Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern

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1 Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern Philipp Seifert Scale MT GmbH Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern, MCD

2 Inhalt Vorstellung Scale MT GmbH Definition Aerosol und Kategorien Auswahl an Messmethoden Funktionsweise Kondensationskernpartikelzähler Kalibrieraufbau für Kondensationskernpartikelzähler Einflüsse auf die Kalibrierung Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern, MCD

3 Scale MT GmbH Messstrecke zur Kalibrierung von Nanopartikelmesstechnik Know-How im Bereich Abgasmesstechnik insbesondere Automobiltechnik

4 Definition Aerosol und Nanopartikel Wikipedia: Ein Aerosol ist ein heterogenes Gemisch (Dispersion) aus festen oder flüssigen Schwebeteilchen in einem Gas. Die Schwebeteilchen heißen Aerosolpartikel oder Aerosolteilchen. Ein Aerosol ist ein dynamisches System und unterliegt ständigen Änderungen durch Kondensation von Dämpfen an bereits vorhandenen Partikeln, Verdampfen flüssiger Bestandteile der Partikel, Koagulation kleiner Teilchen zu großen oder Abscheidung von Teilchen an umgebenden Gegenständen. Dies ist eine Herausforderung bei der Partikelmessung. Abhängig von der Probenahme und Aufbereitung des Aerosols sind unterschiedliche Ergebnisse zu erwarten Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern, MCD

5 Einteilung von Partikeln Größe 1nm 10nm 100nm 1µm 10µm 100µm 2,5µm Bezeichnung nach Größe Ultrafein Fein Grob Typische Größen ~0,1nm einzelne Moleküle PKW Abgas Viren Tabakrauch Bakterien Staub (z.b. Sand, Kohle) Pollen Gruppierung zur Messung PM 2.5 PM 10 Ablagerung (vereinfacht) Lungenbläschen Bronchien obere Atemwege Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern, MCD

6 Eigenschaften von Partikeln und Auswahl an Messtechnik Eigenschaft Gewicht Photoakustischer Effekt Chemische Zusammensetzung Elektrische Eigenschaften, z.b. Ladungsfähigkeit Optische Eigenschaften: Lichtabsorption Optische Eigenschaften: Laserbeugung Beispiele für Messtechnik Filterwägung [kg] Photoakustische Spektroskopie [ kg m³ ] Massenspektrometrie, Soxhlet Extraktion Diffusionsladungsanalysator [ m² m³ ] Opazimeter ( Trübungsmessung ) [%] Optische Partikelzähler (OPC), Kondensationskernpartikelzähler (CPC) [ # m³ ] Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern, MCD

7 Motivation Partikelzählung Bei gleicher Dichte wiegt ein 10 µm großes Partikel so viel wie eine Million 10 nm große Partikel. ENGINES AND NANOPARTICLES: A REVIEW, David B. Kittelson, J. Aerosol Sci. Vol. 29, No. 5/6, pp , Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern, MCD

8 Partikelzählung in der Automobilindustrie Erster Grenzwert für Diesel-PKW ab Euro 6b, 1. Sept ( # ) km führte zur flächendeckenden Einführung von Dieselpartikelfiltern Diesel LKW Euro 6 seit 01. Jan 2013 Otto PKW PN Grenzwert seit 1. Sept 2014 ( # ), wurde zum km 01.Sept 2018 verschärft (Euro 6c: # ) und um Real Driving km Emissions erweitert (Euro 6d Temp # bei Straßenfahrten) km -> Otto Partikelfilter "New periodic technical inspection" (NPTI): Ab 2021 Partikelanzahl im Rahmen der Abgasunteruchung. Technische Details noch offen. International: Korea, China, Schweiz: Flugzeuge Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern, MCD

9 Funktionsweise CPC Quelle: ISO Norm Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern, MCD

10 Aufbau Kalibrierstrecke für CPCs allgemein Erzeugung Testaerosol Partikelgenerator evtl. Nachbehandlung zur chemisch oder thermischen Stabilisierung Verdünnung zur Einstellung der Zielkonzentration Klassifizierung nach Größe Differentieller Mobilitätsanalysator Klassifizierung nach Größe durch Ausschneiden von Partikeln einer bestimmten elektrischen Mobilität Vergleich mit Referenz Faraday-Cup Elektrometer Messung des klassifizierten Testaerosols mit Prüfling und Referenzgerät (Elektrometer oder Referenz CPC) Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern, MCD

11 Partikelgenerator MiniCast Es wird ein MiniCast (Combustion Aerosol Standard) der Firma Jing Ltd. zur Erzeugung des Prüfaerosols verwendet Dabei wird eine Diffusionsflamme aus Propan und Luft mit Stickstoff abgelöscht. Dies bewirkt eine erhöhte Bildung von Partikeln, da die Verbrennung vorzeitig beendet wird Durch Veränderung der Gasflüsse können die Partikeleigenschaften reproduzierbar verändert werden Quelle: Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern, MCD

12 Thermische Nachbehandlung Verbrennungspartikel bestehen aus Kohlenstoff ( EC = elementary carbon ) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen ( OC = organic carbon). OC ist unstabil, da es kondensieren und verdampfen kann. Deshalb wird es nach der Entstehung verdampft (350 C) und durch Verdünnung stabilisiert. Aufnahmen mit einem Transmissionselektronenmikroskop von unserem Prüfstand. Die Partikel sind mit 75nm Größe klassifiziert. Oben: mit thermischer Nachbehandlung, unten: ohne thermische Nachbehandlung Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern, MCD

13 Klassifizierung Um die Partikeln nach Größe zu klassifizieren wird ein Differentieller Mobilitätsanalysator (DMA) verwendet. Dabei befinden sich elektrisch geladene Partikel (die Partikel bekommen zuvor durch eine radioaktive Quelle eine definierte Ladungsverteilung) in einem Luftstrom und werden von einem elektrischen Feld abgelenkt Partikel einer elektrischen Mobilität verlassen die DMA Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern, MCD Quelle: ISO Norm 15900

14 Referenenzgerät Als rückführbare Referenz wird ein Farrady- Cup Elektrometer eingesetzt. Die einfach geladenen Partikel werden auf eine Elektrode geleitet und der abfließende Strom wird bestimmt. Durch Messen dieses Stromes sowie des Gasdurchflusses kann die Anzahl der Partikel bestimmt werden. Es kann auch eine Referenz-CPC verwendet werden Quelle: ISO Norm Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern, MCD

15 Einflüsse auf das Messergebnis: Änderung der Partikelanzahl Partikel sind einer ständigen Änderung unterworfen, z.b. o Aggregation (starke Bindung) oder Agglomeration (schwache Bindung): Verringern der Partikelanzahl durch Zusammenwachsen o Thermophorese: Partikel bewegen sich in einem Temperaturgradienten immer Richtung kalt o Statische Aufladung: Partikel werden von elektrischen Ladungen angezogen und abgeschieden o Nukleation: entstehen neuer Partikel aus der Gasphase o Trägheit: Partikel sind in Gasströmen der Massenträgheit unterworfen, was die gleichmäßige Aufteilung eines Aerosolstromes erschwert -> Bei der Probenahme muss darauf geachtet werden, dass Verluste minimiert und korrigiert werden. Bei der Kalibrierung muss die Aufteilung zwischen Referenz und Prüfling gleich sein! Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern, MCD

16 Einflüsse auf das Messergebnis: Eigenschaften der Partikel Die untere Größe an Partikeln, die in einem Kondensationskernzähler detektiert wird, ist von der Affinität des Partikels zur Kondensationsflüssigkeit abhängig Zum Beispiel kondensiert Alkohol besser an Öltröpfchen als an Silberpartikeln, bei Wasser ist es genau umgekehrt. Das bedeutet eine Kalibrierung ist immer nur für das verwendete Partikelmaterial und für die Morphologie der erzeugten Partikel gültig! Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern, MCD

17 Einflüsse auf das Messergebnis: Mehrfachladungsträger Die DMA verlassen nicht nur Partikel mit der gewünschten Größe und einer Elementarladung, sondern auch Partikel mit zwei- oder mehr Elementarladungen, die größer sind. Durch Messungen und Modelle kann der Anteil dieser Partikel bestimmt werden Quelle: ISO Norm Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern, MCD

18 Normen für Partikelmessung und Kalibrierung ISO 27891:2015 Aerosol particle number concentration Calibration of condensation particle counters ISO 15900:2009 Determination of particle size distribution Differential electrical mobility analysis for aerosol particles ISO/TR 27628:2007 Workplace atmospheres -- Ultrafine, nanoparticle and nano-structured aerosols -- Inhalation exposure characterization and assessment VDI 3867 Messen von Partikeln in der Außenluft: Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrößenverteilung von Aerosolen, Elektrisches Mobilitätsspektrometer Determination of the particle number concentration & number size distribution of aerosols DIN EN ISO 28439: Arbeitsplatzatmosphäre - Charakterisierung ultrafeiner Aerosole/Nanoaerosole - Bestimmung der Größenverteilung und Anzahlkonzentration mit differentiellen elektrischen Mobilitätsanalysesystemen ISO/TR 27628:2007 Workplace atmospheres - Ultrafine, nanoparticle and nano-structured aerosols - Inhalation exposure characterization and assessment ISO/DIS :2017) Innenraumluftverunreinigungen - Teil 34: Strategien zur Messung von Schwebstoffen Grundlagen der Kalibrierung von Partikelzählern, MCD

19 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!