AT395270B - Verfahren und vorrichtung zur absoluten messung der anzahlkonzentration kolloidaler partikel - Google Patents

Description

AT 395 270 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur absoluten Bestimmung der Anzahl von submikro-nen kolloidalen Partikeln pro Volumseinheit aus Lichtextinktionsmessungen. Unter absolut wird die Eigenschaft des Verfahrens verstanden, welche es ermöglicht, quantitative Messungen ohne vorherige Eichung der Sensoren des Meßsystems durchzuführen. 5 DiepräziseKonzentrationsbestimmungvon Teilchen,speziellimBereichhoherKonzentrationen,woEinzelzählung nicht möglich ist, ist von großer Bedeutung sowohl in der physiko-chemischen Grundlagenforschung als auch in der angewandten Meßtechnik, etwa in den Bereichen Reaktorsicherheit, Brandmeldung, Filtration, u. ä. Gerade bei kritischen Meß· oder Überwachungssituationen, wo quantitative Echtzeitmessungen erforderlich sind, wäre es von großer Bedeutung, die auftretenden Konzentrationen zuverlässig messen zu können. Eine einfache Lösung dieser 10 Aufgabe ist jedoch mittels der bekannten Anordnungen nicht möglich, weil in den meisten Fällen die Beschaffenheit,

Größenverteilung und optischen Eigenschaften der Teilchen nicht bekannt sind.

Die gegenwärtig bekannten optischen Teilchenkonzentrationsmeßgeräte werden üblicherweise mittels Standardsuspensionen von Teilchen bekannter Form, Größe und Brechungsindex (W. Meister, „Die Problematik bei der photoelektrischen Messung des durch Tyndall-Effekt hervorgerufenen Streulichts zur Bestimmung der Konzen-IS tration suspendierter Feststoffe in Flüssigkeiten“, Drott K.G.; DE-Al-27-11-555 [Brown Boveri]) oder mittels Eichstreukörpem (EP-A2-336-402 [Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt]), geeicht, bzw. dienen lediglich als qualitative Wamgeräte, welche das durch Teilchen verursachte Streulicht relativ zur teilchenfreien Lösung feststellen (DE-Al-27-57-197 [FaCarl Zeiss]).

Es ist nun die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur eichfreien und zuverlässigen 20 Bestimmung der Anzahlkonzentration kolloidaler Teilchen durch Lichtextinktionsmessung anzugeben, bei welchen die genannten Probleme nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein gleichmäßiges Anwachsen der Teilchen hervorgerufen wird und während dieses Wachstumsvorganges eine simultane Messung des transmittierten und des unter einem vorbestimmten Winkel gestreuten Lichtflusses als Funktionen der Zeit erfolgt, wobei in an sich bekannter 25 Weise der Intensitätsverlauf des gemessenen Streulichts durch Vergleich mit theoretischen Daten eine direkte Ermittlung der Teilchengröße zu verschiedenen Zeitpunkten während des Teilchenwachstums gestattet und aus den zu diesen Zeitpunkten gemessenen Abschwächungen des transmittierten Lichtflusses die Anzahl der Teilchen pro Volumseinheit absolut bestimmt wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die während des Teilchen-30 Wachstums aufgenommenen Meßwerte des gestreuten und des transmittierten Lichtflusses digitalisiert und in digitaler Form Speichern zugeführt werden.

Eine spezielle Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 besteht aus ein» Meßkammer mit einem Lichteintrittsfenster und je einem Lichtaustrittsfenster für das transmittierte bzw. für das gestreute Licht, einer kohärenten Lichtquelle und je einem Photodetektor für den transmittierten bzw. für den gestreuten Lichtfluß. 35 Diese Vorrichtung ist in vorteilhafter Weise dadurch gekennzeichnet, daß als Meßkammer einean sich bekannte

Expansionsnebelkammer verwendet wird, in der die für ein kondensationsbedingtes Anwachsen der Teilchen erforderliche Dampf übersättigung durch adiabatische Expansion von dampfgesättigtem Gas erzielt wird, wobei die simultane Messung des durch die Expansionsnebelkammer hindurchtretenden und des unter mindestens einem vorbestimmten Winkel gestreuten Lichtflusses als Funktionen der Zeit durch den Drucksprung in der Expansions-40 nebelkammer ausgelöst wird.

Besonders vorteilhaft erweist sich hiebei, wenn die Lichtquelle als Laser oder Laserdiode ausgebildet ist, und daß das Eintritt- und Austrittsfenster für den Laserstrahl jeweils zur Strahlrichtung um etwa 10° geneigt ist, um Mehrfachreflexionen innerhalb der Streuebene zu vermeiden.

Schließlich »weist sich als günstig wenn zur Einschränkung des transmittierten und des gestreuten Lichtflusses 45 auf einem Eintrittswinkel von höchstens 1.5° jeweils ein Blendensystem zwischen Uchtaustrittsfenstem und Photodetektoren angeordnet ist.

ZurnäherenErläuterungseiaufdieFig. 1 verwiesen, die eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens zeigt In eine Expansionsnebelkammer (1) tritt der Strahl (5) eines linear polarisierten Lasers (2) durch ein Eintrittsfenster (3) ein. Der Laserstrahl (5) verläßt die Expansionsnebelkammer (1) 50 durch das Austrittsfenst» (4). Beide Fenst» sind relativ zum Laserstrahl (5) um etwa 10° geneigt, um eine mehrfache

Reflexion des Strahles innerhalb der Streuebene zu vermeiden. Hinter dem Austrittsfenster (4) befindet sich ein Photodetektor (6) zur Messung der Leistung des aus d» Expansionskammer austretenden Laserstrahls (5). Der Eintrittswinkel in den Photodetektor (6) ist durch ein auf der optischen Achse befindliches Blendensystem (9) auf etwa 1.5° beschränkt. Hinter einem seitlich angebrachten Fenster (8) befindet sich ein weiterer Photodetektor (7) zur 55 Messung des Streulichtflusses. Der Eintrittswinkel in diesen Photodetektor (7) ist durch ein Blendensystem (10) ebenfalls auf etwa 1.5° beschränkt. Die optische Achse des Streulichtmeßsystems schneidet den Laserstrahl (5) bei d» hi» beschriebenen Anordnung unter einem Winkel von 30° g»echnet von der Ausbreitungsrichtung des S trahles -2-

Claims (5)

1. AT 395 270 B (5). Falls sich keine Partikel in der Expansionskammer (1) befinden, wird vom Photodetektor (6) der gesamte einfallende Laserlichtfluß gemessen, während der Photodetektor (7) keinen nennenswerten Lichtfluß empfängt Die Aerosolpartikelprobe, deren Anzahlkonzentration zu bestimmen ist, wird in die Expansionsnebelkammer (1) gebracht, in der dann durch adiabatische Expansion dampfgesättigten Gases Dampfübersättigung erzielt wird. Der 5 im Überschuß vorhandene Dampf kondensiert an die eingebrachten Aerosolpartikel und verursacht ein gleichmäßiges Anwachsen jedes einzelnen Teilchens zu einem Flüssigkeitströpfchen mit bekannten optischen Eigenschaften. Während des Wachstums wird mit Hilfe des Photodetektors (6) eine zunehmende Abschwächung (Extinktion) des transmitterten Strahles (5) beobachtet, weil ein Teil des einfallenden Lichtes durch die anwachsenden Tröpfchen gestreut wird. Dieser gestreute Lichtfluß wird mittels des Photodetektors (7) unter dem vorbestimmten Winkel si-10 multan mit dem transmittierten Fluß als Funktion der Zeit gemessen, wobei die Messung der Lichtflüsse durch den zur Dampfübersättigung führenden Drucksprung ausgelöst wird. Der zeitliche Verlauf von transmittiertem und gestreutem Lichtfluß kann digitalisiert und in digitaler Form simultan aufgenommen und Speichern zugeführt werden. Die Extinktion des Laserstrahls (5), verursacht durch die im Strahl befindlichen Tröpfchen, steht auf Grund des IS Beer-Lambert Gesetzes in unmittelbarer Beziehung zur Partikelanzahlkonzentration N: Φ1 *·°ρ1 2 — = exp{--. Qext(D_, λ, m). 1. N] Φ0 4 20 Φ} ist der während des Anwachsens der Tröpfchen gemessene transmittierte Lichtfluß, Φο ist der einfallende Lichtfluß (Laserleistung), gemessen bei Abwesenheit der Teilchen. 1 ist die Entfernung zwischen Eintritts- und Austrittsfenster (3; 4). Dp ist der während des Wachstums zeitlich veränderliche Tröpfchendurchmesser. In der Arbeit von W. Szymanski und P. E. Wagner,“Aerosol Size Distribution Düring a Condensational Growth Process“ 25 in Atmos. Environ. 17, [1983], S. 2271, wurde gezeigt, daß die relative Standardabweichung der Größenverteilung der anwachsenden Tröpfchen kleiner als 1 % ist Die Tröpfchenpopulation hat also während des Wachstums zu jedem Zeitpunkt im wesentlichen einen einheitlichen Tröpfchendurchmesser Dp, weitgehend unabhängig von der Größenverteilung der zu untersuchenden Primärteilchen. QeXt ist die Extinktionseffizienz eines Tröpfchens, die mittels der Mie Theorie (.Absorption and Scattering of Light by Small Parücles“ von C. F. Bohren und D. R. 30 Huffman, J. Wiley & Sons, Inc. [1983], S. 477) für eine gegeben Tröpfchengiöße Dp, Laserwellenlänge λ und kon densierende Substanz mit Brechungsindex m relativ zum umgebenden Medium eindeutig berechnet werden kann. Die unbekannte Partikelkonzentration N kann nur dann auf Grund des o. e. Beer-Lambert Gesetzes direkt ermittelt werden, wenn die Tröpfchengrüße Dp bekannt ist Diese Information ist aber im Streulichtfluß, gemessen mit dem Photodetektor (7), enthalten. Der während des Wachstumsvoiganges gestreute und unter dem Winkel von 30° 35 gemessene Streulichtfluß als Funktion der Zeit zeigt eine Serie von Extrema in Übereinstimmung mit theoretischen Streulichtkurven, die gemäß der o. e. Mie Theorie berechnet werden können. Der Vergleich der gemessenen mit der entprechenden theoretischen Streulichtkurve erlaubt eine eindeutige, absolute Zuordnung jedes beobachteten Extremums zu einer bestimmten Tröpfchengröße (siehe Fig. 2). Zu jenen Zeitpunkten während des Wachstums, zu denen somit die Tröpfchengröße eindeutig bestimmbar ist, kann dank der simultanen Messung mit dem Photo-40 detektor (6) die Abschwächung (Φ1/Φο) des transmittierten Laserstahls (5) präzise bestimmt werden. Auf Grund dieser Information kann dann mittels des Beer-Lambert Gesetzes unmittelbar und ohne vorherige Eichung der Photodetektoren die unbekannte Partikelkonzentration N quantitativ ermittelt werden. Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung aufgrund ihrer Einfachheit und Zuverlässigkeit bei automatisierten Messungen angewendet weiden kann. Das Verfahren 45 eignet sich auf Grund seiner Absolutheit und Einfachheit auch als primäres Eichverfahren. PATENTANSPRÜCHE 50 -3- 1 Verfahren zur Bestimmung von Teilchenkonzentrationen durch Lichtextinktionsmessung wobei die Beleuchtung durch einekohärente Lichtquelle erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß ein gleichmäßiges Anwachsen dar Teilchen 55 hervorgerufen wird und während dieses Wachstumsvorganges eine simultane Messung des transmittierten und des 2 unter einem vorbestimmten Winkel gestreuten Lichtflusses als Funktionen der Zeit erfolgt, wobei in an sich bekannter Weise da Intensitätsverlauf des gemessenen Streulichts durch Vergleich mit theoretischen Daten eine direkte AT 395 270 B Ermittlung der Teilchengröße zu verschiedenen Zeitpunkten während des Teilchenwachstums gestattet und aus den zu diesen Zeitpunkten gemessenen Abschwächungen des transmittierten Lichtflusses die Anzahl der Teilchen pro Volumseinheit absolut bestimmt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die während des Teilchenwachstums aufgenommenen Meßwerte des gestreuten und des transmittierten Lichtflusses digitalisiert und in digitaler Form Speichern zugefuhrt werden.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 bestehend aus einer Meßkammer mit einem 10 Lichteintrittsfenster und je einem Lichtaustrittsfenster für das transmittierte bzw. das gestreute Licht, einer kohä renten Lichtquelle und je einem Photodetektor für den transmittierten bzw. den gestreuten Lichtfluß, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßkammer eine an sich bekannte Expansionsnebelkammer (1) verwendet wird, in der die für ein kondensationsbedingtes Anwachsen der Teilchen erforderliche Dampfübersättigung durch adiabatische Expansion von dampfgesättigtem Gas erzielt wird, wobei die simultane Messung des durch die Expansionsnebel- 15 kammer hindurchtretenden und des unter mindestens einem vorbestimmten Winkel gestreuten Lichtflusses als Funktionen der Zeit durch den Drucksprung in der Expansionsnebelkammer ausgelöst wird.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (2) als Laser oder Laserdiode ausgebildet ist, und daß das Eintritts- und Austrittsfenster (3; 4) für den Laserstrahl (5) jeweils zur Strahlrichtung um 20 etwa 10° geneigt ist, um Mehrfachreflexionen innerhalb der Streuebene zu vermeiden.
5. 5. Vorrichtung nach Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einschränkung des transmittierten und des gestreuten Lichtflusses auf einen Eintrittswinkel von höchstens 1.5° jeweils ein Blendensystem (9,10) zwischen Lichtaustrittsfenstem (4; 8) und Photodetektoren (6; 7) angeordnet ist 25 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 30 35 40 45 50 -4- 55