7 optischen Detektor 8 Hohlkörper 9 Gehäusestruktur 10 Koronaeinheit 11 Teilerstruktur 12 Bypass 13 Ablenkeinheit 14 Verdünnungsgas 15 Verdünnungseinheit 16 Abgasstrom 17 Einlass 18 Fluid flow 1 irradiation chamber 2 particle measuring unit 3 device 4 electromagnetic radiator 5 spectrometry unit 6 dispersive element 7 optical detector 8 hollow body 9 housing structure 10 corona unit 11 divider structure 12 bypass 13 deflection unit 14 dilution gas 15 dilution unit 16 exhaust gas flow 17 inlet 18
Auslass 19 Teilabschnitt 20 Outlet 19 section 20
erste Teilströmung 21 zweite Teilströmung 22 Einmündung 23 Kammerkanal 24 first partial flow 21 second partial flow 22 confluence 23 chamber channel 24
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