WO1993006457A1 - Method and device for the quantitative and qualitative determination of hydrocarbon-containing soot particles suspended in gases - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a device for highly sensitive quantitative determination of hydrocarbon-containing soot aerosols, as typically used in incomplete combustion processes, for. B. in diesel engines.
- the method is intended on the one hand to record the graphitic part alone and on the other hand to record the graphitic hydrocarbonaceous part of a combustion aerosol.
- the measurement and determination of diesel and soot aerosols in emissions and immissions is mainly carried out by enriching, integrating collection of the total aerosol using a membrane or quartz filter.
- the determination of the separated aerosol can now be done by targeted Pyrolysis with subsequent determination of the escaping C02 (coulometric, conductometric, photoacoustic).
- the blackening of the filter caused by soot particles can be used for the measurement spectroscopically (reflectometrically or by transmission measurement).
- the first developments to an on-line measurement technology are the use of IR absorption in an optical extinction measurement according to Prempl et al. (SAE Technical Paper 850269 from 1985).
- the diesel exhaust gas aerosol is analyzed on line at wavelengths of 3 to 4 ⁇ m for accumulated hydrocarbons and at 6 ⁇ m for graphitic soot in a transmission measurement.
- the detection limits are 1 mg / m 3 for organic insoluble mass (mainly graphite) and 5 mg / m 3 given for the total hydrocarbon. This enables continuous measurement in the highly polluted emission range, but not in the immission concentration range.
- Photoacoustic soot detection according to Adams et al. Represents a much more powerful on-line measurement technique that partially fulfills the conditions. (Atmos. Environ. 23 (1989), p. 693).
- a voluminous Ar ion laser with a mechanical chopper wheel is used in order to absorb light by soot particles in a resonantly operated, photoacoustic measuring cell at 514.4 nm to measure proportional heating of the surrounding gas and thus a pressure increase in the cell.
- the measurement signal here the gas pressure in the cell
- the measurement signal is proportional to the incident light intensity and that with a high power of the laser, the lowest light absorption by soot can still be detected.
- the object of the invention is to provide a method and a device which overcome these disadvantages.
- the semiconductor diode laser illuminates at least a part of the chamber and emits wavelengths at an absorption minimum of water vapor and an absorption maximum of long-chain hydrocarbons or elemental carbon and its ' intensity can be modulated in that the chamber as a resonant photoacoustic cell is designed and the pressure transducer is attached to it at the location of a pressure maximum of a resonance, that the measurement is carried out at a harmonic of the cell resonance and thus with the exclusion of low-frequency interference and that the gas feed pump produces an adjustable air flow from the gas inlet to the gas outlet.
- Semiconductor diode lasers with an emission range at 800 nm largely reduce the influences of high N03 concentrations, as can be found in diesel exhaust gas, since N03 has a much smaller absorption cross section in the near IR range than at about 514.5 nm Water vapor on the measurement signal is not significantly higher in this wavelength range than at 514.5 nm, so that the invention represents a compact and mobile measurement system that can be used both for emission measurements on the running engine and for immission measurements.
- a plurality of lasers preferably irradiate the soot aerosol at different wavelengths.
- a size-selecting inlet system defines the particle spectrum to be examined.
- a device for carrying out the method, consisting of a closed chamber with gas inlet and outlet, to which a pressure sensor, a modulatable semiconductor diode laser and a gas feed pump are attached, it is provided that the semiconductor diode laser illuminates at least a part of the chamber and has wavelengths at an absorption minimum of water vapor and an absorption maximum of long-chain hydrocarbons or elemental carbon and its intensity can be modulated, that the chamber is designed as a resonant photoacoustic cell and the pressure transducer is attached to it at the location of a pressure maximum of a resonance that the measurement at a harmonic of the cell resonance and thus under exclusion of low-frequency interference and that the Gas feed pump produces an adjustable air flow from the gas inlet to the gas outlet.
- the aerosol conveyed by the gas pump 4, enters the resonant photoacoustic cell 1 with the pressure transducer "la.
- a modulated diode laser 2 which emits at 300 nm, is flanged on.
- the aerosol in the cell is irradiated via suitable optics 3 Now that on the one hand not the first resonant mode is excited, but that the resonance frequency of the next higher mode is used to modulate the diode laser.
- the detection limit is currently around 50 g of particulate soot per m air.
- soot aerosols by measurement has hitherto been carried out either by enriching the total aerosol on filters, IR extinction measurements or by photoacoustic soot detection using an Ar ion laser. Neither of the first two methods is able to guarantee good time resolution at low detection limits.
- the photoacoustic soot detection can neither lead to measurements at high Environmental noise (engine test bench) are used, still differentiate between elemental and organically bound carbon.
- the photoacoustic soot detector uses a modulatable semiconductor diode laser as the light source. This makes a commonly used mechanical chopper superfluous and, due to its small size, leads to a compact and mobile soot detector. The influence of ambient noise is minimized by the measurement with a higher resonance of the photoacoustic cell. This eliminates low-frequency interference.
- the organically bound carbon is detected by a second diode laser, which emits in the range between 3 and 4 ⁇ .
- the photoacoustic soot detector can be used for emission monitoring on an engine test bench or for immission measurements.
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Abstract
For the high-sensitivity photo-acoustic detection of graphite or soot particles containing trapped hydrocarbons in gases, in particular in air, the invention calls for a closed chamber with a gas inlet and outlet to be used, with a pressure sensor (1a), a modulatable semiconductor diode laser (2) and a gas pump (4) attached to the chamber. The semiconductor diode laser (2) illuminates at least part of the chamber. It emits at wavelengths corresponding to an absorption minimum of water vapour and an absorption maximum of long-chain hydrocarbons or elemental carbon, and its intensity can be modulated. The chamber is designed as a resonant photo-acoustic cell (1) and the pressure sensor (1a) is fitted at a point corresponding to a resonance-wave pressure maximum. Measurement is made at a cell-resonance harmonic to exclude low-frequency interference. The gas pump (4) produces an adjustable flow of air from the gas inlet to the gas outlet.
Description
Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen und qualitativen Erfassung von ohlenwasserstoffhaltigen Rußschwebeteilchen in GasenMethod and device for the quantitative and qualitative detection of soot suspended particles containing gases in gases
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur hochempfindlichen quantitativen Bestimmung, von kohlenwasserstoffhaltigen Rußaerosolen, wie sie typischerweise bei unvollständigen Verbrennungsvorgängen, z. B. in Dieselmotoren, entstehen. Das Verfahren soll einerseits den graphitischen Anteil allein und andererseits den graphitischen kohlenwasserstoffhaltigen Anteil eines Verbrennungsaerosols erfassen.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a device for highly sensitive quantitative determination of hydrocarbon-containing soot aerosols, as typically used in incomplete combustion processes, for. B. in diesel engines. The method is intended on the one hand to record the graphitic part alone and on the other hand to record the graphitic hydrocarbonaceous part of a combustion aerosol.
Die steigende Belastung der Außenluft in verkehrsreichen Ballungsgebieten mit krebsverdächtigen Dieselimmissionen hat den Gesetzgeber bewogen, in Zukunft stärkere Überwachungsmaßnahmen bei Dieselemissionen zu fordern.The increasing pollution of the outside air in congested urban areas with suspected cancerous diesel emissions has prompted the legislature to demand stronger monitoring measures for diesel emissions in the future.
So werden gegenwärtig die Grenzwerte für Rußemissionen und -immissionen laufend herabgesetzt. Diesen Erfordernissen steht' eine unzureichende Meßtechnik gegenüber. Insbesondere für die Optimierung motorischer Verbrennungsvorgänge unter Fahrtzyklusbedingungen sind Meßverfahren mit einer Ansprechzeit im Sekundenbereich erforderlich. Die verschärften Bedingungen, etwa für eine Immisionsüberwachung, sehen Nachweisgrenzen von 1 ug Ruß pro m3 Luft vor.The limit values for soot emissions and immissions are currently being continuously reduced. These requirements is' against insufficient measurement technology. Measurement methods with a response time in the range of seconds are required in particular for the optimization of engine combustion processes under driving cycle conditions. The tougher conditions, for example for immision monitoring, provide for detection limits of 1 µg of soot per m 3 of air.
Die meßtechnische Erfassung und Bestimmung von Diesel- und Rußaerosolen in der Emission und Immission wird hauptsächlich durch anreichernde integrierende Sammlung des Gesamtaerosols mittels eines Membran- oder Quarzfilters vorgenommen. Die Bestimmung des abgeschiedenen Aerosols kann nun einmal durch gezielte
Pyrolyse mit nachfolgender Bestimmung des entweichenden C02 (coulometrisch, konduktometrisch, photoakustisch) erfolgen. Alternativ kann die durch Rußpartikel hervorgerufene Schwärzung des Filters spektroskopisch (reflektometrisch oder durch Transmissionsmessung) zur Messung herangezogen werden. Diese Verfahren haben generell άen Nachteil, daß das Aerosol zunächst auf einem Filter angereichert werden muß und nicht von einer unvollständigen Verbrennung stammende organische Partikelfraktionen bei der Pyrolyse positive Meßfehler erzeugen oder nicht aus Ruß bestehende lichtabsorbierende oder -streuende Aerosolanteile ebenfalls die Anwesenheit von Ruß vortäuschen. Die Unterscheidung zwischen angelagerten langkettigen Paraffinanteilen und graphitischen Rußanteilen gelingt nur nach zeitraubender Vorextrakt^'on oder thermischer Vorbehandlung.The measurement and determination of diesel and soot aerosols in emissions and immissions is mainly carried out by enriching, integrating collection of the total aerosol using a membrane or quartz filter. The determination of the separated aerosol can now be done by targeted Pyrolysis with subsequent determination of the escaping C02 (coulometric, conductometric, photoacoustic). Alternatively, the blackening of the filter caused by soot particles can be used for the measurement spectroscopically (reflectometrically or by transmission measurement). These methods generally have the disadvantage that the aerosol must first be enriched on a filter and organic particle fractions originating from incomplete combustion do not produce positive measurement errors during the pyrolysis, or light-absorbing or scattering aerosol fractions consisting of soot likewise simulate the presence of soot. The distinction between accumulated long-chain paraffin fractions and graphitic soot fractions is only possible after time-consuming pre-extract ^ 'on or thermal pretreatment.
Ein weiterer wesentlicher Nachteil ist die unzureichende Nachweisgrenze. Im Zuge der Novellierung des deutschen Bundesemissionsschutzgesetzes, § 40, Abs. 2 , ist ein Grenzwert von 10 ug Ruß pro m3 Luft vorgesehen. Um diesen Grenzwert zu erreichen, mußten teilweise stundenlange Sammelzeiten in kauf genommen werden. Eine kontinuierliche Messung ist damit nicht möglich. Eine Synopse über Techniken zur Messung von Rußkonzentrationen stammt von Gast und Götz (Z. Meteorol. 38 (1988, S. 315).Another major disadvantage is the insufficient detection limit. In the course of the amendment to the German Federal Emissions Protection Act, Section 40, Paragraph 2, a limit value of 10 µg soot per m 3 air is provided. In order to reach this limit, it was sometimes necessary to accept hours of collection time. A continuous measurement is therefore not possible. A synopsis of techniques for measuring soot concentrations comes from Gast and Götz (Z. Meteorol. 38 (1988, p. 315).
Erste Entwickoungen zu einer on-line-Meßtechnik, die ansatzweise für den geforderten Zweck geeignet sein könnte, sind die Nutzung der IR-Absorption in einer optischen Extinktionsmessung nach Prempl et al. (SAE Technical Paper 850269 von 1985). Dabei wird on line das Dieselabgasaerosol bei Wellenlängen von 3 bis 4 um auf angelagerte Kohlenwasserstoffe und bei 6 yum auf graphitischen Ruß in einer Transmissionsmessung analysiert. Die Nachweisgrenzen sind mit l mg/m3 für organische unlösliche Masse (hauptsächlich Graphit) und 5
mg/m3 für den Gesamtkohlenwasserstoff angegeben. Damit ist zwar eine kontinuierliche Messung im hochbelasteten Emissionsbereich möglich, aber nicht im Immissionskonzentrationsbereich.The first developments to an on-line measurement technology, which could be suitable for the required purpose, are the use of IR absorption in an optical extinction measurement according to Prempl et al. (SAE Technical Paper 850269 from 1985). The diesel exhaust gas aerosol is analyzed on line at wavelengths of 3 to 4 µm for accumulated hydrocarbons and at 6 µm for graphitic soot in a transmission measurement. The detection limits are 1 mg / m 3 for organic insoluble mass (mainly graphite) and 5 mg / m 3 given for the total hydrocarbon. This enables continuous measurement in the highly polluted emission range, but not in the immission concentration range.
Eine wesentlich nachweisstärkere, die Bedingungen teilweise erfüllende on-line-Meßtechnik stellt die photoakustische Rußdetektion nach Adams et al. (Atmos. Environ. 23 (1989), S. 693) dar. Dabei wird ein voluminöser Ar-Ionenlaser mit einem mechanischen Chopperrad dazu benutzt, um in einer resonant betriebenen, photoakustischen Meßzelle bei 514,4 nm eine zur Absorption von Licht durch Rußteilchen proportionale Erwärmung des umgebenden Gases und damit eine Druckerhöhung in der Zelle zu messen.Photoacoustic soot detection according to Adams et al. Represents a much more powerful on-line measurement technique that partially fulfills the conditions. (Atmos. Environ. 23 (1989), p. 693). Here, a voluminous Ar ion laser with a mechanical chopper wheel is used in order to absorb light by soot particles in a resonantly operated, photoacoustic measuring cell at 514.4 nm to measure proportional heating of the surrounding gas and thus a pressure increase in the cell.
Vorteilhaft bei dieser Meßstrategie ist, daß das Meßsignal (hier der Gasdruck in der Zelle) proportional zur einfallenden Lichtintensität ist und bei einer hohen Leistung des Lasers geringste Lichtabsorptionen durch Ruß noch detektiert werden können.It is advantageous with this measurement strategy that the measurement signal (here the gas pressure in the cell) is proportional to the incident light intensity and that with a high power of the laser, the lowest light absorption by soot can still be detected.
Nachteilig ist neben der Größe des Ar-Ionenlasers und der Verwendung eines mechanischen Chopperrades die Unmöglichkeit, den angelagerten Kohlenwasserstoff bei Verwendung dieser Konfiguration mitzumessen. Weiterhin tritt eine starke Verfälschung des Meßsignals bei der Anwesenheit hoher N03-Konzehtrationen auf. Schließlich sind bei Messungen am laufenden Motor mit der beschriebenen Konfiguration die vorhandenen Druckschwankungen im AuspuffSystem und Störungen des Meßsignals durch den starken Umgebungslärm ein wesentlicher Faktor, der die Anwendbarkeit des Systems als direkte Abgaskontrolle an einem Motor verhindert und die Nachweisstärke begrenzt.
_ & _A disadvantage, in addition to the size of the Ar ion laser and the use of a mechanical chopper wheel, is the impossibility of measuring the attached hydrocarbon when using this configuration. Furthermore, there is a strong falsification of the measurement signal in the presence of high N03 concentrations. Finally, when measurements are taken on the running engine with the configuration described, the existing pressure fluctuations in the exhaust system and disturbances in the measurement signal due to the strong ambient noise are an essential factor which prevents the system from being used as a direct exhaust gas control on an engine and limits the detection strength. _ & _
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die diese Nachteile überwinden.The object of the invention is to provide a method and a device which overcome these disadvantages.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Halbleiterdiodenlaser mindestens einen Teil der Kammer ausleuchtet und mit Wellenlängen bei einem Absorptionsminimum von Wasserdampf und einem Absorptionsmaximum von langkettigen Kohlenwasserstoffen bzw. elementarem Kohlenstoff strahlt und in seiner ' Intensität modulierbar ist, daß die Kammer als resonante photoakustische Zelle ausgelegt ist und bei ihr der Druckaufnehmer am Ort eines Druckmaximums einer Resonanz angebracht ist, daß die Messung bei einer Oberwelle der Zellresonanz und somit unter Ausschluß von niederfrequenten Störungen vorgenommen wird und daß die Gasförderpumpe eine regulierbare Luftströmung vom Gaseinlaß zum Gasauslaß produziert.This object is achieved in that the semiconductor diode laser illuminates at least a part of the chamber and emits wavelengths at an absorption minimum of water vapor and an absorption maximum of long-chain hydrocarbons or elemental carbon and its ' intensity can be modulated in that the chamber as a resonant photoacoustic cell is designed and the pressure transducer is attached to it at the location of a pressure maximum of a resonance, that the measurement is carried out at a harmonic of the cell resonance and thus with the exclusion of low-frequency interference and that the gas feed pump produces an adjustable air flow from the gas inlet to the gas outlet.
Der Einsatz eines leistungsstarken Halbleiterdiodenlasers als Strahlungsquelle macht die Verwendung eines mechanischen Choppers überflüssig. Dieser Umstand und die geringe Baugröße des Lasers führen zu einem kompakten und mobilen Rußdetektionssyste'm mit einer hohen Nachweisgrenze, das den oben gestellten Erfordernissen entspricht. Ein weiterer wesentlicher Vorteil gegenüber dem oben beschriebenen System besteht darin, daß durch die elektronische Intensitätsmodulation des Halbleiterdiodenlasers eine höhere Resonanzfrequenz (Oberwelle) des Resonators zur Messung verwendet werden kann. Dadurch werden die Einflüsse äußerer Lärmquellen deutlich herabgesetzt; das System kann mit sehr hohen Durchflüssen arbeiten und somit eine hohe zeitliche Auflösung des Signals erreichen. Die von Adams et al. angegebene Konfiguration benötigt zur Eliminierung des N03-Einflusses einen N03-Vorabscheider, dessen Effizienz bei Erhöhung des Volumenflusses sinkt. Außerdem ist keine akustische Isolierung der Probenahmesonde von der Zelle
erforderlich. Durch die Verwendung einesThe use of a powerful semiconductor diode laser as a radiation source makes the use of a mechanical chopper unnecessary. This fact, and the small size of the laser result in a compact and mobile Rußdetektionssyste 'm with a high detection limit, which corresponds to the requirements set above. Another significant advantage over the system described above is that a higher resonance frequency (harmonic) of the resonator can be used for the measurement by the electronic intensity modulation of the semiconductor diode laser. This significantly reduces the influences of external noise sources; the system can work with very high flow rates and thus achieve a high temporal resolution of the signal. The method described by Adams et al. The specified configuration requires an N03 pre-separator to eliminate the N03 influence, the efficiency of which decreases as the volume flow increases. In addition, there is no acoustic isolation of the sampling probe from the cell required. By using a
Halbleiterdiodenlasers mit einem Emissionsbereich bei 800 nm werden die Einflüsse hoher N03-Konzentrationen, wie sie im Dieselabgas zu finden sind, weitgehend herabgesetzt, da N03 im nahen IR-Bereich einen wesentlich geringeren Absorptionsquerschnitt besitzt, als etwa bei 514,5 nm. Die Einflüsse des Wasserdampfes auf das Meßsignal sind in diesem Wellenlängenbereich nicht wesentlich höher als bei 514,5 nm, so daß die Erfindung ein kompaktes und mobiles Meßsystem darstellt, das sowohl zu Emissionsmessungen am laufenden Motor als auch zu Immissionsmessungen herangezogen werden kann.Semiconductor diode lasers with an emission range at 800 nm largely reduce the influences of high N03 concentrations, as can be found in diesel exhaust gas, since N03 has a much smaller absorption cross section in the near IR range than at about 514.5 nm Water vapor on the measurement signal is not significantly higher in this wavelength range than at 514.5 nm, so that the invention represents a compact and mobile measurement system that can be used both for emission measurements on the running engine and for immission measurements.
Vorzugsweise bestrahlen mehrere Laser bei unterschiedlichen Wellenlängen das Rußaerosol.A plurality of lasers preferably irradiate the soot aerosol at different wavelengths.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß ein größenselektionierendes Einlaßsystem das zu untersuchende Partikelspektrum definiert.In a further development of the inventive concept, it is provided that a size-selecting inlet system defines the particle spectrum to be examined.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einer geschlossenen Kammer mit Gasein- und -auslaß, an welcher ein Druckaufnehmer, ein modulierbarer Halbleiterdiodenlaser und eine Gasförderpumpe angebracht sind, ist vorgesehen, daß der Halbleiterdiodenlaser mindestens einen Teil der Kammer ausleuchtet und mit Wellenlängen bei einem Absorptionsminimum von Wasserdampf und einem Absorptionsmaximum von langkettigen Kohlenwasserstoffen bzw. elementarem Kohlenstoff strahlt und in seiner Intensität modulierbar ist, daß die Kammer als resonante photoakustische Zelle ausgelegt ist und bei ihr der Druckaufnehmer am Ort eines Druckmaximums einer Resonanz angebracht ist, daß die Messung bei einer Oberwelle der Zellresonanz und somit unter Ausschluß von niederfrequenten Störungen vorgenomen wird und daß die
Gasförderpumpe eine regulierbare Luftströmung vom Gaseinlaß zum Gasauslaß produziert.In a device according to the invention for carrying out the method, consisting of a closed chamber with gas inlet and outlet, to which a pressure sensor, a modulatable semiconductor diode laser and a gas feed pump are attached, it is provided that the semiconductor diode laser illuminates at least a part of the chamber and has wavelengths at an absorption minimum of water vapor and an absorption maximum of long-chain hydrocarbons or elemental carbon and its intensity can be modulated, that the chamber is designed as a resonant photoacoustic cell and the pressure transducer is attached to it at the location of a pressure maximum of a resonance that the measurement at a harmonic of the cell resonance and thus under exclusion of low-frequency interference and that the Gas feed pump produces an adjustable air flow from the gas inlet to the gas outlet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below.
Der Aerosol gelangt, gefördert durch die Gaspumpe 4, in die resonante photoakustische Zelle 1 mit dem Druckabnehmer " la. Angeflanscht ist ein modulierbarer Diodenlaser 2, der bei 300 nm emittiert. Ober eine geeignete Optik 3 wird das Aerosol in der Zelle bestrahlt. Entscheidend ist nun, daß zum einen nicht die erste resonante Mode angeregt wird, sondern daß die Resonanzfrequenz der nächsthöheren Mode zur Modulation des Diodenlasers verwendet wird. Dadurch werden störende Einflüsse niederfrequenter Art ausgeschlossen, wie sie bei MotorauspuffSystemen üblich sind. Bei Verwendung eines Diodenlasers mit einer Wellenlänge zwischen 3 und 4 μia. wird anstelle des graphitischen Rußanteils der Rußanteil und zusätzlich angelagerter paraffinischer Kohlenwasserstoff erfaßt. Die Erfassungsgrenze liegt derzeit bei etwa 50 g partikelförmigem Ruß pro m Luft.The aerosol, conveyed by the gas pump 4, enters the resonant photoacoustic cell 1 with the pressure transducer "la. A modulated diode laser 2, which emits at 300 nm, is flanged on. The aerosol in the cell is irradiated via suitable optics 3 Now that on the one hand not the first resonant mode is excited, but that the resonance frequency of the next higher mode is used to modulate the diode laser.This eliminates disturbing influences of a low-frequency type, which are common in engine exhaust systems 3 and 4 μia., Instead of the graphitic soot content, the soot content and additionally accumulated paraffinic hydrocarbon are recorded. The detection limit is currently around 50 g of particulate soot per m air.
Zusammenfassend werden das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur quantitativen und qualitativen Erfassung von kohlenwasserstoffhaltigen Rußschwebeteilchen in Gasen wie folgt beschrieben.In summary, the method according to the invention and the device for the quantitative and qualitative detection of hydrocarbon-containing soot particles in gases are described as follows.
Die meßtechnische Erfassung von Rußaerosolen wird bisher entweder durch anreichernde Sammlung des Gesamtaerosolε auf Filtern, IR-Extinktionsmessungen oder durch photoakustische Rußdetektion mittels eines Ar-Ionenlasers vorgenommen. Keines der ersten beiden Verfahren ist in der Lage, bei niedrigen Nachweisgrenzen eine gute Zeitauflösung zu gewährleisten. Die photoakustische Rußdetektion dagegen kann weder zu Messungen bei hohem
Umgebungslärm (Motorenprüfstand) eingestzt werden, noch zwischen elementarem und organisch gebundenem Kohlenstoff unterscheiden.The measurement of soot aerosols by measurement has hitherto been carried out either by enriching the total aerosol on filters, IR extinction measurements or by photoacoustic soot detection using an Ar ion laser. Neither of the first two methods is able to guarantee good time resolution at low detection limits. The photoacoustic soot detection, however, can neither lead to measurements at high Environmental noise (engine test bench) are used, still differentiate between elemental and organically bound carbon.
Der photoakustische Rußdetektor verwendet als Lichtquelle einen modulierbaren Halbleiterdiodenlaser. Dieser macht einen üblicherweise benutzten mechanischen Chopper überflüssig und führt wegen seiner geringen Größe zu einem kompakten und mobilen Rußdetektor. Der Einfluß von 'Umgebungslärm wird durch die Messung bei einer höheren Resonanz der photoakustischen Zelle minimiert. Niederfrequente Störungen werden dadurch eliminiert. Der organisch gebundene Kohlenstoff wird durch einen zweiten Diodenlaser detektiert, der im Bereich zwischen 3 und 4 μτ emittiert.The photoacoustic soot detector uses a modulatable semiconductor diode laser as the light source. This makes a commonly used mechanical chopper superfluous and, due to its small size, leads to a compact and mobile soot detector. The influence of ambient noise is minimized by the measurement with a higher resonance of the photoacoustic cell. This eliminates low-frequency interference. The organically bound carbon is detected by a second diode laser, which emits in the range between 3 and 4 μτ.
Der photoakuεtiεche Rußdetektor kann zur Emissionsüberwachung an einem Motorenprüfstand oder zur Immissionsmessungen eingesetzt werden.
The photoacoustic soot detector can be used for emission monitoring on an engine test bench or for immission measurements.
Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen und qualitativen-Erfassung von kohlenwasserstoffhaltigen Rußschwebeteilchen in GasenMethod and device for the quantitative and qualitative detection of hydrocarbon-containing soot particles in gases
P a t e n t a n s p r ü c h eP a t e n t a n s r u c h e
1. Verfahren zur quantitativen und qualitativen Erfassung von kohlenwasserstoffhaltigen Rußschwebeteilchen in Gasen, insbesondere zur hochempfindlichen photoakustischen Detektion von Graphit- bzw. Rußteilchen mit angelagertem Kohlenwasserstoff in Gasen, insbesondere Luft, mit einer geschlossenen Kammer mit Gasein- und -auslaß, an welcher ein Druckaufnehmer (la) , ein modulierbarer Halbleiterdiodenlaser (2) und eine Gasförderpumpe (4) angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterdiodenlaser (2) mindestens einen Teil der Kammer ausleuchtet und mit Wellenlängen bei einem Absorptionsminimum von Wasserdampf und einem Absorptionsmaximum von langkettiger Kohlenwasserstoffen bzw. elementarem Kohlenstoff strahlt und in seiner Intensität modulierbar ist, daß die Kammer als resonante photoakustische Zelle (1) ausgelegt ist und bei ihr der Druckaufnehmer (la) am Ort eines Druckmaximums einer Resonanz angebracht ist, daß die Messung bei einer Oberwelle der Zellresonanz und somit unter Ausschluß von niederfrequenten Störungen vorgenommen wird und daß die Gasförderpumpe (4) eine regulierbare Luftströmung vom Gaseinlaß zum Gasauslaß produziert.1.Procedure for the quantitative and qualitative detection of carbon-containing soot particles in gases, in particular for the highly sensitive photoacoustic detection of graphite or soot particles with attached hydrocarbon in gases, in particular air, with a closed chamber with gas inlet and outlet, at which a pressure sensor ( la), a modulatable semiconductor diode laser (2) and a gas feed pump (4) are attached, characterized in that the semiconductor diode laser (2) illuminates at least a part of the chamber and with wavelengths at an absorption minimum of water vapor and an absorption maximum of long-chain hydrocarbons or elementary Carbon radiates and its intensity can be modulated so that the chamber is designed as a resonant photoacoustic cell (1) and the pressure sensor (la) is attached to it at the location of a pressure maximum of a resonance, so that the measurement occurs at a harmonic of the cell resonance and so on is carried out with the exclusion of low-frequency interference and that the gas feed pump (4) produces an adjustable air flow from the gas inlet to the gas outlet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Laser bei unterschiedlichen Wellenlängen das Rußaerosol bestrahlen.
2. The method according to claim 1, characterized in that a plurality of lasers irradiate the soot aerosol at different wavelengths.
Claims
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein größenselektionierendeε Einlaßsystem das zu unterεuchende Partikelspektrum definiert.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that a size-selective inlet system defines the particle spectrum to be examined.
4. Vorrichtung zur Durchführung deε Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-3 , bestehend aus einer geschlossenen Kammer mit Gasein- und -auslaß, an welcher ein Druckaufnehmer (la), ein mόdulierbarer Halbleiterdiodenlaser (2) und eine Gasförderpumpe (4) angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterdiodenlaser (2) mindestens einen Teil der Kammer ausleuchtet und mit Wellenlängen bei einem Absorptionsminimum von Wasserdampf und einem Absorptionsmaximum von langkettigen Kohlenwasserstoffen bzw. elementarem Kohlenstoff strahlt und in seiner Intensität modulierbar ist, daß die Kammer als resonante photoakustische Zelle (1) ausgelegt ist und bei ihr der Druckaufnehmer (la) am Ort eines Druckmaximumε einer Resonanz angebracht ist, daß die Messung bei einer Oberwelle der Zellresonanz und somit unter Ausschluß von niederfrequenten Störungen vorgenommen wird und daß die Gasförderpumpe (4) eine regulierbare Luftströmung vom Gaseinlaß zum Gasauslaß produziert.
4. Device for performing the method according to one of claims 1-3, consisting of a closed chamber with gas inlet and outlet, to which a pressure transducer (la), a modulatable semiconductor diode laser (2) and a gas feed pump (4) are attached, characterized in that the semiconductor diode laser (2) illuminates at least part of the chamber and emits wavelengths at an absorption minimum of water vapor and an absorption maximum of long-chain hydrocarbons or elemental carbon and its intensity can be modulated such that the chamber as a resonant photoacoustic cell (1 ) is designed and the pressure transducer (la) is attached to it at the location of a pressure maximum of a resonance, that the measurement is carried out at an harmonic of the cell resonance and thus with the exclusion of low-frequency interference and that the gas feed pump (4) has an adjustable air flow from the gas inlet to Gas outlet produced.
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