Charakterisierung eines Partikelanzahlnormals für Rußpartikel

Transcrição

Charakterisierung eines Partikelanzahlnormals für Rußpartikel:
Konditionierung und Stabilität
Fakultät Versorgungstechnik
der Ostfalia
eingereichte
Abschlussarbeit
zur Erlangung des akademischen Grades
Master of Engineering
(M. Eng.)
von B. Eng. Arne Kuntze
geboren am 15.04.1980 in Braunschweig
Braunschweig, den 28.11.2013
Selbstständigkeitserklärung
Hiermit erkläre ich, die vorliegende Abschlussarbeit selbständig und ohne unerlaubte fremde
Hilfe angefertigt zu haben. Ich habe keine anderen als die im Schriftenverzeichnis angeführten
Quellen benutzt und sämtliche Textstellen, die wörtlich oder sinngemäß aus veröffentlichen
oder unveröffentlichten Schriften entnommen wurden, und alle Angaben, die auf mündlichen
Auskünften beruhen, als solche kenntlich gemacht. Ebenfalls sind alle von anderen Personen
bereitgestellten Materialen oder erbrachte Dienstleistungen als solche gekennzeichnet.
Braunschweig, den 28.11.2013
Inhaltsverzeichnis
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
III
TABELLENVERZEICHNIS
V
FORMELVERZEICHNIS
V
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS
VI
SYMBOLVERZEICHNIS
VII
1.
EINLEITUNG
1
2.
THEORETISCHE GRUNDLAGEN
3
2.1 Allgemeine Grundlagen von Rußaerosolen
2.1.1 Verbrennungsbasierte definierte Bildung von Rußaerosolen
3
5
2.2 Probenahme und Aerosoltransport
2.2.1 Sedimentationsverluste
2.2.2 Diffusionsverluste
6
7
9
2.3 Grundlagen zur Partikelaufladung
2.3.1 Diffusionsaufladung
2.3.2 Ladungsverteilung
2.3.3 Elektrische Mobilität
11
11
12
16
2.4 Partikelanzahlgrößenverteilungen
17
2.5 Rückgeführtes Messen von Rußpartikeln
2.5.1 Rückgeführtes Messen und Normale
2.5.2 PMP und CPC-Kalibrierung
18
19
20
3.
METHODEN
22
3.1 Anlagenschema
22
3.2 Mini-CAST Aufbau und Betriebsparameter
23
3.3 Konditionierung des erzeugten Aerosols
25
3.4 Das UDMPS zur Partikelselektion
28
3.5 Messgeräte zur Partikeldetektion
3.5.1 Ultrafeiner Partikelzähler, Teilstromgerät
3.5.2 Vollstrom Partikelzähler
3.5.3 Abgas-Emissions-Partikelzähler
3.5.4 Aerosol Elektrometer
3.5.5 Gegenüberstellung der Geräte
30
32
34
35
36
38
ii
4.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
39
4.1 Aufbau und Entwicklung der Aerosolkonditionierung
4.1.1 Aerosolkonditionierung erste Ausbaustufe
4.1.2 Aerosolkonditionierung zweite Ausbaustufe
4.1.3 Aerosolkonditionierung finale Ausbaustufe
39
39
41
42
4.2 Charakterisierung des Rußaerosolgenerators
44
4.3 Stabilitätsuntersuchungen am Messaufbau
4.3.1 Langzeitstabilität nach dem UDMA
4.3.2 Stabilitätstest am Messgasverteiler
4.3.3 Reproduzierbarkeit am Messgasverteiler
47
47
48
49
4.4 Messgasverteiler und Portvergleich
4.4.1 Portvergleich bei 23 nm für 2000 und 10.000 Partikel/cm³
50
51
53
56
4.5 Abgleich der EECPC-Zähleffizienzen gegenüber internationalen Vergleichsdaten
58
5.
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
LITERATUR
60
62
iii
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Rußbildung nach Bockhorn [10]............................................................. 4
Abbildung 2: Zündgrenzen eines Kohlenstoff-Luft-Gemisches [11] ............................ 5
Abbildung 3: Sedimentationsverluste [14]................................................................... 7
Abbildung 4: Horizontale Strömung [14] ..................................................................... 9
Abbildung 5: Diffusion [14] ........................................................................................ 10
Abbildung 6: Diffusion in horizontaler Strömung [14] ................................................ 11
Abbildung 7: Aufgenommene Partikelanzahlgrößenverteilung eines Aerosols mit
75 nm großen Partikeln nach zweifacher elektrischer Selektion [20]
(modifiziert) .......................................................................................... 15
Abbildung 8: Partikelanzahlgrößenverteilung für ein 41 nm Aerosol ........................ 18
Abbildung 9: Anforderungen an ein Referenzaerosol zur Etablierung als
Partikelnormal [23] ............................................................................... 20
Abbildung 10: Anforderung an die Zähleffizienz eines EECPC [23] ......................... 21
Abbildung 11: Anlagenschema des Kalibriermessaufbaus ....................................... 22
Abbildung 12: Brennkammer des Mini-CAST mit drei Diffusionsflammen ................ 24
Abbildung 13: Diffusionsflammenprinzip anhand einer einzelnen Flamme ............... 24
Abbildung 14: Verdünnungsstufe VKL 10 [26] .......................................................... 26
Abbildung 15: Verdünnungsfaktor W und Ansaugvolumenstrom Van in
Abhängigkeit vom Vordruck [27] ........................................................ 28
Abbildung 16: Schema des UDMA [28] .................................................................... 29
Abbildung 17: Größenwachstum von Tröpfchen basierend auf dem
Kelvin-Effekt [30]................................................................................ 31
Abbildung 18: Schematischer Aufbau TSI UCPC 3776 [32] ..................................... 33
Abbildung 19: Schematischer Aufbau TSI 3772 CPC [33] ........................................ 34
Abbildung 20: TSI 3068B Aerosol Elektrometer [35] ................................................ 36
Abbildung 21: Aerosolkonditionierung Ausbaustufe 1, links)
Halbschnitt des Aufbaus, rechts) PAGV des konditionierten
Rußaerosols, gemessen mit dem UDMPS ........................................ 40
Abbildung 22: Aerosolkonditionierung Version 2, links) Halbschnitt des Aufbaus,
rechts) PAGV des konditionierten Rußaerosols,
gemessen mit dem UDMPS............................................................... 41
Abbildung 23: Letzte Ausbaustufe der Aerosolkonditionierung................................. 42
Abbildung 24: PAGV Konditionierungseinheit, gemessen mit dem UDMPS ............ 43
Abbildung 25: Mini-CAST Flammenbilder verschiedener Betriebspunkte ................ 45
Abbildung 26: Partikelanzahlgrößenverteilung der Mini-CAST Betriebspunkte ........ 45
Abbildung 27: Partikelanzahlgrößenverteilungen der Mini-CAST Betriebspunkte
normiert.............................................................................................. 46
Abbildung 28: Langzeitstabilitätstest im Scan-Modus, für PMP konforme
Betriebspunkte, aufgenommen mit dem UDMPS .............................. 47
Abbildung 29: Langzeitstabilität des 23 nm Betriebspunktes für 1100 Partikel/cm³
am Messgasverteiler .......................................................................... 48
Abbildung 30: Reproduzierbarkeit des 23 nm Betriebspunktes bei
1200 Partikel/cm³ an zwei verschiedenen Messtagen ....................... 49
Abbildung 31: Messgasverteiler für Vergleichsmessungen am
Referenzelektrometer und –CPC ....................................................... 50
Abbildung 32: Portvergleich bei 23 nm und für 2000 Partikel/cm³ ............................ 51
Abbildung 33: Portvergleich bei 23 nm und für 10.000 Partikel/cm³ ......................... 52
iv
v
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Transportverluste (Luft bei 101,3 kPa und 20°C,
Partikeldichte 1 g/cm³) [14] ........................................................................ 9
Tabelle 2: Transportverluste durch Diffusion (Luft bei 101,3 kPa und 20°C,
Partikeldichte 1 g/cm³) [14] ...................................................................... 11
Tabelle 3: Berechnete bipolare Größenverteilung mit den zugehörigen Fehlern,
nach der Wiedensohler Approximation [19] ............................................. 13
Tabelle 4: Ansaugvolumen Van , Reinluftvolumenstrom Vr und
Verdünnungsfaktor W in Abhängigkeit vom Vordruck [27] ....................... 27
Tabelle 5: PMP-Vorgaben für EECPC [34] ............................................................... 35
Tabelle 6: Gegenüberstellung der Messgeräte ......................................................... 38
Tabelle 7: Mini-CAST Betriebsparameter ................................................................. 44
Tabelle 8: Mini-CAST Betriebspunkte ....................................................................... 44
Tabelle 9: Gegenüberstellung der CPCs für den 23 nm Betriebspunkt .................... 53
Tabelle 10: Gegenüberstellung der CPCs für den 41 nm Betriebspunkt .................. 55
Tabelle 11: Gegenüberstellung der CPCs für den 55 nm Betriebspunkt .................. 57
Tabelle 12: Gegenüberstellung erreichter Zähleffizienzen PMP konformer
Punkte für den CPC 3790 ...................................................................... 58
Formelverzeichnis
Formel 2.1: Vollständige stöchiometrische Verbrennung ........................................... 3
Formel 2.2: Mechanische Mobilität ............................................................................. 7
Formel 2.3: Reynoldszahl ........................................................................................... 7
Formel 2.4: Mechanische Mobilität mit Cunningham Faktor, für Partikel kleiner 1 µm 8
Formel 2.5: Diffusionskraft ........................................................................................ 10
Formel 2.6: Ladungswahrscheinlichkeit für drei oder mehrfach geladene Partikel ... 14
Formel 2.7: Elektrische Feldstärke oder Intensität.................................................... 16
Formel 2.8: Elektrische Mobilität............................................................................... 17
Formel 3.1: Bernoulligleichung ................................................................................. 26
Formel 3.2: Verdünnungsfaktor W ............................................................................ 27
Formel 3.3: Partikelanzahlkonzentration, errechnet aus der Stromstärke ................ 37
vi
Abkürzungsverzeichnis
BC
Black Carbon
BP
Betriebs-Punkt
CAST
Combustion Aerosol STandard
CPC
Condensation Particle Counter
CS
Catalytic Stripper
EC
Elementarer Kohlenstoff
EMRP
European Metrology Research Programme
ENV02
Europäisches Projekt
EECPC
Engine Exhaust Condensation Particle Counter
DMPS
Differential Mobility Particle Sizer
DUT
Device Under Test
FCAE
Faraday Cup Aerosol Electrometer
HEPA Filter
High Efficiency Particle Filter
MFC
Mass-Flow-Controller
OP
Operation Point
OC
Organic Carbon
PAGV
Partikelanzahlgrößenverteilung
POM
Particulate Organic Matter
PTFE
Polymer aus Tetrafluorethylen
REG
Research Grand
RH
Relative Humidity (Relative Feuchte)
UCPC
Ultrafine Condensation Particle Counter
UDMA
Ultrafine Differential Mobility Analyzer
UDMPS
Ultrafine Differential Mobility Particle Sizer
VOC
Volatile Organic Compounds
vii
Symbolverzeichnis
Lateinische Großbuchstaben
Bedeutung
A
B
C c (D p )
D 50
Dp
𝑑𝑑𝑑𝑑0
Vt
I
K
L
N
Nm
Qa
Qs
pA
S
R
Re
T
U
V
𝑉𝑉̇
Fläche
mechanische Mobilität
Cunningham Korrekturfaktor
Maß für die Zähleffizienz und Cutoff-Kurve eines CPCs
Partikeldurchmesser
Unterdruck
Strömungsgeschwindigkeit
Stromstärke
Kelvin
Länge
Anzahl der Partikel / Anzahl der Ladungen pro Partikel
Newtonmeter
Aerosolfluss
Schleierluftfluss
Pico Ampere
Sättigungsverhältnis
universelle Gaskonstante
Reynoldszahl
Temperatur
Spannung / Unsicherheit
Volumen
̇
𝑉𝑉𝑎𝑎𝑎𝑎
𝑉𝑉̇𝑎𝑎𝑎𝑎
𝑍𝑍𝐼𝐼±
Zp
Volumenstrom
angesaugtes Volumen
abgegebenes Volumen
Ionen Mobilität
elektrische Mobilität des Partikels
Lateinische Kleinbuchstaben
Bedeutung
𝑐𝑐𝐼𝐼±
d
e
k
l
m
𝑛𝑛
Ionen Konzentration
Durchmesser
Elementarladung
Boltzmann Konstante / Erweiterungsfaktor
Länge
Masse
Anzahl
viii
𝑛𝑛𝑝𝑝
Anzahl der Ladungen pro Partikel
𝑞𝑞𝑒𝑒
ra
v
Flussrate
Partikelradius
Geschwindigkeit
Griechische Kleinbuchstaben
Bedeutung
𝜀𝜀0
η
λ
ν
ρ
dielektrische Konstante
dynamische Viskosität
mittlere freie Weglänge
Anzahl der Ionen
Dichte
1. Einleitung
1
1. Einleitung
In den vergangen Jahrzehnten hat der Straßenverkehr stetig zugenommen und ein Ende dieses
Wachstums ist noch nicht absehbar. Im Hinblick auf Schwellenländer wie beispielsweise China
und Indien stellt uns die Entwicklung des Automobil-Sektors mit Blick auf die zu erwartenden
Emissionen vor gewaltige Aufgaben. Aus aktuellen Untersuchungen des statistischen
Bundesamtes geht zudem hervor, dass besonders im Zuge der Globalisierung das
Güterverkehrsaufkommen in Deutschland stark, sowie der Personenverkehr in Zukunft stetig
zunehmen wird [1]. Die Vorreiterrolle Deutschlands in der Welt macht es zudem unabdingbar
Techniken und Kontrollinstanzen zur weiteren Reduzierung der Emissionen zu entwickeln. Bei
den Emissionen stellen dabei Rußpartikel, in Bezug auf die Partikelmasse, den größten Anteil
der durch den Menschen verursachten Partikel innerhalb der Luftverschmutzung dar [2].
Dieselrußpartikel sind morphologisch und chemisch komplexe Gebilde, die aus einem Gerüst
von kugelähnlichen Graphitteilchen bestehen, beschichtet mit einer Hülle unvollständig
verbrannter organischer Moleküle. Auf den Oberflächen von Dieselrußpartikeln befinden sich
Toxine wie polyzyklische Aromaten, die nach einer Deposition der Partikel in der Lunge zu
allererst mit dem Organismus in Kontakt kommen. Aufgrund dieser Eigenschaft, bis zu den
Alveolen vordringen zu können, werden diese Partikel mit vielfältigen negativen
Gesundheitseffekten in Verbindung gebracht [3]. Dazu zählen nicht nur asthmatische
Erkrankungen, sondern auch potentiell tödlich verlaufende Krankheiten, wie kardiopulmonale
Herzerkrankungen, Lungenentzündungen und Lungenkrebs [4]. Des Weiteren spielt der
schwarze Kohlenstoff, aus dem zum großen Teil die Rußpartikel bestehen, in allen bekannten
Hauptmechanismen des weltweiten Klimas eine Rolle, wie z.B. die Absorption der direkten
Sonneneinstrahlung, der Einfluss auf die Flüssigphasen sowie die Mischphasen bei der
Wolkenbildung und bei der Deposition auf Eis und Schnee [5]. Allein für die Absorption von
direkter Sonneneinstrahlung durch schwarzen Kohlenstoff wird ein Erwartungswert von +1.1
W/m2 des sogenannten global-warming-Potentials zugeordnet. Der Handlungsbedarf wurde
durch die europäischen Regierungen erkannt und mit den Abgasnormen EURO 5a und 5b sowie
den eingerichteten Umweltzonen Rechnung getragen [6]. In der Abgasnorm EURO 5b, welche
ab dem 1. September 2013 in Kraft trat, wurde vorgeschrieben, bei neu zugelassenen
Dieselfahrzeugen die Rußemissionen zu erfassen und während des Betriebes die
fahrzeugeigene Abgasbehandlung durch On-Board-Diagnosesysteme (OBD-System)
überwachen zu lassen. Des Weiteren wurde der Grenzwert von 6*1011 Partikel pro gefahrenen
Kilometer erlassen [7]. Seit Anfang 2005 wurde zudem eine Luftqualitätsrichtlinie in Kraft
gesetzt, welche sich EU-weit mit den Grenzwerten für die Belastung der Luft mit u.a.
Schadstoffen wie Feinstaub auseinandersetzt.
Aufgrund der verschärften Gesetzeslage haben Fahrzeughersteller verschiedene Systeme zur
Abgasnachbereitung entwickelt, wodurch die Gesamtemission von Rußpartikeln verringert
wurde, jedoch die Anzahl der nanoskaligen Rußpartikel stark zugenommen hat. Eine
1. Einleitung
2
Messmethode, welche die Anzahl der emittierten nanoskaligen Rußpartikel erfasst, wurde seit
2001 in einer Arbeitsgruppe der Transportabteilung der UN/ECE, dem Programm zur
Weiterentwicklung der Partikelmesstechnik in Fahrzeugabgasen, Particle Measurement
Program (PMP), entwickelt. Als Instrumente zur Partikelzählung werden dabei
Kondensationspartikelzähler (CPCs) verwendet. Diese CPCs können bislang nur von den
Herstellerfirmen selbst kalibriert werden, da bisher keine unabhängige Instanz existiert, die
Möglichkeiten zur CPC Kalibrierung bietet.
Im Rahmen des europäischen Projektes EMRP ENV02 PartEmission WP1 wurde an der
Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) eine Messstrecke zur Generierung von
Rußpartikeln aufgebaut. Die Metrologieinstitute der Länder England, Schweiz, Dänemark,
Finnland, Deutschland, das Joint Research Center der EU sowie das TROPOS Leipzig als REGPartner haben sich in diesem Projekt das Ziel gesetzt, spezifische Kalibrieraerosole mit
rückführbaren Mobilitätsdurchmesser für den Größenbereich 23 – 100 nm bereitzustellen. An
der PTB wurde für die Umsetzung dieses Projektes, ein Kalibrierstand für sogenannte ExhaustEmission-Condensation-Particle-Counter (EECPCs) entwickelt, um ein Normal für die
Partikelanzahl von Rußpartikeln im Aerosol bereitzustellen. Herzstück des Aufbaus ist ein
propangetriebener Rußpartikelgenerator mit Hilfe dessen ein international anerkanntes
Partikelanzahlnormal auf Basis einer Verbrennung entwickelt werden soll. Ein solches Normal
wird von Seiten der Automobilindustrie und industrienahen Kalibrierlaboratorien seit längerem
gefordert und ist von immenser Bedeutung. Auf der einen Seite ist dies für Fahrzeughersteller,
welche eine einheitliche und standardisierte Homologation von Neufahrzeugen benötigen
sowie eine Sicherstellung des Qualitätsmanagements bei der Motorenentwicklung
gewährleisten müssen, auf der anderen Seite ist dies für die Gesetzgebung zur Überprüfung der
Grenzwerteinhaltung notwendig. Daher steht und fällt die Aussagekraft der Messergebnisse
eines Kondensationspartikelzählers mit der Kalibrierung, da die Gesetzgebung als auch die
Industrie auf eine belastbare und rückgeführte Kalibrierung angewiesen sind.
Die Aufgabe dieser Masterarbeit ist es eine Kalibriermessstrecke hinsichtlich der Stabilität der
Partikelanzahl und der Partikelgröße zu charakterisieren sowie die Anforderungen eines
Partikelanzahlnormals zu definieren. Im Zuge dieser Masterarbeit wurde ein entsprechender
Messaufbau an der PTB etabliert, getestet und stetig weiterentwickelt.
2. Theoretische Grundlagen
3
In diesem Abschnitt der Arbeit sollen die Grundlagen der physikalischen und chemischen
Eigenschaften von Rußpartikeln erläutert werden. Des Weiteren wird auf die verschiedenen
Schwierigkeiten bei der Aerosolprobenahme, dem Aerosoltransport und Grundlagen zur
Partikelladung eingegangen. Geschlossen wird dieses Kapitel mit den Themen der
Ladungsverteilung und Partikelanzahlgrößenverteilungen sowie einigen Erklärungen zu den
Hintergründen des rückgeführten Messens.
2.1 Allgemeine Grundlagen von Rußaerosolen
Aerosole sind in ihrer einfachsten Form ein 2-Phasengemisch aus Gas und in diesem gelösten
festen Bestandteilen, wie beispielsweise Rußpartikeln. Viele Eigenschaften des Aerosols
hängen von der Partikelgröße ab, wobei diese nur einen Anteil von weniger als 0,0001 % der
Gesamtmasse des Aerosols ausmacht. Die verschiedenen Eigenschaften eines Aerosols und
reiner Luft, wie Viskosität und Dichte, unterscheiden sich kaum merklich voneinander, umso
entscheidender ist es die Eigenschaften der festen Fraktion innerhalb des Aerosols zu verstehen.
Hierfür ist eine mikroskopische Betrachtung des einzelnen Partikels unabdingbar. Um ein
Aerosol beschreiben zu können, müssen seine Eigenschaften untersucht und verstanden
werden. Zu diesen Eigenschaften gehören die Bewegung des einzelnen Partikels innerhalb des
Aerosols, die Interaktion mit anderen Partikeln oder dem umgebenden Gas sowie
beispielsweise elektromagnetische Kräfte, die auf die einzelnen Partikel wirken. Generell ist
die Partikelgröße der wichtigste Parameter, um das Verhalten eines Aerosols zu beschreiben
[8].
Bei den in Rußaerosolen vorhandenen festen Partikeln, handelt es sich zum großen Teil um
Partikel aus schwarzem Kohlenstoff. Sie entstehen bei unvollständigen Verbrennungen und
sind hauptsächlich auf einen anthropogenen Ursprung zurückzuführen, jedoch spielen auch
natürliche Quellen eine Rolle, wie beispielsweise Waldbrände oder großflächige Buschfeuer.
Gebildet werden sie in Flammenregionen, in denen nicht ausreichend Sauerstoff zur Verfügung
steht, um das Brennmaterial vollständig in Kohlenstoffdioxid und Wasser umzusetzen. Die
folgende Formel 2.1 zeigt die vollständige Verbrennung, bei welcher das Brennmaterial, unter
idealen Voraussetzungen, vollständig oxidiert werden würde [9].
1
1
𝐶𝐶𝑚𝑚 𝐻𝐻𝑛𝑛 + �𝑚𝑚 + 𝑛𝑛� 𝑂𝑂2 → 𝑚𝑚𝐶𝐶𝐶𝐶2 + 𝑛𝑛𝐻𝐻2 𝑂𝑂
4
2
Formel 2.1: Vollständige stöchiometrische Verbrennung
4
Bei unvollständig ablaufenden Verbrennungsprozessen bilden sich Agglomerate oder Ketten
von Primärpartikeln aus. Die Eigenschaften dieser Primärpartikel sind von großer Bedeutung
für das Rußaerosol.
Diese Arbeit beschäftigt sich ausschließlich mit künstlich erzeugten Rußaerosolen, daher sind
die Entstehungsmechanismen für Rußpartikel von großem Interesse. Die folgende Abbildung
1 zeigt einige Mechanismen, die während der Rußbildung ablaufen.
Abbildung 1: Rußbildung nach Bockhorn [10]
Die schematische Darstellung zeigt die komplexen chemischen und physikalischen Prozesse,
die bei der Verbrennung zur Entstehung von aromatischen Molekülen führt. Diese wiederum
kondensieren zu flüssigen Partikeln und werden durch Karbonisierung zu festen
Primärpartikeln. Diese Primärpartikel wachsen durch Koagulation, hierbei kollidieren die
Partikel miteinander und verklumpen dabei zu Rußagglomeraten. Des Weiteren können die
aromatischen Moleküle, organischer Kohlenstoff auf den Rußpartikeln auskondensieren. Wie
aus diesem Abschnitt deutlich wird, ist es von immenser Bedeutung bei der Generierung eines
Rußaerosols, eine gut funktionierende Aerosolkonditionierung zu verwenden, um einzelne
physikalische und chemische Prozesse gezielt zu steuern oder zu minimieren. Eine der
Aufgabenstellungen dieser Masterarbeit war daher die Charakterisierung eines solchen
Systems, welches die Generierung und Konditionierung eines Rußaerosols beinhaltet. Die
Ergebnisse dieser Charakterisierung werden in Kapitel 4.1 Aufbau und Entwicklung der
Aerosolkonditionierung präsentiert.
5
2.1.1 Verbrennungsbasierte definierte Bildung von
Rußaerosolen
Die Verbrennung und damit einhergehende Generierung von Rußaerosolen findet mittels eines
Rußpartikelgenerators unter definierten Bedingungen statt. Die Beschreibung des Generators
wie Aufbau und Funktionsweise wird im Kapitel 3.2 genauer erläutert, jedoch müssen einige
Grundlagen wie die Begriffe Flamme, Flammenfront und Oxidation im Vorfeld verstanden
werden.
Die schnelle, sich selbst unterhaltende Oxidation von Brennstoffen, in der Regel von
Kohlenwasserstoffen, unter Abgabe von Wärme und Licht wird im Allgemeinen als
Verbrennung, das Gebiet in dem schwerpunktmäßig die chemische Umsetzung stattfindet, als
Flamme bezeichnet [11]. Flammen variieren stark in ihrer Struktur, Form, Größe und
Temperatur, hervor gerufen durch die verschiedenen physikalischen und chemischen
Eigenschaften des Brennstoffes und der Versorgung mit Luft, sowie den Bedingungen unter
denen die Verbrennung stattfindet. So kann beispielsweise die Flamme einer Kerze erst nach
Überwindung einer Energiehürde selbsterhaltend brennen. Das Wachs schmilzt, verdampft und
es bildet sich mittels der Umgebungsluft ein Brenngas. Im Detail pyrolisieren die Moleküle des
Wachses in reaktionsfreudige CH-, CH 2 -, und C 2 -Radikale. Diese werden bei vollständiger
Verbrennung zu CO 2 und Wasser oder bei unvollständiger Verbrennung zu Ruß und dessen
Vorläufer Produkten umgewandelt (siehe Kapitel 2.1). In Zonen des Sauerstoffmangels im
Inneren der Flamme bildet sich orange glühender Ruß. Die eigentliche Flammenfront ist der
Bereich der stöchiometrischen Verbrennung am äußeren Flammenbereich.
Im Folgenden werden nur Kohlenwasserstoff-Luft-Gemische betrachtet, da der Generator,
beschrieben in Kapitel 3.2 mit Propan als Brennstoff arbeitet. Die Zündung und die mit der
Verbrennung stattfindenden chemischen Reaktionen können nur unter eingeschränkten
Mischungsverhältnissen der Luft und des Brennstoffs stattfinden [11]. Die Abbildung 2 stellt
die Zündgrenzen für ein Kohlenstoff-Luft-Gemisch dar.
Abbildung 2: Zündgrenzen eines Kohlenstoff-Luft-Gemisches [11]
6
Auf der x-Achse ist der Massenstrom von Luft und auf der y-Achse Lambda für das
Verbrennungsluftverhältnis aufgetragen. Der gestrichelt, umrandete, graue Bereich
kennzeichnet die zündbaren Gemische aus Brennstoff und Luft.
Die Flammenstabilisierung beruht auf dem kontinuierlichen Zünden des Frischgases und damit
der Aufrechterhaltung der Reaktion. Zwei physikalische Mechanismen oder eine Kombination
dieser beiden können zur Aufrechterhaltung der Reaktion führen, entweder besitzt das
Frischgas bei Brennraumeintritt bereits eine hohe Temperatur und somit genügende Radikale
zur Selbstzündung oder eine dünne Flammenfront sorgt für die Herstellung der Temperatur und
Radikale innerhalb der Frischgaszone.
Der für diese Arbeit eingesetzte Propan-Diffusionsbrenner wird mittels einer elektrischen
Zündung gestartet und während des Betriebes sorgt die dünne Flammenfront für die
Aufrechterhaltung der Flammen. Indem das relative Verhältnis von Propan zu Sauerstoff im
Brenner variiert wird, können Brennbedingungen mit einem C/O-Verhältnis von etwa 0.21
(mager) bis 1.4 (fett) erzeugt werden, wobei die stöchiometrische Verbrennung bei C/O=0.3
liegt [12].
Der Hauptbestandteil von Dieselkraftstoffen sind vorwiegend Alkane, Cycloalkane und
aromatische Kohlenwasserstoffe [13], aus diesem Grund wurde für die Generierung des
synthetischen Ruß, Propan aus der Reihe der Höheren Alkane gewählt. Der synthetische Ruß
soll den realen Diesel-Emissionen so nahe wie möglich kommen. Die Variabilität der
Flammenadjustierung des Propan-Diffusionsbrenners (siehe Kapitel 3.2) liefert für die
verschiedenen Betriebspunkte Rußpartikel, die sich hinsichtlich Größe und Anzahl
unterscheiden.
2.2 Probenahme und Aerosoltransport
In diesem Abschnitt sollen einige Schwierigkeiten beschrieben werden, die sich bei der
Probenahme und damit der Konditionierung von Aerosolen ergeben können. In vielen Fällen
ist eine Messung direkt an der Emissionsquelle, eine sogenannte Online-Messung, nicht
möglich. Das führt dazu, dass eine Probenahme und ein Probentransport notwendig werden. In
diesen Fällen kommt eine Vielzahl von Mechanismen zum Tragen: Abscheideeffekte,
Sedimentationsverluste, Diffusionsverluste und Partikelverluste durch Zentrifugalkräfte bei
starker Umlenkung sowie elektrostatische Verluste. Hier sollen einige dieser Mechanismen wie
die mechanische Mobilität, die Verluste durch die Schwerkraft sowie Diffusionsverluste
beschrieben werden. Der Vollständigkeit halber müssen die hier nicht behandelten
thermophoretischen Verluste sowie elektrostatische Verluste genannt werden.
7
2.2.1 Sedimentationsverluste
Die Verluste aufgrund von Sedimentation lassen sich am einfachsten an folgendem Beispiel
erklären. Man betrachte eine laminare Strömung in einem Rohr. In der Abbildung 3 ist auf der
linken Seite die laminare Strömung ohne äußere Einflüsse dargestellt. Zu sehen ist, dass die
Partikel dem Verlauf der Strömungslinien der laminaren Strömung folgen.
Abbildung 3: Sedimentationsverluste [14]
Wenn nun eine konstante Kraft F auf die Partikel in der laminaren Strömung wirkt, ergibt sich
eine Beschleunigung der Partikel, welche aus dem Kräftegleichgewicht zwischen F und
Strömungsgeschwindigkeit 𝑉𝑉𝑡𝑡 resultiert.
Es ergibt sich die folgende Formel 2.2 für die mechanische Mobilität B:
𝐵𝐵 =
Formel 2.2: Mechanische Mobilität
𝑉𝑉𝑡𝑡
𝐹𝐹
Die mechanische Mobilität ist nicht von der Art der Kraft F abhängig, so dass es sich hierbei
um die Gravitationskraft oder die Zentrifugalkraft handeln kann, welche beispielsweise durch
Umlenkung des Aerosols in einer Rohrbiegung entsteht.
Da sich ein Partikel in einem Fluid wie beispielsweise Gas bewegt, wird dieses Fluid
mathematisch durch die Stokesgleichung beschreibbar. Diese findet jedoch nur Anwendung,
wenn die Strömung innerhalb des Rohres einer Reynoldszahl < 1 entspricht. Die folgende
Formel 2.3 liefert die Reynoldszahl:
Formel 2.3: Reynoldszahl
𝑅𝑅𝑅𝑅𝑝𝑝 =
𝜌𝜌𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 ∗ 𝑣𝑣𝑝𝑝 ∗ 𝑑𝑑
<1
𝜂𝜂
8
Mit:
𝑅𝑅𝑅𝑅𝑝𝑝
=
Reynoldszahl, dimensionslose Kennzahl für Umgebungsluft 0,67
𝜌𝜌𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔
=
Dichte des Gases
𝑣𝑣𝑝𝑝
=
Geschwindigkeit des Partikels
𝜂𝜂
=
d
=
Durchmesser
Für eine Rohrströmung, bei der diese Voraussetzung erfüllt ist, ist die mechanische Mobilität
eine Funktion des Partikeldurchmessers und den Eigenschaften des Gases. Die Interaktion
zwischen den einzelnen Partikeln und Gasmolekülen wird durch die Knudsen Zahl und die
mittlere freie Weglänge beschrieben. Die mittlere freie Weglänge (λ) beschreibt die Distanz,
die ein Gasmolekül zurücklegen muss, bevor es mit einem anderen kollidiert. Partikel werden
innerhalb eines Aerosols ständig von Kollisionen mit Gasmolekülen getroffen. Beschrieben
durch die Knudsen Zahl werden Partikel, die größer als 1 µm sind, in ihrer Bewegung hierdurch
nicht beeinflusst. Da es sich bei den hier behandelten Partikeln um sehr kleine Partikel handelt,
wird deren Bewegung durch die Kollision mit den umgebenen Gasmolekülen beeinflusst. Eine
wichtige Annahme des Gesetzes von Stokes geht davon aus, dass die relative Geschwindigkeit
des Gases direkt an der Partikeloberfläche gleich Null ist. Dies trifft für Partikel unterhalb der
Größe von 1 µm nicht mehr zu. Diese Partikel setzten sich schneller ab als durch die StokesGleichung beschrieben. Aus diesem Grund hat Cunnigham 1910 einen Korrekturfaktor für das
Gesetz von Stokes abgeleitet, welche dieser Tatsache Rechnung trägt [15]. Die Formel 2.4
liefert die mechanische Mobilität mit implementiertem Cunningham Faktor.
𝐵𝐵 =
𝑐𝑐𝑐𝑐 (𝑑𝑑)
3 ∗ 𝜋𝜋 ∗ 𝜂𝜂 ∗ 𝑑𝑑
Formel 2.4: Mechanische Mobilität mit Cunningham Faktor, für Partikel kleiner 1 µm
Mit:
𝑐𝑐𝑐𝑐 (𝑑𝑑) =
Cunningham Faktor
𝜋𝜋
=
Kreiszahl
=
d
=
Durchmesser
𝜂𝜂
9
Die vollständig durchgeführten Berechnungen sind in der ISO 15900 [16] beschrieben. Die
folgende Abbildung 4 und Tabelle 1 stellen die Verluste aufgrund der Schwerkraft in einem
horizontalen Rohr dar. Die Werte sind für Luft bei 101,3 kPa und 20°C und einer Partikeldichte
von 1 g/cm³ berechnet.
Abbildung 4: Horizontale Strömung [14]
Tabelle 1: Transportverluste (Luft bei 101,3 kPa und 20°C, Partikeldichte 1 g/cm³) [14]
Partikeldurchmesser
Transportverluste
100 µm
100%
10 µm
89%
1 µm
1,5%
0,1 µm
0,04%
Wie zu erkennen ist, nimmt der Einfluss der Gravitationskraft ab, je kleiner die Partikel werden.
Aufgrund der Tatsache, dass es sich bei den für diese Arbeit generierten Partikeln um eine
Größenordnung zwischen 10 – 200 nm handelt, lassen sich die Transportverluste aufgrund der
Schwerkraft vernachlässigen.
2.2.2 Diffusionsverluste
Zwar nimmt der Einfluss der Gravitationskraft je kleiner die Partikel sind ab, jedoch nimmt der
Einfluss der Diffusionskräfte zu. Bei der normalen Diffusion findet ein Stoffaustausch nur
aufgrund der Brownschen Molekularbewegung statt. Partikel haben das Bestreben sich in dem
zur Verfügung stehenden Raum entlang eines Konzentrationsgradienten auszubreiten. Dieser
Prozess ist ein statischer, ungerichteter Prozess und findet durch den Impulsaustausch mit
anderen Partikeln oder Gasmolekülen statt [17]. Die folgende Abbildung 5 zeigt anschaulich
die Unterschiede der Diffusionskraft zwischen kleinen und großen Partikeln.
10
Abbildung 5: Diffusion [14]
Während die dargestellten Kraftvektoren der großen Partikel sehr klein und damit auch die
Bewegung der Partikel gering ist, ist die Bewegung bei kleinen Partikeln umso größer. Die
Kraft, die auf das jeweilige Partikel durch den Impulsaustausch wirkt, lässt sich mit folgender
Formel 2.5 [15] berechnen.
Formel 2.5: Diffusionskraft
𝐷𝐷 =
𝑘𝑘 ∗ 𝑇𝑇 ∗ 𝐶𝐶
= 𝑘𝑘 ∗ 𝑇𝑇 ∗ 𝐵𝐵
3 ∗ 𝜋𝜋 ∗ 𝜂𝜂 ∗ 𝑑𝑑𝑃𝑃
Mit:
𝐷𝐷
=
Diffusionskraft
k
=
Boltzmann Konstante 1,38 * 10-23 Nm/K
T
=
Temperatur
C
=
Cunningham Faktor
𝜋𝜋
=
Kreiszahl
𝜂𝜂
=
𝑑𝑑𝑃𝑃
=
Durchmesser des Partikels
B
=
mechanische Mobilität
In der folgenden Abbildung 6 und der Tabelle 2 sind die Verluste, die aufgrund von Diffusion
innerhalb eines Rohres auftreten können, dargestellt und für verschiedene Partikelgrößen
berechnet. Berechnungen wurden für Luft bei 101,3 kPa und 20°C sowie für Partikel mit einer
Dichte von 1 g/cm³ durchgeführt.
11
Abbildung 6: Diffusion in horizontaler Strömung [14]
Tabelle 2: Transportverluste durch Diffusion (Luft bei 101,3 kPa und 20°C, Partikeldichte 1 g/cm³) [14]
Partikeldurchmesser
Transportverlust
100 µm
0%
10 µm
0%
100 nm
0,2 %
10 nm
3,5 %
1 nm
56 %
Wie aus der Tabelle 2 ersichtlich wird, nehmen die Verluste zu, welche aufgrund von Diffusion
auftreten, je kleiner die Partikel werden. Aufgrund des Größenbereichs der generierten Partikel
von 10 – 200 nm müssen Abscheidungseffekte durch Diffusion beachtet werden.
2.3 Grundlagen zur Partikelaufladung
In diesem Abschnitt sollen einige Grundlagen zu Anlagerungsmechanismen von
Ladungsträgern an Partikeln erläutert werden. In den folgenden Kapiteln ist es notwendig über
ein Grundverständnis für diese Mechanismen zu verfügen, da man sich in der
Aerosoldiagnostik dieser Mechanismen bedient.
2.3.1 Diffusionsaufladung
Wenn kein äußeres elektrisches Feld anliegt, ist der stärkste Aufladungsmechanismus die
Diffusionsaufladung. Diese Aufladung resultiert aus der Brownschen Bewegung der Ionen und
der Partikel, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit der Partikel gegenüber der, der Ionen
12
vernachlässigbar klein ist. Bei einer Kollision zwischen einem Partikel und einem Ion, verbleibt
der Ladungsträger auf der Oberfläche des Partikels [18]. Es handelt sich hierbei um eine
Diffusion, da sich die Elektronen entlang eines Konzentrationsgradienten hin zum Partikel
bewegen. Dieser Konzentrationsgradient nimmt mit zunehmender Elektronenkonzentration auf
der Partikeloberfläche ab. Aufgrund der Boltzmannverteilung der Ionengeschwindigkeiten
reicht die thermische Energie einzelner Ionen dennoch aus, um das abstoßende Feld zu
überwinden und sich an die Partikel anzulagern [8].
2.3.2 Ladungsverteilung
Aerosole verfügen im Allgemeinen über eine erhebliche Anzahl von geladenen Partikeln, diese
wurde erstmals 1903 von Langevin als große Ionen bezeichnet. Im Normalfall verfügen Partikel
über keine Ladung. Bedingt durch ihre zufällige Bewegung und der Kollision mit Ionen
innerhalb des Aerosols kommt es jedoch zur Akkumulierung von Ladungsträgern [8]. Diese
Aufladungsmechanismen wurden in Kapitel 2.3.1 beschrieben. Vorrausetzung für eine
Charakterisierung der geladenen Partikel ist das Wissen um die Ladungsverteilung auf der
Oberfläche der Partikel. Idealerweise sollten die Partikel für eine Analyse einfach geladen sein.
Für bekannte Ladungsverhältnisse, beispielsweise bipolare Ladungsverhältnisse, lassen sich
mittels der elektrischen Mobilität genaue Aussagen zur Größe und der Anzahl der gemessenen
Partikel treffen. Durch die bipolare Aufladung wird das Aerosol definiert in ein
Ladungsgleichgewicht gebracht, es werden einfach sowie zweifach, positive und negative
Partikelladung erreicht. Daher ist es unabdingbar für Analysen der elektrischen Mobilität eine
bekannte Ladungsverteilung sicher zu stellen [15].
Für diese Aufgabe haben sich sogenannte Aerosolneutralisatoren als geeignet erwiesen. Mit
Hilfe radioaktiven Materials wie beispielsweise Krypton 85 wird eine bipolare
Diffusionsaufladung des zu analysierenden Aerosols erreicht. Aufgrund der genauen Kenntnis
über die Ladungsverteilung (Wiedensohler et al 1986) kann so eine repräsentative
Größenverteilung gemessen werden [19].
Da nicht nur einfach geladene Partikel durch Aerosolneutralisatoren, sondern auch mehrfach
Ladungen gebildet werden können, müssen Korrekturberechnungen durchgeführt werden. So
ist es wahrscheinlich, dass größere, mehrfach geladene Partikel über dieselbe elektrische
Mobilität (siehe Kapitel 2.3.3) wie kleinere einfach geladene Partikel verfügen. Basierend auf
den Modellen von Fuchs (1963) und Gunn (1956) kann mit Hilfe der WiedensohlerApproximation eine Wahrscheinlichkeit für einfach und zweifach geladene Partikel für einen
Größenbereich von 1 – 1000 nm berechnet werden. Die folgende Tabelle 3 liefert die
Berechnungen für bipolar aufgeladene Größenverteilungen mit den zugehörigen Fehlern.
13
Tabelle 3: Berechnete bipolare Größenverteilung mit den zugehörigen Fehlern, nach der Wiedensohler
Approximation [19]
𝒇𝒇(𝑵𝑵)[%]
𝒇𝒇𝒂𝒂 (𝑵𝑵)
𝑫𝑫𝒑𝒑 [𝒏𝒏𝒏𝒏] -2
-1
0
1
2
-2
-1
1
0
0,47
99,09
0,44
0
-
1,9
1,3
0
0,58
98,88
0,54
0
-
2
0
0,85
98,38
0,77
0
3
0
1,27
95,92
1,11
5
0
2,21
95,92
7
0
3,28
10
0
13
𝒇𝒇(𝑵𝑵)
0
− 𝟏𝟏[%]
1
2
0,8
1,9
-
-1,1
-0,8
-1,3
-
-
-2,5
-1,0
-2,4
-
0
-
-1,3
0
-0,8
-
1,86
0
-
1,8
1,1
1,7
-
94,03
2,69
0
-
2,6
1,0
2,3
-
5,03
90,96
4,02
0
-
2,2
0,3
1,9
-
0
6,87
87,73
5,40
0
-
1,1
-0,4
0,8
-
20
0,02
11,14
80,29
8,54
0,01
0,3
-1,7
-1,2
-1,6
1,0
30
0,17
16,35
71,03
12,35
0,10
-1,0
-3,5
-1,0
-3,2
-3,3
50
1,13
22,94
58,10
17,20
0,63
1,3
-3,0
0,1
-2,6
4,1
70
2,80
26,02
49,99
19,53
1,57
0,2
-1,1
0,7
0,7
0,8
100
5,67
27,42
42,36
20,75
3,24
-0,7
1,6
0,6
1,6
-1,9
130
8,21
27,30
37,32
20,85
4,77
-0,5
3,1
0,3
2,5
-1,9
200
12,18
25,54
29,96
19,65
7,21
0,1
3,0
-0,1
2,5
0,1
300
14,56
22,71
24,16
17,51
8,65
0,5
0,7
-0,3
0,6
2,1
500
15,09
18,60
18,28
14,33
8,95
0,1
-3,0
-0,3
-2,6
0,5
700
14,29
15,94
15,15
12,27
8,46
-0,5
-3,1
-0,1
-2,8
-1,9
1000
12,86
13,33
12,36
10,24
7,59
0,2
2,8
0,3
2,5
0,7
Auf der linken Seite der Tabelle ist die Wahrscheinlichkeit für auftretende Ein- und
Zweifachladungen, auf der rechten Seite die zugehörigen Fehler zu den Berechnungen
aufgelistet. Deutlich ist zu erkennen, je größer die Partikel desto wahrscheinlicher, dass sie
einfach oder zweifach aufgeladen werden. Ab einer Partikelgröße von 13 nm an aufwärts nimmt
die Wahrscheinlichkeit das überhaupt eine Aufladung erreicht werden kann zu. Durch die
Berechnungen, durch Wiedensohler wird deutlich, dass sehr kleine Partikel, unterhalb von 13
nm trotz der Aufladung durch einen Aerosolneutralisator neutral bleiben. Aufgrund dieser
Tatsache kommt es zu einer Diskrepanz zwischen generierter und selektierter
14
Partikelanzahlkonzentration. Für Messungen von geringen Partikeldurchmessern ist es daher
schwierig hohe Anzahlkonzentrationen bereit zu stellen (siehe Kapitel 4.2 Charakterisierung
des Rußaerosolgenerators oder Kapitel 4.3 Stabilitätsuntersuchungen am Messaufbau).
Für Partikel kleiner 20 nm zeigt die Tabelle 3 deutlich, dass nicht mit zweifach geladenen
Partikeln zu rechnen ist.
Auch zeigt die Tabelle 3, dass es sinnvoller ist bei der elektrischen Selektion der Partikel auf
eine positive Hochspannung zu setzten, da aus der Ladungswahrscheinlichkeit klar ersichtlich
ist, dass in geringem Maß mehr Partikel negativ aufgeladen werden als positiv. Es handelt sich
hierbei um einen geringen Unterschied, der jedoch in der Anwendung von entscheidenden
Bedeutung sein kann.
In der Tabelle 3, nicht aufgeführt sind die Wahrscheinlichkeiten für auftretende drei- oder
mehrfach geladene Partikel, diese lassen sich mit der folgenden Formel 2.6 berechnen. Diese
basiert auf den Berechnungen von Gunn (1956) und wurde durch Wiedensohler et al. (1986)
überarbeitet.
𝑓𝑓(𝑁𝑁) =
𝑒𝑒
�(4𝜋𝜋 2𝜀𝜀0 𝐷𝐷𝑝𝑝 𝑘𝑘𝑘𝑘)
∗ 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒
−[𝑁𝑁 −
2𝜋𝜋𝜀𝜀0 𝐷𝐷0 𝑘𝑘𝑘𝑘
𝑐𝑐 𝑍𝑍
ln �𝑐𝑐𝑁𝑁𝑁𝑁+ 𝑍𝑍𝐼𝐼+ �]²
𝑒𝑒 2
𝑁𝑁𝑁𝑁− 𝐼𝐼−
2𝜋𝜋𝜀𝜀0 𝐷𝐷0 𝑘𝑘𝑘𝑘
2
𝑒𝑒 2
Formel 2.6: Ladungswahrscheinlichkeit für drei oder mehrfach geladene Partikel
Mit:
𝑒𝑒
=
elektrische Ladung
𝜀𝜀0
=
dielektrische Konstante
𝐷𝐷𝑝𝑝
=
Partikeldurchmesser
𝑘𝑘
=
Boltzman Konstante
𝑁𝑁
=
Anzahl der elementar Ladungen pro Partikel
=
Ionen Konzentration
𝑍𝑍𝐼𝐼±
=
Ionen Mobilität
𝑐𝑐𝐼𝐼±
Da Mehrfachladungen die Messergebnisse in der Partikelmesstechnik deutlich beeinflussen
können, müssen diese bei den Messungen, wenn möglich, vermieden werden. Falls dies nicht
möglich ist, müssen die Mehrfachladungen berechnet und in den Messergebnissen korrigiert
werden. Die folgende Abbildung 7 zeigt ein Partikelanzahlgrößenverteilung (siehe Kapitel 2.4)
die zweimal elektrisch selektiert wurde (siehe Kapitel 2.3.3 und Kapitel 3.4), hierdurch können
die Einfach-, und Zweifachladungen sichtbar gemacht werden.
15
Abbildung 7: Aufgenommene Partikelanzahlgrößenverteilung eines Aerosols mit 75 nm großen Partikeln
nach zweifacher elektrischer Selektion [20] (modifiziert)
Dargestellt ist ein lognormal Fit mit der elektrischen Mobilität (vergleiche Kapitel 2.3.3) der
Partikel, in Nanometer auf der x-Achse und der logarithmierten Partikelanzahl auf der y-Achse.
Deutlich zu erkennen der Peak, der neutralen Partikel bei 75 Nanometer. Der theoretisch zu
erwartenden Anteil an einfach geladenen Partikel lässt sich aus der Tabelle 3 entnehmen und
liegt knapp oberhalb 26%. Gut zu erkennen liegt das Maximum des Peaks für einfach geladenen
Partikel bei 1*105 Partikel/cm³. So stimmt die Theorie und Praxis in diesem Beispiel für die
einfach geladenen Partikel überein. Für die zweifach geladenen Partikel mit einem
Erwartungswert von mehr als 2,8% und gemessenen Wert von 0,3*105 Partikel/cm³ im
Verhältnis zur maximalen Anzahl von 3,3*105 Partikel/cm³ stimmt die Größenordnung
ebenfalls überein.
Das Wissen um die Ladungsverteilung ist die Grundlage für die elektrische Klassierung eines
Aerosols (siehe Kapitel 3.4) und dessen Detektion mittels eines Aerosolelektrometers (siehe
Kapitel 3.5.4).
16
2.3.3 Elektrische Mobilität
Das Verhalten eines geladenes Partikels, das sich innerhalb eines elektrischen Feldes bewegt,
wird durch die Kraft 𝐹𝐹𝐸𝐸 bestimmt. Ähnlich wie bei der Sedimentationskraft wird die
Geschwindigkeit des Partikels durch diese Kraft bestimmt. In der Aerosolmechanik spielen
elektrostatische Effekte, wie die Kraft, die auf einen geladenen Partikel in einem elektrischen
Feld wirkt, eine entscheidende Rolle [8]. Für hoch aufgeladene Partikel kann diese Kraft um
ein tausendfaches größer als die Schwerkraft sein.
Diese elektrostatische Kraft 𝐹𝐹𝐸𝐸 richtet sich nach der Stärke des elektrischen Feldes und der
Ladung des Partikels. Die Formel 2.7 liefert die Feldstärke oder Intensität.
𝐸𝐸 =
Formel 2.7: Elektrische Feldstärke oder Intensität
𝐹𝐹𝐸𝐸
𝑞𝑞
Mit:
𝐸𝐸
=
elektrische Feldstärke oder Intensität
=
Kraft (abhängig von der Anzahl der Ladungsträger des Partikels)
𝑞𝑞
=
Ladung des Partikels
𝐹𝐹𝐸𝐸
𝑞𝑞 = 𝑛𝑛 ∗ 𝑒𝑒
Mit:
𝑛𝑛
𝑒𝑒
=
Anzahl
=
Elementarladung (1,6*10-19 C)
So ergibt sich die Kraft, die auf einen Partikel im elektrischen Feld wirkt:
𝐹𝐹𝐸𝐸 = 𝑞𝑞 ∗ 𝐸𝐸 = 𝑛𝑛 ∗ 𝑒𝑒 ∗ 𝐸𝐸
Nachdem nun die Kräfte, die auf ein Partikel im elektrischen Feld wirken, erläutert wurden
ergibt sich die Formel 2.8 für die elektrische Mobilität [8]:
17
𝑛𝑛 ∗ 𝑒𝑒 ∗ 𝐸𝐸 =
Formel 2.8: Elektrische Mobilität
𝑉𝑉𝑇𝑇𝑇𝑇 =
3 ∗ 𝜋𝜋 ∗ 𝜂𝜂 ∗ 𝑉𝑉 ∗ 𝑑𝑑
𝐶𝐶𝑐𝑐
𝑛𝑛 ∗ 𝑒𝑒 ∗ 𝐸𝐸 ∗ 𝐶𝐶𝑐𝑐
3 ∗ 𝜋𝜋 ∗ 𝜂𝜂 ∗ 𝑑𝑑
Mit:
𝑉𝑉𝑇𝑇𝑇𝑇
=
elektrische Mobilität
=
Anzahl
𝑒𝑒
=
Elementarladung (1,6*10-19 C)
𝐸𝐸
=
Elektrische Feldstärke oder Intensität
𝐶𝐶𝑐𝑐
=
Cunningham Faktor
𝜋𝜋
=
Kreiszahl
𝜂𝜂
=
𝑑𝑑
=
Durchmesser des Partikels
𝑛𝑛
Die elektrische Mobilität ist der ausschlaggebende Faktor sowohl für die Selektion der Partikel
im Aerosol (siehe Kapitel 3.4) als auch für die Detektion mittels eines Aerosolelektrometers
(siehe Kapitel 3.5.4).
2.4 Partikelanzahlgrößenverteilungen
In der Umwelt verfügen Partikel in den seltensten Fällen über dieselbe geometrische Form noch
über dieselbe Größe. Liegen Angaben zur Konzentration von Partikeln als Funktion ihrer Größe
vor, so spricht man von der Partikelanzahlgrößenverteilung, aus der sich Gesamtmasse
beziehungsweise -anzahl berechnen lassen [21]. Ziel ist es deshalb ein monodisperses Aerosol
im Labor zu erzeugen. Die Größe von Partikeln monodisperser Aerosole wird durch einen
einzelnen Paramater definiert, den Partikeldurchmesser [8]. Da sich diese Arbeit im
Wesentlichen mit monodispersem Aerosol beschäftigt, welches nur eine geringe
Schwankungsbreite der Partikelgröße besitzt, können die Problemstellungen, die mit
polydispersem Aerosol auftreten, vernachlässigt werden. Generell wird ein Aerosol mit einer
Schwankungsbreite der Partikelgröße von 10 – 20 % als monodispers angesehen [15]. Bei
18
polydispersen Aerosolen handelt es sich hingegen um Aerosole, die eine breite
Größenverteilung aufweisen und über klare Maxima sowie modale Verläufe verfügen.
Die einfachste Darstellung einer Partikelgrößenverteilung ist ein Histogramm (Balkendiagram)
über ein Größenintervall. Die Partikelgrößenverteilungen werden mittels eines elektrischen
Kassierers und Kondensationspartikelzähler aufgenommen, welche im Kapitel 3.5 Messgeräte
zur Partikeldetektion beschrieben werden. Die folgende Abbildung 8 zeigt eine
Partikelanzahlgrößenverteilung (PAGV) von einem monodispersen sowie von einem
polydispersen Rußaerosol.
Partikelanzahlkonzentration [Partikel/cm3]
Monodisperses Aerosol
Polydisperses Aerosol
1200000
1000000
800000
600000
400000
200000
0
3
30
300
Mobilitätsdurchmesser [nm]
Abbildung 8: Partikelanzahlgrößenverteilung für ein 41 nm Aerosol
Auf der x-Achse ist der sogenannte Mobilitätsdurchmesser, siehe Formel 2.8, dargestellt.
Dieser Mobilitätsdurchmesser repräsentiert den Durchmesser eines vergleichbaren, runden
Partikels mit gleicher Mobilität wie der des Rußpartikels. Rußpartikel sind in den seltensten
Fällen rund und für die mathematische Berechnung wird deshalb ein Vergleichsfaktor benötigt.
Wie zu erkennen ist, handelt es sich um eine logarithmische Auftragung. Die logarithmische
Auftragung liefert schmale Verteilungen, ganz im Gegensatz zur linearen Auftragung, welche
sehr breite Verteilungen ergibt. Durch die logarithmische Darstellung werden die
Zusammenhänge im Bereich der kleinen Werte besser überschaubar. Auf der y-Achse ist die
Partikelanzahlkonzentration pro Kubikzentimeter aufgetragen.
2.5 Rückgeführtes Messen von Rußpartikeln
Wie eingangs erwähnt werden Kondensationspartikelzähler für Messungen an
Dieselfahrzeugen oder im Labor an Partikelgeneratoren eingesetzt. Im Hinblick auf den
angestrebten Kalibrierservice der PTB für EECPCs sowie aus Gründen der Qualitätssicherung,
19
aber vor allem aus metrologischer Sicht ist es notwendig eine fundierte Aussage über die Güte
der angestellten Messungen treffen zu können. In diesem Abschnitt sollen nun einige Begriffe
wie das Normal, rückgeführte Messungen und der Kalibrierprozess erläutert werden.
Abschließend soll das PMP-Programm und die Vorgehensweise zur Kondensationspartikelzähler Kalibrierung beschrieben werden.
2.5.1 Rückgeführtes Messen und Normale
Bei einem Normal handelt es sich um ein bekanntes Vergleichsobjekt mit Hilfe dessen
verschiedene Messgeräte miteinander verglichen werden können. Man vermisst ein bekanntes
Objekt mit bekannten Eigenschaften oder Abmessungen. Zeigt nun das zu kalibrierende Gerät
bei der Vermessung dieses Objekts, des Normals, denselben Wert oder einen Wert der innerhalb
eines bestimmten tolerierbaren Bereiches liegt an, kann mittels dieses Normals eine
Kalibrierung durchgeführt werden [22]. Diese kann dann über Transfernormale, über die
sogenannte Kalibirierpyramide an die Anwender weitergegeben werden. Die KalibrierHierarchie führt über mehrere Stufen von dem Primärnormal und Sekundärnormalen über
Transfernormale zu sogenannten Bezugsnormale in akkreditierten Kalibrierlaboren. Die Basis
der Pyramide bilden die Produkte und Anwender. Die zum Einsatz kommenden Normale sind
immer auf eine der SI-Einheiten zurückführbar.
Für eine rückgeführte Messung sind ein kalibriertes Messinstrument und eine
Messunsicherheitsabschätzung notwendig. Am Messaufbau kommt hierfür ein Faraday-CupAerosol-Elektrometer (FCAE) zum Einsatz, welches an der PTB elektrisch mittels eines
Normals für die Stromstärke kalibriert wurde. Das hierbei genutzte Normal ist auf SI-Einheit
Ampere rückgeführt. Des Weiteren wurde auch der Volumenstrom, wie der Aerosolfluss durch
das Gerät, mittels eines auf die Einheit [m³/h] rückgeführten Normals kalibriert.
Nun werden mit dem Aerosol Elektrometer und einem zu kalibrierenden CPC, einem
sogenannten Device under Test (DUT) Vergleichsmessungen am Kalibrierstand durchgeführt.
Der Größenbereich ist von entscheidender Bedeutung und muss unter 50 nm gehalten werden,
da in diesem Größenbereich davon auszugehen ist, das nur einfach geladene Partikel im Aerosol
vorhanden sind (siehe Kapitel 2.3.2). Mehrfach geladene Partikel würden zu einer Verfälschung
des Messergebnisses am Aerosol-Elektrometer führen und eine weitere Messunsicherheit in das
System bringen (siehe Kapitel 3.5.4 und Tabelle 3). Die Messungen müssen bei definierten
Bedingungen wie konstanter Temperatur, Druck und relativen Feuchte stattfinden.
Nach erfolgter Vergleichsmessung werden die Ergebnisse des DUTs mittels eines
Kalibrierfaktors an die des Referenzgerätes angepasst und ein Kalibrierschein wird ausgestellt.
Das Vergleichsnormal ist in diesem Fall das Rußaerosol, dessen Eigenschaften vollständig
charakterisiert sein müssen.
20
2.5.2 PMP und CPC-Kalibrierung
Auf europäischer Ebene wurde die Bedeutung der rückgeführten Partikelmessung erkannt und
das sogenannte Particle Measurement Programm (PMP) gegründet. In dieser Arbeitsgruppe,
die einer Transport Division der United Nations (UN) angegliedert ist, arbeiten Vertreter der
Automobilindustrie, Wissenschaftler und Metrologen an der Weiterentwicklung der
Messtechnik. Besonders im Fokus stehen hierbei die Anforderungen, denen die Messmittel zur
Kontrolle der neuen Grenzwerte genügen müssen. Die metrologischen Grundlagen für die
Kalibrierung der Messmittel (Kondensationspartikelzähler) sind noch nicht vollständig
etabliert. Aufgrund dieser Tatsache arbeiten verschiedene europäische Metrologieinstitute
innerhalb des European Metrology Research Programme (EMRP) an dem Ziel, die der Messung
von Autoimmissionen zugrundeliegende Metrologie zu etablieren [23]. Die folgende
Abbildung 9 zeigt die Erfordernisse an ein Aerosol für die Kalibrierung eines CPCs mit Hilfe
eines Aersol-Elektrometers.
Abbildung 9: Anforderungen an ein Referenzaerosol zur Etablierung als Partikelnormal [23]
Auf der linken Seite der Abbildung ist die Herstellung eines Diesel-rußähnlichen Aerosols
dargestellt. Die Beschreibung des entsprechend an der PTB eingesetzten Generators folgt in
Kapitel 3.2. Für die Kalibrierung des elektrischen Klassierers (Diffential Mobility Analyser,
DMA), beschrieben in Kapitel 3.4, sind sphärische Referenzpartikel notwendig. Nach der
Partikelselektierung durch ein kalibriertes DMA findet die eigentliche Kalibrierung des CPCs
durch eine Vergleichsmessung zwischen CPC und dem Aerosol-Elektrometer statt. Das
Vergleichsnormal ist in diesem Fall das bekannte, rußähnliche Referenzaerosol.
21
Die Eigenschaften die für einen EECPC vorgeschrieben sind, bestehen aus festgelegten Werten
für die Zähleffizienz bei verschiedenen Größen der zu messenden Partikel. Diese wurden
innerhalb der PMP-Arbeitsgruppe festgelegt. Die EECPCs müssen für 23, 41 und 55 nm
bestimmte Zähleffizienzen (siehe Abbildung 10) aufweisen. In der Abbildung ist auf der xAchse ist der Partikeldurchmesser auf der y-Achse die Zähleffizienz aufgetragen.
Abbildung 10: Anforderung an die Zähleffizienz eines EECPC [23]
Die typische Zähleffizienz eines EECPC ist bei 23 nm bei 50% mit ±12% Toleranz als der
sogenannte d 50 festgeschrieben. Für 41 nm muss der EECPC 90% der Zähleffizienz erreichen.
In der sogenannten Plateauregion oberhalb von 50 nm, bei der EECPC seine 100%
Zähleffizienz erreicht hat, ist eine Toleranz von ±10% vorgeschrieben. Der Größenbereich für
die EECPCs wurde bewusst gewählt, da oberhalb der 50 nm-Grenze die Wahrscheinlichkeit für
auftretende Mehrfachladungen der Partikel zunimmt (vergleiche Kapitel 2.3.2). Für eine
Korrektur dieser Ladungen ist die Parallelmessung des Aerosolelektrometers (siehe Kapitel
3.5.4) notwendig, da der CPC nur optisch detektiert. Da die CPC-Kalibrierung auch mittels
eines Referenz-CPCs erfolgen kann, ist es umso wichtiger Mehrfachladungen zu vermeiden.
Des Weiteren spielt die sogenannte Antwortzeit eines EECPCs eine Rolle. Bei der Antwortzeit
handelt es sich um den Zeitintervall, den ein CPC benötigt, um von einer gefilterten Nullluft
eine sprunghaft angelegte definierte Partikelkonzentration zu erfassen. Hierfür werden jeweils
Minutenmessung von Konzentrationen von 2000, 4000 über 6000 und 8000 bis 10.000
Partikel/cm³ durchgeführt.
3. Methoden
22
3. Methoden
In diesem Kapitel sollen die Arbeitsmittel und die zum Einsatz gekommenen Geräte und
Instrumente vorgestellt werden. Begonnen wird mit einer Übersicht des entwickelten
Messaufbaus als Anlagenschema. Weiterhin werden die zentralen Bestandteile der Aerosol
Generierung der Verdünnung und der Partikelselektion bis hin zu den Messprinzipien der
eingesetzten Messgeräte beschrieben.
3.1 Anlagenschema
In der folgenden Abbildung 11 ist das Anlagenschema des Messaufbaus zur Kalibrierung von
Engine-Exhaust-Kondensationspartikelzählern (EECPC) dargestellt.
Abbildung 11: Anlagenschema des Kalibriermessaufbaus
Im unteren linken Bildbereich sind die verschiedenen Gasanschlüsse für den
Rußpartikelgenerator Mini-Combustion-Aerosol-STandard (Mini-CAST) -dargestellt. Für die
Druckluft- und Stickstoffversorgung sind jeweils 10 Liter umfassende Puffervolumen
3. Methoden
23
vorgesehen, mit deren Hilfe Schwingungen der Druckluftversorgung eliminiert werden
konnten. Nach der Erzeugung des Rußaerosols wird die Aerosolkonditionierung erreicht, die
während der Masterarbeit entwickelt wurde. Innerhalb der Aerosolkonditionierung wird das
Mini-CAST-Aerosol mit Druckluft in einem Verhältnis von 1:1 vermischt. Wie in Kapitel 2.1
beschrieben, dient die Konditionierung zur Minimierung von organischem Kohlenstoff auf den
Rußpartikeln, die während der Verbrennung nicht vollständig umgesetzt werden konnten. Der
Volumenstrom der partikelfreien Druckluft ist mittels eines Drei-Wege-Ventils und eines
Seifenblasenzählers überprüfbar. Für diese Aufgabe wurde ein Gilibrator mit einer
Messgenauigkeit von ± 1 % eingesetzt. Die Messgenauigkeit kann aufgrund zweier
verschiedener Messzellen mit den Werten von 20 - 6.000 ml/min und 2 – 30 l/min erreicht
werden. Aus der Aerosolkonditionierung wird mit Hilfe der Palas-Injektorverdünnung ein
Probevolumenstrom von 4 l/min entnommen, von welchem 400 ml dem UDMA zugeführt
werden. Die Palas-Injektorverdünnung wird ebenfalls mit einem Druckluftanschluss versorgt
und verfügt über einen eigenen Filter zu Reinigung dieser Druckluft. Nach der Selektion im
sogenannten Ultrafine-Differential-Mobility-Analyser (UDMA) erreicht das Aerosol ein DreiWege-Ventil, welches je nach Schaltung das Aerosol direkt dem Ultrafine-CondensationParticle-Counter (UCPC) TSI 3776 oder dem Messgasverteiler zuführt. Auf diese Weise kann
das Probeaerosol auch ohne die Nutzung des Messgasverteilers charakterisiert werden. Der
hierin liegende Vorteil besteht in der Eliminierung von Unsicherheitsfaktoren oder der
Identifizierung von Fehlerquellen. Im Hinblick auf das angestrebte Ziel, mit dem Messaufbau
EECPCs zu kalibrieren, lassen sich auf diese Weise Qualitätskontrollen in den Aufbau und das
Kalibrierprozedere implementieren.
Der Messgasverteiler besitzt für die Adjustierung der jeweilig benötigten
Partikelanzahlkonzentrationen eine Druckluftversorgung mit eingebautem Vorfilter. Aus der
Abbildung 11 ist zu erkennen, dass sowohl die drei Drucklufteinlässe, wie auch der
Aerosoleinlass am Messgasverteiler in einem 45° Winkel abgeschrägt sind. Dies führt innerhalb
des Messgasverteilers zu einer schnelleren Homogenisierung des Aerosols. Dieser Sachverhalt
wird später im Kapitel 4.1 Aufbau und Entwicklung der Aerosolkonditionierung weiter
ausgeführt.
Der Messgasverteiler verfügt über zehn Anschlussmöglichkeiten für Messgeräte, während der
Messungen waren maximal vier Geräte gleichzeitig im Betrieb.
3.2 Mini-CAST Aufbau und Betriebsparameter
Der Mini-CAST (Combustion Aerosol Standard) Generator wird mit Propan, Stickstoff und
Druckluft betrieben. Der Einsatzbereich dieses Generators liegt im Partikelgrößenbereich von
20 – 200 nm und einem Volumenoutput von bis zu 30 Liter Rohgas pro Minute. Die folgende
Abbildung 12 zeigt die Brennkammer des Generators während des Betriebs.
3. Methoden
24
Abbildung 12: Brennkammer des Mini-CAST mit drei Diffusionsflammen
Die dreiflammige Ausführung des Generators ist in der Abbildung 12 anschaulich dargestellt.
Bei der im Rußaerosolgenerator ablaufenden Verbrennung handelt es sich um Propan/LuftDiffusionsflammen, welche durch sogenannte Mass-Flow-Controller (MFC) gesteuert werden.
Eine elektrische Zündung, liefert die lokal benötigte hohe Temperatur und die hohe
Konzentration von Radikalen zur Überwindung der Startenergie zum Entflammen des
Brenngases [24]. Die drei Flammen breiten sich in einem Aluminiumkonus aus und werden,
umgeben von einem konzentrisch geführten Luftstrom, fokussiert. Des Weiteren beugt der
Luftstrom einer Verschmutzung der Brennkammerwände vor. Ab einer gewissen
Flammenhöhe steht nicht mehr genügend Sauerstoff zur Verfügung, somit beginnt die Bildung
von Rußpartikeln. Nach Austritt aus dem Konus werden die Flammen durch einen
Stickstoffstrom abgelöscht. Die einzelnen Partikel können aufgrund des Stickstoffs nicht weiter
oxidiert werden. Der entstandene Abgas- und Partikelstrom wird durch einen weiteren, ihn
konzentrisch umgebenden Verdünnungsgasstrom homogenisiert und stabilisiert. Die
Abbildung 13 zeigt schematisch die hinsichtlich der verschiedenen Massenflüsse geregelte
Verbrennung.
Abbildung 13: Diffusionsflammenprinzip anhand einer einzelnen Flamme
3. Methoden
25
Mittels gezielter Variation, beispielsweise der Mischungsverhältnisse von Propan und
Verbrennungsluft, lassen sich verschiedene Betriebspunkte definieren, die sich bezüglich der
Flammengröße und der erzeugten Partikelgröße und Partikelanzahl unterscheiden. Eine weitere
Stellgröße, welche die Partikelbildung stark beeinflusst, basiert auf der Störung (Quenchen) der
Flamme mittels Stickstoffbeimischung. Dieses Quenchen beeinflusst die Vollständigkeit des
Brennstoffausbrandes und damit das Vorhandensein unverbrannter Kohlenwasserstoffe, mittels
teilweisen Löschens der Flammen [11]. Bei der Reaktion der entstehenden KohlenwasserstoffAbbauprodukte bilden sich Rußvorläufermoleküle und schließlich Rußpartikel [25]. Das
entstandene Rußaerosol wird durch Verdünnungsluft homogenisiert. Der Einsatz genauer
MFCs sorgt für eine hohe Reproduzierbarkeit an verschiedenen Betriebspunkten, die es
erlauben stabile und vor allem monomodale Partikelgrößenverteilungen zu generieren. Diese
Problematik wurde in Kapitel 2.4 genauer erläutert.
3.3 Konditionierung des erzeugten Aerosols
In diesem Abschnitt wird das Prinzip des Injektorverdünners erläutert. Basierend auf den in
Kapitel 2.1 beschriebenen Veränderungen, denen Rußpartikel nach ihrer Entstehung
unterliegen, ist es sowohl für deren Stabilisierung als auch für die Homogenisierung des
Aerosols wichtig die Partikelanzahlkonzentration zu verringern. Nach der Rußentstehung
führen Agglomerations- und Koagulationsprozesse zum weiteren Aufwachsen der Rußpartikel.
Aus diesem Grund ist eine Konditionierung des erzeugten Aerosols notwendig, um einerseits
die Rußpartikel räumlich zu trennen und somit eine weitere Reaktion der Partikel miteinander
zu verhindern und andererseits eine Kondensation flüchtiger Bestandteile im Aerosol zu
vermeiden.
Für das im Messaufbau folgende UDMA und den UCPC ist es von großer Bedeutung die
Partikelanzahlkonzentration zu verringern, da beide Geräte nicht für diese hohen
Rußbelastungen ausgelegt sind. Außerdem ist es für Kalibrieraufgaben von entscheidender
Bedeutung ein stabiles Aerosol zu verwenden, welches durch den Mini-CAST bereitgestellt
wird und während des Transportes so geringen Veränderungen wie möglich unterworfen sein
sollte. Diese Aufgabe wird im Messaufbau durch die Aerosolkonditionierung (siehe Kapitel
4.1) und die im Folgenden beschriebene Palas VKL 10 Verdünnungsstufe sichergestellt.
Das Arbeitsprinzip dieser Verdünnungsstufe ist in der folgenden Abbildung 14 dargestellt.
3. Methoden
26
Abbildung 14: Verdünnungsstufe VKL 10 [26]
Die Verdünnungsstufe wird mit vorgefilterter Pressluft 𝑉𝑉𝑟𝑟̇ betrieben und erzeugt bei einem
definierten Vordruck von 2 bar einen Unterdruck 𝑑𝑑𝑑𝑑0 , der durch die Ansaugdüse ein Volumen
̇ von 4 l/min ansaugt. In der Mischkammer werden das angesaugte Aerosol und die Druckluft
vermischt. Nach erfolgter Homogenisierung wird ein Teilstrom 𝑉𝑉̇𝑎𝑎𝑎𝑎 entnommen und dem
̇ hängen vom Unterdruck 𝑑𝑑𝑑𝑑0 ab. Die folgende
UDMA zugeführt. Sowohl 𝑉𝑉𝑟𝑟̇ also auch 𝑉𝑉𝑎𝑎𝑎𝑎
Bernoulligleichung Formel 3.1 liefert den Zusammenhang:
Formel 3.1: Bernoulligleichung
𝑑𝑑𝑑𝑑 =
1
∗ 𝜌𝜌 ∗ 𝑣𝑣 2
2 𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺
Mit:
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝜌𝜌𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺
𝑣𝑣
=
Druckdifferenz an der Düse
=
Dichte des Gases
=
Geschwindigkeit des Gases
Wird 𝑉𝑉𝑟𝑟̇ erhöht, erhöht sich der Unterdruck an der Ringdüse und damit auch an der Ansaugdüse
̇ gesteigert. Der Verdünnungsfaktor resultiert aus dem Verhältnis des
und somit wird auch 𝑉𝑉𝑎𝑎𝑎𝑎
Gesamtvolumenstromes zum Ansaugvolumenstrom [26]. Es gilt:
3. Methoden
27
𝑊𝑊 =
Formel 3.2: Verdünnungsfaktor W
̇
𝑉𝑉𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔
̇
̇ = 𝑉𝑉𝑎𝑎𝑎𝑎
̇ + 𝑉𝑉𝑟𝑟̇
Mit:
𝑊𝑊
=
Verdünnungsfaktor
̇
=
gesamter Volumenstrom
̇
=
angesaugter Volumenstrom
𝑉𝑉𝑟𝑟̇
=
Reinluft Volumenstrom
Die folgende Tabelle 4 stellt die Verhältnisse zwischen dem Reinluftvolumenstrom und dem
angesaugten Volumenstrom für den Verdünnungsfaktor W dar.
Tabelle 4: Ansaugvolumen 𝑽𝑽̇𝒂𝒂𝒂𝒂 , Reinluftvolumenstrom 𝑽𝑽̇𝒓𝒓 und Verdünnungsfaktor W in Abhängigkeit
vom Vordruck [27]
Vordruck
𝑽𝑽̇𝒂𝒂𝒂𝒂
𝑽𝑽̇𝒓𝒓
Verdünnungsfaktor Genauigkeit
[bar]
[Nltr./min] [Nltr./min]
W
W
0,50
1,93
17,4
10,0 ± 3%
0,75
2,4
21,6
10,0 ± 3%
1,00
2,82
25,0
9,9 ± 3%
1,25
3,19
28,3
9,9 ± 3%
1,50
3,55
31,7
9,9 ± 3%
1,75
3,92
35,0
9,9 ± 3%
2,00
4,26
38,3
10,0 ± 3%
2,25
4,58
41,7
10,1 ± 3%
2,50
4,94
45,0
10,1 ± 3%
Aus der Tabelle 4 wird ersichtlich, dass die VKL 10 für unterschiedliche Volumenströme in
der Ansaugluft stabil bei einem Verdünnungsfaktor zehn bleibt.
Die folgende Abbildung 15 stellt den Verdünnungsfaktor und den Ansaugvolumenstrom für
verschiedene Drücke dar. Für die Messungen wurde ein Vordruck von 2,00 bar gewählt und
somit ein Ansaugvolumenstrom von 4 Norm Liter pro Minute.
28
5,5
14,0
5
13,0
4,5
12,0
4
11,0
3,5
10,0
3
9,0
2,5
8,0
2
7,0
1,5
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
2,00
2,25
2,50
Vedünnungsfaktor
Ansaugvolumenstrom [Nlter/min]
3. Methoden
6,0
Druck [bar]
Abbildung 15: Verdünnungsfaktor W und Ansaugvolumenstrom 𝑽𝑽̇𝒂𝒂𝒂𝒂 in Abhängigkeit vom Vordruck [27]
Wie die Abbildung 15 darstellt und die Formel 3.2 belegt, sind sowohl der Verdünnungsfaktor
als auch der Ansaugvolumenstrom vom Vordruck abhängig. Die Verhältnisse in der
Verdünnungsstufe hängen stark von den Volumenströmen ab. Diese werden durch
Verunreinigung oder Ablagerungen durch das Rußaerosol verändert. Dies gilt es zu verhindern
und durch regelmäßige Reinigung der Verdünnungsstufe vorzubeugen.
3.4 Das UDMPS zur Partikelselektion
Die Verwendung eines Verbundes bestehend aus einem UDMA und einem CondensationParticle-Counter (CPC) ermöglicht die Messung von Partikelanzahlgrößenverteilungen (siehe
Kapitel 2.4). Zusammen ergeben diese beiden Geräte einen sogenannten Ultrafine Differential
Mobility Particle Sizer (UDMPS). Die Funktionsweise des UDMA ist sehr komplex. Grob
zusammengefasst handelt es sich hierbei um einen Elektrostatischen Klassierer. Mit diesem
Aufbau können Partikel aufgrund ihrer Ladung und Größe unterschieden und selektiert werden
(vergleiche Kapitel 2.3.2 und Kapitel 2.3.3). Das in der PTB zum Einsatz kommende UDMA
ist vom Tropos, dem Leibniz-Institut für Troposphärenforschung, hergestellt. Der Grund für
den Einsatz eines nicht-kommerziellen Systems sind die open-Source-Software sowie die
Implementierung neuer Richtlinien zur Harmonisierung von Mobilitätsgrößenspektrometer,
wie die Regelung der relativen Feuchte und die Aufzeichnung von Betriebsparametern, zu
denen sich kommerzielle Hersteller noch nicht verpflichtet haben. Die Abbildung 16 stellt das
UDMA schematisch dar.
3. Methoden
29
Abbildung 16: Schema des UDMA [28]
Im linken oberen Abbildungsrand ist der Aersosoleinlass zu erkennen. Wie im vorhergegangen
Abschnitt beschrieben, ist es für einen fehlerfreien Betrieb dieses Instruments notwendig,
möglichst trockene Aerosole zur Analyse zu verwenden. Bei einem hohen Feuchtigkeitsanteil
stellt sich schnell hygroskopisches Wachstum der Partikel ein. Dies bedeutet, dass Partikel
aufgrund von aufkondensierendem Wassers an Größe zunehmen. Des Weiteren kann eine
korrekte, bipolare Aufladung bei einem feuchten Aerosol nicht mehr gewährleistet werden.
Deshalb und aus Gründen der Vergleichbarkeit der Messergebnisse, empfiehlt das Tropos die
Betriebsbedingungen zwischen 20 – 25° C Raumtemperatur und einer relativen Feuchte (RH)
von unter 40 Prozent innerhalb des Gerätes zu halten. Für diese Betriebsbedingungen kann von
einer Partikelgrößenveränderung durch Änderung der relativen Feuchte innerhalb des UDMAs
von unter 5 Prozent ausgegangen werden [28]. Dies wird sowohl im Aerosolfluss als auch
innerhalb des Schleierluftstroms durch sogenannte Nafion-Trockner gewährleistet. Das
Trocknungsprinzip basiert auf einer semipermeablen Membran aus Tetrafluorethylen-Polymer
(PTFE), die für Wasser leicht durchgängig ist. Dieses wird dem Aerosolstrom entzogen und
durch zirkulierende Druckluft abtransportiert. Des Weiteren wird sowohl der Druckverlust über
eine Kapillare, sowie die relative Feuchte über einen Feuchtesensor aufgenommen. Nachdem
nun das Aerosol getrocknet wurde, wird es durch eine radioaktive Quelle ionisiert und somit
elektrostatisch aufgeladen. Es stellt sich wie in Kapitel 2.3.2 beschrieben ein Ladungsniveau
der Aerosolpartikel auf eine definierte Gleichgewichtsverteilung ein.
3. Methoden
30
Nun wird das Aerosol in das UDMA eingeleitet und mit dem Schleierluftstrom vermischt. Bei
der Schleierluft handelt es sich um getrocknete und durch High-Efficiency-Particle-Filter
(HEPA-Filter) gereinigte, partikelfreie Luft. In der Abbildung 16 ist dieser geschlossen Kreis
(blau) auf der rechten Bildhälfte dargestellt. Die Aufgabe des UDMAs ist die Sortierung der
Partikel nach Mobilitätsgrößenklassen. Dies geschieht mithilfe eines elektrischen Feldes, das
durch einen Kondensator und daran angelegter variabler Spannung erzeugt wird. Je nach der
gewünschten Ladungsverteilung (vergleiche Kapitel 2.3.2) werden die Wände des Zylinders
positiv und die in der Mitte angeordnete Elektrode negativ aufgeladen. So arbeiten
beispielsweise verschiedene Hersteller kommerzieller UDMAs mit unterschiedlich gerichteter
Ladungsverteilung. Bei einer definiert angelegten Hochspannung können nur bestimmte
Partikelgrößen, mit der entsprechenden elektrischen Mobilität, dem elektrischen Feld folgen
und durch die elektrostatischen Anziehungskräfte durch einen Ringspalt aus dem UDMA
geleitet werden und einem Messinstrument zugeführt werden.
Für das UDMA gibt es zwei verschiedene Betriebsweisen, bei der ersten kann eine festgelegte
Spannung eingestellt werden, dies ist der sogenannte Single-Channel-Modus. Nur Partikel einer
bestimmten Größe können nun das UDMA passieren. Bei der zweiten Betriebsweise handelt es
sich um den sogenannten Stepping-Modus, bei dem ein Spannungsrampe in verschieden Stufen
durchlaufen wird und somit ein Partikelgrößenbereich von 0 – 200 nm abgedeckt werden kann
[29]. In diesem Modus ist es wichtig, während der Veränderung der Spannung, nicht im
Zählbetrieb zu arbeiten, sondern eine gewisse Totzeit einzustellen, um Verwischungseffekten
im Ergebnis vorzubeugen.
3.5 Messgeräte zur Partikeldetektion
In der Hauptsache wurden während der Messungen Kondensationspartikelzähler
unterschiedlicher Bauart eingesetzt, jedoch gehört auch ein Faraday-Cup Elektrometer zum
Messaufbau. Das Elektrometer hat einen großen Vorteil gegenüber den
Kondensationspartikelzählern, denn für dieses Gerät bietet sich die Möglichkeit einer
Rückführung auf die SI-Einheit Ampere. Wie in Kapitel 2.5 beschrieben, ist es von
entscheidender Bedeutung für einen Kalibrierservice rückgeführte Messungen anzubieten, da
es aktuell noch keinen solchen Service gibt. Mit dem Elektrometer können rückgeführte
Messungen durchgeführt werden.
Die Schwierigkeit, die durch das jeweilige Detektionsverfahren überwunden werden muss, liegt
in der Größe der zu messenden Objekte begründet. Die zu messenden Rußpartikel variieren im
Größenbereich von 10 – 200 nm. Die Herausforderung, diese kleinen Partikel für ein
Messinstrument detektierbar zu machen, wird bei den Kondensationspartikelzählern über eine
Vergrößerung der zu messenden Rußpartikel gelöst.
3. Methoden
31
Für diese Aufgabe besitzen CPCs Arbeitsmittel, welches auf die Partikel aufgedampft wird.
Hierzu wird ein warmer Befeuchter-Bereich und ein kälterer Kondensationsbereich genutzt.
Die zu detektierenden Partikel werden mit dem Probeaerosolstrom durch den BefeuchterBereich transportiert. In diesem Bereich befindet sich eine mit Butanol-Dampf (Arbeitsmittel)
gesättigte Atmosphäre. Sobald die Partikel mit dieser Atmosphäre den Kondensationsbereich
durchlaufen, dienen sie dem gesättigt vorliegenden Butanol-Dampf als Kondensationskeime.
Während dieses Vorganges wachsen die Rußpartikel bis auf eine Größe von maximal 3 µm auf.
Die beschrieben Effekte beruhen auf der Grundlage des Kelvin-Effekts. Dieser beschreibt das
Wachstum von Flüssigkeitströpfchen für unterschiedliche Dampfdrücke. Die folgende
Abbildung 17 zeigt den Kelvin-Effekt.
Abbildung 17: Größenwachstum von Tröpfchen basierend auf dem Kelvin-Effekt [30]
Auf der x-Achse ist der Radius der Tröpfen und auf der y-Achse die Sättigung in Prozent
aufgetragen. Die Kurve markiert den Gleichgewichtszustand, bei dem weder Wachstum noch
Verdunstung und damit eine Verringerung der Tröpfchengröße stattfindet. Oberhalb der
Gleichgewichtskurve kommt es im gesättigten Bereich zum Aufwaschen der Tröpfchen.
Unterhalb verdunstet Flüssigkeit aus der Tröpfchenoberfläche und dabei verlieren sie an Größe.
Für unterschiedliche Fluide gibt es sogenannte Köhlerkurven, die den Wachstumsprozess für
den jeweiligen Fall darstellen.
Grund für diesen Wachstumsprozess ist die Tatsache, dass die Partikel erst für den Detektor,
eine Einheit aus Diodenlaser und Fotodetektor, sichtbar gemacht werden müssen. Der
Fotodetektor erfasst jede einzelne Abschwächung in der Intensität des Diodenlasers beim
Durchgang eines Partikels. Diese werden durch ein Düsensystem fokussiert und vereinzelt
bevor sie die Optik passieren. Die Grenzen dieses Systems, die sogenannte Koinzidenz, ist dann
erreicht, wenn zu viele Partikel im Aerosolstrom enthalten sind und somit mehrere Partikel
gleichzeitig die Optik passieren.
3. Methoden
32
Von immenser Bedeutung für die Messgenauigkeit ist ein konstanter Volumenstrom über die
Messkammer und damit auch über das gesamte Messinstrument. Bei den
Kondensationspartikelzählern der Firma TSI wird dies durch kritische Düsen sichergestellt.
Kritische Düsen machen sich einen physikalischen Effekt zunutze. Bei einem konstanten
Vordruck vor dem Düseneingang und einem mindestens doppelt so hohem Ausgangsdruck wird
im Düsenhals Schallgeschwindigkeit erreicht. Unter diesen Bedingungen führt eine
Verringerung des Vordruckes nicht mehr zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit über den
Düsenhals und der Volumenstrom bleibt nahezu konstant [8].
Wichtig für die Betriebsweise der CPCs ist eine angemessene Raumtemperatur. Aufgrund der
Temperaturdifferenz von Sättigungs- und Kondensationsbereich muss der eine Geräteteil
gekühlt und der andere geheizt werden, jedoch hat die Kühlleistung aufgrund der
Gehäusegeometrie ihre Grenzen.
3.5.1 Ultrafeiner Partikelzähler, Teilstromgerät
Bei dem 3776 Ultrafine Condensation Particle Counter (UCPC) handelt es sich um einen
Kondensationspartikelzähler für den Größenbereich 2,5 nm bis 3 µm bei einer maximalen
Partikelanzahl von 3x105 Partikel/cm³. Die Messgenauigkeit bei dieser Konzentration liegt bei
±10%. Die Antwortzeit (Response Time), sprich die Zeit, die das Gerät benötigt, um von der
Probenaufgabe bis Konzentrationsausgabe einen Anzeigenwert von 95% der
Partikelkonzentration zu erreichen, liegt im High-Flow Modus bei <0,8 Sekunden, sowie <5
Sekunden im Low-Flow Modus. Der Temperaturunterschied zwischen dem Sättigungs- und
dem Kondensationsbereich liegt bei diesem UCPC bei 29°C [31]. Diese Temperaturdifferenz
ist mit ausschlaggebend auch im unteren einstelligen Nanometerbereich Partikel detektieren zu
können. Der sogenannte D 50 Durchmesser liegt bei diesem CPC bei 2,5 nm und gibt an, bei
welcher Partikelgröße der CPC noch in der Lage ist die Hälfte der aufgegebenen
Partikelkonzentration zu detektieren.
Es handelt sich hierbei um ein Teilstromgerät, was so viel bedeutet, dass nicht das gesamte
Probeaerosol über die Messzelle geführt wird. Grund für den bis zu dreifachen VolumenstromSplit ist der Große Messbereich von 2,5 nm – 3 µm, den dieser CPC abdeckt. Durch die
Verringerung des Volumens wird Strömungsgeschwindigkeit reduziert und gleichzeitig die
Verweilzeit der Partikel im Sättigungsbereich und im Kondensationsbereich verlängert. Dies
hat zur Folge, dass auch die 2,5 nm kleinen Partikel auf eine detektierbare Größe aufwachsen
können. Die folgende Abbildung 18 verdeutlicht das Arbeitsprinzip des 3776.
3. Methoden
33
Abbildung 18: Schematischer Aufbau TSI UCPC 3776 [32]
Im unteren rechten Bildausschnitt ist der Probeneinlass dargestellt, der UCPC verfügt über zwei
verschiedene Flow-Modi, die durch eine intern verbaute Vakuumpumpe realisiert werden. Im
Low-flow Modus werden 0,3 l/min, im High-flow Modus 1,5 l/min angesaugt. Im Low-Flow
(0,3 l/min) Modus wird das gesamte Probeaerosol über den Sättigungsbereich geführt,
wohingegen im High-Flow Modus nur ein Teilstrom von 0,3 l/min über die Sättigungsbereich
geführt wird. Für die zwei verschiedenen Fluss-Modi ist ein Dreiwegeventil verbaut, dargestellt
im unteren linken Abbildungsbereich, welches während des Low-Flow Modus geöffnet ist und
so die Vakuumpumpe die Differenz von 1,2 l/min über einen sogenannten Make-up Air Filter
ansaugen kann. Nach erfolgter Einsaugung wird das Aerosol durch eine Kapillare gesaugt, die
zur Vereinzelung der Partikel im Aerosol dient. Bei diesem Vorgang, der im geheizten
Sättigungsbereich des UCPC stattfindet, wird ein weiterer Teilstrom (0,25 l/min) über einen
Filter gereinigt und als Schleierluft dem Rest-Teilstrom (0,05 l/min) wieder zugeführt. Dies
geschieht in einer gesättigten Butanolatmosphäre, die einerseits durch die hohe Temperatur von
39°C und andererseits durch ein sogenanntes Wick, welches einem porösen Schwamm am
nächsten kommt, hergestellt wird.
Nach der Vereinzelung durchlaufen die Partikel zusammen mit der butanolgesättigten
Schleierluft den Kondensationsbereich des UCPC und dienen dem Butanol-Dampf, aufgrund
der Temperaturabsenkung auf 10°C als Kondensationskeim. Die einzelnen nun vergrößerten
Partikel werden durch eine Düse fokussiert, durchlaufen die Optik und werden aufgrund der
Abschwächung des auftreffenden Laserlichtes durch einen Fotodetektor detektiert.
3. Methoden
34
Direkt hinter der Optik sitzt die kritische Düse mit der ein konstanter Fluss von 0,3 l/min über
die Optik sichergestellt wird. Nach Verlassen der Optik wird das Aerosol in einem Filter
aufgefangen und das gereinigte Aerosol verlässt den UCPC.
3.5.2 Vollstrom Partikelzähler
Der Kondensationspartikelzähler 3772 unterscheidet sich vom eben beschriebenen 3776. Der
größte und wichtigste Unterschied besteht darin, dass der 3772 ein sogenanntes Vollstromgerät
ist, was so viel bedeutet, dass der gesamte Probenahmestrom über die Messkammer geführt
wird. Der Einsatzbereich des CPC liegt bei 10 nm bis 3 µm, die maximale Anzahlkonzentration
bei 104 Partikeln/cm³ mit einer Messgenauigkeit von ±10% sowie einer Antwortzeit von ca. 3
Sekunden [33]. Die Temperaturdifferenz zwischen Sättigungs- und Kondensationsbereich liegt
bei diesem Gerät bei 17°C und ist damit deutlich geringer als beim 3776 UCPC, aus ihr
resultiert die detektierbare Partikelgröße für die 50%ige Effizienzzählung (D 50 ) von 10 nm. Die
folgende Abbildung 19 zeigt das Arbeitsprinzip des CPC 3772.
Abbildung 19: Schematischer Aufbau TSI 3772 CPC [33]
3. Methoden
35
Im unteren Bildbereich ist der Aerosoleinlass zu erkennen, hier wird ein Volumenstrom von
konstant 1 l/min angesaugt. Der 3772 verfügt über keine eigene Vakuumpumpe und muss
deshalb mit einer externen Vakuumpumpe betrieben werden. Auch in diesem Gerät wird der
Volumenstrom mittels einer kritischen Düse, siehe oberstes Ende der Abbildung, konstant
gehalten. Nach dem Aerosoleinlass durchläuft das Aerosol den 38°C warmen Sättigungsbereich
des CPC (blau gekennzeichnet). Wie in der Abbildung 19 zu erkennen wächst das Butanol im
22°C kalten Kondensationsbereich auf die Partikel des Aerosolstromes auf und vergrößert
diese. Nach Vereinzelung durch eine Fokussierdüse werden die Partikel durch die Laserdiode
und den Fotodetektor in der Optikeinheit des CPCs detektiert und anschließend verlässt das
Aerosol den CPC. Im Unterschied zum 3776 muss das aus dem Auslass des CPC austretende
Aerosol durch einen externen Filter gereinigt werden, bevor es in die Umgebungsluft entlassen
werden kann.
3.5.3 Abgas-Emissions-Partikelzähler
Der 3790 ist mit dem 3772 baugleich, jedoch wurden die Temperaturen des Sättigungsbereiches
und des Kondensationsbereiches für die spezielle Aufgabenstellung an diesen CPC modifiziert.
Der EECPC dient zur Überprüfung der in der Einleitung beschriebenen PMP-Richtlinie.
Speziell für diese Richtlinie muss dieser EECPC bestimmte Voraussetzungen in Bezug auf die
Messeffizienz für verschiedene Partikelgrößendurchmesser erfüllen. In der folgenden Tabelle
5 sind diese Vorgaben dargestellt.
Tabelle 5: PMP-Vorgaben für EECPC [34]
Partikeldurchmesser [nm] Erlaubte Abweichung [nm] Erreichte Effizienz [%]
16
1
10
18
2
25
23
3
50
37
4
90
Überprüft wurden diese Eigenschaften mit Ölpartikeln, welche mittels eines sogenannten
Elektrospray Generators hergestellt werden. Die Vorteile dieses Kalibrieraerosols liegen in der
Morphologie der generierten Ölpartikel, da diese sphärisch sind und in großer Anzahl
hergestellt werden können. Des Weiteren arbeitet der EECPC in einem Größenbereich von 16
nm - <3 µm bei einer maximalen Partikelkonzentration von 104 Partikel/cm³ mit einer
Genauigkeit von ±10 Prozent. Die Antwortzeit dieses Kondensationspartikelzählers liegt
3. Methoden
36
ebenfalls bei ca. 3 Sekunden bis zum Erreichen der 95 Prozent der Partikelkonzentration nach
sprungartigem Anstieg [34]. Die Temperaturdifferenz zwischen Sättigungs- und
Kondensationsbereich dieses EECPC liegt bei 7,5° C und damit deutlich geringer als bei beiden
vorher beschriebenen Geräten.
3.5.4 Aerosol Elektrometer
Bei dem Aerosol Elektrometer handelt es sich um ein Gerät, dessen Detektionsverfahren sich
völlig von dem der Kondensationspartikelzähler unterscheidet. Dies birgt Vorteile, jedoch auch
Nachteile. Einen unbestreitbaren Vorteil birgt die Möglichkeit, mit dem Elektrometer
durchgeführte Messungen auf die SI-Einheit Ampere zurückzuführen. Ein Nachteil ist, dass ein
Aerosol nur dann vermessen werden kann, wenn es vorher ionisiert worden ist. Dies lässt sich
sowohl mit einer radioaktiven Quelle als auch durch einem auf Hochspannung basierenden
Korona-Auflader realisieren. Wie in Kapitel 2.3 Grundlagen zur Partikelaufladung beschrieben,
können die Partikel nicht zu hundert Prozent einfach aufgeladen werden. Es bilden sich ebenso
zweifach oder dreifach geladene Partikel [8]. Das Prinzip des Elektrometers ist in der folgenden
Abbildung 20 dargestellt.
Abbildung 20: TSI 3068B Aerosol Elektrometer [35]
3. Methoden
37
Der Aerosoleingang befindet sich in der linken, unteren Bildhälfte und wurde mit einem
Durchfluss bis maximal 2 l/min betrieben. Das ionisierte Aerosol gelangt in einen Filter, der
unter Spannung steht, einen sogenannten Faraday’schen Käfig. Aufgrund der Eigenladung der
Partikel wird die am Käfig anliegende Spannung reduziert. Die Spannung wird gemessen und
wieder ausgeglichen, die Spannungsdifferenz gibt Aufschluss über die Partikelanzahlkonzentration. Das Elektrometer besitzt keine eigene Pumpe, so dass der Fluss hier durch einen
Massenflusscontroller (MFC) und eine externe Vakuumpumpe stabil gehalten wird. Der Vorteil
eines MFCs ist die variable Einstellung des Volumenstroms von 2 – 10 l/min. Durch den
vergleichsweise hohen Volumenstrom können Diffusionsverluste minimiert werden. Der
Nachteil im Gegensatz zur kritischen Düse ist die Schwankung des Volumenstroms. Kritische
Düsen halten den Volumenstrom deutlich konstanter als MFCs. In der folgenden Berechnung
Formel 3.3 wird die maximal detektierbare Partikelanzahlkonzentration berechnet.
Umrechnung von Stromstärke auf Partikelanzahl:
𝑁𝑁 =
𝐼𝐼
е ∗ 𝑛𝑛𝑝𝑝 ∗ 𝑞𝑞𝑒𝑒
Formel 3.3: Partikelanzahlkonzentration, errechnet aus der Stromstärke
Mit:
N
=
Partikelanzahlkonzentration [Partikel/cm³]
е
=
Elementarladung
𝑛𝑛𝑝𝑝
=
Anzahl der Ladungen pro Partikel
𝑞𝑞𝑒𝑒
=
Flussrate [cm³/s]
I
=
elektrische Stromstärke
𝐼𝐼
𝑁𝑁 =
=
е ∗ 𝑛𝑛𝑝𝑝 ∗ 𝑞𝑞𝑒𝑒
1
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃
𝑓𝑓
= 2340824
𝑙𝑙
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
𝑐𝑐𝑐𝑐³
𝑐𝑐𝑐𝑐³
1,602 ∗ 10−19 𝐴𝐴𝐴𝐴 ∗ 1 ∗ 2 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ∗ 60𝑠𝑠 ∗ 1000
𝑙𝑙
12500 𝑓𝑓𝑓𝑓 ∗ 10−15
Wie durch die Berechnung der maximalen Anzahl nachgewiesen, kann dieses Gerät deutlich
höhere Anzahlkonzentrationen erfassen als die vorher vorgestellten Kondensationspartikelzähler. Bei geringen Partikelanzahlkonzentration von unter 1000 Partikel/cm³ muss
jedoch ein Offset, dass sogenannte elektrische Rauschen, berücksichtigt werden. Dieses
entspricht bei 0,1 pA einer Unsicherheit von U(k=2)=5,92%. Es handelt sich hierbei um die
erweiterte Messunsicherheit, wobei k=2 die statistische Sicherheit des Messergebnisses im
Vertrauensbereich von 95 Prozent angibt.
3. Methoden
38
3.5.5 Gegenüberstellung der Geräte
In diesem Abschnitt sollen die Unterschiede der eingesetzten CPCs der Übersicht halber noch
einmal tabellarisch dargestellt werden. In der folgenden Tabelle 6 sind die Gerätetypen
aufgelistet.
Tabelle 6: Gegenüberstellung der Messgeräte
Gerät
Größenbereich
3776
Konzentration
(Maximal)
[Partikel/cm³]
Antwortzeit [s]
Volumen
-strom
[l/min]
Kondensationstemperatur
[°C]
Sättigungstemperatur
[°C]
2,5 nm - >3 105
µm
HF < 0,8s
HF = 1,5
10
39
LF < 5s
LF = 0,3
3772
10 nm - >3 104
µm
3s
1
22
39
3790
16 nm - >3 104
µm
3s
1
30,8
38,3
3068B
2 nm – 5 µm
2,5s
0,3 - 2
-
-
2,35*106
Wie in der Tabelle ersichtlich wird, überschneiden sich die Größenbereiche der Messgeräte.
Für die im kommenden Abschnitt beschriebene Charakterisierung des Rußaerosolgenerators
kam der TSI 3776 zum Einsatz. Auf Grundlage des erforderlichen Größenbereiches konnte nur
der UCPC alle Partikelanzahlgrößenverteilungen aufnehmen. So konnte eine Zähleffizienz von
100 Prozent im genannten Größenbereich garantiert werden. Daher ist diese Charakterisierung
des Messaufbaus bezüglich der Partikelanzahlkonzentration am aussagekräftigsten ist.
4. Ergebnisse und Diskussion
39
In diesem Kapitel sollen die Ergebnisse präsentiert werden, wobei der Fokus auf vier
verschiedenen Bereichen liegt. Zunächst werden die Entwicklungsarbeit an der
Aerosolkonditionierung sowie die Charakterisierung des Generators beschrieben.
Abschließend werden die Ergebnisse der verschiedenen CPCs sowie die des Portvergleichs am
Messgasverteiler vorgestellt. Im Abschluss wird dieses Kapitel zur vollständigen
Charakterisierung des Rußaerosolmesstandes für Exhaust-Emission-Kondensationspartikelzählern der PTB führen.
4.1 Aufbau und Entwicklung der Aerosolkonditionierung
Wie im Abschnitt 2.1 und 3.3 beschrieben, ist es von entscheidender Bedeutung, dass erzeugte
Rußaerosol zu konditionieren, um ein homogenes, stabiles und monodisperses Rußaerosol zu
erhalten. Wie in Kapitel 2.1 erläutert, kommt es nach der Rußerzeugung zu Agglomerationsund Koagulationsprozessen, die zum weiteren Aufwachsen der Rußpartikel führen. Aus diesem
Grund ist eine Konditionierung des erzeugten Aerosols notwendig, um die Rußpartikel
räumlich voneinander zu trennen und somit eine weitere Agglomeration zu verhindern. Des
Weiteren dient die Verdünnung der Absenkung des Dampfdruckes von organischen Anteilen
im Abgas und somit der Verringerung der Anlagerung dieser Komponenten an der Oberfläche
der Rußpartikel.
Ein Arbeitspaket dieser Masterarbeit war daher der Test und die Entwicklung eines
Verdünnungssystems. Hierfür wurden verschiedene Systeme aufgebaut, getestet und
weiterentwickelt. In mehreren Ausbaustufen wurde eine Aerosolkonditionierungseinheit
entworfen und am Messaufbau implementiert.
4.1.1 Aerosolkonditionierung erste Ausbaustufe
In der folgenden Abbildung 21 ist auf der linken Abbildungsseite die Aerosolkonditionierung
in ihrer ersten Ausbaustufe als Halbschnitt dargestellt, auf der rechten Abbildungsseite ist die
zugehörige Partikelanzahlgrößenverteilung des konditionierten Rußaerosols dargestellt. Die
PAGV wurde mithilfe eines UDMPS im Stepping-Modus und einem Kondensationspartikelzähler 3776 der Firma TSI aufgenommen.
40
Abbildung 21: Aerosolkonditionierung Ausbaustufe 1, links) Halbschnitt des Aufbaus, rechts) PAGV des
konditionierten Rußaerosols, gemessen mit dem UDMPS
Ziel dieser Ausbaustufe war es, dass Probeaerosol aus einer Mischungszone (gelb markiert) zu
entnehmen, in der sich das CAST-Aerosol (roter Pfeil von oben) und die Verdünnungsluft
(blauer Pfeil von links) in einem Kreuzungsbereich turbulent im Verhältnis eins zu eins
vermischen. Zur Sicherstellung eines turbulent strömenden Verdünnungsluftstromes wurde
dem Verdünnungsluftkanal ein Sintergitter eingesetzt. Die vorgefilterten Druckluft wird durch
das engmaschige Gitter stark abgelenkt, wodurch sich Mikroturbulenzen bilden und hierdurch
in der Mischungszone ein homogenes Aerosolgemisch entsteht [36]. Oben links in der
Abbildung ist die Mischungszone mit der Entnahmestelle vergrößert dargestellt. Ein im 45°
Winkel abgeschrägtes Edelstahlrohr dient zur Entnahme des Aerosols. Die Abwinkelung im
45° Winkel hat sich für diesen Zweck in empirischen Versuchen bewährt. Auf der rechten Seite
der Abbildung ist die Abluft durch einen blauen Pfeil gekennzeichnet.
Die Wirkungsweise des Verdünnungssystems wird durch eine Aufnahme der Partikelanzahlgrößenverteilung belegt. Diese ist in der rechts dargestellten Abbildung zu erkennen. Aus der
Aufnahme der PAGV ist zu ersehen, dass diese Realisierung der Entnahmestelle kein stabiles
Aerosol gewährleisten kann. Die PAGV ist sehr breit und besitzt zwei Maximalpunkte. Dieser
bimodale Verlauf ist unerwünscht, da hier die Anzahl der mehrfach geladenen Partikel (siehe
Kapitel 2.3.2) bei diesem Verlauf deutlich höher ausfällt. Somit kann dieses Aerosol für
monodisperse Partikelselektion und Vergleichsmessungen nicht verwendet werden. Aus
diesem Grund wurde die Konditionierungseinheit weiterentwickelt.
41
4.1.2 Aerosolkonditionierung zweite Ausbaustufe
In der folgenden Abbildung 22 ist die Aerosolkonditionierung in der zweiten Ausbaustufe
gezeigt.
Abbildung 22: Aerosolkonditionierung Version 2, links) Halbschnitt des Aufbaus, rechts) PAGV des
konditionierten Rußaerosols, gemessen mit dem UDMPS
Aufgrund der Erkenntnisse der ersten Ausbaustufe wurde durch eine Verlängerung der
Vermischungszone das erzeugte Rußaerosol vor der Probenahme stabilisiert. Auch hier ist die
Verdünnungsluft mit einem blauen Pfeil sowie das CAST-Aerosol durch einen roten Pfeil
gekennzeichnet. Aus der Abbildung 22 ist zu ersehen, dass die Probenahme nach rechts versetzt
wurde. Dadurch konnte die Zeitspanne, in der eine Vermischung stattfinden konnte, verlängert
werden. Die Probenahme (kleiner blauer Pfeil) wurde wieder mit einem im 45° Winkel
abgeschrägten 6 mm Rohr realisiert, welches in diesem Fall senkrecht zum Aerosolstrom
verbaut wurde. Des Weiteren wurde eine Sichtscheibe in die Aerosolkonditioniereinheit
implementiert, diese dient zur Verschmutzungskontrolle des Mini-CASTs. Auf der rechten
Seite der Abbildung 22 ist wieder die PAGV dargestellt, mit der sich das Ergebnis des Umbaus
belegen lässt. Klar zu erkennen ist, dass diese PAGV im Vergleich zur ersten Ausbaustufe
deutlich schmaler geworden ist. Für ein Kalibrier-Aerosol sind die Eigenschaften einer
schmalen PAGV sehr wichtig, da die Wahrscheinlichkeit für mehrfach geladene Partikel mit
der Breite der Verteilung steigt (siehe Kapitel 2.3.2). Nichtsdestotrotz ist auch hier ein
bimodaler Verlauf zu verzeichnen, da die PAGV zwei Maximalpunkte aufweist. Aus diesem
Grund wurde die Entwicklungsarbeit fortgeführt.
42
4.1.3 Aerosolkonditionierung finale Ausbaustufe
Der Fortschritt zwischen der ersten und zweiten Ausbaustufe ließ sich eindeutig auf die
verlängerte Beruhigungsstrecke zurückführen. Diesem Sachverhalt wurde in der dritten
Ausbaustufe Rechnung getragen. Hier wurde die Beruhigungstrecke von der Mischungszone
bis hin zur Probenahme um die dreifache Länge auf 700 Millimeter erhöht. In der folgenden
Abbildung 23 ist die dritte Ausbaustufe dargestellt.
Abbildung 23: Letzte Ausbaustufe der Aerosolkonditionierung
Das bewährte Prinzip der Vermischung von CAST-Aerosol und Verdünnungsluft blieb
erhalten, jedoch wurde die Probenahme modifiziert. Nun wird die Probe aus der Kanalmitte,
strömungsparallel mit dem Aerosolstrom entnommen. Die Vergrößerung des Teilausschnittes
der rechten Bildseite zeigt die Probenahme im Halbschnitt. Zum Einsatz kommt in dieser
Ausbaustufe ein Edelstahlrohr mit einem Innendurchmesser von 4 Millimetern, welches um
90° abgelenkt ist. Zusätzlich wurde die Spitze der Probenahme konisch zugefeilt, um
auftretenden Staudruck vorzubeugen. Ziel ist es an dieser Stelle einer isokinetischen
Probenentnahme so nah wie möglich zu kommen. In der folgenden Abbildung 24 ist die PAGV
des Rußaerosols dargestellt.
43
Abbildung 24: PAGV Konditionierungseinheit, gemessen mit dem UDMPS
Im Gegensatz zu den ersten beiden dargestellten PAGVs ist hier kein bimodaler Verlauf zu
erkennen. Die PAGV ist wieder sehr schmal und hat ein klares monomodales Maximum. Die
Voraussetzungen für Single-Channel Messungen sind gegeben. Bei Single-Channel Messungen
handelt es sich wie in Kapitel 3.4 beschrieben, um Messungen bei einer festgesetzten Spannung
des UDMAs und somit um einen selektierten Größenausschnitt der PAGV. Die in den
folgenden Kapiteln vorgestellten Ergebnisse wurden mit dem hier dargestellten Setup der
Konditionierungseinheit aufgenommen.
Wie bereits beschrieben war die Zielsetzung eine isokinetische Probenahme zu realisieren,
jedoch ist dies aufgrund der weiteren Vorbehandlung des Aerosols nicht möglich. Das Aerosol
muss direkt nach der Probenahme stark gekühlt, verdünnt und getrocknet werden, damit die
Verschmutzungseffekte in den weiter folgenden Instrumenten auf ein akzeptables Maß
reduziert werden können. Das erzeugte Rußaerosol basiert auf einer Verbrennung und
naturgemäß weist das Aerosol eine hohe Feuchte auf. Zur Trocknung und Verdünnung kommt
die Verdünnungsstufe VKL 10 der Firma Palas zum Einsatz. Diese Verdünnungsstufe arbeitet
mit einem Volumenstrom von 4 l/min, der auf das nachfolgende UDMA abgestimmt ist und
legt hiermit den Volumenstrom der Probenahme fest.
44
4.2 Charakterisierung des Rußaerosolgenerators
Eine Gegenüberstellung der Herstellerangaben und der während der Messungen ermittelten
Werte liefert die Tabelle 7.
Tabelle 7: Mini-CAST Betriebsparameter
Parameter
Herstellerangabe
Überprüfter Wert
Partikelgrößenbereich
20-200 [nm]
5-105 [nm]
Rohgasoutput
30 [l/min]
24-26 [l/min]
Konzentrationsbereich
Bis zu 108 Partikel/cm³
2*104 - 1,8*109 Partikel/cm³
Unabdingbar für die Charakterisierung des Mini-CAST Aerosols ist die Überprüfung und
Festlegung der für eine CPC-Kalibrierung benötigten Betriebspunkte. In der folgenden Tabelle
8 sind die für Kalibrieraufgaben notwendigen Betriebspunkte und die zugehörigen
Mobilitätsdurchmesser (siehe Kapitel 2.3.3) dargestellt. Hervorgehoben sind die
Betriebspunkte, mit denen sich ein PMP-konformes Rußaerosol (vergleiche Kapitel 2.5.2)
generieren lässt.
Tabelle 8: Mini-CAST Betriebspunkte
Betriebspunkt
Nummer
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Propan
[ml/min]
135
140
160
150
155
155
145
140
155
155
Oxidation
Air
[l/min]
0.90
0.87
0.73
0.65
0.50
0.40
0.43
0.40
0.40
0.30
Stickstoff
[l/min]
3.00
3.25
3.55
3.30
3.00
3.00
3.00
3.00
3.50
3.50
Mobilitätsdurchmesser
[nm]
11.09
25.13
41.06
58.48
62.92
73.34
85.59
85.49
99.66
99.66
Mode
[nm]
11.85
22.61
40.48
55.01
60.88
71.92
79.02
83.70
90.13
100.41
Geometrische
Standardabw.
1.32
1.35
1.37
1.43
1.41
1.46
1.47
1.48
1.50
1.50
Als ersten Anhaltspunkt dient die optische Überprüfung der Flammenfärbung, dies wird durch
die Sichtscheibe am Messgasverteiler möglich. Die Abbildung 25 zeigt Betriebspunkte (BP)
des MiniCAST von links nach rechts, den Pausen-Modus (idle-Betrieb), den 23 nm, den 41 nm,
sowie den 55 nm Betriebspunkt.
45
Abbildung 25: Mini-CAST Flammenbilder verschiedener Betriebspunkte
Deutlich ist zu erkennen, dass die Flammenfärbung von blau zu einem kräftigen Orange
verschoben wird, je unvollständiger die Verbrennung ist. Bei dem 23 nm Punkt spiegelt die
blaue Flammenfarbe die vollständige Verbrennung des Propans wieder und die damit
einhergehenden kleinen Partikel. Der BP bei 41 nm und 55 nm unterscheiden sich in der
Flammenfärbung sichtlich vom 23 nm Punkt, die Flammen wechseln erkennbar hin zum
Orange. Diese Tatsache zeigt die zunehmend unvollständigere Verbrennung, die entstehenden
Partikel sind größer. Die orange leuchtende Farbe kommt durch bereits in der Flamme
entstehenden, glühenden Ruß zustande [11].
Wie aus dem Anlagenschema Abbildung 11 zu erkennen ist, wurden diese Punkte mit mehreren
verschiedenen CPCs überprüft. Die eigentliche Charakterisierung des durch den Mini-CAST
erzeugten Aerosols erfolgte durch das UDMPS und den UCPC 3776. Die folgende Abbildung
26 zeigt die in Tabelle 8 aufgeführten Betriebspunkte noch einmal anschaulich als PAGV.
2000000
12 nm
Partikelanzahlkonzentration [#/cm³]
1800000
23 nm
1600000
41 nm
1400000
55 nm
1200000
60 nm
1000000
70 nm
800000
80 nm
85 nm
600000
90 nm
400000
100 nm
200000
0
105 nm
3
30
300
Abbildung 26: Partikelanzahlgrößenverteilung der Mini-CAST Betriebspunkte
46
Auf der x-Achse ist der Mobilitätsdurchmesser in Nanometer logarithmisch und auf der yAchse die Partikelanzahlkonzentration pro Kubikzentimeter aufgetragen. Die Betriebspunkte
von 12 bis 105 nm unterscheiden sich deutlich in der Partikelanzahlkonzentration von einander.
Die Flammenfärbung wechselt zum orangen Farbton, je unvollständiger die Verbrennung wird.
Zum einen durch die unvollständigere Verbrennung und zum anderen durch die Erhöhung der
Gasflüsse steigt die Partikelanzahl und -größe der generierten Partikel. Die Differenz des
Gesamtvolumenstroms der BPs beträgt 20 l/min und resultiert in einer Partikelanzahldifferenz
von 1400000 Partikel/cm³.
In der hinsichtlich der Partikelanzahlkonzentration normierten Darstellung (vgl. Abbildung 27)
der PAGVs werden die Unterschiede zwischen den verschiedenen Betriebspunkten bezüglich
der Breite der PAGVs ersichtlich.
1,2
Rohkonzentration, normalisiert [#/cm³]
12 nm
23 nm
1
41 nm
0,8
55 nm
60 nm
0,6
70 nm
80 nm
0,4
85 nm
90 nm
0,2
0
100 nm
105 nm
3
30
300
Abbildung 27: Partikelanzahlgrößenverteilungen der Mini-CAST Betriebspunkte normiert
In der normierten Darstellung in der Abbildung 27 lässt sich einfacher erkennen, dass die
PAGVs im unteren Größenbereich 12 – 41 nm deutlich schmaler sind als die PAGVs mit
großem Durchmesser bis 105 nm. Dieser Umstand ist, wie in Kapitel 2.1 beschrieben, mit einer
deutlich längeren Partikelentstehungsphase verbunden. Bei der vollständigeren Verbrennung
entstehen in der Hauptsache kleinere Partikel, jedoch als Nebenprodukt auch größere. Das
Verhältnis kehrt sich mit Zunahme des Durchmessers der generierten Partikel um, so dass die
PAGVs im größeren Durchmesserbereich tendenziell breiter sind.
47
4.3 Stabilitätsuntersuchungen am Messaufbau
Die Stabilitätsuntersuchungen wurden zweigeteilt umgesetzt. Als erstes wurden die PAGVs
direkt nach dem UDMA mit dem UCPC 3776 aufgenommen. Im zweiten Schritt wurde der
Messgasverteiler in den Messaufbau integriert und Messungen mit einem 3772, bei
verschiedenen Betriebspunkten und unterschiedlichen Konzentrationsverhältnissen
durchgeführt. Dies diente der Überprüfung der PMP-Anforderungen (vergleiche Kapitel 2.5.2)
an den Kalibrieraufbau.
4.3.1 Langzeitstabilität nach dem UDMA
Als erstes wurden die Untersuchungen der Langzeitstabilität ohne den später angeschlossenen
Messgasverteiler durchgeführt. Die folgende Abbildung 28 zeigt die Ergebnisse von
Langzeitscans an PMP-konformen Mini-CAST Betriebspunkten.
1600000
23 nm Messzeit 120 min
Rohkonzentration [#/cm³]
1400000
1200000
1000000
800000
600000
400000
200000
0
1
10
100
Abbildung 28: Langzeitstabilitätstest im Scan-Modus, für PMP konforme Betriebspunkte, aufgenommen
mit dem UDMPS
Es wurden drei verschiedene Betriebspunkte untersucht. Der 23 nm Betriebspunkt ist in der
Farbe Lila dargestellt und verfügt über die geringste Partikelanzahlkonzentration. Die
Betriebspunkte für 41 und 55 nm sind rot und grün dargestellt. Für jede der PAGVs wurde die
48
Schwankungsbreite errechnet und mit schwarzen Fehlerbalken eingezeichnet. Aus der
Abbildung 28 wird ersichtlich, dass die Zeitspanne eine entscheidende Rolle für die
Schwankungsbreite der einzelnen Verteilungen spielt. Die PAGV für den 55 nm Betriebspunkt
zeigt im Vergleich zur 41 nm PAGV, je kürzer die Messdauer, desto geringer die
Schwankungsbreite. Dieser Umstand erklärt sich aus einer Summe von Effekten, wie die
Schwankungsbreite des UCPCs, den Verschmutzungseffekten des Messaufbaus über der Zeit
sowie der Schwankung der im Mini-CAST verbauten Mass-Flow-Controller (MFC).
Während internationaler Vergleichsworkshops und des Kalibrierprozesses werden die EECPCs
jeweils für 5 Minuten je Konzentration und Partikeldurchmesser verglichen. Dies geschieht für
einen Konzentrationsbereich von 2000 – 10.000 Partikel/cm³ (siehe 2.5.2). Es werden
dementsprechend für jeden Partikeldurchmesser fünf Messpunkte erforderlich, dies entspricht
einem reinen Messintervall von 25 Minuten. Verglichen mit dieser Zeitspanne konnte die
Stabilität in der Abbildung 28 mit einer Minimalzeit von 90 Minuten eindrucksvoll
nachgewiesen werden.
4.3.2 Stabilitätstest am Messgasverteiler
In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse weiterer Stabilitätstest vorgestellt. Die Ergebnisse
wurden unter Verwendung des Messgasverteilers aufgenommen, der im folgenden Kapitel 4.4
Messgasverteiler beschrieben wird. Für die Messungen wurden zwei bauartgleiche 3772 CPCs
genutzt. Ziel war es über einen längeren Zeitraum die Stabilität einzelner Betriebspunkt und
deren Reproduzierbarkeit zu untersuchen. Die Abbildung 29 zeigt die Ergebnisse für den 23
nm Betriebspunkt für eine Partikelanzahl von 1100 Partikel/cm³, aufgenommen mittels zweier
Vollstrom 3772 CPCs.
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
CPC 3772a
200
0
11:31:12
CPC 3772b
12:00:00
12:28:48
12:57:36
13:26:24
13:55:12
14:24:00
Zeit
Abbildung 29: Langzeitstabilität des 23 nm Betriebspunktes für 1100 Partikel/cm³ am Messgasverteiler
49
Auf der x-Achse ist die Tageszeit dargestellt, die Messung dauerte 120 Minuten. Auf der yAchse ist die Partikelanzahlkonzentration dargestellt. Für die eingestellte Anzahl von 1100
Partikel/cm³ wurde eine Schwankungsbreite beider CPC von unter 6 Prozent erreicht. Über die
Zeit ist ein leichter Abfall der Konzentration zu beobachten. Wie bereits im vorhergegangen
Kapitel 4.3.1 beschrieben, ist dieser Umstand auf Verschmutzungseffekte zurückzuführen.
Unter Berücksichtigung des Kalibrierprozederes (siehe Kapitel 2.5.2), bei dem nur für jeweils
5 Minuten und mehrere Wiederholungen eine stabile Aerosolkonzentration zur Verfügung
stehen muss, ist die Stabilität im Hinblick auf die Konzentration mit 120 Minuten deutlich über
der benötigten Zeitspanne und ein Maß für die Qualität des Messaufbaus. Wie bereits im
Kapitel 4.3.1 beschrieben, benötigt man für die Kalibrieraufgaben ein Messintervall von 5
Minuten je Partikelgröße bei verschieden Konzentrationsverhältnissen. Die Gesamtdauer je
Partikelgröße beläuft sich auf maximal 25 Minuten. Im Vergleich wurde die Messung,
dargestellt in der Abbildung 29, 120 Minuten lang durchgeführt.
4.3.3 Reproduzierbarkeit am Messgasverteiler
Aufgrund der Zielsetzung den Messaufbau für Kalibrieraufgaben für EECPCs zu verwenden,
ist es unabdingbar wiederkehrende Qualitätskontrollen am Messaufbau durchzuführen. Eine
Möglichkeit das Verdünnungssystem des Messgasverteilers (vergleiche Kapitel 4.4) zu testen
ist es, verschiedene Partikelanzahlkonzentrationen in immer wiederkehrende Zeiträumen erneut
einzustellen und auf ihre Langzeitstabilität, unabhängig von den Angaben des Herstellers, hin
zu überprüfen. Die folgende Abbildung 30 zeigt den 23 nm Betriebspunkt an zwei
verschiedenen Messtagen für jeweils eine Partikelanzahlkonzentration von 1200 Partikel/cm³.
Partikelanzahlkonzentration [#/ccm]
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
CPC a Tag 1
700
CPC b Tag 1
600
CPC a Tag 2
500
400
CPC b Tag 2
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Zeit [min]
Abbildung 30: Reproduzierbarkeit des 23 nm Betriebspunktes bei 1200 Partikel/cm³ an zwei
verschiedenen Messtagen
50
Auf der x-Achse der Abbildung ist die Zeit in Minuten dargestellt, die Messungen wurden
jeweils für 25 Minuten durchgeführt. Die y-Achse stellt die Partikelanzahlkonzentration pro
Kubikzentimeter dar. Die gefüllten Symbole stellen die Ergebnisse des Messtages 1 dar, die
ungefüllten Symbole die des Messtages 2. Es ist zu erkennen, dass es an zwei verschiedenen
Tagen gelang die Partikelanzahlkonzentration bis auf eine Abweichung von 12 Prozent
einzustellen. Wieder wird eine Schwankungsbreite der CPCs an beiden Messtagen von unter 6
Prozent erreicht.
4.4 Messgasverteiler und Portvergleich
In diesem Abschnitt sollen die Ergebnisse der Messungen am Messgasverteiler vorgestellt
werden. Der Messgasverteiler verfügt über 10 Probenahmestellen und bietet während des
Betriebs mit zwei Referenzgeräten noch Anschlussmöglichkeiten für weitere acht Instrumente.
Die Abbildung 31 zeigt eine technische Zeichnung des Messgasverteilers.
Abbildung 31: Messgasverteiler für Vergleichsmessungen am Referenzelektrometer und –CPC
Eine weitere Aufgabe des Messgasverteilers ist es, verschiedene Verdünnungen des generierten
und selektierten Rohgases zu ermöglichen. Dies ist für die Einstellung der verschiedenen
Partikelanzahlkonzentrationen wichtig. Aus dem Anlagenschema (Abbildung 11) wird klar,
dass der Messgasverteiler über einen eigenen Druckluftanschluss verfügt, welcher bei 2 bar
Vordruck stufenlos mittels Nadelventil einstellbar ist.
Die in den Messgasverteiler eingespülte, vorgereinigte Druckluft wird auf drei abgeschrägte
Rohre mit je 6 mm Durchmesser verteilt. Aus der Abbildung 31 wird deren Anordnung
ersichtlich, aufgrund der Abschrägung reißt der laminare Fluss ab und es bilden sich
Turbulenzen. Die turbulent strömende Druckluft umspült den Probefluss aus dem UDMA und
es kommt noch vor den ersten Ports zu einer homogenen Vermischung.
51
4.4.1 Portvergleich bei 23 nm für 2000 und 10.000
Partikel/cm³
Für die Untersuchung am Messgasverteiler für den 23 nm Betriebspunkt (siehe Tabelle 8, OP
2) und einer Partikelanzahl von 2000 Partikel/cm³ wurden alle vier in Kapitel 3.5 beschriebenen
CPCs eingesetzt. In der folgenden Abbildung 32 sind die Ergebnisse des Portvergleichs für den
23 nm Betriebspunkt bei einer Partikelanzahl-konzentration von 2000 Partikel/cm³ dargestellt.
Die Partikelanzahlkonzentration ist entsprechend der PMP-Richtlinie (siehe Kapitel 2.5.2)
gewählt, es handelt sich um die Minimalkonzentration von 2000 Partikel/cm³ die während des
Kalibrierprozederes eingesetzt wird.
2100
1900
1700
3776 fix Port 1a
1500
3772 fix Port 1b
1300
3772 var Port 2a 5b
1100
3790 var Port 2a 5b
900
700
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Port 1a - 5 b
Abbildung 32: Portvergleich bei 23 nm und für 2000 Partikel/cm³
Auf der x-Achse sind die verschiedenen Ports dargestellt, wobei der UCPC 3776 (blau) am Port
1a und ein CPC 3772 (orange) an Port 1b stationär blieben, um die Schwankungen durch den
Generator oder der Vermischung charakterisieren zu können. Ein weiterer CPC 3772 (grau)
wurde über ein T-Stück mit dem verbleibenden EECPC 3790 (grün) verbunden. In diesem
Verbund konnten die einzelnen Ports jeweils für ein Intervall von fünf Minuten vermessen
werden. Auf der y-Achse ist die Partikelanzahlkonzentration aufgetragen. Deutlich sind die
Unterschiede zwischen dem EECPC und den restlichen CPCs zu erkennen. Wie aus der Tabelle
5 zu entnehmen, wurde für den EECPC bei dieser Partikelgröße eine Effizienz von 50 Prozent
erwartet. Der Hersteller kalibriert diese Geräte jedoch mit Öltröpfchen. Eine Abweichung der
52
Effizienz bei Ruß als Kalibriermedium wurde bereits bei anderen Untersuchungen festgestellt
[37]. Des Weiteren ist zu erkennen, dass auch der UCPC etwas von den beiden 3772 CPC
abweicht. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass es sich hierbei nicht um ein VollstromGerät handelt. Der UCPC arbeitet mit einem dreifachen Volumensplit, daher ist mit Verlusten
innerhalb der Aerosolführung zu rechnen. Die beiden baugleichen 3772 CPC liegen mit ihren
Ergebnissen nahe beieinander, trotz der durch den Hersteller angegebenen Schwankungstoleranz von ±10 Prozent der Geräte zueinander.
In der Abbildung 33 ist der Portvergleich für den 23 nm Betriebspunkt für eine
Partikelanzahlkonzentration von 10.000 Partikel/cm³ dargestellt. Es handelt sich um die
Maximalkonzentration, die während einer Kalibrierprozedur nach der PMP-Richtlinie (Kapitel
2.5.2) verwendet wird. Die Farbgebung wurde beibehalten, die Messung wurde in derselben
Weise durchgeführt wie die Messung bei 2000 Partikel/cm³.
12500
11500
10500
9500
8500
3776 fix Port
1a
7500
3772 fix Port
1b
6500
3772 var Port
2a - 5b
5500
3790 var Port
2a - 5b
4500
3500
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Port 1a - 5 b
Abbildung 33: Portvergleich bei 23 nm und für 10.000 Partikel/cm³
In diesem Ergebnis spiegeln sich die bereits genannten Sachverhalte ebenfalls wieder. Der
EECPC erreicht 38 Prozent der eingestellten Konzentration und liegt damit 12 Prozent unter
dem vom Hersteller angegebenen Wert.
53
Die Tabelle 9 stellt die zu erwartenden und erzielten Messergebnisse dar.
Tabelle 9: Gegenüberstellung der CPCs für den 23 nm Betriebspunkt
Model
Schwankungsbreite,
Herstellerangabe
± 10% bei 3*105 #/cm³
Schwankungsbreite,
erwartete
eigene Charakterisierung Effizienz
± 16,8% bei 2000 #/cm³
100 %
± 8,4% bei 10.000 #/cm³
gemessene
Effizienz
100%
3772 fix
Referenz
3772 var
± 10% bei 104 #/cm³
100 %
100%
100 %
94 %
3790 var
± 10% bei 104 #/cm³
± 4,8% bei 2000 #/cm³
± 3,4% bei 10.000 #/cm³
± 5,1% bei 2000 #/cm³
± 3,2% bei 10.000 #/cm³
± 7,1% bei 2000 #/cm³
± 4,2% bei 10.000 #/cm³
50 %
38 %
3776 fix
± 10% bei 104 #/cm³
Auffallend ist die hohe Schwankungsbreite des Teilstrom-CPCs 3776 am Minimalpunkt von
2000 Partikel/cm³, jedoch liegt diese noch innerhalb der Herstellertoleranz. Negativ fällt die
nicht erreichte Zähleffizienz des 3790 EECPC auf.
Positiv zu verzeichnen ist die geringe Schwankungsbreite aller vier Geräte bei 10.000
Partikel/cm³, welche deutlich unter der Herstellerangabe liegt.
Partikel/cm³
Der Portvergleich, der in diesem Abschnitt vorgestellt wird, wurde unter denselben
Bedingungen gemessen wie die Messungen des vorherigen Abschnitts, jedoch wurde der 41
nm Betriebspunkt am Mini-CAST gewählt (siehe Tabelle 8, OP 3). In der Abbildung 34 und
der Abbildung 35 sind die Ergebnisse für die Partikelanzahl von 2000 und 10.000 Partikel/cm³
dargestellt. Auch bei dieser Messung wurde an den Ports 2a – 5b für jeweils fünf Minuten
gemessen, während am Port 1a der UCPC 3776 und am Port 1b der CPC 3772 fest
angeschlossen blieben.
54
2100
2000
1900
3776 fix Port
1a
1800
3772 fix Port
1b
3772 var Port
2a - 5b
1700
3790 var Port
2a - 5b
1600
1500
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Port 1a - 5b
Die Ergebnisse der einzelnen CPCs liegen nicht mehr so weit auseinander, was auf die
Partikelgröße zurück zuführen ist. Der EECPC liegt erwartungsgemäß noch unter den übrigen
CPCs, da dieses Gerät bei Partikeln dieser Größenordnung eine Zähleffizienz von 90 Prozent
laut Herstellerkalibrierung aufweisen muss. In der folgenden Abbildung 35 ist bei einer
Partikelanzahlkonzentration von 10.000 Partikel/cm³ zu erkennen, dass die beiden 3772 CPCs
wie bei den vorherigen Ergebnissen eine höhere Konzentration gegenüber den anderen beiden
CPCs anzeigen. Der Unterschied zwischen den beiden Paaren lässt sich beim UCPC mit der
Tatsache des Teilstromgerätes und anderseits beim EECPC mit der Zähleffizienz von nur 90
Prozent erklären.
55
11000
10500
10000
3776 fix Port
1a
3772 fix Port
1b
9500
3772 var Port
2a - 5b
9000
3790 var Port
2a - 5b
8500
8000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Port 1a - 5b
In der folgenden Tabelle 10 sind die für den 41 nm Betriebspunkt zu erwartenden Ergebnisse
dargestellt.
Model
Schwankungsbreite,
Herstellerangabe
± 10% bei 3*105 #/cm³
Schwankungsbreite,
eigene Charakterisierung
± 18,0% bei 2000 #/cm³
± 8,1% bei 10.000 #/cm³
erwartete
Effizienz
100 %
gemessene
Effizienz
100%
3772 fix
Referenz
3772 var
± 10% bei 104 #/cm³
±
100 %
100%
±
100 %
93 %
3790 var
± 10% bei 104 #/cm³
± 7,4% bei 2000 #/cm³
3,0% bei 10.000 #/cm³
± 6,1% bei 2000 #/cm³
2,5% bei 10.000 #/cm³
± 6,5% bei 2000 #/cm³
2,9% bei 10.000 #/cm³
±
90 %
85 %
3776 fix
Teilstrom
± 10% bei 104 #/cm³
Wie bereits beschrieben liegen alle CPCs in der vom Hersteller angegebenen
Schwankungsbreite. Bei einer Partikelanzahlkonzentration von 10.000 Partikel/cm³ ist die
Schwankungsbreite der beiden CPC 3772 und des EECPC 3790 sogar deutlich geringer als die
vom Hersteller angegebenen Werte.
56
Partikel
Der Portvergleich wurde unter denselben Bedingungen wie die beiden vorherigen Vergleiche
durchgeführt. Zu erwarten ist, für eine Partikelgröße von 55 nm, dass alle vier CPC bei der
Zähleffizienz in derselben Größenordnung innerhalb ihrer Schwankungsbreite liegen. Die
folgende Abbildung 36 und Abbildung 37 stellen die Ergebnisse des Portvergleich bei 2000
und 10.000 Partikel/cm³ dar.
2200
2100
3776 fix Port
1a
2000
3772 fix Port
1b
1900
3772 var Port
2a - 5b
3790 var Port
2a - 5b
1800
1700
1600
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Port 1a - 5b
In diesen beiden Abbildungen wird deutlich, dass die Vollstrom-Geräte gegenüber den
Teilstrom-Geräten im Vorteil sind. Bei der geringen Partikelanzahlkonzentration von 2000
Partikel/cm³ liegen sowohl der EECPC 3790 als auch der UCPC 3776 sehr nahe beieinander.
Bei 55 nm sollte der EECPC bereits eine Zähleffizienz von 100 Prozent erreicht haben. Wenn
man sich nun die hohe Partikelanzahlkonzentration von 10.000 Partikel/cm³ in der folgenden
Abbildung 37 anschaut, ist zu erkennen, dass der EECPC dieses Mal oberhalb des UCPCs liegt.
57
11000
10800
10600
10400
10200
3776 fix Port
1a
10000
3772 fix Port
1b
9800
3772 var Port
2a - 5b
9600
3790 var Port
2a - 5b
9400
9200
9000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Port 1a - 5b
Die tabellarische Gegenüberstellung der CPCs in der folgenden Tabelle 11 zeigt sehr deutlich,
dass die Unterschiede zwischen den CPCs deutlich geringer sind als bei den vorher
beschriebenen Messpunkten.
Model
Schwankungsbreite,
Herstellerangabe
± 10% bei 3*105 #/cm³
Schwankungsbreite,
eigene Charakterisierung
± 16,6% bei 2000 #/cm³
± 9,8% bei 10000 #/cm³
erwartete
Effizienz
100 %
gemessene
Effizienz
100%
3772 fix
Referenz
3772 var
± 10% bei 104 #/cm³
±
100 %
100 %
±
100 %
95 %
3790 var
± 10% bei 104 #/cm³
± 7,4% bei 2000 #/cm³
7,6% bei 10000 #/cm³
± 5,1% bei 2000 #/cm³
7,1% bei 10000 #/cm³
± 6,5% bei 2000 #/cm³
7,6% bei 10000 #/cm³
±
100 %
92 %
3776 fix
Teilstrom
± 10% bei 104 #/cm³
Einzig der UCPC 3776 fällt hier umso deutlicher mit der großen Schwankungsbreite auf. Auch
hier lässt sich dies im Vergleich zu den Vollstromgeräten auf den Volumensplit zurückführen.
Des Weiteren wird liegt der UCPC bei 10.000 Partikel/cm³ im Schwankungsbereich, ist damit
58
jedoch schon deutlich besser als die Herstellerangabe. Alle drei Vollstromgeräte liegen
innerhalb der Toleranz.
4.5 Abgleich der EECPC-Zähleffizienzen gegenüber
internationalen Vergleichsdaten
In diesem Abschnitt sollen abschließend, mittels EECPC erzielte Messergebnisse von
unterschiedlichen Messaufbauten gegenübergestellt werden. Die in der folgenden Tabelle 12
dargestellten Ergebnisse wurden in verschiedenen Instituten in den USA, Italien und
Deutschland erzielt. Die Tabelle 12 stellt die mit unterschiedlichen Rußaerosolen erreichten
Zähleffizienzen der PMP-konformen EECPC gegenüber.
Tabelle 12: Gegenüberstellung erreichter Zähleffizienzen PMP konformer Punkte für den CPC 3790
Aerosol
Betriebspunkt
Institut / Ort
erwartet
Zähleffizienz
gemessene
Zähleffizienz
Funkenruß
23 nm / 41 nm
UNECE [38] 50 % / 90 %
(USA)
33% / 74 %
CAST-Ruß
23 nm / 41 nm
JRC
[37] 50 % / 90 %
(Italien)
31 – 40 % / 75 – 80 %
CAST-Ruß
23 nm / 41 nm
PTB
50 % / 90 %
(Deutschland)
38 % / 85 %
Aus der Tabelle ist zu erkennen, dass auch in anderen Instituten bezüglich der Zähleffizienz
ähnlich Ergebnisse erzielt wurden.
Im direkten Vergleich fällt der Unterschied in der Zähleffizienz zwischen Funkruß und CASTAerosol auf. Der Unterschied zwischen den Ergebnissen der in den USA durchgeführten
Messungen liegt in den Unterschieden im Setup der Messstände. So werden dort ein FunkenrußGenerator und ein kommerzielles DMA mit positiv gerichteter Hochspannung eingesetzt. Ein
weiterer Unterschied ist die Affinität der unterschiedlich generierten Partikel für Butanol. Diese
Affinität ist für das Aufwachsen der Partikel im Kondensationsbereich des CPC und der
anschließenden Detektion entscheidend.
Aus den Ergebnissen des JRC (Italien) ist auch zu erkennen, dass diese Affinität sich selbst mit
den Betriebspunkten des CAST-Generators ändern kann. Dies beruht auf der unterschiedlichen
Partikelmorphologie der generierten Partikel. Diese ändert sich mit den Betriebspunkten, so ist
es möglich mit unterschiedlichen Betriebspunkten ähnlich große Partikel zu generieren. Da das
59
JRC ebenfalls mit einem CAST als Partikelquelle arbeitet, wären ähnliche Messergebnisse zu
erwarten gewesen. Aufgrund zweier Unterschiede in den Messaufbauten kommt es zu diesen
Messergebnissen. Wesentlicher Unterschied zwischen den beiden Messaufbauten ist die in der
PTB eingesetzte Aerosolkonditionierung, mit der eine höhere Stabilität erreicht wird und mehr
volatile Bestandteile aus dem CAST-Aerosol entfernt werden können, bevor es vermessen wird.
Der 41 nm Betriebspunkt belegt dies mit der bis zu 10 Prozent vermessenen, höheren
Zähleffizienz. Des Weiteren wird am JRC ein Catalytic Stripper (CS) bei 300°C eingesetzt,
hierdurch wird die Partikelmorphologie ebenfalls verändert und trägt zu den unterschiedlichen
Messergebnissen bei.
5. Zusammenfassung und Ausblick
60
Im Verlauf der Masterarbeit wurde eine vollständige Charakterisierung des
Partikelanzahlnormals für Rußpartikel der PTB erreicht, bei der verschiedene Messgeräte, wie
bauartverschiedene CPCs und ein Aerosol-Elektrometer zum Einsatz kamen. Es gelang eine
Aerosolkonditionierung zu entwickeln und am Messaufbau zu implementieren, so dass
Partikelanzahlkonzentrationen von bis zu maximal 109 Partikel/cm³ in einem Größenbereich
von 5 – 105 nm mit einer Abweichung der Partikelgröße ± 1 Prozent generiert werden können.
Dies geschah in mehreren Stufen, jede Ausbaustufe wurde einzeln überprüft, bewertet und bis
zur letzten Ausbaustufe bezüglich der PAGV optimiert. Eine große Schwierigkeit war, die
Einflüsse der Propanrußbildung und die Vermischung und Verdünnung des Aerosols mit
gereinigter Druckluft unter definierten Bedingungen zu verwirklichen. Dies gelang mit der
letzten Ausbaustufe der Aerosolkonditionierung. Sowohl die Homogenisierung des Aerosols
als auch die Sicherstellung der Kontrolle von Verschmutzungseffekten innerhalb der
Konditionierungseinheit konnten gewährleistet werden.
Weiterhin konnte eine genauere Charakterisierung des Rußaerosolgenerators, als die des
Herstellers, erreicht werden. So konnte das Limit von 20 nm des Generators bis auf 5 nm hin
erweitert werden. Des Weiteren konnte der Rohgasoutput um 12 Prozent genauer bestimmt und
ebenso der Konzentrationsbereich um den Faktor 1000 erweitert werden. Aufgrund der
erfolgreichen Charakterisierung konnten sowohl die Aerosolkonditionierungseinheit als auch
der Aerosolgenerator während eines internationalen Vergleichsworkshops in Leipzig im
Oktober 2013 als Referenz für Verbrennungsaerosole eingesetzt werden.
Im Hinblick auf Stabilität und Variabilität konnte nachgewiesen werden, dass der entwickelte
Messaufbau für die Kalibrierung von EECPCs eingesetzt werden kann. Dieser erfüllt alle
Kriterien der PMP-Richtlinie und wird darüber hinaus auch höheren Qualitätsansprüchen, wie
einer rückgeführten Messung der Partikelanzahl, gerecht. Der Messaufbau verfügt sowohl über
einen Referenz-CPC (Vollstromgerät mit einem D p 50 bei 10 nm) als auch über ein ReferenzAerosolelektrometer, welches auf die Stromstärke rückgeführt wird. Mittels des kalibrierten
UDMA ist es möglich, dass gut charakterisierte Rußaerosol zu selektieren und über den
Messgasverteiler monodispers in den benötigten Konzentrationsverhältnissen von 2000, 4000,
6000, 8000 und 10.000 Partikel/cm³ den Messinstrumenten zu zuführen. Der genannte
Konzentrationsbereich entspricht den PMP-Anforderungen, darüber hinaus ist es mit dem
Messaufbau möglich monodisperses, PMP konformes Rußaerosol in einem Konzentrationsbereich von 500 – 60.000 Partikel/cm³ bereitzustellen.
Der Konzentrationsbereich wurde mit unterschiedlichen Kondensationspartikelzählern
(Teilstromgerät vs. Volumenstromgerät) überprüft und die Messergebnisse verglichen.
Hierdurch konnte die Stabilität des Messaufbaus ein weiteres Mal überprüft werden.
Gleichzeitig
konnte
auch
die
notwendige
Variabilität
hinsichtlich
der
Partikelanzahlkonzentration
nachgewiesen
werden.
Die
Herstellerangaben
zur
61
Schwankungsbreite von 10 Prozent bei den Vollstrom CPCs konnten in allen Messreihen um
mindestens 2,5 Prozent, im Optimalfall um 7,5 Prozent unterschritten werden.
Im Anschluss an diese Masterarbeit soll in den nächsten Monaten die Charakterisierung des
Messaufbaus mit implementierter, thermischer Konditionierung des generierten Aerosols
abgeschlossen werden. Für die zu kalibrierenden EECPCs ist dies notwendig, da es sich um
Partikelzähler handelt, welche Abgase von Dieselfahrzeugen vermessen sollen. Für die PMPkonformen Messungen wird verlangt (siehe ISO/DIS 27891 [39]), dass die Dieselrußaerosole
thermisch nachbehandelt werden müssen. Im Fall vom Dieselruß, müssen organische, flüchtige
bzw. ölige sekundäre Bestandteile im Abgasstrang entfernt werden, um allein die partikulären
Bestandteile der Motorenemissionen untersuchen zu können. Aus diesem Grund muss auch das
Labor- und Referenzaerosol thermisch nachbehandelt werden. Einerseits muss die
Vergleichbarkeit wieder hergestellt und andererseits festgestellt werden, welche
Partikelverluste durch die thermische Nachbehandlung auftreten. Dabei müssen auch
Änderungen in der Morphologie und des Kondensationsverhalten der Rußpartikel (Stichpunkt
Arbeitsmittel Butanol im CPC) untersucht werden.
Des Weiteren werden intensivere Messungen mit dem Aerosol-Elektrometer durchgeführt
werden, um eine noch höhere Genauigkeit des Referenzinstruments für die Partikelzählung zu
erzielen. Aufgrund der Anfälligkeit für Schwingungen wird das Aerosol-Elektrometer vom
Laboraufbau schwingungstechnisch entkoppelt werden. Hierfür wird eine schwingungsfreie
Unterlage für das Aerosolelektrometer entwickelt. Angestrebt ist eine Messunsicherheit von ±2
Prozent für die Partikelzählung im PMP konformen Bereich von 2000 bis 10.000 Partikel/cm³.
Ein weiterer Aspekt für die Zukunft ist die Umstellung von Nadelventilen auf
Massflowcontroller (MFC) sowohl für die Aerosolkonditionierung (siehe Kapitel 4.1) als auch
für die Verdünnungsluft am Messgasverteiler (siehe Kapitel 4.4). Durch die online Kontrolle
und Adjustierung der MFC kann ein weiterer Unsicherheitsfaktor durch die Verdünnung
ausgeschlossen werden, da durch eine Kalibrierung der Massenflüsse eine höhere Genauigkeit
der Verdünnung erreicht wird.
Literaturverzeichnis
Literatur
62
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Verordnung (EG) Nr. 692/2008 der Kommission hinsichtlich der Emissionen von
leichten Personenkraftwagen und Nutzfahrzeugen (Euro 6)Text von Bedeutung für den
EWR - LexUriServ.do, http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2012:142:0016:0024:de:PDF.
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Charakterisierung eines Partikelanzahlnormals für Rußpartikel

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