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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Bestimmen des Teilchenanteils in einem Gasstrom und ein System
zur Durchführung
des Verfahrens.
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Verfahren und Vorrichtungen zum Bestimmen
des Teilchenanteils in einem Gasstrom finden insbesondere bei Verbrennungsmotoren
Anwendung, bei denen der Teilchenanteil des an die Umgebung abgeführten Rußes im Betrieb
des Motors bestimmt werden muß,
um diesen durch geeignete Regelungen möglichst gering zu halten. Dabei
soll sowohl die Anzahl der Rußpartikel
als auch deren Masse und Konzentration ermittelt werden. Um diese Werte
bestimmen zu können,
ist es bekannt, einen Sensor in einen Abgasstrang anzuordnen, der
die Anzahl der Teilchen bzw. Rußpartikel
erfaßt
und somit bspw. auch zur Überprüfung der
Funktionsfähigkeit
eines Rußfilters
herangezogen werden kann.
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Zur Detektion von Rußpartikeln
in einem Abgasstrom wird überlegt,
elektrostatische Rußsensoren
einzusetzen. Bei diesen sind zwei Elektroden vorgesehen, zwischen
denen eine Hochspannung angelegt wird.
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Diese Sensoren sollen bei Spannungen
unterhalb der Einsatzspannung von Entladungen arbeiten und den Strom
oder die Einsatzspannung von Überschlägen messen.
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Aus der
DE 198 17 402 C1 ist bereits
eine Sensoranordnung bekannt, bei der zur Bestimmung einer Rußteilchenmenge
eine konventionelle Strommesseinrichtung verwendet wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Demgegenüber wird ein Verfahren zum
Bestimmen des Teilchenanteils in einem Gasstrom vorgeschlagen, bei
dem zwischen zwei Elektroden eines Sensors, der sich im Gasstrom
befindet, eine Spannung angelegt wird und die Häufigkeit von aufgrund von Wechselwirkungen
zwischen Teilchen im Gasstrom und einem zwischen den Elektroden
durch die angelegte Spannung erzeugten elektrischen Feld auftretenden
Effekten unter Einsatz einer Impulsdetektionseinrichtung bestimmt
wird.
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Die Häufigkeit, d.h. die Anzahl pro
Zeiteinheit, der auftretenden Effekte läßt Rückschlüsse über die Teilchenmenge, -konzentration
und -masse zu. Hierzu ist es notwendig, eine geeignete Kalibrierung vorzunehmen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise
zum Bestimmen der Rußmenge
in einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors eingesetzt.
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Wird zwischen den beiden Elektroden
eine Hochspannung von mindestens etwa 8 kV angelegt, wird zum Bestimmen
des Rußanteils
die Häufigkeit der
zwischen den Elektroden erfaßten Überschläge erfaßt. Der
Wert der Hochspannung ist selbstverständlich abhängig vom Abstand zwischen den
beiden Elektroden. Die Rußpartikel
bzw. Teilchen im elektrischen Feld zwischen den beiden Elektroden des
Sensors beeinflussen dabei die Überschlagsspannung.
Die Anzahl der Überschläge pro Zeiteinheit
wird zur Bestimmung des Teilchenanteils ausgewertet.
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Eine weitere Möglichkeit sieht vor, zwischen den
Elektroden eine Hochspannung von etwa 4 bis 7 kV anzulegen und zum
Bestimmen des Teilchenanteils die Anzahl der auftretenden Teilentladungen
zu erfassen. Auch der Wert der Hochspannung ist in Abhängigkeit
des Elektrodenabstandes zu wählen.
Die Teilchen bzw. Rußpartikel
lösen Teilentladungen
aus. Bei dieser Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind geringere Spannungen als beim Verfahren auf Basis von Überschlägen notwendig.
Daher treten weniger Probleme hinsichtlich der elektromagnetischen
Verträglichkeit
(EMV) auf.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen
der Teilchenmenge in einem Gasstrom dient insbesondere zur Durchführung des
vorstehend beschriebenen Verfahrens. Die Vorrichtung umfaßt einen
Sensor, der zwei Elektroden aufweist. Außerdem ist eine Spannungsquelle,
vorzugsweise eine Hochspannungsquelle, zum Anlegen einer Spannung
zwischen den beiden Elektroden des Sensors vorgesehen. Des weiteren
ist eine Einrichtung zum Bestimmen der Häufigkeit der auftretenden Effekte
bereitgestellt. Diese Effekte sind bedingt durch die Wechselwirkungen
zwischen elektrischem Feld und Teilchen in diesem elektrischen Feld.
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Als Einrichtung zum Bestimmen der
Häufigkeit
kann dabei bspw. ein Hochspannungstastkopf und ein Oszillograph
dienen. Anstelle des Hochspannungstastkopfes und des Oszillographen
kann auch eine Auswerteschaltung eingesetzt werden, die direkt die
Häufigkeit
der Überschläge bzw.
der Teilentladungen erfaßt.
Hierzu kann bspw. eine Impulszählschaltung
oder auch eine Teilentladungsmeßschaltung
eingesetzt werden.
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Der Sensor besteht vorzugsweise aus
zwei konzentrischen, zylindrischen Elektroden.
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In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist ein Vorwiderstand zum Schutz der Spannungsquelle vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
kann bspw. zur Überwachung
eines Dieselpartikelfilters, der in wenigen Jahren gesetzlich vorgeschrieben
sein wird, eingesetzt werden. Eine andere Verwendung kann die Vorrichtung
in einer Regelung von Abgasrückführung und/oder
Einspritzung finden.
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Zur Auswertung der erfaßten Effekte
kann bspw. eine Recheneinheit vorgesehen sein, die ein die Häufigkeit
der Effekte repräsentierendes
Signal aufnimmt und vorzugsweise mit einem geeigneten Computerprogramm
der Teilchenanteil bestimmt.
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Ist zusätzlich ein Entstörwiderstand
direkt vor dem Sensor vorgesehen, kann die Vorrichtung bzw. Schaltung
zur Messung von Teilentladungen ebenfalls für die Messung von Überschlägen eingesetzt
werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden
Zeichnung.
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Es versteht sich, daß die vorstehend
genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur
in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Zeichnung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen
in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
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1 zeigt
einen Sensor zum Einsatz in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer
Darstellung.
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2 zeigt
ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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3 zeigt
ein Schaltbild einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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4 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
in einem Flußdiagramm.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines Sensors zum Einsatz in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer
Darstellung.
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6 zeigt
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
im Schaltbild.
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In 1 ist
in schematischer Darstellung ein Schnitt durch einen Sensor gezeigt,
der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet ist.
Dieser umfaßt
eine Außenelektrode 12 und
eine langgezogene Innenelektrode 14. Zwischen den beiden
Elektroden 12 und 14 ist ein Isolator 16 vorgesehen.
Die Innenelektrode 14 befindet sich in einem durch die Außenelektrode 12 gebildeten
Hohlraum.
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An der Austrittsstelle der Innenelektrode 14 aus
dem Isolator 16 in dem Sensor 10 ist der Isolator 16 zur
Innenelektrode 14 hin stufenförmig eingerückt, um Gleitentladungen zu
vermeiden. Der Isolator 16 ist langgezogen und es wird
vorzugsweise Luft durch einen Lufteinlaß 18 auf den Isolator 16 geblasen,
um eine Ablagerung von Ruß zu
verhindern, was zu einem Kurzschluß zwischen den beiden Elektroden 12 und 14 führen würde. Dazu
kann auch der Abgasstrom selbst verwendet werden. Eine andere Möglichkeit
sieht vor, einen beheizten Isolator 16 zu verwenden, so
daß abscheidender
Ruß sofort
verbrennt.
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Im Einsatz wird der Sensor 10 in
einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors angebracht und zwischen
der Außenelektrode 12 und
der Innenelektrode 14 eine Spannung angelegt.
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In 2 ist
ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt,
die den Teilchenanteil auf Basis von Überschlägen bestimmt.
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Zu erkennen ist ein Strommesser 20,
eine Hochspannungsquelle 22, ein Vorwiderstand 24,
ein Hochspannungskastkopf 26, ein Oszillograph 28 und ein
Sensor 30.
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Bei dieser Ausführung besteht der Sensor 30 vorzugsweise
aus zwei konzentrischen, zylindrischen Elektroden. Wird zwischen
diesen Elektroden eine geeignete Hochspannung (mindestens 8 kV – bei einem
Elektrodenabstand von 6 mm) angelegt, bewirken durch das elektrische
Feld des Sensors 30 bewegte Rußpartikel Überschläge zwischen den Elektroden.
Die Häufigkeit
dieser Überschläge läßt Rückschlüsse auf
die Anzahl, Konzentration und Masse der Rußpartikel zu.
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Zum Schutz der Spannungsquelle 22 wird diese über einen
hochohmigen Vorwiderstand 24 mit dem Sensor 30 verbunden.
Ein Überschlag
führt nach
dem Vorwiderstand zu einem Spannungseinbruch, der über den
Hochspannungstastkopf 26 mit dem Oszillographen 28 erfaßt wird.
Die Häufigkeit der Überschläge stellt
ein Maß für die Rußmenge dar.
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Der Hochspannungstastkopf 26 und
der Oszillograph 28 können
durch eine geeignete Auswerteschaltung ersetzt werden, die direkt
die Häufigkeit der Überschläge oder
einen anderen gewünschten Parameter
der Überschläge erfaßt.
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Zu beachten ist auch, daß Überschläge im Mittel
einen Strom zwischen den Elektroden bewirken. Dieser Strom ist höher als
der Strom bei einer Koronaentladung und steigt mit der Häufigkeit
der Überschläge an und
kann mit einem Drehspulinstrument 20 (Tiefpaß) erfaßt werden.
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In 3 ist
ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt,
die eine Bestimmung der Rußmenge
auf Basis von Teilentladungen ermöglicht.
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Zu erkennen ist eine Hochspannungsquelle 40,
ein Vorwiderstand 42, ein Koppelkondensator 44, ein
Meßwiderstand 46,
ein Oszillograph 48 und ein Sensor 50.
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Zwischen den beiden Elektroden des
Sensors 50 wird eine geeignete Hochspannung, üblicherweise
4 bis 7 kV – bei
einem Elektrodenabstand von 6 mm, angelegt. Durch die Spannung wird
ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden des Sensors 50 erzeugt.
Durch das elektrische Feld des Sensors 50 bewegte Rußpartikel
bewirken sogenannte Teilentladungen. Diese Teilentladungen sind
sehr schnell ablaufende elektrische Entladungen. Die zugehörigen kurzzeitigen
Spannungs- und Stromänderungen
werden aus den stationären
Spannungen und Strömen elektrisch
gefiltert, so daß diese
detektiert werden können.
Um hochfrequente Störungen
durch die Spannungsquelle 40 vom Teilentladungsmeßzweig fernzuhalten,
wird die Spannungsquelle 40 vorzugsweise über den
hochohmigen Vorwiderstand 42 mit dem Sensor 50 verbunden.
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Die Teilentladungen werden über den
Kondensator 44 ausgekoppelt, der für diese auch als niederohmige
Stromquelle dient. Dies ist notwendig, da die hochohmige Spannungsquelle 40 die
kurzen Stromstöße nicht
liefern kann. Je größer die
Kapazität
des Kondensators 44 gegenüber der des Sensors 50 ist,
um so höher
ist der Teilentladungsstrom und um so besser sind Teilentladungen
zu detektieren. Der Teilentladungsstrom bewirkt einen Spannungsabfall
am Meßwiderstand 46,
der mit dem Oszillographen 48 erfaßt wird. Die Häufigkeit
der Teilentladungen ist ein Maß für die Rußmenge.
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Der Meßwiderstand 46 bestimmt
die Abfallszeit eines Teilentladungsimpulses und sollte daher klein
sein, bspw. ca. 50 Ohm.
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Der Oszillograph 48 sollte
eine hohe Bandbreite besitzen, um die kurzzeitigen Teilentladungsimpulse
erfassen zu können.
Außerdem
wird dieser üblicherweise
durch einen Grob- und einen Feinschutz vor zu hohen Spannungen geschützt.
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In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann der Oszillograph 48 durch eine Auswerteschaltung ersetzt
werden, die direkt die Häufigkeit
der Teilentladungsimpulse oder einen anderen gewünschten Parameter der Teilentladungsimpulse erfaßt. Hierzu
bieten sich bspw. bekannte Impulszähler oder auch Teilentladungsmeßgeräte an, mit
denen die Impulse gezählt
(Impulsfrequenz) beziehungsweise deren Form bzw. Amplitude bestimmt werden
kann. Impulszähler
sowie Teilentladungsmeßgeräte werden
im Folgenden als Impulsdetektionseinrichtungen bezeichnet. Konventionelle
Strommessgeräte,
die ausschließlich
einen elektrischen Stromwert, gemittelt über viele Stromimpulse, bestimmen,
fallen hierbei nicht unter den Begriff „Impulsdetektionseinrichtung".
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In 4 ist
in einem Flußdiagramm
der Ablauf einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
wiedergegeben.
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In einem Schritt 60 wird ein Sensor
in einen Abgasstrom eines Dieselmotors angebracht. Dabei soll die
Rußmenge
in dem Abgasstrom bestimmt werden. Der Sensor umfaßt zwei
Elektroden zwischen denen in einem Schritt 62 eine Hochspannung, bspw.
8 kV, angelegt wird.
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Bedingt durch Wechselwirkungen zwischen Rußpartikeln
im Abgasstrom und dem zwischen den Elektroden ausgebildeten elektrischen
Feld kommt es zu Effekten, in diesem Fall zu Überschlägen, deren Häufigkeit,
d. h. deren Auftreten pro Zeiteinheit, in einem Schritt 64 erfaßt wird.
Die erfaßte
Häufigkeit stellt
ein Maß für die Rußmenge dar.
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Mittels einer geeigneten Auswerteschaltung oder
eines Auswerteprogrammes, die bzw. das entsprechend kalibriert ist,
wird in einem Schritt 66 die Rußmenge
bestimmt.
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Der bestimmte Wert der Rußmenge findet
in einem Schritt 68 Eingang in eine Regelung von Abgasrückführung und
Einspritzung. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann bspw. auch zur Überwachung eines
Dieselpartikelfilters eingesetzt werden.
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In 5 ist
ein alternativer Aufbau eines Sensors zum Bestimmen des Teilchenanteils
in einem Gasstrom mittels Überschlägen dargestellt,
der insgesamt mit der Bezugsziffer 70 bezeichnet ist. Der Sensor 70 besteht
aus zwei konzentrischen, zylindrischen Elektroden, nämlich einer
Innenelektrode 72 und einer Außenelektrode 74. Die
Innenelektrode 72 endet in einer Schlaufe. In der Außenelektrode 74 befindet
sich eine Gegenplatte 76. Wird zwischen den Elektroden 72 und 74 eine
geeignete Hochspannung in Abhängigkeit
des Abstandes zwischen Innenelektrode und Gegenplatte angelegt,
treten Überschläge zwischen
der Schlaufe der Innenelektrode 72 und der Gegenplatte 76 auf.
Die Überschläge werden
durch Rußpartikel,
die sich durch den Sensor 70 bewegen, beeinflußt. Bei
dem Sensor 70 ist ein Isolator 78 mit einem stabförmigen Teil 80 vorgesehen.
In dem stabförmigen
Teil
80 des Isolators 78 befindet sich eine Heizung
(nicht dargestellt), die abscheidenden Ruß verbrennt und dadurch einen
durch eine leitende Rußschicht
verursachten Kurzschluß verhindert.
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Durch die Verwendung einer Schlaufe
anstelle einer Spitze treten keine Vorentladungen auf, bevor die Überschläge einsetzen.
Außerdem
ist die Erosion an einer Schlaufe geringer als an einer Spitze.
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Die Heizung hält einen Teil des Isolators 78 zuverlässig rußfrei. Die
stabförmige
Ausführung
des Isolators 78 bewirkt eine geringe Wärmeabgabe an das Gehäuse und
sorgt so für
einen geringen Heizleistungsaufwand. Auf diese Weise kann auch die
Innenelektrode 72 rußfrei
gehalten werden.
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Die Heizung kann selbstverständlich auch bei
einer Spitzeninnenelektrode und einer Außenelektrode ohne Gegenplatte
zur Messung von Überschlägen bzw.
Teilentladungen verwendet werden.
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Das in 6 wiedergegebene
Schaltbild zeigt eine Hochspannungsquelle 90, eine Vorwiderstand 92,
einen Koppelkondensator 94, einen Meßwiderstand 96, eine
Oszillographen 98, einen Sensor 100 und zusätzlich zu
der in 3 dargestellten
Ausführung
einen Entstörwiderstand 102.
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Durch den Einbau des Entstörwiderstandes 102 direkt
vor dem Sensor 100 kann auch die Schaltung zur Messung
von Teilentladungen für
eine Messung der Überschläge verwendet
werden.
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Zur Erfassung der Rußmenge mittels Überschlägen bzw.
Teilentladungen gibt es folgende Alternativen: Die Stromimpulse
der Überschläge bzw.
Teilentladungen werden über
eine gewisse Zeit integriert. Man erhält so die in den Entladungen
transportierte Ladung. Diese ist ein Maß für die Rußmenge.
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Wird die Innenelektrode an eine negative Spannung
angeschlossen, treten in einem bestimmten Spannungsbereich sogenannte
Trichelentladungen auf. Diese treten auch auf, ohne daß sich Rußpartikel
durch das elektrische Feld des Sensors bewegen. Ihr Spannungsverlauf
ist impulsförmig.
Diese Impulse überlagern
sich mit den durch die Rußpartikel
hervorgerufenen Teilentladungsimpulsen. Die Impulse können zur
Bestimmung der Rußmenge
herangezogen werden.
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Des weiteren können zur Bestimmung des Rußanteils
neben der Häufigkeit
auch die Breite, die Amplitude und die Einsatzspannung der Überschlags-
und Teilentladungsimpulse verwendet werden.