VDI 3862 Blatt 8-2015 Measurement of gaseous emissions - Measurement of formaldehyde in the exhaust gas of combustion engines - FTIR method.pdf

1、ICS 13.040.50 VDI-RICHTLINIEN Juni 2015 June 2015 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Messen gasfrmiger Emissionen Messen von Formaldehyd im Abgas von Verbrennungsmotoren FTIR-Verfahren Measurement of gaseous emissions Measurement of formaldehyde in the exhaust gas of combustion engines FTIR method VDI 3862

2、 Blatt 8 / Part 8 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Der Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundes-anzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen. Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The draft of this standard has been subject to public scrutin

3、y after announcement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette). The German version of this standard shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdL Fachbereich Umweltmesstechnik VDI

4、/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 5: Analysen- und Messverfahren II VDI-Handbuch Ressourcenmanagement in der Umwelttechnik VervielfltigungauchfrinnerbetrieblicheZwecke nicht gestattet /Reproductionevenforinternalusenot permittedFrhere Ausgabe:01.14 Entwurf,deutschFormeredition:01/14Draft,in G

5、erman onlyZu beziehen durch /Available atBeuth Verlag GmbH,10772 BerlinAlle Rechte vorbehalten /Allrightsreserved Verein DeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2015Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung 2 Einleitung .2 1 Anwendungsbereich .2 2 Normative Verweise 3 3 Begriffe 3 4 Grundlagen 3 4.1 Infrarot

6、spektroskopie .3 4.2 Interferometer und Fourier-Transformation .4 4.3 FTIR-Spektrometer und Intensittsspektrum .5 4.4 Extinktionsspektrum und Lambert-Beer-Gesetz 6 5 Auswertung von Extinktionsspektren 8 5.1 Nullspektrum .8 5.2 Konzentrationsermittlung durch Bezug auf Referenzspektren .8 5.3 Nachweis

7、grenze und maximal messbare Konzentration 10 5.4 Querempfindlichkeiten 11 6 Gerte und Hilfsmittel .12 6.1 Gerte 12 6.2 Hilfsmittel .13 7 Vorgaben zur Analysenmatrix 13 8 Aufbau der Probenahmeeinrichtung 14 9 Messung 16 9.1 Schematische Darstellung des Ablaufs 16 9.2 Vorbereitung der Messung 16 9.3 I

8、nbetriebnahme der Messeinrichtung .17 9.4 Funktionskontrolle .17 9.5 Durchfhrung der Messung .17 9.6 Abschluss der Messung .18 10 Auswertung .18 11 Messbericht .19 12 Verfahrenskenngren .19 12.1 Allgemeines .19 12.2 Nachweisgrenze 20 12.3 Messunsicherheit .20 13 Qualittssicherung 22 Anhang Ausgewhlt

9、e IR-Spektren 23 Schrifttum .26 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope 2 2 Normative references 3 3 Terms and definitions . 3 4 Basics 3 4.1 Infrared spectroscopy 3 4.2 Interferometer and Fourier transform 4 4.3 FTIR spectrometer and intensity spectrum 5 4.4 Absorbance spectrum and the Lambert-

10、Beer law 6 5 Evaluation of absorbance spectra 8 5.1 Zero spectrum 8 5.2 Determining the concentration by referring to reference spectra 8 5.3 Detection limit and maximally measurable concentration . 10 5.4 Cross sensitivities 11 6 Apparatus and auxiliary substances 12 6.1 Apparatus 12 6.2 Auxiliary

11、material . 13 7 Instructions for the analysis matrix 13 8 Sampling system set-up . 14 9 Measurement . 16 9.1 Flow diagram of process . 16 9.2 Preparation of measurement 16 9.3 Starting up the measuring system 17 9.4 Functional testing 17 9.5 Performance of measurement 17 9.6 Completion of measuremen

12、t 18 10 Evaluation . 18 11 Measurement report 19 12 Performance characteristics . 19 12.1 General 19 12.2 Detection limit . 20 12.3 Measurement uncertainty 20 13 Quality assurance . 22 Annex Selected IR spectra . 23 Bibliography . 26 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF86D9NormCD - Stand 2015-

13、08 2 VDI 3862 Blatt 8 / Part 8 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der ele

14、ktronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Li-zenzbedingungen (www.vdi.de/richtlinien), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehre

15、namtlich an der Erarbeitung dieser Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3862. Preliminary note The content of this standard has been developed in strict accordance with the requirements an

16、d rec-ommendations of the standard VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this standard without infringement of copyright is

17、permitted subject to the licensing con-ditions (www.vdi.de/richtlinien) specified in the VDI Notices. We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this standard. A catalogue of all available parts of this series of standards can be accessed on the Internet at www.vdi.de/3862. Ein

18、leitung Die Richtlinienreihe VDI 3862 behandelt Messver-fahren zur Bestimmung von Aldehyden und Keto-nen in Abgasen. Blatt 1 bis Blatt 7 legen manuelle, diskontinuierliche Verfahren mit fotometrischer oder gaschromatografischer Analyse fest. Blatt 8 legt die Bestimmung von Formaldehyd in Abgasen spe

19、ziell von Verbrennungsmotoren mit dem auto-matischen FTIR-Verfahren (Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie) fest. In der TA Luft ist ein Emissionswert fr Formal-dehyd im Abgas von Verbrennungsmotoren festge-setzt, mit dem Gebot, die technischen Mglichkei-ten zur Emissionsminderung auszuschpfen. D

20、ie-ser Emissionswert liegt zurzeit bei 60 mg/m3. Diese Richtlinie entstand im Fachbereich Um-weltmesstechnik der Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdL in Kooperation mit dem Fachausschuss Verbren-nungskraftmaschinen im Fachbereich Energie-wandlung und -anwendung der VDI

21、-Gesellschaft Energie und Umwelt. Introduction The series of standards VDI 3862 deals with meth-ods for measuring aldehydes and ketones in ex-haust gases. Part 1 to Part 7 define manual, discon-tinuous methods with analysis by photometry or gas chromatography. Part 8 specifies the measure-ment of fo

22、rmaldehyde in exhaust gases specifically of combustion engines with the use of the FTIR method (Fourier transform infrared spectroscopy). TA Luft (Technical Instructions on Air Quality Control) specifies an emission value for formalde-hyde in the exhaust gas of combustion engines with the requiremen

23、t of exploiting the technical scope for emission reduction. This emission value is currently 60 mg/m3. This standard has been prepared by the technical division Environmental Measurement Technolo-gies of the Commission on Air Pollution Preven-tion of VDI and DIN Standards Committee KRdL in cooperati

24、on with the Combustion Ma-chine committee of the VDI technical division Energy and Environment. 1 Anwendungsbereich Diese Richtlinie legt ein automatisches FTIR-Ver-fahren zur Bestimmung des Formaldehydgehalts in Abgasen von Verbrennungsmotoren fest. Diese Richtlinie gilt fr Einzelmessungen. Das hie

25、r be-schriebene Verfahren ist fr die Bestimmung von Formaldehydkonzentrationen bis 90 mg/m3vali-diert. 1 Scope This standard specifies an automatic FTIR method for measuring the formaldehyde content in the exhaust gases of combustion engines. This stand-ard applies to individual measurements. The me

26、th-od described here is validated for the measurement of formaldehyde concentrations up to 90 mg/m3. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF86D9NormCD - Stand 2015-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 VDI 3862 Blatt 8 / Part 8 3 2 Normative Verweise Das folgende

27、zitierte Dokument ist fr die Anwen-dung dieser Richtlinie erforderlich: DIN EN 15259:2008-01 Luftbeschaffenheit; Mes-sung von Emissionen aus stationren Quellen; Anforderungen an Messstrecken und Messplt-ze und an die Messaufgabe, den Messplan und den Messbericht; Deutsche Fassung EN 15259: 2007 2 No

28、rmative references The following referenced documents are indispen-sable for the application of this standard: DIN EN 15259:2008-01 Air quality; Measurement of stationary source emissions; Requirements for measurement sections and sites and for the measurement objective, plan and report; Ger-man ver

29、sion EN 15259:2007 3 Begriffe Fr die Anwendung dieser Richtlinie gelten die folgenden Begriffe: Extinktion (optische Dichte) Ma fr die wellenlngenabhngige Abschwchung einer Strahlung nach Durchqueren eines Mediums. Anmerkung: Die Extinktion ist der negative dekadische Logarithmus der Transmission. I

30、nterferogramm Aufzeichnung der Strahlungsenergie, die durch In-terferenz der zusammengefhrten Teilstrahlen ent-steht. Messspektrum Gemessenes Extinktionsspektrum der Probe. Modellspektrum Summe von gewichteten Referenzspektren. Nullspektrum Transmissionsspektrum mit Nullgas, das bei der Extinktionsb

31、erechnung als I0verwendet wird. Referenzspektrum Extinktionsspektrum einer bekannten Komponente mit bekannter Konzentration in Inertgas. Anmerkung: Das Referenzspektrum wird in der Auswerte-software hinterlegt. Restspektrum Differenz aus Modell spektrum und Messspek -trum der Probe. Transmission Ma

32、fr die wellenlngenabhngige Durchlssigkeit eines Mediums fr elektromagnetische Wellen. 3 Terms and definitions For the purposes of this standard, the following terms and definitions apply: Absorbance (optical density) Measure of the wavelength-dependent attenuation of radiation after passing through

33、a medium. Note: Absorbance is the negative decadic logarithm of transmittance. Interferogram Record of radiation energy arising due to the inter-ference of the coinciding partial beams. Measured spectrum Measured absorbance spectrum of the sample. Model spectrum Sum of weighted reference spectra. Ze

34、ro spectrum Transmittance spectrum with zero gas that serves as I0in the calculation of absorbance. Reference spectrum Absorbance spectrum of a known component with a known concentration in inert gas. Note: The reference spectrum is integrated in the evaluation software. Residual spectrum Difference

35、 between the model spectrum and measured spectrum of the sample. Transmittance Measure of the wavelength-dependent permeability of a medium for electromagnetic waves. 4 Grundlagen 4.1 Infrarotspektroskopie Beim Durchgang von IR-Strahlung durch eine Messzelle, in der sich ein IR-aktives Gas befindet,

36、 wird die Energie bei bestimmten Wellenlngen (oder Wellenzahlen) mehr oder weniger stark ab-4 Basics 4.1 Infrared spectroscopy When IR radiation passes through a measuring cell containing an IR-active gas, the energy attenuates to a greater or lesser extent at certain wavelengths (or wave numbers),

37、as the IR radiation is absorbed B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF86D9NormCD - Stand 2015-08 4 VDI 3862 Blatt 8 / Part 8 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 geschwcht, da die IR-Strahlung von den Molek-len absorbiert wird. Dabei werden in den Gasmo-leklen

38、 bei spezifischen Wellenzahlen definierte Schwingungen und Rotationen angeregt. Voraus-setzung ist, dass sich dabei das Dipolmoment des Molekls ndert. Wird IR-Strahlung breitbandig eingestrahlt und die Abschwchung gegen die Wellenlnge (oder Wellenzahl) aufgetragen, so erhlt man das IR-Spektrum des G

39、ases. Die IR-Spektroskopie ermglicht die Bestimmung der Konzentration einer Vielzahl von organischen und anorganischen Gasen. Im Prinzip kann jede Komponente gemessen werden, die im IR-Bereich Strahlung absorbiert. Ausnahmen sind symmetri-sche, zweiatomige Molekle wie H2, N2, O2, Cl2sowie Edelgase.

40、Ein schwacher Absorber wie H2S ist der IR-Messung ebenfalls nicht zugnglich. 4.2 Interferometer und Fourier-Transformation Mithilfe eines Interferometers knnen die Anteile der einzelnen Wellenlngen der breitbandigen IR-Strahlung bestimmt werden. Es gibt verschiedene Ausfhrungen von Interferometern m

41、it unter-schiedlichen Strahlengngen und Spiegeln, die sich vom klassischen Michelson-Interferometer (siehe Bild 1) unterscheiden. Das Prinzip ist jedoch immer das gleiche. Heutzutage wird fr die Be-rechnung der Spektren aus den Interferometerdaten meist die FFT-Methode (Fast-Fourier-Transforma-tion)

42、 angewendet. Moderne Interferometer enthalten zustzlich einen Laser mit eigenem Detektor. Das Lasersignal dient als Ma fr die optische Wegdifferenz der beiden Teilstrahlen. Das eingestrahlte Licht des Lasers wird an einem Strahlteiler in zwei gleiche Teile aufgeteilt: Ein Teil geht durch den Strahlt

43、eiler, der andere wird reflektiert. Die Teilstrahlen treffen auf zwei Spiegel, werden von dort reflektiert und tref-fen sich wieder im Strahlteiler. Dort interferieren die beiden Teilstrahlen (siehe Bild 1). Bild 1. Schema des Michelson-Interferometers by the molecules. In this process, defined osci

44、lla-tions and rotations are excited in the gas molecules at specific wave numbers. Essential for this is that the molecules dipole moment changes. If the IR radiation covers the full band of wavelengths and the attenuation is plotted against the wavelength (or wave number), infrared spectrum of the

45、gas is obtained. IR spectroscopy makes it possible to measure the concentration of a large number of organic and inorganic gases. In principle, any component can be measured that absorbs radiation in the IR range. Exceptions to this are symmetrical, diatomic mole-cules such as H2, N2, O2, Cl2as well

46、 as noble gas-es. Weak absorbers like H2S are not amenable to IR measurement either. 4.2 Interferometer and Fourier transform With the aid of an interferometer, the shares of the individual wavelengths of the broadband IR radia-tion can be measured. There are different types of interferometers with

47、different beam paths and mir-rors that differ from the classic Michelson interfer-ometer (see Figure 1). The principle, however, is always the same. Today, the FFT (fast Fourier transform) method is usually used for calculating the spectra from the interferometer data. Modern interferometers contain

48、 an additional laser with its own detector. The laser signal serves as a measure of the difference in the optical path lengths of the two partial beams. The light emitted by the laser is divided into two equal parts at a beam split-ter. One part goes through the beam splitter while the other is refl

49、ected. The partial beams strike two mirrors where they are reflected back and coincide in the beam splitter. The two partial beams cause mutual interference (see Figure 1). Figure 1. Principle of the Michelson interferometer beweglicher Spiegelfester SpiegelMesszelleStrahlteilerIR-QuelleDetektormovable mirrorfixed mirrormeasuring cellbeam splitterIR sourcedetectorB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF86D9NormCD - Stand 2015-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Ds