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TESTO AG (MATTER AEROSOL AG) - Messung von Nanopartikeln

Vor die herausfordernde Aufgabe, die Elektronik von den sehr heißen Gasen in der Messzelle thermisch zu trennen, stellte uns der Kunde Matter Aerosol bei der Konstruktion und Fertigung eines Aluzargenkoffers für Abgasmessungen.

On-Board-Messung von Nanopartikeln  


Die EU und andere Länder werden in ihre Abgasnormen zwingend die Partikelzählung aufnehmen. Darüber hinaus soll die ab 2017 geplante Abgasnorm On-Road- Fahrmessungen als Ergänzung des heutigen Verfahrens enthalten. Die Schweizer Matter Aerosol AG stellt mit NanoMet3 bereits jetzt ein On-Board-Messgerät zur Verfügung, das Nanopartikel von 10 bis 300 nm sicher detektiert. Verpackt ist das System in ein Koffergehäuse Santox S4000.  

NanoMet 3 ist ein portables Messsystem zur Ermittlung der Anzahl und Größe der unter realen Fahrbedingungen emittierten Nanopartikel. Das System ist kompakt, leicht und bedienungsfreundlich und daher geeignet für zuverlässige On-Board-Messungen mit Datenerfassung in Echtzeit. Diese Eigenschaften ermöglichen präzise Partikelmessungen in einem breiten Konzentrationsbereich für Feldmessungen und OBD-Anwendungen (on board diagnosis). Vergleichsmessungen von Automobilherstellern mit NanoMet3 und Benchmark-Messtechnik haben auf dem Abgasrollenprüfstand Korrelationen von über 90 % Genauigkeit für unterschiedliche Antriebstechnologien sowie Euro 5b und Euro 6 aufgezeigt.

Patentierte Gasaufbereitung
Bei standardisierten Messungen am Abgasrollenprüfstand können im Verdünnungskanal flüchtige Substanzen zu Nanotröpfchen kondensieren. Diese werden zusammen mit den nicht flüchtigen festen Nanopartikeln ebenfalls als Partikel detektiert. Um ausschließlich den festen Partikelanteil zu messen, ist es notwendig, das Messgas thermisch aufzubereiten, damit der volatile Anteil in den gasförmigen Zustand übergeht. NanoMet3 entnimmt das Rohgas direkt an der Emissionsquelle (Auspuffanlage, Rollenprüfstandskanal) und konditioniert die Gasprobe nach der von Matter Aerosol patentierten Thermoverdünnung. Die Gasaufbereitung erfüllt so die Anforderungen der europäischen Richtlinie für die Typprüfmessung. Als Kernteil des portablen Messgeräts wird eine DiSC-Sensorzelle (Diffusion Size Classifier) für die Messung der Anzahl und Größe von Nanopartikeln eingesetzt. Das Messprinzip basiert auf der elektrischen Aufladung der Partikel mit nachfolgender Abscheidung in einer zweistufigen Messzelle. Die erste Stufe dient zur Abscheidung der kleinen Partikel durch Diffusion, die zweite enthält einen hocheffizienten Partikelfilter. Die von den Partikeln abgegebene Ladung wird mit hochempfindlichen Elektrometern detektiert. Aus dem Verhältnis der Ströme kann der mittlere Partikeldurchmesser – und daraus mit dem Gesamtstrom – die Partikelanzahl berechnet werden.

Breit gefächerte Automobilanwendungen
Die hohe Zeitauflösung des Messinstruments ermöglicht die Erfassung von transienten Fahrzyklen und stellt pro Sekunde einen kompletten Datensatz mit Partikelanzahl, Größe, aktiver Oberfläche und Masse der Partikel bereit. Durch eine sehr hohe Bandbreite des Messsystems – der Konzentrationsbereich kann zwischen 1000 und 300 Mio. Partikel pro cm3 betragen – ist NanoMet3 für verschiedene Automobilanwendungen geeignet. Dafür kann das System bei Feldmessungen auch mit Batterie betrieben werden. Matter Aerosol setzt damit Maßstäbe in der Nano - partikel-Messtechnik. Für Feldüberwachungsprüfungen und darüber hinaus für zukünftige Abgasnormen sind Kunden des Unternehmens damit bereits heute bestens gerüstet. 

Sowohl mobil als auch stationär
Aus den geschilderten Anforderungen ergibt sich, dass aktuelle und zukünftige Partikelmessungen sowohl für mobile Einsätze im dynamischen Fahrbetrieb als auch im stationären Einsatz am Abgasrollenprüfstand geeignet sein müssen. Für NanoMet3 bot sich als Lösung deshalb die Bauform als 19-Zoll-Einschub an. Sowohl für die mechanische Konstruktion des Einschubs als auch für den zugehörigen mobilen Gehäusekoffer waren strenge, dem eigenen Highend-Produkt adäquate Qualitätsanforderungen zu erfüllen. Matter Aerosol fand für beides mit der Santox Gehäuse-Systeme GmbH den geeigneten Partner. Die Packaging-Spezialisten können auf vier Gehäusefamilien mit unterschiedlichen Anwendungsprofilen zugreifen. Allen ist gemein, dass sie speziell für industrielle Einsätze entwickelt sind und damit in optischer Anmutung, Qualität und Stabilität weit oberhalb der – gelegentlich konkurrierenden – sogenannten Flight-Case-Klasse angesiedelt sind. Bei NanoMet3 fiel die Wahl auf die Aluminiumrahmen-Gehäuse-Familie S4000, die seit Februar mit dem iF product design award 2014 ausgezeichnet ist.

Wärmemanagement mit Hightech-Werkstoff
Anspruchsvoll in vielerlei Hinsicht war die Aufgabenstellung, die die Konstrukteure bei Santox für die optimale Anordnung aller Komponenten – nach Vorgabe von Matter Aerosol – zu lösen hatten. Eine ganz besondere Herausforderung war dabei das Wärmemanagement. Der rechts im Einschub angeordneten Messkammer werden direkt die mehrere Hundert Grad heißen Auspuffabgase zugeführt. Um diesen Bereich thermisch zuverlässig von den links angeordneten elektronischen Komponenten zu isolieren, ohne dabei die Baugröße ins Unendliche zu steigern, musste Santox nach einem Hightech-Material Ausschau halten. Die Wahl fiel auf den Werkstoff Bra-Gla Ka von Brandenburger, eine nichtbrennbare, hochisolierende, stark vernadelte Glasmatte. Auch der dynamische Fahrbetrieb über Stock und Stein war eine Herausforderung für die Konstrukteure, denn es galt, den 19-Zoll-Einschub stabil im – fest mit dem Kofferraumboden verzurrten – S4000-Gehäuse zu verankern. Zum Schutz vor zu starken Erschütterungen wurde die sensible Messelektronik mechanisch entkoppelt im Baugruppenträger eingebaut.

Der Messkoffer samt 19-Zoll-Einschub, den Santox für Matter Aerosol für die mobile und stationäre Nanopartikelmessung mit dem NanoMet3 konstruiert und gefertigt hat, kann stellvertretend für ungezählte Electronic-Packaging- Lösungen aus Löffingen stehen. Für jede Anwendung den am besten geeigneten „Koffer“ und den idealen Innenausbau zu finden, ist aber nur die eine Seite der Medaille. Die zweite: Je nach Wunsch können die Löffinger Spezialisten auch die komplette Integration bis Level 5 für die Partner übernehmen – quasi als verlängerte Werkbank.


Veröffentlicht in AutomobilKonstruktion


Autor:

Peter Hauser ist technischer Leiter der SANTOX Gehäuse-Systeme GmbH in Löffingen-Unadingen

SANTOX Gehäuse-Systeme GmbH
Tel. +49 7707 159 29
info@santox.com

NanoMet3 zur On-Board-Messung von Nanopartikeln im Koffergehäuse Santox S 4000 Bilder: Matter Aerosol

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