AT528778A1 - Messgerät und Sensoranordnung zum Ermitteln einer Partikelmessgröße - Google Patents

Abstract

Um eine Messung zumindest einer Partikelmessgröße von Partikeln (2) in einem Aerosol zu verbessern sowie eine Größenabhängigkeit dieser Messung zu kompensieren, wird eine Sensoranordnung (1) zum Ermitteln zumindest einer Partikelmessgröße der Partikel (2) im Aerosol, insbesondere einer Partikelanzahl (P) und/oder Partikelanzahlkonzentration (PN), sowie ein Messgerät (100) zum Ermitteln der zumindest einen Partikelmessgröße vorge- schlagen, wobei das Messgerät (100) die Sensoranordnung (1) umfasst. Die Sensoranord- nung (1), welcher das Aerosol für eine Charakterisierung zuführbar ist, und welche vom Ae- rosol durchflossen wird, weist zumindest eine Aufladeeinheit (3) zum elektrischen Aufladen der im Aerosol vorhandenen Partikel (2), zumindest eine in Strömungsrichtung (R) des Aero- sols stromabwärts der Aufladeeinheit (3) angeordnete Ablenkungsstufe (5) sowie zumindest eine in Strömungsrichtung (R) des Aerosols stromabwärts der Ablenkungsstufe (5) angeord- nete Messeinheit (60) zum Erzeugen eines Messsignals (S) aus. Aus dem Messsignal (S) ist die zumindest eine Partikelmessgröße der Partikel (2) im Aerosol (3) ableitbar. Weiterhin weist die Sensoranordnung (1) in Strömungsrichtung (R) des Aerosols stromabwärts der Ab- lenkungsstufe (5) einen Strömungskanal (9) auf, welcher derart ausgestaltet ist, dass eine durch die Ablenkungsstufe (5) verursachte Ablenkung von der Bewegungsrichtung der gela- denen Partikel (2) und/oder eine durch die Ablenkungsstufe (5) verursachte Abscheidung der geladenen Partikel (2) in Abhängigkeit von einer elektrischen Mobilität der Partikel (2) verän- dert wird.

Description

Beschreibung

MESSGERÄT UND SENSORANORDNUNG ZUM ERMITTELN EINER PARTIKELMESSGRÖßE

[0001] Die gegenständliche Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Ermitteln zumindest einer Partikelmessgröße von Partikeln in einem Aerosol, insbesondere einer Partikelanzahl und/oder Partikelanzahlkonzentration, wobei das Aerosol der Sensoranordnung zuführbar ist und die Sensoranordnung in einer Strömungsrichtung durchfließt, und wobei zumindest eine Aufladeeinheit zum elektrischen Aufladen von im Aerosol vorhandenen Partikeln, zumindest eine in Strömungsrichtung des Aerosols stromabwärts der Aufladeeinheit angeordnete Ablenkungsstufe, und zumindest eine in Strömungsrichtung des Aerosols stromabwärts der Ablenkungsstufe angeordnete Messeinheit zum Erzeugen eines Messsignals, aus welchem die zu ermittelnde Partikelmessgröße ableitbar ist, vorgesehen sind. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Messgerät zum Ermitteln einer Partikelmessgröße von Partikeln in einem Aerosol.

STAND DER TECHNIK

[0002] In vielen Anwendungen werden Partikelmessgeräte benötigt, um eine Anzahl und/oder Anzahlkonzentration, eine Größenverteilung und/oder eine Masse von festen Partikeln in einem Medium bzw. in einem Gas zu bestimmen. Ein Gemisch aus festen Partikeln und einem Medium bzw. einem Gas wird als Aerosol bezeichnet. Derartige Anwendungen sind beispielsweise Luftqualitätsmessungen (Feinstaub), Reinraumüberwachung, Überwachung von Arbeitsbereichen, USW.

[0003] Ein prominentes Beispiel ist die Messung luftgetragener Nanopartikel (Feinstaub, Rußpartikel, etc.), vor allem in einem Größenbereich von einigen Nanometern bis zu einigen hundert Nanometern, insbesondere Partikel von ca. 10 nm bis ca. 200 nm. Gerade diese sehr kleinen Partikel sind von besonderer Bedeutung für die gesundheitsschädliche Wirkung von Partikeln, da sie aufgrund ihrer hohen Lungengängigkeit Schadstoffe in den menschlichen Körper transportieren können. Es gibt vielfältige Quellen von Feinstaub, wie beispielsweise Verbrennungsprozesse, beispielsweise von Verbrennungsmotoren oder Industrieprozessen, Hausbrand, Bremsabrieb von Bremsanlagen von Fahrzeugen, Reifenabrieb von Reifen von Fahrzeugen, usw. Die Partikel werden in der Regel als Aerosol transportiert, oftmals in Luft oder Verbrennungsabgasen als Trägergas.

[0004] Die zulässige Partikelemission eines Emittenten wird oftmals von gesetzlichen Vorgaben oder Regularien limitiert. Beispielsweise müssen alle Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor solche Limits im Rahmen der Typenzulassung und auch während der Lebensdauer der Fahrzeuge im Rahmen der periodischen technischen Überprüfung (PTI) einhalten. Einzuhalten ist in diesem Fall beispielsweise eine bestimmte zulässige abgegebene Partikelanzahlkonzentration (kurz PN), beispielsweise eine Konzentration (Anzahl pro Volumen) von Verbrennungspartikeln in einem Abgas eines Verbrennungsmotors. Für eine Typenzulassung von Fahrzeugen sind dazu z.B. von UN/ECE (United Nations Economic Commission for Europe) Messprozeduren zur Bestimmung von Partikelanzahl durch das sogenannte Particle Measurement Programme (PMP) festgelegt worden. Bei anderen Anwendungen können andere Partikelcharakteristika verwendet werden, wie z.B. Anzahl von Partikeln bestimmter Größe, eine Partikelgrößenverteilung, eine Partikelmasse, usw.

[0005] Um eine Partikelmetrik (z.B. eine Partikelanzahl, Partikelanzahlkonzentration oder Partikelmasse) quantitativ zu erfassen oder eine Partikelgrößenverteilung in einem Aerosol zu bestimmen, gibt es eine Vielzahl an Messverfahren und entsprechenden Sensoranordnungen. Gängige Messverfahren zum Ermitteln einer Partikelanzahl bzw. Partikelanzahlkonzentration sind beispielsweise Kondensationspartikelzähler und Diffusionsaufladungssensoren. Zum Ermitteln einer Partikelgrößenverteilung in einem Aerosol werden beispielsweise differentielle Mobilitätsanalysatoren (englisch: Differential Mobility Analyzer oder kurz DMA) eingesetzt.

[0006] Beim Kondensationspartikelzähler werden Partikel durch Kondensation eines flüssigen Betriebsmittels vergrößert und anschließend optisch detektiert, beispielsweise mit einem Streu-

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lichtdetektor. Oftmals wird ein Kondensationspartikelzähler mit Betriebsmittel Butanol, Isopropylalkohol oder Wasser verwendet. Ein Kondensationspartikelzähler liefert gute, genaue Messergebnisse ist aber vom Aufbau und von der Anwendung nicht unproblematisch, da beispielsweise die maximal detektierbare Partikelkonzentration aufgrund des zugrundeliegenden Messprinzips beschränkt ist, was eine relativ aufwendige Verdünnung des Aerosols vor einer Messung erforderlich macht. Weiterhin stellt die Verwendung eines Betriebsmittels einen weiteren Nachteil dar. Das flüssige Betriebsmittel kann auslaufen, z.B. bei zu stark geneigtem Kondensationspartikelzähler, und z.B. andere Bereiche des Kondensationspartikelzählers, wie z.B. das optische System, verschmutzen, wodurch es zu einem Ausfall des Partikelzählers kommen kann oder eine aufwendige Wartung notwendig ist. Zudem ist ein Kondensationspartikelzähler empfindlich auf Stöße und Vibrationen. Das macht eine aufwendige Lagerung der Kondensationspartikelzählers im Betrieb erforderlich, insbesondere bei Verwendung in einem fahrenden Fahrzeug. Nicht zuletzt ist das Betriebsmittel ein Verbrauchsgegenstand und muss regelmäßig nachgefüllt werden.

[90007] Diffusionsaufladungssensoren, welche in unterschiedlichen Konfigurationen realisiert sein können, beruhen auf der elektrischen Aufladung der in einem Trägergas enthaltenen Partikel durch Kollision zwischen den Partikeln und Ladungsträgern (z.B. lonen oder Elektronen) aufgrund der Brownschen Molekularbewegung. Die Ladungsträger werden mittels einer Aufladeeinheit, wie z.B. einer Corona-Entladung oder einer beliebigen andere lonenquelle, erzeugt. Lässt man das Aerosol mit den elektrisch geladenen Partikeln einen Faradaykäfig strömen, kann die Ladung mit einem Ladungsverstärker, wie z.B. einem Elektrometerverstärker, gemessen werden. Daraus kann dann auf eine Partikelanzahl und/oder Partikelanzahlkonzentration im Trägergas geschlossen werden. Eine Anwendung der Diffusionsaufladung zum Ermitteln einer Partikelanzahlkonzentration ist z.B. aus der EP 1 655 595 A1 bekannt, welche ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Anzahlkonzentration und des mittleren Durchmessers von in einem Trägergas suspendierten Partikeln offenbart. Dazu wird das Aerosol in einer Aufladeeinheit mittels Diffusionsaufladung aufgeladen. Anschließend wird die Leitfähigkeit des Aerosols gemessen, um die Anzahlkonzentration der Partikel zu ermitteln. Die für die Diffusionsaufladung erforderlichen freien Ladungsträger (z.B. lonen) können beispielsweise durch eine elektrische Koronaentladung erzeugt werden. Weiterhin sind aus der EP 2 264 429 A1 und der EP 1 681 550 A1 ebenfalls Vorrichtungen zur Messung von Anzahlkonzentration und des mittleren Durchmessers von Aerosolpartikeln bekannt, welche Diffusionsaufladung verwenden.

[0008] Um eine Partikelgrößenverteilung zu ermitteln, kann beispielsweise ein differentieller Mobilitätsanalysator (englisch: Differential Mobility Analyzer oder kurz DMA) eingesetzt werden, welcher wie ein größenselektierender Elektrofilter wirkt und in Abhängigkeit von seinen Abmessungen und einer (veränderbaren) angelegten elektrischen Spannung aus dem Aerosolstrom nur Partikel einer bestimmten elektrischen Mobilität durchlässt. Ein derartiger differentieller Mobilitätsanalysator ist z.B. aus der WO 2011/058200 A1 bekannt.

[0009] Ein bekanntes Problem eines Diffusionsladungssensors ist die Abhängigkeit des Messergebnisses von der Partikelgröße. Größere Partikel tragen nach der Aufladung durch die Ladungsträger eine größere elektrische Ladung. Damit können in der Messeinheit des Diffusionsladungssensors, wie z.B. Faradaykäfig mit Ladungsverstärker bzw. Elektrometerverstärker, mehrere geladene kleinere Partikel nicht sicher von einzelnen geladenen großen Partikeln unterschieden werden. Das führt zu einem systematischen Überzählen der Partikel im Falle einer Partikelanzahlkonzentrationsmessung, wenn in einem Aerosol größere Partikel in entsprechendem Anteil enthalten sind. Umgekehrt führt das zu einem systematischen Unterzählen, wenn in einem Aerosol hauptsächlich kleinere Partikel enthalten sind. Das bedeutet, dass im Aerosol vorhandene größere Partikel mehr gewichtet werden als im Aerosol vorhandene kleinere Partikel und dadurch ein Messergebnis, wie die ermittelte Partikelanzahl bzw. Partikelanzahlkonzentration, verfälscht wird.

[0010] Aufgrund von gesetzlichen Vorschriften müssen vor allem Partikelzähler, welche für Emissionsmessungen im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt werden, messtechnisch zwei Hauptanforderungen erfüllen. Einerseits müssen Linearitätsanforderungen erfüllt werden. D.h., die Sensorreaktion muss über einen angegebenen Messbereich linear zur Partikelanzahlkonzentration sein.

Andererseits muss die Zähleffizienz (englisch Counting Efficiency oder kurz CE)

[0011] des Partikelzählers bei verschiedenen Partikelgrößen, insbesondere in einem Größenbereich von ca. 10 nm bis ca. 200 nm, gewisse Vorgaben einhalten. Dabei ist die Zähleffizienz als ein Verhältnis zwischen der Anzahl der vom Partikelzähler gezählten Partikel und der tatsächlichen Anzahl von Partikeln bei bestimmten Partikeldurchmessern bzw. -größen definiert und spezifiziert somit die Abhängigkeit des Messergebnisses des Partikelzählers von der Partikelgröße. Die Einhaltung der Zähleffizienzkurve kann beispielsweise mit einem monodispersen Aerosol überprüft, das im Partikelzähler gemessen wird. Ein monodisperses Aerosol ist ein Aerosol, das Aerosolpartikel mit einer Partikelgröße mit einer engen statistischen Verteilung enthält, beispielsweise mit einer statistischen Verteilung (z.B. eine Normalverteilung, oder eine logarithmische Normalverteilung) mit einem Mittelwert (der gewünschten Partikelgröße, zum Beispiel einem geometrischen Mitteldurchmesser) und einer geometrischen Standardabweichung von maximal 1,2.

[0012] Um die Größenabhängigkeit einer Sensoranordnung, von welcher Diffusionsaufladung zum Messen einer Partikelmessgröße verwendet wird, zu reduzieren und damit die Vorgaben für die Zähleffizienz zu erfüllen, kann beispielsweise zusätzlich eine Abscheidestufe in der Sensoranordnung vorgesehen werden — wie z.B. in der Veröffentlichung “Characterization of par- ticle number counters based on pulsed-mode diffusion charging”, von M.A. Schriefl et al.; Aerosol Science and Technology, 2020, Vol. 54, No. 7, 772 — 789, beschrieben. Die Abscheidestufe ist dazu in Strömungsrichtung des Aerosols stromabwärts der Aufladeeinheit angeordnet. D.h., die Abscheidestufe kann beispielsweise in der Strömungsrichtung des mit aufgeladenen Partikeln beladenen Trägergases zwischen der Aufladeeinheit und der Messeinheit bzw. dem Faradaykäfig mit dem Ladungsverstärker angeordnet sein. An der Abscheidestufe, welche z.B. als elektrostatischer Abscheider (englisch Electrostatic precipitator oder kurz ESP) ausgeführt sein kann, werden geladene Partikel durch Anlegen einer elektrischen Spannung, einer so genannten Abscheidespannung, aus dem Aerosol abgeschieden bzw. zumindest in ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt. Das bedeutet, dass die geladenen Partikel in Abhängigkeit von ihrer elektrischen Mobilität separiert bzw. klassifiziert werden, wobei die elektrische Mobilität eines Partikels direkt proportional zu einer Anzahl an Ladungen, die das Partikel mit sich trägt, und indirekt proportional zum Partikeldurchmesser ist. Durch ein elektrisches Feld, wie z.B. dem elektrischen Feld des ESP, werden daher Partikel mit größerer elektrischer Mobilität stärker abgelenkt als Partikel mit kleinerer oder geringerer elektrischer Mobilität. . Dadurch wird die Größenabhängigkeit des Messergebnisses der Sensoranordnung zwar für den vorgegebenen Größenbereich (z.B. von ca. 10 nm bis ca. 200 nm) der Partikel reduziert, aber nicht vollständig kompensiert. Es bleibt eine gewisse Größenabhängigkeit des Messergebnisses bestehen, wodurch die Sensoranordnung weiterhin zumindest leicht verfälschte bzw. von der Partikelgröße beeinflusste Messergebnisse liefert, bei welchen im Aerosol vorhandene größere Partikel weiterhin mehr gewichtet werden als im Aerosol vorhandene kleinere Partikel.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0013] Die obigen Probleme erschweren in der Praxis den Einsatz von Sensoranordnungen zum Messen von Partikelmessgrößen, wie z.B. einer Partikelanzahlkonzentration, mittels Diffusionsladung. Es gibt daher einen Bedarf, diese und weitere Nachteile zu beheben sowie eine Sensoranordnung zum Ermitteln zumindest einer Partikelmessgröße mittels Diffusionsladung sowie ein zugehöriges Messgerät anzugeben, durch welche auf einfache Weise eine Messung von Partikelmessgrößen, wie z.B. Partikelanzahl und/oder Partikelanzahlkonzentration, verbessert und eine Größenabhängigkeit der Messung kompensiert wird.

[0014] Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung sowie ein Messgerät gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

[0015] Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch eine Sensoranordnung zum Ermitteln zumindest einer Partikelmessgröße von Partikeln in einem Aerosol, insbesondere einer Partikelanzahl und/oder Partikelanzahlkonzentration, eingangs angegebener Art, wobei die Sen-

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soranordnung in Strömungsrichtung des Aerosols stromabwärts nach der Ablenkungsstufe einen Strömungskanal aufweist, welcher derart ausgestaltet ist, dass eine durch die Ablenkungsstufe verursachte Ablenkung von der Bewegungsrichtung der geladenen Partikel und/oder eine durch die Ablenkungsstufe verursachte Abscheidung der geladenen Partikel in Abhängigkeit von einer elektrischen Mobilität der Partikel gezielt verändert wird.

[0016] Der Hauptaspekt der vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass die Sensoranordnung eine speziell ausgestalteten Strömungskanal aufweist, um eine Charakterisierung eines Aerosols — d.h. eines Gemischs aus festen Schwebeteilchen bzw. Partikeln und einem Medium (z.B. Trägergas, Luft, etc.) durchzuführen. Die Ausgestaltung des Strömungskanals ist zum Ermitteln zumindest einer Partikelmessgröße der Partikel im Aerosol idealerweise an eine Abscheidecharakteristik der Ablenkungsstufe, eine Ladungspolarität der geladenen Partikel, eine Orientierung des elektrischen Feldes der Ablenkungsstufe, etc. angepasst und verändert damit gezielt auf einfache Weise die von der Ablenkungsstufe verursachte Ablenkung der geladenen Partikel von der Bewegungsrichtung und/oder Abscheidung der geladenen Partikel in Abhängigkeit von einer elektrischen Mobilität der Partikel. Dadurch erfolgt eine gezielte Verstärkung der Abscheidung und/oder Ablenkung der Partikel, wodurch auf einfache Weise eine Größenabhängigkeit eines von einer Messeinheit erzeugten Messsignals, welches die Partikelmessgröße repräsentiert, erheblich reduziert und/oder weitgehend kompensiert wird. Dadurch kann etwa die Zähleffizienz einer Partikelanzahlkonzentrationsmessung erheblich verbessert und weitgehend unabhängig von der Partikelgröße implementiert werden.

[0017] In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Sensoranordnung ist die Messeinheit in Strömungsrichtung stromabwärts des Strömungskanals angeordnet. Im Wesentlichen weist die Sensoranordnung also in Strömungsrichtung gesehen, eine Aufladeeinheit, eine Ablenkungsstufe, einen Strömungskanal und eine Messeinheit auf.

[0018] Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Strömungskanal in Strömungsrichtung stromabwärts nach der Ablenkungsstufe eine Krümmung aufweist. Dabei ist idealerweise die Krümmung des Strömungskanals in Abhängigkeit von einer Abscheidecharakteristik der Ablenkungsstufe und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit der geladenen Partikel ausgestaltet. Idealerweise werden z.B. Partikel mit einer größeren elektrischen Mobilität im Strömungskanal in der Krümmung weiter nach außen getrieben, während Partikel mit einer geringeren elektrischen Mobilität eher im Inneren des Strömungskanals oder sich auf einem kürzeren Bewegungsweg bewegen, wodurch die Ablenkung der geladenen Partikel und/oder die Abscheidung der geladenen Partikel in Abhängigkeit von einer elektrischen Mobilität der Partikel weiter verstärkt wird. Dabei ist es auch günstig, wenn eine Orientierung der Krümmung des Strömungskanals von einer Ladungspolarität der geladenen Partikel und einer Orientierung des elektrischen Feldes der Ablenkungsstufe abhängt.

[0019] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Sensoranordnung sieht vor, dass der Strömungskanal in Strömungsrichtung stromabwärts nach der Ablenkungsstufe einen Einlassbereich aufweist, in welchem sich ein Querschnitt des Strömungskanals in Strömungsrichtung verringert. D.h., der Strömungskanal weist im Einlassbereich eine Verjüngung auf, durch welche ein Strömungsverhältnis, vor allem eine Strömungsgeschwindigkeit, im Strömungskanal beeinflusst werden kann. Dadurch kann der Ablenkungs- bzw. Abscheideeffekt, welcher durch den Strömungskanal bewirkt wird, sehr einfach zusätzlich beeinflusst werden und die Messung der Partikelmessgröße noch weiter verbessert werden.

[0020] Zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass der Strömungskanal in Strömungsrichtung stromaufwärts vor der Messeinheit einen Auslassbereich aufweist, in welchem sich der Querschnitt des Strömungskanals in Strömungsrichtung vergrößert.

[0021] Es ist außerdem vorteilhaft, wenn der Strömungskanal aus elektrisch leitfähigem Material oder aus antistatischem Material ist. Damit kann auf einfache Weise verhindert werden, dass sich der Strömungskanal elektrisch auflädt bzw. eine elektrische Aufladung des Strömungskanals geringgehalten werden.

[0022] Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Sensoranordnung sieht vor, dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, welche das Messsignal der Messeinheit auswertet und die Partikelmessgröße, insbesondere eine Partikelanzahl und/oder eine Partikelanzahlkonzentration, ermittelt.

[0023] Die Lösung der Aufgabe erfolgt weiterhin durch ein Messgerät zum Ermitteln zumindest einer Partikelgröße von Partikeln in einem Aerosol, welches idealerweise die erfindungsgemäße Sensoranordnung aufweist. Die Sensoranordnung kann beispielsweise in das Messgerät integriert sein, um eine Partikelmessgröße von Partikeln im Aerosol zu ermitteln, welches beispielweise von einem Prüfling, wie z.B. einem Abgas eines Fahrzeugs, stammt.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0024] Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt

[0025] Fig. 1 einen beispielhaften Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zum Ermitteln zumindest einer Partikelmessgröße von Partikeln in einem Aerosol

[0026] Fig. 2 eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung zum Ermitteln zumindest einer Partikelmessgröße von Partikeln in einem Aerosol

[0027] Fig. 3 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung zum Ermitteln zumindest einer Partikelmessgröße von Partikeln in einem Aerosol

[0028] Fig. 4 eine Zähleffizienzkurve der erfindungsgemäßen Sensoranordnung Ermitteln zumindest einer Partikelmessgröße von Partikeln in einem Aerosol, und

[0029] Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Messgerät mit der Sensoranordnung.

AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0030] Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Aufbau einer Sensoranordnung 1 zum Ermitteln zumindest einer Partikelmessgröße, wie z.B. einer Partikelanzahl P und/oder einer Partikelanzahlkonzentration PN, wobei bei der Sensoranordnung das Prinzip der Diffusionsaufladung angewendet wird. Die Diffusionsaufladung beschreibt die elektrische Aufladung von Partikeln 2 durch Kollisionen zwischen den Partikeln 2 eines Aerosols und Ladungsträgern (lonen und/oder Elektronen) aufgrund der Brownschen Molekularbewegung. Ein Aerosol ist dabei ein Gemisch aus festen Schwebeteilchen bzw. den Partikeln 2 und einem Medium, insbesondere einem gasförmigen Medium (z.B., Trägergas, Luft, etc.). Das Prinzip des Aufbaus einer derartigen Sensoranordnung 1 ist grundsätzlich bekannt. Eine derartige Sensoranordnung 1 kann in einem Messgerät 100 z.B. zum Ermitteln oder Überprüfen von Partikelmessgrößen zur Anwendung kommen.

[0031] Der Sensoranordnung 1 ist ein Aerosol, wie z.B. ein Abgas oder verdünntes Abgas eines Verbrennungsmotors, ein mit Partikeln 2 (z.B. Rußpartikeln, Abriebpartikel, etc.) beladenes Trägergas, etc., in einer Strömungsrichtung R zuführbar. Mit anderen Worten ist die Sensoranordnung 1 von einem Aerosol in der Strömungsrichtung R durchflieRbar. Das in die Sensoranordnung 1 einströmende Aerosol mit den Partikeln 2 wird in der Strömungsrichtung R durch eine Aufladeeinheit 3, einen lonisator, geleitet. In der Aufladeeinheit 3 ist eine hohe Anzahl an elektrisch geladenen Ladungsträgern (z.B. lonen oder Elektronen) vorhanden, welche z.B. durch eine Koronaentladung erzeugt werden. Die Koronaentladung benötigt eine hohe elektrische Feldstärke, die von einem an einer Hochspannungsquelle 5 angeschlossenen Leiter bereitgestellt wird. Die Ladungsträger heften sich durch Diffusion an die Partikel 2 im Aerosol an. Die Partikel 2 sind von dort an in Abhängigkeit von der Charakteristik der Aufladeeinheit 3 dann elektrisch aufgeladen, wobei die elektrische Ladung der Partikel 2 proportional zur Partikeldurchmesser G der jeweiligen Partikel 2 ist. D.h., an größere Partikel lagern sich mehr Ladungsträger an als an kleinere Partikel 2, wodurch größere Partikel 2 stärker geladen sind als kleinere. Nach der Aufladeeinheit 3 weisen die Partikel 2 in Abhängigkeit von den in der Aufladeeinheit erzeugten Ladungsträgern — lonen oder Elektronen — eine elektrische Polarität bzw. Ladungspolarität auf.

[0032] In Fig. 1 sind in der Aufladeeinheit 3 beispielsweise positiv geladener lonen vorhanden. Die positiv geladenen lonen heften sich durch Diffusion an die Partikel 2 im Aerosol an. Die Partikel 2 sind von dort an elektrisch positiv geladen, wobei größere Partikel 2 stärker positiv geladen sind als kleinere Partikel 2.

[0033] In Strömungsrichtung R stromabwärts der Aufladeeinheit 3 ist eine Ablenkungsstufe 5 vorgesehen, welche beispielsweise als elektrostatischer Abscheider ausgestaltet ist. In der Ablenkungsstufe 5 wird durch Anlegen einer elektrischen (Gleich-)Spannung oder Abscheidespannung eine elektrisches Feld E ausgebildet. Die Ablenkungsstufe 5 kann z.B. zwei Abscheidebzw. Ablenkungselektroden aufweisen, wobei durch Anlegen der Abscheidespannung eine erste Abscheide- bzw. Ablenkungselektrode auf ein positives Potential V+ und eine zweite Abscheidebzw. Ablenkungselektrode auf ein negatives Potential V- aufgeladen werden. Alternativ kann die zweite Abscheide- bzw. Ablenkungselektrode mit einem Bezugs- oder Massepotential GND verbunden sein. Durch die Potentialdifferenz zwischen den Abscheide- bzw. Ablenkungselektroden der Ablenkungsstufe 5 bildet sich dann das elektrische Feld E aus. Die Ablenkungsstufe 5 weist eine Abscheidecharakteristik auf, welche vom Abstand der Abscheide- bzw. Ablenkungselektroden, der angelegten Abscheidespannung, einer Verweildauer der Partikel, etc. abhängt, und aufgrund welcher die in die Ablenkungsstufe 5 eintretenden Partikel 2 abgeschieden oder in Richtung des elektrischen Felds E abgelenkt werden.

[0034] Die aufgeladenen Partikel 2 werden in der Ablenkungsstufe 5 durch die einwirkende elektrische Kraft des anliegenden elektrischen Feldes E aufgrund des Coulomb‘schen Gesetzes quer zur Strömungsrichtung R zu jener Abscheide- bzw. Ablenkungselektrode transportiert, welche ihrer elektrischen Ladung entgegengesetzt ist. Dabei werden Partikel 2 mit größerer elektrischer Mobilität in der Ablenkungsstufe 5 stärker abgelenkt bzw. abgeschieden als Partikel 2 mit geringerer elektrischer Mobilität. D.h., die geladenen Partikel 2 werden aufgrund des elektrischen Feldes E in der Ablenkungsstufe 5 von ihrer ursprünglichen Bewegungsrichtung, welche weitgehend der Strömungsrichtung R des Aerosolstrom entspricht, abgelenkt und/oder aus dem Aerosolstrom abgeschieden, wobei die Ablenkung bzw. Abscheidung umso größer ist, je größer die elektrische Mobilität des jeweiligen Partikels 2 ist. Mit anderen Worten erfolgt in der Ablenkungsstufe 5 ein Ablenken der geladenen Partikel 2 von ihrer ursprünglichen Bewegungsrichtung, insbesondere ein Ablenken in einer Richtung im Wesentlichen normal zur Strömungsrichtung R und/oder ein Abscheiden der geladenen Partikel 2. Das Ablenken bzw. Abscheiden erfolgt insbesondere in Abhängigkeit von der elektrischen Mobilität. Die elektrische Mobilität des jeweiligen Partikels 2 ist dabei direktproportional zur Anzahl an Ladungen, die das jeweilige Partikel 2 mit sich trägt, und in erster Näherung indirekt proportional zum Partikeldurchmesser des jeweiligen Partikels 2. Das bedeutet, ein Teil der in die Ablenkungsstufe 5 eintretenden Partikel 2 wird aufgrund der Abscheidecharakteristik der Ablenkungsstufe 5 und ihrer elektrischen Mobilität abgeschieden. Ein restlicher Teil der in die Ablenkungsstufe 5 eintretenden Partikel 2 wird aus ihrer ursprünglichen Bewegungsrichtung abgelenkt und der strömt dann in einer von der ursprünglichen Bewegungsrichtung abweichenden Bewegungsrichtung weiter.

[0035] Da in der in Figur 1 dargestellten Sensoranordnung 1 die Partikel 2 in der Aufladeeinheit 3 positiv aufgeladen werden, werden die Partikel 2 in Abhängigkeit von ihrer Ladung und damit Partikeldurchmesser G, in der Ablenkungsstufe 5 zur Abscheide- bzw. Ablenkungselektrode mit dem negativem Potential V- oder zur mit dem Bezugs- oder Massepotential GND verbundenen Abscheide- bzw. Ablenkungselektrode abgelenkt oder an dieser abgeschieden.

[0036] Die Ablenkungsstufe 5 kann durch Anlegen der Abscheidespannung beispielsweise periodisch betrieben werden, sodass die geladenen Partikel 2 an der Ablenkungsstufe 5 aus dem Aerosolstrom periodisch abgeschieden werden. Durch ein gepulstes, periodisches Betreiben der Ablenkungsstufe 5 wird beispielsweise eine periodische Modulation der Ladung der Partikel 2 erzielt, die in Strömungsrichtung R mit dem Aerosolstrom weiterfließen.

[0037] Weiterhin weist die Sensoranordnung 1 — üblicherweise stromabwärts von der Ablenkungsstufe 5 angeordnet — eine Messeinheit auf, welche beispielsweise einen Faradaykäfig 6 und einen Ladungsverstärker 7 umfasst. Die geladenen Partikel 2 werden für die Ermittlung der

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Partikelmessgröße, z.B. der Partikelanzahl P und/oder der Partikelanzahlkonzentration PN, in den Faradaykäfig 6 eingeleitet. Der Faradaykäfig 6 ist an den Ladungsverstärker 7 (z.B. Elektrometerverstärker) angeschlossen, welcher eine elektrische Ladung in einen elektrischen Strom umwandelt. Aufgrund des Gaußschen Gesetzes der Elektrostatik ergeben sich an der Außenseite des Faradaykäfigs 6 Spiegelladungen. Diese fließen als elektrischer Strom über den Ladungsverstärker 7 ab. Der elektrische Strom wird im Ladungsverstärker 7 detektiert, wobei der gemessene elektrische Strom, welcher ein Messsignal S bildet, z.B. proportional zur Partikelanzahl P der Partikel 2 im Aerosol, ist. Hierbei ist es als äquivalent anzusehen, ob die Partikelanzahl P als absolute Größe angegeben wird, oder bezogen auf ein bestimmtes Volumen als Partikelanzahlkonzentration PN. Der Faradaykäfig 6 und der Ladeverstärker 7 bilden damit einen Messeinheit 60, welche das Messsignal S erzeugt. Das Messsignal S der Messeinheit 60 bzw. des Ladungsverstärkers 7 wird dann einer Auswerteeinheit 8 zugeführt, von welcher das Messsignal S ausgewertet wird, um daraus die zu messenden Partikelmessgröße, wie z.B. die Partikelanzahl P und/oder die Partikelanzahlkonzentration PN zu bestimmen.

[0038] Die Auswerteeinheit 8 ist typischerweise eine mikroprozessorbasierte Hardware, wie ein Mikrocontroller, ein Computer, ein Digital Signal Processor (DSP) usw., mit entsprechender darauf ausgeführter Auswertesoftware.

[0039] Erfindungsgemäß weist die Sensoranordnung 1 einen Strömungskanal 10 auf, welcher in Strömungsrichtung R des Aerosolstroms stromabwärts unmittelbar nach der Ablenkungsstufe 5 und in Strömungsrichtung R vor bzw. stromaufwärts der Messeinheit 60, insbesondere von dem Faradaykäfig 6, angeordnet ist. Mit anderen Worten ist in der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 zwischen der Ablenkungsstufe 5 und der Messeinheit 60, insbesondere dem Faradaykäfig 6, ein Strömungskanal 9 ausgeführt. Der Strömungskanal 9 kann zumindest aus antistatischem Material sein, dessen Oberfläche keine statische Aufladung zulässt. Idealerweise ist der Strömungskanal 9 aus einem elektrisch leitfähigen Material. Der Strömungskanal 9 weist beispielsweise durchgängig einen Querschnitt D auf, welcher an einen Querschnitt der Sensoranordnung 1 angepasst ist. Mit anderen Worten ist in einem ersten Ausführungsbeispiel der Querschnitt des Strömungskanals 9 konstant ausgeführt und der Querschnitt entspricht im Wesentlichen dem Querschnitt stromaufwärts und/oder stromabwärts des Strömungskanals 9.

[0040] Der Strömungskanal 9 ist dabei derart ausgestaltet, dass die durch die Ablenkungsstufe 5 verursachte Ablenkung der geladenen Partikel 2 von stromaufwärts der Ablenkungsstufe 5 vorhandenen Bewegungsrichtung bzw. von der Strömungsrichtung R des Aerosolstroms und/oder die durch die Ablenkungsstufe 5 verursachte Abscheidung der geladenen Partikel 2 in Abhängigkeit von der elektrischen Mobilität der geladenen Partikel 2 gezielt verändert, z.B. verstärkt, wird. Das heißt, der von der Ablenkungsstufe 5 bewirkte Ablenkungs- bzw. Abscheideeffekt wird durch den unmittelbar nach der Ablenkungsstufe 5 eingefügten Strömungskanal 9 derart verstärkt, dass eine Ablenkung und/oder Abscheidung eines geladenen Partikels 2 durch Strömungskanal 9 umso stärker ist, je größer die elektrische Mobilität des jeweiligen Partikel 2 ist.

[0041] Der Strömungskanal 9 ist dazu im dargestellten Ausführungsbeispiel stromabwärts in Strömungsrichtung R mit einer Krümmung W implementiert, welche idealerweise in Abhängigkeit von der Abscheidecharakteristik der Ablenkungsstufe 5 (z.B. der Abscheidespannung, welche an die Ablenkungsstufe 5 angelegt wird, und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit der geladenen Partikel 2) ausgestaltet ist. Mit anderen Worten weist der Strömungskanal 9 eine Krümmung W auf, So dass die Strömungsrichtung R stromaufwärts des Strömungskanals 9, also im Wesentlichen am Ausgang der Ablenkungsstufe 5, unterschiedlich ist zur Strömungsrichtung R stromabwärts des Strömungskanals 9, also im Wesentlichen am Eingang der Messeinheit 60, insbesondere des Faradaykäfigs 6. Eine Orientierung der Krümmung W des Strömungskanals 9 hängt von der Ladungspolarität der geladenen Partikel 2 und einer Orientierung des elektrischen Feldes E, welches sich durch Anlegen der Abscheidespannung an die Ablenkungsstufe 5 ausbildet, ab.

[0042] In Fig. 1 sind die geladenen Partikel 2 durch die Aufladeeinheit 3 beispielsweise positiv geladen, wodurch sie in Abhängigkeit ihrer jeweiligen elektrischen Mobilität in der Ablenkungsstufe 5 zur Abscheide- bzw. Ablenkungselektrode mit dem negativem Potential V- oder zu der mit

dem Bezugs- oder Massepotential GND verbundenen Abscheide- bzw. Ablenkungselektrode abgelenkt bzw. abgeschieden werden. Im Strömungskanal 9 werden daher Partikel 2 mit einer größBeren elektrischen Mobilität abgelenkt bzw. abgeschieden als Partikel 2 mit einer geringeren elektrischen Mobilität. Idealerweise ist die Krümmung W des Strömungskanals 9 bei positiv geladenen Partikeln 2 — wie in Figur 1 dargestellt — entgegensetzt der Orientierung des elektrischen Feldes E der Ablenkungsstufe 5, welches von der positiven zur negativen Abscheide- bzw. Ablenkungselektrode bzw. der mit dem Bezugs- oder Massepotential GND verbundenen Abscheidebzw. Ablenkungselektrode verläuft, orientiert. Damit werden die Partikel 2 mit einer größeren elektrischen Mobilität im Strömungskanal 9 in der Krümmung W näher zu einer äußeren Strömungskanalwand 10 bzw. in der Krümmung W weiter nach außen auf eine längeren Bewegungsbahn getrieben, während sich die Partikel 2 mit einer geringeren elektrischen Mobilität eher im Inneren des Strömungskanals 9 bzw. auf einem kürzeren Bewegungsweg bewegen.

[0043] Die Größenabhängigkeit des Messsignals S der Messeinheit bzw. des Ladungsverstärkers 7 wird dadurch weiter reduziert bzw. bei einer optimalen Krümmung Wopt: kompensiert, wie anhand der Fig. 4 noch näher erläutert wird.

[0044] Fig. 2 zeigt beispielhaft und schematisch eine weitere Ausführungsform der Sensoranordnung 1. Dabei wird das Aerosol und damit die Partikel 2 wieder der Sensoranordnung 1 in der Strömungsrichtung R zugeführt und über die Aufladeeinheit 3 geleitet. Allerdings werden bei in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Sensoranordnung 1 die im Aerosol vorhandenen Partikel 2 in der Aufladeeinheit 3 durch Diffusion elektrisch negativ aufgeladen. Dazu sind in der Aufladeeinheit 4 durch Koronaentladung eine hohe Anzahl an negativ geladenen Ladungsträgern (Elektronen) vorhanden, welche sich an die Partikel 2 im Aerosol anlagern. Die Partikel 2 sind daher von dort an negativ aufgeladen, wobei die elektrische Ladung der Partikel 2 wieder proportional zur Partikeldurchmesser G der jeweiligen Partikel 2 ist.

[0045] In Strömungsrichtung R stromabwärts der Aufladeeinheit 3 ist wieder die Ablenkungsstufe 5 angeordnet, welche vom Aerosol mit den negativ geladenen Partikeln 2 in Strömungsrichtung R durchströmt wird. Durch das elektrische Feld E der Ablenkungsstufe 5 werden die geladenen Partikel 2 wieder von ihrer Bewegungsrichtung bzw. von der Strömungsrichtung R in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen elektrischen Mobilität abgelenkt bzw. abgeschieden. Aufgrund der negativen Ladung der Partikel 2 erfolgt bei dieser Ausführungsform der Sensoranordnung 1 die Ablenkung bzw. die Abscheidung der geladenen Partikel 2 in der Ablenkungsstufe 5 in Richtung der ersten Abscheide- bzw. Ablenkungselektrode, welche durch Anlegen der Abscheide- bzw. Ablenkungsspannung auf das positive Potential V+ aufgeladen ist.

[0046] In Strömungsrichtung R stromabwärts unmittelbar nach der Ablenkungsstufe 5 ist wieder der Strömungskanal 9 angeordnet, durch welchen der von der Ablenkungsstufe 5 bewirkte Ablenkungs- bzw. Abscheideeffekt derart verstärkt wird, dass eine Ablenkung und/oder Abscheidung eines geladenen Partikels 2 durch Strömungskanal 9 umso stärker ist, je größer die elektrische Mobilität der Partikel 2 ist. Der Strömungskanal 9 kann z.B. ebenfalls aus antistatischem oder elektrisch leitendem Material sein und durchgängig den Querschnitt D aufweisen, welcher an den Querschnitt der Sensoranordnung 1 angepasst ist.

[0047] Da bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Sensoranordnung 1 die Partikel 2 durch die Aufladeeinheit 3 beispielsweise negativ geladen werden und dadurch in Abhängigkeit ihrer Partikelgröße bzw. Größe ihrer elektrischen Ladung in der Ablenkungsstufe 5 zur Abscheide- bzw. Ablenkungselektrode mit dem positiven Potential V+ abgelenkt bzw. abgeschieden werden, ist der Strömungskanal 9 nun so ausgestaltet, dass diese Ablenkung bzw. Abscheidung verstärkt wird. In vorteilhafter Weise ist nun die Krümmung W des Strömungskanals 9 aufgrund der negativ geladenen Partikel in Richtung des elektrischen Feldes E, welches von der positiven zur negativen Abscheide- bzw. Ablenkungselektrode bzw. der mit dem Bezugs- oder Massepotential GND verbundenen Abscheide- bzw. Ablenkungselektrode verläuft, orientiert. Dadurch werden im Strömungskanal 9 die Partikel 2 mit der größeren elektrischen Mobilität durch die Krümmung W näher und stärker zur äußeren Strömungskanalwand 10 bzw. in der Krümmung W des Strömungskanals 9 weiter nach außen auf eine längere Bewegungsbahn getrieben und teilweise

abgeschieden. Die Partikel 2 mit der kleineren elektrischen Mobilität bewegen sich eher im Inneren des Strömungskanals 9 bzw. auf einem kürzeren Bewegungsweg durch den Strömungsweg 9.

[0048] Auch bei dieser Ausführungsform der Sensoranordnung 1 werden die geladenen Partikel 2 durch den Strömungskanal 9 zur Messeinheit 60, d.h. zum Faradaykäfig 6 mit dem angeschlossenen Ladungsverstärker 7, weitergeleitet. Vom Ladungsverstärker 7 wird das Messsignal S erzeugt, aus welchem dann von der Auswerteeinheit 8 die Partikelanzahl P und/oder die Partikelanzahlkonzentration PN ermittelt wird. Durch den unmittelbar in Strömungsrichtung R stromabwärts der Ablenkungsstufe 5 eingefügten Strömungskanal 9 wird — wie bei den positiv geladenen Partikeln 2 — auch bei negativ geladenen Partikeln 2 die Größenabhängigkeit des Messsignals S der Messeinheit bzw. des Ladungsverstärkers 7 weiter reduziert bzw. bei einer optimalen Krümmung Weopt kompensiert, wie anhand der Fig. 4 noch näher erläutert wird.

[0049] Fig. 3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Sensoranordnung 1 zum Ermitteln einer Partikelmessgröße, wie z.B. der Partikelanzahl P und/oder der Partikelkonzentration PN in einem Aerosol. Die Sensoranordnung 1 zeigt wieder eine Aufladeeinheit 3, durch welche die Partikel 2 im Aerosol positiv aufgeladen werden. Es wäre aber genauso eine negative Aufladung der Partikel 2 im Aerosol denkbar. Die aufgeladenen Partikel 2 werden wieder mit dem Aerosolstrom in Strömungsrichtung R der Ablenkungsstufe 5 zugeführt, in welcher die aufgeladenen Partikel 2 in Abhängigkeit von ihrer Größe bzw. Aufladung zumindest eine Ablenkung von der Bewegungsrichtung bzw. Strömungsrichtung R erfahren bzw. abgeschieden werden. Da bei der in Fig. 3 beispielhaft dargestellten Ausführungsform der Sensoranordnung 1 die Partikel 2 positiv aufgeladen sind, werden diese in Abhängigkeit ihrer Aufladung bzw. ihrer elektrischen Mobilität wieder zur negativ geladenen Abscheide- bzw. Ablenkungselektrode bzw. zur mit dem Bezugs- oder Massepotential verbundenen Abscheide- bzw. Ablenkungselektrode abgelenkt bzw. dort abgeschieden.

[0050] In Strömungsrichtung R stromabwärts unmittelbar nach der Ablenkungsstufe 5 ist wieder der Strömungskanal 9 angeordnet. Dieser Strömungskanal 9 weist stromabwärts der Ablenkungsstufe 5 einen Einlassbereich 11 auf. Dabei verringert sich der Querschnitt D im Einlassbereich 11 von einem ersten Querschnitt D1, welcher z.B. an den Querschnitt der Sensoranordnung 1 angepasst ist, auf einen zweiten Querschnitt D2. Das bedeutet, der Strömungskanal 9 weist im Einlassbereich 11 eine Verjüngung auf, welche die Strömungsgeschwindigkeit der geladenen Partikel 2 erhöht. D.h., ein Verhältnis des ersten Querschnitts D1 zum zweiten Querschnitt D2 des Einlassbereichs 11 kann das Strömungsverhältnis beeinflussen und z.B. die Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal 9 steigern und damit den Ablenkungs- bzw. Abscheideeffekt noch weiter beeinflussen. Idealerweise ist der Einlassbereich 11 so gestaltet, dass ein laminarer Fluss — d.h. ein Fluss möglichst ohne Verwirbelungen — aufrechterhalten wird bzw. im Strömungskanal 9 entstehen. In vorteilhafter Weise kann daher der Einlassbereich 11 trichterförmig ausgestaltet sein. Die Abnahme des Querschnitts erfolgt dabei vorzugsweise auf einer Länge des Strömungskanals 9, der im Wesentlichen kleiner bis gleich groß ist wie der Durchmesser am Ausgang der Ablenkungsstufe 5 bzw. im Bereich des ersten Querschnitts D1. Mit anderen Worten ist die Länge des trichterförmigen Einlassbereichs 11 kleiner bis gleich groß wie der Durchmesser am Ausgang der Ablenkungsstufe 5.

[0051] In Strömungsrichtung R stromabwärts des Einlassbereichs 11 weist der Strömungskanal 9 wieder die Krümmung W auf, durch welche die Partikel 2 mit der größeren elektrischen Mobilität stärker in Richtung der äußeren Strömungskanalwand 10 getrieben bzw. abgeschieden werden als die Partikel 2 mit der geringeren bzw. kleineren elektrischen Mobilität. Da in der beispielhaften Ausführungsform in Fig. 3 die Partikel 2 positiv geladen sind, ist die Krümmung z.B. wieder entgegengesetzt der Orientierung des elektrischen Feldes E der Ablenkungsstufe 5 orientiert. Wären die Partikel 2 z.B. negativ geladen, so wäre die Krümmung in Richtung des elektrischen Feldes E des Ablenkungsstufe 5 orientiert.

[0052] Weiterhin kann der Strömungskanal 9 einen Auslassbereich 12 aufweisen, in welchem sich der Querschnitt D des Strömungskanals 9 wieder in Strömungsrichtung R vergrößert. Dabei

kann z.B. der Querschnitt sich vom zweiten Querschnitt D2 wieder auf den ersten Querschnitt D1, welcher z.B. an den Querschnitt der Sensoranordnung 1 angepasst ist. Grundsätzlich kann die Erweiterung anstatt auf den ersten Querschnitt D1 auch auf einen anderen Querschnitt erfolgen, der kleiner oder größer ist als der erst Querschnitt D1. Der Auslassbereich 12 ist idealerweise in Strömungsrichtung R stromaufwärts der Messeinheit 60, vor allem des Faradaykäfigs 6, angeordnet. Der Auslassbereich 12 des Strömungskanals 9 kann beispielsweise ebenfalls trichterförmig ausgestaltet sein. In einer Variante ist die Länge des trichterförmigen Auslassbereichs 12 gleich groß bzw. größer als der Durchmesser am Ausgang der Ablenkungsstufe 5 bzw. im Bereich des ersten Querschnitts D1.

[0053] In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird der zweite Querschnitt D2 des Strömungskanals 9 über den restlichen Verlauf der Sensoranordnung 1, also durch die Messeinheit 60, beibehalten. Das bedeutet, dass sich der Querschnitt D2 des Strömungskanals nicht vergröBert und z.B. die Sensoranordnung 1 im Bereich des Faradaykäfigs 6 ebenfalls den Querschnitt D2 aufweist.

[0054] In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Querschnitt im Bereich der Ablenkungsstufe 5 im Strömungskanal 9 weitergeführt und es erfolgt erst in einem Auslassbereich 12 des Strömungskanals 9 am Übergang in die Messeinheit 60 eine trichterförmige Vergrößerung des Querschnitts.

[0055] Den dargestellten Ausführungsbeispielen ist gemein, dass die Krümmung W in einem Winkelbereich zwischen 70° und 110°, vorzugsweise zwischen 80° und 100° liegt. Mit anderen Worten ist eine erste in Strömungsrichtung R verlaufende Achse L1 der Sensoranordnung 1 stromaufwärts des Strömungskanals 9 um einen Winkel zwischen 70° und 110°, vorzugsweise zwischen 80° und 100°, geneigt gegenüber einer zweiten stromabwärts des Strömungskanals 9 in Strömungsrichtung R verlaufenden Achse L2 der Sensoranordnung 1. Dabei liegen in einer ersten Variante die erste Achse L1 und zweite Achse L2 in einer gemeinsamen Ebene, wie z.B. einer Blattebene der Fign. 1, 2 und 3. In einer zweiten Variante können die in Strömungsrichtung R verlaufenden Achsen L1, L2 der Sensoranordnung 1 auch in unterschiedlichen Ebenen liegen, die gegeneinander geneigt sind, sodass sich einerseits die Krümmung W ergibt, andererseits eine Neigung der Verlaufsebenen der Sensoranordnung 1 vor und nach dem Strömungskanal 9.

[0056] Fig. 4 zeigt beispielhaft eine Zähleffizienzkurve der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1, wobei auf der x-Achse eine zu erfassende Partikeldurchmesser G oder eine elektrische Mobilitätsdurchmesser beispielsweise in Nanometer aufgetragen ist, und auf der y-Achse eine Zähleffizienz ZE (als Verhältnis der gemessenen Partikelanzahl P zur bekannten vorhandenen Partikelanzahl).

[0057] Dabei zeigt die durchgezogene Kurve den Verlauf der Zähleffizienz der Partikelanzahlbzw. Partikelanzahlkonzentrationsmessung für z.B. einen vorgegebenen Partikelgrößenbereich von ca. 10 nm bis ca. 250 nm bei einer optimalen Krümmung Wopt des Strömungskanals 9, wobei die durchgezogene Zähleffizienzkurve beispielsweise in einem Bereich von ca. 70 nm bis 200 nm konstant verläuft und damit von einer Partikelgröße G unabhängig ist. D.h., die Größenabhängigkeit des Messsignals S wird durch die optimale Einstellung der Krümmung W des Strömungskanals 9 kompensiert, wobei der Strömungskanal 9 passend zur elektrischen Mobilität der geladenen Partikel 2, welche der Aufladung der Partikel 2 zusammenhängt, zur Strömungsgeschwindigkeit der Partikel 2 und/oder zur Abscheidecharakteristik der Ablenkungsstufe 5 in der Sensoranordnung 1 ausgestaltet ist. Weiterhin ist die Krümmung Weopt des Strömungskanals 9 entsprechend der Orientierung des elektrischen Feldes E der Ablenkungsstufe 5 und der Ladung der Partikel 2 orientiert. Idealerweise ist die optimale Krümmung Weopt parallel zum elektrischen Feld E der Ablenkungsstufe 5 und bei positiv geladenen Partikeln 2 entgegengesetzt der Orientierung des elektrischen Feldes E der Ablenkungsstufe 5 ausgerichtet. Bei negativ geladenen Partikeln 2 ist die optimale Krümmung Weopt idealerweise parallel zum elektrischen Feld E der Ablenkungsstufe 5 und in Richtung des elektrischen Feldes E der Ablenkungsstufe 5 ausgerichtet.

[0058] Die strichpunktierte Zählkurve zeigt beispielhaft den Verlauf der Zähleffizienz für eine Krümmung W des Strömungskanals 9, welche größer als die optimale Krümmung Wogt Ist. Dabei

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ist ersichtlich, dass die Abhängigkeit des Messsignals S von der Partikelgröße G reduziert ist, wobei größere Partikel 2 (z.B. in einem Bereich ab ca. 100 nm) leicht übergewichtet.

[0059] Die strichlierte Zählkurve zeigt beispielhaft den Verlauf der Zähleffizienz für eine Krümmung W des Strömungskanals 9, welche kleiner als die optimale Krümmung Weg ist. Dabei wird z.B. die Abhängigkeit des Messsignals S von der Partikelgröße G überkompensiert. D.h., es werden beispielsweise kleinere Partikel 2 (z.B. in einem Bereich von 70 nm bis ca. 100 nm) stärker gewichtet als größere Partikel 2 (z.B. in einem Bereich von ca. 100 nm bis ca. 200 nm).

[0060] Das bedeutet, je nach Ausgestaltung des Strömungskanals 9, insbesondere der Krümmung W, kann die Zähleffizienz der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 gezielt verändert werden und z.B. selektiv Partikelgrößen G über- oder untergewichtet werden bzw. die Größenabhängigkeit kompensiert werden.

[0061] Fig. 5 zeigt beispielhaft und schematisch ein Messgerät 100 zum Ermitteln zumindest einer Partikelmessgröße von Partikeln 2 in einem Aerosol. Das Messgerät 100 umfasst dabei die Sensoranordnung 1 und kann beispielweise mit einen Prüfling 13 zur Überprüfung einer Partikelmessgröße verbunden werden — wie z.B. mit einem Fahrzeug 13, um eine bestimmte zulässige abgegebene Partikelanzahlkonzentration PN, beispielsweise eine Konzentration (Anzahl pro Volumen) von Verbrennungspartikeln in einem Abgas des Fahrzeugs 13, zu überprüfen. Dazu kann das Messgerät 100 wie im dargestellten Ausführungsbeispiel an einen Auspuff 14 des Fahrzeugs 13 angebunden sein, sodass das Abgas des Fahrzeugs 13 in das Messgerät 100 strömt. Im Messgerät 100 kann das Abgas, unverdünnt oder verdünnt, der Sensoranordnung 1 zugeführt werden und diese durchströmen. Von der Sensoranordnung 1 wird dann das Messsignal S zu erzeugen, aus welchem von der Auswerteeinheit 8 die zu ermittelnde Partikelmessgröße, vor allem die Partikelanzahl P, die Partikelanzahlkonzentration PN oder andere Partikelcharakteristika, abgeleitet werden können, wobei die Auswerteeinheit 8 beispielsweise in der Sensoranordnung 1 integriert sein kann. Häufig ist die Auswerteeinheit 8 als einen von der Sensoranordnung 1 getrennte Einheit ausgeführt, welche z.B. im Messgerät 100 integriert ist (nicht in Fig. 5 dargestellt). Es ist aber auch möglich, dass die Auswerteeinheit 8 als eigenständige, messgerätexterne Einheit ausgeführt ist, welche mit dem Messgerät 100 verbindbar ist (ebenfalls nicht in Fig. 5 dargestellt). Alternativ oder zusätzlich, kann das Messgerät 100 auch dazu eingesetzt werden, eine Partikelmessgröße für Bremsabrieb eines Fahrzeugs 13 zu ermitteln.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Sensoranordnung

2 Partikel

3 Aufladeeinheit

4 Hochspannungsquelle der Aufladeeinheit

5 Ablenkungsstufe bzw. elektrostatischer Abscheider 6 Faradaykäfig

7 Ladungsverstärker bzw. Elektrometer

60 Messeinheit

8 Auswerteeinheit

9 Strömungskanal

10 äußere Strömungskanalwand

11 Einlassbereich des Strömungskanals 12 Auslassbereich des Strömungskanals

13 Prüfling bzw. Fahrzeug 14 Auspuff 100 Messgerät

R Strömungsrichtung des Aerosols bzw. Bewegungsrichtung der Partikel E elektrisches Feld der Ablenkungsstufe

V+, V- Abscheidespannung

Ss Messsignal

P Partikelanzahl

PN Partikelanzahlkonzentration

L1 erste Achse der Sensoranordnung

L2 zweite Achse der Sensoranordnung

D Durchmesser des Strömungskanals

D1 erster Durchmesser des Strömungskanals im Einlass- bzw. Auslassbereich D2 zweiter Durchmesser des Strömungskanals im Einlass- bzw. Auslassbereich W Krümmung des Strömungskanals

Wopt optimale Krümmung des Strömungskanals ZE Zähleffizienz

G Partikeldurchmesser

Claims (10)

Patentansprüche

1. Sensoranordnung (1) zum Ermitteln zumindest einer Partikelmessgröße in einem Aerosol, insbesondere einer Partikelanzahl (P) und/oder Partikelanzahlkonzentration (PN) von Partikeln (2) , wobei die Sensoranordnung (1) vom Aerosol in Strömungsrichtung (R) durchfließbar ist, und wobei die Sensoranordnung (1) zumindest eine Aufladeeinheit (3) zum elektrischen Aufladen der im Aerosol vorhandenen Partikel (2), zumindest eine in Strömungsrichtung (R) stromabwärts von der Aufladeeinheit (3) angeordnete Ablenkungsstufe (5) und zumindest eine Messeinheit (60) zum Erzeugen eines Messsignals (S), aus welchem die zumindest eine Partikelmessgröße der Partikel (2) im Aerosol (3) ableitbar ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (1) in Strömungsrichtung (R) des Aerosols stromabwärts der Ablenkungsstufe (5) einen Strömungskanal (9) aufweist, welcher derart ausgestaltet ist, dass eine durch die Ablenkungsstufe (5) verursachte Ablenkung von der Bewegungsrichtung der geladenen Partikel (2) und/oder Abscheidung der geladenen Partikel (2) in Abhängigkeit von einer elektrischen Mobilität der Partikel (2) verändert wird.

2. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (60) in Strömungsrichtung (R) stromabwärts des Strömungskanals (9) angeordnet ist.

3. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (9) in Strömungsrichtung (R) stromabwärts nach der Ablenkungsstufe (5) eine Krümmung (W) aufweist.

4. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung (W) des Strömungskanals (9) in Abhängigkeit von einer Abscheidecharakteristik der Ablenkungsstufe (5) und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit der geladenen Partikel (2) ausgestaltet ist.

5. Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Orientierung der Krümmung (W) des Strömungskanals (9) von einer Ladungspolarität der geladenen Partikel (2) und einer Orientierung des elektrischen Feldes (E) der Ablenkungsstufe (5) abhängt.

6. Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (9) in Strömungsrichtung (R) stromabwärts nach der Ablenkungsstufe (5) einen Einlassbereich (11) aufweist, in welchem sich ein Querschnitt (D) des Strömungskanals (9) in Strömungsrichtung (R) verringert.

7. Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (9) in Strömungsrichtung (R) stromaufwärts vor der Messeinheit (60) einen Auslassbereich (12) aufweist, in welchem sich der Querschnitt (D) des Strömungskanals (9) in Strömungsrichtung (R) vergrößert.

8. Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (9) aus elektrisch leitfähigem Material oder aus antistatischem Material ist.

9. Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (8) vorgesehen ist, welche das Messsignal (S) der Messeinheit (60) auswertet und die Partikelmessgröße, insbesondere eine Partikelanzahl (P) und/oder eine Partikelanzahlkonzentration (PN), ermittelt.

10. Messgerät (100) zum Ermitteln zumindest einer Partikelmessgröße von Partikeln (2) in einem Aerosol, insbesondere einer Partikelanzahl (P) und/oder Partikelanzahlkonzentration (PN), wobei das Messgerät (100) eine Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

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