Measuring soot particles from automotive exhaust emissions

The European Metrology Research Programme participating countries and the European Union jointly fund a three year project to address the need of the automotive industry for a metrological sound base for exhaust measurements. The collaborative work on particle emissions involves five European National Metrology Institutes, the Tampere University of Technology, the Joint Research Centre for Energy and Transport and the Leibniz Institute for Tropospheric Research. On one hand, a particle number and size standard for soot particles is aimed for. Eventually this will allow the partners to provide accurate and comparable calibrations of measurement instruments for the type approval of Euro 5b and Euro 6 vehicles. Calibration aerosols of combustion particles, silver and graphite proof partially suitable. Yet, a consensus choice together with instrument manufactures is pending as the aerosol choice considerably affects the number concentration measurement. Furthermore, the consortium issued consistent requirements for novel measuring instruments foreseen to replace today’s opacimeters in regulatory periodic emission controls of soot and compared them with European legislative requirements. Four partners are conducting a metrological validation of prototype measurement instruments. The novel instruments base on light scattering, electrical, ionisation chamber and diffusion charging sensors and will be tested at low and high particle concentrations. Results shall allow manufacturers to further improve their instruments to comply with legal requirements

Towards improved humidity measurements at high temperatures and transient conditions

Humidity is a key parameter in controlling drying processes and ambient conditions in many industrial manufacturing, storage and test applications. Air humidity is routinely measured at temperatures above 100 °C and at conditions that are often challenging due to temporal and local variations. Calibrations of humidity sensors do not provide appropriate representativeness of measurement conditions because they are limited to temperatures below 100 °C and static conditions. A European metrology research project HIT (“Metrology for Humidity at High Temperatures and Transient conditions”) is developing improved humidity measurement and calibration techniques to temperatures up to 180 °C and non-static conditions. This paper summaries developments of the project: calibration and test facilities for industrial hygrometers, studies on humidity control in specific microbial transient processes and a new measurement approach for water activity measurements

Metrologian kehittämistä hiukkasten ja massan mittaamiseen

Reliable, comparable and accurate measurement results are only achieved by having traceability to recognized primary standards. Scientific and technological progress demand for and rely on developments in already established fields of metrology, such as mass, and in new evolving fields, such as aerosol particles, where the traceability is incomplete. In this thesis, a novel device called single charged aerosol reference (SCAR) invented by Tampere University of Technology (TUT) was developed into a primary standard for particle number concentration. For this, a full metrological validation was performed for determining the uncertainty of generated particle number concentration. It was shown that the generated particles are singly charged with a standard uncertainty of only 0.16 %. As a result, SCAR is the only primary standard capable of performing calibrations in a wide size range from 10 nm to 500 nm with a relative uncertainty (k = 2) of less than 2 %. A comprehensive inter-comparison of different particle number concentration standards was performed for the first time. The particle charge concentration measurements were compared in the particle size and concentration ranges 20 nm to 200 nm and 0.16 × 10-15 C cm-3 to 2.72 × 10-15 C cm-3 (equivalent to 1000 cm-3 to 17 000 cm-3 singly charged particles), respectively. An overall agreement of ±3 % was achieve with a few exceptions at low concentrations. As a result, a solid metrological basis for particle number concentration measurements worldwide was established for the first time. A significant source of error in gravimetric measurements of vehicle particulate exhaust is the so called filter artefact, i.e. adsorption of gas phase compounds onto the sampling filter. An experimental setup based on mixing hydrocarbon vapour and soot particles was constructed for studying the effect of the filter artefact in a systematic way. Studies with teflon coated filters and pentadecane (C15H32) vapour show that both the particle concentration and the filter soot load influence the filter artefact, such that lower particle concentrations and soot loads yield more adsorption. Instability of standard weights caused by sorption effects introduces uncertainties in the realization of the unit of mass, which is the ultimate basis for traceability for most particle measurements. Atomic force microscopy (AFM) was applied for studying changes in surface contamination of stainless steel weights upon ultrasonic cleaning in ethanol and vacuum exposure. An image processing method for increasing the sensitivity of detecting changes was developed. Results show that grooves are preferential sites for adsorption of contaminants.Luotettavia, vertailukelpoisia ja tarkkoja mittaustuloksia saadaan ainoastaan kun mittaukset ovat jäljitettävissä kansainvälisesti tunnustettuihin primaarinormaaleihin. Tieteen ja teknologian edistyminen vaatii ja edellyttää kehitystä jo vakiintuneilla metrologian aloilla, kuten massan mittauksissa, ja uusilla kehittyvillä aloilla, kuten aerosolihiukkasmittauksissa, jossa jäljitettävyys on puutteellista. Tässä väitöskirjatyössä kehitettiin Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) innovaatiosta Single Charged Aerosol Reference (SCAR) primaarinormaali hiukkasten lukumäärätiheydelle. Tätä varten laitteelle tehtiin täydellinen metrologinen validointi jolla määritettiin tuotettujen aerosolihiukkasten lukumäärätiheyden epävarmuus. Tulokset osoittavat että tuotetut hiukkaset ovat kerran varattuja 0,16 % standardiepävarmuudella. Työn tuloksena SCAR on ainoa primaarinormaali jolla voidaan suorittaa kalibrointeja laajalla hiukkaskokoalueella 10 nm – 500 nm alle 2 % suhteellisella epävarmuudella (k = 2). Työssä tehtiin kattava vertailumittaus erilaisille hiukkasten lukumäärätiheyden mittanormaaleille ensimmäistä kertaa. Hiukkasten varaustiheyden mittauksia verrattiin eri hiukkaskoolla ja konsentraatiolla 20 nm – 200 nm ja 0.16 × 10-15 C cm3 – 2.72 × 10-15 C cm-3 (joka vastaa 1000 cm-3 – 17 000 cm-3 kerran varattua hiukkasta). Tulokset olivat pääosin yhteneväiset ja ±3 % sisällä toisistaan muutamia pienillä konsentraatioilla havaittuja poikkeuksia lukuun ottamatta. Tämä luo vankan metrologisen perustan aerosolihiukkasten lukumäärätiheyden mittauksille maailmanlaajuisesti. Merkittävä virhelähde ajoneuvojen hiukkaspäästöjen gravimetrisessa mittaamisessa on ns. suodatinartefakti, eli kaasumaisten yhdisteiden adsorptio näytteenottosuodattimelle. Tutkiaksemme systemaattisesti suodatinartefaktin vaikutusta rakensimme koejärjestelyn joka perustuu kaasumaisten hiilivetyjen ja nokihiukkasten sekoittamiseen. Teflon-pinnoitetuilla suodattimilla ja pentadekaani (C15H32) höyryllä tehdyt kokeet osoittavat että sekä hiukkasten konsentraatiolla että suodattimen hiukkaskuormituksella on vaikutusta suodatinartefaktiin, siten että pienempi konsentraatio ja kuormitus johtivat suurempaan adsorptioon. Sorptio-ilmiöistä johtuva punnusten massan epästabiilisuus aiheuttaa epävarmuutta massan yksikön realisoinnissa, joka on useimpien hiukkasmittausten jäljitettävyyden perusta. Työssä hyödynnettiin atomivoimamikroskooppia (AFM) ruostumattomasta teräksestä valmistettujen punnusten pintakontaminaation muutosten tutkimiseen kun punnuksia puhdistettiin ultra-äänellä etanolissa ja altistettiin tyhjiölle. Tarkoitusta varten kehitettiin tulosten analyysimenetelmä jolla pystytään herkemmin havaitsemaan muutoksia. Tulokset osoittavat että kontaminaatio adsorboituu etupäässä pinnan uurteisiin

Fluoresenssin fluktuaatiospektroskopia käyttäen asynkronista fotonilaskentaa

Fluoresenssifluktuaatiospektroskopia hyödyntää näytteen emittoiman fluoresenssivalon fluktuaatioita biokemiallisten prosessien tutkimisessa. Mitatusta fluoresenssisignaalista saadaan tilastollisten analyysien avulla laskettua mm.fluoresoivan molekyylin konsentraatio, koko ja kirkkaus. Fluoresenssikorrelaatiospektroskopia (FCS, Fluorescence Correlation spectroscopy) tutkii fluktuaatioiden vaimenemista ajan funktiona, fotonilaskentahistogrammi (PCH, photon counting histogram) fluktuaatioiden amplitudijakaumaa ja momenttianalyysi amplitudijakauman momentteja. Tästä seuraa että FCS:llä havaitaan molekyylien kokoeroja ja PCH:lla kirkkauseroja, eli menetelmät antavat komplementaarista tietoa tutkittavasta näytteestä. Momenttianalyysi tarjoaa puolestaan nopean ja helpon tavan laskea fluktuaation amplitudi. Diplomityön tarkoituksena oli rakentaa kaksoisfotoni-analysaattori fluoresenssin fluktuaatioiden mittaamiseen, sekä toteuttaa ja soveltaa edellä mainittuja tilastollisia analyysimenetelmiä asynkronisesti mitattuun dataan. Useimmat kaupalliset laitteet laskevat autokorrelaatiokäyrän suoraan synkronisesti mitatusta fluoresenssista, tallentamatta mittadataa muistiin. Tästä johtuen PCH:ta ja momenttianalyysia ei voida hyödyntää. Diplomityössä hyödynnetään asynkronista fotonilaskentaa, jossa ainoastaan fotonien saapumisajat tallennetaan. Datan määrä pienenee huomattavasti, mikä mahdollistaa mittadatan tallentamisen ja muiden analyysimenetelmien soveltamisen. Fotonien saapumisajat tallennettiin ArcDian valmistamalla tiedonkeruukortilla ja analyysimenetelmät toteutettiin LabView ohjelmalla ja C-kielellä. Analyysimenetelmien toteutus ja kaksoisfotonianalysaattorin toiminta todettiin mittaamalla erikokoisia ja kirkkaudeltaan erilaisia leimamolekyylejä. Saadut tulokset tukevat teoriaa. FCS erotti hyvin erikokoisia molekyylejä, mutta ei pystynyt havaitsemaan molekyylien kirkkauseroja. PCH:lla puolestaan havaittiin selkeästi molekyylien kirkkauserot. Momenttianalyysillä saadut tulokset ovat yhdenmukaisia FCS tulosten kanssa. Tämä lisäksi mitattiin tiedonkeruuelektroniikan hukka-aika, joka osoittautui varsinkin PCH mittauksia ajatellen haitallisen suureksi. Mittaustuloksista nähtiin että rakentamamme kaksoisfotonianalysaattori soveltuu hyvin fluoresenssin fluktuaation mittauksiin, kunhan mittauselektroniikan hukka-ajan asettamat rajoitukset huomioidaan

Particulate content of biogas

Increased use of biogas in energy production and transportation is necessary to reduce greenhouse gas emissions and dependency of imported fossil fuels in the EU. To support this, quality specifications for biogas is under development specifying, among other things, limit values for impurities including the requirement of particle free biogas. At the moment, however, the particle concentration of biogas is not monitored. In this study, the need and appropriate methods for measurement based quality control was investigated. Biogas was sampled at the Kujala biogas production and upgrading facility in Lahti, Finland. Both off-line measurements of bottled biogas and on-site measurements were performed. Results indicate that the particulate content of biogas is very low even before any processing, and thus measurement based quality control is not necessary. However, the particulate content probably depends on the specific biogas production process and thus it must be assessed for each process separately. The measurement of particulate content of biogas should preferably be performed on-line, because sampling and storing biogas in gas bottles results in significant particle losses