WO2019014697A1 - Photoakustische messvorrichtung mit resonatorelementen - Google Patents

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Definitions

  • Discharge duct section inclined. The openings are so against the
  • perforated channel section walls 7, ie by slit-shaped, inclined openings 6 in the walls of the inlet 2 and outlet channel section 4 being designed as a transition to surrounding resonator elements 5a, 5b, 5c, 5d, photoacoustic measurements of an analyte in a measuring fluid become unusual high flow rates of up to 25l / min allows.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur photoakustischen Messung der Konzentration von Partikeln, insbesondere Wasser in verschiedenen Aggregatzuständen, in einem Messfluid, mit einem Zuleitungskanalabschnitt (2) für das Messfluid, einen Messabschnitt (3) mit einer photoakustischen Messzelle (30) und einem Ableitungskanalabschnitt (4) für das Messfluid, wobei im Bereich des Zuleitungskanalabschnitts (2) und/oder im Bereich des Ableitungskanalabschnitts (4) zumindest ein zum Zuleitungs- (2) und/oder Ableitungskanalabschnitt (4) konzentrisches Resonatorelement (5a, 5b, 5c, 5d) vorgesehen ist, das mit dem Zuleitungs- (2) bzw. dem Ableitungskanalabschnitt (4) über zumindest eine Öffnung (6) in einer Außenwand (7) des Zuleitungs- (2) und/oder Ableitungskanalabschnitts (4) strömungsverbunden ist.

Description

Photoakustische Messvorrichtung mit Resonatorelementen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur photoakustischen Messung der
Konzentration von Partikeln, insbesondere Wasser in verschiedenen
Aggregatzuständen, in einem Messfluid, mit einem Zuleitungsabschnitt für das Messfluid, einer photoakustischen Messzelle und einem Ableitungsabschnitt für das Messfluid. Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung für die Wasserkonzentrationsmessung in Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseanordnungen.
Fotoakustische Detektoren ermöglichen eine sehr empfindliche Messtechnik zur Bestimmung von zum Beispiel Spurengas- oder Aerosolkonzentrationen in einem Messfluid wie z.B. einem Trägergas. Eine häufige Anwendung ist die Messung der Konzentration von Feststoffpartikeln in gasförmigen Medien, z.B. für die Bestimmung der Rußmassenkonzentration in Fahrzeugabgasen. Dabei wird ein mit einer passend gewählten Betriebsfrequenz des Messsystems intermittierend modulierter oder gepulster Laserstrahl in eine Messzelle mit gasförmigem Messfluid gerichtet.
Während der Strahlungsphasen absorbieren die vom Laserlicht bestrahlten Partikel im Messfluid das Laserlicht, wodurch diese und indirekt das die Partikel umgebende Messfluid erwärmt werden. Das führt zu periodischen Druckschwankungen im Gas der Messzelle, die sich als Schallwellen ausbreiten und folglich mit einem Mikrophon detektiert werden können. Das aufgenommene Mikrophonsignal ist proportional zur Partikelmassenkonzentration in der Messzelle und wird vorteilhafterweise zur
Unterdrückung von Störgeräuschen und Signalrauschen synchron zur
Betriebsfrequenz und mit angepasster Phasenverschiebung ausgewertet,
beispielsweise mit einem Synchrongleichrichter.
Die Messzelle ist dabei bevorzugt als akustischer Resonator ausgeführt. Um die Resonanzüberhöhung des akustischen Signals zur Steigerung der
Messempfindlichkeit nützen zu können, wird die Modulations- bzw. Pulsfrequenz des Lasers auf eine Resonanzfrequenz (Eigenfrequenz) des Resonators abgestimmt, wofür im Allgemeinen die Grundschwingung in axialer Richtung der Messzelle bevorzugt wird. Durch positive Interferenz der von den angeregten Feststoffpartikeln erzeugten akustischen Signale entsteht eine stehende akustische Welle in axialer Richtung des Resonators. An seinen axialen Begrenzungen treten Druckmaxima auf, wenn die Begrenzung den Charakter eines„festen" Abschlusses hat. Die in der Messzelle als Resonator eigentlich wirksame Resonatorzelle kann aber auch an den beiden Seiten durch akustische Sperrfilter (Notchfilter) in Form einer Kammer mit größerem Querschnitt begrenzt werden, wodurch die Resonatorzelle zu einem an beiden Seiten akustisch„offenen" Resonator wird, der im Fall der Grundschwingung ein Druckmaximum in der Mitte der Resonatorzelle aufweist. Bei einer solchen Anordnung sollte daher das den Schalldruck messende Mikrophon in der Mitte des Resonators angeordnet werden.
Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in der EP 1 564 543 B1 der Anmelderin beschrieben.
Bei bestimmten Anwendungen kann es bei bekannten Lösungen zum Auftreten von Störgeräuschen kommen, die die Messergebnisse verfälschen. Dies wird aktuell verhindert, indem sehr geringe Durchflussraten des Messfluids durch die
photoakustischen Vorrichtungen eingestellt werden, da sich dadurch die
Störgeräusche reduzieren lassen. Allerdings stellt sich trotzdem noch das Problem des Einflusses von Umgebungsgeräuschen, die sich nachteilig auf die
Messergebnisse auswirken können. Neben den dadurch bedingten langsamen Ansprech- und Detektionszeiten hat sich außerdem gezeigt, dass die bekannten Lösungen zur Messung von Wasseranteilen in verschiedenen Aggregatzuständen insbesondere in gasförmigen Messfluiden schlecht geeignet sind.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden und eine photoakustische Messung mit hohen
Durchflussraten und guter Sensitivität für Partikel unterschiedlicher Art, insbesondere auch Wasser in fester, flüssiger und gasförmiger Form, zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine eingangs erwähnte Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Bereich des Zuleitungskanalabschnitt und/oder im Bereich des Ableitungskanalabschnitts zumindest ein zum Zuleitungs- und/oder
Ableitungskanalabschnitt konzentrisches Resonatorelement vorgesehen ist, das mit dem Zuleitungskanalabschnitt über zumindest eine Öffnung in einer Außenwand des Zuleitungs- und/oder Ableitungskanalabschnitts strömungsverbunden ist. Erfindungsgemäß wird damit eine höhere Messgenauigkeit ermöglicht, da die Resonatorelemente als akustische Bandpassfilter fungieren und störende Geräusche aus der Umgebung der Messvorrichtung, insbesondere im Frequenzbereich der photoakustischen Messung, unterdrücken. Diese Dämpfung kann insbesondere dadurch verbessert werden, dass im Zuleitungskanalabschnitt, also vor bzw.
stromaufwärts der Messzelle, mehrere derartige Resonatorelemente vorgesehen sind. Günstigerweise ist außerdem im Ableitungskanalabschnitt, also stromabwärts der Messzelle, zumindest ein derartiges Resonatorelement vorgesehen.
Die Öffnungen zwischen Zuleitungs- und/oder Ableitungskanalabschnitt und den Resonatoren sind in der Außenwand der jeweiligen Kanalabschnitte ausgeführt und schlitzförmig ausgebildet, wobei vorzugsweise die Breite der Öffnung in Richtung normal zur Strömungsrichtung des Messfluids größer ist als die Länge der Öffnung in Richtung parallel zur Strömungsrichtung. Mit anderen Worten verläuft die
Längserstreckung der schlitzförmigen Öffnungen normal zur Flussrichtung des Messfluids. In einer Variante der Erfindung ist die Längsachse der zumindest einen Öffnung unter einem spitzen Winkel, vorzugsweise zwischen 25° und 65°, besonders vorzugsweise 45° gegen die Längsachse des Zuleitungs- und/oder
Ableitungskanalabschnitts geneigt. Die Öffnungen sind also gegen die
Strömungsrichtung des Messfluids geneigt.
Diese Anordnung ermöglicht eine gerichtete Strömung durch Zuleitungs- und
Ableitungskanalabschnitt und durch die Messzelle, wodurch das Ablösen der Strömung und gleichzeitig auftretende Turbulenzen, strömungsinduzierte Pulsationen und strömungsgeschwindigkeitsabhängige Widerstands- und Reaktionseffekte reduziert werden.
In einer Variante der Erfindung weisen dabei der Zuleitungs- und/oder der
Ableitungskanalabschnitt einen viereckigen Querschnitt auf. Vorzugsweise sind je Resonatorelement zumindest drei Öffnungen vorgesehen, wobei in der viereckigen Konfiguration auf jeder der vier Querseiten des Zuleitungs- und/oder
Ableitungskanalabschnitts je Resonatorelement zumindest eine, vorzugsweise drei Öffnungen angeordnet sind. Diese Öffnungen sind dabei jeweils in
Strömungsrichtung des Messfluids hintereinander angeordnet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht aufgrund ihrer Merkmale die
Konzentrationsmessung insbesondere von Wasser in verschiedenen
Aggregatzuständen - gasförmig, flüssig und fest in Form von Eis - bei für
photoakustische Messungen hohen Flussraten. Während üblicherweise nur etwa 1 bis 1 ,51/min bewältigt werden können, erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung Flussraten von bis zu 251/min.
Erfindungsgemäß wird bei einer Vorrichtung zur photoakustischen Messung eine effektive Dämpfung von störenden Umgebungsgeräuschen durch akustische Filter - die Resonatorelemente - in Kombination mit der Perforierung der Außenwand der Kanalabschnitte mittels schlitzförmiger Öffnungen im Bereich des Übertritts zu den Resonatorelementen erreicht. Dadurch wird das Strömungsfeld des Messfluids und der darin enthaltenen Partikel (z.B. Wasser in verschiedenen Aggregatzuständen) minimal gestört und strömungsinduzierte Pulsationen und
strömungsgeschwindigkeitsabhängige negative Effekte reduziert. Ebenfalls können die zu messenden Partikel ungestört zur Messzelle transportiert werden und es können hohe Durchflussraten und kurze Reaktionszeiten realisiert werden aufgrund der kurzen Distanzen zwischen Zuleitung und Messabschnitt. Eine Verwendung der Erfindung ist beispielsweise bei kühlenden bzw. vereisenden Windkanalanordnungen günstig, um Wassergehaltmessungen vorzunehmen. Eine weitere vorteilhafte Verwendung ergibt sich bei Brennstoffzellen- bzw. Elektrolyseuranordnungen, wo die Wasserkonzentrationen überwacht werden.
Die Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der nicht einschränkenden Ausführungsbeispiele, die in den Figuren dargestellt sind, näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine erste Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 eine Längsansicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
Fig. 3 eine zweite Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 4 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung entlang einer Linie A-A in Fig. 1 ;
Fig. 5 eine Detailansicht aus der Schnittdarstellung in Fig. 4; Fig. 6 eine perspektivische, teiltransparente Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Fig. 7 eine schematische Ansicht eines Messaufbaus unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In den nachfolgenden Figuren sind aus Gründen der Übersichtlichkeit gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. Messvorrichtung 1 gemäß den Figuren 1 bis 6 weist einen Hauptkanal 8 auf, in dem das Messfluid von einem Einlass 9 zu einem Messabschnitt 3 und weiter zu einem Auslass 10 geleitet wird. Dazu wird eine an den Auslass 10 angeschlossene Pumpenvorrichtung 1 1 verwendet, die für eine konstante Strömung durch die Vorrichtung 1 , insbesondere den Messabschnitt 3, sorgt.
Fig. 7 zeigt schematisch die Ansicht eines beispielhaften Aufbaus zur Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei ist die Ausführung der Messzelle 30 dargestellt, wo eine die Messzelle 30 bzw. den diese durchdringenden Hauptkanal 8 durchstrahlende Lichtquelle 13 - üblicherweise ein amplitudenmodulierter Laser, z.B. mit A=402nm, PPeak=20mW -, gegebenenfalls mit Strahlungsfalle 14, sowie ein Mikrophon 15 - beispielsweise Elektretmikrophone mit maximaler Sensitivität bei 4,7kHz - zum Aufzeichnen der angeregten Schallwellen vorgesehen sind. Die Lichtquelle 13 ist dabei üblicherweise außerhalb der Messzelle 30 angeordnet und strahlt über Fensterelemente 17 in diese hinein. Dabei können Desorptionsraten erhöht werden, wenn die Fensterelemente 17 geheizt ausgeführt sind.
Nach dem Einlass 9 ist der Zuleitungskanalabschnitt 2 vorgesehen, an den die Messzelle 30 anschließt, von der der Ableitungskanalabschnitt 4 - z.B. in
Strömungsrichtung 100 konisch auseinanderlaufend - zum Auslass 10 führt. In Fig. 4 ist zu erkennen, dass am Auslass 10 ein Gewinde für die Aufnahme von
nachfolgenden Rohr- bzw. Schlauchleitungen ausgeführt ist. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel weisen der Hauptkanal 8, insbesondere der Zuleitungs- 2 und der Ableitungskanalabschnitt 4, einen viereckigen Querschnitt (siehe Fig. 2) auf, der z.B. quadratisch mit Seitenlängen von je 1 cm ausgebildet sein kann.
Akustisch kurze konzentrische Resonatorelemente 5a, 5b, 5c, 5d werden als akustische Bandpassfilter verwendet, um Umgebungsgeräusche auf der Frequenz der photoakustischen Messung zu unterdrücken bzw. zu dämpfen. Um eine
Beeinflussung der Messung durch Geräusche der Pumpenvorrichtung 1 1 zu verhindern ist diese durch ein Schalldämpferelement 12 akustisch vom Rest der Vorrichtung 1 getrennt (siehe z. B. Fig. 7).
Zwei der besagten Resonatorelemente 5a, 5b, 5c, 5d sind Teil des Messabschnitts 3 während weitere Resonatorelemente als Dämpfungsresonatorelemente (in den Figuren insbesondere die Resonatorelemente 5a, 5b) im Bereich des
Zuleitungskanalabschnitts 2 vorgesehen sind, wobei die Abstände zwischen den Resonatorelementen 5a, 5b, 5c optimiert sind um eine maximale Dämpfung zu erzielen.
Ein Resonatorelement ist als Verstärkerresonatorelement (Resonatorelement 5c) in einem gewissen Abstand von den Dämpfungsresonatorelementen 5b, 5c
angeordnet, so dass sich ein Resonator zwischen dem Verstärkerresonatorelement 5c und dem in Flussrichtung gesehen letzten Resonatorelement stromabwärts der Messzelle 30 (hier Resonatorelement 5d) ergibt.
Günstigerweise beträgt der Abstand zwischen den stromaufwärts der Messzelle 30 angeordneten Resonatorelementen 5a, 5b, 5c, insbesondere zwischen ihren einander zugewandeten Innenwänden, etwa K/4. Dadurch können zusätzlich
Auslöschungen störender Schallwellen im Kanalinneren erzielt werden.
Dadurch ergibt sich im Hauptkanal 8 ein akustischer Resonator bzw. eine Resonanz, der bzw. die zur optimalen Verstärkung des photoakustischen Signals verwendet wird das sich innerhalb dieses Resonatorabschnitts, der dem Messabschnitt 3 und im Wesentlichen dem Bereich der Messzelle 30 entspricht, auf der Frequenz der maximalen Dämpfung durch diese filternden Resonatorelemente 5a, 5b, 5c, 5d ergibt. Die Resonatorelemente 5a, 5b, 5c, 5d sind im dargestellten
Ausführungsbeispiel als zylinderförmige, hohle Elemente ausgeführt, die
konzentrisch zum Hauptkanal 8 angeordnet und mit diesem über Öffnungen 6 verbunden sind, wobei auch andere Formen möglich sind. Dabei sind
Resonatorelemente 5a, 5b, 5c, 5d sowohl vor der Messzelle 30 als auch danach vorgesehen. Dadurch wird insbesondere das Ausbilden der für die Messung benötigten stehenden Welle mit Maximum im Bereich der Messzelle 30
sichergestellt. Bei den Resonatorelementen 5a, 5b, 5c, 5d handelt es sich im dargestellten
Ausführungsbeispiel um radialsymmetrische, akustisch kurze Resonatoren. Die Resonatorelementen 5a, 5b, 5c, 5d haben dabei eine zylindrische Form mit kreisförmiger oder polygonaler Grundfläche. Die Grundfläche ist dabei normal zur Strömungsrichtung im Hauptkanal 8 angeordnet. Akustisch kurz bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auf die axiale Ausdehnung lR der
radialsymmetrischen Resonatorelemente 5a, 5b, 5c, 5d und bedeutet, dass diese weit kürzer ist als die akustische Wellenlänge, insbesondere der Resonanzfrequenz.
Die Radien der Resonatorelementen 5a, 5b, 5c, 5d bzw. der
kreisförmigen/polygonalen Grundfläche sind dabei so gewählt, dass bei der gewählten Resonanzfrequenz der photoakustischen Zelle maximale Reflexion der (planaren) akustischen Wellen im Hauptkanal 8 an den Resonatorelementen 5a, 5b, 5c, 5d auftritt. Hierdurch wird einerseits unerwünschter, von außerhalb der
Messvorrichtung 1 eindringender Lärm bei der Resonanzfrequenz maximal zurück nach außen reflektiert und andererseits der im Anregungsbereich des
(photoakustischen) Resonators photoakustisch erzeugte Schall phasenrichtig, d.h. resonant, in diesen zurückreflektiert.
Die Bedingung für maximale Reflexion (Antiresonanz) für einen akustisch kurzen Zylinder ist näherungsweise durch die Nullstellen der Funktion
(2 yro(fc r0)+y1(fc r0)) ;1(fc r1)-(2 ;0(fc r0)+;1(fc r0))y1(fc r1) ^ '
gegeben. Hierin sind jv und Yv Bessel-Funktionen erster und zweiter Gattung der Ordnung v. rt ist der äußere Radius des Zylinders. r0 ist der (äquivalente) Radius der axial zentrierten Anschlüsse (hier der Hauptkanal), k = 2π/ λ ist der Betrag des akustischen Wellenvektors.
Zwischen den Resonatorelementen 5a, 5b, 5c, 5d und den Kanalabschnitten 2, 4 befinden sich die Außenwände 8 der Kanalabschnitte, die dünn und perforiert ausgeführt sind. Die Perforation ist dabei durch schlitzförmige Öffnungen 6 gebildet, deren größte Längserstreckung normal zur Strömungsrichtung 100 des Messfluids verläuft. Die akustische Inertanz der schlitzförmigen Öffnungen 6 wirkt dabei verzögernd auf den Schall, wodurch der äußere Radius der radialsymmetrischen Resonatorelemente 5a, 5b, 5c, 5d dementsprechend kleiner gewählt werden muss. Zusätzlich sind die Öffnungen 6 (siehe insbesondere Fig. 4, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nur drei Öffnungen mit dem Bezugszeichen„6" bezeichnet sind; die nachfolgenden Erläuterungen gelten für alle dargestellten Öffnungen 6) entgegen der Strömungsrichtung 100 des Messfluids geneigt ausgeführt. Dadurch lässt sich bei gegebener Resonanzfrequenz und effektiver Länge leff der schlitzförmigen Öffnungen bzw. Schlitze 6 eine möglichst große Unabhängigkeit der akustischen Charakteristik des Resonators von der Strömungsgeschwindigkeit erreichen. Das bedeutet mit anderen Worten, dass die Öffnungen 6 von außen nach innen durch die Außenwand 8 der Kanalabschnitte 2, 4 hinsichtlich der Strömungsrichtung 100 des Messfluids in einem spitzen Winkel α geneigt sind. Grundsätzlich kann der Winkel α zwischen 0° und 90° betragen, liegt aber vorteilhaft in einem Bereich zwischen 25° und 65°, vorzugsweise bei 45°. Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 gemäß Schnittdarstellung in Fig. 4, wo beispielhaft anhand einer Öffnung 6 der Verlauf des Winkels α dargestellt ist. Dieser Verlauf gilt auch für die anderen Öffnungen 6 im dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 . Durch die geneigte Ausführung der Öffnungen 6 hinsichtlich der Strömungsrichtung 100 ist es möglich, Turbulenzen und Strömungsabrisse zu reduzieren, die die Messung störende Geräuschquellen darstellen würden.
Insbesondere kann der akustische Widerstand (Verluste bzw. Dämpfung des photoakustischen Schalls, wenn positiv, und unerwünschte Schallerzeugung, wenn negativ), als auch die Reaktanz (Verzögerung des photoakustischen Schalls, welche zu einer Resonanzfrequenzverschiebung des Resonators führen würde) über weite Bereiche der Strömungsgeschwindigkeit konstant und minimal gehalten werden. Als effektive Länge leff der Schlitze 6 wird dabei die Erstreckung in einer Richtung parallel zur Strömungsrichtung 100 des Messfluids betrachtet. In einer vorteilhaften
Ausführung beträgt die effektive Länge ff der Schlitze 6 das doppelte der Dicke der Außenwand des Hauptkanals 8.
Eine vorteilhafte Reduktion von geräuscherzeugender Turbulenzen und
Strömungsabrisse kann verhindert werden, wenn die Auswahl der effektive Länge leff der Schlitze 6 anhand dem Kriterium der Strouhal-Zahl erfolgt. Da die Strouhal-Zahl direkt proportional zur effektiven Länge leff der schlitzförmigen Öffnung 6 ist, erzielt eine Verkürzung der Schlitze 6 in Strömungsrichtung 100 um einen gewissen Faktor nun den zusätzlichen Effekt, dass bei Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit die
Änderung der Strouhal-Zahl ebenfalls um diesen Faktor sinkt. Hierdurch kann die Abhängigkeit der akustischen Charakteristik (Widerstand und Reaktanz) von der Strömungsgeschwindigkeit zusätzlich eingeschränkt bzw. minimiert werden.
Je größer die effektive Länge letf ist, desto höher ist die Strouhal-Zahl, allerdings kann es dann auch zur Ablagerung von Partikeln, Wasser, etc. in den Resonatorelementen 5a, 5b, 5c, 5d kommen. Zusätzlich ergibt sich bei kleinerer effektiver Länge leff geringere Abhängigkeit der Strouhal-Zahl von der Strömungsgeschwindigkeit.
Insbesondere in Fig. 6 ist erkennbar, dass je Resonatorelement 5a, 5b, 5c, 5d auf jeder der vier Querseiten je drei Öffnungen 6 ausgeführt sind, die in
Strömungsrichtung 100 nacheinander angeordnet sind.
Durch die Verwendung von perforierten Kanalabschnittswänden 7, indem also in den Wänden des Zuleitungs- 2 und Ableitungskanalabschnitts 4 schlitzförmige, geneigte Öffnungen 6 als Übergang zu umgebenden Resonatorelementen 5a, 5b, 5c, 5d ausgeführt sind, werden photoakustische Messungen eines Analyten in einem Messfluid bei ungewöhnlich hohen Flussraten von bis zu 25l/min ermöglicht.
Genauer gesagt werden perforierte Kanalabschnittswände 7, also Wände mit geneigten schlitzförmigen Öffnungen 6, zwischen dem das Messfluid beinhaltenden Kanal und akustischen Filtern in Form von Resonatorelementen 5a, 5b, 5c, 5d bzw. anderen Verbindungs- und Kreuzungspunkten entlang des Fluidpfads durch die Messvorrichtung 1 vorgesehen. Die schlitzförmigen Öffnungen 6 sind entgegen der Strömungsrichtung 100 des Messfluids geneigt. Diese Ausführung erlaubt eine gelenkte Strömung des Messfluids durch den Hauptkanal 8 (also den Zuleitungs- 2 und Ableitungskanalabschnitt 4 und die dazwischen angeordnete photoakustische Messzelle 30), wobei ein Ablösen der Strömung, das Auftreten von begleitenden Turbulenzen, strömungsinduzierte Pulsationen und geschwindigkeitsabhängige akustische Widerstands- und Reaktionseffekte reduziert werden. Die Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 reduziert auch das Auftreten von Strömungslärm, also sich durch die hohen Flussgeschwindigkeiten ergebende akustische
Störungsgeräusche der Messung.
Die Vorrichtung 1 erlaubt die möglichst störungsfreie Partikelmessung, insbesondere auch von„Hydrometeoren", also Flüssigkeits-, insbesondere Wassertröpfchen bzw. Eispartikeln mit Durchmessern von wenigen bis zu einigen hundert Mikrometern. Die Partikel durchqueren dabei idealerweise dem Messbereich 3, ohne dass es zu Wechselwirkungen mit den Kanalwänden 7 des umgebenden Hauptkanals 8 bzw. dessen Kanalabschnitten 2, 4 kommt. Damit ist eine Messung und Unterscheidung der Konzentrationen der verschiedenen Aggregatzustände möglich. Dazu können in der Messzelle 30 mehrere Laserquellen 13 mit unterschiedlichen Wellenlängen vorgesehen werden, um von den individuellen Absorptionsquerschnitten der drei Aggregatzustände bei unterschiedlichen Wellenlängen zu profitieren.
Dabei ist sowohl eine„in-situ"-Messung in Fluidströmen möglich, das gegenüber einem extraktiven Sampling, wo also über eine Entnahmevorrichtung ein Teil- oder Gesamtstrom entnommen wird, eine geringere Ansprechzeit und Adsorptions- bzw. Wechselwirkungslänge erlaubt. Fig. 7 zeigt beispielhaft ein Element 16, das entweder eine oben beschriebene Entnahmevorrichtung sein kann, die in eine Fluidleitung - z.B. ein Abgasrohr eines Verbrennungsmotors oder ein Zu- oder Ableitungsrohr zu einer Brennstoffzelle oder einem Elektrolyseur - hineinragt oder unmittelbar eine derartige Fluidleitung darstellt. Gegebenenfalls kann vor der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 bzw. deren Messzelle 30 auch eine
Konditioniereinrichtung vorgesehen sein, um das Messfluid zu konditionieren (z.B. Temperatur, Wassergehalt oder Anteil an anderen Reagenten).
Erfindungsgemäß sind also an dem Hauptkanal 8 radialsymmetrische, akustisch kurze Resonatorelementen 5a, 5b, 5c, 5d vorgesehen, die über schlitzförmige Öffnungen 6 in den Kanalabschnittswänden 7 mit dem Hauptkanal 8 verbunden sind. Die schlitzförmigen Öffnungen 6 sind dabei normal zur Strömungsrichtung 100 im Hauptkanal 8 orientiert, ihre Erstreckung parallel zur Strömungsrichtung 100 ist also deutlich geringer als ihre Erstreckung normal dazu. Die effektive Länge ff der schlitzförmigen Öffnungen 6 ist dabei deutlich geringer gewählt als die axiale
Ausdehnung lR der radialsymmetrischen Resonatorelemente 5a, 5b, 5c, 5d. Dadurch können geometrische Quellen für Strömungsgeräusche reduziert werden. Zusätzlich sind die Öffnungen 6 entgegen der Strömungsrichtung 100 des Messfluids geneigt ausgeführt.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (1 ) zur photoakustischen Messung der Konzentration von
Partikeln, insbesondere Wasser in verschiedenen Aggregatzuständen, in einem Messfluid, mit einem Zuleitungskanalabschnitt (2) für das Messfluid, einen Messabschnitt (3) mit einer photoakustischen Messzelle (30) und einem Ableitungskanalabschnitt (4) für das Messfluid, dadurch
gekennzeichnet, dass im Bereich des Zuleitungskanalabschnitts (2) und/oder im Bereich des Ableitungskanalabschnitts (4) zumindest ein zum Zuleitungs- (2) und/oder Ableitungskanalabschnitt (4) konzentrisches Resonatorelement (5a, 5b, 5c, 5d) vorgesehen ist, das mit dem Zuleitungs- (2) bzw. dem Ableitungskanalabschnitt (4) über zumindest eine Öffnung (6) in einer Außenwand (7) des Zuleitungs- (2) und/oder
Ableitungskanalabschnitts (4) strömungsverbunden ist.
2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
zumindest eine Öffnung (6) schlitzförmig ausgebildet ist, wobei
vorzugsweise die Breite der Öffnung (6) in Richtung normal zur
Strömungsrichtung (100) des Messfluids größer ist als die Länge der Öffnung (6) in Richtung parallel zur Strömungsrichtung (100).
3. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse (60) der zumindest einen Öffnung (6) unter einem spitzen Winkel (a), vorzugsweise zwischen 25° und 65°m gegen die Längsachse (200) des Zuleitungs- (2) und/oder Ableitungskanalabschnitts (4) geneigt ist.
4. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der Zuleitungs- (2) und/oder
Ableitungskanalabschnitt (4) einen viereckigen Querschnitt aufweisen.
5. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass je Resonatorelement (5a, 5b, 5c, 5d) zumindest drei Öffnungen (6) vorgesehen sind.
6. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder der vier Querseiten des Zuleitungs- (2) und/oder Ableitungskanalabschnitts (4) je Resonatorelement (5a, 5b, 5c, 5d) zumindest eine, vorzugsweise drei Öffnungen (6) angeordnet sind.
Verwendung einer Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 Wasserkonzentrationsmessung in Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseuranordnungen .
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050160791A1 (en) * 2004-01-20 2005-07-28 Andy Kung Ultraviolet photoacoustic ozone detection
EP1564543B1 (de) 2004-01-28 2007-07-11 AVL List GmbH Messkammer für einen photoakustischen Gassensor
CN101949821A (zh) * 2010-08-12 2011-01-19 重庆大学 用于气体光声光谱监测的纵向共振光声池

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