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Photoakustische Methode zur Messungvon Kältemittel-Leckageraten

J. Rosendahl & T. Knauf (Innova AirTech Instruments)

TWK KarlsruheMessen und Messtechnik bei Kfz-Klimaanlagen und deren Komponenten – im Labor und auf der Straße

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Photoakustische Detektion

Alexander Bell’s Experiment im Jahre 1880

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Der photoakustische Effekt

Sequenz

•Die Gasprobe wird in der Messzelle „eingeschlossen“•Die Messzelle wird mit pulsierendem, schmalbandigem IR-Licht bestrahlt•Das Gas absorbiert die Lichtenergie, proportional zur Konzentration und wandelt die Lichtenergie in Wärme um•Das Gas erwärmt sich und kühlt sich ab mit der „Anregungsfrequenz“ (Chopper)•Die Temperaturschwankungen erzeugen Druckwellen•Die Druckwellen werden mit Mikrophonen erfasst

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Schematische Darstellung

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Spektrale Verteilung der optischen Filter

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Wasser-Kompensation“Water Vapour”

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Verbesserte Genauigkeit durch Wasser-Kompensation

KEINE Wasser-KompensationEinfluss einer Wasserkonzentration von 10.000 ppm ~ Tdew of 7.4 °C (STP) in der Gasprobe:UA0971: 0.4 ppm ~ 40 Detection LimitsUA0972: 0.5 ppm ~ 20 Detection LimitsUA0973: 0.5 ppm ~ 10 Detection LimitsUA0982 7.5 ppm ~ 20 Detection Limits

MIT Wasser-KompensationDer Einfluss wird zu mehr als 98 % kompensiert!UA0971: 0.08 ppm ~ 0.8 Detection LimitsUA0972: 0.01 ppm ~ 0.4 Detection LimitsUA0973: 0.01 ppm ~ 0.2 Detection LimitsUA0982 0.15 ppm ~ 0.4 Detection Limits

"Wassergehalt"

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Typische GrößenordnungenDie Mikrophone sind sehr sensitiv. Typische Größen im Bereich der Nachweisgrenze:

Temperaturänderung: 10-8 K

Druckänderung: 10-5 Pa

Membranauslenkung: 10-14 m

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Vorteile der photoakustischen Spektroskopie

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Zahlreiche Anwendungen

TierhaltungAtmosphäre AutomobilindustrieBodenkontaminationEthylenoxid SterilisationFermentationNahrungsmittelFormaldehydBrennstoffzellenGasherstellungTreibhausgase“Headspace”KrankenhäuserRaumluft-Qualität

“Industrial Hygiene”PhotokatalysePhoto-IndustrieEnergieversorgungHalbleiterSF6 in Trafos und SchalternLösemittelEffizienz v. LüftungsanlagenLüftungssystemeKampfstoffeR134a/CO2 in MAC-Systemen

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Leckage an Transformatoren, Hoch-und Mittelspannungsschaltern

Messkammer

Transformator

SF6

SF6 in Transformatoren

Photoakustischer Feldgas-Monitor 1412

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Anwendungen in der Automobilindustrie

•Kammerkalibrierung mit Prüflecks•Charakterisierung der Schlauchpermeation•Transienter Verlauf von Emissonsraten•Leckage von Kupplungs-/Verbindungselementen und Serviceanschlüssen

•Leckagen des Kompressors oder des Wärmetauschers•Ethanolemission im Abgas•„Verdunstungs“-Emissionen in Fahrzeugen (inkl. R134a)

•Ventilationsmessungen (Luftwechsel, …) •Thermische Behaglichkeit

EPA- und CARB- Zulassungen für die Messung von Ethanol

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Nachweisgrenzen für die relevanten Gase

• 0.01 ppm für R134a mit Filter UA0973• 0.002 ppm für R152 mit Filter UA0972• 1.5 ppm für R744 mit Filter UA0982*

*) Filter auch für andere Bereiche verfügbar

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Delphi Messlabor

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Permeationsmessung EATON

Measurement cycle: 34 seconds

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Permeationsmessung

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PAS Linearität

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PAS Nullpunktdrift

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Messungen am Lüftungssystem inFahrzeugkabinen

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Messung der Gesamt-Zuluftmenge

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Messung von Teilvolumenströmen

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Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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PAS und Transmissions-Spektroskopie In konventionellen Transmissions-Systemen wird der Lichtstrahl durch die Messkammer geführt, ein optischer Detektor misst die Menge der ankommenden Lichtenergie (Transmissionsgrad).Bei sehr niedrigen Konzentrationen wird somit die Differenz aus zwei nahezu identischen Signalen gebildet. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist ebenfalls ungünstiger als bei der photoakustischen Spektroskopie PAS.

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Thermal Comfort in Vehicles

Thermal Comfort Datalogger

• A Mannequin shaped as a human body holds 8 MM0057 Dry Heat Loss Transducers

• Cuts in body parts allows air movement and radiation to influence measurements

•Driven by 12 V power supply

•Specified by ISO14505

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Measurement Results

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

4021

:57:

11

22:0

2:11

22:0

7:11

22:1

2:11

22:1

7:11

22:2

2:11

22:2

7:11

Time

Equi

vale

nt T

empe

ratu

re [°

C]

HeadTorsoR ArmL. ArmThigh+PelvisFibula+FeetWeightedAir Temp Ref

Flatman with six Equivalent Temperature Transducers