CH711170A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von Aerosolpartikeln. - Google Patents

Abstract

Gemäss der Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Eigenschaft von in einem Trägergas (5) suspendierten Partikeln eines Aerosols zur Verfügung gestellt, wobei primäre elektromagnetische Strahlung (2, 4) von einer definierten Wellenlänge oder von mehreren definierten Wellenlängen auf das Trägergas (5) eingestrahlt, aus elastisch gestreuten Anteilen der primären Strahlung ein Messsignal generiert und die Eigenschaft aus dem Messsignal ermittelt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die definierte Wellenlänge bzw. eine der definierten Wellenlängen auf eine charakteristische Wellenlänge mindestens einer im Aerosol potentiell vorkommenden Partikelsorte abgestimmt ist.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur selektiven Bestimmung einer bestimmten Klasse von in einem Trägergas suspendierten Partikeln (Aerosolen).

[0002] Aerosole spielen in der Atmosphäre eine wesentliche Rolle, z.B. wegen ihrer negativen Auswirkungen auf die Gesundheit, weil sie Schäden an Gebäuden hervorrufen können, die Sichtweite trüben, einen Einfluss auf die Klimaveränderung ausüben, und – insbesondere im Fall von Partikeln, die von Vulkanausbrüchen stammen –, den Luftverkehr gefährden können.

[0003] In den Höhen, in der der Luftverkehr stattfindet, finden sich häufig Wassertröpfchen bzw. Eiskristalle, die die gleichen Grössen aufweisen können wie die Vulkanpartikel. Ein Verfahren zur Detektion und quantitativen Messung von Vulkanpartikeln muss also diese von Wasser- oder Eispartikeln unterscheiden können. Ein ähnliches Bedürfnis existiert im Zusammenhang mit anderen Aerosolen, beispielsweise bei der Messung von besonders gesundheitsgefährdenden lungengängigen Partikeln. Auch dort muss man die schädlichen Partikel von unschädlichen Wasser- oder Salzpartikeln unterscheiden können.

[0004] Es gibt bereits Geräte, mit denen versucht wird dieses Ziel zu erreichen, die auf Lichtstreuung beruhen. Diese nutzen aus, dass bei Lichtstreuung an kugelförmigen Partikeln die Polarisation erhalten bleibt, bei anderen Geometrien aber ganz oder teilweise verloren geht (beispielsweise H. Kobayashi et al., Developement of a polarzation optical particle counter ..., Atmospheric Environment 97, 486–492, 2014). Wenn polarisiertes Licht eingestrahlt wird, kann demzufolge aus der Messung des Polarisationsgrades des gestreuten Lichtes eine gewisse Selektion vorgenommen werden, da die Wassertropfen kugelförmig sind, die Vulkanpartikel jedoch nicht immer. Dieses Verfahren ist bei der Diskriminierung von Eis problematisch, da diese Kristalle in der Regel nicht sphärisch sind. Dieses Konzept wird in US 2014/0 330 459 A1 und US 8 724 099 B2 beschrieben. Während im ersten Fall die Messung auf eine sehr kurze Distanz gemacht wird, wird im zweiten ein Doppler-Light detection and ranging-(LIDAR-)System gezeigt, das zusätzlich zur üblichen Signalauswertung dieser Systeme auch noch die Depolarisation bestimmt.

[0005] Eine weitere Möglichkeit, partikelspezifische Information zu erhalten, ist nicht nur das elastisch gestreute Licht zu messen, sondern auch Fluoreszenzlicht. Dies wird vor allem zur Detektion von Bioaerosolen gemacht, z.B. in WO 2005/029 046 A2. Dort ist eine Kombination von elastischer Streulichtmessung, Fluoreszenzmessung und Flugzeitmessung beschrieben, die eine recht breite Charakterisierung von Aerosolpartikeln erlaubt, inklusive Messung der Masse, der Dichte, etc. Ein solches Verfahren ist jedoch in seinen Anwendungen beschränkt auf bestimmte Partikelsorten.

[0006] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messverfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche Nachteile und Limitierungen des bekannten Standes der Technik überwinden und welche insbesondere geeignet sind, rasch, insbesondere in Echtzeit, Vulkanasche oder potentiell gesundheitsschädliche Aerosolpartikel von Wasser- oder Eispartikeln zu unterscheiden.

[0007] Diese Aufgabe wird gelöst durch die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist.

[0008] Gemäss einem der Erfindung zugrunde liegenden Konzept wird die Erkenntnis ausgenützt, dass das Lichtstreuvermögen eines Partikels markant von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes und von den Partikeleigenschaften abhängig ist, und zwar auch bei elastischer Lichtstreuung. Bei der elastischen Lichtstreuung ist die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts gleich gross wie die des eingestrahlten Lichts.

[0009] In der Literatur gibt es viele Ansätze, welche auf spektroskopischen oder ähnlichen Verfahren beruhen und Materie – auch in Teilchenform – anhand der Absorptions- oder Emissionseigenschaften charakterisieren. All diese Ansätze beruhen darauf, dass die Wechselwirkung zwischen der Materie und absorbierter oder emittierter Strahlung aufgrund der Quantisierung der Zustände wellenlängenabhängig ist.

[0010] Wellenlängenabhängige Messungen im Durchlichtverfahren (d.h. nach dem Extinktionsprinzip) und an Proben mit definierten geometrischen Eigenschaften sind bekannt. Bei elastischer Lichtstreuung an Aerosolpartikeln funktionieren diese Ansätze nicht a priori, da das Durchlichtverfahren keine befriedigenden Ergebnisse zeitigt und rückgestreute Strahlung nicht direkt von einem Übergang zwischen verschiedenen Anregungszuständen der Materie herrührt. Für sphärische Partikel werden die elastischen Streueigenschaften in Funktion der Wellenlänge durch Mie-Theorie beschrieben, welche die Partikelgrösse und den wellenlängenabhängigen komplexen Brechungsindex berücksichtigt. Insbesondere die – im Einzelfall unbekannte und über ein Aerosol variierende – Partikelgrösse geht kritisch ein.

[0011] Es ist eine Erkenntnis der Erfindung, dass trotzdem auch für Aerosole wellenlängenabhängige Messungen von Interesse sind, wenn die an Partikeln elastisch gestreute Strahlung verwendet wird – und dies obwohl die Lichtstreuung kritisch von der Partikelgrösse und Partikelform abhängt und diese Partikelgrösse und Partikelform in einem Aerosol stark variiert und a priori unbekannt ist.

[0012] Ein Verfahren zur Messung einer Eigenschaft von in einem Trägergas suspendierten Partikeln eines Aerosols weist die folgenden Schritte auf: <tb>–<SEP>Einstrahlen von elektromagnetischer primärer Strahlung von einer definierten Wellenlänge oder von mehreren definierten Wellenlängen auf das Trägergas; <tb>–<SEP>Generieren eines Messsignals durch Messung von an den Partikeln elastisch gestreuten Anteilen der primären Strahlung; <tb>–<SEP>Ermitteln der Eigenschaft aus dem Messsignal; <tb>–<SEP>Wobei die definierte Wellenlänge bzw. eine der definierten Wellenlängen auf eine charakteristische Wellenlänge mindestens einer im Aerosol potentiell vorkommenden Partikelsorte abgestimmt ist, insbesondere indem mindestens eine der folgenden Massnahmen getroffen wird:, <tb><SEP>A.<SEP>Die definierte Wellenlänge (bspw. 2750 nm) bzw. eine der definierten Wellenlänge ist so gewählt, dass das Lichttreuvermögen einer bestimmten Partikelsorte besonders im Vergleich zu einer anderen Partikelsorte tief oder besondere hoch ist, beispielsweise bei einer Standardpartikelgrösse von 4 (im Durchmesser (bspw. mit einem Gerät gemäss der Norm ISO 21 501-1:2009 gemessen) und einem Winkel von 150° zwischen Primärlichtstrahlrichtung und Richtung des rückgestreuten Lichts (Streuwinkel) um mindestens einen Faktor 5 tiefer oder um mindestens einen Faktor 5 höher als ein Durchschnitt über einen anderen Wellenlängenbereich, z.B. zwischen 400 nm und 800 nm. <tb><SEP>B.<SEP>Die definierte Wellenlänge bzw. eine der definierten Wellenlänge beträgt 2.75 µm ± 0.3 µm (bei dieser Wellenlänge ist das Lichtstreuvermögen von Wasser- und Eispartikeln besonders tief). <tb><SEP>C.<SEP>Die primäre Strahlung enthält Anteile von mindestens zwei Wellenlängen, und das Ermitteln der Eigenschaft aus dem Messsignal enthält einen Vergleich der Lichtstreuintensitäten bei den beiden Wellenlängen, beispielsweise die Bildung eines Verhältnisses der Lichtstreuintensitäten bei beiden Wellenlängen. <tb><SEP><SEP>•<SEP>Insbesondere können die Wellenlängen so gewählt sein, dass sich die Lichtstreuintensitäten bei einer Standardpartikelgrösse von 4 um Durchmesser und einem Streuwinkel von 150° bei mindestens einer Partikelsorte um mindestens einen Faktor 5, mindestens einen Faktor 10 oder gar mindestens einen Faktor 20 unterscheiden.

[0013] Massnahme A. kann bedeuten, dass bei einer interessierenden Partikelsorte – die entweder in der Messung besonders interessieren oder im Gegenteil dazu ausgeblendet werden sollen – eine Suche nach einem Bereich eines maximalen oder minimalen Lichtstreuvermögens durchgeführt wird. Dies kann rein experimentell durch Durchstimmen eines Wellenlängenbereichs anhand einer Standardprobe und/oder rechnerisch und/oder in Kombination geschehen. Beispielsweise kann nach Minima oder Maxima des Realteils n des Brechungsindizes oder des Verhältnisses (n–1)/k, wobei k der Imaginärteil des Brechungsindizes ist, gesucht werden. Bei sehr kleinen Partikeln kann auch die für Rayleigh-Streuung bestimmende Grösse ((n<2>–1)/(n<2>+2))<2>von Interesse sein. Ist eine dieser Grössen maximal oder minimal, kann das Lichtstreuvermögen der interessierenden Partikel bei dieser Wellenlänge experimentell mit einem Durchschnitt über den genannten Wellenlängenbereich verglichen werden.

[0014] Bei Massnahme B kann die Wellenlänge irgend im Bereich 2.75 µm ± 0.3 µm, insbesondere 2.75 µm ± 0.2 µm, speziell 2.75 µm ± 0.1 µm, sein, wobei in der Realität das Licht wie von monochromatischer Strahlung bekannt, natürlich eine endliche Linienbreite aufweist, d.h. einen – im Vergleich zu «weissem» Licht schmalen – Wellenlängenbereich abdeckt. Die Linienbreite kann beispielsweise maximal 10% oder 8% oder 5% oder 3% der zentralen Wellenlänge betragen.

[0015] Bei einer Kombination der Massnahme B. mit der Massnahme C. kann bspw. eine der definierten Wellenlängen 2.75 µm ± 0.3 µm betragen und die andere zwischen 0.4 µm und 1 µm, also im nahen Infrarot oder im sichtbaren Bereich, liegen. Bei der erstgenannten dieser beiden Wellenlängen ist das Lichtstreuvermögen von Vulkanasche und anderen typischen Partikeln durchschnittlich bis gross, und das Lichtstreuvermögen von Wasser- und Eispartikeln besonders gering. Bei der zweiten dieser Wellenlängenbereiche ist das Lichtstreuvermögen von Wasser- und Eispartikeln hingegen relativ gross, so dass sich ein sehr hohes Verhältnis ergibt, was nachstehend anhand von Fig. 2 konkret und quantitativ illustriert wird.

[0016] Generell wird für Messungen der hier diskutierten Art der Lichtstreuwinkel ungleich 0 sein (d.h. es wird nicht im Durchlichtverfahren gemessen), und bevorzugt ist er grösser als 90°, d.h. man misst die Rückstreuung.

[0017] Messverfahren die mit mehreren Wellenlängen arbeiten sind nicht neu. Sie werden in der bereits oben erwähnten Anmeldung WO 2005/029 046 A2 eingesetzt; es ist auch bekannt entsprechende Messungen zu verwenden, um Information zum Brechungsindex zu erhalten. Gemäss diesem Ansatz der Erfindung werden die beiden gemessenen Grössen nun jedoch quantitativ – bspw. durch Verhältnisbildung – verglichen um Gezielte Unterschiede in der Wellenlängenabhängigkeit des Lichtstreuvermögens verschiedener Partikel zu nutzen.

[0018] Die gemessene Eigenschaft – dies betrifft die Erfindung generell und potentiell alle möglichen der hier diskutierten Massnahmen – kann beinhalten: <tb>–<SEP>Ein Mass für die Konzentration selektiver Partikel, beispielsweise der. Anzahl- oder Massekonzentration; <tb><SEP>•<SEP>je nach Anwendung reicht ein Mass für die Konzentration, welches sowohl von der Masse als auch von der Anzahl abhängig sein kann, und aus welchem nicht unbedingt eine präzise numerische Bestimmung der Anzahlkonzentration oder Gesamtmasse möglich ist). <tb><SEP>•<SEP>Das Verfahren ist selektiv, indem gewisse Partikelsorten stärker berücksichtigt werden als andere; insbesondere können einerseits Partikel vulkanischen Ursprungs und andererseits Wasser/Eispartikel unterschiedlich berücksichtigt werden, oder das Verfahren kann für Partikel, die ein bestimmtes Element oder Mineral enthalten, besonders selektiv sein. <tb>–<SEP>Ein Mass für die Partikelgrösse oder -grössenverteilung.

[0019] Das Verfahren kann beinhalten, dass ein Detektionsvolumen zur Verfügung gestellt wird und das zu charakterisierende Aerosol durch das Detektionsvolumen gefördert wird, bspw. durch aktive Pumpmittel oder unter Nutzung einer Strömung, bspw. des Fahrtwindes im Flugzeug oder einem Fahrzeug.

[0020] In dieser Ausführungsform können gemäss einer ersten Option die Grösse des Detektionsvolumens und die Strömungsverhältnisse so gewählt sein, dass das Verfahren auf Einzelpartikelzählung beruht, d.h. mit jedem Partikel, das durch das Detektionsvolumen fliegt, wird eine Streulichtmessung durchgeführt (jedes Partikel erzeugt einen Streulichtpuls).

[0021] Die absolute Intensität bei einer Wellenlänge kann optional auch genutzt werden um die Partikelgrösse und gegebenenfalls die Masse zu bestimmen, so wie das in optischen Partikelzählern standardmässig gemacht wird. Aus den Messresultaten von vielen Partikeln kann dann die Massenkonzentration bestimmt werden.

[0022] Gemäss einer zweiten Option kann das Detektionsvolumen deutlich vergrössert werden, so dass keine Einzelpulse, sondern ein kontinuierliches oder nur leicht pulsierendes Signal erzeugt wird. Es kann dann die integrale Streulichtintensität gemessen werden, d.h. die Messung wird über viele Partikel summiert.

[0023] Als Beispiel kann das Detektionsvolumen für die erste Option ungefähr 1 mm3 betragen, und für die zweite Option ungefähr 1 cm3. Das Optimum ist abhängig von der Aerosolkonzentration und kann im Bedarfsfall im Experiment bestimmt werden, durch Anpassung bis sich ein gewünschter Lichtstreuintensitätsverlauf ergibt.

[0024] In dieser zweiten Option kann die absolute Intensität bei einer Wellenlänge optional benutzt werden, um eine zusätzliche Information über die absolute Konzentration (bspw. Massekonzentration) zu gewinnen.

[0025] Die Anpassung des Messvolumens gemäss der ersten oder zweiten Option kann mit an sich bekannten Mitteln (Fokussierung etc.) und Anpassung so lange, bis das gewünschte Ergebnis (Einzelpulse bzw. kontinuierliches Signal) erreicht ist, geschehen.

[0026] In beiden Optionen ist möglich, die Winkelabhängigkeit des Streulichts zu messen, woraus beispielsweise insbesondere Grösseninformationen – zusätzlich zur allenfalls primär gemessenen Konzentration – gewonnen werden können.

[0027] Andererseits kann das Verfahren auch als LIDAR-Messung durchgeführt werden, d.h. die primäre Strahlung wird auf das Aerosol gerichtet, das sich in einer nicht notwendigerweise genau definierten, auch entfernteren Distanz befindet. Die LIDAR-Messung kann sich von derjenigen mit definiertem lokalem Detektionsvolumen unter anderem dadurch unterscheiden, dass der Lichtstrahl der primären Strahlung parallel (bspw. kollinear) zum detektieren gestreuten Strahlung ist. Der Streuwinkels ist also im Wesentlichen 180°. Das Verfahren funktioniert dann auch bei weit entfernten Partikeln; die Partikel müssen nicht in einem definierten Messvolumen sein.

[0028] Bei einer LIDAR-Messung kann optional auch mit an sich bekannten Verfahren der Abstand der lichtstreuenden Partikel zur Messanordnung bestimmt werden; daraus kann zusammen mit Informationen über die Lichtstreuintensität ebenfalls eine Aussage über Teilchen-(-massen-)Konzentrationen gemacht werden.

[0029] Eine Vorrichtung zur Messung einer Eigenschaft von in einem Trägergas suspendierten Partikeln eines Aerosols weist auf: Eine Strahlungsquelle von elektromagnetischer primärer Strahlung von einer definierten Wellenlänge oder von mehreren definierten Wellenlängen; Eine Detektionseinheit zum Generieren eines Messsignals durch Messung von an den Partikeln elastisch gestreuten Anteilen der primären Strahlung; Eine Auswerteeinheit zum Ermitteln der Eigenschaft aus dem Messsignal; Wobei die definierte Wellenlänge bzw. eine der definierten Wellenlängen auf eine charakteristische Wellenlänge mindestens einer im Aerosol potentiell vorkommenden Partikelsorte abgestimmt ist.

[0030] Ausserdem kann die Vorrichtung Mittel zum Durchführen irgendeiner der in diesem Text beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens beinhalten.

[0031] Anwendungen des erfindungsgemässen Vorgehens umfassen insbesondere die selektive Detektion von Vulkanasche und ihre Unterscheidung von Wasser- und Eispartikeln, bspw. auf grosser Höhe, insbesondere in oder an Flugzeugen an einem Wetterballon oder in einer Messstation in den Bergen, bspw. von mindestens 3000 m.ü.M. Für Flugzeuge ist sowohl eine Apparatur mit definiertem Detektionsvolumen, welchem ein Luftstrom zugeführt wird, als auch eine LIDAR-Apparatur denkbar.

[0032] Eine selektive Unterdrückung von Wassertröpfchen könnte als weitere Anwendung auch für Rauchdetektoren interessant sein, weil diese Wassertröpfchen oft die Ursache für Fehlalarme sind.

[0033] Durch Wahl anderer Wellenlängen können auch andere Materialien selektiv detektiert werden. Man ist auch nicht auf zwei Wellenlängen beschränkt, die Verwendung von mehr als zwei Wellenlängen kann die Selektivität weiter erhöhen oder es können gleichzeitig mehrere verschiedene Substanzen erfasst werden. Es ist denkbar, dass man verschiedene Sorten von Mineralstäuben unterscheiden kann: Hämatit-haltige Partikel streuen rotes Licht stärker als Limonit- oder Quarzit-haltige Partikel.

[0034] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen im Detail beschrieben. Es zeigen: <tb>Fig. 1<SEP>den Realteil (obere Kurve; n) und den Imaginärteil (untere Kurve; k) des Brechungsindizes von Wasser in Funktion der Wellenlänge; in diesem Text werden Wellenlängen generell als Vakuum-Wellenlängen angegeben; <tb>Fig. 2<SEP>des Verhältnis der Streuintensitäten bei 660 nm und 2750 nm Wellenlänge in Funktion der Partikelgrösse für verschiedene Materialien; <tb>Fig. 3<SEP>einen Aufbau einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Durchfuhren des erfindungsgemässen Verfahrens mit einem definierten Messvolumen; und <tb>Fig. 4<SEP>einen Aufbau einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens im LID AR-Verfahren.

[0035] Fig. 1 zeigt als Beispiel den komplexen Brechungsindex von Wasser in Funktion der Wellenlänge λ. Im unteren Teil der Figur ist der Imaginärteil k logarithmisch aufgetragen, im oberen Teil der Realteil n auf einer linearen Skala. Bei Wellenlängen knapp unter 3 Mikrometer ändert sich der komplexe Brechungsindex stark. Da die Intensität des gestreuten Lichtes vom Brechungsindex abhängig ist, ist das Verhältnis der Streuintensität bei dieser Wellenlänge zu einer Anderen ein spezifisches Merkmal für Wasser oder Eis.

[0036] Fig. 2 zeigt das Verhältnis der Streuintensitäten bei 0.66 und 2.75 Mikrometer Wellenlänge in Funktion der Partikelgrösse für Wasser und verschiedene mineralische Partikel. Die Kurven stehen für: 101 Wasser, 102 Afrikanischer Mineralstaub, 103: Andesit, 104: Basalt, 105 Vulkanasche, 106: Sand, 107: Bimsstein.

[0037] Der kleine Realteil im Brechungsindex von Wasser bei 2.75 Mikrometer Wellenlänge führt zu einer kleinen Streuintensität und damit zu einem grossen Intensitätsverhältnis. In Anwendung des erfindungsgemässen Ansatzes sieht man, dass Wasser mit dieser Methode von den anderen Partikeln unterschieden werden kann. Dabei ist es nicht erforderlich, die Brechungsindizes der anderen Materialien genau zu kennen.

[0038] Ein möglicher Aufbau für eine Messapparatur ist in Fig. 3 gezeigt. Die Strahlen eines IR-Lasers 3 und eines sichtbaren Lasers 1 werden über zwei Spiegel 9 auf das gleiche Detektionsvolumen 6 (typischerweise einige mm<3>, also bspw. zwischen 1 mm<3>und 100 mm<3>) fokussiert. Die Optik zweier Detektoren (7 für sichtbares- und 8 für IR-Licht) ist ebenfalls auf dieses Volumen gerichtet. Die Detektoren sind wellenlängenselektiv, d.h. sie enthalten bspw. ein je auf die Wellenlänge der primären Strahlung angepasstes Bandpassfilter. Ein Luftstrom 5 durchquert dieses Volumen. Ein Partikel, das mit dem Luftstrom 5 durch das Volumen fliegt erzeugt in beiden Detektoren gleichzeitig je einen Streulichtpuls. Die Messsignale werden einer Auswerteeinheit 20 zugeführt und dort ausgewertet, indem aus dem Messsignalen auf mindestens eine Eigenschaft des Aerosols geschlossen wird. Die Auswerteeinheit kann eine dedizierte Ansteuerungselektronik der Detektoren und/oder generische Datenverarbeitungsmittel (Computer) beinhalten. Nicht alle Elemente der Auswerteeinheit müssen physisch am selben Ort vorhanden sein, auch Ansätze mit an verschiedenen Orten angeordneten, über Signal- und/oder Datenverarbeitungsverbindungen miteinander verbundene Untereinheiten sind denkbar.

[0039] Für jedes solche Pulspaar wird das Intensitätsverhältnis bestimmt und dazu benutzt, das zugehörige Partikel einer Kategorie (Wasser oder Mineral) zuzuordnen.

[0040] Die absolute Intensität bei einer Wellenlänge kann dann optional noch genutzt werden um die Partikelgrösse und gegebenenfalls die Masse zu bestimmen, so wie das in optischen Partikelzählern standardmässig gemacht wird. Aus den Messresultaten von vielen Partikeln kann dann die Massenkonzentration bestimmt werden.

[0041] Anstatt wie oben beschrieben Einzelpulse zu analysieren (Einzelpartikelanalyse) kann auch das Detektionsvolumen deutlich vergrössert werden, sodass sich zeitgleich eine grössere Anzahl Partikel darin befindet, die ein kontinuierliches oder nur noch leicht pulsierendes Streulicht Signal erzeugen, welches dann ausgewertet wird. Die Selektion erfolgt wieder aus dem Intensitätsverhältnis, die Partikelgrösse ist so nicht mehr feststellbar. Die integrale Intensität kann aber auch zu einer Abschätzung der Massenkonzentration benutzt werden.

[0042] Neben der Wellenlänge ist der Streuwinkel (Winkel zwischen einfallendem Licht und vom Detektor erfassten Licht; im gezeigten Beispiel α für das sichtbare Licht und β für das IR-Licht; der Streuwinkel ist in diesem Text so definiert, dass ein Streuwinkel von 180° einer Rückstreuung in Richtung zurück in die Richtung, aus der die primäre Strahlung kommt, entspricht) ein Parameter, der so optimiert werden kann, dass sie erwünschte Selektivität möglichst gross ist.

[0043] Da die Winkelabhängigkeit des Streulichtes je nach Partikelgrösse anders ist, kann eine optionale Mehrwinkelmessung zusätzlich Grösseninformation liefern.

[0044] In weiteren Varianten des Aufbaus gemäss Fig. 3 werden nur eine Lichtquelle und nur ein Detektor verwendet, beispielsweise bei einer Wellenlänge von 2.75 µm, wodurch ein für Wasser-/Eispartikel vergleichsweise wenig empfindlicher Aufbau resultiert.

[0045] Eine andere mögliche Ausführung, die eine Fernmessung als LIDAR ermöglicht, zeigt Fig. 4 . Hier werden die Strahlen des IR-Lasers 3 und des sichtbaren Lasers 1 über einen halbdurchlässigen Spiegel 12 zur Deckung gebracht, sodass ein paralleler Strahl mit beiden Wellenlängen entsteht. Das von einer Partikel wölke 14 zurückgestreute Licht wird über einen weiteren halbdurchlässigen Spiegel 13 und den zwei Spiegeln 10 und 11 den beiden Detektoren 7 und 8 zugeführt. Die Laser werden in diesem Fall gepulst betrieben, sodass über eine Laufzeitmessung auch die Entfernung der Partikelwolke bzw. deren Dichteprofil bestimmt werden kann.

[0046] Auch die Ausführungsform gemäss Fig. 4 kann alternativ nur mit einer Lichtquelle und einem Detektor ausgeführt sein und beispielsweise bei einer Wellenlänge von 2.75 µm messen.

Claims (16)

1. Verfahren zur Messung einer Eigenschaft von in einem Trägergas suspendierten Partikeln eines Aerosols weist die folgenden Schritte auf: • Einstrahlen von elektromagnetischer primärer Strahlung von einer definierten Wellenlänge oder von mehreren definierten Wellenlängen auf das Trägergas; • Generieren eines Messsignals durch Messung von an den Partikeln elastisch gestreuten Anteilen der primären Strahlung; • Ermitteln der Eigenschaft aus dem Messsignal; • Wobei die definierte Wellenlänge bzw. eine der definierten Wellenlängen auf eine charakteristische Wellenlänge mindestens einer im Aerosol potentiell vorkommenden Partikelsorte abgestimmt ist

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die definierte Wellenlänge bzw. eine der definierten Wellenlänge ist so gewählt, dass das Lichttreuvermögen einer bestimmten Partikelsorte besonders tief oder besondere hoch ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Lichttreuvermögen einer bestimmten Partikelsorte besonders tief oder besondere hoch ist, indem bei einer Standardpartikelgrösse von 4 µm Durchmesser und einem Streuwinkel von 150° um mindestens einen Faktor 5 tiefer oder um mindestens einen Faktor 5 höher als ein Durchschnitt über Wellenlängen zwischen 400 nm und 800 nm.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die definierte Wellenlänge bzw. eine der definierten Wellenlänge 2.75 µm ± 0.3 µm beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die primäre Strahlung Anteile von mindestens zwei Wellenlängen enthält, und wobei das Ermitteln der Eigenschaft aus dem Messsignal einen Vergleich der Lichtstreuintensitäten bei den beiden Wellenlängen enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Vergleich die Bildung eines Verhältnisses der Lichtstreuintensitäten bei beiden Wellenlängen beinhaltet.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Wellenlängen so gewählt sein, dass sich die Lichtstreuintensitäten bei einer Standardpartikelgrösse von 4 um Durchmesser und einem Streuwinkel von 150° bei mindestens einer Partikelsorte um mindestens einen Faktor 5 unterscheiden.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schritte «Einstrahlen von elektromagnetischer primärer Strahlung» und «Generieren eines Messsignals» auf einer Höhe von über 3000 m über dem Meeresspiegel durchgeführt werden.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Detektionsvolumen zur Verfügung gestellt wird und das zu charakterisierende Aerosol durch das Detektionsvolumen gefördert wird, auf welches die primäre elektromagnetische Strahlung eingestrahlt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Detektionsvolumen so gewählt wird, dass das Messsignal einzelne Messpulse pro Partikel umfasst.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine absolute Intensität der Messpulse gemessen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Streulichtintensität über viele Partikel summiert gemessen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, wobei der Lichtstrahl der primären Strahlung parallel zur Richtung der detektierten gestreuten Strahlung ist.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Streuwinkel mindestens 90° beträgt.

15. Vorrichtung zur Messung einer Eigenschaft von in einem Trägergas suspendierten Partikeln eines Aerosols, insbesondere mit einem Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend: – Eine Strahlungsquelle (1,3) von elektromagnetischer primärer Strahlung von einer definierten Wellenlänge oder von mehreren definierten Wellenlängen; – Eine Detektionseinheit (7, 8) zum Generieren eines Messsignals durch Messung von an den Partikeln elastisch gestreuten Anteilen der primären Strahlung; – Eine Auswerteeinheit (20) zum Ermitteln der Eigenschaft aus dem Messsignal; – Wobei die definierte Wellenlänge bzw. eine der definierten Wellenlängen auf eine charakteristische Wellenlänge mindestens einer im Aerosol potentiell vorkommenden Partikelsorte abgestimmt ist.

16. Mit einer Vorrichtung nach Anspruch 15 ausgestattetes Flugzeug.