CH706903A2

CH706903A2 - A method for measurement of aerosols through induced currents as a result of a pulsed charging.

Info

Publication number: CH706903A2
Application number: CH01559/12A
Authority: CH
Inventors: Martin Fierz; Heinz Burtscher; Dominik Meier
Original assignee: Naneos Particle Solutions Gmbh
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2014-03-14
Also published as: WO2014033040A1

Abstract

Gemäss der Erfindung werden Partikel eines Aerosols zunächst in einem gepulst betriebenen Diffusionsauflader aufgeladen, so sich der Ladungszustand des Aerosols periodisch ändert. Anschliessend wird das Aerosol an einer oder mehreren Messelektroden vorbeigeleitet, und induziert in jeder Elektrode einen Strom, der proportional zu der Ladung der Partikel ist. Die Ströme jeder Messelektrode werden mit Elektrometern (6) gemessen und anschliessend ausgewertet. Im Falle einer Einzelelektrode kann dadurch die lungendeponierte Partikeloberfläche bestimmt werden. Wird mehr als eine Messelektrode eingesetzt, so werden zwischen den einzelnen Elektroden Partikel grössenselektiv abgeschieden, wodurch im Falle von zwei Elektroden die mittlere Partikelgrösse und die Partikelanzahl bestimmt werden kann, im Falle von mehreren Elektroden sogar die Partikelgrössenverteilung. Dieses Messverfahren kann auch verwendet werden, um eine optimale Belegung einer Mikroskopprobe mit Nanopartikeln zu erreichen.According to the invention, particles of an aerosol are first charged in a pulsed diffusion charger, so that the charge state of the aerosol changes periodically. Subsequently, the aerosol is conducted past one or more measuring electrodes and induces in each electrode a current which is proportional to the charge of the particles. The currents of each measuring electrode are measured with electrometers (6) and then evaluated. In the case of a single electrode, the lung-deposited particle surface can be determined thereby. If more than one measuring electrode is used, particles are selectively separated between the individual electrodes, so that in the case of two electrodes, the average particle size and the number of particles can be determined, in the case of multiple electrodes even the particle size distribution. This measurement method can also be used to achieve optimal coverage of a microscope sample with nanoparticles.

Description

Technisches GebietTechnical area

[0001] Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur berührungslosen Messung von Aerosolen (in Trägergasen suspendierten Partikeln) durch induzierte Ströme, die absichtlich durch gepulste Aufladung der Partikel hervorgerufen werden, sowie als Ausführungsbeispiele drei Vorrichtungen, die auf diesem Verfahren basieren. The present invention describes a method for non-contact measurement of aerosols (particles suspended in carrier gases) by induced currents, which are intentionally caused by pulsed charging of the particles, as well as embodiments, three devices based on this method.

[0002] Aerosole sind relevant für das Klima, und je nach chemischer Zusammensetzung gesundheitsgefährdend, wenn sie von Menschen eingeatmet werden. Ihre Messung ist daher von praktischer Bedeutung. Aerosols are relevant to the climate, and depending on the chemical composition hazardous to health, if they are inhaled by humans. Their measurement is therefore of practical importance.

Stand der TechnikState of the art

[0003] Es gibt mehrere Aerosolmessgeräte, die die Partikel des Aerosols elektrisch aufladen, und danach die geladenen Partikel detektieren, um dadurch Aussagen über das Aerosol zu machen. Mit solchen Verfahren können beispielsweise Partikelgrössenverteilungen, Partikelanzahl, mittlere Partikeldurchmesser oder lungendeponierte Partikeloberfläche gemessen werden. There are several aerosol meters that electrically charge the particles of the aerosol, and then detect the charged particles to thereby make statements about the aerosol. For example, particle size distributions, number of particles, mean particle diameter or pitch-deposited particle surface can be measured with such methods.

[0004] Die Partikel werden üblicherweise in unipolaren Aufladern geladen, die Ionen einer Polarität erzeugen, und mit den Partikeln mischen. Die überzähligen Ionen werden in einer lonenfalle, die aus einem schwachen elektrischen Feld besteht, wieder abgeschieden, so dass lediglich die geladenen Partikel übrig bleiben. Die Detektion der geladenen Partikel erfolgt danach in jeweils isolierten Filtern, porösen Körpern, Impaktoren, oder durch Abscheidung durch elektrische Felder auf isolierte Messelektroden. Die Partikel werden also üblicherweise im Messgerät gesammelt, wodurch dieses periodisch gereinigt werden muss. Die Detektion erfolgt praktisch immer durch einen Einfang der Partikel, so dass die Ladungen auf den Partikeln als Strom gemessen werden können. Die Ströme auf den Filtern, porösen Körpern, Impaktoren oder Messelektroden müssen mittels hochempfindlichen Stromverstärkern, sogenannten Elektrometern, gemessen werden, da sie typischerweise im Bereich 1fA–1pA liegen. Elektrometer weisen einen Nullpunktoffset auf, der temperaturabhängig ist. Dieser Offset muss daher periodisch gemessen und abgeglichen werden. The particles are usually loaded in unipolar chargers which produce ions of one polarity and mix with the particles. The excess ions are redeposited in an ion trap, which consists of a weak electric field, so that only the charged particles remain. The detection of the charged particles then takes place in each case in isolated filters, porous bodies, impactors, or by deposition by electric fields on isolated measuring electrodes. The particles are therefore usually collected in the meter, which must be periodically cleaned. The detection is practically always done by trapping the particles so that the charges on the particles can be measured as current. The currents on the filters, porous bodies, impactors or measuring electrodes must be measured by means of highly sensitive current amplifiers, so-called electrometers, since they are typically in the range 1fA-1pA. Electrometers have zero offset, which is temperature dependent. This offset must therefore be periodically measured and adjusted.

[0005] In den meisten bestehenden Messgeräten werden die Partikel mit unipolaren Diffusionsaufladern aufgeladen. Die Ladung, die die Partikel als gesamtes in einem unipolaren Diffusionsauflader aufnehmen, ist ziemlich genau proportional zu der lungendeponierten Partikeloberfläche (US 7,812,306). Komplexere Messgeräte benützen zwei oder mehr Messelektroden mit Elektrometern um die Ladung der Partikel zu messen. Mit zwei Detektoren die eine partikelgrössenabhängige Abscheidestufe zwischengeschaltet haben, kann die mittlere Partikelgrösse sowie die Partikelanzahlkonzentration bestimmt werden (EP 1 681 550 und EP 1 655 595). Mit mehreren Detektoren kann auch eine Partikelgrössenverteilung bestimmt werden (EP 1 156 320). In most existing meters, the particles are charged with unipolar diffusion chargers. The charge that collects the particles as a whole in a unipolar diffusion charger is quite closely proportional to the pitched particle surface (US 7,812,306). More complex measuring instruments use two or more measuring electrodes with electrometers to measure the charge of the particles. With two detectors which have interposed a particle size-dependent separation stage, the mean particle size and the particle number concentration can be determined (EP 1 681 550 and EP 1 655 595). With several detectors also a particle size distribution can be determined (EP 1 156 320).

[0006] In den Patentschriften (GB 2 374 671) sowie (EP 1 681 550) wurde dargelegt, wie Konzentrationsschwankungen von geladenen Partikeln in mehrstufigen Aerosolmessgeräten, die auf Strommessungen basieren, Störungen durch induzierte Ströme hervorrufen, und es wurden geeignete Massnahmen aufgezeigt um diese Störungen zu korrigieren. Eine Möglichkeit besteht in der Messung der induzierten Ströme mittels zusätzlichen Detektionselektroden, die als Faradaykäfig ausgeführt werden. Ein Faradaykäfig besteht zum Beispiel aus einem Stück leitfähigem Rohr mit Gittern an den Enden. Der Faradaykäfig wird vom Aerosol durchströmt, und die Partikel werden im Gegensatz zum Standardverfahren nicht deponiert. In den erwähnten Patentschriften wird das Signal der zusätzlichen Detektionselektroden aber nur benützt, um die Signale der eigentlichen Messelektroden zu korrigieren. In the patents (GB 2 374 671) and (EP 1 681 550) it has been explained how concentration variations of charged particles in multistage aerosol measuring devices based on current measurements cause induced current disturbances, and suitable measures have been demonstrated for these Correct disturbances. One possibility is to measure the induced currents by means of additional detection electrodes, which are designed as Faraday cage. For example, a Faraday cage is made of a piece of conductive tube with bars on the ends. The Faraday cage is traversed by the aerosol, and the particles are not deposited in contrast to the standard method. In the cited patents, however, the signal of the additional detection electrodes is only used to correct the signals of the actual measuring electrodes.

[0007] In der Patentschrift (EP 1 655 595) wird ein Verfahren aufgezeigt, in dem mittels einer periodisch geschalteten elektrostatischen Abscheidung von Partikeln eine periodische Konzentrationsänderung hervorgerufen wird, die direkt in einem Faradaykäfig gemessen werden kann. Die Amplitude des Elektrometersignals ist gemäss diesem Patent proportional zu der Partikelanzahlkonzentration. Auch hier werden Partikel aber im Gerät abgeschieden, diesmal nicht im Elektrometer selber, sondern davor. In the patent (EP 1 655 595), a method is shown in which by means of a periodically switched electrostatic deposition of particles, a periodic change in concentration is caused, which can be measured directly in a Faraday cage. The amplitude of the electrometer signal according to this patent is proportional to the particle number concentration. Again, particles are deposited in the device, this time not in the electrometer itself, but before.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

[0008] Gegenstand der Erfindung ist, dass induzierte Ströme nicht mehr als Störung aufgefasst werden, sondern dass induzierte Ströme direkt als Messsignal benützt werden, und im Gerät durch eine zeitliche Variation des Ladungszustands des Aerosols absichtlich hervorgerufen werden. Diese zeitliche Variation wird dadurch hervorgerufen, dass ein unipolarer Auflader gepulst betrieben wird, d.h. der Auflader wird periodisch ein- und ausgeschaltet (gepulster unipolarer Betrieb). Das Aerosol ist dadurch periodisch elektrisch neutral, dann geladen, dann wieder neutral und so weiter. Alternativ kann ein gepulster bipolarer Betrieb benützt werden, wobei der Auflader das Aerosol periodisch positiv und negativ auflädt. Im bipolar gepulsten Fall wird das Nutzsignal doppelt so gross wie im unipolar gepulsten Fall. Das gepulst geladene Aerosol wird anschliessend in einer oder mehreren Messelektroden detektiert, die entweder als komplette oder partielle Faradaykäfige ausgeführt sind. Ein kompletter Faradaykäfig ist ein Volumen, das mit leitenden Wänden oder Gittern mit Gitteröffnungen viel kleiner als den Dimensionen des Käfigs vollständig umgeben ist. Ein Beispiel hierfür ist ein Metallrohr mit Gittern an den Enden. Ein partieller Faradaykäfig hat auch noch Öffnungen von ähnlichen Dimensionen wie der Käfig selber - ein Beispiel dafür ist ein Metallrohr mit offenen Enden. Wird ein kompletter Faradaykäfig über ein Elektrometer geerdet, so muss die Summe der Ladung im Käfig und auf dem Käfig immer 0 sein. Fliesst also eine Ladung Q in den Käfig, so fliesst durch das Elektrometer eine Ladung -Q auf den Käfig. Die Strommessung am kompletten Faradaykäfig ist damit bis auf das Vorzeichen identisch zu einer Strommessung des geladenen Aerosols durch Einfang des Aerosols auf einem Partikelfilter, wie dies üblicherweise geschieht. Wird ein partieller Faradaykäfig verwendet, so ist das Signal je nach Offenheit des partiellen Käfigs entsprechend kleiner, aber immer proportional zu demjenigen in einem kompletten Faradaykäfig. The invention is that induced currents are no longer perceived as a disturbance, but that induced currents are used directly as a measurement signal, and are deliberately caused in the device by a time variation of the charge state of the aerosol. This temporal variation is caused by pulsing a unipolar charger, i. The supercharger is periodically switched on and off (pulsed unipolar operation). The aerosol is periodically electrically neutral, then charged, then neutral again and so on. Alternatively, a pulsed bipolar operation may be used wherein the supercharger periodically charges the aerosol positively and negatively. In the bipolar pulsed case, the useful signal is twice as large as in the unipolar pulsed case. The pulsed aerosol is subsequently detected in one or more measuring electrodes, which are designed either as complete or partial Faraday cages. A complete Faraday cage is a volume completely surrounded by conductive walls or grids with grid openings much smaller than the dimensions of the cage. An example of this is a metal tube with grids on the ends. A partial Faraday cage also has openings of similar dimensions to the cage itself - an example being a metal tube with open ends. If a complete Faraday cage is earthed via an electrometer, then the sum of the charge in the cage and on the cage must always be 0. Thus, if a charge Q flows into the cage, a charge -Q flows through the electrometer onto the cage. The current measurement on the complete Faraday cage is therefore identical except for the sign of a current measurement of the charged aerosol by trapping the aerosol on a particulate filter, as is usually done. If a partial Faraday cage is used, the signal is correspondingly smaller depending on the openness of the partial cage, but always proportional to that in a complete Faraday cage.

[0009] Basierend auf dieser gepulsten Aufladung und der Detektion in Faradaykäfigen können verschiedene Geräte gebaut werden, die ähnlich zu bestehenden Aerosolmessgeräten sind, die aber mehrere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik aufweisen, nämlich (1) automatische Nullpunktkorrektur der Elektrometer, (2) berührungslose Detektion, d.h. deutlich geringerer Reinigungs- und Wartungsaufwand, sowie weitere spezifische Vorteile die in den Ausführungsbeispielen erläutert werden. In EP 1 655 595 wird eine zeitliche Variation der Partikelladung durch eine elektrostatische Abscheidevorrichtung erzeugt. Diese Abscheidevorrichtung ist bei gepulster Aufladung in unseren Ausführungsbeispielen 1 und 2 unnötig, d.h. unsere Vorrichtungen sind einfacher. Based on this pulsed charge and the detection in Faraday cages, various devices can be built that are similar to existing aerosol measuring devices, but have several advantages over the prior art, namely (1) automatic zero point correction of the electrometer, (2) non-contact Detection, ie significantly lower cleaning and maintenance costs, as well as other specific advantages which are explained in the embodiments. In EP 1 655 595 a temporal variation of the particle charge is generated by an electrostatic precipitator. This separator is unnecessary with pulsed charging in our embodiments 1 and 2, i. our devices are simpler.

[0010] Die Erfindung wird in drei Ausführungsbeispielen erläutert, welche auch in den Zeichnungen dargestellt sind. The invention will be explained in three embodiments, which are also shown in the drawings.

Aufzählung der ZeichnungenEnumeration of the drawings

[0011] <tb>Fig. 1 :<SEP>Aufbau einer Messvorrichtung zur Messung der lungendeponierten Partikeloberfläche mittels gepulst aufgeladenem Aerosol <tb>Fig. 2 :<SEP>Zeitlicher Verlauf der Aufladung des Aerosols in einem unipolar gepulsten Auflader. <tb>Fig. 3 :<SEP>Zeitlicher Verlauf der Aufladung des Aerosols in einem bipolar gepulsten Auflader. <tb>Fig. 4 :<SEP>Verschiedene Varianten zur Realisierung des Faradaykäfigs, bzw. der Detektionselektrode. <tb>Fig. 5 :<SEP>Aufbau einer Messvorrichtung zur optimalen Belegung einer Mikroskop-Probe mit Nanopartikeln <tb>Fig. 6 :<SEP>Aufbau einer Messvorrichtung zur Messung der Partikelgrössenverteilung mittels gepulst aufgeladenem Aerosol <tb>Fig. 7 :<SEP>zeitlicher Verlauf des Elektrometermesssignals an einem Faradaykäfig bei unipolar gepulster Aufladung des Aerosols. <tb>Fig. 8 :<SEP>charakteristischer positiv-negativer Doppelpuls der von einer einzelnen geladenen Aerosolwolke an einem Faradaykäfig hervorgerufen wird.[0011] <Tb> FIG. 1: <SEP> Construction of a measuring device for measuring the lung-deposited particle surface by means of pulsed charged aerosol <Tb> FIG. 2: <SEP> Time course of charging the aerosol in a unipolar pulsed charger. <Tb> FIG. 3: <SEP> Time course of charging the aerosol in a bipolar pulsed charger. <Tb> FIG. 4: <SEP> Different variants for the realization of the Faraday cage, or the detection electrode. <Tb> FIG. 5: <SEP> Setup of a measuring device for the optimal assignment of a microscope sample with nanoparticles <Tb> FIG. 6: <SEP> Construction of a measuring device for measuring the particle size distribution by means of pulsed charged aerosol <Tb> FIG. 7: <SEP> Time course of the electrometer measurement signal on a Faraday cage with unipolar pulsed charging of the aerosol. <Tb> FIG. Figure 8: Characteristic positive-negative double pulse produced by a single charged aerosol cloud on a Faraday cage.

Ausführungsbeispiel 1:Embodiment 1

[0012] Fig. 1 zeigt ein Messgerät zur berührungslosen Messung der lungendeponierten Partikeloberfläche. Durch einen Einlass (1) tritt das Aerosol in das Messgerät ein. Es fliesst in den Auflader, bestehend aus Coronadraht (2), Abschirmungsgitter (3) und Gegenelektrode (4). Am Coronadraht liegt eine unipolar oder bipolar gepulste Hochspannung an, so dass eine stille Entladung entsteht, die Ionen einer (unipolar) oder beiden (bipolar) Polaritäten erzeugt. Diese Ionen können durch das Abschirmungsgitter in den Aerosolfluss gelangen, und werden durch die Gegenelektrode, die auf einer tiefen Spannung mit dem entgegengesetzten Vorzeichen der Ionen gehalten wird, angezogen. Die Ionen werden auf der Gegenelektrode abgeschieden, und der dadurch entstehende Strom wird gemessen um die Aufladung kontrolliert zu halten. Im Auflader wird das Aerosol mit Ionen vermischt und dadurch aufgeladen. Die Gegenelektrode ist in Flussrichtung etwas länger ausgeführt als das Abschirmungsgitter und dient dadurch gleichzeitig als lonenfalle, d.h. alle Ionen werden an der Gegenelektrode abgeschieden, und übrig bleiben nur geladene Partikel. Das periodisch geladene Aerosol durchströmt nun den Faradaykäfig (5) und mittels des Elektrometers (6) wird das Messsignal aufgezeichnet. Das Aerosol wird am Auslass (7) mittels Pumpe oder Ventilator abgesogen. Fig. 1 shows a measuring device for non-contact measurement of lungendeponierten particle surface. Through an inlet (1), the aerosol enters the meter. It flows into the charger, consisting of corona wire (2), screening grid (3) and counter electrode (4). A unipolar or bipolar pulsed high voltage is present on the corona wire, so that a silent discharge is produced which generates ions of one (unipolar) or both (bipolar) polarities. These ions can pass through the screening grid into the aerosol flow and are attracted by the counter electrode held at a low voltage with the opposite sign of the ions. The ions are deposited on the counter electrode and the resulting current is measured to keep the charge under control. In the supercharger, the aerosol is mixed with ions and charged. The counterelectrode is made slightly longer in the flow direction than the screening grid and thereby simultaneously serves as an ion trap, i. All ions are deposited on the counter electrode leaving only charged particles. The periodically charged aerosol now flows through the Faraday cage (5) and the measuring signal is recorded by means of the electrometer (6). The aerosol is drawn off at the outlet (7) by means of a pump or fan.

[0013] Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Aerosolladung bei unipolar gepulstem Betrieb des Aufladers, Fig. 3 dasselbe bei bipolar gepulstem Betrieb. Fig. 2 shows the time course of the aerosol charge in unipolar pulsed operation of the supercharger, Fig. 3 the same in bipolar pulsed operation.

[0014] In Fig. 4 sind verschiedene Varianten des Faradaykäfigs an dem das Elektrometer angeschlossen ist dargestellt. Der Faradaykäfig kann komplett sein, zum Beispiel als metallisches Rohr mit Gittern an den Enden (10), oder partiell, zum Beispiel als offenes metallisches Rohr (11), als isolierter Teil eines Rohrs (12) oder als isolierte Metallfläche (14) auf einer Leiterplatte (13) die auf einen geerdeten Flusskanal (15) geschraubt wird. Die letzte Variante erlaubt besonders einfache Konstruktionen von Messgeräten. In Fig. 4 are different variants of the Faraday cage to which the electrometer is connected. The Faraday cage may be complete, for example as a metallic tube with grids at the ends (10), or partially, for example as an open metallic tube (11), as an insulated part of a tube (12) or as an insulated metal surface (14) on one Circuit board (13) which is screwed onto a grounded flow channel (15). The last variant allows particularly simple constructions of measuring instruments.

[0015] Das Messsignal am Elektrometer bei unipolar gepulstem Betrieb ist in Fig. 7 dargestellt. Immer wenn eine geladene Aerosolwolke in den Käfig strömt, fliesst ein Ausgleichsstrom (40) auf den Faradaykäfig, der dafür sorgt, dass der gesamte Käfig mit Inhalt elektrisch neutral bleibt. Dieser Strom ist exakt gleich gross wie der Strom, der in einem Filter, der die Partikel einfängt gemessen würde, und daher gemäss Patent US 7,812,306 proportional zu der lungendeponierten Partikeloberfläche. Sobald die Wolke den Faradaykäfig wieder verlässt, fliesst der Strom in die umgekehrte Richtung, aber mit der gleichen Stärke (41). Die Amplitude des Messsignals ist daher doppelt so gross wie in bisherigen Messgeräten, die das Aerosol konstant aufladen und in einem Filter mit Elektrometerverstärker messen. Wird die Vorrichtung mit einem bipolar gepulsten Auflader betrieben, verdoppelt sich die Amplitude des Messsignals nochmals, ist also dann vier Mal so gross wie in üblichen Messgeräten. The measurement signal at the electrometer at unipolar pulsed operation is shown in Fig. 7. Whenever a charged aerosol cloud flows into the cage, a counterbalance stream (40) flows onto the Faraday cage, which keeps the entire cage with contents electrically neutral. This current is exactly the same as the current that would be measured in a filter that captures the particles, and therefore, according to US Pat. No. 7,812,306, proportional to the pitch-deposited particle surface. As soon as the cloud leaves the Faraday cage, the current flows in the opposite direction, but with the same intensity (41). The amplitude of the measurement signal is therefore twice as large as in previous measuring devices, which constantly charge the aerosol and measure it in a filter with an electrometer amplifier. If the device is operated with a bipolar pulsed charger, the amplitude of the measurement signal doubles again, and is then four times as large as in conventional measuring devices.

[0016] Diese Vorrichtung hat folgende 4 Vorteile gegenüber dem Stand der Technik: 1) Die Verdopplung oder Vervierfachung des Messsignals bei unipolar oder bipolar gepulstem Betrieb 2) Die berührungslose Messung der lungendeponierten Partikeloberfläche macht Filterwechsel überflüssig, wodurch ein wesentlich geringerer Wartungsaufwand entsteht 3) Die Abwesenheit des Filters führt zu einem kleineren Druckabfall über dem Messgerät, wodurch weniger Energie für die Erzeugung des Gasflusses im Messgerät benötigt wird, und Messgeräte mit besonders geringem Energieverbrauch gebaut werden können. 4) Driftet der Nullpunkt des Elektrometers, so wird dies automatisch kompensiert, da nur die Amplitude des Messsignals ausschlaggebend ist. This device has the following 4 advantages over the prior art: 1) The doubling or quadrupling of the measurement signal in unipolar or bipolar pulsed operation 2) The non-contact measurement of the pitch-deposited particle surface eliminates the need for filter changes, resulting in significantly lower maintenance requirements 3) The absence of the filter results in a smaller pressure drop across the meter, which requires less energy to generate the flow of gas into the meter, and allows the construction of ultra-low power meters. 4) If the zero point of the electrometer drifts, this is compensated automatically, since only the amplitude of the measuring signal is decisive.

Ausführungsbeispiel 2:Embodiment 2:

[0017] Fig. 5 zeigt ein Messgerät zur optimalen Belegung einer Mikroskopprobe mit Nanopartikeln. In dieser Anordnung wird anschliessend an Ausführungsbeispiel 1 eine Mikroskopprobe (20), beispielsweise ein Netzchen für ein Transmissionselektronenmikroskop, auf einem Probenhalter (21) angebracht, an dem das Aerosol vorbeiströmt, bevor es durch den Auslass (22) aus dem Messgerät strömt. Durch ein starkes elektrisches Feld werden die geladenen Partikel auf die Probe abgeschieden. Dieses Feld wird beispielsweise dadurch erzeugt, dass am Probenhalter eine elektrische Spannung angelegt wird. Das Problem ist nun, dass man so lange Partikel sammeln möchte, bis die Probe genügend belegt ist - d.h. es sollen weder zu wenige noch zu viele Partikel auf der Probe sein. Da während der Probenahme laufend die Partikelkonzentration über die Messelektrode gemessen wird, kann abgeschätzt werden, wann genügend Partikel gesammelt wurden. Die Probenahme kann dann automatisch gestoppt werden. Das Messgerät kann auch so betrieben werden, dass es Partikel nur dann sammelt, wenn die gemessene Partikelkonzentration einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Fig. 5 shows a measuring device for optimal assignment of a microscope sample with nanoparticles. In this arrangement, subsequent to embodiment 1, a microscope sample (20), for example a mesh for a transmission electron microscope, is mounted on a sample holder (21) where the aerosol passes before flowing through the outlet (22) from the measuring device. A strong electric field separates the charged particles onto the sample. This field is generated, for example, by applying an electrical voltage to the sample holder. The problem now is that you want to collect particles until the sample is sufficiently filled - i. there should be neither too few nor too many particles on the sample. Since the particle concentration is continuously measured via the measuring electrode during sampling, it can be estimated when enough particles were collected. The sampling can then be stopped automatically. The meter may also be operated to collect particulates only when the measured particulate concentration exceeds a certain threshold.

[0018] Übliche Methoden zur Probenahme von Partikeln für die Mikroskopie sind die direkte Ansaugung von Partikeln auf porösen Filtern, die Abscheidung durch Thermophorese oder durch elektrische Aufladung und anschliessende Abscheidung in einem elektrischen Feld. Bei der Filterabscheidung und der Abscheidung durch Thermophorese kann die nötige Probenahmedauer nur aufgrund von Erfahrungswerden geschätzt werden. Bei der normalen Aufladung gefolgt von Abscheidung kann der Strom, der auf die Probe fliesst gemessen werden, jedoch nur mit grossem Aufwand, da die Probe auf einer hohen elektrischen Spannung liegt, was die Strommessung enorm kompliziert. Vorteile gegenüber dem Stand der Technik sind also 1) Integration der Messung der lungendeponierten Oberflächenmessung in das Messgerät, so dass das Gerät zunächst ohne Probenahme zur Detektion von Partikelquellen eingesetzt werden kann 2) Einfache Messung der nötigen Probenahmedauer 3) Belegung der Probe nur bei Überschreitung eines Schwellwerts Conventional methods for sampling of particles for microscopy are the direct suction of particles on porous filters, the deposition by thermophoresis or by electrical charging and subsequent deposition in an electric field. In filter deposition and thermophoresis deposition, the required sampling time can only be estimated based on experience. In normal charging followed by deposition, the current flowing to the sample can be measured, but only with great effort, since the sample is at a high electrical voltage, which complicates the current measurement enormously. Advantages over the prior art are so 1) Integration of the measurement of the surface-deposited surface measurement into the measuring device, so that the device can initially be used without sampling for the detection of particle sources 2) Simple measurement of the required sampling time 3) Assignment of the sample only if a threshold value is exceeded

Ausführungsbeispiel 3:Embodiment 3

[0019] Fig. 6 zeigt ein Messgerät zur berührungslosen Messung von Partikelanzahl und mittlerem Partikeldurchmesser, oder der Partikelgrössenverteilung. In dieser Anordnung werden zusätzlich zum im Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Aufbau weitere Faradaykäfige (31) mit Elektrometern benützt. Das Gerät kann lediglich einen zusätzlichen Käfig haben, womit die der mittlere Partikeldurchmesser und die Partikelanzahlkonzentration bestimmt werden können (ähnlich wie in EP 1 681 550 und EP 1 655 595), oder mehrere, womit eine Partikelgrössenverteilung bestimmt werden kann (wie in EP 1 156 320). Zwischen den einzelnen Messelektroden wird jeweils ein Teil der Partikel in einem elektrischen Feld abgeschieden, das durch entsprechende Abscheideelektroden (30) angelegt wird. Im elektrischen Feld werden vorzugsweise kleine Partikel abgeschieden, da diese eine höhere elektrische Mobilität haben als grössere Partikel. Mit der ersten Messelektrode werden also alle Partikel gemessen, danach werden an der ersten Abscheideelektrode die kleinsten Partikel entfernt. In der zweiten Messelektrode wird nur noch ein Signal der verbleibenden Partikel gemessen, die Differenz zu der ersten Messelektrode entspricht also der Menge der kleinsten Partikel. An weiteren Abscheideelektroden können mittels höheren elektrischen Feldern oder längeren Verweildauern die nächstgrösseren Partikel abgeschieden werden, und somit weitere Grössenklassen aufgelöst werden. Jede einzelne geladene Aerosolwolke ruft nacheinander in jedem Faradaykäfig den in Fig. 8 gezeigten typischen Doppelpuls hervor, bestehend aus einem positiven Puls (50) und einem negativen Puls (51) – oder umgekehrt, je nach Polarität des Aufladers. Man erhält im ersten Käfig die höchste Pulsamplitude, und in jedem weiteren Käfig eine kleinere Amplitude, da zwischen jeder Messelektrode ein Teil der Partikel aus dem Gasstrom entfernt wird. Fig. 6 shows a measuring device for non-contact measurement of particle number and mean particle diameter, or the particle size distribution. In this arrangement, further Faraday cages (31) with electrometers are used in addition to the construction described in Example 1. The device can only have an additional cage, with which the average particle diameter and the particle number concentration can be determined (similar to EP 1 681 550 and EP 1 655 595), or more, with which a particle size distribution can be determined (as in EP 1 156 320). In each case, a part of the particles is deposited in an electric field between the individual measuring electrodes, which is applied by means of corresponding deposition electrodes (30). In the electric field, small particles are preferably deposited, since these have a higher electrical mobility than larger particles. With the first measuring electrode so all particles are measured, then the smallest particles are removed at the first deposition electrode. In the second measuring electrode only one signal of the remaining particles is measured, the difference to the first measuring electrode thus corresponds to the amount of the smallest particles. At further deposition electrodes by means of higher electric fields or longer residence times, the next larger particles can be deposited, and thus further size classes are resolved. Each individual charged aerosol cloud sequentially causes, in each Faraday cage, the typical double pulse shown in Figure 8, consisting of a positive pulse (50) and a negative pulse (51) - or vice versa, depending on the polarity of the supercharger. The highest pulse amplitude is obtained in the first cage, and a smaller amplitude in each additional cage, since a part of the particles is removed from the gas flow between each measuring electrode.

[0020] Das vorgestellte Verfahren hat wiederum mehrere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik: 1) Es muss nur die Amplitude der Messsignale detektiert werden, die wie im Ausführungsbeispiel 1 höher ist als in üblichen Messgeräten 2) Der Nullpunktoffset der Elektrometer wird auch hier automatisch korrigiert 3) Die Messsignale können jeweils derselben Aerosolwolke zugeordnet werden, wodurch bei N Messelektroden N Amplituden bestimmt werden können, die allesamt zu derselben Aerosolwolke gehören. In (EP 1 655 595) wird eine ähnliche Technik vorgestellt, in der jedoch die Partikelabscheidung durch das elektrische Feld zeitlich sequentiell geschieht. Bei schnellen Änderungen der Aerosolkonzentration wird dadurch ein Fehler gemacht, da Messsignale, die verschiedenen Konzentrationen entsprechen, miteinander verglichen werden, was zu unsinnigen Resultaten führt. 4) Die Messelektroden messen nur die induzierten Ströme. In EP 1 681 550 und EP 1 156 320 werden Verfahren vorgestellt, die ähnlich zu dieser Erfindung sind, wo jedoch jeweils eine Kombination von induzierten Strömen und durch Partikeleinfang hervorgerufene Ströme gemessen wird. Die induzierten Ströme müssen auf aufwändige Art wieder korrigiert werden, was hier nicht der Fall ist. Ausserdem werden in den genannten beiden Verfahren die Partikel in porösen Körpern gesammelt, die mit der Zeit verschmutzen und gereinigt werden müssen, da sich ihre Abscheidecharakteristik im verschmutzten Zustand verändert. Dieses Problem stellt sich nicht im Falle der Abscheidung mittels elektrischem Feld. The presented method in turn has several advantages over the prior art: 1) Only the amplitude of the measurement signals has to be detected, which is higher than in conventional measuring devices, as in embodiment 1 2) The zero point offset of the electrometer is also automatically corrected here 3) The measurement signals can each be assigned to the same aerosol cloud, whereby at N measuring electrodes N amplitudes can be determined, all of which belong to the same aerosol cloud. In (EP 1 655 595), a similar technique is presented in which, however, the particle deposition by the electric field is sequential in time. In the case of rapid changes in the aerosol concentration, this makes a mistake in that measurement signals which correspond to different concentrations are compared with one another, which leads to nonsensical results. 4) The measuring electrodes measure only the induced currents. EP 1 681 550 and EP 1 156 320 disclose methods similar to this invention, but wherein each measure a combination of induced currents and particle trapping induced currents. The induced currents have to be corrected again in a complex way, which is not the case here. In addition, in the two methods mentioned, the particles are collected in porous bodies which, over time, have to be polluted and cleaned, since their separation characteristics change in the polluted state. This problem does not arise in the case of the deposition by electric field.

Claims

1. A method for measuring aerosols that use a pulsed charge to induce induced currents as a measurement signal.

2. The method of claim 1, wherein the supercharger is pulsed unipolar.

3. The method of claim 1, wherein the supercharger is pulsed bipolar.

4. The detection of the induced under claim 1 currents in an insulated measuring electrode by means of an electrometer.

5. The measuring electrode of claim 4, characterized in that it consists of a complete Faraday cage, which is traversed by the aerosol.

6. The measuring electrode of claim 4, characterized in that it is designed as a partial Faraday cage, which is traversed by the aerosol.

7. The measuring electrode of claim 6, characterized in that it is designed as part of a flow channel, which is traversed by the aerosol, and that this part is electrically isolated from the remaining flow channel.

8. The measuring electrode of claim (7), characterized in that it is carried out directly as a conductive surface on a printed circuit board, which is isolated from the rest of the printed circuit board

9. The measuring electrode of claim (8), characterized in that it is protected by a running on the circuit board itself shield, which is held at the same potential as the measuring electrode, against leakage currents.

10. A device based on claims 1 to 9, in which the amplitude of the current measured at the measuring electrode is determined, which is proportional to the charge of the aerosol, and thus by means of a multiplicative calibration constant, the lung-deposited particle surface is determined.

A device according to claims 1 to 10, wherein the accumulated amplitude of the current measured at the measuring electrode is used to determine the optimum time to occupy a microscope sample.

12. The apparatus of claim 11, characterized in that the sample is mounted in a flow channel behind the measuring electrode, and the particles are deposited by an electric field on the microscope sample.

13. The apparatus of claim 12, characterized in that when exceeding a threshold, the sampling is done automatically.

14. A device based on claims 1 to 9, in which the induced currents are measured in two or more measuring electrodes in a serial arrangement, wherein in each case a separating device consisting of an electric field is connected between the measuring electrodes.

15. A method based on claim 14, wherein the particle number concentration and the mean particle diameter are determined by means of the currents measured in two electrodes.

16. A method based on claim 14, wherein the particle size distribution is determined by means of the currents measured in more than two electrodes.