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Die Erfindung betrifft ein Partikelmesssystem zum Messen einer Partikelanzahl in einem Aerosolstrom, zum Beispiel im Abgasstrom von einem Verbrennungsmotor.
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Zur Emissionsüberwachung von Motoren und Fahrzeugen ist es gesetzliche Vorschrift, die Abgase auf einem Prüfstand oder auch unter realen Bedingungen, z.B. auf der Straße, zu erfassen und hinsichtlich ihrer Zusammensetzung im Einzelnen zu untersuchen. Dabei sind neben vielfältigen Schadstoffanteilen vor allem auch Feinstaubpartikel von besonderem Interesse. Die Feinstaubpartikel, zum Beispiel auch Nanopartikel, können über die Atmung tief in die Lunge eindringen und zu erheblichen gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen. Neben den von Motoren emittierten Partikeln können zukünftig auch Partikelemissionen anderer Komponenten, wie Bremsen- und Reifenabrieb, auf ähnliche Weise reglementiert werden.
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Zum Erfassen und insbesondere Zählen der Partikel sind entsprechende Partikelmessgeräte bekannt, die in dafür ausgerüsteten Prüfständen bzw. Messsystemen zum Einsatz kommen.
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Den Messsystemen gemeinsam ist es, dass das aerosolhaltige Rohgas nicht unverdünnt den jeweiligen Messgeräten bzw. Sensoren zugeführt werden kann. Vielmehr ist es erforderlich, das Rohgas (z.B. das Abgas eines Verbrennungsmotors) in geeigneter Weise derart zu verdünnen, dass die in dem verdünnten Aerosolstrom enthaltenen Partikel entsprechend dem Messbereich des jeweiligen Messgeräts erfasst werden können.
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Es ist bekannt, bei derartigen Partikelmesssystemen eine oder mehrere Verdünnungsstufen vorzusehen, bei denen jeweils Verdünnungsluft dem Aerosolstrom zugeführt wird, um die gewünschte Verdünnung zu erreichen. Dabei ist es erforderlich, dass die Verdünnungsluft eine ausreichende Qualität besitzt. Insbesondere darf die Verdünnungsluft selbst keine Partikel oder Stoffe einbringen, die das Messergebnis verfälschen könnten. Über aus der Umgebungsluft zugeführte externe Verdünnungsluft können jedoch weitere Faktoren eingebracht werden, die die Gesamtgenauigkeit des Systems negativ beeinflussen können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Partikelmesssystem anzugeben, bei dem die durch das Einbringen von externer Verdünnungsluft bestehenden negativen Auswirkungen minimiert bzw. ganz behoben werden können.
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Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Partikelmesssystem zum Messen einer Partikelanzahl in einem Aerosolstrom. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Messen einer Partikelanzahl in einem Aerosolstrom wird in einem nebengeordneten Anspruch angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Ein Partikelmesssystem zum Messen einer Partikelanzahl in einem Aerosolstrom weist auf einen Einlass zum Einbringen eines Aerosolstroms, wenigstens eine stromab von dem Einlass angeordnete Verdünnungseinrichtung, wenigstens eine stromab von der Verdünnungseinrichtung angeordnete Partikelmesseinrichtung zum Messen der Partikelanzahl, eine stromab von der Partikelmesseinrichtung angeordnete Fördereinrichtung, zum Fördern eines den Aerosolstrom aufweisenden Fördervolumenstroms, eine Aufbereitungseinrichtung zum Aufbereiten des Fördervolumenstroms, einen Aufteilbereich zum Aufteilen des aufbereiteten Fördervolumenstroms in wenigstens einen Rückführvolumenstrom und in einen Auslassvolumenstrom, und eine Gas-Senke zum Verwerfen des Auslassvolumenstroms, wobei der Rückführvolumenstrom als Verdünnungsgasstrom zurück zu der Verdünnungseinrichtung führbar ist.
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Optional kann eine Bypass-Einrichtung zum Führen eines Teil-Aerosolstromes parallel zu der Partikelmesseinrichtung vorgesehen sein, wie später noch erläutert wird.
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Durch die angegebene Verdünnungsluftführung ergeben sich wesentliche Vorteile im Sinne erheblicher Verbesserungen der Systemgenauigkeit (Genauigkeit der Verdünnung) durch Ausnutzung der Massenerhaltung und folglich starken Reduktionen der Anzahl der Fluss-(Mess-)Größen und deren Einflussfaktoren, welche in konventionellen Partikelmesssystemen bekannt sein müssen, um aus den Verhältnissen dieser Flüsse entsprechende Verdünnungsraten zu bestimmen. In konventionellen, differentiell verdünnenden Systemen hingegen werden die Fehlereinflüsse von Verdünnungsgasströmen teilweise sogar durch den Faktor der Verdünnungsrate verstärkt, was im vorliegenden System nicht auftritt.
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Der Aerosolstrom kann somit als Probenvolumenstrom (Partikelprobe, Abgasprobe) von einem Rohgasstrom (zum Beispiel im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors) abgezweigt werden. Dabei ist anzustreben, dass der Probenvolumenstrom bzw. Aerosolstrom möglichst konstant zuführbar ist, also möglichst keinen Druckschwankungen unterliegt. Hierzu können zwischen Rohgasstrom und Partikelmesssystem noch weitere Komponenten zur Druckentkopplung vorgesehen werden.
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Bei der Partikelmesseinrichtung kann es sich um einen Sensor (z.B. ein CPC-Sensor - Condensation Particle Counter) zum Messen der Partikelanzahl in dem durch die Messeinrichtung geführten Volumenstrom handeln. Die Funktionsweise eines CPC basiert auf einer definierten Verdampfung eines Arbeitsmediums (z.B. Butanol, Isopropanol) in den Aerosolstrom, woraufhin während einer folgenden Abkühlung eine definierte Übersättigung erreicht wird, welche zu einer Kondensation des Arbeitsmediums auf den Partikeln und einer nachfolgend möglichen optischen Detektion der durch das kondensierte Arbeitsmedium vergrößerten Partikel führt.
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Der mit dem Arbeitsmedium versehende Aerosolstrom wird nach Detektion der Partikel normalerweise bei Systemen des Standes der Technik verworfen. Erfindungsgemäß ist das jedoch nicht der Fall: hier wird der Aerosolstrom beibehalten und in geeigneter Weise rückgeführt (Kreislauf), wie auch an dieser Stelle noch im Einzelnen erläutert wird.
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Die Fördereinrichtung kann als Pumpe, zum Beispiel als Drehschieberpumpe oder Membranpumpe, ausgeführt sein und „saugt“ den Aerosolstrom vom Einlass durch die Verdünnungseinrichtung und die Partikelmesseinrichtung. Der sich dabei ergebende Fördervolumenstrom besteht insbesondere aus dem Aerosolstrom und dem als Verdünnungsgasstrom zugeführten Rückführvolumenstrom (bzw. den mehreren Rückführvolumenströmen, wenn entsprechend mehrere Verdünnungseinrichtungen vorgesehen sind). Die Verdünnungseinrichtung kann auf diese Weise den als Verdünnungsgasstrom (zum Beispiel Verdünnungsluft) dienenden Rückführvolumenstrom zum Verdünnen des Aerosolstroms nutzen.
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Die Pumpe(n) wie auch das gesamte Partikelmesssystem sollten möglichst dicht gegenüber der Atmosphäre ausgeführt sein, um die Ausnutzung der Massenerhaltung nicht zu stören. Vor allem die Membranpumpe ist dafür geeignet, da andere Pumpentypen häufig ein konstruktionsbedingtes Leck im Bereich der Antriebswelle aufweisen, das eine vollständige Abdichtung gegenüber der Atmosphäre beeinträchtigt.
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Mit dem Partikelmesssystem ist es möglich, vollständig auf externe, z.B. aus der Umgebung zugeführte Verdünnungsluft zu verzichten. Stattdessen wird der verdünnte Aerosolstrom, nachdem er die vorhandenen Sensoren (Partikelmesseinrichtung) oder den optionalen Bypass passiert hat, aufbereitet (Filtration, Abscheidung von Wasser und ungewollten Komponenten wie organischen Verbindungen, etc., siehe auch unten), so dass er als Verdünnungsgas (wieder-)verwendet werden kann. Anschließend wird dieser dem noch unverdünnten oder noch unvollständig verdünnten, frisch zugeführten Aerosolstrom zur Verdünnung an einer geeigneten Stelle oder mehreren geeigneten Stellen zugeführt, die zum Beispiel jeweils als Verdünnungsstufe realisiert werden können. Dieser Aufbau resultiert in einem Kreislauf, der von der Fördereinrichtung (zum Beispiel der Pumpe) angetrieben wird.
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Damit bei ansonsten unveränderten Bedingungen (zum Beispiel Druck, Temperatur) ein Probenvolumenvolumenstrom bzw. Aerosolstrom durch den Einlass (Probeneingang) in das System einströmen kann, ist ein Auslass in Form der Gas-Senke aus diesem Kreislauf notwendig. Da immer nur ein genauso großer (Aerosol-)Volumenstrom einströmen kann, wie gleichzeitig an diesem Auslass das System verlässt (es gilt das Massenerhaltungsgesetz), lässt sich der Aerosoldurchsatz pro Zeit durch Regeln des Gasflusses im vorliegenden System am Ort des Auslasses bzw. der Gas-Senke einstellen.
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Aufgrund des Kreislaufsystems und des Massenerhaltungsgesetzes kann der eingesaugte Aerosolstrom (Abgasstrom) und damit auch die Gesamt-Verdünnungs-Rate des Kreislaufsystems nun durch die direkte Steuerung des Auslassvolumenstroms als „Gas-Senke“ des Systems gesteuert werden.
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Die Aufbereitungseinrichtung kann wenigstens eine der folgenden Anlagenkomponenten aufweisen: wenigstens eine Abtrenneinrichtung zum Abtrennen von ungewollten Gaskomponenten aus dem Fördervolumenstrom, eine Kühleinrichtung bzw. Kondensationseinrichtung, eine Filtereinrichtung, und/oder eine Puffereinrichtung zum Puffern von Druckschwankungen.
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Die Aufbereitungseinrichtung erlaubt eine Art „Flow Reconditioning“. Mit Hilfe der Abtrenneinrichtung ist es möglich, ungewollte Komponenten wie zum Beispiel Wasser, Arbeitsmedium des CPC (Butanol, Isopropanol), etc., sowie flüchtige Abgaskomponenten aus dem Fördervolumenstrom zu entfernen und eine zur Verdünnung notwendige Güte des Gasstromes wiederherzustellen.
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Zur Unterstützung kann die Kühleinrichtung bzw. die Kondensationseinrichtung benutzt werden, um entsprechende unerwünschte Komponenten auszukondensieren. Ebenso können zum Beispiel Partikel durch die Filtereinrichtung aus dem Fördervolumenstrom entfernt werden. Auch ist es dabei möglich, Gaskomponenten durch Absorption und/oder Adsorption etc. (zum Beispiel an Aktivkohle, Silica, etc.) abzutrennen.
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Die Abtrennung des ungewünschten Anteils im Volumenstrom führt selbstverständlich zu einem geringen zusätzlichen Einfluss auf die Massenerhaltung, welche aber im Vergleich zu den Fehlern in konventionellen Partikelmesssystemen vernachlässigbar und/oder rechnerisch korrigierbar ist. Dies gilt insbesondere bei Bekanntsein des jeweiligen Anteils (z.B. Wasseranteil, HC-Anteil, ...), gewonnen durch weitere Sensorik im Partikelmesssystem oder aus den Daten weiterer gängiger Abgasanalytik, welche bei der Testung der Emissionen von Verbrennungsmotoren in gängiger Weise parallel zur der Partikelmesstechnik verwendet wird.
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Die Abtrennung der ungewollten Komponenten ist vorteilhaft im Sinne der Herstellung eines möglichst reinen Verdünnungsluftstroms, um ungewollte Effekte in den Verdünnungseinrichtungen oder den Partikelmesseinrichtungen (Partikelsensoren) zu vermeiden. Zudem entsteht der Vorteil, dass sämtliche (Fluss-) Mess- und Regeleinrichtungen und weitere Komponenten stromab von der Aufbereitungseinheit vor Kontamination geschützt werden.
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Die bei dem Partikelmesssystem gewählte Realisierung eines Kreislaufverdünners basiert auf der Mitnutzung des den (Partikel-)Sensor (CPC) verlassenden Volumenstroms. Dieser Volumenstrom enthält neben den Partikeln ebenso verdampfte Bestandteile des (CPC-)Arbeitsmediums, welches aufgrund der Grundwirkungsweise des CPC zur Bildung von Partikeln bzw. Schichten auf Partikeln durch Kondensation besonders geeignet ist. Daher sind Rückstände dieses Arbeitsmediums grundsätzlich unvorteilhaft, da diese zur ungewollten Partikelentstehung und damit zu starken Messartefakten beitragen können.
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In bekannten Partikelmesssystemen wird der den CPC (die Partikelmesseinrichtung) verlassende Volumenstrom daher stets verworfen. Im vorliegenden Partikelmesssystem jedoch kann durch die gewählte Bereitstellung der Aufbereitungseinrichtung der den CPC verlassende Volumenstrom (optional teilweise durchmischt mit dem Bypass-Volumenstrom, soweit ein Bypass vorhanden ist) nun jedoch wiederverwendet werden, was die weitere Erhöhung der Genauigkeit durch die Massenerhaltung in dem diesen Sensor einschließenden Kreislauf und die vom Sensorvolumenstrom unabhängige Einstellung des Probenvolumenstromes durch den Auslassvolumenstrom erst ermöglicht. Das Arbeitsmedium wird größtenteils durch Kondensation in der Aufbereitungseinrichtung abgeschieden, was zu dem zusätzlichen Vorteil führt, dass der das Partikelmesssystem verlassende Volumenstrom weitgehend frei von Dämpfen des Arbeitsmediums ist (im Gegensatz zu bekannten Messsystemen).
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Die Puffereinrichtung zum Puffern von Druckschwankungen kann optional vorgesehen werden, um eine die Messqualität erhöhende Druckvergleichmäßigung in dem Kreislauf zu erreichen.
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Die Gas-Senke kann aufweisen: eine Flussregeleinrichtung zum Regeln des Auslassvolumenstroms und einen Auslass zum Verwerfen des geregelten Auslassvolumenstroms. Die Flussregeleinrichtung kann zum Beispiel eine Flussmesseinrichtung (Mass Flow Meter MFM) und eine Flussstelleinrichtung aufweisen. Als Flussstelleinrichtung eignet sich zum Beispiel ein regelbares Proportionalventil oder eine CFO („Critical Flow Orifice“).
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Mithilfe der Flussregeleinrichtung in der Gas-Senke lässt sich das Volumen der aus dem Abgasstrom entnommenen Partikelprobe, welche über den Einlass in das System gelangt, direkt und präzise festlegen und bestimmen. In Zusammenhang mit einer einfachen Zählung der Partikel an der Partikelmesseinrichtung ist somit - ohne weitere Zwischenschritte zur Verdünnungsratenbestimmung oder Konzentrationsbestimmung am Sensor - die Bestimmung der Konzentration der Partikel in der entnommenen Abgasprobe möglich. Dabei ist es möglich, dass eine Regelung des Aerosolstroms in das Partikelmesssystem (und damit der Menge der Partikel durch das Partikelmesssystem) ausschließlich über die Flussregeleinrichtung in der Gas-Senke erfolgt. So lässt sich die Partikelkonzentration eines Aerosols unabhängig von einzelnen gewählten Verdünnungen bestimmen. Dies resultiert in einer hohen Messgenauigkeit, da die Fehlerquellen der einzelnen Verdünnungseinrichtungen bzw. Verdünnungsstufen (üblicherweise zwei Verdünnungsstufen in Partikelzählsystemen für Motorabgase) nicht in den Fehler des Endergebnisses einfließen, und zudem Verdünnungsraten einer Verdünnungsstufe nicht aus dem Verhältnis je mindestens zweier potentiell fehlerbehafteter Flussraten berechnet werden müssen (bspw. aus dem in die Verdünnungseinrichtung eintretenden Verdünnungsluftstrom und dem austretenden Gesamtvolumenstrom des verdünnten Aerosols). Die Anzahl der Fehlerquellen wird somit deutlich verringert.
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Durch die aktive Flussregelung und -bestimmung in der Gas-Senke wird der Gesamtfehler des Systems somit primär auf nur ein Durchflussmessgerät reduziert.
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Für die Flussmesseinrichtung in der Gas-Senke kann eine zusätzliche Referenz-Durchflussmesseinrichtung vorgesehen sein, zum Kalibrieren der Flussmesseinrichtung auf diese Referenz-Durchflussmesseinrichtung. Insbesondere kann die Referenz-Durchflussmesseinrichtung bedarfsweise in Reihe mit der in der Gas-Senke vorgesehenen Flussmesseinrichtung angeordnet werden. Da - wie oben dargestellt - die Flussmesseinrichtung in der Gas-Senke allein dafür entscheidend ist, wie groß der Aerosolstrom am Einlass ist, ist somit die Genauigkeit dieser Flussmesseinrichtung entscheidend für die Messgenauigkeit im gesamten System. Durch das Vorsehen der Referenz-Durchflussmesseinrichtung kann die Genauigkeit weiter erhöht werden.
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Auch kann die Referenz-Durchflussmesseinrichtung innerhalb oder außerhalb des Kreislaufflusses, an einer Stelle außerhalb der im Messbetrieb durchflossenen Gaswege platziert sein (z.B. in einem Bypass im System oder auch extern), um eine im Messbetrieb mögliche Kontamination der Referenz-Durchflussmesseinrichtung durch Abgaskomponenten zu vermeiden. Während der Kalibrierung steht somit stets eine unverschmutzte und somit unveränderte Referenz zur Verfügung.
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Die gesamte Fehlerkette lässt sich dadurch auf nur einen einzigen Sensor zurückführen, der extern durch die Referenz-Durchflussmesseinrichtung kalibriert werden kann. Bei Nutzung des Bypasses zu den Sensoren muss zudem lediglich der durch den entsprechenden Sensor strömende Volumenstrom-Anteil des die letzte Verdünnungsstufe verlassenden, verdünnten Aerosolvolumenstromes bestimmt werden.
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Zudem kann die Referenz-Durchflussmesseinrichtung auch durch Nutzung der vorhandenen oder weiterer schaltbarer Gaswege in Reihe mit anderen Flussmesseinrichtungen des Systems geschaltet werden, um auch diese gegen diese unveränderte Referenz abzugleichen.
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Bei einer Ausgestaltung können eine erste Verdünnungseinrichtung und eine zweite Verdünnungseinrichtung vorgesehen sein, wobei der ersten Verdünnungseinrichtung ein erster Rückführvolumenstrom als Verdünnungsgasstrom zuführbar ist und der zweiten Verdünnungseinrichtung ein zweiter Rückführvolumenstrom als Verdünnungsgasstrom zuführbar ist. Auf diese Weise ist eine zweistufige Verdünnung des Aerosolstroms möglich. Bedarfsweise können auch noch weitere Verdünnungseinrichtungen und entsprechende weitere Rückführvolumenströme (Verdünnungsgasströme) realisiert werden, wenn noch stärkere Verdünnungen erreicht werden sollen.
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Ein jeweiliger Rückführvolumenstrom kann durch eine jeweilige Flussregeleinrichtung regelbar sein. Dabei kann jede Flussregeleinrichtung eine Flussmesseinrichtung und ein geeignetes Flussstellelement, zum Beispiel eine Proportionalventileinrichtung aufweisen. Als Flussregelelement eignet sich zum Beispiel ein MFC („Mass Flow Controller“).
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Zur Regelung der Rückführvolumenströme bzw. Verdünnungsgasströme kann demnach ebenfalls eine Flussregeleinrichtung (zum Beispiel MFC - Mass Flow Controller) vorgesehen sein, mit einer Flussmesseinrichtung und einem Flussstellelement (zum Beispiel Proportionalventil). Um eine Überbestimmung zu vermeiden, ist es dabei jedoch möglich, dass nicht sämtliche Verdünnungseinrichtungen eine derartige Regelung benötigen. Vielmehr kann bei einer der Verdünnungseinrichtungen (Verdünnungsstufen) eine passive Einstellung realisiert werden (da hier aufgrund der Massenerhaltung der verbleibende, nicht in die Gas-Senke und nicht in die anderen Verdünnungseinrichtungen strömende Rückführvolumenstrom strömen muss), so dass dort keine eigenen Bauelemente für die Regelung vorgesehen werden müssen.
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Die jeweiligen Flussregeleinrichtungen einschließlich dazu vorhandener Flussmesseinrichtungen in den einzelnen Rückführvolumenströmen definieren jeweils lediglich den Verdünnungsfaktor der zugehörigen Verdünnungseinrichtung. Eine Fehleinstellung oder Fehlmessung dieser Rückführvolumenströme ist jedoch absolut unkritisch, da sich zwar die auf die einzelnen Verdünnungseinrichtungen bezogenen Verdünnungsfaktoren, nicht jedoch die Gesamtverdünnung des Partikelmesssystems ändert. Sie führt lediglich zu einer Verschiebung der Verdünnungsanteile zwischen den Einzelverdünnungseinrichtungen - die Gesamtverdünnung wird jedoch, wie erläutert, lediglich durch die Genauigkeit des Auslassvolumenstroms definiert.
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Aufgrund der gleichen Überlegungen führt eine Ergänzung des vorliegenden Kreislaufverdünners mit beliebig vielen weiteren Verdünnungsstufen zu keiner Erhöhung des Gesamtfehlers des Partikelmesssystems.
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Für einen der Rückführvolumenströme kann eine Druckregeleinrichtung vorgesehen sein.
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Durch die Einbringung einer die Druckregeleinrichtung nutzenden Druckregelung in einer der Rückführvolumenströme, zum Beispiel mithilfe von Drosselventilen (bzw. den oben genannten Proportionalventilen), kann zudem erreicht werden, dass die Druckniveaus im gesamten Bereich von der Fördereinrichtung bis hin zu den jeweiligen Drosselungen durch die Flussregel- bzw. Druckregeleinrichtungen in den Rückführvolumenströmen sowie dem Auslassvolumenstrom reproduzierbar einstellbar und konstant sind. Sämtliche die Effizienz oder Genauigkeit beeinflussenden Komponenten (z.B. Flussmesselemente) des vorliegenden Partikelmesssystems können somit dem gleichen und reproduzierbaren Druck ausgesetzt werden, welcher zudem unabhängig von den äußeren Bedingungen dem Druck während der ursprünglichen Kalibrierung des Systems gleich sein kann. Dies verbessert die Reproduzierbarkeit der Durchflüsse zusätzlich und erlaubt außerdem eine von den Umgebungsbedingungen unabhängige Druckregelung. Insbesondere bietet sich zur Realisierung dieser Druckregelung die Nutzung der Flussstelleinrichtung des o.g. passiv durchströmten Rückführvolumenstroms an (Druckregelung statt Flussregelung in diesem Zweig).
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Die Konstanz der Drücke im Messsystem, einerseits erreicht durch eben genannte Druckregelung im Kreislauf, optional zusätzlich durch eine Druckentkopplungseinheit am Messsystemeingang, optional zusätzlich durch Puffereinrichtungen, erhöht zudem die genauigkeitsrelevante Konstanz des durch den Auslassvolumenstrom definierten Probenvolumenstroms, welcher durch diese Druckvergleichmä-ßigungsmaßnahmen nur minimal überlagert wird durch Druckausgleichsströmungen (welche einen undefiniert in- oder aus dem System fließenden zusätzlichen Probenvolumenstrom/Partikelstrom darstellen).
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In Bezug auf den Aerosolstrom stromab von wenigstens einer der Verdünnungseinrichtungen, jedoch stromauf von der Partikelmesseinrichtung, kann eine Verdampfereinheit vorgesehen sein, zum Verdampfen und/oder Abtrennen von flüchtigen Bestandteilen von dem Aerosolstrom. Dabei kann es sich um eine Evaporation Tube (ET), einen Catalytic Stripper (CS) oder eine andere geeignete Einheit handeln. Durch das Abtrennen flüchtiger Bestandteile von dem Aerosolstrom wird die Qualität des Aerosolstroms erhöht, so dass auch die Qualität der nachfolgenden Messung stromab von den Verdünnungsstufen erhöht werden kann.
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In einer Ausführung dieses Partikelmesssystems mit zwei Verdünnungsstufen und zwischengeschalteter Verdampfereinheit entspricht die Behandlung des Probenvolumenstroms / Aerosols auf dem Weg vom Messgeräteeinlass bis zum Sensor (Partikelmesseinrichtung) dem für Abgaszertifizierungsmessungen vorgesehenen Verfahren zur Partikelanzahlbestimmung nach dem Particulate Measurement Programme (PMP) bzw. den daraus abgeleiteten Regularien (z.B. ECE-R83, ECE-R49). Die genannten Vorteile des vorliegenden Systems ergeben sich jedoch aus der zu bekannten Systemen abweichenden, vorteilhaften und genaueren Erzeugung der Verdünnungsluftströme und des Probenvolumenstroms im Sinne des Kreislaufverdünners, welcher insbesondere den vollen, die Sensoren verlassenden Volumenstrom wiedernutzt.
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Parallel zu der Partikelmesseinrichtung kann wenigstens eine weitere Partikelmesseinrichtung zum Messen der Partikelanzahl angeordnet sein. Somit können bedarfsweise ein Messgerät (Sensor) oder auch mehrere Messgeräte parallel durch den Aerosolstrom durchströmt werden, um die gewünschten Messungen durchzuführen. Zum Beispiel ist es möglich, für jede Partikelmesseinrichtung einen anderen Sensortyp zu verwenden, um gezielte Messungen vorzunehmen oder auch Messungen gegeneinander abzugleichen. So können verschiedene Partikelmetriken wie auch die Partikelgrößenverteilung sowie aus Verhältnissen zweier Sensoren mit unterschiedlicher größenabhängiger Sensitivität bestimmt werden. Dabei wird jeweils ein Teil des Aerosolstroms durch die entsprechende Partikelmesseinrichtung geführt.
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Parallel zu wenigstens einer der Partikelmesseinrichtungen kann ein Bypass vorgesehen sein. Der Bypass stellt einen zusätzlichen Zweig parallel zu der einen oder den mehreren Partikelmesseinrichtungen dar und ermöglicht es insbesondere, den Gasfluss stets auf den gewünschten Gesamtgasfluss (durch die Messeinrichtungen und den Bypass) zu ergänzen, auch wenn unterschiedlich viele Messgeräte parallel zueinander geschaltet werden. Der Gasfluss durch die Messgeräte ist in der Regel konstant und nicht veränderbar. Im Gegensatz dazu kann der Gasfluss durch den Bypass geregelt werden, so dass auf diese Weise auch der Gesamtgasfluss regelbar ist. Dieser Bypass ermöglicht dadurch zudem eine verbesserte Reproduzierbarkeit, da der Fluss im Kreislauf somit unabhängig von anderen Einflussfaktoren auf gewünschte Werte eingestellt werden kann.
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Für den Bypass kann eine Flussregeleinrichtung mit einer im Bypass angeordneten Flussstelleinrichtung vorgesehen sein, zum Einstellen des Gasflusses durch den Bypass. Diese Flussregeleinrichtung ermöglicht es somit, dass der durch den Bypass gelangende Gasfluss so eingestellt bzw. eingeregelt wird, dass der gewünschte Gesamtgasfluss durch das System erreicht werden kann.
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Die Flussregeleinrichtung des Bypasses kann zum Beispiel eine Proportionalventileinrichtung als Flussstelleinrichtung aufweisen. Die für die Flussregeleinrichtung erforderliche Flussmesseinrichtung muss nicht zwingend im Bypass vorgesehen sein. Vielmehr kann es zweckmäßig sein, die für die Flussregeleinrichtung des Bypasses notwendige Flussmesseinrichtung räumlich auch an anderer Stelle im System bzw. im Kreislauf anzuordnen, zum Beispiel stromab von der Fördereinrichtung oder stromab von der Aufbereitungseinrichtung. Somit kann die Flussmesseinrichtung auch räumlich entfernt vom Bypass angeordnet werden. Der Vorteil dabei besteht darin, dass die Flussmesseinrichtung dann den gesamten Gasfluss (Fördervolumenstrom) misst, also auch die Gasströme durch die Partikelmesseinrichtungen. Zudem wird durch die vorherige Aufbereitungseinrichtung eine Kontamination dieser Flussmesseinrichtung sowie der folgenden Flussmesseinrichtungen vermindert. Durch Regeln des Bypasses kann dann der Gesamtgasfluss in der gewünschten Weise eingestellt werden.
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Ein Verfahren zum Messen einer Partikelanzahl in einem Aerosolstrom weist die Schritte auf:
- - Führen des Aerosolstroms durch wenigstens eine Verdünnungseinrichtung und Verdünnen des Aerosolstroms mit Hilfe eines Verdünnungsgasstroms;
- - nachfolgend Messen der Partikelanzahl in dem verdünnten Aerosolstrom;
- - nachfolgend Aufbereiten eines den Aerosolstrom aufweisenden Fördervolumenstroms;
- - nachfolgend Führen eines Teils des aufbereiteten Fördervolumenstroms als Verdünnungsgasstrom zurück zu der Verdünnungseinrichtung (zum Verdünnen des frisch eingebrachten Aerosolstroms) und Führen eines anderen Teils des Fördervolumenstroms als Auslassvolumenstrom zu einem Auslass.
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Dabei kann der eintretende Aerosolstrom ausschließlich durch Regeln des Auslassvolumenstroms eingestellt werden.
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Zudem kann von dem verdünnten Aerosolstrom vor dem Messen der Partikelanzahl ein Bypass-Volumenstrom abgezweigt werden, der über einen Bypass geführt wird, wobei der Bypass-Volumenstrom geregelt wird, um den Aerosolstrom konstant zu halten.
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Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden nachfolgend anhand eines Beispiels unter Zuhilfenahme der begleitenden Figur näher erläutert. Die jeweils genannten Werte (zum Beispiel Volumenströme) beziehen sich dabei lediglich auf eine spezielle Ausführungsform. Die Erfindung ist aber auf die Verwirklichung dieser Werte nicht begrenzt. Je nach Dimensionierung der Anlage können auch andere konkrete Werte geeignet sein.
- 1 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Partikelmesssystems.
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1 zeigt ein Partikelmesssystem 1, das zum Beispiel in einem temperaturkontrollierten Gehäuse oder Schrank untergebracht sein kann. Die Temperaturkontrolle unterstützt z.B. reproduzierbare, genaue Messungen z.B. der Volumenströme an den Flussmessgeräten.
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Das Partikelmesssystem 1 weist einen Einlass 2 auf, über den ein Probenvolumenstrom bzw. Aerosolstrom 3 in das Partikelmesssystem 1 eingelassen werden kann.
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Der Einlass 2 ist zum Beispiel mit dem Auspuff eines Verbrennungsmotors gekoppelt, dem auf diese Weise Rohabgas entnommen und dem Partikelmesssystem 1 zum Zählen der Anzahl der im Abgas enthaltenen Partikel zugeführt werden kann. Stromauf von dem Einlass 2 kann eine nicht dargestellte Druckentkopplungsvorrichtung angeordnet sein, die insbesondere dazu dient, von der Rohabgasquelle stammende Druckschwankungen bzw. -oszillationen, aber auch Schwankungen der Umgebungsdrücke etc. auszugleichen oder zu vergleichmäßigen. Es wird somit angestrebt, dass der Aerosolstrom 3 möglichst konstant ist. Bei einer realisierten Ausführungsform beträgt der Aerosolstrom 3 50 ml/min bei einem Druck von 85 kPa.
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Der Aerosolstrom 3 wird einer als erste Verdünnungseinrichtung dienenden ersten Verdünnungsstufe 4 zugeführt, wo der Aerosolstrom 3 in einem bestimmten Verhältnis (zum Beispiel 1:10, oder einstellbar im Bereich von z.B. 1:5-1:200, im Folgenden zum Beispiel 1:10) verdünnt wird. Wenn zum Beispiel der Aerosolstrom 3 am Einlass 2 50 ml/min beträgt, beträgt der verdünnte Aerosolstrom 3 stromab von der ersten Verdünnungsstufe 4 500 ml/min.
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Zum Erreichen der gewünschten Verdünnung wird der ersten Verdünnungsstufe 4 ein Verdünnungsgasstrom 5 zugeführt, der später noch eingehend erläutert wird. Der Verdünnungsgasstrom 5 enthält insbesondere Verdünnungsluft, die zum Verdünnen des Aerosolstroms 3 in der ersten Verdünnungsstufe 4 verwendet wird.
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Nach der Verdünnung in der ersten Verdünnungsstufe 4 wird der verdünnte Aerosolstrom 3 durch eine optionale Verdampfereinheit 6 geführt, in der flüchtige Bestandteile aus dem Aerosolstrom 3 verdampft und/oder abgetrennt werden können. Als Verdampfereinheit 6 eignet sich zum Beispiel eine Evaporation Tube (ET) oder zur Verdampfung und Abtrennung ein (geheizter) Catalytic Stripper (CS). Für die Gesamtfunktion des Partikelmesssystems 1 ist die Verdampfereinheit 6 aber nicht zwingend erforderlich; sie dient insbesondere der Verbesserung des Aerosolstroms 3 und damit der Erhöhung der Messqualität.
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Stromab von der Verdampfereinheit 6 ist eine als zweite Verdünnungseinrichtung dienende zweite Verdünnungsstufe 7 vorgesehen, der - wie der ersten Verdünnungsstufe 4 - ein Verdünnungsgasstrom 8 (insbesondere Verdünnungsluft) zugeführt wird. Auch in der zweiten Verdünnungsstufe 7 kann damit ein gewünschtes Verdünnungsverhältnis (zum Beispiel 1:10) erreicht werden. Dabei können die erste Verdünnungsstufe 4 und die zweite Verdünnungsstufe 7 jeweils den gleichen Verdünnungsgrad erreichen, wobei aber ohne weiteres auch unterschiedliche Verdünnungsverhältnisse möglich sind.
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Durch die zweistufige Verdünnung kann somit insgesamt bereits eine starke Verdünnung des über den Einlass 2 eingebrachten Rohgasstroms (Aerosolstrom 3) erreicht werden. Ohne Weiteres ist es aber auch möglich, noch weitere Verdünnungsstufen entsprechend der ersten Verdünnungsstufe 4 und der zweiten Verdünnungsstufe 7 einzusetzen, wenn dies zweckmäßig ist.
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Die Verdünnung des Aerosolstroms 3 ist erforderlich, um die Partikelanzahl im Aerosolstrom derart zu reduzieren, dass die Partikel zuverlässig durch das eigentliche Messgerät erfasst werden können. Übliche Messgeräte sind nicht in der Lage, Partikel in hoher Anzahl in einen Aerosolstrom zu detektieren. Insbesondere auf einem optischen Prinzip basierende Sensoren erfordern daher eine entsprechend starke Verdünnung.
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Stromab von der zweiten Verdünnungsstufe 7 wird ein Teil des verdünnten Aerosolstroms 3 durch einen als Partikelmesseinrichtung dienenden ersten Sensor 9 geführt. Der erste Sensor 9 ist in der Lage, die Partikel im Aerosolstrom 3 zuverlässig zu detektieren. Zu diesem Zweck hat sich zum Beispiel ein Kondensationskernzähler (Condensation Particle Counter CPC) als geeignet erwiesen.
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Zur Verbesserung der Messqualität können darüber hinaus weitere Partikelmessgeräte, zum Beispiel ein zweiter Sensor 10 vorgesehen sein, denen parallel zu dem ersten Sensor 9 ebenfalls ein Teil des verdünnten Aerosolstroms 3 zugeführt wird. Der Aerosolstrom 3 wird somit in mehrere Teilströme aufgeteilt. Der zweite Sensor 10 wie auch gegebenenfalls weitere Partikelmessgeräte können das gleiche Messprinzip aufweisen wie der erste Sensor 9, mit der gleichen aber auch mit einer bewusst abweichenden Partikelgrößensensitivität. Ebenso ist es aber auch möglich, dass die weiteren Messgeräte bzw. der zweite Sensor 10 auf einem anderen Messprinzip beruhen. Auf diese Weise lässt sich die Partikelanzahl in dem verdünnten Aerosolstrom 3 zuverlässig ermitteln.
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Zusätzlich zu dem ersten (und gegebenenfalls einzigen) Sensor 9 ist ein Bypass 11 vorgesehen, der parallel zu dem ersten Sensor 9 (und gegebenenfalls den weiteren Sensoren bzw. Partikelmessgeräten) von einem Teil des Aerosolstroms 3 durchströmt wird, wie insbesondere in 1 gut erkennbar. Der Bypass 11 weist eine eigene Flussregelung oder Flusseinstellung auf, wie später noch erläutert wird.
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Stromab von der Anordnung von Partikelmessgeräten (erster Sensor 9, gegebenenfalls zweiter Sensor 10) und dem Bypass 11 ist eine als Fördereinrichtung dienende Pumpe 12 angeordnet, zum Fördern eines den Aerosolstrom 3 aufweisenden Fördervolumenstroms 13. Die Pumpe 12 kann zum Beispiel als Membranpumpe oder Drehschieberpumpe ausgebildet sein und dient dazu, den Aerosolstrom 3 am Einlass 2 zu erzeugen und aufgrund einer von der Pumpe 12 erzeugten Saugwirkung durch die beschriebenen Komponenten zu ziehen. Darüber hinaus drückt die Pumpe 12 den Fördervolumenstrom 13 durch weitere Komponenten, wie nachfolgend beschrieben wird.
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Insbesondere ist stromab von der Pumpe 12 eine Aufbereitungseinrichtung 14 zum Aufbereiten des Fördervolumenstroms 13 und damit des Aerosolstroms 3 vorgesehen. Die Aufbereitungseinrichtung 14 kann zum Beispiel eine Abtrenneinrichtung zum Abtrennen von Gaskomponenten aus dem Fördervolumenstrom 13 aufweisen, um auf diese Weise den Fördervolumenstrom 13 zu reinigen. Ebenso kann eine Kühleinrichtung, eine Kondensationseinrichtung, eine Filtereinrichtung oder eine Puffereinrichtung in der Aufbereitungseinrichtung 14 vorgesehen sein.
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Aufgabe der Aufbereitungseinrichtung 14 ist es, den von der Pumpe 12 kommenden, den Aerosolstrom 3 und damit Partikel enthaltenden Fördervolumenstrom 13 so gut wie möglich zu reinigen und von derartigen Partikeln, Festkörpern und (auch flüchtiger) Gaskomponenten zu befreien. Nach der Reinigung durch die Aufbereitungseinrichtung 13 wird somit der Fördervolumenstrom 13 jetzt auch als gereinigter Fördervolumenstrom 15 bezeichnet.
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Die Flussmenge des gereinigten Fördervolumenstroms 15 kann durch eine Flussmesseinrichtung 16 (z.B. ein Mass Flow Meter MFM) erfasst werden. Bei dem oben beschriebenen Beispiel für den Aerosolstrom 3 und die jeweiligen Verdünnungsgasströme 5 und 8 bzw. Verdünnungsverhältnisse (1:10) in der ersten Verdünnungsstufe 4 und der zweiten Verdünnungsstufe 7 sollte somit der Fördervolumenstrom 13 bzw. gereinigte Fördervolumenstrom 15 5000 ml/min betragen.
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Die Flussmesseinrichtung 16 kann Teil einer Flussregelung für den Bypass 11 sein. Zu diesem Zweck kann dem Bypass 11 ein nicht dargestelltes Flussstellelement, zum Beispiel ein regelbares Proportionalventil vorgesehen sein. Die Flussstellung (zum Beispiel Proportionalventil oder MFC - Mass Flow Controller) in dem Bypass 11 erhält somit einen Messwert von der Flussmesseinrichtung 16 über den gesamten Volumenstrom (Fördervolumenstrom 13 bzw. gereinigter Fördervolumenstrom 15), der durch die Pumpe 12 gefördert wird. Um den Volumenstrom auf einen gewünschten Wert (hier zum Beispiel 5000 ml/min) einzustellen, kann das Flussstellelement (Proportionalventil) im Bypass 11 entsprechend angesteuert werden.
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Unter der Annahme, dass die beiden Sensoren 9, 10 jeweils von einem unveränderlichen Volumenstrom von zum Beispiel 800 ml/min durchströmt werden, muss der Bypass 11 einen Volumenstrom von 3400 ml/min zulassen und kann dementsprechend geregelt werden.
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Stromab von der Flussmesseinrichtung 16 wird der gereinigte Fördervolumenstrom 15 aufgeteilt, nämlich in den Verdünnungsgasstrom 5 zu der ersten Verdünnungsstufe 4, den Verdünnungsgasstrom 8 zu der zweiten Verdünnungsstufe 7 und in einen Auslassvolumenstrom 17.
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Der Auslassvolumenstrom 17 wird - nach wie vor gefördert durch den Überdruck der Pumpe 12 - durch eine Flussmesseinrichtung 18 (z.B. MFM) und ein regelbares Proportionalventil 19 geführt, bevor er über einen Auslass 20 verworfen wird.
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Die Flussmesseinrichtung 18 und das Proportionalventil 19 bilden eine Flussregelung, die die Genauigkeit des Gesamtsystems bestimmt. Je genauer der Fluss durch die Flussmesseinrichtung 18 bzw. das Proportionalventil 19 eingestellt ist, desto genauer können die Messungen durch das Partikelmesssystem 1 erfolgen. Da oben angenommen wurde, dass der Aerosolstrom 3 am Einlass 2 beispielhaft 50 ml/min betragen soll, muss aufgrund des Massenerhaltungssatzes auch der Auslassvolumenstrom 17 den gleichen Wert (50 ml/min) erreichen. Genau genommen verursacht die Einstellung des Auslassvolumenstroms auf 50 ml/min den zu erreichenden Aerosolstrom 3 am Einlass 2.
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Auch die Luft- bzw. Gaszufuhr zu den beiden Verdünnungsstufen 4, 7 kann eine Flussregelung aufweisen. So ist zur Regelung des Verdünnungsgasstroms 5 zur ersten Verdünnungsstufe 4 ein Flussregelelement (MFC), gebildet aus einer Flussmesseinrichtung 21 (z.B. MFM) und einem geregelten Proportionalventil 22 vorgesehen. Der Verdünnungsgasstrom 5 kann in dem bereits diskutierten Beispiel zum Beispiel 450 ml/min betragen.
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In entsprechender Weise kann auch der Verdünnungsgasstrom 8 zur zweiten Verdünnungsstufe 7 durch ein Flussregelelement, bestehend aus einer Flussmesseinrichtung 23 (z.B. MFM) und einem Proportionalventil 24 geregelt werden. Hier beträgt der Verdünnungsgasstrom 8 in dem genannten Beispiel 4500 ml/min.
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Eine Flussregelung für die zweite Verdünnungsstufe 7 ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Vielmehr ist es möglich, bei mehreren Verdünnungsstufen (hier: zwei Verdünnungsstufen) eine Verdünnungsstufe (hier: die zweite Verdünnungsstufe 7) ungeregelt zu belassen, so dass der sich dann automatisch einstellende Verdünnungsgasstrom (hier: Verdünnungsgasstrom 8) automatisch einstellt. Durch die Regelung des Bypasses 11 und des Auslasses 20 in der oben beschriebenen Weise sowie durch die Regelung der restlichen Verdünnungsstufen (hier: erste Verdünnungsstufe 4) sind die Flüsse im System ausreichend und präzise bestimmt. Der genannte ungeregelte Rückführvolumenstrom kann nun jedoch für die Druckregelung im Kreislaufsystem zwischen der Fördereinrichtung (z.B. Pumpe 12) und den Flussstelleinrichtungen (z.B. Proportionalventile 22, 24) verwendet werden.
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Der Bereich, in dem von dem Fördervolumenstrom 13 bzw. dem gereinigten Fördervolumenstrom 15 die Verdünnungsgasströme 5 und 8 abgezweigt werden, wird auch als Aufteilbereich 25 bezeichnet.
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Der Bereich stromab von der Abzweigung der Verdünnungsgasströme 5, 8, d.h. der Bereich für den Auslassvolumenstrom 17 bis zum Auslass 20 wird auch als Gas-Senke 26 bezeichnet.
