DE69631465T2

DE69631465T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Analyse des Partikelgehaltes von Gasen

Info

Publication number: DE69631465T2
Application number: DE69631465T
Authority: DE
Inventors: Barbara Lynn King's Lynn Jones; Kenneth William Ely Peter
Original assignee: Snap On Equipment Ltd
Current assignee: Snap On Equipment Ltd
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1996-11-20
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2016-11-21
Also published as: ATE259062T1; DE69631465D1; EP0779510A2; GB9523812D0; US5892141A; EP0779510B1; EP0779510A3; EP1353167A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse des Partikelgehalts von Gasen. Ein Beispiel für die Anwendung der Erfindung ist die qualitative und quantitative Analyse der Emissionen aus Verbrennungsmaschinen, insbesondere Kraftfahrzeugmotoren, wobei die Erfindung jedoch keineswegs auf die Anwendung im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik beschränkt ist.
Die Analyse von Partikelmaterie in Luft und anderen Gasen wird in vielen verschiedenen Industriezweigen und Anwendungen durchgeführt. Auf dem Kraftfahrzeugsektor werden Abgasemissionen von Personenkraftwagen und Lastkraftwagen während und nach der Fertigung sowie im Aftermarket gemessen, um die Einhaltung immer strengerer behördlicher Vorschriften sicherzustellen. Im Brennpunkt der gesetzlichen Kontrollen steht die von Dieselmotoren erzeugte Partikelmaterie (Ruß), deren Auswirkungen auf die Gesundheit der Öffentlichkeit ein aktuelles Forschungsthema darstellen. Es ist zu erwarten, daß zusätzliche Vorschriften betreffend den Partikelgehalt in Kraftfahrzeugemissionen die Kraftfahrzeugindustrie und andere Industriezweige zwingen werden, Mittel zu untersuchen, um diese Pegel in der Erstausstattung zu reduzieren. Um im Aftermarket sicherzustellen, daß im Betrieb befindliche Motoren den Vorschriften entsprechen, kann zudem eine Modifizierung der Untersuchungen notwendig werden, die in vielen Ländern Pflicht sind, um das Einhalten gesetzlicher Vorgaben festzustellen.
Die zur Zeit verfügbare Ausrüstung zum Bestimmen des Partikelgehalts von Motoremissionen, wie sie im europäischen Aftermarket eingesetzt wird, basiert auf der Opazitätsmessung unter Verwendung eines vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Instruments. Ein anderes Verfahren verwendet eine volumetrisch gesteuerte Probe des Motoremissionsgases, die durch ein Filterelement gesogen wird. Der Grad der Entfärbung des Filterelements dient als Index für die Menge des abgegebenen Rußes. Beide Verfahren eignen sich nicht für die quantitative Analyse von Teilchen mit Größen im Submikronbereich und liefern keinerlei qualitative Informationen als solche.
Komplexer sind die während und nach der Motorfertigung durchgeführten Untersuchungen von Motoremissionen. Abgasemissionen werden unter Verwendung des sogenannten CVS-Verfahrens (controlled volume sampling) auf einem Motorprüfstand durchgeführt. Bei diesem Verfahren werden die Abgase mit gefilterter Umgebungsluft verdünnt und mit einem Gebläse extrahiert und einem standardisierten Testverfahren unterzogen. Das Verdünnen verhindert Kondensations- und Agglomerationseffekte während der Probennahme. Außerdem hält das Verdünnen die Temperatur der Probe auf dem für die Partikelmessung erforderlichen Stand. Für die Partikelmessung stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, darunter die gravimetrische Messung, die differentielle Mobilitätsanalyse und die Kondensationskernzählung. Zur Zeit ist das gravimetrische Verfahren das am häufigsten verwendete Analysemittel, trotz seiner geringen Empfindlichkeit bei niedrigen Partikelpegeln und der eher langen Meßzeit. All diese verfügbaren Verfahren erfordern relativ große und kostspielige Anlagen, was vor allem durch die Verwendung des Verdünnungssystems bedingt ist, das die physikalischen und chemischen Prozesse anregt, die die Partikelemissionen in der Atmosphäre durchlaufen.
Was die Laborverfahren zur Partikelmessung angeht, so wurden zahlreiche Verfahren entwickelt, die die Verwendung der Quarzkristall-Mikrowaage und des elektrostatischen Präzipitators einschließen. Soweit die Anmelderin weiß, wurden diese Verfahren bisher nicht für die qualitative und/oder quantitative Analyse von Kraftfahrzeugemissionen und dergleichen eingesetzt.
Die US 3,478,573 (King) offenbart einen piezoelektrischen Kristall mit eingebautem Heizmittel, der sich zur Verwendung in Meßvorrichtungen wie beispielsweise Gasanalysatoren eignet. Von dem piezoelektrischen Material wird ein elektronischer Oszillator gesteuert. Ein Überzug auf dem piezoelektrischen Material ist zum Wechselwirken mit zumindest einer Komponente eines zu analysierenden Fluids geeignet, und die resultierenden Änderungen der Frequenz des piezoelektrischen Materials während seiner Wechselwirkung mit dem Fluid werden für Analysezwecke überwacht. Das Verfahren unterliegt den Einschränkungen, die aus der Entwicklung der vorliegenden Erfindung deutlich werden, darunter die geringere Empfindlichkeit und die komplexere Bauweise verglichen mit dem analytischen Desorptionsverfahren der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Die US 5,056,355 (Hepher) offenbart eine Vorrichtung zum Überwachen von Staub oder anderem Partikelmaterial in Gas, die die Verwendung eines piezoelektrischen Sensors und den Schritt des Überwachens von Veränderungen der Resonanzfrequenz des Sensors umfaßt, wie sie durch das Ansammeln von Staub auf dem Sensor herbeigeführt werden. Das System dieses älteren Vorschlags unterliegt ebenfalls der Einschränkung, die durch die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung hervorgehoben werden und durch die Verwendung eines Verfahrens entstehen, bei dem der Schritt der Frequenzüberwachung auf den Prozeß des Ansammelns oder Zuwachses von Partikeln auf dem Sensor angewendet wird, im Gegensatz zu dem umgekehrten System, das bei den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
Die GB-A-2 270 564 (GEC Marconi) offenbart ein Verfahren zum Identifizieren von fluiden Materialien oder Analyten unter Verwendung eines piezoelektrischen Kristalloszillators. Das System arbeitet auf der Basis des Überwachens einer sprunghafte Änderung der Konzentration des Analyts, die zu einer charakteristischen Frequenzänderung führt, anhand derer der Analyt identifiziert werden kann. Das Verfahren enthält ein Ausführungsbeispiel, das einen Rückwärtsschritt der Konzentrationsänderung verwendet. Jedoch fehlt dieser Offenbarung, ebenso wie den anderen der Anmelderin bekannten älteren Vorschlägen, jeglicher Hinweis auf den technischen Wert des Überwachens der Frequenzänderung, die sich aus dem umgekehrten Schritt der Partikeldesorption bzw. des Entfernens von Partikeln von dem piezoelektrischen Substrat mit seinen hier offenbarten Vorteilen ergibt.
Die Patente US 3,561,253 , US 4,561,286 , US 4,041,768 , US 4,446,720 offenbaren jeweils ein System zum Messen von Partikelmasse, das Frequenzänderungen in schwingenden piezoelektrischen Vorrichtungen überwacht, auf denen Partikelmaterie abgeschieden ist, wie beispielsweise durch elektrostatische Abscheidung. Doch ist in keinem dieser Patente ein System offenbart oder nahegelegt, bei dem die technischen Vorteile des Anwendens des analytischen Schritts auf einen Prozeß zum teilweisen oder vollständigen Entfernen der Partikelmaterie von dem piezoelektrischen Substrat angewendet werden. Ebenso ist kein Prozeß offenbart oder nahegelegt, durch den ein derartiger umgekehrter Schritt bei einer piezoelektrischen Vorrichtung unter Überwachung von Frequenzänderungen vollzogen werden könnte. Die Verwendung einer piezoelektrischen Kristallvorrichtung als Basis zum Durchführen (auf Frequenzbasis) eines thermogravimetrischen Prozesses zur Analyse des Partikelgehalts einer Gasprobe wird als neuartig angesehen. Der piezoelektrische Kristall erlaubt das gravimetrische Überwachen des Vorgangs des thermischen (oxidativ oder auf sonstige chemische Art) Entfernens von darauf abgeschiedenem Partikelmaterial. Der Einsatz dieses Schrittes des Entfernens oder der Desorption als Analysegrundlage bedeutet, daß eine thermogravimetrische Basis (was in Verbindung mit piezoelektrischen Vorrichtungen neuartig ist) für die Analyse verwendet werden kann, so daß eine Frequenzprofil analyse sowohl hinsichtlich der Partikelgröße als auch der Partikelidentität durchgeführt werden kann.
Die US 5,401,468 (Patashanick) offenbart eine Einrichtung zum Messen der Konzentration von Kohlepartikeln in Dieselabgas durch Sammeln der Partikel auf einem hochwirksamen Filter, während die Menge der durch den Filter strömenden Gasprobe gemessen wird. Dann wird die gesammelte Partikelmaterie in einer sauerstoffreichen Umgebung erwärmt, um Kohle zu Kohlendioxid zu oxidieren. Die Menge des resultierenden Kohlendioxids wird gemessen. Die Partikelkonzentration wird berechnet, indem die Menge an Kohlepartikeln mit einer abgemessenen Menge der Gasprobe verglichen wird.
Die US 4,917,499 (Champetier) offenbart eine Einrichtung zum Identifizieren von Verunreinigungen ein kryogenen Umgebungen im Temperaturbereich von unter –263°C bis über 67°C für die Anwendung bei optischen und elektrooptischen Geräten in Verbindung mit der Residualentgasung von Raumfahrzeugmaterialien (Spalte 1, Zeilen 10 bis 21). Das Gerät hat einen Fühlerkristall, auf dem sich Verunreinigungen zum Bilden eines Kryofilms über einen beliebigen Zeitraum (Spalte 1, Zeile 62), z. B. einen Zeitraum von bis zu mehreren Monaten (Spalte 3, Zeile 42), ablagern können. Ein Heizmittel ist vorgesehen, um den Kryofilm zu sublimieren oder zu verdampfen, und ein Temperaturfühler 34 mißt die Temperatur. Eine Quartzkristall-Mikrowaage 50 mißt die Masse.
Beim Gebrauch werden Temperatur und Masse überwacht. Bei ihrer kritischen Sublimationstemperatur sublimiert die Verunreinigung und bewirkt eine Massenänderung, und die Sublimationstemperatur ermöglicht die Identifizierung der Verunreinigung.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, zum Anwenden auf die qualitative und/oder quantitative Analyse von Kraftfahrzeugemissionen, das/die Verbesserungen gegenüber aktuell verfügbaren Instrumenten, insbesondere hinsichtlich der Kompaktheit der Vorrichtung und/oder der Einfachheit oder Schnelligkeit des Verfahrens und/oder der Kosten der Vorrichtung und/oder des Verfahrens, oder andere hier oder allgemein offenbarte Verbesserungen bietet.
Gemäß der Erfindung werden ein Verfahren und ein Gerät zur Analyse des Partikelgehalts von Gasen entsprechend der Definition in den zugehörigen Ansprüchen angegeben. Es enthält die Schritte des Entnehmens von Gasproben, des Entfernens von Partikeln aus der Gasprobe und des Analysierens der entfernten Partikel.
Der Schritt des Entfernens der Partikel aus der Gasprobe schließt das Veranlassen des Abscheidens der Partikel auf einem Substrat ein. Außerdem enthält der Schritt des Analysierens das Veranlassen der Entfernung wenigstens einiger der abgeschiedenen Partikel von dem Substrat und das Anwenden eines Meßverfahrens auf diesen Schritt des Entfernens, um qualitative oder quantitative Informationen betreffend den Partikelgehalt des zu analysierenden Gases zu bestimmen.
Die Schritte des Entnehmens von Proben und der Entfernung und des Analysierens entsprechen den Analyseschritten, die von der Verwendung eines elektrostatischen Präzipitators bekannt sind. Die erfindungsgemäßen zusätzlichen Schritte des Veranlassens des Abscheidens der Partikel auf einem Substrat und des Veranlassens des nachfolgenden Entfernens wenigstens einiger dieser Partikel während der Analyse erlauben ein leichtes und schnelles Bestimmen von Informationen betreffend den quantitativen und/oder qualitativen Inhalt des zu analysierenden Gases, wodurch die Notwendigkeit des nachfolgenden Spülens oder Reinigens vor erneutem Gebrauch verringert wird. Die Interpretation des Profils des Diagramms von Substratmasse in Abhängigkeit von der Zeit während der Partikelentfernung liefert eine Grundlage für das Bestimmen der Partikelgröße von auf dem Substrat abgeschiedenen und von demselben entfernten Materialien.
So wird bei einem Ausführungsbeispiel der Schritt des Entfernens der Partikel mittels eines elektrostatischen Präzipitationsverfahrens unter Verwendung eines mit einem Metallüberzug versehenen piezoelektrischen Kristalls durchgeführt, der in dem Präzipitationsschritt eine Anode bildet. Dann werden zumindest einige der auf der Elektrode abgeschiedenen Partikel in einem Oxidationsschritt entfernt, indem der piezoelektrische Kristall lediglich Wärme und einer Oxidationsatmosphäre ausgesetzt wird, so daß qualitative und quantitative Informationen bezüglich der abgeschiedenen Partikel erhalten werden können.
Dies erfolgt durch Anschließen der Elektrode an einen Schwingkreis und Überwachen der Frequenzänderungen während die Partikel zunächst abgeschieden und nachfolgend entfernt werden.
Folglich liefern die Ausführungsbeispiele der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung, womit ein relativ einfaches elektrisches Gerät sowohl qualitative als auch quantitative Daten hinsichtlich des Partikelgehalts auf einer relativ schnellen Basis erhalten kann.
Zwar liegen die Hauptanwendungsmöglichkeiten der Erfindung erwartungsgemäß im Untersuchen von Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen, sowohl während der Fertigung als auch im Aftermarket, doch könnte eine Variante der Ausführungsbeispiele zum Überwachen von Umwelt- oder Industrieverschmutzung entwickelt werden.
Es folgt eine beispielhafte Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der zugehörigen Zeichnungen, in denen zeigen
1 ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung in Form eines Blockdiagramms;
2 eine Ansicht einer Elektrode, die einen Teil der Vorrichtung der 1 bildet; und
3 ein Diagramm Masse vs. Zeit für einen Teil des mit der Vorrichtung der 1 und 2 durchgeführten Verfahrens, betreffend das Entfernen von Teilchen von der Elektrode der 2.
Wie in den Zeichnungen dargestellt ist, enthält die Vorrichtung 10 zur Analyse des Partikelgehalts von Gasen Sensorelemente 12, 14, einen Multiplexer 16, ein Datenerfassungssystem 18, eine Signalverarbeitungseinrichtung 20 mit Datenspeichermitteln 22 und Gasanalyse-Ausgabemitteln 24.
Diese wesentlichen Elemente der Vorrichtung werden im folgenden ausführlicher beschrieben.
Die Sensorelemente 12 und 14 repräsentieren zwei von einer beliebigen Reihe von Elementen zur Analyse von verschiedenen Gasen. Jedes Sensorelement enthält eine Elektrode 26, die wie in 2 dargestellt an einen Schwing- und elektrostatischen Präzipitationskreis 28 angeschlossen ist.
Bei jedem Sensorelement 12, 14 ist die Elektrode 26 in einem in 1 bei 30, 32 angedeuteten Glaskolben montiert, dem ein zu analysierendes Gas durch Probenentnahmemittel 34 zugeführt wird.
Das Probenentnahmemittel 34 umfaßt eine bekannte Einrichtung zum Extrahieren einer volumetrisch gesteuerten Probe aus einer Gaszufuhr, die dazu geeignet ist, diese Probe an die die Elektroden 26 enthaltenden Kolben 30, 32 abzugeben.
Die Elektrode 26 und der zugehörige elektrostatische Präzipitationskreis 28 stellen Entfernungsmittel dar, die zum Entfernen von Partikeln aus der durch das Probenentnahmemittel 34 an die Kolben 30, 32 abgegebenen Gasprobe geeignet sind. Die Elektrode führt den Entfernungsschritt durch elektrostatische Präzipitation durch. Selbstverständlich dienen die Entfernungsmittel 26 und 28 auch als Abscheidungsmittel, die zum Abscheiden der Partikel auf einem durch die Elektrode 26 gebildeten Substrat geeignet sind.
Entsprechend der in der Definition der vorliegenden Erfindung verwendeten Terminologie gibt es ein weiteres Entfernungsmittel, das zum Entfernen von abgeschiedenen Partikeln von dem Substrat oder der Elektrode 26 geeignet ist. Dieses weitere Entfernungsmittel besteht aus einem Heizmittel 36, das die Entfernung zusammen mit einem Oxidationsgas-Zuführmittel 38 ausführt, das dazu geeignet ist, den Kolben 30, 32 in einer zu den Probenentnahmemitteln 36 analogen Art und Weise eine Oxidationsgas-Mischung für einen weiter unten genauer beschriebenen Zweck zuzuführen.
Schließlich ist zu erkennen, daß die Kreise 16, 18, 20 und 22 im Hinblick auf die Sensorelemente 12 und 14 eine Meßfunktion bereitstellen, indem sie das Messen des Schritts des Entfernens von Partikeln von der Elektrode 26 durch den oben erwähnten Oxidationsschritt für die Bestimmung des Partikelgehalts eines zu analysierenden Gases ermöglichen.
Es folgt eine detailliertere Beschreibung der oben erwähnten Haupteigenschaften der Vorrichtung 10, wobei zunächst die Sensorelemente 12 und 14 unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ausführlicher beschrieben werden.
Die Sensorelemente 12 und 14 enthalten Elektroden 26, die gemäß 2 bei 37 in den Kolben 30 und 32 montiert sind, die mit den Probenentnahmemitteln 34 und dem Oxidationsgas-Zuführmittel 38 verbunden sind. Die Elektrode 26 liegt in Form eines piezoelektrischen Kristalls vor, der einen temperaturabhängigen 10-MHz-Kristall 40 umfaßt, der vergoldete Elektroden hat und an den Schwingkreis 28 angeschlossen ist. Der Kristall 40 hat einen Überzug 42 aus einem katalytischen Metall, wie z. B. Platin oder Antimon, und bildet die Anode in dem elektrostatischen Präzipitationskreis 28. Beim Gebrauch bewirkt die Elektrode 26, daß Partikelmaterie (schematisch bei 44 gezeigt) geladen wird und sich zu dem Kristall 40 bewegt und an diesem haftet. Der Kristall 40 wird bis zu einem Grad, der die Partikeldichte in der zu analysierenden Gasmischung reflektiert, mit der Partikelmasse geladen. Diese Masseladung des Kristalls 40 erzeugt eine meßbare Negativverschiebung (Reduktion) der Schwingfrequenz des Kristalls 40, der mit dem Schwingkreis 28 in Verbindung steht. Es kann eine Frequenzverschiebung in der Größenordnung von einigen hundert Hertz erwartet werden.
Gemäß 1 der Zeichnungen sind die Sensorelemente 12 und 14 an den Multiplexer 16 angeschlossen. Der Multiplexer und die folgenden Datenverarbeitungsschritte 18, 20 und 22 sind dazu geeignet, Frequenzinformationen von der Elektrode 26 zu empfangen. Um die Darstellung in 1 einfacher zu halten, sind der Schwingkreis und der elektrostatische Präzipitationskreis 28 aus 2 nicht gezeigt. Selbstverständlich bleiben diese Kreise gemäß den Erfordernissen des hier beschriebenen Analyseprozesses mit der Elektrode 26 wirkungsmäßig verbunden.
Die wesentliche Funktionsweise der Vorrichtung 10 ist folgende: Das Probenentnahmemittel 34 gibt das zu analysierende Gas an die Kolben 30, 32 und damit an die darin befindlichen Elektroden 26 ab. Diese bewirken eine elektrostatische Abscheidung des Partikelgehalts der Gasproben auf dem Elektrodenmaterial, wo es durch den katalytischen Überzug 42 eingefangen wird. Das Probenentnahmemittel 34 enthält eine Pumpe zum Zwecke der Gasabgabe. Es wird davon ausgegangen, daß der Fachmann mit Aufbau und Funktionsweise des Schwingkreises und des elektrostatischen Präzipitationskreises 28 vertraut ist, so daß diese hier nicht näher beschrieben werden.
Der Schwingkreis 28 wird aktiviert, um vor dem Schritt der elektrostatischen Abscheidung eine vorläufige Schwingfrequenz zu erzeugen. Dann wird der elektrostatische Präzipitationskreis aktiviert, um die Präzipitation zu bewirken, worauf, wie oben beschrieben, eine Frequenzverschiebung entsprechend der Masse der abgeschiedenen Partikel stattfindet.
Nach dem Schritt des Abscheidens von Partikelmaterie aus der Gasprobe folgt der Schritt des Entfernens der Partikel von den Elektroden 26. Dies erfolgt durch Aktivieren der Zuführmittel 38 für das Oxidationsgas, so daß das Probengas ausgespült wird und die Elektrode 26 von einer Oxidationsatmosphäre umgeben ist. Danach wird das Heizmittel 36 aktiviert. Das Heizmittel kann beispielsweise ein Laserstrahl sein, der auf die Elektrode fokussiert ist, was das Entfernen der abgeschiedenen Partikel von der Elektrode durch Oxidation unter den so geschaffenen Bedingungen von erhöhter Temperatur und Oxidationsatmosphäre bewirkt.
Während des Prozesses des Entfernens der Partikel von der Elektrode 26 wird die Schwingfrequenz der Elektroden 26 und des Schwingkreises 28 weiter durch das Datenverarbeitungssystem 16, 18, 20 und 22 überwacht. Die resultierende Verschiebung der Schwingfrequenz, die in einer derartigen Situation auftritt, ist für ein typisches Beispiel in 3 gezeigt, in der die Masse an abgeschiedenem Material in Abhängigkeit der Zeit aufgetragen ist. Dieses Diagramm wird während des Oxidationsschrittes erstellt, da hier zu erkennen ist, daß die Masse in Abhängigkeit von der Zeit beträchtlich abnimmt.
Mit abnehmender Masse des auf den Kristallen 40 abgelagerten Partikelmaterials erhöht sich die Schwingfrequenz entsprechend. Die grafische Darstellung in 3 ist aus den Informationen über die Frenquenzverschiebung abgeleitet, die dem Datenverarbeitungssystem 16, 18, 20 und 22 zugeführt werden. Das Profil des Diagramms 46 ermöglicht eine Interpretation des Vorhandenseins von Partikeln auf qualitativer Basis. Beispielsweise entspricht der bei 48 in 3 gezeigte Abfall dem Entfernen der löslichen organischen Fraktion von der Elektrode. Die bei 50 identifizierten Eigenschaften des Diagramms sich charakteristisch für das Aufbrechen des Partikelgehalts. Das Verfahren erlaubt die Analyse der Agglomeration (gesamte Masse des abgeschiedenen Materials und Entfernen desselben), sowie des Sulphatgehalts und der löslichen organischen Fraktion. Die Form der Kurve an der mit 50 markierten Stelle ist charakteristisch für das Aufbrechen von agglomerierter Partikelmaterie.
Nach dem Gebrauch kann das Spülen oder Entgasen der Sensorelemente 12 und 14 durch Umkehren der Polarität des Präzipitators und Spülen der Kolben 30, 32 mit Stickstoff erfolgen.
Bei obigem Ausführungsbeispiel können die Sensorelemente 30 und 32 mit speziellen Fähigkeiten zum Absorbieren spezieller Kohlenwasserstoffe oder einer Kohlenwasserstofffamilie und zur Analyse derselben versehen sein, indem das Material des Elektrodenüberzugs variiert wird. Entsprechend kann, falls notwendig, eine Gruppe ähnlicher piezoelektrischer Elektroden 26 vorgesehen sein, um die Analyse bestimmter Gasbestandteile zu übernehmen. Eine solche Vorkehrung ist in 1 bei 50 angedeutet.
Die in 3 bei 52 und 54 gezeigten alternativen Abfallprofile der Kurve ermöglichen die Interpretation spezieller Bestandteile auf die gleiche Weise wie die bei 48 und 50 gezeigten Profile, und zwar hinsichtlich der Partikelgröße eines identifizierten Bestandteils, wobei die Abfallprofile 52, 54, 56 jeweils für eine Spanne von Partikelgrößen charakteristisch sind. Die Interpretation erfolgt durch die in 1 gezeigte Datenverarbeitungseinrichtung, nämlich den Multiplexer 16, das Datenerfassungssystem 18, das Signalverarbeitungssystem und das Datenspeichersystem 22, auf der Grundlage von früheren Versuchsarbeiten unter Verwendung von bekannten Gasproben mit bekannter Partikelgröße.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein (nicht dargestellter) Chromatograf in Verbindung mit der oben beschriebenen Vorrichtung zur thermografischen Analyse eingesetzt werden, um zusätzliche Daten hinsichtlich der Analyse des untersuchten Gases zu liefern.

Claims

Verfahren zur Analyse des Partikelgehaltes von Gasen, umfassend: a) Entnehmen von Proben eines zu analysierenden Gases, b) Entfernen von Partikeln (44) aus der Probe, c) Analysieren der entfernten Partikel (44), d) wobei der Schritt des Entfernens der Partikel (44) das Veranlassen des Abscheidens der Partikel auf einem Substrat (26) einschließt, das dazu geeignet ist, in einem anschließenden Frequenzüberwachungsschritt eine Frequenzantwort zu liefern, und e) der Schritt des Analysierens das Veranlassen der Entfernung wenigstens einiger der abgeschiedenen Partikel (44) von dem Substrat (26) einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß f) der Schritt des Analysierens ferner das Durchführen eines Frequenzüberwachungsschrittes während des Schrittes des Entfernens wenigstens einiger der Partikel (44) von dem Substrat einschließt, um Informationen über den Partikelgehalt des zu analysierenden Gases zu bestimmen, und g) der Schritt des Durchführens eines Frequenzüberwachungsschrittes das Analysieren von Veränderungen des Gradienten oder des Profils des Diagramms (46) der Substratmasse in Abhängigkeit von der Zeit in dem Schritt der Partikelentfernung (26) einschließt, um anhand von früheren Versuchsarbeiten unter Verwendung von bekannten Gasproben mit bekannter Partikelgröße die Größe von Partikelmaterialien (44) zu bestimmen, die auf dem Substrat abgeschieden und von demselben entfernt worden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Entfernens von Partikeln (44) aus der Probe des zu analysierenden Gases das Veranlassen einer elektrostatischen Präzipitation der Partikel auf dem Substrat einschließt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostatische Präzipitation die Präzipitation der Partikel (44) auf dem Substrat (26) einschließt, das einen mit Metall überzogenen piezoelektrischen Kristall (40) umfaßt, der in dem Präzipitationsschritt eine Anode bildet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallüberzug (42) an der Anode ein katalytisches Metall verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Entfernens der Partikel (44) von dem Substrat (26) das Oxidieren der Partikel durch Erwärmen des Substrats in einer Oxidationsatmosphäre einschließt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Frequenzüberwachung die Verwendung des Substrats (26) als Elektrode in einem elektrostatischen Präzipitationskreis und das Anschließen der Elektrode an einen Schwingkreis (28) und das Bestimmen der Schwingungsfrequenz als ein Maß der Masse an Partikel (44) einschließt, die auf dem Substrat verbleiben, während die Oxidation fortschreitet.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bestimmens der Schwingungsfrequenz das Überwachen von Veränderungen der Schwingungsfrequenz des Kreises (28) als das Maß der Masse an auf dem Substrat (26) verbleibenden Partikeln (44) einschließt.
Vorrichtung (10) zur Analyse des Partikelgehalts von Gasen, umfassend: a) Probenentnahmemittel (34), die dazu geeignet sind, eine Probe eines zu analysierenden Gases zu entnehmen, b) Entfernungsmittel (26, 28), die dazu geeignet sind, Partikel (44) aus der Probe zu entfernen, c) Analysemittel (16, 18, 20, 22, 24), die dazu geeignet sind, die aus der Probe entfernten Partikel zu analysieren, und d) Abscheidemittel (26, 28), die dazu geeignet sind, diese Partikel auf einem Substrat (26) abzuscheiden, das dazu geeignet ist, in einem nachfolgenden Frequenzüberwachungsschritt eine Frequenzantwort zu liefern, e) weitere Entfernungsmittel (36), die dazu geeignet sind, wenigstens einige der abgeschiedenen Partikel (44) von dem Substrat (26) zu entfernen, und gekennzeichnet durch f) Frequenzüberwachungsmittel (16, 18, 20), die dazu geeignet sind, einen oder mehrere Aspekte der Entfernung wenigstens einiger Partikel von dem Substrat zu überwachen, um Informationen über den Partikelgehalt des zu analysierenden Gases zu bestimmen, und g) Frequenzauswertungsmittel (16, 18, 20, 22, 24), die dazu geeignet sind, die von den Frequenzüberwachungsmitteln erhaltenen Daten auszuwerten, um Veränderungen des Gradienten oder des Profils des Diagramms (46) der Substratmasse in Abhängigkeit von der Zeit während der Partikelentfernung zu bestimmen, um anhand früherer Versuchsarbeiten unter Verwendung bekannter Gasproben mit bekannter Partikelgröße die Partikelgröße von Materialien zu bestimmen, die auf dem Substrat abgeschieden und von demselben entfernt worden sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Entfernungsmittel (26, 28) zum Entfernen von Partikeln (44) aus der Gasprobe eine elektrostatische Präzipitationsvorrichtung (28) umfassen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostatische Präzipitationsvorrichtung einen mit Metall überzogenen piezoelektrischen Kristall (40) umfaßt, der in der elektrostatischen Präzipitationsvorrichtung (28) eine Anode bildet.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallüberzug (42) der Anode (40) ein katalytisches Metall umfaßt.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Entfernungsmittel (36), die dazu geeignet sind, wenigstens einige der Partikel von dem frequenzempfindlichen Substrat zu entfernen, Heizmittel (36) für das Substrat und Gaszuführmittel (38) umfassen, die dazu geeignet sind, die Vorrichtung mit einer Oxidationsatmosphäre zu versorgen, wodurch die darauf befindlichen Partikel in einer Oxidationsatmosphäre erwärmt werden können, so daß deren Oxidation bewirkt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzüberwachungsmittel (16, 18, 20), die dazu geeignet sind, einen Aspekt des Schrittes der Entfernung wenigstens einiger Partikel (44) von dem Substrat (26) zu überwachen, einen Schwingkreis (28) umfassen, daß das Substrat eine Elektrode bildet, die als Anode an den Schwingkreis angeschlossen wird, und daß die Frequenzüberwachungsmittel dazu geeignet sind, die Schwingfrequenz des Kreises (28) als ein Maß der Masse an Partikeln zu bestimmen, die auf dem Substrat verbleiben, während die Oxidation fortschreitet.