Quantifizierung von Rußpartikeln durch Kombination von elektrostatischen Feldeinflüssen
In dieser Doktorarbeit werden die theoretischen Grundlagen für einen elektrostatisch arbeitenden Sensor für elektrisch leitende, luftgetragene Partikel dargelegt und am Beispiel von Rußpartikeln durch Experimente verifiziert. Es wird die Arbeitsweise des Sensors in einem mathematischen Modell abgebildet. Es werden die Kräfte definiert und berechnet, die auf die Partikel einwirken, um eine gezielte Bewegung hervorzurufen. Die durch das elektrische Feld influenzierte Ladungstrennung innerhalb der Partikel, die eine resultierende Kraftwirkung in Richtung des stärker werdenden Feldes hervorrufen, ist nicht wesentlich für Partikelbewegung. Die für einen Antrieb eines Partikels wesentlichste Eigenschaft ist dessen Eigenladung, die, in Wechselwirkung mit dem äußeren elektrischen Feld, die stärkste Kraft liefert. Desweiteren wird gezeigt, dass die Anzahl der auf der Messelektrode angelagerten Partikel, unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases ist. Die an der Messelektrode angelagerten Partikel agglomerieren zu Dendriten, an deren Spitzen sich elektrische Ladungen konzentrieren. Durch das Abreißen der Dendriten wird deren Ladung von der Messelektrode abtransportiert. Der durch den Ladungs¬abtransport erzeugte Strom, in der Größen¬ordnung von Pico-Ampere, ist proportional zur Ru߬konzen-tration. Es wird durch Berechnung ermittelt, dass das Rußladungs-Messverfahren im Bereich von 40nm bis ca. 400nm unabhängig von der Partikelgröße arbeitet. Ein Partikelsensor wurde hergestellt, vermessen und berechnet. Die theoretischen Erkenntnisse bezüglich der Unabhängigkeit des Messsignals von der Gasgeschwindigkeit und der quadratischen Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke zwischen den Elektroden des Sensors, können im Versuch bestätigt werden.
This paper derives the theoretical fundamentals for an electrostatically operating sensor measuring airborne electrically conductive particles and verifies the results by experiments using the example of smoke (soot) particles. The operation behavior of the sensor will be realized in a mathematical model. The forces that act on the particles are defined and calculated in order to cause a targeted movement. The charge separation within the particles, influenced by the electrical Field, which causes a resulting force effect in the direction of the increasing field, is not essential for particle movement. The most important property for driving a particle is the own charge, which, in interaction with the external electrical field, provides the strongest force. Furthermore, it is shown that the number of particles deposited on the measuring electrode, is independent of the flow velocity of the carrier gas. The particles, attached to the measuring electrode, agglomerate and forming dendrites, at the tips of which electrical charges are concentrated. Caused by increasing forces the dendrites are torn off and transport away their electrical charge from the measuring electrode. The current generated by the charge removal, in the order of pico-ampere, is proportional to the soot concentration. It is determined by calculation that the soot charge measuring method operates in the range of particle diameters between 40nm up to 400nm independent of particle size. A particle sensor was manufactured, field tested and proved by a mathematical model. The theoretical findings concerning the independence of the measured signal from gas velocity and the quadratic dependency on the electrical field strength between the electrodes of the sensor can be confirmed in the experiment.
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