DE4113929A1

DE4113929A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der konzentration von in einem gas befindlichen partikeln

Info

Publication number: DE4113929A1
Application number: DE4113929A
Authority: DE
Inventors: John Anthony Byatt; Walter Dr Rueegg
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1991-03-13
Filing date: 1991-04-29
Publication date: 1992-09-17
Also published as: CA2062141C; US5220284A; EP0503327B1; EP0503327A3; DE59207869D1; CH682423A5; EP0503327A2; CA2062141A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Umweltmeß technik. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur Mes sung der Konzentration von in einem Gas befindlichen Par tikeln, bei welchem Verfahren das Gas mit den Partikeln in Form eines Gasstromes an einer UV-Lichtquelle vorbei geführt, die Partikel durch die UV-Strahlung aus der UV-Lichtquelle ionisiert, die ionisierten Partikel aus dem Gasstrom ausgefiltert und der entstehende Ionenstrom ge messen werden.

Sie betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration von in einem Gas befindlichen Partikeln, umfassend

a) eine rohrförmige Meßkammer, durch welche das Gas mit den Partikeln in Form eines Gasstromes hindurch strömt;
b) am Anfang der Meßkammer eine UV-Lichtquelle, an welcher das Gas vorbeiströmt, wobei die im Gas be findlichen Partikel zumindest teilweise ionisiert werden;
c) in Strömungsrichtung hinter der UV-Lichtquelle ein elektrisch leitendes Ionenfilter, welches die ioni sierten Partikel aus dem Gasstrom herausfiltert und die dabei aufgenommenen elektrischen Ladungen in Form eines elektrischen Stromes an eine nachgeschal tete Meßelektronik abgibt; und
d) Mittel zur Erzeugung der Strömung des Gases durch die Meßkammer.

Ein derartiges Verfahren sowie eine derartige Vorrichtung sind beispielsweise aus der US-A-48 37 440 oder einem Ar tikel von H. Burtscher, Bulletin SEV/VSE 80 (1989) 23, 2. Dezember, S. 1515-1519, bekannt.

Stand der Technik

Wegen der zunehmenden Umweltbelastung durch Schadstoffe, die z. B. durch Ölheizungen oder den Autoverkehr in die Luft abgegeben werden, werden einfache und zuverlässige Methoden und Apparate zur Messung und Überwachung der Luftqualität immer wichtiger.

Besondere Bedeutung kommt dabei den in der Luft schweben den Partikeln zu, die aus folgendem Grund zur Messung der Luftqualität herangezogen werden können: Bei jeder Ver brennung von fossilen Brennstoffen werden kleinste Koh lenstoffpartikel (ϕ < 0,1 µm) erzeugt. Bei der Abkühlung des Verbrennungsgases kann auf der Oberfläche dieser Par tikel ein Kondensat entstehen, welches unter anderem so genannte polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) ent hält. Die Konzentration dieser PAK ist ein gutes Maß für die Qualität der Verbrennung; sie korreliert auch gut mit anderen Schadstoffen, die bei einer schlechten Verbren nung entstehen, insbesondere mit CO. Durch Messung der PAK-Konzentration kann somit auch eine Aussage über die Qualität der Luft gemacht werden.

Eine bekannte und anerkannte Methode zur Messung der PAK-Konzentration basiert auf folgendem Prinzip: Durch Be strahlung mit UV-Licht (Wellenlänge z. B. 185 nm) lassen sich Partikel, auf deren Oberfläche sich PAK befinden, leicht ionisieren. Pumpt man das Gas, das solche ioni sierten Partikel enthält, nach Abtrennung der bei der Io nisation entstandenen Elektronen durch einen elektrisch leitenden (Ionen-)Filter, kann der Ionenstrom und damit die PAK-Partikel-Konzentration gemessen werden.

Ein Nachteil dieser bekannten Meßmethode ist die Tatsa che, daß zur Erzeugung des Gasstromes eine Pumpe vorge sehen ist. Eine Pumpe ist technisch aufwendig, teuer, von begrenzter Lebensdauer (Verschleiß, Verschmutzung), er zeugt Lärm und Vibrationen, und benötigt viel Platz und elektrische Leistung.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Ver fahren und eine Vorrichtung zur Messung der Partikelkon zentration anzugeben, welche den Einsatz mechanischer Pumpen vermeiden und damit eine einfache und zuverlässige sowie platz- und energiesparende Messung der Partikelkon zentration erlauben.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genann ten Art dadurch gelöst, daß die Strömung des Gases durch Wärmekonvektion erzeugt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß

e) die Mittel wenigstens eine Wärmequelle umfassen, welche mit dem Gas in thermischem Kontakt steht und durch Erwärmung des Gases in dem Gas eine Wärmekon vektion hervorruft.

Der Kern der Erfindung liegt darin, durch partielle Er wärmung des zu messenden Gases eine Wärmekonvektion zu erzeugen, welche das Gas durch die Meßkammer strömen läßt.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Vor richtung nach der Erfindung ist

a) die UV-Lichtquelle von einem Strahlungsabsorber um geben, welcher die von der UV-Lichtquelle ausgehende Strahlung zumindest teilweise absorbiert; und
b) der Strahlungsabsorber an der Meßkammer in thermi schem Kontakt mit dem Gas angeordnet.

Die UV-Lichtquelle dient hierbei selbst als Quelle zur Erwärmung des Gases.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform werden als Wärmequelle zumindest Teile der Meßelektronik ver wendet.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung nach der Erfindung, bei wel chem die Wärmekonvektion mittels einer UV-Lampe (2) und/oder einer zusätzlichen Heizung (15) erzeugt wird; und

Fig. 2 ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel ei ner (miniaturisierten) Vorrichtung nach der Er findung, bei welchem als UV-Lichtquelle eine miniaturisierte UV-Lampe (29) eingesetzt wird und die Wärmekonvektion auch durch Teile der Meßelektronik (33) erzeugt wird.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt. Zen traler Bestandteil dieser Vorrichtung ist eine rohrför mige Meßkammer 1, welche alle für die Messung der Parti kelkonzentration wesentlichen Elemente enthält.

Am (unteren) Eingang der Meßkammer 1 ist eine mit Ein laßöffnungen 4 versehene Bodenplatte 3 angeordnet, wel che durch einen darunterliegenden Abschlußring 17 in der Meßkammer 1 gehalten wird. Der Abschlußring 17 läßt in seinem Zentrum als große Öffnung einen Gaseinlaß 18 frei, durch welchen das zu messende Gas mit den darin enthaltenen Partikeln über die Einlaßöffnungen 4 der Bo denplatte 3 in das Innere der Meßkammer 1 gelangen kann (angedeutet durch die beiden Pfeile).

Auf der Innenseite der Bodenplatte 3 ist mittig eine UV- Lampe 2 angebracht, die über einen großen Raumwinkelbe reich UV-Strahlung aussendet. Das an der UV-Lampe 2 vorbeiströmende Gas wird von der UV-Strahlung durchdrun gen und die mit PAK behafteten Partikel im Gas dabei zu mindest teilweise ionisiert, d. h. positiv geladen. Bei dieser Ionisation werden auch Elektronen freigesetzt.

Gas, ionisierte Partikel und Elektronen strömen hinter der UV-Lampe 2 durch ein System von mehreren UV-Blenden 6a, 6b und 6c, welche gegeneinander versetzte Blendenöff nungen 7a, 7b und 7c aufweisen und mittels entsprechender Stützringe 32a, 32b und 32c fest hintereinander angeord net sind, in den Mittelteil der Meßkammer 1. Die UV-Blenden 6a, 6b und 6c sollen dabei verhindern, daß durch die UV-Strahlung eine unerwünschte Ionisation im hinteren Teil der Meßkammer 1 stattfindet.

Hinter dem System aus UV-Blenden 6a, 6b und 6c kann das Gas mit den darin enthaltenen ionisierten Partikeln und Elektronen beispielsweise an einem positiv vorgespannten Elektronenfilter 8 vorbeigeführt werden, welches die vor handenen freien Elektronen aus dem Gasstrom herausfil tert.

Hinter dem Elektronenfilter 8 wiederum ist die eigentli che Meßvorrichtung angeordnet, die aus einem elektrisch leitenden, gasdurchlässigen Ionenfilter 11 besteht. Das Ionenfilter 11 ist innerhalb eines elektrisch leitenden Faradaykäfigs mittels Isolierringen 19a und 19b isoliert aufgebaut. Der Faradaykäfig besteht aus einer leitenden Bodenplatte 9a (mit entsprechenden Einlaßöffnungen 10a für den Gasstrom), einer leitenden Seitenwand 9b und ei ner leitenden Deckplatte 9c (mit entsprechenden Auslaß öffnungen 10b für den Gasstrom). Er ist durch einen wei teren Stützring 32d von dem darunterliegenden Blendensy stem (6a, 6b, 6c) beabstandet. Das Ionenfilter 11 ist über eine Kontaktfeder 12, die durch eine isolierende Durchführung 20 in der Deckplatte 9c aus dem Käfig her ausgeführt ist, mit einer außerhalb des Käfigs ange brachten Meßelektronik 13 verbunden. Die Meßelektronik mißt den Strom, der durch die im Ionenfilter 11 hängen bleibenden, geladenen Partikel verursacht wird und ein Maß für die PAK-Konzentration ist.

Für die Funktion der Vorrichtung ist es notwendig, daß ein stetiger Gasstrom durch die Meßkammer 1 geleitet wird. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Appara turen wird diese Strömung durch eine Pumpe gewährleistet, welche entweder vor oder hinter der Meßkammer angeordnet ist und einen entsprechenden Überdruck bzw. Unterdruck erzeugt.

Die vorliegende Erfindung geht hier nun einen anderen Weg: Die notwendige Gasströmung durch die Meßkammer 1 wird generell durch eine Wärmekonvektion in Gang gesetzt und in Gang gehalten, welche durch lokale Erwärmung des Gases vor oder hinter der Meßkammer 1 hervorgerufen wird. Für die Erwärmung können dabei wahlweise in der Vorrichtung bereits vorhandene (interne) Wärmequellen oder zusätzlich installierte (externe) Wärmequellen oder eine Kombination aus beiden eingesetzt werden. Diese ver schiedenen Varianten sind in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wiedergegeben.

Eine erste Variante (interne Wärmequelle) geht davon aus, daß bei der Erzeugung des UV-Lichtes in der UV-Lampe 2 infolge des relativ schlechten Wirkungsgrades viel Wärme freigesetzt wird. Normalerweise ist diese Wärmeentwick lung eine unerwünschte Nebenerscheinung. Bei einer ge schickten geometrischen Anordnung kann nun aber diese "Abfall"-Wärme bewußt dazu benutzt werden, einen Gas- bzw. Luftstrom zu erzeugen (Kamineffekt). Dazu ist es notwendig, daß die UV-Lampe 2 möglichst viel der erzeug ten Wärme an den geräteinternen Gasstrom abgibt. Da die UV-Lampe 2 jedoch Wärme vor allem in Form von IR-Strah lung abgibt, muß dafür gesorgt werden, daß die IR-Strahlung von Flächen absorbiert wird, die vom zu messen den Gas umströmt werden. Derartige Flächen sind in der Vorrichtung nach Fig. 1 als Strahlungsabsorber 5 um die UV-Lampe 2 herum angeordnet.

Während des Betriebes wärmen sich die Flächen auf, bis ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist. In erster Nä herung ist dann die Wärmeabgabe der Flächen des Strah lungsabsorbers 5 an das vorbeiströmende Gas gleich der absorbierten Strahlungsenergie. Dabei ist jede nach auß en abgegebene Wärmemenge für die Erzeugung der Gasströ mung verloren. Aus diesem Grunde muß die Anordnung nach außen möglichst geringe Wärmeverluste aufweisen, d. h. gut wärmeisoliert sein.

Das vom Strahlungsabsorber 5 erwärmte Gas dehnt sich aus und der dabei in der Anordnung entstehende Druckunter schied treibt den Gasstrom an (Kamineffekt). Die Stärke des entstehenden Gasstromes hängt vor allem von der hin eingesteckten Wärmemenge, von der Geometrie der Anordnung (insbesondere Höhe und Querschnitt) und vom Strömungswi derstand ab. Da die "Kaminhöhe" einen starken Einfluß auf den Durchfluß hat (der Durchfluß ist ungefähr pro portional zu H^0,5; H = Kaminhöhe bzw. Länge der rohrför migen Gasführung), ist es vorteilhaft, durch Montage ei nes zusätzlichen, einfachen Verlängerungsrohres 14 gemäß Fig. 1 den Gasdurchfluß zu vergrößern. Der Gasauslaß 16 ist dann entsprechend weiter vom Gaseinlaß 18 ent fernt.

Anstelle von oder zusätzlich zu der UV-Lampe 2 als in terne Wärmequelle kann das Gas auch durch eine Heizung 15 als externe Wärmequelle aufgeheizt werden. Eine solche Heizung 15 (bevorzugt in Form einer elektrischen Wider standsheizung) kann beispielsweise - wie in Fig. 1 darge stellt - im Verlängerungsrohr 14 untergebracht werden.

Denkbar ist jedoch auch die Anordnung innerhalb oder vor dem Gaseinlaß 18 der Meßkammer 1.

Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 stellt eine Meßgerät dar, daß relativ viel Platz und elektrische Versorgungs energie beansprucht. Eine erhebliche Verkleinerung läßt sich erreichen, wenn - wie in Fig. 2 wiedergegeben - die UV-Lampe durch eine miniaturisierte UV-Lampe 29 (z. B. eine UV-emittierende Leuchtdiode), ersetzt und die Ioni sierungsstrecke direkt in die Meßelektronik 33 inte griert wird.

Innerhalb der Meßelektronik 33 sind die einzelnen Bau elemente 23 und insbesondere ein wärmeabgebendes Bauele ment 22 (im dargestellten Beispiel ein IC) auf einer Schaltungsplatine 24 angeordnet, die ihrerseits mittels Platinen-Befestigungen 26 in einem Gehäuse 25 befestigt ist. Durch das Gehäuse 25 verläuft ein Glasrohr 27, des sen eines Ende einen Gaseinlaß 28 und dessen anderes Ende einen Gasauslaß 21 bildet.

Innerhalb des Glasrohres 27 ist als UV-Lichtquelle die miniaturisierte UV-Lampe 29 in Längsrichtung in der Nähe des Gaseinlasses 28 eingebaut. Sofern die miniaturisierte UV-Lampe 29 ihre Strahlung gerichtet abgibt, wird sie so angeordnet, daß ihre Abstrahlrichtung der Strömungsrich tung des zu messenden Gases entgegengesetzt ist. Wegen der gerichteten Abstrahlung der miniaturisierten UV-Lampe 29 kann dann auf den Einsatz von UV-Blenden verzichtet werden. Die Lampenzuleitungen 31a und 31b der miniaturi sierten UV-Lampe 29 werden hinter der miniaturisierten UV-Lampe 29 in voller Länge durch das Glasrohr 27 geführt und können bei entsprechender Vorspannung direkt als Elektronenfilter eingesetzt werden. Der eigentliche Io nenfilter ist in Fig. 2 nicht dargestellt.

Auch in dieser Anordnung können wieder verschiedene Arten der Wärmezufuhr für die Wärmekonvektion des Gases vorge sehen werden. In Betracht kommt dafür einerseits ein Strahlungsabsorber 30, der in seiner Funktion dem Strah lungsabsorber 5 aus Fig. 1 entspricht und z. B. in Form einer IR-absorbierenden Schicht auf das Glasrohr 27 auf gebracht sein kann. Andererseits kann als externe Wärme quelle die elektronische Schaltung selbst, insbesondere das wärmeabgebende Bauelement 22, herangezogen werden. In diesem Fall verläuft das Glasrohr 27 - wie in Fig. 2 zu erkennen - direkt über dem wärmeabgebenden Bauelement 22 und ist an dessen Gehäuse thermisch angekoppelt.

Insgesamt lassen sich Art und Anordnung der Wärmequellen im Rahmen der Erfindung in weiten Grenzen auswählen und variieren, ohne daß der spezifische Vorteil, nämlich die platz- und energiesparende, zuverlässige Erzeugung der Gasströmung, verloren geht.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Konzentration von in einem Gas befindlichen Partikeln, bei welchem Verfahren das Gas mit den Partikeln in Form eines Gasstromes an einer UV-Lichtquelle vorbeigeführt, die Partikel durch die UV-Strahlung aus der UV-Lichtquelle ionisiert, die ionisier ten Partikel aus dem Gasstrom ausgefiltert und der ent stehende Ionenstrom gemessen werden, dadurch gekennzeich net, daß die Strömung des Gases durch Wärmekonvektion erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Wärmekonvektion die UV-Lichtquelle selbst verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Wärmekonvektion eine von der UV-Lichtquelle unabhängige Wärmequelle ver wendet wird.

4. Vorrichtung zur Messung der Konzentration von in einem Gas befindlichen Partikeln, umfassend

a) eine rohrförmige Meßkammer (1), durch welche das Gas mit den Partikeln in Form eines Gasstromes hin durchströmt;
b) am Anfang der Meßkammer (1) eine UV-Lichtquelle, an welcher das Gas vorbeiströmt, wobei die im Gas be findlichen Partikel zumindest teilweise ionisiert werden;
c) in Strömungsrichtung hinter der UV-Lichtquelle ein elektrisch leitendes Ionenfilter (11), welches die ionisierten Partikel aus dem Gasstrom herausfiltert und die dabei aufgenommenen elektrischen Ladungen in Form eines elektrischen Stromes an eine nachgeschal tete Meßelektronik (13, 33) abgibt; und
d) Mittel zur Erzeugung der Strömung des Gases durch die Meßkammer (1);

dadurch gekennzeichnet, daß

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die UV-Lichtquelle von einem Strahlungsabsorber (5, 30) umgeben ist, welcher die von der UV-Lichtquelle ausgehende Strahlung zumindest teilweise absorbiert; und
b) der Strahlungsabsorber (5, 30) an der Meßkammer (1) in thermischem Kontakt mit dem Gas angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle eine zusätzliche Heizung (15) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle zumindest Teile der Meßelektronik (33) verwendet werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die UV-Lichtquelle eine UV-Lampe (2) ist; und
b) in Strömungsrichtung hinter der UV-Lampe (2) wenig stens eine UV-Blende (6a, b, c) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die UV-Lichtquelle eine miniaturisierte UV-Lampe (29) ist;
b) die miniaturisierte UV-Lampe (29) mit ihrer Ab strahlrichtung entgegen der Strömungsrichtung ange ordnet ist; und
c) zumindest eine der Lampenzuleitungen (31a, b) als Elektronenfilter verwendet wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Gasströmung an wenigstens einem Ende der Meßkammer (1) ein Verlängerungsrohr (14) ange bracht ist.