DE3304548A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung des gehalts an leitfaehigen partikeln in gasen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Gehalts
• an leitfähiqen Partikeln in Gasen Stand der Technik Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Gehalts an leitfähigen Partikeln in Gasen, insbesondere in Abgasen fossiler Brennstoffe, wie der Rußkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, Ölfeuerungsanlagen u. dgl., der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung.
• Bei einem bekannten Verfahren zur Erfassung der Ruß konzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine oder einer Ölfeuerungsanlage wird der Schwärzungsgrad eines vom Abgas durchströmten Filters für die Bestimmung des Rußgehalt herangezogen. Ein solches Verfahren erfordert bei jedem Meßvorgang den Ausbau des Filters, eine vergleichende Betrachtung und wieder den Einbau des gereinigten oder eines neuen Filters. Eine solche Prozedur ist sehr umständlich und zeitraubend.
• Außerdem läßt der Sichtvergleich nur eine sehr ungenaue Schätzung der Rußkonzentration zu. Dieses Verfahren hat daher nur für periodische Überwachungsaufgaben Verwendung gefunden, bei denen festgestellt werden soll, ob über einen längeren Zeitraum hinweg die Rußkonzentration einen noch zulässigen Wert überschritten hat oder nicht. Für eine exakte Messung der Rußkonzentration, wie sie z.B. für die Motoreinstellung bei Dieselmotoren erforderlich ist, ist dieses Verfahren nicht geeignet.
• Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, ohne lange Rüstzeiten exakte Angaben über den Partikelgehalt, z.B. der Rußkonzentration, im Abgas zu liefern.
• Ein ständiges Ein- und Ausbauen des Sensors in das oder aus dem Abgasrohr ist nicht erforderlich. Der Sensor kann fest und auch an wenig leicht zugänglich Stellen im Abgasrohr montiert werden. Ein Reinigen des Sensors vom Partikelniederschlag braucht erst nach mehreren Messung vorgenommen zu werden und kann erforderlichenfalls ohne Ausbau durchgeführt werden, indem an die Elektroden eine Hochspannung gelegt wird, die ein Abbrennen des Partikelniederschlags auf dem Isolierträger und damit ein Freibrennen der Kriechstromfläche bewirkt. Das erfindungsgemäße Meßverfahren liefert sehr gute Ergebnisse, da die Leitfähigkeit sehr exakt gemessen werden kann. Schon geringe Rußkonzentrationen im Abgas können mengenmäßig aus der Änderung der Leitfähigkeit bestimmt werden.
• Bezüglich der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens haben sich zwei Anord- nungen besonders bewährt.
• Bei der ersten Ausführungsform gemäß Anspruch 2 sind die Elektroden in geringem Abstand von weniger als 1 mm voneinander auf einem nicht leitenden Keramikplättchen angeordnet. An ihren Elektroden liegt eine Spannung in der Größenordnung von 15 -100 V. Schlagen sich Partikel, wie z.B. Ruß, auf der Fläche zwischen den Elektroden nieder, so fließt, bedingt durch die elektrische Leitfähigkeit des Partikelniederschlags, ein Strom. Der Strom stellt ein Maß für die pro Zeit anfallende Niederschlagsmenge dar und läßt damit eine genaue Angabe des Partikelgehalts oder der Rußkonzentration im Abgas zu.
• Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Anspruch 4 bildet sich zwischen den beiden an Hochspannung gelegten Elektroden eine Gleitfunkenstrecke aus, die eine bestimmte Zünd- oder Durchbruchsspannung aufweist.
• Schlagen sich größere Partikelmengen auf dem Keramiksubstrat nieder, so wird die Zündspannung erniedrigt.
• Die Gleitfunkenstrecke bricht bei umso niedriger Zündspannung durch, je stärker der Partikel- oder Rußanfall pro Zeiteinheit ist. Die Zünd- bzw. Durchbruchspannung ist damit ein Maß für den Partikelgehalt bzw.
• die Rußkonzentration im Abgas. Geht der Partikelgehalt im Abgas wieder zurück, so brennt die Oberfläche des Keramiksubstrats in kurzer Zeit, die weniger als 10 s beträgt, wieder soweit frei, wie es dem Partikelkonzentrationsgrad des Abgases entspricht.
• Zeichnung Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 jeweils eine Darstellung einer Vorrich-und 2 tung zur Messung des Rußgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine mit in Draufsicht (jeweils oben) und in Seitenansicht (jeweils unten) gezeigtem Sensor.
• Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung zur Messung der Rußkonzentration in Abgasen eines Dieselmotors weist einen dem Abgas ausgesetzten Sensor 10 auf. Dieser Sensor 10 wird im Auspuffrohr des Dieselmotors so angeordnet, daß möglichst nur eine der beiden großflächigen Oberflächen berußt werden kann.
• Der Sensor 10 weist einen Isolierträger 11, der hier als Keramikplatte 12 ausgebildet ist, und zwei auf dem Isolierträger 11 angeordnete Elektroden 13, 14 auf. Die Elektroden 13, 14 sind auf der gleichen Fläche 15 der Keramikplatte 12 angeordnet und liegen sich in nur sehr geringem Abstand von kleiner als 1 mm gegenüber. Die beiden Elektroden 13, 14 sind an eine Spannungsquelle 16 angeschlossen, die eine Gleich- oder Wechselspannung in einer Größenordnung von 15 - 100 V liefert. In dem Stromkreis 17 zwischen Spannungsquelle 16 und den Elektroden 13, 14 ist ein Strommesser 18 eingeschaltet.
• Bei dieser Vorrichtung wird zwischen den beiden Slektroden 13, 14 auf der Oberfläche 15 des Isolierträgers 11 bzw. der Kçramikplatte 12 eine Kriechstrom-£;äEheI9.9+bildett Bei sauberer Oberfläche ist bei einer angelegten Spannung von 10 - 100 V die Leitfähigkeit dieser Kriechstromfläche 19 im wesentlichen Null, Schlägt sich Ruß auf der Kriechstromfläche 19 zwischen den beiden Elektroden 13, 14 nieder, so fließt bedingt durch die elektrische Leitfähigkeit des Rußes ein Strom im Stromkreis 17, der im Strommesser 18 gemessen wird. Der Strom ist somit ein Maß für die pro Zeiteinheit anfallende Rußmenge. Je mehr Ruß sich niederschlägt, umso stärker nimmt die Leitfähigkeit der Kriechstromfläche 19 zu und der Strom steigt an..Aus der Stromzunahme pro Zeiteinheit kann damit die Rußkonzentration im Abgas bestimmt werden.
• Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Vorrichtung zur Messung der Rußkonzentration im Abgas eines Dieselmotors weist ebenfalls einen dem Abgas ausgesetzten Sensor 20, auf, der wiederum im Auspuffrohr des Motors angeordnet wird. Auf einem scheibenförmig ausgebildeten Keranksubstrat 22 als Isoliersträger 21 des Sensors 20 ist eine Elektrode 23 zentrisch angeordnet, während die andere Elektrode 24 von einer Metallplatte 26 gebildet wird, die eine wesentlich größere Abmessung als das Keramiksubstrat 22 aufweist und letzteres trägt. Die beiden Elektroden 23 und 24 sind an eine einstellbare Hochspannungsquelle 27 angeschlossen, die z.B. durch einen Drehtransformator 28 und einem Wechselstromgenerator 29 gebildet sein kann. Den beiden Elektroden 23 und 24 ist ein Spannungsmesser 30 parallel geschaltet, der die Zünd- oder Durchbruchspannung der zwischen den Elektroden 23 und 24 sich bildenden Gleitfunkenstrecke 31 mißt. Die Gleitfunkenstrecke 31 ist in Fig. 2 durch schematisch dargestellte Blitze symbolisiert.
• Bei einer sauberen Oberfläche im Bereich der Gleitfunkenstrecke 31 ist deren Leitfähigkeit sehr gering und die Zündspannung, die erforderlich ist, damit die Gleitfunkenstrecke ionisiert wird und als Folge dessen durchbricht, ist relativ hoch. Schlagen sich dagegen elektrisch leitfähige Rußteilchen oder -tröpfchen auf dem Keramiksubstrat 22 nieder, so erniedrigt sich die Zündspannung die zum Durchzünden der Gleitfunkenstrecke 31 erforderlich ist. Diese Zündspannung wird mit dem Spannungsmesser 30 festgehalten. Je nach Rußanfall wird die Zündspannung der Gleitfunkenstrecke 31 unterschiedlich stark abgesenkt. Die Zündspannung ist somit ein Maß für die sich auf dem Keramiksubstrat 22 niederschlagenden Rußmenge und damit ein Maß für den Rußgehalt des Abgases. Geht der Rußanteil im Abgas zurück, so brennt die Oberfläche in kurzer Zeit, die kleiner als 10 s ist, wieder soweit frei, wie es dem momentanen Verrußungsgrad des Abgases entspricht.
• Die Temperaturabhängigkeit der mit den Vorrichtungen in Fig. 1 und 2 ermittelten Meßwerte als Maß für die Rußkonzentration läßt sich in beiden Fällen mit Hilfe eines integrierten Temperatursensors und entsprechender Schaltungsanordnung kompensieren.
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Claims (6)

2. Ansprüche Verfahren zur Messung des Gehalts an leitfähigen Partikeln in Gasen, insbesondere in Abgasen fossiler Brennstoff&, wie der Rußkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, Ölfeuerungs anlagen u. dgl., bei welchem mittels eines im Gas strom angeordneten Sensors ein darauf sich blldender Partikelniederschlag erfaßt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Sensor (10;20) zwei im Abstand auf einem Isolierträger (11;21) angeordnete Elektroden (13,14; 23,24) verwendet werden, daß die Leitfähigkeit der zwischen den Elektroden aufgespannten Kriechstromfläche (19;31) gemessen wird und daß aus der Änderung der Leitfähigkeit in einem vorgegebenen Zeitintervall der Partikelgehalt bestimmt wird 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Elektroden (13,14) auf der gleichen Fläche (15) einer Keramikplatte (12) angeordnet sind und sich in sehr geringem Abstand gegenüberstehen, daß die Elektroden (13,14) an eine Spannungsquelle (16) angeschlossen sind und daß im Stromkreis (17) von Spannungsquelle (16) und Elektroden (13,14) ein Strommesser (18) angeordnet ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Abstand der beiden Elektroden (13,14) voneinander kleiner als 1 mm ist.
4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die eine Elektrode (23) auf einem Keramiksubstrat (22) angeordnet ist, das seinerseits auf einer die zweite Elektrode (24) bildenden Metallplatte (26) mit demgegenüber größeren Abmessungen sitzt, daß die beiden Elektroden (23,24) an eine einstellbare Hochspannungsquelle (27) angeschlossen sind und daß den Elektroden (23,24) ein Spannungsmesser (30) zum Messen der Durchbruch- oder Zündspannung der zwischen den Elektroden (23,24) sich bildenden Gleitfunkenstrecke (31) parallel geschaltet ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Abrnessungen des Kerainiksubstrats (22) so gewählt sind, daß die Gleitfunkenstrecke (31) eine Länge von etwa 1 - 2 cm aufweist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Keramiksubstrat (22) scheibenförmig ausgebildet und die Elektrode (23) darauf zentrisch angeordnet ist.