CH711170A1

CH711170A1 - Method and device for the detection of aerosol particles.

Info

Publication number: CH711170A1
Application number: CH00819/15A
Authority: CH
Inventors: Juranyi Zsofia; Weingartner Ernest; Burtscher Heinz
Original assignee: Fachhochschule Nordwestschweiz Fhnw
Priority date: 2015-06-08
Filing date: 2015-06-08
Publication date: 2016-12-15
Also published as: WO2016197259A1

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.According to the invention, a method and a device for measuring a property of particles of an aerosol suspended in a carrier gas (5) are provided, wherein primary electromagnetic radiation (2, 4) of a defined wavelength or of several defined wavelengths on the carrier gas ( 5), a measurement signal is generated from elastically scattered portions of the primary radiation and the property is determined from the measurement signal. The method is characterized in that the defined wavelength or one of the defined wavelengths is tuned to a characteristic wavelength of at least one potentially occurring in the aerosol particle type.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur selektiven Bestimmung einer bestimmten Klasse von in einem Trägergas suspendierten Partikeln (Aerosolen). The invention relates to a method and apparatus for the selective determination of a particular class of particles suspended in a carrier gas (aerosols).

[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. Aerosols play an essential role in the atmosphere, e.g. because of their negative health effects, as they can cause damage to buildings, cloud visibility, influence climate change and, particularly in the case of particles resulting from volcanic eruptions, can endanger air traffic.

[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. In the heights in which the aviation takes place, there are often water droplets or ice crystals, which may have the same size as the volcanic particles. A method for the detection and quantitative measurement of volcanic particles must be able to distinguish these from water or ice particles. A similar need exists in connection with other aerosols, for example in the measurement of particularly health-endangering respirable particles. There too, one must be able to distinguish the harmful particles from harmless water or salt particles.

[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. There are already devices that are trying to achieve this goal, which are based on light scattering. These exploit the fact that the polarization is retained in the case of light scattering on spherical particles, but is completely or partially lost in other geometries (for example H. Kobayashi et al., Developement of a polarization optical particle counter ..., Atmospheric Environment 97, 486- 492, 2014). Accordingly, when polarized light is irradiated, a certain selection can be made from the measurement of the degree of polarization of the scattered light because the water droplets are spherical, but the volcanic particles are not always. This method is problematic in the discrimination of ice, since these crystals are usually not spherical. This concept is described in US 2014/0 330 459 A1 and US 8 724 099 B2. While in the first case the measurement is made at a very short distance, in the second a Doppler-light detection and ranging (LIDAR) system is shown, which also determines the depolarization in addition to the usual signal evaluation of these systems.

[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. Another way to obtain particle-specific information is to measure not only the elastically scattered light, but also fluorescent light. This is mainly done for the detection of bioaerosols, e.g. in WO 2005/029 046 A2. There, a combination of elastic scattered light measurement, fluorescence measurement and time of flight measurement is described, which allows a fairly broad characterization of aerosol particles, including measurement of mass, density, etc. However, such a method is limited in its applications to certain types of particles.

[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. It is an object of the present invention to provide a measuring method and a corresponding device which overcome the disadvantages and limitations of the known prior art and which are particularly suitable, rapidly, especially in real time, volcanic ash or potentially harmful aerosol particles of water - or to distinguish ice particles.

[0007] Diese Aufgabe wird gelöst durch die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist. This object is achieved by the invention as defined in the claims.

[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. According to one of the underlying concept of the invention, the finding is exploited that the light scattering capacity of a particle is significantly dependent on the wavelength of the incident light and the particle properties, even with elastic light scattering. In the case of elastic light scattering, the wavelength of the emitted light is the same as that of the incident light.

[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. There are many approaches in the literature which are based on spectroscopic or similar methods and characterize matter - also in particulate form - on the basis of absorption or emission properties. All these approaches are based on the fact that the interaction between matter and absorbed or emitted radiation is wavelength-dependent due to the quantization of the states.

[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. Wavelength-dependent measurements in the transmitted-light method (i.e., by the extinction principle) and on samples with defined geometric properties are known. With elastic light scattering on aerosol particles, these approaches do not work a priori, since the transmitted light method does not give satisfactory results and backscattered radiation is not directly due to a transition between different states of excitation of the matter. For spherical particles, the elastic scattering properties as a function of the wavelength are described by Mie theory, which takes into account the particle size and the wavelength-dependent complex refractive index. In particular, the particle size, unknown in individual cases and varying over an aerosol, is critical.

[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. It is a finding of the invention that, nevertheless, for aerosols wavelength-dependent measurements are of interest, when the particle-elastically scattered radiation is used - and although the light scattering critically depends on the particle size and particle shape and this particle size and particle shape in one Aerosol varies greatly and is a priori unknown.

[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.A method for measuring a property of particles of an aerosol suspended in a carrier gas comprises the following steps: <tb> - <SEP> irradiation of electromagnetic primary radiation of a defined wavelength or of several defined wavelengths onto the carrier gas; <tb> - <SEP> generating a measurement signal by measuring proportions of primary radiation elastically scattered on the particles; <tb> - <SEP> Determining the property from the measurement signal; <tb> - <SEP> Wherein the defined wavelength or one of the defined wavelengths is tuned to a characteristic wavelength of at least one particle type potentially occurring in the aerosol, in particular by at least one of the following measures being taken: <tb> <SEP> A. <SEP> The defined wavelength (eg 2750 nm) or one of the defined wavelengths is chosen such that the light-scattering power of a certain type of particle is deep or especially high, especially compared to another type of particle, for example with a standard particle size of 4 (in diameter (for example measured with a device according to the standard ISO 21 501-1: 2009) and an angle of 150 ° between the primary light beam direction and the direction of the backscattered light (scattering angle) lower by at least a factor of 5 or more at least a factor of 5 higher than an average over a different wavelength range, eg between 400 nm and 800 nm. <tb> <SEP> B. <SEP> The defined wavelength or one of the defined wavelengths is 2.75 μm ± 0.3 μm (at this wavelength the light scattering capacity of water and ice particles is particularly deep). <tb> <SEP> C. <SEP> The primary radiation contains portions of at least two wavelengths, and determining the characteristic from the measurement signal includes comparing the light scattering intensities at the two wavelengths, for example, forming a ratio of the light scattering intensities at both wavelengths. <tb> <SEP> <SEP> • <SEP> In particular, the wavelengths may be selected such that the light scattering intensities for a standard particle size of 4 μm diameter and a scattering angle of 150 ° for at least one particle type by at least a factor of 5, at least one Factor 10 or even at least a factor of 20 differ.

[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. Measure A. may mean that a search for a range of maximum or minimum Lichtstreuvermögens is performed at a particle of interest - either to be particularly interested in the measurement or on the contrary to be hidden. This can be done purely experimentally by tuning a wavelength range using a standard sample and / or computationally and / or in combination. For example, minima or maxima of the real part n of the refractive index or the ratio (n-1) / k, where k is the imaginary part of the refractive index, can be searched. For very small particles, the size ((n <2> -1) / (n <2> +2)) <2> determining Rayleigh scattering may also be of interest. If one of these magnitudes is maximal or minimal, the light scattering power of the particles of interest at this wavelength can be compared experimentally with an average over the said wavelength range.

[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. In measure B, the wavelength can be anywhere in the range 2.75 microns ± 0.3 microns, especially 2.75 microns ± 0.2 microns, especially 2.75 microns ± 0.1 microns, in reality, the light as known from monochromatic radiation, of course, a finite line width has, ie covers a narrow wavelength range compared to «white» light. For example, the linewidth may be at most 10% or 8% or 5% or 3% of the central wavelength.

[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. For example, one of the defined wavelengths may be 2.75 μm ± 0.3 μm and the other between 0.4 μm and 1 μm, ie in the near infrared or in the visible range. In the former of these two wavelengths, the light scattering capacity of volcanic ash and other typical particles is average to large, and the light scattering power of water and ice particles is particularly low. In the second of these wavelength ranges, the light scattering capacity of water and ice particles, however, is relatively large, so that there is a very high ratio, which is illustrated below with reference to FIG. 2 concretely and quantitatively.

[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. Generally, for measurements of the type discussed herein, the light scattering angle will be unequal to 0 (i.e., it will not be measured in the transmitted light method), and is preferably greater than 90 °, i. you measure the backscatter.

[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. Measuring methods that work with multiple wavelengths are not new. They are used in the already mentioned above application WO 2005/029 046 A2; It is also known to use corresponding measurements to obtain information on the refractive index. According to this approach of the invention, however, the two measured quantities are now compared quantitatively - for example by ratio formation - in order to use targeted differences in the wavelength dependence of the light scattering capacity of different particles.

[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.The measured property - this generally relates to the invention and potentially all possible measures discussed here - may include: <tb> - <SEP> A measure of the concentration of selective particles, such as the. Number or mass concentration; <tb> <SEP> • <SEP> depending on the application, a measure of the concentration is sufficient, which may depend on both the mass and the number, and from which a precise numerical determination of the number concentration or total mass is not necessarily possible.) , <tb> <SEP> • <SEP> The process is selective in that certain types of particles are given more consideration than others; In particular, on the one hand particles of volcanic origin and on the other water / ice particles can be considered differently, or the method can be particularly selective for particles containing a particular element or mineral. <tb> - <SEP> A measure of particle size or size distribution.

[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. The method may include providing a detection volume and conveying the aerosol to be characterized by the detection volume, for example by active pumping means or by utilizing a flow, for example the airstream in the aircraft or a vehicle.

[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). In this embodiment, according to a first option, the size of the detection volume and the flow conditions may be chosen such that the method is based on single particle counting, i. E. with each particle flying through the detection volume, a scattered light measurement is performed (each particle generates a scattered light pulse).

[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. The absolute intensity at one wavelength can optionally also be used to determine the particle size and optionally the mass, as is done by default in optical particle counters. The mass concentration can then be determined from the measurement results of many particles.

[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. According to a second option, the detection volume can be significantly increased, so that no single pulses, but a continuous or only slightly pulsating signal is generated. Then, the integral scattered light intensity can be measured, i. the measurement is summed over many particles.

[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. As an example, the detection volume for the first option may be about 1 mm3, and for the second option about 1 cm3. The optimum depends on the aerosol concentration and, if necessary, can be determined experimentally by adaptation until a desired light scattering intensity profile results.

[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. In this second option, the absolute intensity at one wavelength can optionally be used to obtain additional information about the absolute concentration (eg mass concentration).

[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. The adjustment of the measuring volume according to the first or second option can be done with known means (focusing, etc.) and adjustment until the desired result (single pulses or continuous signal) is achieved.

[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. In both options, it is possible to measure the angular dependence of the scattered light, from which, for example, size information in particular - in addition to at most primary measured concentration - can be obtained.

[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. On the other hand, the method can also be carried out as LIDAR measurement, i. the primary radiation is directed to the aerosol, which is at a distance that is not necessarily well-defined, even more distant. Among other things, the LIDAR measurement may differ from that with a defined local detection volume in that the light beam of the primary radiation is parallel (eg, collinear) to detect scattered radiation. The scattering angle is therefore essentially 180 °. The method then works even with distant particles; the particles do not have to be in a defined measuring volume.

[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. In a LIDAR measurement, the distance of the light-scattering particles to the measuring arrangement can optionally also be determined by methods known per se; From this it is also possible to make a statement about particle (mass) concentrations together with information about the light scattering intensity.

[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.A device for measuring a property of suspended in a carrier gas particles of an aerosol comprises: A radiation source of electromagnetic primary radiation of a defined wavelength or of a plurality of defined wavelengths; A detection unit for generating a measurement signal by measuring portions of the primary radiation elastically scattered on the particles; An evaluation unit for determining the property from the measurement signal; Wherein the defined wavelength or one of the defined wavelengths is tuned to a characteristic wavelength of at least one potentially occurring in the aerosol particle type.

[0030] Ausserdem kann die Vorrichtung Mittel zum Durchführen irgendeiner der in diesem Text beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens beinhalten. In addition, the apparatus may include means for performing any of the embodiments of the method described herein.

[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. Applications of the inventive method include in particular the selective detection of volcanic ash and their distinction of water and ice particles, eg. At high altitude, especially in or on airplanes on a weather balloon or in a measuring station in the mountains, eg. Of at least 3000 m.ü.M. For aircraft, both an apparatus with a defined detection volume, to which an air flow is supplied, and a LIDAR apparatus are conceivable.

[0032] Eine selektive Unterdrückung von Wassertröpfchen könnte als weitere Anwendung auch für Rauchdetektoren interessant sein, weil diese Wassertröpfchen oft die Ursache für Fehlalarme sind. A selective suppression of water droplets could be interesting as a further application for smoke detectors, because these water droplets are often the cause of false alarms.

[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. By choosing different wavelengths, other materials can also be selectively detected. It is also not limited to two wavelengths, the use of more than two wavelengths can further increase the selectivity or simultaneously several different substances can be detected. It is conceivable that different types of mineral dusts can be distinguished: hematite-containing particles scatter red light more strongly than limonite or quartzite-containing particles.

[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.Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to drawings. Show it: <Tb> FIG. 1 <SEP> the real part (upper curve; n) and the imaginary part (lower curve; k) of the refractive index of water as a function of wavelength; in this text, wavelengths are generally indicated as vacuum wavelengths; <Tb> FIG. 2 <SEP> of the ratio of scattering intensities at 660 nm and 2750 nm wavelength as a function of particle size for different materials; <Tb> FIG. 3 shows a construction of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention with a defined measuring volume; and <Tb> FIG. 4 shows a construction of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention in the LID AR method.

[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. Fig. 1 shows as an example the complex refractive index of water in function of the wavelength λ. In the lower part of the figure, the imaginary part k is plotted logarithmically, in the upper part of the real part n on a linear scale. At wavelengths just below 3 microns, the complex refractive index changes greatly. Since the intensity of the scattered light depends on the refractive index, the ratio of the scattering intensity at this wavelength to another is a specific feature for water or ice.

[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. Fig. 2 shows the ratio of scattering intensities at 0.66 and 2.75 microns wavelength as a function of particle size for water and various mineral particles. The curves represent: 101 water, 102 African mineral dust, 103: andesite, 104: basalt, 105 volcanic ash, 106: sand, 107: pumice stone.

[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. The small real part in the refractive index of water at 2.75 microns wavelength leads to a small scattering intensity and thus to a large intensity ratio. In application of the inventive approach, it can be seen that water can be distinguished from the other particles by this method. It is not necessary to know exactly the refractive indices of the other materials.

[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. A possible construction for a measuring apparatus is shown in FIG. The beams of an IR laser 3 and a visible laser 1 are focused via two mirrors 9 on the same detection volume 6 (typically a few mm <3>, ie, for example, between 1 mm <3> and 100 mm <3>). The optics of two detectors (7 for visible and 8 for IR light) is also directed to this volume. The detectors are wavelength selective, i. They contain, for example, a bandpass filter which is adapted in each case to the wavelength of the primary radiation. An airflow 5 traverses this volume. A particle that flies through the volume with the air stream 5 simultaneously generates a scattered light pulse in both detectors. The measurement signals are fed to an evaluation unit 20 and evaluated there, by deducing from the measurement signals at least one property of the aerosol. The evaluation unit may include a dedicated control electronics of the detectors and / or generic data processing means (computer). Not all elements of the evaluation unit must physically be present in the same location, and also approaches with arranged at different locations, via signal and / or data processing connections interconnected subunits are conceivable.

[0039] Für jedes solche Pulspaar wird das Intensitätsverhältnis bestimmt und dazu benutzt, das zugehörige Partikel einer Kategorie (Wasser oder Mineral) zuzuordnen. For each such pair of pulses, the intensity ratio is determined and used to assign the associated particles to a category (water or mineral).

[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. The absolute intensity at one wavelength can then optionally be used to determine the particle size and optionally the mass, as is done by default in optical particle counters. The mass concentration can then be determined from the measurement results of many particles.

[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. Instead of analyzing individual pulses as described above (single particle analysis), the detection volume can be significantly increased, so that at the same time there is a larger number of particles that produce a continuous or only slightly pulsed scattered light signal, which is then evaluated. The selection is made again from the intensity ratio, the particle size is no longer detectable. The integral intensity can also be used to estimate the mass concentration.

[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. In addition to the wavelength, the scattering angle (angle between incident light and light detected by the detector, in the example shown is α for the visible light and β for the IR light, the scattering angle is defined in this text that a scattering angle of 180 Backscattering in the direction from which the primary radiation comes) a parameter that can be optimized to maximize desired selectivity.

[0043] Da die Winkelabhängigkeit des Streulichtes je nach Partikelgrösse anders ist, kann eine optionale Mehrwinkelmessung zusätzlich Grösseninformation liefern. Since the angle dependence of the scattered light is different depending on the particle size, an optional multi-angle measurement can additionally provide size information.

[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. In further variants of the structure according to FIG. 3, only one light source and only one detector are used, for example at a wavelength of 2.75 .mu.m, resulting in a construction which is comparatively less sensitive to water / ice particles.

[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. Another possible embodiment, which allows remote measurement as LIDAR, Fig. 4. Here, the rays of the IR laser 3 and the visible laser 1 are made to coincide via a semitransparent mirror 12, so that a parallel beam with both wavelengths is formed. The backscattered by a particle cloud 14 light is supplied via a further semi-transparent mirror 13 and the two mirrors 10 and 11 the two detectors 7 and 8. The lasers are pulsed in this case, so that the distance of the particle cloud or its density profile can be determined via a transit time measurement.

[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. The embodiment according to FIG. 4 can alternatively be designed only with a light source and a detector and measure, for example, at a wavelength of 2.75 μm.

Claims

1. A method for measuring a property of particles of an aerosol suspended in a carrier gas comprises the following steps: Irradiating electromagnetic primary radiation of a defined wavelength or of a plurality of defined wavelengths onto the carrier gas; Generating a measurement signal by measuring proportions of primary radiation elastically scattered on the particles; • determining the property from the measurement signal; • Wherein the defined wavelength or one of the defined wavelengths is tuned to a characteristic wavelength of at least one potentially occurring in the aerosol particle type

2. The method of claim 1, wherein the defined wavelength or one of the defined wavelength is selected so that the Lichttreuvermögen a particular particle type is particularly low or special high.

3. The method of claim 2, wherein the Lichttreuvermögen a particular particle type is particularly deep or special high by a standard particle size of 4 microns diameter and a scattering angle of 150 ° by at least a factor of 5 deeper or at least a factor of 5 higher than an average over wavelengths between 400 nm and 800 nm.

4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the defined wavelength or one of the defined wavelength is 2.75 microns ± 0.3 microns.

5. The method of claim 1, wherein the primary radiation contains portions of at least two wavelengths, and wherein determining the characteristic from the measurement signal includes a comparison of the light scattering intensities at the two wavelengths.

6. The method of claim 5, wherein the comparison includes forming a ratio of the light scattering intensities at both wavelengths.

7. The method according to claim 5 or 6, wherein the wavelengths are selected so that the light scattering intensities differ with a standard particle size of 4 microns in diameter and a scattering angle of 150 ° at least one particle type by at least a factor of 5.

8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the steps «irradiation of electromagnetic primary radiation» and «generating a measuring signal» are carried out at an altitude of about 3000 m above sea level.

9. The method according to any one of the preceding claims, wherein a detection volume is provided and the aerosol to be characterized by the detection volume is promoted, on which the primary electromagnetic radiation is irradiated.

10. The method of claim 9, wherein the detection volume is selected so that the measurement signal comprises individual measurement pulses per particle.

11. The method of claim 10, wherein an absolute intensity of the measuring pulses is measured.

12. The method of claim 9, wherein the scattered light intensity is summed over many particles.

The method of any of claims 1-8, wherein the light beam of the primary radiation is parallel to the direction of the detected scattered radiation.

14. The method according to any one of the preceding claims, wherein the scattering angle is at least 90 °.

15. An apparatus for measuring a property of suspended in a carrier gas particles of an aerosol, in particular with a method according to one of the preceding claims, comprising: - A radiation source (1,3) of electromagnetic primary radiation of a defined wavelength or of several defined wavelengths; A detection unit (7, 8) for generating a measurement signal by measuring proportions of the primary radiation elastically scattered on the particles; - An evaluation unit (20) for determining the property of the measurement signal; - Wherein the defined wavelength or one of the defined wavelengths is tuned to a characteristic wavelength of at least one potentially occurring in the aerosol particle type.

16. A device equipped with a device according to claim 15.