DE19651336C1

DE19651336C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung oder Einstellung des Ladungszustandes von Aerosolen

Info

Publication number: DE19651336C1
Application number: DE1996151336
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Pohlmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-12-10
Filing date: 1996-12-10
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2016-12-11

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor richtung zur Bestimmung des Ladungszustandes von Ae rosolen sowie eine Möglichkeit zur Einstellung eines definierten Ladungszustandes. Dabei eignet sich die erfindungsgemäße Lösung insbesondere zur Anwendung bei vergleichenden Untersuchungen, wo es auf defi nierte Ausgangsbedingungen ankommt und bei denen der Ladungszustand von Aerosolen einen Einfluß ausübt. Dies kann z. B. bei der vergleichenden Untersuchung verschiedener Filter, insbesondere von Kabinenluft filtern in Kraftfahrzeugen, der Fall sein.

In der Druckschrift DE 35 15 518 C1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Aerosolen beschrieben, bei dem die Konzentrationen der Partikel in verschiedenen Größenklassen erfaßt werden und so mit die Konzentration der Partikel einer bestimmten Größenklasse im Verhältnis zur Gesamtpartikelkonzen tration bestimmbar ist.

Zur Bestimmung der Gesamtkonzentration von Aerosolen sind die verschiedensten Meßgeräte, wie Kondensa tionskernzähler, optische Partikelzähler, aerodynami sche Partikelzähler, On-line-Massenmonitore oder Ae rosolfotometer bekannt. Diese wurden bisher je nach der zu bestimmenden Partikelgröße ausgewählt und ein gesetzt. Die in Aerosolen enthaltenen positiven und negativen Ionen des Trägergases, das in der Regel Luft ist, weisen unterschiedliche Beweglichkeiten auf und es ist aus diesem Grunde nicht möglich, bei be kannter Ionenkonzentration im Trägergas den Ladungs zustand des Aerosols ohne weiteres zu erfassen. Da der Ladungszustand des Aerosols, wie bereits ausge führt, bei vergleichenden Untersuchungen die Meßer gebnisse beeinflussen kann, ist es erforderlich, die sen zu bestimmen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit vorzugeben, mit der der Ladungszustand von Aerosolen einfach und sicher bestimmt werden kann und die Meß ergebnisse zur Einstellung eines definierten Ladungs zustandes in Aerosolen verwendet werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 für das Verfahren zur Bestim mung des Ladungszustandes, des Patentanspruchs 7 für das Verfahren zur Einstellung eines definierten La dungszustandes und des Patentanspruchs 9 für eine entsprechend ausgebildete Vorrichtung gelöst. Vor teilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit der Anwendung, der in den untergeordneten Ansprüchen enthaltenen Merkmale.

Es hat sich nun gezeigt, daß der Ladungszustand von Aerosolen auf einfache, sichere und kostengünstigere Art und Weise dadurch bestimmt werden kann, daß die Konzentration der neutralen Partikel in bezug zur Gesamtpartikelkonzentration bestimmt wird.

Vorteilhaft wird dabei der Effekt ausgenutzt, daß elektrisch geladene Partikel (positiv oder negativ) durch Migration in einem elektrischen Feld zu den Rändern eines zwischen Elektroden aufgebauten elek trischen Feldes wandern. Dabei sind die Ränder zumin dest teilweise durch die Elektroden gebildet.

Wird nun ein Aerosol mit positiv geladenen, negativ geladenen oder neutralen Partikeln durch das elektri sche Feld geführt, kommt es nach dem Zurücklegen ei ner bestimmten Wegstrecke, die abhängig von der Par tikelgröße, der Strömungsgeschwindigkeit und der Grö ße der angelegten Feldstärke E ist, dazu, daß infolge der Auslenkung der geladenen Partikel in einem be stimmten Bereich des Förderstromes des Aerosols nur noch neutrale Partikel enthalten sind. Bei aus reichend großer Wegstrecke und einer Abnahme des Ae rosolstromes im mittleren Bereich des Raumes, durch den das Aerosol geführt wird, d. h. mit maximalen Ab stand von den Rändern, kann davon ausgegangen werden, daß dort im Aerosolstrom ausschließlich ungeladene Partikel enthalten sind, deren Konzentration dann mit einem bekannten Aerosol-Meßgerät mit entsprechend der Partikelgröße ausreichender Empfindlichkeit bestimmt werden kann. Setzt man den so bestimmten Wert ins Verhältnis zur Gesamtpartikelkonzentration, die vor her, gleichzeitig oder im Nachgang ermittelt werden kann, ist der Ladungszustand des zu bewertenden Aero sols bei bekannter Partikelgrößenverteilung ohne wei teres bestimmbar, da die Ladungsverteilung um den neutralen Punkt in der Regel symmetrisch ist.

Erfindungsgemäß kann die Gesamtpartikelkonzentration einmal dadurch bestimmt werden, daß im Anschluß an die Bestimmung der Konzentration der neutralen Parti kel durch Abschaltung des elektrischen Feldes mit dem gleichen Meßgerät, mit dem bereits die Konzentration der neutralen Partikel bestimmt worden ist, auch die Gesamtpartikelkonzentration bestimmt wird. Aus dem Meßwert für die Gesamtkonzentration (C₀) und dem ge messenen Wert der Konzentration der ungeladenen Par tikel (C_N) kann durch einfache Verhältnisbildung C_N/C₀ der Neutralisationsgrad N_G bestimmt werden.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Gesamtpar tikelkonzentration vor der Separation der im Aerosol enthaltenen geladenen Partikel oder eine Bestimmung durch Summation und Verhältnisbildung der Konzentra tionen der neutralen und geladenen Partikel im Aero sol durchzuführen.

Günstigerweise sollte das Verfahren zur Bestimmung der verschiedenen Konzentrationen bei einem konstan ten Fördervolumenstrom durchgeführt werden, was dazu führt, daß eine einfache zeitabhängige Konzentra tionsbestimmung über die Bestimmung der jeweils ent haltenen Partikelanzahl möglich wird. Dabei kann die Anzahl bzw. die Masse der jeweiligen im Aerosol ent haltenen Partikel nach einer definiert vorgegebenen Meßzeit volumenabhängig (Anzahl/cm³, mg/cm³) bestimmt werden. Selbstverständlich können auch Vergleichsun tersuchungen bei verschiedenen Fördervolumenströmen durchgeführt werden, um den bereits genannten Ein flüssen, wie Partikelgröße, Partikelmasse, Strömungs geschwindigkeit und angelegter Feldstärke E Rechnung zu tragen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dabei dadurch, daß mit dem erfindungsgemäß er mittelten Ladungszustand des Aerosols eine Möglich keit geschaffen wird, um gezielt Einfluß auf einen vorgebbaren definierten Ladungszustand von Aerosolen zu nehmen. Dabei werden einstellbare Ionenquellen verwendet, die positive und negative Ladungen dem Aerosol vorteilhaft im Überschuß zusetzen und dies dazu führt, daß im Aerosol eine stetige Ladungsver teilung auftritt. Vorteilhaft erfolgt die Einstellung des definierten Ladungszustandes so, daß ein maxima ler Anteil neutraler Partikel im Aerosol enthalten ist, wobei ausgehend von einer symmetrischen Ladungs verteilung mit einem Maximum, mit einer Einstellung eines definierten Ladungszustandes durch im Überschuß vorhandene Ionen im Aerosolträgergas gesichert, daß die Bestimmung der Konzentration der neutralen Parti kel eine ausreichend genaue Aussage ergibt. Durch Maximierung des Anteils der neutralen Partikel im Aerosol kann eine besonders einfache definierte Ein stellung des Ladungszustandes erreicht werden.

Für die Bestimmung der Konzentration der neutralen Partikel in einem Aerosol kann eine einfache Vorrich tung verwendet werden, wobei ein elektrisches Feld zwischen zwei unterschiedlich geladenen Elektroden aufgebaut wird und das Aerosol durch den dazwischen liegenden Raum, z. B. durch Absaugen, geführt wird. An die Elektroden sollte vorteilhaft eine Hochspannung im Bereich um 10.000 V angelegt werden. Beim Vorbei strömen an den Elektroden durch das elektrische Feld kommt es zu einer Trennung (Separation) der geladenen und der neutralen Partikel, wobei die neutralen Par tikel nach Durchlaufen einer ausreichend großen Weg strecke zwischen dem elektrischen Feld nahezu aus schließlich im mittleren Bereich zwischen den Rändern des Raumes, zwischen dem das Aerosol geführt wird, also in der Mitte vorbei strömen und demzufolge dort auf einfache Art und Weise von den anderen geladenen Partikeln separiert werden können.

Die verwendeten Elektroden können dabei als Ränder eines Strömungskanales mit runder bzw. rechteckiger Form zumindest teilweise ausgebildet werden, durch den das Aerosol zur Separation der geladenen Partikel geführt wird.

Günstige Symmetrien lassen sich dabei günstigerweise dadurch erreichen, daß zwei zylinderförmige Elektro den ineinander gefügt werden und der zwischen ihnen ausgebildete Ringspalt als Raum für die Durchführung des Aerosols genutzt wird. Der Abstand und die Länge der zu verwendenden Elektroden sollten dabei ein Ver hältnis von mindestens 1 : 5 aufweisen, um eine ausrei chend große Wegstrecke für die Separation der gelade nen Partikel zu erhalten.

Nachfolgend soll die Erfindung an Ausführungsbeispie len näher beschrieben werden.

Dabei zeigt:

Fig. 1 zwei verschiedene Ladungsverteilungen in Aerosolen mit Maximierung des neutralen Anteils;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Separa tion der geladenen Partikel eines Aerosols mittels eines zwischen Elektroden ausgebil deten elektrischen Feldes und

Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch ein Ausfüh rungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vor richtung.

Das in der Fig. 1 gezeigte Säulendiagramm zeigt zwei verschiedene Ladungsverteilungen in einem Aerosol, wobei die rechte Ladungsverteilung in den positiven Bereich verschoben ist und bei der links dargestell ten Ladungsverteilung eine Maximierung des neutralen Anteils durch gezielte Einflußnahme auf eine Ionen quelle erreicht worden ist.

Die in Fig. 2 gezeigte schematische Darstellung gibt den Sachverhalt wieder, wenn ein Gesamtvolumenstrom V_ges durch ein von zwei gegensinnig gepolten Elektro den ausgebildetes elektrisches Feld geführt wird und sich nach dem Zurücklegen einer ausreichenden Weg strecke der Volumenstrom in einen zentralen Volumen strom V₁, in dem ausschließlich ungeladene Partikel enthalten sind und in einen Volumenstrom V₂ mit ge ladenen Partikeln aufspaltet. Der Volumenstrom V₁ kann hierbei im zentralen mittleren Bereich zwischen den beiden Elektroden abgenommen und die Konzentra tion der ungeladenen Partikel C_N gemessen werden.

Unter Nutzung dieses Prinzips kann auf das Ausschal ten des elektrischen Feldes verzichtet werden, wenn die beiden außen geführten Volumenströme V₂, in denen die geladenen Partikel K enthalten sind, gesondert gemessen werden. Hierbei kann der Ladungszustand des Aerosols ohne jeglichen Zeitverzug gemessen und eine On-line-Messung mit einer entsprechend nachgeordneten Steuerung eingesetzt werden.

Unter Berücksichtigung der Massenbilanz gilt für die Konzentrationsanreicherung der geladenen Partikel K im äußeren Bereich zwischen den Elektroden V_ges = V₁ + V₂. Daraus läßt sich die Konzentrationsanreicherung der geladenen Partikel K mit

K = V_ges/(V_ges - V₁)

bestimmen.

Die Gesamtkonzentration C₀ setzt sich aus der Konzen tration der geladenen Partikel C_G und der ungeladenen Partikel C_N zusammen.

Im Volumenstrom V₂ ist bei eingeschaltetem elektri schen Feld die Konzentration

C₂ = C_N + KC_G.

Für den Volumenstrom V₁ gilt dann

C₁ = C_N.

Daraus resultierend kann der Neutralisationsgrad (Ladungszustand) mit

bestimmt werden.

In der Fig. 3 ist der schematische Aufbau eines Bei spiels für eine erfindungsgemäß zu verwendende Vor richtung in einem Schnitt dargestellt.

Bei diesem Beispiel werden als Elektroden zwei inein andergefügte Zylinder 2 und 3 verwendet, wobei zwi schen beiden ein ringspaltförmiger Raum 1 ausgebildet ist, durch den das zu bestimmende Aerosol geführt werden kann. Wird an die Elektroden 2 und 3 eine Hochspannung angelegt, bildet sich ein elektrisches Feld aus, durch dessen Einflußbereich das durch den Aerosoleintritt 4 eingeführte Aerosol gelangt und damit die geladenen Partikel 7 von den neutralen Par tikeln 8 separiert werden. Die wirksame Länge der zylinderförmigen Elektroden 2 und 3 beträgt ca. 100 mm und der innere Durchmesser der äußeren zylin derförmigen Elektroden 2 beträgt 51 mm und der Außen durchmesser der inneren zylinderförmigen Elektrode 3 beträgt 30 mm.

Bei angelegter Hochspannung mit Spannungswerten bei ca. 10.000 V werden die geladenen Partikel 7 abge schieden und die ungeladenen Partikel können durch im zentralen Bereich des ringspaltförmigen Raumes 1 über düsen- und ggf. ringförmig ausgebildete Austritte 9 weiter durch eine Abführung für Aerosol 6 zu einer Meßeinrichtung 5 geführt werden. Mit der Meßeinrich tung 5, die ein bekanntes Aerosolmeßgerät, vorzugs weise ein Aerosolfotometer sein kann, wird die Kon zentration der neutralen Partikel gemessen.

Die Gesamtkonzentration der im Aerosol enthaltenen geladenen und ungeladenen Partikel 7, 8 kann dann einmal nach Abschalten der Hochspannung mit der Meß einrichtung 5 intermittierend bestimmt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, eine zweite nicht dargestellte Meßeinrichtung vorzusehen, die vor oder am Aerosoleintritt 4 angeordnet ist.

Mit einer so ausgebildeten Vorrichtung können Parti kel bis zu ca. 1,5 µm mit nur einer Elementarladung noch sicher abgeschieden werden. Dabei wird das Aero sol mit einem Volumenstrom von 0,5 l/min durch die Vorrichtung geführt, wobei aber eine Variation des Volumenstromes vorzugsweise in gestufter Form, ohne weiteres für vergleichende Messungen herangezogen werden kann. In der Fig. 3 ist dabei nicht darge stellt, daß die Meßeinrichtung 5 bzw. eine gegebenen falls verwendete zweite Meßeinrichtung für die Gesamtpartikelkonzentration mit einer Steuereinrich tung verbunden ist, die für die Einstellung von Io nenquellen verwendet wird, um den Ladungszustand des Aerosols gezielt einzustellen.

Der verwendete Meßaufbau kann dabei auch On-line ein gesetzt werden, so daß der Ladungszustand des Aero sols auf gleichem Niveau gehalten werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Ladungszustandes von Aerosolen, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der neutralen Partikel im Verhältnis zur Gesamtpartikelkonzentration des Aerosols bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem elektri schen Feld die geladenen Partikel im Aerosol separiert und anschließend die Konzentration der neutralen Partikel bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtpartikel konzentration nach Ausschalten des elektrischen Feldes bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung bei konstantem Fördervolumenstrom des Aerosols durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelanzahl oder die Masse der Partikel zeitabhängig be stimmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelanzahl oder die Masse der Partikel volumenbezogen be stimmt wird.

7. Verfahren zur Einstellung eines definierten La dungszustandes von Aerosolen, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der neutralen Partikel im Verhältnis zur Gesamt partikelkonzentration des Aerosols bestimmt und in Abhängigkeit des Meßergebnisses Ionenquellen so gesteuert werden, daß dem Aerosol positive und negative Ladungen zugesetzt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquellen so eingestellt werden, daß der Anteil der neutralen Partikel maximal wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aerosol durch einen Raum (1) zwischen zwei ein elektrisches Feld aufbauenden unter schiedlich geladenen Elektroden (2, 3) führbar ist und im zentralen Bereich dem Aerosoleintritt (4) gegenüberliegend, eine mit einer Meßeinrich tung (5) verbundene Abführung (6) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an den Elektroden (2, 3) eine Hochspannung anlegbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 3) ineinander gefügte Zylinder sind und der Raum (1) zwischen den Elektroden (2, 3) als Ringspalt ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abführung (6) ringförmig im zentralen Bereich des Raumes (1) zwischen den Elektroden (2, 3) ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (1) zwischen den Elektroden (2, 3) mindestens ein Verhältnis Abstand zur Länge der Elektroden (2, 3) von 1 : 5 aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß am Aerosoleintritt (4) ein zweites Aerosolmeßgerät zur Bestimmung der Gesamtpartikelkonzentration angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannung an den Elektroden (2, 3) abschaltbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßein richtung(en) (5) mit einer Steuereinrichtung zur Einstellung von Ionenquellen verbunden ist/sind.