3.11   Kalibrierverfahren für die Geräte

3.11.1   Erstellung der Kalibrierkurve des Analysators

Jeder normalerweise verwendete Messbereich muss nach Nummer 3.4.4.3 nach dem nachstehend festgelegten Verfahren kalibriert werden.
Die Kalibrierkurve wird durch mindestens fünf Kalibrierpunkte festgelegt, die in möglichst gleichem Abstand anzuordnen sind. Die Nennkonzentration des Prüfgases der höchsten Konzentration muss mindestens 80 Prozent des Skalenendwerts betragen.
Die Kalibrierkurve wird nach der Methode der „kleinsten Quadrate“ berechnet. Ist der resultierende Grad des Polynoms größer als drei, so muss die Zahl der Kalibrierpunkte zumindest so groß wie der Grad dieses Polynoms plus zwei sein.
Die Kalibrierkurve darf um nicht mehr als 2 Prozent vom Nennwert eines jeden Kalibriergases abweichen.
Der Chemilumineszenz-Analysator muss in der Stellung „NOx“ kalibriert werden.
Es können auch andere Verfahren (Rechner, elektronische Messbereichsumschaltung usw.) angewendet werden, wenn dem Technischen Dienst zufriedenstellend nachgewiesen wird, dass sie eine gleichwertige Genauigkeit bieten.

3.11.1.1   Verlauf der Kalibrierung

Anhand des Verlaufs der Kalibrierkurve und der Kalibrierpunkte kann die einwandfreie Durchführung der Kalibrierung überprüft werden. Es sind die verschiedenen Kennwerte des Analysators anzugeben, insbesondere:
  1. die Skaleneinteilung
  2. die Empfindlichkeit
  3. der Nullpunkt
  4. der Zeitpunkt der Kalibrierung.

3.11.1.2   Überprüfung der Kalibrierkurve

Jeder normalerweise verwendete Messbereich muss vor jeder Analyse wie folgt überprüft werden:
Die Kalibrierung wird mit einem Nullgas und einem Prüfgas überprüft, dessen Nennwert in etwa der verdünnten Abgaszusammensetzung entspricht.
Beträgt für die beiden betreffenden Punkte die Differenz zwischen dem theoretischen Wert und dem bei der Überprüfung erzielten Wert nicht mehr als ± 5 Prozent des Skalenwerts, so dürfen die Einstellkennwerte neu justiert werden. Andernfalls muss eine neue Kalibrierkurve nach Nummer 3.11.1 erstellt werden.
Nach der Überprüfung werden das Nullgas und das gleiche Prüfgas für eine erneute Überprüfung verwendet. Die Analyse ist gültig, wenn die Differenz zwischen beiden Messungen weniger als 2 Prozent beträgt.

3.11.2   Überprüfung der Wirksamkeit des NOx-Konverters

Es ist die Wirksamkeit des Konverters für die Umwandlung von NO2 in NO zu überprüfen. Diese Überprüfung kann mit einem Ozonisator entsprechend dem Prüfungsaufbau nach Figur 6 und dem nachstehend beschriebenen Verfahren durchgeführt werden.
Der Analysator wird in dem am häufigsten verwendeten Messbereich nach den Anweisungen des Herstellers mit dem Nullgas und Kalibriergas (letzteres muss einen NO-Gehalt aufweisen, der etwa 80 Prozent des Skalenendwerts entspricht, die NO2-Konzentration im Gasgemisch darf nicht mehr als 5 Prozent der NO-Konzentration betragen) kalibriert. Der NOx-Analysator muss auf NO-Betrieb eingestellt werden, so dass das Kalibriergas nicht in den Konverter gelangt. Die angezeigte Konzentration ist aufzuzeichnen.
Durch ein T-Verbindungsstück wird dem Gasstrom kontinuierlich Sauerstoff oder synthetische Luft zugeführt, bis die angezeigte Konzentration etwa 10 Prozent geringer ist als die angezeigte Kalibrierkonzentration.
Figur 6
Schaltschema für NO2-NO-Konverterprüfung
Die angezeigte Konzentration (c) ist aufzuzeichnen. Während dieses ganzen Vorgangs muss der Ozonisator ausgeschaltet sein.
Anschließend wird der Ozonisator eingeschaltet und so eingeregelt, dass die angezeigte NO-Konzentration auf 20 Prozent (Minimum 10 Prozent) der angegebenen Kalibrierkonzentration sinkt. Die angezeigte Konzentration (d) ist aufzuzeichnen.
Der Analysator wird dann auf den Betriebszustand NOx geschaltet, und das Gasgemisch, bestehend aus NO, NO2, O2 und N2, strömt nur durch den Konverter. Die angezeigte Konzentration (a) ist aufzuzeichnen.
Danach wird der Ozonisator ausgeschaltet. Das Gasgemisch strömt durch den Konverter in den Messteil. Die angezeigte Konzentration (b) ist aufzuzeichnen.
Bei noch immer ausgeschaltetem Ozonisator wird auch die Zufuhr von Sauerstoff und synthetischer Luft unterbrochen. Der vom Analysator angezeigte NOx-Wert darf dann den Kalibrierwert um nicht mehr als 5 Prozent übersteigen.
Der Wirkungsgrad (Z) des NO2-Konverters wird wie folgt berechnet:

Formel

Der so erhaltene Wert darf nicht kleiner als 95 Prozent sein. Der Wirkungsgrad ist mindestens einmal pro Woche zu überprüfen.

3.11.3   Kalibrierung des Entnahmesystems mit konstantem Volumen (CVS-System)

Das CVS-System wird mit einem Präzisions-Durchflussmesser und einem Durchflussregler kalibriert. Der Durchfluss im System wird bei verschiedenen Druckwerten gemessen, ebenso werden die Regelkennwerte des Systems ermittelt; danach wird das Verhältnis zwischen letzteren und den Durchflüssen ermittelt.
Es können mehrere Typen von Durchflussmessern verwendet werden (zum Beispiel kalibriertes Venturi-Rohr, Laminar-Durchflussmesser, kalibrierter Flügelrad-Durchflussmesser), vorausgesetzt, es handelt sich um ein dynamisches Messgerät, und die Vorschriften nach Nummer 3.11.3.1 werden erfüllt.
In den folgenden Absätzen wird die Kalibrierung von PDP- und CFV-Entnahmegeräten mit Laminar-Durchflussmesser beschrieben. Die Genauigkeit der Laminar-Durchflussmesser ist ausreichend, um die Gültigkeit der Kalibrierung bei ausreichender Zahl von Messungen überprüfen zu können (Figur 7).

3.11.3.1   Kalibrierung der Verdrängerpumpe (PDP)

3.11.3.1.1   Kalibrierverfahren
Bei dem nachstehend festgelegten Kalibrierverfahren werden Geräte, Versuchsanordnung und verschiedene Kennwerte beschrieben, die für die Ermittlung des Durchsatzes der Pumpe im CVS-System gemessen werden müssen. Alle Kennwerte der Pumpe werden gleichzeitig mit den Kennwerten des Durchflussmessers gemessen, der mit der Pumpe in Reihe geschaltet ist. Danach kann die Kurve des berechneten Durchflusses (ausgedrückt in m3/min am Pumpeneinlass bei absolutem Druck und absoluter Temperatur) als Korrelationsfunktion aufgezeichnet werden, die einer bestimmten Kombination von Pumpenkennwerten entspricht. Die Lineargleichung, die das Verhältnis zwischen dem Pumpendurchsatz und der Korrelationsfunktion ausdrückt, wird sodann aufgestellt. Hat die Pumpe des CVS-Systems mehrere Übersetzungsverhältnisse, so muss jede verwendete Übersetzung kalibriert werden.
Dieses Kalibrierverfahren beruht auf der Messung der absoluten Werte der Pumpen- und Durchflussmesskennwerte, die an jedem Punkt in Beziehung zum Durchfluss stehen. Drei Bedingungen müssen eingehalten werden, damit Genauigkeit und Vollständigkeit der Kalibrierkurve garantiert sind:
  1. Die Pumpendrücke müssen an den Anschlussstellen der Pumpe selbst gemessen werden und nicht an den äußeren Rohrleitungen, die am Pumpenein- und -auslass angeschlossen sind. Die Druckanschlüsse am oberen und unteren Punkt der vorderen Antriebsplatte sind den tatsächlichen Drücken ausgesetzt, die im Pumpeninnenraum vorhanden sind und so die absoluten Druckdifferenzen widerspiegeln;
  2. während des Kalibrierens muss eine konstante Temperatur aufrechterhalten werden. Der Laminar-Durchflussmesser ist gegen Schwankungen der Einlasstemperatur empfindlich, die eine Streuung der gemessenen Werte verursachen. Temperaturschwankungen von ± 1 K sind zulässig, sofern sie allmählich innerhalb eines Zeitraums von mehreren Minuten auftreten;
  3. alle Anschlussrohrleitungen zwischen dem Durchflussmesser und der CVS-Pumpe müssen dicht sein.
Bei der Prüfung zur Bestimmung der Abgasemissionen kann durch Messung dieser Pumpenkennwerte der Durchfluss aus der Kalibriergleichung berechnet werden.
Figur 7
Schematische Darstellung einer Kalibriervorrichtung für CVS-Geräte
Figur 7 zeigt ein Beispiel für eine Kalibriervorrichtung. Änderungen sind zulässig, sofern sie vom Technischen Dienst als gleichwertig anerkannt werden. Bei Verwendung der in Figur 7 beschriebenen Einrichtung müssen folgende Daten den angegebenen Genauigkeitstoleranzen genügen:
Luftdruck (korrigiert) (PB)
± 0,03 kPa
Umgebungstemperatur (T)
± 0,3 K
Lufttemperatur am LFE-Eintritt (ETI)
± 0,15 K
Unterdruck vor LFE (EPI)
± 0,01 kPa
Druckabfall durch LFE-Düse (EDP)
± 0,001 kPa
Lufttemperatur am Einlass der PDP-CVS-Pumpe (PTI)
± 0,3 K
Lufttemperatur am Auslass der PDP-CVS-Pumpe (PTO)
± 0,3 K
Unterdruck am Einlass der CVS-Pumpe (PPI)
± 0,022 kPa
Druckhöhe am Auslass der CVS-Pumpe (PPO)
± 0,022 kPa
Pumpendrehzahl während der Prüfung (n)
± 1 Umdrehung
Dauer der Prüfung (t) (bei mind. 120 s)
± 0,05 s
Ist der Aufbau nach Figur 7 durchgeführt, so ist das Durchflussregelventil voll zu öffnen. Die PDP-CVS-Pumpe muss 20 Minuten in Betrieb sein, bevor die Kalibrierung beginnt.
Das Durchflussregelventil wird teilweise geschlossen, damit der Unterdruck am Pumpeneinlass höher wird (ca. 1 kPa) und auf diese Weise mindestens eine Zahl von sechs Messpunkten für die gesamte Kalibrierung verfügbar ist. Das System muss sich innerhalb von drei Minuten stabilisieren, danach sind die Messungen zu wiederholen.
3.11.3.1.2   Analyse der Ergebnisse
Die Luftdurchflussmenge Qs an jedem Prüfpunkt wird nach den Angaben des Herstellers aus den Messwerten des Durchflussmessers in m3/min ermittelt (Normalbedingungen).
Die Luftdurchflussmenge wird dann auf den Pumpendurchsatz Vo in m3 je Umdrehung bei absoluter Temperatur und absolutem Druck am Pumpeneinlass umgerechnet.

Formel

hierbei bedeuten:
Vo:
Pumpendurchflussmenge bei Tp und Pp in m3/Umdrehung
Qs:
Luftdurchflussmenge bei 101,33 kPa und 273,2 K in m3/min
Tp:
Temperatur am Pumpeneinlass in K
Pp:
absoluter Druck am Pumpeneinlass in kPa
n:
Pumpendrehzahl in min–1
Zur Kompensierung der gegenseitigen Beeinflussung der Druckschwankungen mit der Pumpendrehzahl und den Rückströmverlusten der Pumpe wird die Korrelationsfunktion (xo) zwischen der Pumpendrehzahl (n), der Druckdifferenz zwischen Ein- und Auslass der Pumpe und dem absoluten Druck am Pumpenauslass mit folgender Formel berechnet:

Formel

hierbei bedeuten:
xo:
Korrelationsfunktion
ΔPp:
Druckdifferenz zwischen Pumpeneinlass und Pumpenauslass (kPa)
Pe:
absoluter Druck am Pumpenauslass (PPO + PB) (kPa)
Mit der Methode der kleinsten Quadrate wird eine lineare Angleichung vorgenommen, um nachstehende Kalibriergleichungen zu erhalten
vo = Do – M (xo)
n = A – B (ΔPp)
Do, M, A und B sind Konstanten für die Steigung der Geraden und für die Achsabschnitte (Ordinaten).
Hat das CVS-System mehrere Übersetzungen, so muss für jede Übersetzung eine Kalibrierung vorgenommen werden. Die für diese Übersetzung erzielten Kalibrierkurven müssen in etwa parallel sein, und die Ordinatenwerte Do müssen größer werden, wenn der Durchsatzbereich der Pumpe kleiner wird. Bei sorgfältiger Kalibrierung müssen die mit Hilfe der Gleichung berechneten Werte innerhalb von ± 0,5 Prozent des gemessenen Werts Vo liegen. Die Werte M sollten je nach Pumpe verschieden sein. Die Kalibrierung muss bei Inbetriebnahme der Pumpe und nach jeder größeren Wartung vorgenommen werden.

3.11.3.2   Kalibrierung des Venturi-Rohrs mit kritischer Strömung (CFV)

Bei der Kalibrierung des CFV-Venturi-Rohrs bezieht man sich auf die Durchflussgleichung für ein Venturi-Rohr mit kritischer Strömung:

Formel

dabei bedeuten:
Qs:
Durchflussmenge
Kv:
Kalibrierkoeffizient
P:
absoluter Druck in kPa
T:
absolute Temperatur in K
Die Gasdurchflussmenge ist eine Funktion des Eintrittsdrucks und der Eintrittstemperatur. Das nachstehend beschriebene Kalibrierverfahren ermittelt den Wert des Kalibrierkoeffizienten bei gemessenen Werten für Druck, Temperatur und Luftdurchsatz.
Bei der Kalibrierung der elektronischen Geräte des CFV-Venturi-Rohrs ist das vom Hersteller empfohlene Verfahren anzuwenden.
Bei den Messungen für die Kalibrierung des Durchflusses des Venturi-Rohrs mit kritischer Strömung müssen die nachstehend genannten Parameter den angegebenen Genauigkeitstoleranzen genügen:
Luftdruck (korrigiert) (PB)
± 0,03 kPa
Lufttemperatur am LFE-Eintritt (ETI)
± 0,15 K
Unterdruck von LFE (EPI)
± 0,01 kPa
Druckabfall durch LFE-Düse (EDP)
± 0,001 kPa
Luftdurchflussmenge (Qs)
± 0,5 %
Unterdruck am CFV-Eintritt (PPI)
± 0,02 kPa
Temperatur am Venturi-Rohr-Eintritt (Tv)
± 0,2 K
Die Geräte sind entsprechend Figur 7 aufzubauen und auf Dichtheit zu überprüfen. Jede undichte Stelle zwischen Durchflussmessgerät und Venturi-Rohr mit kritischer Strömung würde die Genauigkeit der Kalibrierung stark beeinträchtigen.
Das Durchflussregelventil ist voll zu öffnen, das Gebläse ist einzuschalten und das System muss stabilisiert werden. Es sind die von allen Geräten angezeigten Werte aufzuzeichnen.
Die Einstellung des Durchflussregelventils ist zu verändern, und es sind mindestens acht Messungen im kritischen Durchflussbereich des Venturi-Rohrs durchzuführen:
Die bei der Kalibrierung aufgezeichneten Messwerte sind für die nachstehenden Berechnungen zu verwenden. Die Luftdurchflussmenge Qs an jedem Messpunkt ist aus den Messwerten des Durchflussmessers nach dem vom Hersteller angegebenen Verfahren zu bestimmen. Es sind die Werte des Kalibrierkoeffizienten Kv für jeden Messpunkt zu berechnen:

Formel

dabei bedeuten:
Qs:
Durchflussmenge in m3/min bei 273,2 K und 101,33 kPa
Tv:
Temperatur am Eintritt des Venturi-Rohrs in K
Pv:
absoluter Druck am Eintritt des Venturi-Rohrs in kPa
Es ist eine Kurve Kv in Abhängigkeit vom Druck am Eintritt des Venturi-Rohrs aufzunehmen. Bei Schallgeschwindigkeit ist Kv fast konstant. Fällt der Druck (das heißt bei wachsendem Unterdruck), nimmt Kv oberhalb eines bestimmten Eingangs-Unterdrucks ab. Die hieraus resultierenden Veränderungen von Kv sind nicht zu berücksichtigen. Bei einer Mindestanzahl von acht Messpunkten im kritischen Bereich sind der Mittelwert von Kv und die Standardabweichung zu berechnen. Beträgt die Standardabweichung des Mittelwerts von Kv mehr als 0,3 Prozent, so müssen Korrekturmaßnahmen getroffen werden.

3.11.4   Überprüfung des Gesamtsystems

Zur Überprüfung der Übereinstimmung mit den Vorschriften der Nummer 3 wird die Gesamtgenauigkeit des CVS-Entnahmesystems und der Analysengeräte ermittelt, indem eine bekannte Menge eines luftverunreinigenden Gases in das System eingeführt wird, wenn dieses wie für eine normale Prüfung in Betrieb ist; danach wird die Analyse durchgeführt und die Masse der Schadstoffe nach den Formeln der Anlage berechnet, wobei jedoch als Propandichte der Wert von 1,967 kg/m3 unter Normalbedingungen zugrunde gelegt wird. Nachstehend werden zwei ausreichend genaue Verfahren beschrieben.

3.11.4.1

Die Messung eines konstanten Durchflusses eines reinen Gases (CO oder C3H8) ist mit einer Messblende für kritische Strömung durchzuführen.
Durch eine kalibrierte Messblende für kritische Strömung wird eine bekannte Menge reinen Gases (CO oder C3H8) in das CVS-System eingeführt. Ist der Eintrittsdruck groß genug, so ist die von der Messblende eingestellte Durchflussmenge unabhängig vom Austrittsdruck der Messblende (Bedingungen für kritische Strömung). Übersteigen die festgestellten Abweichungen 5 Prozent, so ist die Ursache festzustellen und zu beseitigen. Das CVS-System wird wie für eine Prüfung der Abgasemissionen fünf bis zehn Minuten lang betrieben. Die in einem Beutel aufgefangenen Gase werden mit einem normalen Gerät analysiert und die erzielten Ergebnisse mit der bereits bekannten Konzentration der Gasproben verglichen.

3.11.4.2

Überprüfung des CVS-Systems durch gravimetrische Bestimmung eines reinen Gases (CO oder C3H8).
Die Überprüfung des CVS-Systems mit dem gravimetrischen Verfahren ist wie folgt durchzuführen:
Es ist eine kleine mit Kohlenmonoxid oder Propan gefüllte Flasche zu verwenden, deren Masse auf ± 0,01 g zu ermitteln ist. Danach wird das CVS-System fünf bis zehn Minuten lang wie für eine normale Prüfung zur Bestimmung der Abgasemissionen betrieben, wobei CO oder Propan in das System eingeführt wird. Die eingeführte Menge reinen Gases wird durch Messung der Massendifferenz der Flasche ermittelt. Danach werden die in einem normalerweise für die Abgasanalyse verwendeten Beutel aufgefangenen Gase analysiert. Die Ergebnisse werden sodann mit den zuvor berechneten Konzentrationswerten verglichen.