EP1920233A1 - Elektrostatischer partikelsensor - Google Patents

Elektrostatischer partikelsensor

Info

Publication number
EP1920233A1
EP1920233A1 EP06792509A EP06792509A EP1920233A1 EP 1920233 A1 EP1920233 A1 EP 1920233A1 EP 06792509 A EP06792509 A EP 06792509A EP 06792509 A EP06792509 A EP 06792509A EP 1920233 A1 EP1920233 A1 EP 1920233A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor according
particles
sensor
measuring device
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06792509A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Wilhelm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1920233A1 publication Critical patent/EP1920233A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0266—Investigating particle size or size distribution with electrical classification
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/22—Devices for withdrawing samples in the gaseous state
    • G01N1/2247—Sampling from a flowing stream of gas
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/22—Devices for withdrawing samples in the gaseous state
    • G01N1/2202—Devices for withdrawing samples in the gaseous state involving separation of sample components during sampling
    • G01N2001/222—Other features
    • G01N2001/2223—Other features aerosol sampling devices

Definitions

  • the present invention relates to an electrostatic particle sensor according to the preamble of claim 1.
  • DE 198 17 402 C1 and DE 195 36 705 Al In contrast, improved measurement methods, by direct measurement in the exhaust system, are known from DE 198 17 402 C1 and DE 195 36 705 Al.
  • DE 198 17 402 C2 a plate-shaped capacitor is introduced into an exhaust gas stream and heated to very high temperatures in the range of 500 ° C to 800 ° C to avoid soot deposits and associated Meßwertverbibschept. This is intended to overcome a disadvantage attributed to DE 195 36 705 A1 to a short circuit formation between two measuring electrodes arranged in a measuring gas line.
  • the measuring methods of both documents are based on the evaluation of an electrostatic field which is formed between two electrodes, caused by a DC voltage source and changed by particles of an exhaust gas stream adhering to electrical charges.
  • a disadvantage of these two measuring methods is that only particles of certain sizes can be detected, which are in the range which is able to sense the sensor used in each case on the basis of the physical relationships of the respective measuring method in a position. Particles which are outside this range of particle sizes which can be detected by the respective sensor can therefore not be detected. Thus, with these sensors but no complete quality statement on the measured exhaust gas is possible.
  • the present invention is therefore based on the object to improve a particle sensor of the type set forth.
  • the present invention relates to an electrostatic particle sensor according to the preamble of claim 1, which is characterized in that one for generating an electric field, between a sheath electrode and an inner electrode disposed within this sheath electrode voltage source, one of the gas flow rate per unit time through the effective volume of the sheath electrode dependent potential is impressed.
  • This approach is based on the finding that by varying the electric field particles, in particular soot particles, with different electrical mobility and thus different mass and thus directly related large can be detected without having to make changes in the effective volume flow between the two measuring electrodes.
  • the particle sensor is designed as a cylindrical capacitor, so that an exact determination of the effective volume for the particle determination of the measurement gas volume is possible by means of defined geometric parameters.
  • a cylindrical capacitor with the same external geometrical dimensions and applied potential offers the possibility of detecting particles with smaller mobility, ie larger mass.
  • a gas velocity measuring device which is particularly preferred as a non-invasive measuring device, e.g. is designed as a venturi nozzle. This makes it possible to determine the gas velocity without or at least without significant disturbing influences on the gas flow, which in turn has a positive effect on the measuring accuracy of the particle sensor. It can be arranged before or after the electrode assembly in the gas flow direction.
  • measuring devices for gas velocity determination in the form of a hot wire and / or an impeller and the like are also possible.
  • soot particles Due to the electric field between the two electrodes, that is preferably in the interior of the cylinder capacitor, in the exhaust gas contained, electrically charged particles, in particular Depending on their respective polarity, soot particles are accelerated toward either the outer or the inner electrode. If the particles, in particular soot particles, strike an electrode, they discharge their electrical charge to this electrode.
  • the charge delivery of the charged particles to the electrode can be measured as a current by means of a current measuring device, in particular by means of an electrometer. If the mean charge distribution of the particles is known, this is the average charge per particle, then it can be used to determine the number of particles that have given off a charge to the electrode.
  • the size of the particles is predetermined by the geometric conditions of the measuring arrangement already discussed above, in cooperation with their electrical mobility.
  • the electric current detected by the electrometer thus corresponds to that electric charge which is transported by those particles of the particle flow in the measurement gas to be evaluated, for which the particle size measurement range is set in each case.
  • ionization By physico-chemical reactions in the sample gas, a large part of the particles contained therein is electrically charged. However, the charge distribution of the particles is not constant over time, since ion exchange or neutralization in particular takes place through ionic ion recombination, and the particles are predominantly electrically neutral with increasing age of the measurement gas. Depending on the exhaust age, it may therefore be necessary to ionize the soot particles by suitable ion sources.
  • suitable ion sources Preferably, direct or indirect high-voltage high-frequency discharge, ⁇ -, ß- or ⁇ -radiation, electron radiation or similar ionization sources are provided.
  • deposits in the measuring arrangement could be removed again by means of a heating device, preferably by burning off.
  • Figure 1 is a schematic representation of an electrostatic particle sensor
  • FIG. 2 shows a second embodiment modified from the first embodiment
  • Figure 3 is a diagram for the parameter representation of the electrical limit mobility of the particles of a sample gas as a function of the radii ratios of a Manteltial. Outer electrode to an inner electrode of the measuring arrangements according to the figures 1 and 2;
  • FIG. 4 shows the cross-sectional area of the measuring arrangement, likewise as a function of the radii ratios.
  • Figures 1 and 2 show two exemplary, symbolically represented structures of electrostatic sensors for measuring particles in Aeorsolen, in particular for the measurement of soot particles in exhaust gases, the exhaust gases are preferably exhaust gases from diesel engines.
  • Such sensors can be provided as robust measuring devices for the analysis of soot particles directly in the exhaust system, so that they are suitable for a workshop operation on the one hand, and on the other hand also for direct installation in a relevant vehicle, to improve the exhaust quality or basically to improve the motor characteristics.
  • an electrostatic particle sensor 1 for sensing particles P in aerosols, in particular for sensing soot particles in exhaust gases.
  • This constructed as a cylindrical capacitor, a shell or outer electrode M and an inner electrode I comprehensive sensor is equipped with a voltage source U for supplying the electrodes M, I.
  • the potential of this voltage source U can be adjusted depending on the gas flow rate per unit time through the volume V between the two electrodes M, I and a particle size to be detected.
  • a variable measuring range for particles of different sizes can be made available with one and the same measuring structure.
  • the geometric relationships r a and r ⁇ of the cylindrical capacitor 2 together with its length 1 determine the effective volume for the measuring method V.
  • the inner electrode I is applied via an electrometer 3 to the variable potential of the voltage source U.
  • the mass of this voltage source is connected to the outer electrode, which may optionally also be connected to a vehicle mass 4.
  • the tube-shaped jacket electrode M of the cylindrical capacitor 2 has a temperature-resistant, insulated lead-through 5 for the electrical connection between the electrometer 3 and the inner electrode I.
  • a heating circuit 6 provided on the switch 7, 8 can be closed.
  • this circuit At appropriate intervals parts of this circuit are heated so much that it adhering particles, especially soot particles burn off to avoid interference with the measurement result.
  • heating periods can be performed clocked, preferably during the heating, no measurement is made to hide interference caused thereby.
  • the heating circuit is supplied by a further voltage source 10.
  • a gas velocity measuring device is furthermore provided, which in the present case is particularly preferably designed as a non-invasive measuring device in the form of a Venturi nozzle.
  • the flow direction of the gas flow through the measuring arrangement is symbolized by the arrow 12, which is shown symbolically at the inlet of the exhaust pipe 13 between two elements 14 representing an ionization source.
  • the ionization source 14 may preferably be formed as a high voltage source and / or as a high frequency source.
  • the advantage of this embodiment is that the outer electrode is grounded and can be implemented directly into an exhaust line 13 without insulation.
  • the maximum potential of the voltage source is limited by the electronics of the electrometer.
  • the outer electrode is applied to the variable potential of the voltage source U.
  • the inner electrode discharges via the electrometer to ground.
  • insulation of the jacket or outer electrode M must be provided in relation to the exhaust gas line.
  • the distance of the stages and the time periods of the measuring stages determine the resolution of the distribution.
  • soot particles with k> k grenz Since all charged soot particles with k> k grenz are always detected during the measurement, the number of soot particles per mobility interval must be determined by differentiation. By reversing the applied potential U, either positively or negatively charged soot particles can be measured.
  • the limit mobility determines the minimum mobility that a charged particle is allowed to have, given parameters (U, 1, r a , r 1, v gas ) within the residence time in the field of the "electrostatic sensor for measuring soot" on the inner electrode to be accelerated.
  • the parameters (U max , 1, r a , r 1, v gas ) can be adjusted to determine the desired sensitivity, resolving power and bandwidth of the "electrostatic sensor for measuring soot".
  • FIG. 3 shows a diagram for the parameter representation of the electrical limit mobility of the particles as a function of the radii ratios of a jacket or outer electrode to the inner electrode of the measuring arrangements according to FIGS. 1 and 2.
  • the measurement can be performed.
  • the electric field E perpendicular to the direction of movement of the gas is formed between the two electrodes (inhomogeneities of the electrical electric field E at the edges of the electrodes can be neglected).
  • Charged particles are accelerated in the electric field depending on the polarity either to the outer or inner electrode.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Partikelsensor zur Sensierung von Partikeln (P) in Aerosolen, insbesondere zur Sensierung von Rußpartikeln in Abgasen, umfassend eine von einem zu prüfenden Gasstrom durchströmte Mantelelektrode (M) mit einem wirksam durchströmbaren Volumen (V) und einer innerhalb der Mantelelektrode angeordneten Innenelektrode (I), sowie eine mit beiden Elektroden (M, I) in elektrisch leitender Verbindung stehende Spannungsquelle (U) . Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsquelle (U) ein vom Durchsatz (D) pro Zeiteinheit (t) durch das Volumen (V) abhängiges Potential aufgeprägt ist.

Description

"Elektrostatischer Partikelsensor"
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrostatischen Partikelsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik:
Die Umweltbelastung durch Feinstaub, insbesondere durch bei Verbrennungsvorgängen von Erdölprodukten anfallenden Rußpartikeln nimmt ständig zu. Durch Verbesserungen in der Verbrennungstechnik von Erdölprodukten, wie z.B. Motoren- und Heizanlagentechnik, werden die beim Oxidationsprozess übrig bleibenden partikelförmigen Rückstände aufgrund stark reduzierter Partikelgrößen als immer kritischer für die Umwelt angesehen.
Weiterhin ist es möglich anhand der Anzahl und Größe der Partikel in einem definierten Abgasvolumen die Qualität des Oxi- dationsprozesses zu bewerten. So ist es beispielsweise bekannt, zur Bestimmung der Abgasqualität optische Messverfahren einzusetzen. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie durch Partikelablagerungen an den Sensorelementen sehr störanfällig sind. Weiterhin sind gravimetrische oder auch auf Beweglichkeitsanalyse basierende Verfahren in Labors bekannt, insbesondere um die Rußpartikelzahl, die Rußpartikelmasse oder Rußpartikel-Größenverteilung bei Verbrennungsprozessen zu bestimmen. Diese sind zum Teil sehr komplex aufgebaut und haben zusätzlich den Nachteil, dass die Messung des Abgases nicht direkt im Abgasstrang stattfindet, wodurch eine Verfälschung des Messergebnisses, zum Teil abhängig vom Alter des Messgases aufgrund in ihm vorgehender chemischer Prozesse unvermeidbar i st .
Demgegenüber verbesserte Messverfahren, durch direkte Messung im Abgasstrang, sind aus der DE 198 17 402 Cl und der DE 195 36 705 Al bekannt. Bei der DE 198 17 402 C2 wird ein plattenförmig ausgebildeter Kondensator in einen Abgasstrom eingebracht und zur Vermeidung von Rußablagerungen und damit verbundenen Messwertverfälschungen auf sehr hohe Temperaturen im Bereich von 500° C bis 800° C aufgeheizt. Damit soll ein der DE 195 36 705 Al zugeschriebener Nachteil einer Kurzschlussbildung zwischen zwei in einem Messgasstrang angeordneter Messelektroden behoben werden.
Die Messverfahren aus beiden Schriften bauen auf der Bewertung eines elektrostatischen Feldes auf, welches zwischen zwei E- lektroden ausgebildet, durch eine Gleichspannungsquelle hervorgerufen und durch Partikel eines Abgasstromes anhaftenden elektrische Ladungen verändert wird.
Nachteilig bei diesen beiden Messverfahren ist jedoch, dass nur Partikel mit bestimmten Größen nachgewiesen werden können, die in dem Bereich liegen, welche zu sensieren der jeweils verwendete Sensor anhand der physikalischen Zusammenhänge des jeweiligen Messverfahrens zu ermitteln in der Lage ist. Partikel, die außerhalb dieses von dem jeweiligen Sensors erfassbaren Partikelgrößenbereichs liegen, können damit nicht erfasst werden. Somit ist mit diesen Sensoren aber keine vollständige Qualitätsaussage über das damit gemessene Abgas möglich.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung:
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Partikelsensor der eingangs dargelegten Art zu verbessern .
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben. Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung einen e- lektrostatischen Partikelsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der sich dadurch auszeichnet, dass einer zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, zwischen einer Mantelelektrode und einer innerhalb dieser Mantelelektrode angeordneten Innenelektrode vorgesehenen Spannungsquelle, ein vom Gasdurchsatz pro Zeiteinheit durch das wirksame Volumen der Mantelelektrode abhangiges Potential aufgeprägt ist.
Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch Variieren des elektrischen Feldes Partikel, insbesondere Rußpartikel, mit unterschiedlicher elektrischer Beweglichkeit und somit unterschiedlicher Masse und damit in direktem Zusammenhang stehender Große detektiert werden können, ohne Änderungen im wirksamen Volumendurchfluss zwischen den beiden Messelektroden vornehmen zu müssen.
Selbstverständlich können auch andere Parameter, wie z.B. der Querschnitt und/oder die Lange des durch die beiden Elektroden ausgebildeten Kondensators oder auch die Geschwindigkeit des durch diese Anordnung hindurch stromenden Gasstroms zur Detek- tierung unterschiedlich großer Partikel variiert werden. Durch die Variierung des Potential der das elektrische Feld verursachenden Spannungsquelle wird aber eine besonders gut zu handhabende Messbereichsanderung für einen entsprechenden Partikelmesssensor zur Verfugung gestellt.
Insbesondere wird es hierbei als vorteilhaft angesehen, wenn der Partikelsensor als Zylinderkondensator ausgebildet ist, so dass dadurch über definierte geometrische Parameter eine exakte Festlegung des für die Partikelbestimmung des Messgases wirksame Volumens möglich ist. Zusatzlich bietet ein Zylinderkondensator durch die radiale Abhängigkeit des darin enthaltenen E-Feldes bei gleichen äußeren geometrischen Abmessungen und angelegtem Potential die Möglichkeit, Partikel mit kleinerer Beweglichkeit, also größerer Masse, nachzuweisen.
Zur Auslegung der für dieses Messverfahren wesentlichen Para- meter, und damit auch für die Festlegung des Partikelgrößen- Messbereichs des Partikelmesssensors sind neben den geometrischen Größen ra für den Radius der Außen- bzw. Mantelelektrode, r± für den Radius der Innenelektrode der Länge 1 und dem Potential U der Spannungsquelle für die Erzeugung des E-Feldes auch die Gasgeschwindigkeit vGas wesentlich.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist deshalb eine Gas- geschwindigkeits-Messvorrichtung vorgesehen, welche insbesondere bevorzugt als nicht invasive Messvorrichtung, z.B. als Venturi-Düse ausgebildet ist. Dadurch ist eine Gasgeschwindigkeitsbestimmung ohne oder zumindest ohne wesentliche Störeinflüsse auf den Gasstrom möglich, was sich wiederum positiv auf die Messgenauigkeit des Partikelsensors auswirkt. Sie kann vor oder auch nach der Elektrodenanordnung in Gasstromrichtung angeordnet sein.
Selbstverständlich sind aber auch Messvorrichtungen zur Gasgeschwindigkeitsbestimmung in der Form eines Hitzedrahtes und/oder eines Flügelrades und dergleichen mehr möglich.
Gegenüber Ausführungsformen, bei denen der wirksame Volumenstrom lediglich auf der Basis einer unterstellten Gasgeschwindigkeit, vorzugsweise einer mittleren Gasgeschwindigkeit angenommen wird, kann mit diesen Ausführungsformen aufgrund der unmittelbar möglichen Berücksichtigung jeglicher Geschwindigkeitsänderungen des Gasstroms eine weitere Reduzierung systembedingter Messfehler erreicht werden.
Selbstverständlich ist es aber grundsätzlich auch möglich, das Messverfahren ohne direkte Geschwindigkeitserfassung des Messgasstroms durch das Sensorvolumen hindurch durchzuführen, wobei diese Einsparung jedoch durch eine vergleichsweise geringere Messgenauigkeit des betreffenden Messsensors erkauft wird.
Durch das elektrische Feld zwischen den beiden Elektroden, also bevorzugt im Inneren des Zylinderkondensators, werden im Abgas enthaltene, elektrisch geladene Partikel, insbesondere Rußpartikel in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Polarität entweder zur äußeren oder zur inneren Elektrode hin beschleunigt. Treffen die Partikel, insbesondere Rußpartikel auf einer E- lektrode auf, so geben sie ihre elektrische Ladung an diese Elektrode ab. Die Ladungsabgabe der geladenen Partikel an die Elektrode kann als Strom mit Hilfe einer Strommessvorrichtung, insbesondere mittels eines Elektrometers gemessen werden. Ist die mittlere Ladungsverteilung der Partikel bekannt, hierbei handelt es sich um die mittlere Ladung pro Partikel, so kann daraus die Anzahl der Partikel ermittelt werden, die eine Ladung an die Elektrode abgegeben haben. Die Größe der Partikel wird durch die bereits oben diskutierten, geometrischen Verhältnisse der Messanordnung unter Zusammenwirkung mit ihrer elektrischen Beweglichkeit vorgegeben.
Der durch das Elektrometer erfasste elektrische Strom entspricht somit jener elektrischen Ladung, die durch jene Partikel des Partikelstroms in dem zu bewertenden Messgas transportiert wird, für welche der Partikelgrößen-Messbereich jeweils eingestellt ist.
Durch physikalisch-chemische Reaktionen im Messgas wird ein großer Teil der darin enthaltenen Partikel elektrisch geladen. Die Ladungsverteilung der Partikel ist zeitlich jedoch nicht konstant, da vor allem durch Ionen-Ionenrekombination Ladungsaustausch bzw. Neutralisierung stattfindet, und mit zunehmendem Alter des Messgases die Partikel vorwiegend elektrisch neutral sind. In Abhängigkeit des Abgasalters kann es daher notwendig sein, die Rußpartikel durch geeignete Ionenquellen zu ionisieren. Vorzugsweise sind dazu direkte oder indirekte Hochspannungs-Hochfrequenz-Entladung, α-,ß- oder γ-Strahlung, Elektronenstrahlung oder ähnliche Ionisierungsquellen vorgesehen .
Weiterhin könnten zur Vermeidung von Messfehlern Ablagerungen in der Messanordnung mittels einer Heizvorrichtung, vorzugsweise durch abbrennen, wieder entfernt werden.
Ausführungsbeispiel : Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden, darauf Bezug nehmenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines elektrostatischen Partikelsensors;
Figur 2 eine gegenüber der ersten Ausführungsform abgewandelte, zweite Ausführungsform;
Figur 3 ein Diagramm zur Parameterdarstellung der elektrischen Grenzbeweglichkeit der Partikel eines Messgases in Abhängigkeit der Radienverhältnisse einer Mantelbzw. Außenelektrode zu einer Innenelektrode der Messanordnungen nach den Figuren 1 bzw. 2; und
Figur 4 die Querschnittsfläche der Messanordnung, ebenfalls in Abhängigkeit der Radienverhältnisse.
Die Figuren 1 und 2 zeigen zwei beispielhafte, symbolisch dargestellte Aufbauten elektrostatischer Sensoren zur Messung von Partikeln in Aeorsolen, insbesondere zur Messung von Rußpartikeln in Abgasen, wobei die Abgase bevorzugt Abgase von Dieselmotoren sind.
Solche Sensoren können als robuste Messgeräte zur Analyse von Rußpartikeln direkt im Abgasstrang zur Verfügung gestellt werden, so dass sie einerseits für einen Werkstattbetrieb geeignet sind, und andererseits aber auch zum direkten Einbau in ein betreffendes Fahrzeug, zur Verbesserung der Abgasqualität bzw. grundsätzlich zur Verbesserung der Motoreigenschaften.
Ein weiteres mögliches Einsatzgebiet solcher Sensoren liegt im Heizungstechnikbereich. Auch hier können sowohl mobile als auch immobile Anwendungen vorgesehen sein. Bei mobilen Anwendungen können z.B. die aktuellen Abgaswerte einer Heizanlage bestimmt werden. Bei immobilen Anwendungen ist eine direkte Einwirkung auf den Regelprozess der Heizung denkbar, so dass dadurch gegebenenfalls ein großes Einsparungspotential im Brennstoffverbrauch durch entsprechend der Rußbildung einzuleitende Maßnahme erreicht werden kann.
Im Einzelnen zeigt nun die Figur 1 eine erste Ausführungsform eines elektrostatischen Partikelsensors 1 zur Sensierung von Partikeln P in Aerosolen, insbesondere zur Sensierung von Rußpartikeln in Abgasen. Dieser als Zylinderkondensator aufgebaute, eine Mantel- bzw. Außenelektrode M und eine Innenelektrode I umfassende Sensor ist mit einer Spannungsquelle U zur Versorgung der Elektroden M, I ausgestattet. Das Potential dieser Spannungsquelle U kann erfindungsgemäß vom Gasdurchsatz pro Zeiteinheit durch das Volumen V zwischen den beiden Elektroden M, I und einer zu detektierenden Partikelgröße abhängig eingestellt werden. Dadurch kann mit ein und demselben Messaufbau ein variabler Messbereich für Partikel unterschiedlicher Größen zur Verfügung gestellt werden.
Durch die geometrischen Verhältnisse des Kondensators, die Stärke des elektrischen Feldes und die Geschwindigkeit des Gases im Kondensator, erreichen nur Partikel mit bestimmter e- lektrischer Beweglichkeit die innere oder äußere Elektrode zur Abgabe der ihnen anhaftenden elektrischen Ladung und somit zum Nachweis ihres Vorhandenseins im zu messenden Gasstrom.
Die geometrischen Verhältnisse ra und r± des Zylinderkondensators 2 bestimmen zusammen mit seiner Länge 1 das für das Messverfahren wirksame Volumen V. In dieser Ausführungsform ist die Innenelektrode I über ein Elektrometer 3 an das variable Potential der Spannungsquelle U angelegt. Die Masse dieser Spannungsquelle ist mit der Außenelektrode verbunden, die gegebenenfalls auch noch mit einer Fahrzeugmasse 4 verbunden sein kann.
Die rohrförmig ausgebildete Mantelelektrode M des Zylinderkondensators 2 weist eine temperaturbeständige, isolierte Durchführung 5 für die elektrische Verbindung zwischen dem Elektrometer 3 und der Innenelektrode I auf. Um sicherzustellen, dass die mit dieser Messanordnung erzielten Messergebnisse nicht aufgrund von Ablagerungen an der Innenelektrode I und/oder an der elektrischen Verbindung zwischen dem Elektrometer und der Innenelektrode I im Laufe der Betriebsdauer durch Ablagerungen und damit einhergehenden Leitfähigkeitsänderungen verfälscht werden, ist noch zusätzlich ein Heizstromkreis 6 vorgesehen der über die Schalter 7, 8 geschlossen werden kann. Durch eine zweite, temperaturunabhängige und isoliert in der Außenelektrode M ausgebildete Durchführung 9 hindurch, zur Innenelektrode I hin, ist der Heizstromkreis 6 geschlossen.
In entsprechenden Zeitabständen werden Teile dieses Stromkreises so stark erhitzt, dass daran anhaftende Partikel, insbesondere Rußpartikel abbrennen um Störeinflüsse auf das Messergebnis zu vermeiden. Gegebenenfalls können solche Heizperioden getaktet durchgeführt werden, wobei während der Heizung vorzugsweise keine Messung erfolgt, um dadurch verursachte Störeinflüsse auszublenden. Versorgt wird der Heizstromkreis durch eine weitere Spannungsquelle 10.
Zur Bestimmung der Gasgeschwindigkeit durch die Messanordnung ist weiterhin eine Gasgeschwindigkeits-Messvorrichtung vorgesehen, die hier im vorliegenden Fall besonders bevorzugt als nicht invasive Messvorrichtung in der Form einer Venturi-Düse ausgebildet ist.
Dadurch ist es möglich die Partikelgröße der Partikel P in Abhängigkeit der Gasgeschwindigkeit, der geometrischen Zusammenhänge der Messanordnung und der Stärke des elektrischen Feldes anhand des gemessenen elektrischen Stromes zu bestimmen, welcher durch die mittels der Partikel P übertragene elektrische Ladung verursacht wird.
Die Stromrichtung des Gasstroms durch die Messanordnung ist durch den Pfeil 12 symbolisiert, der am Eingang des Abgasroh- res 13 zwischen zwei eine Ionisierungsquelle darstellenden E- lementen 14 symbolisch dargestellt ist. Die Ionisierungsquelle 14 kann vorzugsweise als Hochspannungsquelle und/oder als Hochfrequenzquelle ausgebildet sein.
Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass die Außenelektrode auf Masse liegt und ohne Isolierung direkt in einen Abgasstrang 13 implementiert werden kann. Das maximal mögliche Potential der Spannungsquelle wird hierbei durch die E- lektronik des Elektrometers beschränkt.
In der demgegenüber abgewandelten Ausführungsform der Figur 2 liegt die Außenelektrode an dem variablen Potential der Spannungsquelle U an. Die Innenelektrode entlädt sich über das E- lektrometer gegen Masse. Bei dieser Ausführungsform besteht der Vorteil, dass keine Beschränkung des maximal möglichen Potential durch die Elektronik des Elektrometers besteht. Gegenüber der Ausführungsform in der Figur 1 muss hierbei jedoch eine Isolierung der Mantel- bzw. Außenelektrode M gegenüber dem Abgasstrang vorgesehen werden.
Die folgenden beiden Messmodi sind mit dieser Ausführungsform möglich :
1. Messen der Anzahl aller Dieselrußpartikel: Betrieb mit konstantem Potential Umax, es werden entsprechend der Auslegung der "elektrostatischen Sonde zur Messung von Dieselruß" alle Partikel mit k > kgrenz nachgewiesen .
2. Messen von Beweglichkeits- (Massen-, Größen-) Verteilung:
Das Potential U wird stufenweise von U =0 V bis U = Umax, erhöht. Der Abstand der Stufen und die Zeitdauern der Messstufen bestimmen die Auflösung der Verteilung.
Da bei der Messung immer alle geladenen Rußpartikel mit k > kgrenz nachgewiesen werden, muss durch Differentiation die Anzahl der Rußpartikel pro Beweglichkeitsintervall ermittelt werden . Durch umpolen des angelegten Potentials U können entweder positiv oder negativ geladenen Rußpartikel gemessen werden.
Bei gegebenem Außen- und Innenradius, Länge der Elektroden und angelegter Potentialdifferenz und Geschwindigkeit des Gases vgas ergibt sich folgende Grenzbeweglichkeit kgrenz :
kgrmχ
Die Grenzbeweglichkeit bestimmt die minimale Beweglichkeit, die ein geladenes Partikel haben darf, um bei gegebenen Parametern (U, 1, ra, r1; vgas) noch innerhalb der Verweildauer im Feld des "elektrostatischen Sensors zur Messung von Dieselruß" auf die Innenelektrode beschleunigt zu werden. In Abhängigkeit der Applikation können die Parameter (Umax, 1, ra, r1; vgas) an- gepasst werden um die gewünschte Empfindlichkeit, das Auflösungsvermögen und die Bandbreite des "elektrostatischen Sensors zur Messung von Dieselruß" zu bestimmen.
Um möglichst alle Dieselrußpartikel (auch mit großen Massen) nachweisen zu können ist es notwendig, durch die Auslegung der Parameter (Umax, 1, ra, rj eine möglichst kleine Grenzbeweglichkeit kgrenz zu erreichen. Diese wird, da bei den meisten Anwendungen Umax und durch technische Randbedingungen eingeschränkt sind stark durch das Verhältnis d = τ&/τ± bestimmt. Die Nachweisempfindlichkeit der Sonde wird dagegen stark von der Querschnittsfläche A bestimmt.
Die Figuren 3 und 4 zeigen eine Darstellung der Parameterabhängigkeit kgrenz und A in Abhängigkeit von d = I3Zr1. Die Figur 3 zeigt ein Diagramm zu Parameterdarstellung der elektrischen Grenzbeweglichkeit der Partikel in Abhängigkeit der Radienverhältnisse einer Mantel- bzw. Außenelektrode zur Innenelektrode der Messanordnungen nach den Figuren 1 bzw. 2.
Beim Messvorgang unter Anlegung der Potentialdifferenz U zwischen der Mantel- bzw. Außenelektrode M mit dem Radius ra und der Innenelektrode I mit dem Radius τ± kann also unter Berück- sichtigung der elektrischen Beweglichkeit k der Partikel in dem zu messenden Gasstrom die Messung durchgeführt werden. Zwischen beiden Elektroden bildet sich dadurch das zur Bewegungsrichtung des Gases senkrechte elektrische Feld E aus (Inhomogenitäten des elektrischen elektrischen Feldes E an den Rändern der Elektroden können weitergehend vernachlässigt werden) . Geladene Partikel werden im elektrischen Feld je nach Polarität entweder zur Außen- oder Innenelektrode beschleunigt. Dabei stellt sich in Abhängigkeit der elektrischen Beweglichkeit k der Partikel die konstante zur Elektrodenachse senkrechte Geschwindigkeitskomponente u = k-E(r) ein.
Durch die Kenntnis der Ladungsverteilung auf die (Ruß-) Partikel ist eine Berechnung der Anzahl der Partikel, deren elektrische Beweglichkeit größer ist als kgrenz, möglich.
Durch die Variation der angelegten Potentialdifferenz ist es möglich, ein Beweglichkeitsspektrum zu berechnen.
Mit Hilfe der Beziehung:
k(m) =U,2-m~°Al5
(aus: W. D. Kilpatric. An experimental mass-mobility relation for ions in air at atmospheric pressure. Proc. 19th Ann Conf. on Mass Spectroscopy, page 320, 1971) kann aus der gemessenen elektrischen Beweglichkeit die Masse der Partikel bestimmt werden .
Darüber hinaus ist es durch Annahme einer mittleren Dichte und geometrischen Gestalt der Rußpartikel möglich, deren Größe zu bestimmen .

Claims

Ansprüche :
1. Elektrostatischer Partikelsensor (1) zur Sensierung von Partikeln in Aerosolen, insbesondere zur Sensierung von Rußpartikeln in Abgasen, umfassend eine von einem zu prüfenden Gasstrom durchströmte Mantelelektrode (M) mit einem wirksam durchströmbaren Volumen (V) und einer innerhalb der Mantelelektrode angeordneten Innenelektrode (I), sowie eine mit beiden Elektroden (M, I) in elektrisch leitender Verbindung stehende Spannungsquelle (U) , dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsquelle (U) ein vom Gasdurchsatz pro Zeiteinheit (t) durch das Volumen
(V) abhängiges Potential aufgeprägt ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als Zylinderkondensator (2) ausgebildet ist.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Gasgeschwindigkeits-Messvorrichtung
(11) umfasst.
4. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasgeschwindigkeits- Messvorrichtung (11) als nichtinvasive Messvorrichtung ausgebildet ist.
5. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasgeschwindigkeits- Messvorrichtung (11) als Venturidüse ausgebildet ist.
6. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasgeschwindigkeits- Messvorrichtung einen Hitzedraht und/oder ein Flügelrad aufweist .
7. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strommesseinrichtung (3) für einen elektrischen Strom vorgesehen ist.
8. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommesseinrichtung (3) den e- lektrischen Strom misst, welcher durch eine von einem Partikelstrom aus sich zwischen den beiden Elektroden (M, I) bewegenden, elektrisch geladenen Partikel (P) transportierte, elektrischen Ladung verursacht ist.
9. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Ionisierungsquelle
(14) umfasst.
10. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionisierungsquelle (14) als Hochspannungsquelle und/oder als Hochfrequenzquelle ausgebildet ist.
EP06792509A 2005-08-24 2006-07-17 Elektrostatischer partikelsensor Withdrawn EP1920233A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005039915A DE102005039915A1 (de) 2005-08-24 2005-08-24 Elektrostatischer Partikelsensor
PCT/EP2006/064316 WO2007023035A1 (de) 2005-08-24 2006-07-17 Elektrostatischer partikelsensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1920233A1 true EP1920233A1 (de) 2008-05-14

Family

ID=37241958

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP06792509A Withdrawn EP1920233A1 (de) 2005-08-24 2006-07-17 Elektrostatischer partikelsensor

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20090295400A1 (de)
EP (1) EP1920233A1 (de)
DE (1) DE102005039915A1 (de)
WO (1) WO2007023035A1 (de)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008031648A1 (de) * 2008-07-04 2010-01-21 Continental Automotive Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Partikelsensors
DE102009007126A1 (de) * 2009-02-02 2010-08-12 Continental Automotive Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Rußbeladung in Abgassystemen von Dieselmotoren
DE202009004253U1 (de) 2009-03-31 2010-08-19 Hauser, Andreas, Dipl.-Ing. Vorrichtung zur Detektion von in einem Gasstrom enthaltenen Partikeln
WO2011058200A1 (es) * 2009-11-11 2011-05-19 Ramem, S.A. Analizador de movilidad diferencial
DE102010029575A1 (de) 2010-06-01 2011-12-01 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Partikelsensor zum Erfassen von Partikeln in einem Abgasstrom
US8713991B2 (en) * 2011-05-26 2014-05-06 Emisense Technologies, Llc Agglomeration and charge loss sensor for measuring particulate matter
US8671736B2 (en) 2011-05-26 2014-03-18 Emisense Technologies, Llc Agglomeration and charge loss sensor for measuring particulate matter
US9671443B2 (en) * 2012-09-13 2017-06-06 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Device and method for measuring static charge on flying insects
DE102014219555A1 (de) * 2014-09-26 2016-03-31 Continental Automotive Gmbh Rußsensor
JP6639227B2 (ja) * 2015-12-28 2020-02-05 マクセルホールディングス株式会社 イオン風の可視化方法及びイオン密度分布表示体
CN105842134B (zh) * 2016-03-25 2018-12-21 歌尔股份有限公司 一种雾霾监测装置、终端设备及雾霾监测方法
DE102016211237B4 (de) 2016-06-23 2023-09-21 Emisense Technologies Llc Verfahren zum Betreiben eines elektrostatischen Partikelsensors und elektrostatischer Partikelsensor
DE102016219454B4 (de) 2016-10-07 2023-06-07 Emisense Technologies Llc Verfahren zur Überprüfung der Funktion eines elektrostatischen Partikelsensors
ES2620961B1 (es) * 2016-11-18 2018-06-13 Centro De Investigaciones Energética , Medioambientales Y Tecnológicas (Ciemat) Sensor analizador integral de movilidad de nanoparticulas suspendidas en un gas y sistema para analizar nanopartículas que lo comprende
DE102017219158B4 (de) 2017-10-25 2019-09-19 Continental Automotive Gmbh Verfahren zur Überprüfung der Funktion eines Partikelfilters
TWI675202B (zh) 2018-11-30 2019-10-21 財團法人工業技術研究院 流體管路內部靜電量測系統及其方法
TWI744760B (zh) * 2019-12-30 2021-11-01 財團法人工業技術研究院 靜電感測系統與靜電感測組件
US11952905B1 (en) 2022-10-07 2024-04-09 Rtx Corporation Detecting engine exhaust debris using saturation current

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3526828A (en) * 1967-08-07 1970-09-01 Univ Minnesota Method and apparatus for measuring particle concentration
US3784902A (en) * 1971-12-08 1974-01-08 Ikor Inc Apparatus for sensing particulate matter
JPS59202043A (ja) * 1983-04-30 1984-11-15 Horiba Ltd デイ−ゼル排気ガス中の煤粒子測定装置
US5006227A (en) * 1989-06-26 1991-04-09 Msp Corporation Volumetric flow controller for aerosol classifier
DE19536705A1 (de) * 1995-09-30 1997-04-03 Guenther Prof Dr Ing Hauser Partikel-Meßverfahren und Vorrichtung
JP3086873B2 (ja) * 1998-08-04 2000-09-11 工業技術院長 粒径分布測定方法及び装置
DE10020539A1 (de) * 2000-04-27 2001-11-08 Heraeus Electro Nite Int Messanordnung und Verfahren zur Ermittlung von Ruß-Konzentrationen
US20030015045A1 (en) * 2001-07-23 2003-01-23 Takehito Yoshida Particle counting method and particle counter
JP3572319B2 (ja) * 2001-11-15 2004-09-29 独立行政法人理化学研究所 液体中微粒子分析装置
DE10242301A1 (de) * 2002-09-12 2004-03-18 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Konzentration von in einem strömenden Gas vorhandenen Partikeln
US6905029B2 (en) * 2002-09-12 2005-06-14 California Institute Of Technology Cross-flow differential migration classifier

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2007023035A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20090295400A1 (en) 2009-12-03
WO2007023035A1 (de) 2007-03-01
DE102005039915A1 (de) 2007-03-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2007023035A1 (de) Elektrostatischer partikelsensor
DE102014222844B4 (de) Rußsensor
DE19536705A1 (de) Partikel-Meßverfahren und Vorrichtung
EP2577253A1 (de) Verfahren und partikelsensor zum erfassen von partikeln in einem abgasstrom
WO2016046229A1 (de) Russsensor
EP2237018B1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Detektion von in einem Gasstrom enthaltenen Partikeln
DE102019106515A1 (de) Partikeldetektor
DE102015225745A1 (de) Elektrostatischer Rußsensor
WO2018215214A1 (de) Partikelsensor und herstellungsverfahren hierfür
DE102015225739B4 (de) Verfahren zum Betreiben eines elektrostatischen Rußsensors
DE102004024375B4 (de) Klopferfassungsvorrichtung und Erfassungsverfahren
DE102017215689B4 (de) Partikelsensor für eine Brennkraftmaschine
WO2017029074A1 (de) VERFAHREN ZUR FUNKTIONSÜBERWACHUNG EINES ELEKTROSTATISCHEN RUßSENSORS
EP3874280A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur ermittlung einer geschwindigkeit eines fluidstroms im bereich eines partikelsensors
WO2020135943A1 (de) Partikelsensor und betriebsverfahren hierfür
WO2020094335A1 (de) Partikelsensor und betriebsverfahren hierfür
WO2018215203A1 (de) Partikelsensor
WO2019120789A1 (de) Sensoranordnung zur erfassung von partikeln eines messgases in einem messgasraum und verfahren zur erfassung von partikeln eines messgases in einem messgasraum
DE102006034075B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur selektiven Erfassung von leitfähigen Teilchen in Gasströmen
DE4306905A1 (de) Verfahren zum Fördern der Verbrennung in einer Brennkraftmaschine und Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens
DE102017213522A1 (de) Partikelsensor und Betriebsverfahren hierfür
DE102017212597A1 (de) Partikelsensor mit einem unterschiedliche lichte Weiten aufweisenden Rohr
DE19723462A1 (de) Mikrowellengassensor und Verfahren der Mikrowellenspektroskopie
WO2018219606A1 (de) Elektrostatische partikelsensoreinheit mit haupt- und hilfselektroden
DE102019203458A1 (de) Partikelsensor und Herstellungsverfahren hierfür

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20080325

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LI LT LU LV MC NL PL PT RO SE SI SK TR

17Q First examination report despatched

Effective date: 20080711

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20110201