AT523591B1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Eigenschaften eines Fluids - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Messung von Eigenschaften eines Fluids, welches als Fluidstrom einen Strömungskanal (2) durchströmt. In einer Ladeeinheit (3) werden Ladungsträger (4) des Fluids pulsierend geladen und die im Fluidstrom (1) mitgeführte Ladung wird in einem stromabwärts der Ladeeinheit (3) am Strömungskanal (2) angeordneten Elektrometer (5) gemessen. Unter Verwendung einer bekannten Werts für die Länge (LFC) eines Messaufnehmers (6) des Elektrometers (5) und eines vom Elektrometer (5) gemessenen Messverlaufs (9) wird zumindest eine fluiddynamische Eigenschaft des Fluids und/oder eine Partikeleigenschaft von in dem Fluidstrom (1) mitgeführten Ladungsträgern (4) ermittelt.

Description

Beschreibung

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR MESSUNG VON EIGENSCHAFTEN EINES FLUIDS

[0001] Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Eigenschaften eines Fluids, welches als Fluidstrom einen Strömungskanal durchströmt, wobei in einer Ladeeinheit Ladungsträger des Fluids pulsierend geladen werden, und wobei die im Fluidstrom mitgeführte Ladung in einem stromabwärts der Ladeeinheit am Strömungskanal angeordneten Elektrometer gemessen wird. Die gegenständliche Erfindung betrifft weiters Vorrichtung zur Messung von Eigenschaften eines Fluids, wobei die Vorrichtung einen Strömungskanal, der von dem Fluid als Fluidstrom durchströmbar ist, eine Ladeeinheit, in welcher Ladungsträger des Fluids während einer Messung pulsierend geladen werden, und ein Elektrometer aufweist, wobei das Elektrometer zur Messung der im Fluidstrom mitgeführte Ladung stromabwärts der Ladeeinheit am Strömungskanal angeordnet ist.

[0002] Die Verwendung von pulsierend betriebenen Ladungseinheiten und nachgelagerten Elektrometern ist im Stand der Technik beispielsweise aus den folgenden Dokumenten bekannt.

[0003] WO14033040 A1 offenbart Vorrichtungen und Verfahren zur Messung von in einem Fluidstrom mitgeführten Partikeln. Die im Fluidstrom mitgeführten Partikel werden in einer Ladeeinheit gepulst aufgeladen. In einer der Ladeeinheit nachgelagerten Ringelektrode wird die im Fluidstrom mitgeführte Ladung gemessen und aus dem Messsignal werden Partikelanzahl, Partikelgröße und Partikelverteilung ermittelt.

[0004] EP 0386665 A?2 offenbart Vorrichtungen und Verfahren zur Messung von Partikeln und Partikelkonzentrationen von Aerosolen. Die Vorrichtung weist eine Ladeeinheit und mehrere dahinter angeordnete Ringsensoren auf. Bei Kenntnis des Sensorabstandes kann durch Messung der Zeitverschiebung aus mehreren Einzelsignalen die mittlere Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden.

[0005] EP 0110802 A2 offenbart eine Messung von Partikeln im Aerosol mittels Ringelektroden, wobei der Verbrennungsmotor periodisch Partikel verschiedener Ladung in die Messeinheit abgibt. Es gibt keine aktive Ladung der Partikel über beispielsweise einen Koronadraht und daher auch keine definierte Pulslänge.

[0006] Die gegenständliche Erfindung hat die Aufgabe, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, mit denen die Fehleranfälligkeit bekannter Systeme verringert und die Messgenauigkeit erhöht werden können.

[0007] Erfindungsgemäß werden diese und weitere Aufgaben durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem unter Verwendung eines bekannten Werts für die Länge eines Messaufnehmers des Elektrometers, wobei das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Messaufnehmers für eine effiziente Ladungserfassung ein ausreichend hohes Verhältnis haben und jedenfalls größer als 1 sein sollte und vorzugsweise mehr als ein Vielfaches von 1 betragen sollte, und eines vom Elektrometer gemessenen Messverlaufs zumindest eine fluiddynamische Eigenschaft des Fluids und/oder eine Partikeleigenschaft von in dem Fluidstrom mitgeführten Ladungsträgern ermittelt wird. Dadurch lassen sich aus nur einem einzigen Messsignal mit hoher Genauigkeit zahlreiche Messwerte gewinnen.

[0008] Als „Fluid“ werden im Zusammenhang mit der gegenständlichen Offenbarung beliebige Fließfähige Stoffe bezeichnet, insbesondere Flüssigkeiten, Gase und Suspensionen, gegebenenfalls mit darin mitgeführten Feststoffen, wie etwa Partikeln oder Aerosolen.

[0009] Als „Eigenschaften eines Fluids“ werden allgemein beliebige fluidtechnische, chemische und/oder physikalische Eigenschaften des Fluids und/oder der im Fluid mitgeführten Ladungsträger bezeichnet.

[0010] Als „pulsierend geladen“ wird im Zusammenhang mit der gegenständlichen Offenbarung ein zeitabhängiges Laden bezeichnet, bei dem die Leistung der Ladeeinheit pulsierend verändert

wird. Die Leistung kann beispielsweise in der Art eines Rechtecksignals abwechselnd getaktet zwischen einem ersten Leistungsniveau und einem zweiten Leistungsniveau (das die gleiche Polarität wie das erste Leistungsniveau aufweisen oder eine andere Polarität als das erste Leistungsniveau aufweisen oder auch Null sein kann) wechseln, oder sie kann kontinuierlich, etwa in Form eines Sinusverlaufs variiert werden. Gegebenenfalls kann die Leistung auch in Form eines Dreiecksignals oder Sägezahnsignals variiert werden. Mit einem Rechtecksignal ist es möglich, eine sehr klar definierte Grenze zwischen geladenen Strömungsabschnitten und ungeladenen Strömungsabschnitten zu erzeugen. Dadurch kann in guter Näherung eine Plugflow-Bedingung erzeugt werden. Als „Plugflow“ wird ein (in der Realität nicht vorkommendes) Strömungsverhalten bezeichnet, bei dem sich das Fluid über den gesamten Querschnitt des Strömungskanals in gleicher Richtung und mit identischer Geschwindigkeit fortbewegt.

[0011] In vorteilhafter Weise kann zumindest eine ermittelte fluiddynamische Eigenschaft ausgewählt sein aus einer mittleren Fließgeschwindigkeit, einer maximalen Fließgeschwindigkeit und einer Strömungsform. Als „Strömungsform“ wird in diesem Zusammenhang die Abweichung des Strömungsverlaufs von der idealisierten „Plugflow“-Form bezeichnet, insbesondere ob es sich um eine turbulente oder laminare Strömung handelt.

[0012] In vorteilhafter Weise kann zumindest eine ermittelte Partikeleigenschaft eine mittlere Partikelgröße sein. Die Partikelgröße kann beispielsweise anhand der Signalform von Wertspitzen ermittelt werden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass ein Zusammenhang zwischen der Breite der Wertspitzen im Messverlauf und der Größe der Partikel besteht. Diese Korrelation kann zur Ermittlung einer mittleren Partikelgröße verwendet werden.

[0013] In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Fluidstrom in einem Strömungsgleichrichter konditioniert werden, welcher bei einem Eingang des Messaufnehmers angeordnet ist. Dadurch lassen sich die Strömungsverhältnisse an die idealisiert angenommenen Plugflow-Bedingungen annähern, was die Berechnung erleichtert und die Messgenauigkeit erhöht.

[0014] In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Strömungsgleichrichter durch eine Gitterstruktur gebildet sein, welche vorzugsweise im Wesentlichen normal auf eine Achse des Strömungskanals angeordnet ist. In einer Variante besteht dabei der Strömungsgleichrichter zumindest teilweise aus einem leitenden Material, insbesondere Metall. Auch eine vollständige Ausführung aus einem leitenden Material ist möglich. Dadurch lässt sich der Strömungsgleichrichter gleichzeitig als Teil des Messaufnehmers verwenden, der als ein Faraday-Käfig ausgebildet sein kann und den Messaufnehmer am Eingang des Messaufnehmers, am Ausgang des Messaufnehmers und am Umfang des Strömungskanals begrenzt.

[0015] In vorteilhafter Weise kann zumindest ein Wertspitzenabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wertspitzen des Messverlaufs ermittelt werden. Wenn die erste Wertspitze dem Eintreten eines geladenen Bereichs des Fluidstroms in den Eingang des Messaufnehmers entspricht, und die zweite Wertspitze dem Austreten desselben geladenen Bereichs des Fluidstroms beim Ausgang des Messaufnehmers entspricht, lässt sich anhand des Wertspitzenabstands bei Kenntnis der Länge zwischen Eingang und Ausgang (d.h. etwa der Länge des Faraday-CupRohrs) und der Länge des geladenen Strömungsabschnitts unmittelbar die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstroms ermitteln.

[0016] Als „Wertspitze“ werden im Zusammenhang mit der gegenständlichen Offenbarung ein Bereich des (gegebenenfalls geglätteten) Messverlaufs bezeichnet, der sich komplett oberhalb oder unterhalb eines wählbaren Grenzwerts befindet und einen ausgeprägten und eindeutigen Maximalwert bzw. Minimalwert aufweist. Der Messverlauf schneidet dabei den Grenzwert am Anfang und am Ende der Wertspitze. Diese Definition umfasst somit sowohl positive als auch negative Wertspitzen. Der Messverlauf kann insbesondere der von einem Elektrometer gemessene Verlauf eines von der Ladung des Fluids bewirkten Verschiebstroms sein.

[0017] In vorteilhafter Weise kann zumindest eine Signalform des Messverlaufs, insbesondere im Bereich einer Wertspitze, bewertet werden. Beispielsweise kann, wie oben bereits erwähnt, anhand der Breite einer Wertspitze auf die mittlere Partikelgröße geschlossen werden. Kennt-

nisse über die Art und Weise der Auswertung der Signalform kann der Fachmann bei Kenntnis der hierin offenbarten Lehren anhand herkömmlicher Versuche und Tests generieren. Gegebenenfalls kann zur Auswertung des Messverlaufs auch eine Einheit künstlicher Intelligenz, beispielsweise ein neuronales Netzwerk, entsprechend trainiert werden.

[0018] In einer vorteilhaften Ausführungsform kann auf Basis einer Abweichung der Geschwindigkeit der Ladungsträger von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstroms zumindest ein Korrekturfaktor für die ermittelte fluiddynamische Eigenschaft und/oder Partikeleigenschaft ermittelt werden. Beispielsweise kann damit bei sehr kleinen Ladungsträgern (z.B. kleinen Partikeln oder lonen im molekularen Bereich) eine "Slip Correction" angewandt werden, da die Geschwindigkeit dieser Partikel nicht exakt mit jener des Trägerfluids übereinstimmt. Die exakte Ermittlung des Korrekturfaktors kann beispielsweise durch theoretische Berechnungen oder anhand von Tests und Versuchen erarbeitet werden.

[0019] In einem weiteren Aspekt betrifft die gegenständliche Erfindung eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, die eine Auswerteeinheit aufweist, mit welcher unter Verwendung einer bekannten Werts für die Länge eines Messaufnehmers des Elektrometers und eines vom Elektrometer gemessenen Messverlaufs zumindest eine fluiddynamische Eigenschaft des Fluids und/oder eine Partikeleigenschaft von in dem Fluidstrom mitgeführten Ladungsträgern ermittelbar ist. Eine derartige Vorrichtung weist einen sehr einfachen Aufbau mit nur wenigen Elementen auf, was die Fehleranfälligkeit der Vorrichtung gegenüber den im Stand der Technik bekannten komplexen Vorrichtungen verringert.

[0020] In vorteilhafter Weise kann an einem Eingang des Messaufnehmers ein Strömungsgleichrichter angeordnet sein, um das Strömungsprofil im Bereich des Messaufnehmers zu vereinheitlichen. Dies erleichtert die Auswertung und erhöht die Genauigkeit der Messung.

[0021] In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Strömungsgleichrichter durch eine Gitterstruktur gebildet sein. Günstigerweise besteht dabei der Strömungsgleichrichter zumindest teilweise aus einem leitenden Material, insbesondere Metall. Auch eine vollständige Ausführung aus einem leitenden Material ist möglich. Dadurch lässt sich der Strömungsgleichrichter beispielsweise als Teil eines Faraday-Käfigs verwenden, der als Messaufnehmer genutzt wird. Der unmittelbar vor dem Messbereich des Elektrometers angeordnete Strömungsgleichrichter sorgt dafür, dass das Strömungsprofil innerhalb des Messaufnehmers im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt bestmöglich normal auf die Strömungsrichtung (bzw. die Achse des Strömungskanals) steht. Im Idealfall bewirkt dies ein kompaktes „Ladungspaket“ (in der Art einer idealisierten Plugflow-Form) um im Elektrometer einen Verschiebestrom zu erzeugen, der im Wesentlichen einem Rechtecksignal entspricht.

[0022] In vorteilhafter Weise kann der Messaufnehmer des Elektrometers ein Faraday-Cup-Rohr sein. Der rohrförmige Verlauf erlaubt eine einfache Ermittlung beziehungsweise Definition der Länge des Messaufnehmers und ist konstruktiv einfach herzustellen.

[0023] Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 8 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt

[0024] Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung von Eigenschaften eines Fluids,

[0025] Fig. 2 ein Diagramm einen theoretischen Verlauf einer elektrischen Ladung in einem Messaufnehmer eines Elektrometers bei Plugflow-Bedingungen,

[0026] Fig. 3 ein Diagramm eines theoretischen Verlaufs eines von einem Elektrometer aufgenommenen Messstroms bei Plugflow-Bedingungen,

[0027] Fig. 4 ein Diagramm mit einer Gegenüberstellung der Verläufe von Messströmen, die bei zwei laminaren Fluidströmen mit unterschiedlichem Strömungsprofil erhalten werden,

[0028] Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung von Eigenschaften eines Fluids mit einem Strömungsgleichrichter,

[0029] Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Strömungskanals mit einem darin angeordneten Strömungsgleichrichter,

[0030] Fig. 7 ein Diagramm mit einer Gegenüberstellung der Verläufe von elektrischen Ladungen in einem Messaufnehmer eines Elektrometers, wobei sich die einzelnen Kurven hinsichtlich der Größe der Ladungsträger unterscheiden, und

[0031] Fig. 8 ein Diagramm mit einer Gegenüberstellung der Verläufe von Messströmen, wie sie bei den in Fig. 7 dargestellten Ladungsverläufen dem Elektrometer aufgenommen werden.

[0032] Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zur Messung von Eigenschaften eines Fluids, welches in einem Fluidstrom 1 einen Strömungskanal 2 durchströmt. Das Fluid kann beispielsweise ein Partikel oder Aerosole führendes Gas sein, beispielsweise ein Abgas eines Verbrennungsmotors (ohne darauf eingeschränkt zu sein).

[0033] Der Fluidstrom 1 durchströmt auf dem Weg durch den Strömungskanal 2 zuerst eine Ladeeinheit 3 und gelangt danach in einen Messaufnehmer 6 eines Elektrometers 5, wobei der Messaufnehmer 6 zwischen einem Eingang 7 (bei dem der Fluidstrom 1 in den Messbereich des Messaufnehmers 6 einströmt) und einem Ausgang 8 (bei dem der Fluidstrom 1 den Messbereich des Messaufnehmers 6 verlässt) eine definierte Länge L-c aufweist. Das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Messaufnehmers 6 sollte für eine effiziente Ladungserfassung ein ausreichend hohes Verhältnis haben und jedenfalls größer als 1 sein, vorzugsweise mehr als ein Vielfaches von 1 betragen. Ein ausreichend hohes Verhältnis ist dann gegeben, wenn die Pulslänge der Wertspritze kurz genug ist, um die Wertspitzen auflösen zu können. Eine vorteilhafte Voraussetzung dafür ist, dass der Wert der Differenz der in Fig. 2 dargestellten Dauer tas von dem Beginn des anfänglichen Anstiegs der Ladung bis zum Beginn des Abfalls der Ladung minus der Dauer ta des Ladungsanstiegs der Zeit, die die Front des geladenen Strömungsabschnitts 15 benötigt, um vom Eingang 7 zum Ausgang 8 des Messaufnehmers zu gelangen, größer Null ist (d.h. tasta>0).

[0034] Die Ladeeinheit 3 kann gemäß einem beliebigen Ladungsprinzip funktionieren, wobei im Fluidstrom 1 mitgeführte Ladungsträger (insbesondere Partikel, Aerosole oder Moleküle) mit einer positiven oder negativen elektrischen Ladung versehen werden können. Beispielsweise kann die Ladeeinheit 3 gemäß dem Prinzip der Korona-Aufladung arbeiten. Die elektrische Aufladung erfolgt dabei über einen im Strömungskanal 2 angeordneten Koronadraht. Es können jedoch auch andere lonen- oder Aufladungsquellen verwendet werden. Entsprechende Ladeeinheiten 3 (z.B. photoelektrische-, Plasmaaufladung etc.) sind im Fachbereich an sich bekannt und es wird daher hierin auf eine detaillierte Beschreibung der Ladungsprinzipien verzichtet, es sei denn, sie sind für die gegenständliche Offenbarung besonders relevant.

[0035] Als Ladungsträger werden im Zusammenhang mit der gegenständlichen Offenbarung jegliche im Fluidstrom 1 mitgeführte Teilchen bezeichnet, die mit einer positiven oder negativen elektrischen Ladung behaftet sein können. Als Ladungsträger zählen somit insbesondere Festteilchen und Aerosole (z.B. Ruß, Feinstaub, Tröpfchen etc.), Moleküle und lonen.

[0036] Die Ladeeinheit 3 weist einen Ladungsbereich mit einer definierte Länge Lc auf, innerhalb dessen bei aktivierter Ladeeinheit 3 im Wesentlichen alle Ladungsträger im Ladungsbereich elektrisch geladen werden. Die Ladeeinheit 3 wird gepulst betrieben, also beispielsweise intervallweise ein- und ausgeschalten, wobei Ladungsträger, die sich während der eingeschalteten Phasen im Bereich der Ladeeinheit 3 befinden, geladen werden. Da sich der Fluidstrom 1 während der Einschaltphasen in Strömungsrichtung fortbewegt, wird bei jeder Einschaltphase ein geladener Strömungsabschnitt 15 erzeugt, der sich dann mit dem Fluidstrom 1 entlang des Strömungskanals 2 fortbewegt. In Fig. 1 sind drei geladene Strömungsabschnitte 15, 15‘ und 15“ dargestellt. Die Länge der geladenen Strömungsabschnitte 15 hängt von der Länge LC des Ladungsbereichs der Ladeeinheit 3, von der Fließgeschwindigkeit und von der Länge der Einschalt-

phase ab.

[0037] In Fig. 1 sind die geladenen Ladungsträger im Fluidstrom 1 schematisch als volle Punkte dargestellt und die ungeladenen Ladungsträger als leere Punkte. Die mit dem Fluidstrom 1 mitbewegten geladenen Strömungsabschnitte 15 weisen in der Darstellung der Fig. 1 jeweils einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wobei hier vereinfachend angenommen wird, dass sich der gesamte Fluidstrom 1 und alle darin mitgeführten Ladungsträger mit einer identischen Geschwindigkeit und in derselben Richtung mit dem Fluidstrom 1 mitbewegen. Da sich die geladenen Strömungsabschnitte 15 somit wie ein „Pfropfen“ entlang des Strömungskanals 2 bewegen, wird diese Annahme als „Plug-Flow-Bedingung“ bezeichnet.

[0038] Die Annahme von Plug-Flow-Bedingungen dient der Vereinfachung der Beschreibung, der Darstellung und der theoretischen Betrachtung, es ist jedoch klar, dass reale Strömungsbedingungen diese Annahme nicht bzw. nur in Näherung verwirklichen. Tatsächlich werden sich etwa bei Vorliegen einer laminaren Strömung die „Fronten“ der geladenen Strömungsabschnitte 15 „verschmieren“, da die Ladungsträger im Rohrzentrum schneller strömen, als die wandnahen Ladungsträger.

[0039] Wenn nun ein geladener Strömungsabschnitt 15 in den Bereich des Messaufnehmers 6 gelangt, erzeugen die geladenen Ladungsträger im Messaufnehmer 6 einen Verschiebestrom, der mithilfe einer Messschaltung des Elektrometers 5 in ein Spannungssignal umgewandelt, an eine Auswerteeinheit übermittelt und von dieser Auswerteeinheit 12 ausgewertet wird.

[0040] Im Falle der veranschaulichend angenommenen Plug-Flow-Bedingung steigt die Ladung im Messaufnehmer 6 zuerst stetig an. Die Steigung beginnt bei dem Moment, an dem die vordere Front des geladenen Strömungsabschnitts 15 an dem Eingang 7 des Messaufnehmers 6 antrifft, und dauert bis zu dem Moment an, wo entweder der gesamte geladene Strömungsabschnitt 15 sich innerhalb des vom Messaufnehmer 6 definierten Messbereichs befindet (wenn die Länge Lrc des Messaufnehmers 6 länger ist, als die Länge des geladenen Strömungsabschnitts 15) oder dieser Messbereich vollständig von dem geladenen Strömungsabschnitt 15 besetzt ist (d.h. wenn die Länge L-c des Messaufnehmers 6 kürzer ist, als die Länge des geladenen Strömungsabschnitts 15). Da sich die Länge L:c des Messaufnehmers 6 üblicherweise von der Länge des geladenen Strömungsabschnitts 15 unterscheidet, folgt auf den anfänglichen Anstieg eine Periode, in der sich die Ladung nicht ändert (entweder weil der Strömungsabschnitt 15 sich vollständig innerhalb des Messbereichs befindet oder weil der Messbereich vollständig vom Strömungsabschnitts 15 umfasst ist). Wenn der Strömungsabschnitt 15 danach den Messbereich wieder verlässt, folgt eine Periode in der die Ladung stetig abfällt.

[0041] Ein solcher beispielhafter Ladungsverlauf ist in Fig. 2 dargestellt. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass die Länge des geladenen Strömungsabschnitts 15 größer ist als die Länge des Messaufnehmers 6. In dem Fall entspricht die Dauer ta des Ladungsanstiegs der Zeit, die die Front des geladenen Strömungsabschnitts 15 benötigt, um vom Eingang 7 zum Ausgang 8 des Messaufnehmers zu gelangen. Die Dauer tas von dem Beginn des anfänglichen Anstiegs der Ladung bis zum Beginn des Abfalls der Ladung entspricht der Zeit zwischen dem Eintreten des geladenen Strömungsabschnitts 15 in den Eingang 7 des Messaufnehmers 6 und dem Zeitpunkt, an dem das hintere Ende des geladenen Strömungsabschnitts 15 den Eingang 7 des Messaufnehmers 6 passiert. Durch eine Auswertung des Ladungsverlaufs lässt sich somit bei bekannten Abmessungen der Vorrichtung (insbesondere der Länge L-c des Messaufnehmers 6) und bekannter Länge der Ladungsimpulse die Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstroms ermitteln.

[0042] Fig. 3 zeigt den Verlauf eines Verschiebestroms, der von dem Ladungsverlauf, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, vom Messaufnehmer 6 erzeugt und von dem Elektrometer 5 gemessen wird. Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung erzeugt dazu beispielsweise aus dem Verschiebestrom ein Spannungssignal, das in der Auswerteeinheit 12 ausgewertet werden kann. Es kann jedoch auch eine beliebige andere Schaltung zu diesem Zweck benutzt werden, die dem Fachmann bekannt ist und die für den Zweck geeignet ist. In dem in Fig. 3 dargestellten Verlauf des Verschiebestroms sind die Ubergänge von den Rampenabschnitten zu den unveränderten Abschnitten des Ladungsverlaufs als Sprünge zu erkennen.

[0043] Während in den Darstellungen der Fig. 2 und 3 eine idealisierte Plug-Flow-Bedingung vorausgesetzt wurde, zeigt Fig. 4 zwei Messverläufe des Verschiebestroms, die sich in einer realistischeren Situation ergeben können, bei der im Strömungskanal 2 beispielsweise eine laminare Strömung vorherrscht. Im laminaren Strömungsfall findet eine „Verschmierung“ der Fronten der geladenen Strömungsabschnitte statt, da die Ladungsträger im Rohrzentrum schneller strömen als die wandnahen Ladungsträger. Aufgrund dieser Verschmierung weicht der Messverlauf von der zuvor beschriebenen Rechteckform mehr oder weniger stark ab und es bilden sich Wertspitzen („Peaks“) heraus, wobei die Wertspitzen umso höher sind, je verschmierter das Signal ist. Das Integral (das dem Verlauf der Ladung entspricht) ist jedoch unabhängig von dem Grad der Verschmierung. Im Falle einer laminaren Strömung korreliert die Höhe der Wertspitzen (beziehungsweise deren Breite) mit der Strömungsgeschwindigkeit im Zentrum des Strömungskanals 2, während aus dem Wertspitzenabstand 16 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wertspitzen die mittlere Strömungsgeschwindigkeit errechnet werden kann.

[0044] Im Diagramm der Fig. 4 ist als Strichlinie ein erster Messverlauf 9‘ dargestellt, der verhältnismäßig stark ausgeprägte, schlanke Wertspitzen 11 aufweist. Dem ist als Strich-Punkt-Linie ein zweiter Messverlauf 9“ gegenübergestellt, der schwächer ausgeprägte und breitere Wertspitzen aufweist, die eine größere Ähnlichkeit mit dem unter Plug-Flow- Bedingungen zu erwartenden Rechtecksignal haben. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass ein turbulentes Strömungsprofil sich besser an die Plug-Flow- Bedingungen annähert, als eine laminare Strömung, da bei der turbulenten Strömung die Geschwindigkeit nur innerhalb der laminaren Grenzschicht ansteigt, und dann über den Querschnitt annährend konstant bleibt. Im Fall der Fig. 4 könnte somit beispielsweise der erste Messverlauf 9° mit den ausgeprägten Wertspitzen einer laminaren Strömung entsprechen, und der zweite Messverlauf 9‘ einer turbulenten Strömung. Mittels der Signalform, d.h. dem Messverlauf, kann somit eine Aussage getroffen werden, ob ein laminares oder ein turbulentes Strömungsprofil vorliegt. Dies kann in der Praxis beispielsweise dazu verwendet werden, um zu erkennen, ob ein Strömungsgleichrichter vorhanden ist oder nicht.

[0045] Fig. 5 zeigt die Anordnung eines Strömungsgleichrichters 10 im schematisiert dargestellten Strömungskanal 2, wobei der Strömungsgleichrichter 10 vorzugsweise unmittelbar vor dem Messaufnehmer 6 angeordnet wird. In Fig. 6 ist schematisch dargestellt, welchen Effekt der Strömungsgleichrichter 10 auf ein Strömungsprofil 14 hat. Im Bereich unmittelbar nach der Ladeeinheit 3 verläuft die Strömungsfront des geladenen Strömungsabschnitts 15 im Wesentlichen normal zur Strömungsrichtung. Je weiter sich der geladene Strömungsabschnitt 15 von der Ladeeinheit 3 entfernt desto stärker parabelförmig wird das Strömungsprofil 14. Unmittelbar nach dem Strömungsgleichrichter 10 bildet sich eine Strömung mit einem geglätteten Strömungsprofil 14‘ aus.

[0046] Fig. 7 zeigt eine Gegenüberstellung von drei Ladungsverläufen, die mit unterschiedlich großen Ladungsträgern erhalten wurden. In Fig. 8 sind die entsprechenden Messverläufe des Verschiebestroms dargestellt. Die Messverläufe wurden durch eine Simulation der in Fig. 1 schematisch dargestellten Vorrichtung ermittelt, wobei für alle Messverläufe dieselbe Vorrichtung verwendet wurde, und jeweils nur die Größe der Ladungsträger verändert wurde.

[0047] Der als durchgängige Linie dargestellte Ladungsverlauf 13 (und der entsprechende Messverlauf 9) wurde mit Partikeln von 23 nm erhalten. Der als Strichlinie dargestellte Ladungsverlauf 13° (und der entsprechende Messverlauf 9°) wurde mit Partikeln von 100 nm erhalten. Der als Strich-Punkt-Linie dargestellte Ladungsverlauf 13“ (und der entsprechende Messverlauf 9“) wurde mit Partikeln von 200 nm erhalten.

[0048] Es ist klar zu erkennen, dass der Messerverlauf 9 der kleinen Partikel (23 nm) deutlich geringer ausgeprägte Wertspitzen aufweist, als die Messverläufe 9‘ und 9“ der größeren Partikel (100 und 200 nm). Es wurde vom Erfinder überraschend festgestellt, dass der Messverlauf somit auch von der Partikelgröße abhängig ist. Es wird vermutet, ohne an diese Theorie gebunden zu sein, dass größere Partikel dem Fluidstrom besser folgen, als kleine Partikel. Kleine Partikel weisen dabei einen gewissen Schlupf (Slip) auf. In Abhängigkeit von den Partikeleigenschaften tre-

ten beispielsweise auch stufenartige Signalformen in den Wertspitzen auf, aus deren Größe und Position auf bestimmte Partikeleigenschaften geschlossen werden kann.

[0049] Mithilfe dieser Erkenntnis ist es möglich, Partikeleigenschaften aus einem einzigen Messverlauf 9 zu ermitteln. Beispielsweise könnte aus der Signalform auf eine mittlere Partikelgröße geschlossen werden. Die exakte Vorgehensweise für die Auswertung von Partikeleigenschaften auf Basis der Signalform muss auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden. Anhand standardmäßiger Versuche ist der Fachmann bei Kenntnis der hierin offenbarten Lehren von sich aus in der Lage, Korrelationen zwischen der Signalform und bestimmter Partikeleigenschaften zu ermitteln und diese Kenntnisse für konkrete Anwendungen zu berücksichtigen. Gegebenenfalls ist es auch möglich, eine Einheit einer künstlichen Intelligenz, zum Beispiel ein neuronales Netz, mit Testdaten bekannter Partikeleigenschaften zu trainieren, um Korrelationen zwischen der Signalform und bestimmter Partikeleigenschaften zu ermitteln.

[0050] Die durch den unterschiedlichen Schlupf von kleinen und großen Partikeln bewirkte Messabweichung kann mithilfe einer sogenannten Slip Correction korrigiert werden. Dazu wird ein Korrekturfaktor C (C=f(A, d)) verwendet, der empirisch ermittelt werden kann (siehe beispielsweise https://en.wikipedia.org/wiki/Cunningham correction factor). Der Korrekturfaktor ist abhängig vom Mobilitätsdurchmesser (d) der Partikel und der mittleren freien Weglänge A. Weitere Parameter werden empirisch ermittelt. Anhand des Korrekturfaktors kann eine Beweglichkeit, beziehungsweise Mobilität des Partikels definiert werden, wobei die Beweglichkeit = Korrekturfaktor / (3ndn) ist (n ist dabei die Viskosität - Siehe auch https://de.wikipedia.org/wiki/Beweglichkeit (Physik))

[0051] Dabei gibt es 2 Grenzfälle: d<< X: „free molecular regime“: hier tritt ein Slip auf, da Partikel kräftefrei „mitfließen“ d>> A: „continuum regime“: kein Slip, ständige Stöße mit Fluid.

BEZUGSZEICHEN:

Fluidstrom 1 Strömungskanal 2 Ladeeinheit 3 Ladungsträger 4 Elektrometer 5 Messaufnehmer 6 Eingang 7

Ausgang 8

Messverlauf 9 Strömungsgleichrichter 10 Wertspitzen 11 Auswerteeinheit 12 Ladungsverlauf 13 Strömungsprofil 14 geladener Strömungsabschnitt 15 Wertspitzenabstand 16

Claims (12)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Messung von Eigenschaften eines Fluids, welches als Fluidstrom (1) einen Strömungskanal (2) durchströmt, wobei in einer Ladeeinheit (3) Ladungsträger (4) des Fluids pulsierend geladen werden, und wobei die im Fluidstrom (1) mitgeführte Ladung in einem stromabwärts der Ladeeinheit (3) am Strömungskanal (2) angeordneten Elektrometer (5) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung eines bekannten Werts für die Länge (Lrc) eines Messaufnehmers (6) des Elektrometers (5), wobei das Verhältnis von Länge (Lrc) zu Durchmesser des Messaufnehmers (6) größer als 1 gewählt wird, vorzugsweise mehr als ein Vielfaches von 1, und eines vom Elektrometer (5) gemessenen Messverlaufs (9) zumindest eine fluiddynamische Eigenschaft des Fluids und/oder eine Partikeleigenschaft von in dem Fluidstrom (1) mitgeführten Ladungsträgern (4) ermittelt wird.

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine ermittelte fluiddynamische Eigenschaft ausgewählt ist aus einer mittleren Fließgeschwindigkeit, einer maximalen Fließgeschwindigkeit und einer Strömungsform.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine ermittelte Partikeleigenschaft eine mittlere Partikelgröße ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidstrom (1) in einem Strömungsgleichrichter (10) konditioniert wird, welcher bei einem Eingang (7) des Messaufnehmers (6) angeordnet ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Wertspitzenabstand (16) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wertspitzen (11) des Messverlaufs (9) ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Signalform des Messverlaufs (9), insbesondere im Bereich einer Wertspitze, bewertet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis einer Abweichung der Geschwindigkeit der Ladungsträger (4) von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstroms zumindest ein Korrekturfaktor für die ermittelte fluiddynamische Eigenschaft und/oder Partikeleigenschaft ermittelt wird.

8. Vorrichtung zur Messung von Eigenschaften eines Fluids, wobei die Vorrichtung einen Strömungskanal (2), der von dem Fluid als Fluidstrom (1) durchströmbar ist, eine Ladeeinheit (3), in welcher Ladungsträger (4) des Fluids während einer Messung pulsierend geladen werden, und ein Elektrometer (5) aufweist, wobei das Elektrometer (5) zur Messung der im Fluidstrom (1) mitgeführte Ladung stromabwärts der Ladeeinheit (3) am Strömungskanal (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Auswerteeinheit (12) aufweist, mit welcher unter Verwendung eines bekannten Werts für die Länge (Lrc) eines Messaufnehmers (6) des Elektrometers (5), wobei das Verhältnis von Länge (Lrc) zu Durchmesser des Messaufnehmers (6) größer als 1 ist, vorzugsweise mehr als ein Vielfaches von 1, und eines vom Elektrometer (5) gemessenen Messverlaufs (9) zumindest eine fluiddynamische Eigenschaft des Fluids und/oder eine Partikeleigenschaft von in dem Fluidstrom (1) mitgeführten Ladungsträgern (4) ermittelbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Eingang (7) des Messaufnehmers (6) ein Strömungsgleichrichter (10) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsgleichrichter (10) durch eine Gitterstruktur gebildet ist, welche vorzugsweise im Wesentlichen normal auf eine Achse des Strömungskanals (2) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsgleichrichter (10) zumindest teilweise aus einem leitenden Material, insbesondere Metall, besteht.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (6) des Elektrometers (5) ein Faraday-Cup-Rohr ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen