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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung
und Bewertung von Partikeln in einem Gasstrom. Zur Überwachung
der Einhaltung vorgegebener Grenzwerte für die Partikelbelastung von
Luft, Abgasen und anderen Gasen beim Betrieb von Reinräumen, Fahrzeugen
mit Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren und im öffentlichen
Verkehrsraum sind verschiedene Verfahren bekannt geworden.
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Aus
der
DE 10 2004
059 650 A1 ist ein Sensor zur Bestimmung der Konzentration
von Partikeln in Gasen bekannt, der ein Trägerelement und einen Messbereich
zwischen mindestens einer ersten und einer zweiten Messelektrode
aufweist, wobei die Messelektroden so gestaltet sind, dass unter
Beaufschlagung mit einer Spannung zwischen ihnen ein asymmetrisches
elektrisches Feld auf dem Messbereich gebildet wird. Nachteilig
ist, dass die Partikel während
des Messvorgangs auf den Elektroden abgelagert werden, so dass eine
Ermittelung der Anzahl der Partikel nur summativ durch einen sich
zwischen den Elektroden erhöhenden
Leitwert möglich
ist. Eine Bestimmung der Größe der Partikel
ist nicht möglich.
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Aus
der
DE 34 14 542 C2 ist
eine Vorrichtung zum Erfassen und Bewerten von Partikeln in einem Gasstrom
beschrieben, umfassend mindestens ein Sensorelement, das eine Durchströmöffnung aufweist,
die von dem Gasstrom durchströmbar
ist, das weiter zumindest zwei durch mindestens einen Isolator getrennte,
mit einer Spannung versorgbare Elektroden ausweist, mittels derer
ein elektrisches Feld in der Durchströmöffnung erzeugbar ist, welches
durch in der Durchströmöffnung auftretende
Partikel so beeinflussbar ist, dass sich ein infolge der Spannung fließender Strom ändert. Bei
dieser Vorrichtung sind die Elektroden jeweils konzentrisch angeordnet,
so dass das damit erzeugbare elektrische Feld nicht pa rallel, sondern
quer zur Strömungsrichtung
verläuft. Nachteilig
ist dabei die relativ aufwendige Konstruktion zur Isolation der
Elektroden.
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Nach
DE 195 36 705 A1 ist
eine Vorrichtung zur Erfassung und Bewertung von Partikel in einem Gasstrom
beschrieben, umfassend ein Sensorelement, das eine Durchströmöffnung aufweist,
die von dem Gasstrom durchströmbar
ist, das weiter mindestens zwei durch mindestens einen Isolator
getrennte, mit einer Spannung versorgbare Elektroden aufweist, mit
derer ein elektrisches Feld in der Durchströmöffnung erzeugbar ist, welches
durch in der Durchströmöffnung auftretende
Partikel so beeinflussbar ist, dass sich ein infolge der Spannung
fließender Strom ändert. Bei
dieser Vorrichtung sind die Elektroden ebenfalls konzentrisch angeordnet,
so dass das damit erzeugbare elektrische Feld nicht parallel sondern
ebenfalls quer zur Strömungsrichtung
verläuft. Nachteilig
ist auch dabei, die relativ aufwendige Konstruktion zur Isolation
der Elektroden.
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Außerdem ist
aus der
EP 0 193 394
A2 eine Vorrichtung zur Zählung in Flüssigkeiten nach dem Coulterprinzip
bekannt, bei dem ein Sensorelement eine Durchströmöffnung aufweist. Nachteilig
ist dabei, dass diese Vorrichtung nicht zur Erfassung und Bewertung
von Partikeln in einem Gasstrom geeignet ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung
und ein Verfahren zur verbesserten Erfassung und Bewertung von Partikeln
in einem Gasstrom in Echtzeit anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung zur Erfassung und Bewertung von Partikeln in einem
Gasstrom mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur
Erfassung und Bewertung von Partikeln in einem Gasstrom mit den
Merkmalen des Anspruchs 10.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Erfassung und Bewertung von Partikeln in einem Gasstrom umfasst
mindestens ein Sensorelement, das eine Durchströmöffnung aufweist, die von dem
Gasstrom durchströmbar
ist und eine Engstelle für
den Gasstrom darstellt. Das Sensorelement weist weiter mindestens
zwei durch mindestens einen Isolator getrennte Elektroden auf, die
mit einer Spannung versorgt werden können. Auf diese Weise kann
ein elektrisches Feld in der Durchströmöffnung erzeugt werden, welches
durch dort auftretende Partikel so beeinflussbar ist, dass sich
ein infolge der Spannung fließender
Strom ändert.
Die Durchströmöffnung ist dabei
als Verengung ausgeprägt,
deren Querschnittsfläche
so bemessen ist, dass die größten zu erwartenden
Partikel möglichst
einzeln passieren. Eine Stromänderung
zeigt so einen Partikel an. Durch die Zählung der Stromänderungen
kann auf die Anzahl der Partikel geschlossen werden. Die Größe der Stromänderungen
erlaubt hingegen Rückschlüsse auf
die Größe der Partikel.
Das Ergebnis liegt in Echtzeit vor. Unter einem Gasstrom im Sinne der
Erfindung sollen Ströme
aller Arten von Gas, wie z. B. Abgase aus Fahrzeugen oder Verbrennungsanlagen,
Kraftwerken, thermischen Reaktoren aber auch Luftströme, beispielsweise
zur Beurteilung oder Überwachung
der Belastung von Luft mit Stäuben, insbesondere
Feinstäuben
beim Betrieb von Reinräumen
oder auch bei der Überwachung
von Grenzwerten im Straßenverkehr,
verstanden werden. Die Spannung wird vorzugsweise von einer gesteuerten Spannungsversorgung
zur Verfügung
gestellt.
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Erfindungsgemäß ist dabei
der Isolator im Wesentlichen torusförmig gebildet ist, wobei der
Isolator die Durchströmöffnung bildet.
Eine erste Elektrode ist in Strömungsrichtung
vor dem Isolator und eine zweite Elektrode in Strömungsrichtung
nach dem Isolator angeordnet, so dass das elektrische Feld parallel
zur Strömungsrichtung
erzeugbar ist, wobei die Elektroden jeweils an Stirnflächen des
die Durchströmöffnung bildenden
Isolators angeordnet sind.
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Die
Spannung wird vorzugsweise so gesteuert, dass durch einen Partikel
im Bereich des elektrischen Feldes ein Spannungsdurchbruch, d. h.
eine spontane Vergrößerung des
Leitwertes zwischen den sonst voneinander isolierten, also mit einem
niedrigen Leitwert behafteten, Elektroden, verursacht wird. Auf
diese Weise sind Partikel besonders einfach zu detektieren.
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Der
Strom wird vorzugsweise von einem Messwandler gemessen, beispielsweise
einem Analog-Digital-Wandler, der mit einer Auswerteeinheit verbunden
ist, bei spielsweise einem PC oder einem Embedded-System, wo die
Analyse der Stromänderungen
stattfindet. Die Auswerteeinheit kann auch Steuer- und Regelaufgaben,
beispielsweise das Regeln der Spannung für das elektrische Feld übernehmen.
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Die
Spannung wird vorzugsweise so gesteuert oder geregelt, dass durch
einen Partikel im Bereich des elektrischen Feldes ein Spannungsdurchbruch
verursacht wird, dass sie jedoch geringer ist, als für einen
Spannungsdurchbruch zwischen den Elektroden bei einem partikelfreien
Gasstrom G nötig ist.
Auf diese Weise werden Fehldetektionen vermieden. Die Spannung kann
sowohl bei der Inbetriebnahme der Vorrichtung kalibriert als auch
im Betrieb nachgeregelt werden. Eine Regelung ist beispielsweise
dann vorteilhaft, wenn mit unterschiedlichen für einen Spannungsdurchbruch
notwendigen Spannungen infolge schwankender Luftfeuchtigkeit gerechnet
werden muss.
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Vorzugsweise
interpretiert die Auswerteeinheit eine Überschreitung einer vorgegebenen
Stromstärke
als Auftreten eines Partikels.
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Insbesondere
integriert die Auswerteeinheit bei einer Überschreitung einer vorgegebenen
Stromstärke
den Strom bis zu einem Unterschreiten derselben vorgegebenen Stromstärke auf,
um die Größe des Partikels
zu ermitteln.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Durchströmöffnung im
Gasstrom ein trichterartig ausgebildeter Fokus vorgelagert, der
zumindest einen Teil des Gasstroms auf das Sensorelement bündelt. Auf
diese Weise kann die Anzahl und Größe der Partikel auch in einem
Gasstrom mit geringer Partikelanzahl mit höherer statistischer Sicherheit
unter echtzeitnahen Bedingungen ermittelt werden.
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Dem
Sensorelement oder dem Fokus ist im Gasstrom vorzugsweise ein Grobfilter
vorgelagert, das insbesondere eine Porenweite aufweist, die so bemessen
ist, dass Partikel, die größer als
die Durchströmöffnung sind,
nicht passieren können,
so dass ein Verstopfen des Sensorelements verhindert wird.
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In
der beschriebenen Ausführung
eignet sich die Vorrichtung besonders zur Erfassung und Bewertung
von Partikelzahl und Partikelgröße in bewegten Gasen,
beispielsweise in Abgasströmen.
Weitgehend ruhende Gase ohne zielgerichtete Bewegung, wie Luft bei
der Überwachung
der Feinstaubbelastung werden vorzugsweise mittels eines Ventilators durch
die Durchströmöffnung gedrückt oder
gesaugt, insbesondere so, dass sich ein definierter Volumenstrom
ergibt. Auf diese Weise sind die Vorrichtung und das Verfahren auch
für ruhende
Gase geeignet. Der Einsatz eines Ventilators kann aber auch zum
Erreichen eines definierten Volumenstromes für zielgerichtet bewegte Gasströme vorteilhaft
sein.
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Werden
mehrere Sensorelemente parallel, insbesondere matrixartig parallel,
angeordnet, lässt sich
der überwachbare
Strömungsquerschnitt
nahezu beliebig vergrößern. Der
Ausfall einzelner Sensorelemente, beispielsweise durch Verstopfung,
kann so durch die übrigen
Sensorelemente kompensiert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die Elektroden jeweils eine Spitze auf, wobei die Spitzen
aufeinander gerichtet sind. Durch den auf diese Weise gut definierten
Abstand der Elektroden ergibt sich ein reproduzierbares Spannungsdurchbruchsverhalten.
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Die
Spitzen der Elektroden sind dabei bevorzugt so angeordnet, dass
eine verbindende Linie zwischen den Spitzen parallel zum Gasstrom
liegt, insbesondere im Zentrum des Gasstroms. Auf diese Weise wird
der Einfluss der Position eines Partikels im Gasstrom auf seine
Detektion und seine Größenbestimmung
gering gehalten. Die Spitzen weisen dabei eine so geringe Größe auf,
dass der Gasstrom nicht oder nur wenig behindert wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der Isolator aus Saphir gebildet. Im Isolator ist die Durchströmöffnung angeordnet.
Die Elektroden sind als auf den Isolator beiderseits der Durchströmöffnung aufgedampfte
Metallschichten gebildet. Saphir weist eine hohe Harte auf, so dass
sich der Querschnitt der Durchströmöffnung auch nach langem Gebrauch kaum
infolge von Abrasion ändert.
Die genannte Ausbildung der Elektroden stellt die Ausbildung eines weitgehend
gleichförmigen
elektrischen Feldes sicher.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Darin
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erfassung und Bewertung
von Partikeln in einem Gasstrom,
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2 einen
Längsschnitt
einer ersten Ausführungsform
eines Sensorelements mit einem Fokus und einem Grobfilter,
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3 einen
Längsschnitt
einer zweiten Ausführungsform
eines Sensorelements mit einem Fokus und einem Grobfilter,
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4 einen
Längsschnitt
einer weiteren Ausführungsform
eines Sensorelements und
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5 ein
Diagramm eines möglichen
zeitlichen Verlaufs eines zwischen Elektroden des Sensorelementes
fließenden
Stromes.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zur Erfassung
und Bewertung von Partikeln P (nicht gezeigt) in einem Gasstrom
G. Der Gasstrom G passiert zunächst
ein Grobfilter 9, an dem Partikel P oberhalb einer vorgegebenen
Größe zurückgehalten
werden. Der gefilterte Gasstrom G wird dann mittels eines trichterartig
gebildeten Fokus 8 auf den Querschnitt eines Sensorelements 2 bzw. dessen
nicht gezeigter Durchströmöffnung 10 reduziert.
Das Sensorelement 2 weist im Bereich der genannten Durchströmöffnung einen
Isolator 6 auf, an dem mittels einer von einer gesteuerten
Spannungsversorgung 3 zur Verfügung gestellten Spannung ein elektrisches
Feld F (hier nicht gezeigt) erzeugt wird. Die durch dieses Sensorelement
strömenden
Partikel P stören
das elektrische Feld F bzw. verursachen einen Spannungsdurchbruch
und infolgedessen eine messbare Änderung
eines Stromes. Der als Analog-Digital-Wandler ausgebildete Messwandler 4 wandelt
den Strom in eine Form um, die eine Weiterverarbeitung in einer
Auswerteeinheit 5 erlaubt. Hier wird aus der Anzahl der
Stromänderungsimpulse
die Anzahl der Partikel ermittelt. Signalform oder Stärke der
Stromänderung
erlauben eine Abschätzung
der Partikelgröße. Die
Auswerteeinheit 5 kann zusätzlich auch der Steuerung oder
Regelung der Spannung für das
elektrische Feld F dienen.
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2 zeigt
einen Längsschnitt
eines Sensorelements 2 mit einem Fokus 8 und einem
Grobfilter 9. In dieser Darstellung wird deutlich, wie
die Durchströmöffnung 10 durch
einen im Wesentlichen torusförmigen
Isolator 6 als Engstelle gebildet ist, den der Gasstrom
G mit den Partikeln P passiert. Zwischen durch den Isolator 6 voneinander
isolierten Elektroden 7 wird das elektrische Feld F erzeugt,
das von den Partikeln so gestört
wird, dass beim Passieren eines Partikels eine Stromänderung
messbar ist. Die beiden Elektroden 7 weisen zueinander
gerichtete Spitzen auf. Die Durchmesser der Elektroden 7 sind im
Verhältnis
zum Durchmesser der Durchtrittsöffnung 10 sehr
gering, so dass der Gasstrom G nicht oder nur wenig beeinträchtigt wird.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines Sensorelements 2 mit einem beispielsweise aus Saphir
im Wesentlichen torusförmig
gebildeten Isolator 6, der mit Elektroden 7 in
Form von aufgedampften Metallschichten versehen ist. Saphir weist
eine hohe Härte
auf, so dass sich der Querschnitt der Durchströmöffnung auch nach langem Gebrauch kaum
infolge von Abrasion ändert.
Der mit Partikeln P befrachtete Gasstrom G passiert zunächst das Grobfilter 9,
wo Partikel P ober halb einer gewünschten
Größe zurückgehalten
werden. Der gefilterte Gasstrom G wird dann mittels des Fokus 8 auf
den Querschnitt der Durchströmöffnung 10 des
Sensorelements 2 reduziert. In der Durchströmöffnung 10 bildet
sich zwischen den Elektroden 7 infolge des Anlegens einer
Spannung ein elektrisches Feld F aus, dessen Feldstärke durch
das Steuern oder Regeln der Spannung so bemessen ist, dass ohne
Partikel P im Gasstrom G kein Spannungsdurchbruch erfolgt. Tritt
hingegen ein Partikel P in die Durchströmöffnung 10 ein, erfolgt über diesen
ein Spannungsdurchbruch, der sich als erhöhter, zwischen den Elektroden 7 fließender Strom
auswirkt. Das Sensorelement 2, der Fokus 8 und
das Grobfilter 9 sind in einem rohrförmigen Gehäuse eingebaut. Der Gasstrom
G durchströmt
die Durchströmöffnung 10 weitgehend laminar.
Der Fokus 8 kann, wie gezeigt, vom Sensorelement 2 und
insbesondere dessen Elektroden 7 beabstandet sein, um die
Ausbildung des elektrischen Feldes F nicht zu beeinträchtigen.
Die laminare Strömung
bleibt davon weitgehend unbeeinträchtigt.
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4 zeigt
ein Sensorelement 2, bei dem der Isolator 6 in
der Durchströmöffnung 10 mit
aufgedampften Elektroden 7 versehen ist. Die Figur macht deutlich,
wie sich zwischen den Elektroden 7 das elektrische Feld
F ausbildet. Tritt ein Partikel P in die Durchströmöffnung 10 ein,
erfolgt über
diesen ein Spannungsdurchbruch zwischen den Elektroden 7, der
sich als erhöhter,
zwischen den Elektroden 7 fließender Strom auswirkt.
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Mittels
eines Ventilators kann der Gasstrom (G) aktiv erzeugt oder dem Gasstrom
(G) ein definierter Volumenstrom aufgeprägt werden.
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5 zeigt
ein Diagramm eines möglichen Verlaufs
des zwischen den Elektroden 7 fließenden Stromes I in der Zeit
t. Der Strom I ist zunächst
kleiner als eine vorgegebene Stromstärke I1,
solange kein Partikel P im Gasstrom G enthalten ist. Das impulsartige Überschreiten
der vorgegebenen Stromstärke
I1 zeigt das Auftreten eines Partikels P
an. Die Größe des Partikels
P kann durch das Überschreiten
weiterer vorgegebener Stromstärken
I2 bis In ermittelt
werden. Alternativ oder zusätzlich
kann der Strom auch integriert werden, solange er größer als
die vorge bene Stromstärke
I1 ist, um die Größe des Partikels P zu bestimmen.
In dem gezeigten zeitlichen Verlauf wären demnach zunächst zwei
kleinere Partikel P, gefolgt von drei größeren Partikeln P, von denen
der zweite der größte ist,
erkennbar.
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- 1
- Vorrichtung
zur Erfassung und Bewertung von Partikeln in einem Gasstrom
- 2
- Sensorelement
- 3
- Gesteuerte
Spannungsversorgung
- 4
- Messwandler
- 5
- Auswerteeinheit
- 6
- Isolator
- 7
- Elektrode
- 8
- Fokus
- 9
- Grobfilter
- 10
- Durchströmöffnung
- F
- elektrisches
Feld
- G
- Gasstrom
- I1 bis In
- vorgegebene
Stromstärke
- P
- Partikel
- t
- Zeit