PTB-Anforderungen für AU-Partikelzähler - Dr.-Ing. Sonja Pratzler Dr. Andreas Nowak Prof. Dr. Volker Ebert AGs 3.43 und 3.44 Vollversammlung für ...
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PTB-Anforderungen für AU-Partikelzähler Dr.-Ing. Sonja Pratzler Dr. Andreas Nowak Prof. Dr. Volker Ebert AGs 3.43 und 3.44 Vollversammlung für das Mess- und Eichwesen 02.12.2020
System der Kfz-Abgasmessung
Kfz-Typengenehmigung: Kfz-Hauptuntersuchung:
Einmalig vor „Verkauf“ Periodisch nach „Verkauf“
Abgasrichtlinie EUR … 4/IV, 5/V, 6/VI Schnelltest im Abgasstrom
CO, CO2,
NOx, etc
CO, CO2, HC, O2
Partikelmasse,
Partikelanzahl,
Diesel
Trübung
oder
pro gefahrener km Partikelanzahl
im Prüfzyklus Neu ab ??
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Besonderheiten der Messgröße Partikelanzahl
Partikelanzahl-Größenverteilung = Spektrum ?
300 000 Quelle:
Wikipedia
Partikelkonzentration in 1/cm3 (nm)
Partikelgröße: 70nm
250 000 Elektrischer
Mobilitätsdurchmesser
200 000
150 000
Wichtige Parameter:
Verteilungsbreite
100 000
- Maximum der
50 000
Größenverteilung
0 - Breite der Verteilung (σ)
Partikeldurchmesser in nm
- Fläche unter der
Verteilung ~ Integrale
Anzahl-Konzentration
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Messprinzip 1: CPC
Kondensationspartikelzähler (Condensation Particle Counter, CPC)
→ Messprinzip: Kondensation von Alkohol auf Rußpartikel und optische Zählung (Einzel-Pulse)
Quelle: M. Longin, Entwicklung eines Sensorsystems zur
Messung der Partikelkonzentration in Kraftfahrzeugen
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Messprinzip 2: DC
Kondensationspartikelzähler (Diffusion Charger, DC)
→ Messprinzip: Unipolare Aufladung von Rußpartikel und Messung der
Entladungsströme (femto-Ampere)
Quelle: M. Longin, Entwicklung eines Sensorsystems zur Messung der Partikelkonzentration in Kraftfahrzeugen
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Einführung der PN-Messung in der AU
Akkreditierte Eichbehörden
Baumusterprüfung:
Laboratorien
Anforderungen Konformitätsbewertung F
Kalibrierung:
Rückführung + Eichung:
Richtlinie
Normale Richtlinie
Normale
Hersteller
Entwicklung
Fertigung AU-Prüfprozedur
Marktabdeckung Grenzwerte
Konformitätsbewertung D
AUPNag:
Leitung PTB (Ebert) /
BASt (Ellmers) Eignung
VDA / VDIK: ZDK:
Eignung Zentralverband
Verband der Eignung
Automobilhersteller Deutsches
Prüforganisationen Kraftfahrzeuggewerbe
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Schwerpunkte der AUPNag
Prüfprozedur am Kfz
▪ Festgelegt von der BASt, findet Eingang in die AU-Richtlinie
PTB-Anforderung
▪ Konsensdokument
▪ 2. Abstimmungsrunde beendet
▪ Prototypen-Test läuft
Rückführung in der PTB
▪ Erweiterung des CMC angestrebt
Prüfung im Feld
▪ Entwicklung eines Prüfequipments durch die Hersteller
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PTB-Anforderung
Derzeit in Abstimmung innerhalb der AUPNag PTB-A 12.XX
Datum
2. Abstimmungsrunde
Wichtige festzulegende Anforderungen:
▪ Fehlergrenzen Partikelzähler
▪ Messbereich (Partikelanzahl und -größe)
▪ Messcharakteristika
▪ Interne Kontrollen und Checks
▪ Für Prüfzwecke ausgebbare Daten
▪ Prüffähigkeit
▪ …
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Rückführung von PN-Zählern
Seit 2010:
Vorlauf F+E zu metrologischen Primärinfrastrukturen
▪ Ruß-Partikel-Generatoren
▪ Aufwändige Konditionierung, da komplexes Verhalten
▪ Primäre Rückführung über Partikelladungsdichte (Elektrometer) (Abt. 2)
▪ Sekundäre Messung: CPC
▪ 1.) Key-Comparisons 2014 und 2017
+ 2.) Euramet HPNC für AU (2020)
1.) CMC für Ruß PN-Kalibrierung
bis 20 000 Partikel/cm3
(in Europa nur PTB, METAS, NPL)
2.) Übertrag für AU-PN im hohen PN-Bereich, metrologische Validierung der
Dienstleistung
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Prüf-Setup zum Modul B in der PTB
Prinzipieller Aufbau Vergleich des
Prüfgegenstandes
mit dem
„Isolieren“ einer Referenzzähler für
bestimmten Linearität und
Partikelgröße, Zähleffizienz
Verbrennung Scan über Größen
Druckluft
von Propan ergibt Spektrum Referenz-
Partikelzähler
Volatile
Aerosol- Partikel / Partikelgrößen-
Verdünnung
generator Stoffe klassierung
entfernen
Prüf-
Partikelzähler
1,1
12000
Partikelanzahlkonzentration
10000
1,0
8000
Prüf CPC [1/cm³]
0,9
6000
0,8 4000
0,7 2000
0,6 0
0 5000 10000 15000
0,5
5 10 15 20 25 30 35 40 45 Partikelanzahlkonzentration Ref-CPC[1/cm³]
02.12.2020 10Prototypen-Test
In den PTB-Laboren
8 Hersteller
Ziele:
▪ Stand der Technik
feststellen
▪ PTB-Prüfstand testen
▪ Rückmeldung an
Hersteller
Messungen beendet, Auswertungen laufen
Sehr breites Spektrum an Geräten
Anpassungen der PTB-Anforderungen möglich
02.12.2020 11Rückführungskette für AU-Partikelzähler
Massen- SI
strom
1.4
Primäre PTB-Struktur SI
3.4 Ladung
2.1
Primärnormal
CMC = 7 % (Ziel: 4% in 2022)
(Partikelzähler)
Aerosol-
generator
Bezugsnormale
MU = 7 % - 15 % ?
(Partikelzähler)
Aerosol-
generator
Arbeitsnormale MU = ?
(Partikelzähler)
Aerosol-
generator MU = ?
AUPN Zähler
FG = 75% ?
02.12.2020 12Mögliches Prüf-Setup
Vergleich des
Prüfgegenstandes
Referenz -
Partikelzähler mit dem
Referenzzähler
Aerosol-
? nur für Linearität
generator
Prüf-
bei einer mittleren
Partikelzähler Partikelgröße
12000
Partikelanzahlkonzentration
10000
8000
Prüf CPC [1/cm³]
6000
4000
2000
0
▪ Bislang kein Komplettsystem kommerziell erhältlich 0 5000 10000 15000
Partikelanzahlkonzentration Ref-CPC[1/cm³]
▪ Derzeit bei den Herstellern in der Entwicklung
▪ PTB Unterstützung bei Charakterisierung und Prüfung auf Eignung in Diskussion
▪ Erreichbare Messunsicherheit stark abhängig von Preis und Rückführungsstufe
▪ Verfügbarkeit?
02.12.2020 13Aerosol Generatoren
Verbrennungsruß Funken- / Plasmaruß Flüssigkeits-
(CAST) Zerstäuber
▪ Aerosol aus Propan- ▪ Aerosol aus elektrischer ▪ Aerosolherstellung durch
verbrennung, „Löschen“ Entladung Versprühen einer
mit Stickstoff und (Plasma reißt Kohlenstoff Suspension/Lösung
Druckluft aus Elektrode) ▪ Trocknung Salzlösung
▪ Ruß-Aerosol aus ▪ Ruß-Aerosol aus >>Salz-Aerosol
kontrollierbarer synthetischem Graphit
Verbrennung
02.12.2020 14Vergleich aller Generatoren
Stabilität des Mittleren Durchmessers (über 2-3 Stunden):
Mittlerer Durchmesser der Generatoren
CAST: 80
Durchschnittlicher Durchmesser:
~ 68,9nm ± 0,2nm*
Mittlerer Durchmesser [nm]
76
Funken- / Plasmaruß:
Durchschnittlicher Durchmesser: 72
~ 70,1nm ± 0,9nm*
68
Flüssigkeitszerstäuber:
Durchschnittlicher Durchmesser:
~ 71,3nm ± 2,3nm* 08:38 09:07 09:36 10:04 10:33 11:02 11:31 12:00 12:28
Uhrzeit
CAST Funkenruß Atomizer
*Standardabweichung: 1σ
(Messungen PTB FB 3.4)
02.12.2020 15Fazit
Auf dem Weg zur Partikelmessung in der nationalen AU:
▪ AUPNag arbeitet intensiv an technischen und organisatorischen Voraussetzungen
▪ PTB-Anforderung konvergiert nach 2. Abstimmungsrunde
▪ Eigenschaften des Rußaerosols komplex → Übertrag von Labor auf Umgebung
▪ PTB arbeitet an erweiterten Rückführungsmöglichkeiten
▪ Prototypen-Test in der PTB zur Bewertung des Stands der Technik
▪ Vorstudie PTB: Salzgenerator kann für Prüfung im Feld bei großen Fehlergrenzen
ausreichend stabil sein
In Progress…
02.12.2020 16Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Bundesallee 100 38116 Braunschweig Dr.-Ing. Sonja Pratzler Telefon:0531 592-3215 E-Mail: sonja.pratzler@ptb.de www.ptb.de
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