DE10061976A1 - Anordnung und Verfahren zur quantitativen und qualitativen Analyse von Partikeln in Gasen - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine Anordnung zur quantitativen und qualitativen Analyse von Partikeln in Gasen, insbesondere von Partikeln im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, umfassend ein Schwingsystem mit zumindest einem Schwingsensor (2), vorzugsweise einem piezoelektrischen Resonator, der mit zumindest einer aktiven Auffangfläche (5) für die zu analysierenden Partikel versehen ist, eine Schaltung (3, 4) zur Ermittlung charakteristischer Schwingungsparameter sowie Leit- und Transporteinrichtungen für das zu analysierende Gas. Um einen möglichst großen Messbereich mit linearer Kennlinie und damit großer Empfindlichkeit und Dynamik bezüglich der Massenbeladung im gesamten Messbereich zu erhalten, sind ein relativ zur Masskammer ortsfester Schwingsensor (2) und zumindest eine aktive Ablenkvorrichtung für das Gas bzw. die darin enthaltenen Partikel vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur quantitativen und qualitativen Analy­ se von Partikeln in Gasen, insbesondere von Partikeln im Abgas von Verbrennungs­ kraftmaschinen, umfassend ein Schwingsystem mit zumindest einem Schwingsen­ sor, vorzugsweise einem piezoelektrischen Resonator, der mit zumindest einer akti­ ven Auffangfläche für die zu analysierenden Partikel versehen ist, welche durch zu­ mindest eine Austrittsöffnung in die den Schwingsensor enthaltende Messkammer eintreten, eine Schaltung zur Ermittlung charakteristischer Schwingungsparameter sowie Leit- und Transporteinrichtungen für das zu analysierende Gas, sowie ein Ver­ fahren zur quantitativen und qualitativen Analyse von Partikeln in Gasen, insbeson­ dere von Partikeln im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, wobei die Partikel durch zumindest eine Austrittsöffnung auf zumindest eine aktiven Auffangfläche zu­ mindest eines ortsfesten Schwingsensors, vorzugsweise eines piezoelektrischen Resonators, eines Schwingsystems abgeschieden werden und die Veränderung charakteristischer Schwingungsparameter durch die Partikelabscheidung ermittelt wird.

Die Messung von Partikelemissionen, welche beim Verbrennungsprozess von organischen Substanzen entstehen, ist schon seit vielen Jahren von großem Inter­ esse. Der Einfluss von Partikeln, welche sich in der Atemluft befinden, auf die menschliche Gesundheit steht zur Zeit im Mittelpunkt vieler wissenschaftlicher Un­ tersuchungen. Da die Partikel als Maß für einen unvollständigen Verbrennungspro­ zess aufgefasst werden können, ist es nur durch eine kontinuierliche Optimierung des Verbrennungsprozesses möglich den Wirkungsgrad zu erhöhen und damit die Partikelemission zu verringern. Daraus ergeben sich hohe Anforderungen an das Partikelmesssystem bezüglich Auflösung, Messbereich und Dynamik. Mit Schwing­ sensoren, wie beispielsweise mit piezoelektrischen Resonatoren, ist es möglich, die auf der Sensoroberfläche aufgebrachte Fremdmasse direkt über die dadurch auftre­ tende Frequenzänderung zu ermitteln. Um die Partikelmasse und/oder die Konzen­ tration von Partikeln messen zu können, wird mit Hilfe einer Sonde ein bestimmtes Luftvolumen durch einen Partikelabscheider gesaugt. Dieser kann einstufig ausge­ führt sein, so dass möglichst alle Partikel im Luftstrom auf einem Resonator abge­ schieden werden, oder mehrstufig, wobei hier vorteilhafterweise Partikel in definierten Größenklassen auf mehreren Resonatoren abgeschieden werden, womit nicht nur die Masse bestimmbar ist, sondern auch eine Klassifikation nach der Partikel­ größe möglich ist. Die Abscheidung kann beispielsweise durch elektrostatische Ver­ fahren, d. h. Beschleunigung der Partikel im elektrischen Feld auf den Schwingkristall hin, erfolgen, wie es etwa in der US-A-5,892,141 beschrieben ist.

Die Abscheidecharakteristik auf der Resonatorauffangfläche ist bei den durch eine Öffnung wie etwa eine Düse od. dgl., ein Beispiel dafür findet sich etwa in der US-A-3,561,253, unmittelbar über der Resonatoroberfläche zugeführten Gasproben neben dem Durchfluss durch die Partikelgröße, die Geometrie der Öffnung und de­ ren Abstand von der Oberfläche des Resonators gegeben. Selbst bei mehreren Öff­ nungen pro Resonatoroberfläche, wie dies in der US-A-4,446,720 geoffenbart ist, geht nach anfänglich linearer Abnahme der Frequenz mit steigender Partikelbela­ dung des Resonators die Frequenzänderung nach etwa 100 Hz in einen exponenti­ ellen Verlauf über.

Im Artikel "Applications of piezoelectric quartz crystal microbalances" in "Me­ thods and Phenomena, their applications in science and technology", Vol. 7, Elsevier 1984, ist eine Anordnung beschrieben, bei welcher der Schwingkristall mittels eines Motors horizontal unter einer Abscheidedüse bewegt wird, um eine gleichmäßigere Partikelverteilung zu erzielen. Bei einer derartigen Anordnung bedarf es eines länge­ ren Zeitraumes von mehreren Sekunden, bis einige Lagen von Partikeln abgeschie­ den sind, oder der Schwingkristall muss sehr schnell hin und her bewegt werden, wofür die Anordnung sehr stabil und massiv - und damit auch entsprechend auf­ wendig und schlecht für den mobilen Einsatz geeignet - aufgebaut sein muss.

Auch weiteren Dokumenten zum Stand der Technik, so etwa der US 5,056,355, sind keinerlei Ablenkeinrichtung für den Gasstrom zu entnehmen, mit welchem eine Lenkung des Gas- und damit auch Partikelstromes zu bewerkstelligen wäre.

Auch bei Gasdetektor der DE 31 06 385 ist keine Einrichtung vorhanden, wel­ che eine derartige Steuerung des Auftreffbereiches der Partikel über die Auffangflä­ che des Schwingsensors möglich macht. Vielmehr handelt sich hier um eine passive Ablenkeinrichtung, die zwar den Gasstrom ablenkt, damit er überhaupt zum Schwingsensor gelangt, die aber dann keinerlei weitere Beeinflussung bzw. Steue­ rung des Gasstroms zulässt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine Anordnung und ein Verfahren zur Analyse von Partikeln in Gasen, welche unter Vermeidung der Nach­ teile des Standes der Technik mit einem sehr einfachen und leichten Aufbau einen möglichst großen Messbereich mit linearer Kennlinie und damit großer Emp­ findlichkeit und Dynamik bezüglich der Massenbeladung im gesamten Messbereich bietet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs beschriebene Anordnung erfin­ dungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass ein relativ zur Messkammer ortsfester Schwingsensor und zumindest eine aktive Leit- und Lenkvorrichtung für das Gas bzw. die darin enthaltenen Partikel vorgesehen sind. Damit kann trotz einfachen und leichtem Aufbau eine gleichmäßige Verteilung der abgeschiedenen Partikel über die aktive Auffangfläche des Schwingsensors und damit der gewünschte große Messbe­ reich mit linearer Kennlinie und großer Empfindlichkeit und Dynamik erzielt werden. Durch die Bewegung des Auftreffbereiches der Partikel über die aktive Auffangfläche des Schwingsensors kann der lineare Bereich der Frequenzänderung durch Parti­ kelbeladung bedeutend erweitert werden, da die Sättigung einzelner Bereiche ver­ mieden bzw. zumindest viel länger hinausgezögert werden kann wie bei herkömmli­ chen Systemen.

Eine erste, baulich sehr einfache und verlässliche Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass als aktive Leit- und Lenkvorrichtung eine Blende mit zumindest einer Blendenöffnung vorgesehen ist, deren durchströmbare Querschnittsfläche klein gegenüber der aktiven Auffangfläche des Schwingsensors ist, in Kombination mit einer Einrichtung zur Bewegung der Blende relativ zu aktiver Auffangfläche des Schwingsensors vorhanden ist, wobei die Bewegung im wesentlichen parallel zur aktiven Auffangfläche des Schwingsensors verläuft.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Einrichtung zur Bewe­ gung der Blende vorgesehen, die zumindest eine Blendenöffnung auf einer ge­ schlossenen Bahn bewegt. Damit kann bei möglichst geringer Baugröße eine sehr gleichmäßige Abscheidung über einen großen Flächenbereich der aktiven Schwing­ sensoroberfläche erzielt werden.

Um eine dabei sehr einfach aufgebaute Anordnung zu erhalten, welche auch auf die typischerweise kreisförmigen aktiven Auffangflächen der Schwingsensoren abgestimmt ist, ist eine Einrichtung zur Bewegung der Blende vorgesehen, die zu­ mindest eine der Blendenöffnungen auf einer im wesentlichen kreisförmigen Bahn bewegt, wobei die Achse der Kreisbewegung im wesentlichen normal auf die aktive Auffangfläche orientiert ist.

Insgesamt ist dabei vorgesehen, dass der Schwingsensor und/oder dessen aktive Auffangfläche vorteilhafterweise rotationssymmetrisch um die Achse der Kreisbewegung ausgebildet ist, wodurch eine optimale Ausnutzung der Auffangflä­ che erreicht wird.

Wenn gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung eine Einrichtung zur Bewegung der Blende vorgesehen ist, die zumindest eine Blendenöffnung auf einer Bahn bewegt, die durch Überlagerung von zumindest zwei Drehbewegungen mit im wesentlichen parallelen Drehachsen entsteht, welche Drehachsen im wesentlichen normal auf die aktive Auffangfläche orientiert sind, kann eine noch bessere und auch gleichmäßigere Flächendeckung für die Abscheidung der Partikel auf der aktiven Auffangfläche des Schwingsensors, und das in relativ kurzer Zeit, erreicht werden.

Gemäß einem weitere Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Ein­ richtung zur Bewegung der Blende relativ zum Schwingsensor mit wechselnder Ge­ schwindigkeit, allenfalls mit wechselnder Winkelgeschwindigkeit, vorgesehen ist.

Für Vorrichtungen mit elektrostatischer Abscheidung kann die ohnedies vor­ handene Koronanadel erfindungsgemäß mit Einrichtungen zu deren Bewegung rela­ tiv zum Schwingsensor gekoppelt werden, so dass sich aufgrund dieser Bewegun­ gen das elektrische Feld laufend verändert und derart die gewünschte Veränderung des Auftreffbereiches der Partikel auf dem Schwingsensor bewirkt. Bei dieser Aus­ führungsform werden zusätzliche Bauteile zur Ablenkung des Gasstrahls oder der Partikel so weit als möglich vermieden, wodurch eine leichte Anordnung entsteht, bei der auch die Fehleranfälligkeit und der Wartungsaufwand wieder verringert sind.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Anordnung aber auch dadurch gekennzeichnet sein, dass als aktive Leit- und Lenkvorrichtung zumindest eine Einrichtung zur Erzeugung eines veränderlichen elektrischen, ma­ gnetischen oder elektromagnetischen Feldes zwischen Austrittsöffnung und Schwingsensor sowie eine Einrichtung zur elektrischen Aufladung der Partikel im Gas vorgesehen ist. Um auch für normalerweise neutrale Partikel eine definierte bzw. überhaupt eine Ablenkung der Partikel zu erhalten, sollten die Partikel vor der Austrittsöffnung elektrisch geladen werden. Diese Aufladung kann mono- bzw. bipo­ lar durch eine Korona-Entladung bzw. eine radioaktive Quelle erfolgen. Bei dieser Ausführungsform können bewegliche Teile weitestgehend vermieden und damit das Gewicht des Gerätes, die Störungsanfälligkeit und der Wartungsaufwand bedeutend verringert werden. Weiters kann in einfacher Weise und ohne aufwendige mechani­ sche Eingriffe die Bahn des Partikelstrahles abgeändert oder angepasst werden.

Gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist als aktive Leit und Lenkvorrichtung zumindest eine Austrittsöffnung für einen zusätzlichen Gasstrahl vorzugsweise seitlich der Eintrittsöffnung für die Partikel vorgesehen, wobei die Ach­ sen beider Austrittsöffnungen vorzugsweise einen Winkel ungleich Null miteinander einschließen, oder es kann auch eine aktive Leit- und Lenkvorrichtung zur Erzeu­ gung einer wechselnden Strömungsgeschwindigkeit und/oder -richtung vorgesehen sein. Eine weitere Ausführungsform stellt eine Anordnung dar, bei der Einrichtungen zur Erzeugung von wechselnden Gas- bzw. Partikel-Geschwindigkeiten in der Ein­ trittsöffnung vorgesehen sind.

Das eingangs beschriebene Verfahren zur Partikelanalyse in Gasen ist erfin­ dungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass über den Zeitraum der Messung der Partikelstrahl aktiv über einen immer wechselnden Bereich der aktiven Auffangfläche des Schwingsensors bewegt wird. Damit wird eine lokale Sättigung der aktiven Auf­ fangfläche des Schwingsensors vermieden, die Partikel werden gleichmäßiger auf der aktiven Auffangfläche verteilt und daraus resultiert eine wesentliche Vergröße­ rung des linearen Anteils des Messbereiches mit höherer Empfindlichkeit und Dyna­ mik bezüglich der Massenbeladung über den gesamten Messbereich.

Vorteilhafterweise ist dabei gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass der Partikelstrahl entlang einer geschlossenen Kurve geführt wird, wodurch eine sehr gleichmäßige Abscheidung über einen großen Flächenbereich der aktiven Auffangfläche des Schwingsensors bei möglichst geringer Baugröße kann erzielt werden, wenn gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung über den Zeitraum der Messung ein immer wechselnder Bereich der aktiven Auffangfläche des Schwingsensors von der Abschirmung ausgenommen wird, welcher Bereich ei­ ne geschlossenen Kurve definiert.

Eine dabei besonders einfache Variante, welche auch auf die typische Form der aktiven Auffangflächen der Schwingsensoren Rücksicht nimmt, ist dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Partikelstrahl entlang einer Kreisbahn geführt wird.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Partikelstrahl entlang einer Kurve geführt, die durch Überlagerung von zu­ mindest zwei Drehbewegungen mit Drehachsen normal auf die aktive Auffangfläche entsteht. Mit dieser Ausgestaltung kann eine noch bessere und auch gleichmäßigere Flächendeckung für die Abscheidung der Partikel auf der aktiven Auffangfläche des Schwingsensors, und das in relativ kurzer Zeit, erreicht werden.

Vorteilhafterweise ist bei allen diesen Varianten vorgesehen, dass der Parti­ kelstrahl mit wechselnder Geschwindigkeit, allenfalls mit wechselnder Winkelge­ schwindigkeit, geführt wird.

Bei einer Variante mit elektrostatischer Abscheidung kann das zur Ionisierung der Partikel verwendete elektrische Feld fortgesetzt verändert werden, so dass damit eine Veränderung des Auftreffbereiches des Partikelstrahles auf der aktiven Auffang­ fläche des Schwingsensors erfolgt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zusätzlich oder alternativ zu den oben beschriebenen Merkmalen vorgesehen, dass der Partikelstrahl durch wechselnde elektrische, magnetische oder elektroma­ gnetische Felder abgelenkt und über die aktive Auffangfläche des Schwingsensors geführt wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass ein Gasstrahl wechselnder Strömungsgeschwindigkeit und/oder Richtung auf den Partikelstrahl gerichtet und dieser damit abgelenkt wird.

In der nachfolgenden Beschreibung sollen einige bevorzugte Ausführungsbei­ spiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt die Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung in Seitenansicht, Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Blende für eine erfin­ dungsgemäße Anordnung in der Draufsicht, Fig. 3a zeigt das Abscheidungsmuster der Blende von Fig. 2 bei stationärer Anwendung und Fig. 3b bei Drehung der Blen­ de von Fig. 2 um ihre zentrale Achse, Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Blendenanordnung mit Überlagerung zweier Drehbewegungen, Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Blende, Fig. 6 ist ein Zeit-Frequenz-Diagramm mit Vergleich herkömmlicher Anordnungen mit der erfindungsgemäßen Anordnung, Fig. 7 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung mit elektrischer Ablenkung, Fig. 8 eine Anordnung mit magnetischer Ab­ lenkung und Fig. 9 ist eine Darstellung einer Anordnung mit elektrischer und magne­ tischer Ablenkung.

Über herkömmliche und nicht dargestellte Probennahme-Vorrichtungen, ent­ haltend übliche Leit- und Transporteinrichtungen, Ansaugpumpen und dgl. für das mit den zu analysierenden Partikeln 1 beladene Gas, wird dieses Gas in eine Kam­ mer gebracht, in dem sich ein Schwingsystem befindet, in welchem es durch die Massenbeladung einer sensitiven Auffangfläche eines Schwingsensors 2 mit dem zu analysierenden Partikeln aus dem Gas zu einer Veränderung der akustischen Para­ meter des Schwingsensors 2 kommt. Dabei kann sowohl die gepulste als auch konti­ nuierliche Schwingungsanregung verwendet werden. Diese Parameter umfassen beispielsweise die Dicke, die Oberflächenmassendichte, die mechanische Impedanz an der Oberfläche oder die Schallgeschwindigkeit im Bereich der Oberfläche, wobei je nach Art des Schwingsystems, d. h. Volums- oder Oberflächenschwingsysteme, Änderungen der Resonanzfrequenz bzw. der zugehörigen Periodendauer, der Lauf­ zeit eines Schallpulses od. dgl. resultieren. Diese Änderungen werden am elektro­ akustischen Wandler des Schwingsystems detektiert und dann in an sich bekannter Weise zur Bestimmung der Massenbeladung herangezogen. Eines der typi­ scherweise verwendeten Schwingsysteme enthält einen piezoelektrischen Resona­ tor mit einem piezoelektrischen Schwingsensor 2. Der piezoelektrische Resonator ist noch u. a. mit einem Oszillatorkreis 3 und einer Schaltungsanordnung 4 zur Steue­ rung des Oszillatorkreises 3 sowie zur Messdatenerfassung, -speicherung und - anzeige versehen.

Auf dem piezoelektrischen Schwingsensor 2 sind eine Auffangelektrode 5 als aktive Auffangfläche für die zu analysierenden Partikel 1 und auf der der Auffang­ elektrode 5 gegenüberliegenden Seite des Resonators 2 eine Gegenelektrode 6 auf­ gebracht. Die Auffangelektrode 5 ist vorzugsweise als offenporige Struktur mit Poren ausgeführt, in welchen Poren sich die Partikel 1 verhaken, die durch elektro­ statisches Ausfällen oder durch Impaktion auf dem piezoelektrischen Resonator 2 gesammelt werden, wobei vorteilhafterweise die Größe der Poren der Auffangelek­ trode 5 an die zu erwartende Größe der zu messenden Partikeln angepasst ist.

Selbstverständlich muss die Auffangelektrode 5, und das gilt auch für die Ge­ genelektrode 6, nicht unmittelbar auf dem aktiven Abschnitt des piezoelektrischen Schwingsensors 2 vorgesehen sein, sondern könnte auch auf einer nicht piezoelek­ trisch aktiven Verlängerung aufgebracht sein, vorzugsweise und bei optimaler Aus­ wirkung auf die Veränderung der Resonanzfrequenz auf der der Einspannung gege­ nüberliegenden Seite.

Der beschriebene piezoelektrische Resonator kann auf Basis von Volums (BAW-Bulk Acoustic Waves)- oder Oberflächenschwingsystemen (SAW-Surface Acoustic Waves) aufgebaut sein, wobei es durch die Massenbeladung des piezo­ elektrischen Schwingsensors 2 mit den zu analysierenden Partikeln zu einer Verän­ derung der Resonanzfrequenz bzw. der zugehörigen Periodendauer kommt. Für an­ dere Schwingsysteme, bei welchen die je nach Massenbeladung veränderte Laufzeit eines Schallpulses gemessen wird, sind in erster Linie Oberflächenschwingsysteme (SAW) von Bedeutung.

In geringem Abstand oberhalb der aktiven Auffangfläche 5 des Schwingsen­ sors 2 ist zumindest eine Blende 8 als Ablenkvorrichtung angebracht, deren zumin­ dest eine Blendenöffnung 9 als Austrittsöffnung für die Partikel 1 eine Querschnittsfläche aufweist, die geringer ist als die Fläche der aktiven Auffangfläche 5. Vor­ zugsweise ist die Querschnittsfläche der oder jeder Blendenöffnung 9 sehr klein ge­ genüber der aktiven Auffangfläche 5. In jedem Fall wird aufgrund der Blendenöff­ nung 9 der Auftreffbereich der Partikel 1, die sich in Richtung des Pfeiles A auf den Schwingsensor 2 hin bewegen, auf der aktiven Auffangfläche 5 eng begrenzt. Die oder jede Blende 8 bzw. deren Austrittsöffnung 9 ist gegenüber dem ortsfesten Schwingsensor 2 relativ bewegbar und damit wird im Lauf der Abscheidung der Par­ tikel 1 zumindest eine Blendenöffnung 9 über die aktive Auffangfläche 5 des Schwingsensors 2 im wesentlichen parallel zu dieser hinweggeführt, so dass sich der von der Blendenöffnung 9 nicht abgeschirmte Auftreffbereich für die Partikel 1 entsprechend über die aktive Auffangfläche 5 verschiebt und damit der Partikelstrahl über die aktive Auffangfläche 5 des Schwingsensors 2 geführt wird.

Vorteilhafterweise ist, wie in Fig. 2 zu sehen ist, oberhalb der aktiven Auffang­ fläche 5 des Schwingsensors 2 (in Fig. 2 nicht dargestellt) eine Blende 8 mit mehre­ ren Blendenöffnungen 9 vorgesehen, welche Blende 8 sich in diesem Fall vorzugs­ weise um ihre zentrale Achse - im Bereich der zentralen Blendenöffnung 9a - dreht und derart die äußeren Blendenöffnungen 9 und damit die aus diesen Blendenöff­ nungen 9 austretenden Partikelstrahlen - im Laufe der Partikelabscheidung über unterschiedliche Bereiche der aktiven Auffangfläche 5 führt. Die zentrale Drehachse der Blende 8' steht im wesentlichen senkrecht auf die aktive Auffangfläche 5 des Schwingsensors 2. Die Fig. 3a und 3b zeigen die mit der Blende der Fig. 2 erzielba­ ren Abscheidemuster auf der aktiven Auffangfläche 5, wobei die Fig. 3a das Ab­ scheidemuster bei feststehender Blende zeigt, wie es auch bei herkömmlichen Vor­ richtungen mit mehreren Düsen zur Gaszufuhr bestenfalls erzielt werden kann. Auf­ grund der großflächigeren Abscheidung mittels der erfindungsgemäßen bewegbaren Blende, wie beispielhaft in Fig. 3b gezeigt, kann aufgrund der deutlichen Verzöge­ rung von Sättigungseffekten eine Vergrößerung des linearen Bereiches der Fre­ quenzänderung des Schwingsensors und eine größere Empfindlichkeit und Dynamik über diese vergrößerten Bereich erreicht werden.

Selbstverständlich sind nicht nur kreisförmige Bewegungen bzw. allgemein Bewegungen der Blende 8 entlang geschlossener Bahnen denkbar. So sind beispielsweise auch Bewegungen von zumindest einer Blendenöffnung 9 möglich, wel­ che durch Überlagerung von zumindest zwei Bewegungen, vorzugsweise Drehbe­ wegungen, entstehen. Ein Beispiel für eine derartige Überlagerung von zwei Dreh­ bewegungen ist im Zusammenhang mit der Fig. 4 erläutert. Die Blende 8 mit hier beispielsweise nur einer einzigen Blendenöffnung 9 rotiert oberhalb der aktiven Auf­ fangfläche 5 um die im wesentlichen senkrecht auf die aktive Auffangfläche 5 orien­ tierte zentrale Drehachse Z. Der Mittelpunkt M der Blende 8 bewegt sich dabei ent­ lang der Kreisbahn B. Da nun die Blende 8 selbst wieder um eine im wesentlichen zur Achse Z parallele und durch ihren Mittelpunkt M gehende Achse in umgekehrtem Drehsinn - symbolisiert durch den Pfeil D - rotiert, ergibt sich bei entsprechender Abstimmung der Winkelgeschwindigkeiten eine Pendelbewegung entlang der Linie P der Blendenöffnung 9 über der aktiven Auffangfläche 5 des Schwingsensors 2. Für andere Verhältnisse von Winkelgeschwindigkeiten oder gleichem Drehsinn beider Bewegungen ergibt sich hingegen eine rosettenartide Bewegung der Blendenöff­ nung 9 relativ zum Schwingsensor 2, wodurch die Partikel mehr flächendeckend ab­ geschieden werden.

Eine andere Ausführungsform einer Blende 8 für eine erfindungsgemäße An­ ordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Hier ist die Blende 8 wesentlich größer als die aktive Auffangfläche 5 des Schwingsensors 2, wobei natürlich auch mehrere Schwingsen­ soren 2 und/oder aktive Auffangflächenbereiche 5 im hier kreisförmigen Bewe­ gungsbereich der Blendenöffnungen 9a vorgesehen sein könnten. Die einzelnen Blendenöffnungen 9a liegen in Form von radial vom Mittelpunkt der Blende 8 - durch welchen auch die wieder im wesentlichen senkrecht auf die oder jede aktive Auffang­ fläche 5 orientierte Drehachse verläuft - ausgehenden Längsschlitzen vor. Durch entsprechende Leiteinrichtungen wird bewirkt, dass immer nur jener Bereich der Blende 8 vom Partikelstrahl durchströmt wird, der oberhalb eines aktiven Auffangflä­ chenbereiches 5 liegt. Aufgrund der schlitzförmigen Blendenöffnungen 9a und deren Führung im Kreisbogen über die aktive Auffangfläche 5 aufgrund der beschriebenen Geometrie, werden die Partikel 1 auf der aktiven Auffangfläche 5 in Streifen mit einer Breite abgeschieden, welche der Länge der schlitzförmigen Blendenöffnungen 9a entspricht, und in einer Anzahl von Schichten, welche der Anzahl von Schlitzdurch­ läufen während der Messdauer entspricht.

Das Zeit-Frequenz-Diagramm der Fig. 6 erläutert die Vorteile und Effekte der erfindungsgemäßen Anordnung. Dabei entspricht die linke Kurve einer Messung mit einer feststehenden Blende 8 wie sie in Fig. 2 dargestellt ist und deren Abscheide­ muster jenem der Fig. 3a entspricht. Nach kurzer Messdauer geht der aufgrund zu­ nehmender Massenbeladung der aktiven Auffangfläche des Schwingsensors verur­ sachte Abfall der Frequenz von einem linearen Verlauf in einen exponentiellen Be­ reich mit nur mehr geringster Frequenzveränderung bei weiterer Massenbeladung über. Demgegenüber zeigt die rechte Kurve der Fig. 6, welche bei einer Messung mit einer um ihre Achse gedrehten Blende 8 der Fig. 2 ermittelt worden ist, dass durch die Drehung und damit die Verteilung der abgeschiedenen Partikel entsprechend einem Muster wie in Fig. 3b eine bedeutende Verlängerung des linearen Bereiches - hier um das Fünffache von etwa 100 Hz auf ca. 500 Hz - erzielbar ist.

Selbstverständlich muss die Ablenkung des Partikelstrahls aus der Austritts­ öffnung 9 nicht notwendigerweise durch eine Bewegung dieser Austrittsöffnung be­ wirkt werden. So ist auch denkbar, dass die Partikel durch die Einwirkung von auf sie direkt während ihrer Bewegung einwirkenden Kräften abgelenkt und der Partikel­ strahl derart gesteuert wird. So können beispielsweise als Ablenkvorrichtung Einrich­ tungen zur Erzeugung eines veränderlichen elektrischen oder magnetischen oder elektromagnetischen Feldes zwischen Austrittsöffnung 9 und Schwingsensor 2 vor­ gesehen sein.

Vorteilhafterweise sind - wie in Fig. 7 bis 9 dargestellt - ähnlich einem Oszil­ loskop zwei Paare von zusammenwirkenden Elektroden 10 vorgesehen, die zur Er­ zielung der optimalen Einwirkung auf die Partikel 1 zwischen der Austrittsöffnung 9 und dem Schwingsensor 2, seitlich des Weges des Partikelstrahls, angeordnet sind. Durch entsprechende Ansteuerung der beiden Elektrodenpaare, vorzugsweise gleich über die elektronische Schaltungsanordnung 4, können veränderliche elektrische Felder hervorgerufen werden, durch welche der Partikelstrahl in beliebiger Richtung und um beliebige Winkel ausgelenkt und derart über die aktive Auffangfläche 5 des Schwingsensors 2 geführt werden kann. Vorzugsweise werden dabei geschlossene Bahnen, etwa Kreisbahnen oder Bahnen, die aus der Überlagerung von zwei Kreis­ bewegungen entstehen, erzeugt.

Im Fall der elektrostatischen Abscheidung der Partikel 1 auf der aktiven Auf­ fangfläche 5 des Schwingsensors 2 muss zu deren Ionisierung eine Koronanadel oder eine ähnliche Struktur vorgesehen sein. Durch eine Bewegung dieser Korona­ nadel oder anderen Struktur über entsprechenden Einrichtungen, allenfalls über eine bewegliche Lagerung der Koronanadel, kann deren Feldcharakteristik verändert werden, was wiederum zu einer Beeinflussung der Ausrichtung und Gestalt des die Koronanadel passierenden und aus der Austrittsöffnung austretenden Partikelstrahls führt. Auch dadurch kann gesteuert werden, auf welchem Flächenbereich der aktiven Auffangfläche 5 die Partikel abgeschieden werden. Dabei ist nicht nur eine Bewe­ gung der Koronanadel im wesentlichen parallel zur aktiven Auffangfläche 5 denkbar, sondern auch im wesentlichen senkrecht auf diese Auffangfläche 5 oder in einer Bewegung, die aus einer Überlagerung der zuvor genannten Bewegungen entsteht. Diese Variante kann allein oder in Kombination mit der zuvor beschriebenen Verän­ derung eines elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feldes zur Ab­ lenkung des Partikelstrahls angewendet werden.

In Fig. 8 ist eine Ausführungsform schematisch dargestellt, bei welcher die Ablenkung des Partikelstrahles über der Auffangfläche 5 mittels einer Anordnung zweier gekreuzter Paare von Magneten 11 erzielt wird. Eine Ausführungsform mit Kombination von elektrischer und magnetischer Ablenkung ist in Fig. 9 dargestellt und kann besonders vorteilhaft dort eingesetzt werden, wo geringerer Platzbedarf der Anordnung notwendig ist. Es sind hier nämlich nur zwei, einander gegenüberlie­ gende Einrichtungen zur Ablenkung der Partikel über der Auffangfläche notwendig, die aus jeweils einer Elektrodenplatte 13 mit einer darauf oder unmittelbar dahinter angebrachten Magnetwicklung 12 aufgebaut sind. Über unterschiedliche Spannung an den Elektrodenplatten 13 kann eine Ablenkung in deren Verbindungsrichtung be­ wirkt werden, während die Magnetwicklungen 12 ein Magnetfeld ebenfalls in Verbin­ dungsrichtung erzeugen, das aber die gewünschte Ablenkung der Partikel senkrecht dazu hervorruft.

Schließlich sei auch noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung er­ wähnt, bei welcher die Ablenkung des Partikelstrahls dadurch erzielt wird, dass ein Strahl eines neutralen Reingases seitlich auf den Partikelstrahl gelenkt wird und die­ sen somit gegenüber der unbeeinflussten Strahlrichtung ablenkt. Selbstverständlich muss die Menge des Reingases bei der Konzentrationsbestimmung berücksichtigt werden, was beispielsweise mittels Durchflusssensoren und deren Abfrage durch die auswertenden Schaltungsanordnung 4 sichergestellt werden kann. Das Reingas wird dabei vorzugsweise über zumindest eine weitere Austrittsöffnung in die Messkam­ mer eingeblasen, deren Achse mit der Achse der Austrittsöffnung 9 für den Partikel­ strahl einen Winkel ungleich Null einschließt. Allenfalls ist die Austrittsöffnung für das Reingas in ihrer Richtung verstellbar und/oder ist die Strömungsgeschwindigkeit des Reingases veränderbar, um eine unterschiedliche Beeinflussung des Partikelstrahles zu ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich könnte durch das Zusammenwirken von zwei oder mehreren Reingas-Austrittsöffnungen, allenfalls mit jeweils wechselnder Strömungsgeschwindigkeit, eine Ablenkung des Partikelstrahles in komplexeren Mu­ stern erreicht werden, die eine Führung dieses Partikelstrahls über die aktive Auf­ fangfläche 5 des Schwingsensors 2 auch beispielsweise in geschlossenen Bahnen, vorzugsweise kreisförmig oder durch Überlagerung mehrerer kreisförmiger Bewe­ gungen entstehend, erlauben.

Claims (22)

1. Anordnung zur quantitativen und qualitativen Analyse von Partikeln in Gasen, insbesondere von Partikeln im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, um­ fassend eine Messkammer mit zumindest einer Eintrittsöffnung für das zu analysierende Gas und mit einem Schwingsystem, das zumindest einen rela­ tiv zur Messkammer im wesentlichen ortsfesten und mit zumindest einer Auf­ fangfläche für die zu analysierenden Partikel versehenen Schwingsensor auf­ weist, vorzugsweise einen piezoelektrischen Resonator, sowie eine Schaltung zur Ermittlung charakteristischer Schwingungsparameter des Schwingsystems und Leit- und Transporteinrichtungen für das zu analysierende Gas, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine aktive Leit- oder Lenkvorrichtung für das Gas bzw. die darin enthaltenen Partikel vorgesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als aktive Leit- oder Lenkvorrichtung eine Blende (8) mit zumindest einer Blendenöffnung (9, 9a, 9b) vorgesehen ist, deren durchströmbare Querschnittsfläche klein ge­ genüber der Auffangfläche des Schwingsensors ist, in Kombination mit einer Einrichtung zur Bewegung der Blende (8) relativ und im wesentlichen parallel zur Auffangfläche (5) des Schwingsensors (2).

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Bewegung der Blende (8) vorgesehen ist, die zumindest eine Blendenöff­ nung (9, 9b) in einer geschlossenen Bahn bewegt.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Bewegung der Blende (8) vorgesehen ist, die zumindest eine Blendenöff­ nung (9, 9b) in einer im wesentlichen kreisförmigen Bahn bewegt, wobei die Achse der Kreisbewegung im wesentlichen normal auf die Auffangfläche (5) des Schwingsensors (2) orientiert ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwing­ sensor (2) und/oder dessen Auffangfläche (5) rotationssymmetrisch um die Achse der Kreisbewegung (9b, Z) ausgebildet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Bewegung der Blende (8) vorgesehen ist, die zumindest eine Blendenöff­ nung (9, 9b) auf einer Bahn bewegt, die durch Überlagerung von zumindest zwei Drehbewegungen mit im wesentlichen parallelen Drehachsen (Z, M) ent­ steht, welche Drehachsen im wesentlichen normal auf die Auffangfläche (5) des Schwingsensors (2) orientiert sind.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass eine Einrichtung zur Bewegung der Blende (8) relativ zum Schwingsensor (2) mit wechselnder Geschwindigkeit, allenfalls mit wechseln­ der Winkelgeschwindigkeit, vorgesehen ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Leit- oder Lenkvorrichtung eine Koronanadel samt Einrichtungen zu deren Bewegung relativ zum Schwingsensor (2) gekoppelt ist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass als Leit- und Lenkvorrichtung zumindest eine Einrichtung zur Erzeugung eines veränderlichen elektrischen, magnetischen oder elektroma­ gnetischen Feldes zwischen Austrittsöffnung und Schwingsensor (2) sowie eine Einrichtung zur elektrischen Aufladung der Partikel im Gas vorgesehen ist.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Leit- und Lenkvorrichtung zumindest eine Austrittsöffnung für einen zusätzlichen Gas­ strahl vorzugsweise seitlich der Eintrittsöffnung für die Partikel in die Messkammer vorgesehen ist, wobei die Achsen beider Austrittsöffnungen vor­ zugsweise miteinander einen Winkel ungleich Null einschließen.

11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leit- oder Lenkvorrichtung zur Erzeugung einer wechselnden Strömungsgeschwindig­ keit und/oder -richtung des Strahles des zu analysierenden Gases ausgelegt sind.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Leit- oder Lenkvorrichtungen zur Erzeugung von wech­ selnden Gas- bzw. Partikel-Geschwindigkeiten in der Eintrittsöffnung vorge­ sehen sind.

13. Verfahren zur quantitativen und qualitativen Analyse von Partikeln in Gasen, insbesondere von Partikeln im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, wo­ bei die Partikel durch zumindest eine Austrittsöffnung auf zumindest eine Auf­ fangfläche zumindest eines im wesentlichen ortsfesten Schwingsensors, vor­ zugsweise eines piezoelektrischen Resonators, eines Schwingsystems abge­ schieden werden und die Veränderung charakteristischer Schwin­ gungsparameter aufgrund der Partikelabscheidung ermittelt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Partikelstrahl aktiv über einen immer wechselnden Be­ reich der Auffangfläche (5) des Schwingsensors. (2) bewegt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelstrahl entlang einer geschlossenen Kurve geführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelstrahl entlang einer Kreisbahn geführt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelstrahl entlang einer Kurve geführt wird, die durch Überlagerung von zumindest zwei Drehbewegungen mit Drehachsen (Z, M) normal auf die aktive Auffangfläche (5) entsteht.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelstrahl mit wechselnder Geschwindigkeit, allenfalls mit wech­ selnder Winkelgeschwindigkeit, geführt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelstrahl durch wechselnde elektrische, magnetische oder elektromagnetische Felder abgelenkt und über die Auffangfläche (5) des Schwingsensors (2) geführt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Ionisie­ rung der Partikel verwendete elektrische Feld fortgesetzt verändert wird und damit eine Veränderung des Auftreffbereiches des Partikelstrahles auf der Auffangfläche (5) des Schwingsensors (2) erfolgt.

20. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasstrahl wechselnder Strömungsgeschwindigkeit und/oder Richtung auf den Partikel­ strahl gerichtet und dieser damit abgelenkt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der die Partikel enthaltende Gasstrahl mit einer wechselnden Strömungsgeschwindigkeit und/oder -richtung auf die Auffangfläche (5) des Schwingsensors (2) gerichtet wird.

22. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel mit wechselnder Geschwindigkeit durch die Eintrittsöffnung in die Messkammer eintreten.