DE3921895C2

DE3921895C2 - Aerosol-Elektrometer und Aerosol-Sensoreinrichtung

Info

Publication number: DE3921895C2
Application number: DE19893921895
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Seifert; Eberhard Pfeiffer; Rudi Niersberger
Original assignee: Individual
Current assignee: PRZYBILLA, KARL, DR., VADUZ, LI
Priority date: 1989-07-04
Filing date: 1989-07-04
Publication date: 1996-10-10
Anticipated expiration: 2009-07-05
Also published as: DE3921895A1

Description

Der vorliegende Erfindungskomplex betrifft allgemein den Bereich der Bestimmung von in einem Gasstrom dispergier ter Teilchen (Aerosole) unter Zuhilfenahme der sog. photoelektrischen Detektion.

Aus umweltpolitischen und auch gesundheitlichen Gründen ist es heut zutage in weiten Bereichen der Technik not wendig geworden, den Gehalt an Feststoffen in der Luft, in Gasen oder Abgasen festzustellen. Insbesondere hin sichtlich von Nachforschungen, die die Gesundheitsschäd lichkeit von Abgasen betreffen, erhält man wichtige Kenndaten aus der Messung der Feststoffbelastung von Abgasen, wodurch Rückschlüsse auf die Schädlichkeit von Abgaspartikeln auf den menschlichen oder auch tierischen Organismus gezogen werden können. Darüber hinaus ist es in der heutigen Zeit unvermeidbar geworden, Schadstoff konzentrationen in der Luft, in Abgasen, in Betrieben etc. ständig zu kontrollieren und zu überwachen.

Eine Möglichkeit der Bestimmung von Feststoffteilchen in einem Abgas bietet die bereits eingangs erwähnte photo elektrische Detektion. Hierbei werden in einem Gasstrom enthaltene, dispergierte Teilchen (Aerosole) mit Licht (z. B. UV-Licht der Wellenlänge von 254 nm) photoelek trisch aufgeladen und die Ladung mittels eines Aerosol- Elektrometers kontinuierlich detektiert.

Der hier ausgenutzte Prozeß der Photoemission von kleinen Partikeln läßt sich in folgende Teilschritte unterteilen:

1. Anregen eines Elektrons durch Absorptions eines Photons.
2. Entfernen des Elektrons aus dem Bereich des Ober flächenpotentials.
3. Entfernen des Photoelektrons aus dem Bereich des Bild- und Coulomb-Potentials.
4. Entfernen des Photoelektrons aus der nächsten Nähe des Partikels durch Diffusion in den Raum.

Der Teilschritt 4 ist im Zusammenhang mit der Photo emission an Aerosolen von besonderer Bedeutung. Für große Partikel mit R » λ_e, wobei R der Partikelradius und λ_e die mittlere freie Weglänge eines Elektrons im Trägergas ist, wird die Wahrscheinlichkeit, wieder durch Diffusion auf das Partikel zurückzugelangen, gleich 1. Das bedeutet, daß eine effiziente Photoaufladung nur an kleinen Partikeln (R « λ_e) möglich ist.

Stoffe mit niedriger Austrittsarbeit sind neben reinen Metallen die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasser stoffe (PAH′s).

PAH′s entstehen bevorzugt bei der Verbrennung organi schen Materials. Wobei die Konzentration an PAH′s ein Maß für die Unvollkommenheit der Verbrennung ist, d. h. je höher der Anteil an PAH′s im Abgas, desto unvoll ständiger ist die Verbrennung. Werden diese Stoffe in Aerosolform (d. h. dispergiert in einem Gasstrom) mit Lichtquanten bestrahlt, können die gebildeten positiv geladenen Partikel kontinuierlich detektiert werden.

Die pro Zeiteinheit entstehenden positiv geladenen Teil chen N⁺ aus einem Ensemble ungeladener Teilchen N kann man folgendermaßen beschreiben:

Y(h·νv) = Photoausbeute eines photoemissions fähigen Stoffes bei einer gegebenen Energie;
F = Bedeckungsgrad eines Partikels mit photoemissionsfähigem Stoff;
π·r² = beleuchteter Querschnitt eines Par tikels;
I = Intensität der Lichtquelle;
N = Anzahlkonzentration der neuen Par tikel; und
t_irr = Belichtungszeit.

Das Signal der Sonde hängt bei konstantem Photonenfluß, konstanter Intensität und Belichtungszeit somit von der Anzahl der zur Verfügung stehenden Teilchen, dem Be deckungsgrad dieser Teilchen, dem Partikelquerschnitt und der stoffspezifischen Photoausbeute Y ab. Dieser Zusammenhang konnte auch experimentell bestätigt werden.

Die Nachweisgrenze ist von der Photoausbeute Y und der unteren Grenzempfindlichkeit des verwendeten Aerosol- Elektrometers abhängig. Da die Partikel kontinuierlich elektrisch aufgeladen und ihre Ladungen gemessen werden, ist somit auch eine one-line- und real-time-Detektion möglich.

Aus der DE 34 17 525 C1 ist eine Vorrichtung zur quantitativen und qualitativen Erfassung von kohlenwasserstoffhaltigen Schwebeteilchen in Gasen bekannt, bei der das zu untersuchende Aerosol durch eine Kammer geleitet und mittels einer Lampe mit ultraviolettem Licht durchsetzt wird. Dieses Gerät eignet sich besonders für Luftverschmutzungsmessungen.

Die DE 31 36 646 C2 offenbart eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Messen von Feststoffen in Abgasen, welche mit einem Meßfilter, einer Absaugvorrichtung sowie einer zwischen Meßfilter und Absaugvorrichtung angeordneten Durchflußmeßeinrichtung und einem Gaszähler ausgestattet ist. Hierbei wird das Probegasvolumen vor Eintritt in den Meßfilter verdünnt, kondensationsfrei abgekühlt und über den Meßfilter abgesaugt.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Ziel zugrunde, die Effizienz und die Aussagekraft von Schadstoffmessungen zu verbessern bzw. zu erhöhen.

Dieses Ziel wird durch die Schaffung eines Aerosol- Elektrometers zur Bestimmung von in einem Gasstrom dispergierter, geladener Teilchen (Aerosole) gelöst. Dieses weist eine Abschirmung und eine innerhalb der Abschirmung vorgesehene Abscheideeinrich tung auf, welche sich in einem isoliert gelagerten Faraday- Käfig befindet, der mittelbar oder unmittelbar mit dem Eingang eines Elektrometerverstärkers in Verbindung steht. Die Abscheideeinrichtung ist über eine Verschluß einrichtung dem Aerosol-Elektrometer entnehmbar.

Das erfindungsgemäße Aerosol-Elektrometer bietet den Vorteil, daß nach der Bestimmung der Ladung der Aerosole die Aerosole einer chemischen und/oder physikalischen Analyse zugeführt werden können, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, eine Korrelation zwischen beiden Aus sagen (nämlich der elektrischen Ladung sowie der che mischen Beschaffenheit) herzustellen.

Eine besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aero sol-Elektrometers ist dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheideeinrichtung einen mechanischen Filter aufweist, welcher mittels einer Halterung in das Aerosol-Elektro meter einsetzbar ist und auf dem die Aerosole abgeschie den werden können. Durch Entnahme des Filters ist in einfacher Weise möglich geworden, die abgeschiedenen Aerosole einer chemischen und/oder physikalischen Prü fung zu unterziehen. Der Filter läßt sich gleichsam in Form eines Einsatzes problemlos dem Aerosol-Elektrometer entnehmen und in eine beispielsweise naß-chemische Appa ratur einsetzen. Darüber hinaus können Filter unter schiedlicher Art bzw. Kalibrierung in ein und dasselbe Elektrometer eingesetzt werden.

Zweckmäßigerweise weist eine besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aerosol-Elektrometers als Abschirmung zwei Schirme, nämlich einen äußeren und einen inneren Schirm auf, wobei der Eingang des Elektrometerverstär kers sich im inneren Schirm befindet und unmittelbar mit dem Faraday-Käfig verbunden ist. Durch diese Doppelab schirmung werden störende elektrische Einflüsse von außen vollständig vermieden und ein aussagekräftiges repräsentatives Ergebnis gewährleistet.

Vorteilhafterweise ist als Verschlußeinrichtung ein Bajonett-Verschluß vorgesehen, was den Vorteil hat, daß die Abscheideeinrichtung bzw. der von einer Halterung fixierte Filter rasch aus dem Aerosol-Elektrometer ent nehmbar ist. Folglich kann auch ein Wechsel oder eine Erneuerung der Abscheideeinrichtung bzw. des Filters rasch erfolgen, wobei das Aerosol-Elektrometer nicht in Einzelteile zerlegt werden muß.

Als weiteren Bestandteil betrifft die vorliegende Er findung eine Aerosol-Sensoreinrichtung, mit einer Photoionisationseinheit zur Photoionisation vorher im wesentlichen neutraler Teil chen (Aerosole) eines Gasstroms, einem Aerosol-Elektro meter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mindestens einer Pumpe, mindestens einem Durchflußmesser sowie einer Aus werteelektronik. Mit dieser Einrichtung können photo emissionsfähige Stoffe unter Einbeziehung der Vorteile des erfindungsgemäßen Aerosol-Elektrometers detektiert werden. Insbesondere können polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH′s), an deren Messung wegen ihrer gesundheitsgefährdenden Eigenschaften ein erhebliches Interesse besteht, festgestellt werden. Im Vergleich zur herkömmlichen Analytik, welche ein langwieriges Sammeln und Aufbereiten von Proben notwendig macht, kann mit der erfindungsgemäßen Aerosol-Sensoreinrichtung innerhalb nur weniger Sekunden gemessen werden, wobei die Nach weisgrenze hier jedoch sehr beachtlich ist und im Nano gramm/m³-Bereich liegt. Ein besonderer Vorteil der er findungsgemäßen Aerosol-Sensoreinrichtung besteht darin, daß damit bevorzugt die lungengängigen Submikron-Parti kel erfaßbar sind, welche insbesondere für den Umwelt schutz von zunehmender Bedeutung sind. Diese Partikel sind anderen Methoden, z. B. dem Streulichtmeßverfahren, aufgrund ihrer geringen Größe nicht zugänglich.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aerosol-Sensoreinrichtung ist durch einen elektrosta tischen Vorabscheider gekennzeichnet. Dieser elektro statische Vorabscheider dient dazu, die durch den Ver brennungsprozeß erzeugten bereits geladenen Teilchen abzuscheiden. Hierdurch wird gewährleistet, daß das Meßgas von den im Verbrennungsvorgang entstandenen ioni sierten Teilchen befreit wird. Ionisierte Teilchen würden andernfalls die Messung beeinflussen, d. h. die Meßgenauigkeit beeinträchtigen, d. h. das Meßergebnis verfälschen.

Es ist unbedingt darauf zu achten, daß das Meßgas keine Feuchtigkeit enthält bzw. im Meßgas keine Feuchtigkeit ausgeschieden wird. Eine Wasser- oder Wasserdampfkonden sation würde das Meßergebnis verfälschen. Um eine Kon densation von Wasser- oder Wasserdampf zu vermeiden könnte die Anlage bzw. Teile davon beheizt werden. Dies ist jedoch sehr aufwendig. Eine zweckmäßige Ausgestal tung der vorliegenden Erfindung löst dieses Problem dadurch, daß eine Verdünnungseinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher der Meßgasstrom mit einem Verdünnungsgas oder einem inerten Trägergas verdünnbar ist.

Zweckmäßigerweise ist als Verdünnungseinrichtung eine Sonde vorgesehen, mittels welcher Meßgas entnehmbar und welcher zusätzlich das Verdünnungsgas zuführbar ist. Durch die Verdünnung bereits im Bereich der Sonde wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß eine Kondensation in sämtlichen Bereichen der Aerosol-Sensoreinrichtung vermieden wird.

Neben der eigentlichen Verwendung der Aerosol-Sensorein richtung zur Bestimmung des Gehaltes an festen Teilchen, insbesondere PAH′s in einem Gasstrom hat sich herausge stellt, daß sich die erfindungsgemäße Aerosol-Sensorein richtung ganz besonders zur Bestimmung des Erschöpfungs zustands von Katalysatoren und/oder Katalysator-Anlagen, insbesondere im Kfz-Bereich. Überraschenderweise wurde nämlich gefunden, daß die Gruppe der PAH′s bei funk tionierendem Katalysator als erste von Kohlenwasser stoffen abgebaut wird. Man kann folglich anhand der Bestimmung der PAH-Konzentration im Abgas eines Fahr zeugs direkt auf die Funktionstüchtigkeit des Katalysa tors des betreffenden Fahrzeugs schließen.

Besonders unter Berücksichtigung des immer stärker wer denden Umweltbewußtseins breiter Bevölkerungsschichten wird man in Zukunft nicht umhin können, die aus umwelt politischen Gründen eingeführten Kfz-Katalysatoren re gelmäßig hinsichtlich des Erschöpfungsgrades zu prüfen. Durch die erfindungsgemäße Verwendung läßt sich der Erschöpfungsgrad - vor allem auch bei wissenschaftlichen Untersuchungen - sehr genau und vor allem sehr einfach feststellen.

Oftmals besteht das Problem, Meßgase aus einem Meßgas reservoir, welches unter einem zum Meßgerät unterschied lichen Druck steht, dem Meßgerät zuzuleiten bzw. dieses zu verdünnen. Man denke beispielsweise an eine Probegas entnahme aus einem in der Automobilindustrie üblichen Verdünnungstunnel. Bei derartigen Anwendungen können Verdünnungssysteme, welche ausschließlich nach dem Injektorprinzip oder anderen druckabhängigen Verfahren arbeiten nicht eingesetzt werden.

Dieses Problem wird durch die Verdünnungseinrichtung mit Sonde dahingehend gelöst, daß ein Meßgasstrom unabhängig vom Entnahmedruck aufnehmbar und mittels mindestens einem Verdünnungsgas auf eine definiertes Verdünnungsverhält nis verdünnbar ist. Die den Meßgeräten zugeführte Ge samtgasmenge Q_ges soll bei einsetzender Verdünnung konstant bleiben, wobei die Gesamtgasmenge Q_ges darüber hinaus auch einstellbar sein soll.

Eine besondere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des vorderen Endes der Sonde ein Ansaugrohr zur Aufnahme des unver dünnten Meßgases vorgesehen ist, das Ansaugrohr in einen Mischkanal mündet oder übergeht, in dem eine Zuführung eines Verdünnungsgases derart erfolgt, daß die im Misch kanal abgeführte Gesamtdurchflußmenge Q_ges bei sich ändernder Verdünnung konstant bleibt. Hierdurch wird erreicht, daß die dem oder den Meßgerät(en) zugeführte konstant gehaltene, aber einstellbare Gesamtdurchfluß menge Q_ges an Meßgas in einer Vorstufe mit einem kon stant gehaltenen aber einstellbaren Prozentsatz an Ver dünnungsgasmenge Q_v zwangsweise verdünnt wird, wobei Q_ges jedoch konstant gehalten werden kann.

Eine konstruktiv einfache und daher besonders vorteil hafte Verdünnungseinrichtung mit Sonde ist dadurch gekennzeichnet, daß das Verdünnungsgas über einen koaxial zum Mischkanal verlaufenden Ringkanal dem Mischkanal zuführbar ist.

Dadurch, daß gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausge staltung das Ansaugrohr mit seinem innenseitigen Ende über den Bereich hinaus in den Mischkanal hineinverläuft, in dem das Verdünnungsgas dem Mischkanal zugeführt wird, wird gewährleistet, daß eine besonders intensive Mischung bei laminaren Strömungsbe dingungen erfolgen kann. Mit dieser Konstruktion läßt sich zudem besonders gut verwirklichen, daß bei der Bedingung Q_v < Q_ges das Meßsystem ohne Aerosolbestand teile gespült werden kann, da kein Meßgas angesaugt werden kann. Vielmehr tritt die Differenz Q_v-Q_ges dann aus der Entnahmesonde, d. h. dem Ansaugrohr, aus.

Als vorteilhaft erweist es sich ferner, wenn die Sonde ein Reservoir aufweist, welches zum Mischkanal über den Ringkanal und zur Außenseite über ein Anschlußteil in Verbindung steht.

Zweckmäßigerweise kann das Reservoir in einem erweiter ten Gehäuseteil koaxial zum Mischkanal vorgesehen sein.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Sonde an ihrem vorderen Ende einen Anschluß auf, wodurch die Sonde mit ihrem Ansaugrohr fest mit einem Abgassystem verbunden werden kann, ohne daß schäd liche Abgase in den Bereich des Meßaufbaus vordringen können. Der Anschluß an der Meßsonde gewährleistet gleichsam eine Abdichtung des Abgassystems.

In vorteilhafter Weise können die der Sonde zugeführten Gasdurchflußmengen mit Massendurchflußmessern oder Massendurchflußreglern kontrolliert werden, wodurch die Meßgasentnahme weitgehend unabhängig vom Unter- oder Überdruck ist, der an der Meßgasentnahmestelle herrscht. Durch Änderung der der Sonde Zuge führten Verdünnungsgas menge kann eine Verdünnung des Meßgases bis zur voll ständigen Spülung des Meßsystems mit dem Verdünnungsgas durchgeführt werden.

Ausgestaltungen der einzelnen Erfindungsbestandteile des Erfindungskomplexes in dieser Anmeldung werden im fol genden anhand -von einzelnen Zeichnungsfiguren näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Aerosol-Sensoreinrichtung, welche neben der hochempfindlichen Detektion von photo emissionsfähigen Stoffen in Aerosolform zu sätzlich eine Verdünnung des angesaugten Meß gasstroms ermöglicht;

Fig. 2 eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aerosol-Elektrometers, insbesondere für einen Einsatz in einer Aerosol-Sensoreinrichtung gemäß Fig. 1; und

Fig. 3 eine Ausgestaltung der Son de, insbesondere zur Verwendung in einer Aerosol-Sensoreinrichtung gemäß Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Aerosol-Sensoreinrichtung 10 umfaßt eine Sonde 30, welche mit einer Abgasleitung 20 in Verbindung steht. Anstelle der Verbindung der Sonde 30 mit einer Abgasleitung 20 kann die Sonde 30 selbst verständlich auch in einem Raum, im Freien etc. zur Überwachung bzw. Detektion von Aerosolen positioniert werden. Die Sonde 30 steht über eine Leitung 120 mit einem elektrostatischen Vorabscheider 40 in Verbindung. Der elektrostatische Vorabscheider 40 dient zur Abschei dung von im Abgasstrom vorhandenen geladenen Teilchen. Jegliche von vornherein geladenen Teilchen des Abgas stroms würden zur einer Verfälschung des Meßergebnisses führen.

Zweckmäßigerweise ist der elektrostatische Vorabscheider ein Plattenkondensator. Die an den Platten anliegende Spannung kann, je nach Anwendungsfall, einige KV betra gen.

Der elektrostatische Vorabscheider 40 steht über die Leitung 120 mit einer Photoionisationseinheit 50 in Verbindung. Die Photoionisationseinheit 50 dient der gezielten Photoionisation vorher neutraler Teilchen. Die Photoionisationseinheit besitzt einen (nicht dargestell ten) elliptischen Querschnitt, wobei in der einen Brenn achse eine UV-Lampe und in der anderen Brennachse ein Quarzrohr angeordnet ist. Die inneren Wände der Photo ionisationseinheit sind mit UV-reflektierendem Aluminium-Blech belegt. Die emittierten Wellenlängen der UV-Lampe sind 185 nm. Zwischen Lampe und Quarzrohr kann eine Blende mit unterschiedlicher Öffnung einge schoben werden, um die Lichtintensität zu verändern.

Die Photoionisationseinheit 50 steht mit dem Aerosol- Elektrometer 60 in Verbindung. Zur Beschreibung des Aerosol-Elektrometers wird im folgenden auf Fig. 2 Bezug genommen. Das Aerosol-Elektrometer 60 ist in Doppel schirmtechnik aufgebaut. Es besitzt einen äußeren Schirm 61 in Form eines äußeren Gehäuses sowie einen inneren Schirm 62 in Form eines vom äußeren Gehäuse beabstande ten inneren Gehäuses. Äußeres und inneres Gehäuse 61, 62 sind über geeignete Abstandshalter 71 voneinander beab standet. Innerhalb des inneren Schirms 62 befindet sich ein Faraday-Käfig, welcher einen im inneren Gehäuse 62 fest angeordneten Einsatz 66 sowie einen herausnehmbaren Einsatz 67 aufweist. Die beiden Einsätze 66 sowie 67 besitzen Bohrungen 72 bzw. 73, welche zur Innenseite des Aerosol-Elektrometers 60 hin sich trichterförmig erwei tern.

Die Bohrung 72 bzw. 73 mündet in einen Anschluß 63 bzw. 64 zur Verbindung des Aerosol-Elektrometers mit der Pho toionisationseinheit 50 bzw. der stromabwärts gelegenen Pumpe 80.

In der Berührungsebene der beiden Einsätze 66 und 67 befindet sich ein mechanischer Filter 65 zur Abscheidung der Aerosole. Gemäß Fig. 2 wird der Filter 65 zwischen die beiden Einsätze 66 und 67 eingespannt. Um eine opti male Einspannwirkung zu erzielen, besteht der Einsatz 67 aus zwei Teilen, welche zueinander mit der Kraft einer Druckfeder 69 beaufschlagbar sind. Der Einsatz 67, das innere Teil 74 des Einsatzes 67, die Druckfeder 69 sowie der Filter 65 sowie dessen Halterung 75 werden seitlich in das innere Gehäuse 62 eingeschoben und mittels des Bajonett-Verschlusses 68 mit dem inneren Gehäuse verrie gelt. Folglich ist gewährleistet, daß die an dem Filter 65 angesammelten Aerosole unmittelbar nach der Messung rasch einer chemischen oder physikalischen Analyse zu führbar sind. Als Filter kann beispielsweise ein handelsübliches Filter Verwendung finden. Bezüglich Fig. 2 sei darauf hingewiesen, daß lediglich diejenigen Merkmale beschrieben werden, die für die Erfindung von wesentlicher Natur sind.

Weiterhin befindet sich ein Elektrometerverstärker 76 innerhalb des inneren Schirms 62, dessen Eingang un mittelbar mit dem Faraday-Käfig über eine Zuführung 77 verbunden ist. Die Verbindung des Elektrometerverstär kers 76 zur Elektronik (nicht dargestellt) erfolgt über eine mehrpolige Steckverbindung 78.

Der Ausgang des Aerosol-Elektrometers 60 steht mit einer Pumpe 80 in Verbindung, wobei ein Durchflußmesser 85 oder Durchflußregler zwischengeschaltet ist.

Wie bereits eingangs erwähnt, ist es wichtig, daß bei der Meßgas-Entnahme sich keine Feuchtigkeit ausscheidet und die Aerosolkonzentration nicht so hoch ist. Um diesem Anfordernis genüge zu leisten, sieht die in Fig. 1 dargestellte Aerosol-Sensoreinrichtung eine Verdün nungsmöglichkeit des aus einem Abgasstrom entnommenen Abgases vor. Hierzu wird die Möglichkeit geschaffen, Verdünnungsgas (z. B. Luft), welches vorab in einem Filter 100 gefiltert wird, über eine Pumpe 82 und einem Ventil 90 der Sonde 30 zuzuleiten, wobei eine Ver mischung des Meßgases und des Verdünnungsgases in der Sonde vollzogen wird. Zweckmäßigerweise ist in der Ver dünnungsgaszuführung 122 ein Durchflußmesser 86 oder Durchflußregler vorgesehen.

Im folgenden wird der Aufbau der Sonde 30 unter Bezug nahme auf Fig. 3 näher erläutert:
Die Sonde 30 umfaßt ein Ansaugrohr 31, welches über ein Trägerteil 39 mit einem Außenrohr 35 in Verbindung steht. Innerhalb des Außenrohrs 35 ist koaxial ein Innenrohr 34 vorgesehen, wodurch ein Ringkanal 33 zwischen beiden Rohren gebildet wird.

Der Ringkanal 33 steht mit einem koaxial angeordneten, ringförmigen Reservoir 36 in Verbindung, welches in einem erweiterten Gehäuseteil 38 vorgesehen ist. Das Reservoir 36 besitzt einen Anschluß 37, welcher mit einer (nicht dargestellten) geeigneten Leitung verbunden werden kann.

Das Innenrohr 34 bildet den sog. Mischkanal 32, in dem die Vermischung von Meßgas und Verdünnungsgas vorge nommen wird.

Das Verdünnungsgas strömt vom Reservoir 36 in den Ring kanal 33 und sogleich über das offene Ende des Innen rohrs in den Mischkanal 32 hinein. Das Ansaugrohr 31 verläuft über diesen Bereich hinaus über eine gewisse Entfernung in den Mischkanal 32 hinein.

Im folgenden wird die Funktion der eingangs erläuterten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Aerosol-Sensorein richtung näher beschrieben:
Die beispielsweise aus Verbrennungsvorgängen stammenden, im Meßgas schwebenden Aerosole (beispielsweise Kohlen stoff-Aerosole), auf denen polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH′s) kondensiert sind, werden nach einer (später im einzelnen darzulegenden) Meßgaskondi tionierung in dem elektrostatischem Vorabscheider 40 von den durch den Verbrennungsvorgang verursachten ionisier ten Teilchen befreit.

Anschließend wird der elektrisch neutrale Aerosolstrom in der Photoionisationseinheit 50 mit UV-Licht einer Wellenlänge von λ 185 nm bestrahlt. Die mit PAH′s kontaminierten Kohlenstoff-Partikel werden dadurch pho toionisiert. Die dabei entstehenden negativen Ladungen besitzen eine hohe Mobilität und werden unmittelbar an den Wandungen durch deren Rest-Leitfähigkeit abgeleitet.

Dagegen besitzen die verbleibenden positiv geladenen Teilchen eine wesentlich geringere Mobilität. Diese Teilchen werden zum Aerosol-Elektrometer 60 weiterge führt, dort abgeschieden und ihre Ladung gemessen. Das Ansaugen des Meßgases erfolgt über eine Pumpe 80 sowie einen zu kalibrierenden Durchflußmesser 86. Unmittelbar nach der Messung können die auf dem Filter 65 niederge schlagenen Teilchen einer chemischen (z. B. naß-che mischen) oder physikalischen Untersuchung unterzogen werden.

Bei der Meßgasentnahme ist unbedingt darauf zu achten, daß sich keine Feuchtigkeit ausscheidet und die Aerosol konzentration nicht zu hoch ist. Um dies zu erreichen, wird der Meßgasstrom in der Sonde 30 auf einen gewünsch ten Wert verdünnt. Durch die Sonde 30 wird es möglich, einen Meßgasstrom unabhängig vom Entnahmedruck aufzunehmen und mit unterschiedlichen Verdünnungsgasen in ein definiertes Verdünnungsverhält nis zu verdünnen.

Dem Meßgerät, im vorliegenden Fall dem Aerosol-Elektro meter 60, wird ein Gasstrom (Gesamtdurchflußmenge) Q_ges zugeführt, welcher konstant gehalten wird aber einstell bar ist. Bei Erhöhung der über den Ringkanal 33 ein strömenden Verdünnungsgasmenge Q_v wird die Gesamtdurch flußmenge Q_ges jedoch konstant gehalten, so daß gleich zeitig verdünntes Abgas dem Meßgerät zugeführt wird. Überschreitet die Verdünnungsmenge Q_v die Gesamtdurch flußmenge Q_ges (d. h. Q_v < Q_ges), tritt die Differenz Q_v-Q_ges aus der Sonde 30 aus, d. h. das Meßsystem wird gespült, da kein Meßgas bzw. Abgas angesaugt werden kann. Vorteilhafterweise können die Gasdurchflußmengen mit Massendurchflußmessern 85, 86 gemessen bzw. mit Massendurchflußreglern kontrolliert werden mit der Fol ge, daß die Abgasentnahme dann weitgehend unabhängig vom Unter- oder Überdruck ist, der an der Abgasentnahme stelle herrscht.

Durch diese einfache, aber sehr effiziente Methode bzw. Sonde wird sichergestellt, daß eine sehr genau durchzu führende, kontrollierte Verdünnung eines Gasstroms durchgeführt werden kann und dadurch generell hohe Meß genauigkeiten erreicht werden können.

Insbesondere wird darauf hingewiesen, daß der Einsatz der Sonde nicht auf die Aerosolmessung und deren Anwen dung beschränkt ist.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß die erfindungsgemäße Aerosol-Sensoreinrichtung in besonderer Weise zur Bestimmung des Erschöpfungszustandes von Kata lysatoren, insbesondere Kfz-Katalysatoren Verwendung finden kann. Erfahrungsgemäß läßt sich die Wirkung bzw. Wirksamkeit eines Katalysators insbesondere für Ver brennungskraftmaschinen nur unter Schwierigkeiten nach weisen.

Es wurde nunmehr gefunden, daß bei einem voll funktions fähigen Katalysator polyzyklische aromatische Kohlen wasserstoffe (PAH′s) als erste von den Kohlenwasser stoffen abgebaut werden. Folglich ergibt die Prüfung des den zu testenden Katalysator durchströmenden Abgasstroms auf den Gehalt an PAH′s eine eindeutige Aussage be treffend der Funktionstüchtigkeit des Katalysators. Mit anderen Worten man stellt in der katalysatorgereinigten Abluft den Gehalt an PAH′s fest und bekommt hierdurch eine direkte Aussage der Funktionstüchtigkeit des Kata lysators. Neben der Prüfung der Funktionstüchtigkeit des Katalysatorkörpers kann mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung natürlich auch die gesamte Katalysator- Anlage, d. h. die Katalysatorregelung, Lambda-Sonde u. dgl. auf ihre Funktion geprüft werden.

Diese Anwendung bietet den Vorteil, daß sie problemlos und rasch durchzuführen ist und zudem einen Ausbau des Katalysators etc. nicht erfordert. Besonders unter Berücksichtigung des ständig steigenden Umweltbe wußtseins der Bevölkerung bietet sich hier eine Methode an, die es ermöglicht, bereits verbrauchte Katalysatoren in Fahrzeugen schnell zu erkennen und aus dem Verkehr zu ziehen.

Da die Messung direkt am Auspuff des jeweiligen Fahr zeugs erfolgen kann und die Vorrichtung zudem apparativ nicht sehr aufwendig ist, bietet sich die Möglichkeit, auch im täglichen Straßenverkehr Katalysatoren stich probenartig (z. B. bei Verkehrsroutineuntersuchungen) zu prüfen.

Neben der Verwendung der erfindungsgemäßen Aerosol- Sensoreinrichtung zur Bestimmung des Erschöpfungszu stands eines Katalysators ergeben sich weite Einsatzmög lichkeiten bei Vorgängen, bei denen eine Verbrennung oder ein Verbrennungsprozeß abläuft. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Einrichtung auch zur Überwachung von Klimaanlagen verwendet werden oder aber als Meßgerät für einen Einsatz bei epidemiologische Studien bei der Bestimmung der Mutagenität und Cancerogenität von Aero solen bei Tierversuchen.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die Erfin dung die Technik der Aerosoldetektion in besonderer Weise bereichert.

Bezugszeichenliste

10 Aerosol-Sensoreinrichtung
20 Abgasleitung
30 Sonde
31 Ansaugrohr
32 Mischkanal
33 Ringkanal
34 Innenrohr
35 Außenrohr
36 Reservoir
37 Anschlußteil
38 Gehäuseteil
39 Trägerteil
40 Vorabscheider
50 Photoionisationseinheit
60 Aerosol-Elektrometer
61 äußerer Schirm (äußeres Gehäuse)
62 innerer Schirm (inneres Gehäuse)
63 Anschluß
64 Anschluß
65 Filter
66 Einsatz
67 herausnehmbarer Einsatz
68 Bajonett-Verschluß
69 Feder
70 Dichtungen
71 Abstandshalter
72 Bohrung
73 Bohrung
74 innerer Teil des Einsatzes
75 Halterung des Filters
76 Elektrometerverstärker
77 Zuführung
78 Steckverbindung
80 Pumpe
82 Pumpe
85 Durchflußmesser
86 Durchflußmesser
90 Ventil
100 Filter (Luft)
120 Leitung
122 Leitung

Claims

1. Aerosol-Elektrometer zur Bestimmung von in einem Gasstrom dispergierten geladenen Teilchen (Aerosole) mit

- einer Abschirmung,
- einer innerhalb der Abschirmung vorgesehenen, über eine Verschlußeinrichtung dem Aerosol-Elektrometer (60) entnehmbaren Abscheideeinrichtung, welche sich in einem isoliert gelagerten Faraday-Käfig befindet, der mittelbar oder unmittelbar mit dem Eingang eines Elektrometerverstärkers in Verbindung steht.

2. Aerosol-Elektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheideeinrichtung einen mechanischen Filter (65) aufweist, welcher mittels einer Halterung (75) in das Aerosol-Elektrometer (60) einsetzbar ist und auf dem die Aerosole abge schieden werden können.

3. Aerosol-Elektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung zwei Schirme, nämlich einen äußeren und einen inneren Schirm, aufweist, der Eingang des Elektrometerverstärkers (76) sich im inneren Schirm befindet und unmittelbar mit dem Faraday-Käfig verbunden ist.

4. Aerosol-Elektrometer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Verschlußeinrichtung ein Bajonett-Ver schluß (68) vorgesehen ist.

5. Aerosol-Sensoreinrichtung, mit

a) einer Photoinisationseinheit zur Photoionisation vorher im wesentlichen neutraler Teilchen in einem Gasstrom,
b) einem Aerosol-Elektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
c) mindestens einer Pumpe (80 bzw. 82),
d) mindestens einem Durchflußmesser (85 bzw. 86) sowie
e) einer Auswerteelektronik.

6. Aerosol-Sensoreinrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen elektrostatischen Vorabscheider, insbeson dere einen Plattenkondensator.

7. Aerosol-Sensoreinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verdünnungseinrichtung vorgesehen ist.

8. Aerosol-Sensoreinrichtung gemäß den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Verdünnungseinrichtung eine Sonde (30) vorgesehen ist, mittels welcher Meßgas entnehm bar ist und welcher zusätzlich ein Verdünnungs gas zuführbar ist.

9. Aerosol-Sensoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß über die Sonde (30) ein Meßgasstrom unabhängig vom Entnahmedruck aufnehmbar und mittels mindestens einem Verdünnungsgas auf ein definiertes Verdünnungsverhältnis verdünnbar ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des vorderen Endes der Sonde (30) ein Ansaugrohr (31) zur Aufnahme des unverdünn ten Meßgases vorgesehen ist, das Ansaugrohr (31) in einen Mischkanal (32) mündet oder übergeht, in dem eine Zuführung des Verdünnungsgases der art erfolgt, daß die im Mischkanal (32) abge führte Gesamtdurchflußmenge Q_ges bei sich ändernder Verdünnung konstant bleibt.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdünnungsgas über einen koaxial zum Mischkanal (32) verlaufenden Ringkanal (33) dem Mischkanal (32) zuführbar ist.

12. Einrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugrohr (31) mit seinem innenseitigen Ende über den Bereich hinaus in den Mischkanal (32) hineinverläuft, in dem das Verdünnungsgas dem Mischkanal (32) zugeführt wird.

13. Einrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (30) ein Reservoir (36) aufweist, welches zum Mischkanal über den Ringkanal und zur Außenseite über ein Anschlußteil (37) in Verbindung steht.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Reservoir (36) in einem erweiterten Gehäuseteil (38) koaxial zum Mischkanal (32) vorgesehen ist.

15. Einrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Ende der Sonde einen Anschluß aufweist.

16. Einrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßgasstrom sowie im Verdünnungsstrom Durchflußmesser (85, 86) vorgesehen sind.

17. Verwendung der Aerosol-Sensoreinrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 5-8, zur Bestimmung des Erschöpfungszustands von Katalysator und/oder Katalysator anlagen, insbesondere im Kfz-Bereich.