CN112639433A - 研究气相中浓缩气溶胶颗粒的测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量系统(7)，其用于研究气相中气溶胶(2)的浓缩的较大气溶胶颗粒(3)，测量系统(7)包括多级气溶胶颗粒浓缩器(1)和测量室(8)，用于分析较大的气溶胶颗粒(3)，测量室(8)具有至少一个测量装置(80)，用于定性和/或定量测定气溶胶颗粒(3)，特别是实时测定。气溶胶颗粒浓缩器(1)分离具有细颗粒(21)气溶胶(2)的较大部分，并将较大的气溶胶颗粒(3)浓缩在气溶胶(2)的较小部分中。气溶胶颗粒浓缩器(1)包括用于在虚拟冲击器级(4)中产生负压的气溶胶吸入泵(6)和循环流动通道(64)，其中部分分离出的带有细颗粒的气溶胶(21)以循环流的形式从气溶胶出口(62)返回到气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)。本发明还要求保护一种利用测量系统(7)研究气溶胶(2)中浓缩的较大气溶胶颗粒(3)的方法，以及测量系统(7)和方法的用途。
Description
本发明涉及一种测量系统和方法，该测量系统和方法用于研究气相中浓缩的气溶胶(2)的较大气溶胶颗粒(3)，以及该测量系统和方法的使用。
在我们的社会中，过敏性鼻炎(又称花粉过敏或花粉症)的发生率在不断增加，全球范围内受影响的人数也在不断增加。目前在瑞士，15-20％的人对花粉过敏。这不仅占卫生费用的很大一部分，而且经济成本也不容忽视。
为了能够向欧洲对花粉过敏的人提供有关花粉数量的适当信息，必须能够区分10到20种不同类型的花粉。在这方面，非常重要的是，既要可靠地进行定性确定，即花粉的类型，又要定量地确定，即每单位体积的花粉颗粒数和花粉的浓度。
一种较旧但仍很常用的花粉测量方法是基于Hirst花粉采集器。采集器中安装了胶条，空气中的花粉粘附在胶带上。这样收集的花粉附着在胶条上，然后由训练有素的专家在实验室定期进行研究，例如，通过光学显微镜手动进行研究，然后做辨认。因此，花粉的定性和定量测定结果通常只能延迟几天。另外，尽管假设测量不确定度高达25％，通常工作量也很大且成本很高。
因此，例如，在瑞士，尽管目前可用的测量方法不是很准确，但花粉数据只能延迟一周左右。另外，由于瑞士目前只有14个测量站，因此地理分辨率非常低。
最近，已经提出了各种测量系统以更快速地确定花粉。在这种情况下，对待研究材料的荧光进行测量是一种合适的方法。
另外，环境空气中的花粉经常被稀释，这使得难以确定花粉。这是因为，特别是对于定量花粉测定，在低花粉浓度下，必须在很长的时间间隔内检查大量的空气，例如每天数小时，以获得有意义的数据量。但是，如此长的测量时间不仅不切实际，而且在某些情况下根本无法进行，例如由于花粉数量可变。这与花粉计数报告提供者的期望形成鲜明对比，即，即使是最小数量的花粉，例如，每立方米空气和每种花粉类型只有10个花粉，也能在不到1小时的时间内正确地定性和定量测定。短的测量时间对于对花粉过敏的人进行良好的早期预警也很重要，特别是在花粉浓度已超过阈值时，即规定的浓度。
EP-A-1109005公开了一种花粉颗粒计数方法和花粉计数装置，该装置包括分离特定大气量中所含的颗粒(基本上小于花粉粒的颗粒除外)，并使分离的颗粒以可测量每个颗粒的自发荧光的状态流过流动池。在这种情况下，气溶胶中测量的颗粒数量保持不变，其中空气体积流量变小，因此浓度增加。然而，用这种方法不可能很好地区分欧洲所需的10到20种不同类型的花粉。在测量之前分离花粉颗粒还可能导致花粉颗粒的意外损伤。待测花粉的浓度当然是15倍，然而，这显然太低了，即使在一个有效期内花粉量最小，也无法获得可靠的花粉定性和定量信息。因此，例如，不仅花粉计数的开始不能在足够好的时间内确定，而且花粉的数量只能在对过敏者来说明显过高的浓度下才能确定。
因此，本发明的目的是提供一种测量系统，通过该测量系统，可以在短时间内定性和/或定量地测定多种多样性最高的气溶胶颗粒，例如花粉，并且即使极少量的花粉，也具有高确定性，例如，在第一次花粉计数后立即告知对花粉过敏的人。测量装置应紧凑、坚固且价格低廉，以便在变化的地点灵活使用。另外，在测量之前尤其应该避免与测量无关的较大部分的细颗粒，以避免可能的干扰因素。
使用具有测量系统入口(71)和测量系统出口(72)的测量系统(7)可以出人意料地解决该问题，测量系统(7)用于研究气相中的浓缩的气溶胶(2)的较大气溶胶颗粒(3)，该测量系统(7)包括用于分离大部分细颗粒(21)和气溶胶(2)的部分气相的多级气溶胶颗粒浓缩器(1)，以及用于分析较大气溶胶颗粒(3)的测量室(8)，其中
i)测量室(8)包括测量装置(80)，用于特别是实时地对较大气溶胶颗粒(3)进行定性和/或定量测定，以及
ii)气溶胶颗粒浓缩器(1)包括第一虚拟冲击器级(4-1)和至少最后一个虚拟冲击器级(4-x)，每个虚拟冲击器级具有样品入口(41)、侧出口(42)和样品出口(43)，其中虚拟冲击器级(4)分离具有细颗粒(21)的较大部分的气溶胶(2)，并将较大气溶胶颗粒(3)浓缩在较小的气溶胶(2)中，其中气溶胶颗粒浓缩器(1)
-包括气溶胶吸入泵(6)，其具有气溶胶入口(61)和气溶胶出口(62)，用于在虚拟冲击器级(4)中产生负压，其中第一虚拟冲击器级(4-1)的侧出口(42)连接到气溶胶入口(61)以及
-循环流动通道(64)，其中一部分分离的带有细颗粒的气溶胶(21)在循环流中从气溶胶出口(62)返回到气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)，其中，至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)和/或最后一个虚拟冲击器级(4-x)的侧出口(42)连接到循环流动通道(64)。
还要求保护一种使用根据本发明的测量系统(7)来研究气溶胶(2)的浓缩的较大气溶胶颗粒(3)的方法，其中
i)利用气溶胶颗粒浓缩器(1)，通过虚拟冲击器级(4，4-1，4-x)的侧出口(42)和可选的至少一个另外的虚拟冲击器级(4，4-2)，分离出具有细颗粒(21)的常压下体积分数较大的气溶胶(2)，其中，至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)和/或最后一个虚拟冲击器级(4-x)的侧出口(42)连接到循环流动通道(64)，
ii)较大气溶胶颗粒(3)集中在气溶胶(2)的较小部分中，并引导通过第一个虚拟冲击器级(4，4-1)，可选地通过至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)到达最后一个虚拟冲击器级(4-x)的样品出口(43)，然后到达测量室(8)，以及
iii)使用测量装置(80)对测量室(8)中较大气溶胶颗粒(3)进行研究，以便对气相中的较大气溶胶颗粒(3)进行定性和/或定量测定，最好是实时测定。
此外，使用根据本发明的测量系统(7)和根据本发明的方法来研究气溶胶(2)，特别是气相中气溶胶(2)的浓缩的较大气溶胶颗粒(3)，优选实时研究。
出人意料地发现，作为根据本发明的测量系统(7)、根据本发明的方法和根据本发明的用途，可以满足这一要求很高的任务。这是因为由于气溶胶颗粒浓缩器(1)的作用，带有细颗粒(21)的较大部分气溶胶(2)被分离，较大气溶胶颗粒浓缩在较小部分气溶胶(2)中。因此，例如，可以将要研究的较大气溶胶颗粒(3)浓缩到1000倍或更高。结果，可以在测量系统(7)的更小的测量室(8)中，最小区域内使用测量装置(80)，快速定性和定量地分析在气相中气体体积大得多的较大气溶胶颗粒(3)，因此是实时的。另外，最初位于气溶胶(2)中的细颗粒(21)的部分大大减少或完全去除，使得最多只有极少量的细颗粒(21)与较大气溶胶颗粒(3)一起进入测量室(8)，这对于较大气溶胶颗粒(3)的测量是无关紧要的。因此，有关花粉的定性信息可在几分钟内提供给过敏者，定量信息可在不到一小时内以高精度提供。
气溶胶颗粒浓缩器(1)包括一个循环流动通道(64)，在该流动通道中，一部分分离出的带有细颗粒的气溶胶(21)以循环流的形式从气溶胶出口(62)返回到气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)。因此，通过具有多个(即至少两个)虚拟冲击器级(4)的气溶胶颗粒浓缩器(1)，较大气溶胶颗粒可以浓缩成较小的体积流量，因此可以从较大的体积流量中将气溶胶(2)分离出来。结果，例如，可通过三个浓缩级，即通过三个虚拟冲击器级(4)将40l/min的体积流量降低1000倍，因此仅降低至0.04l/min。利用至少一个测量装置(80)在测量室中研究包含浓缩在其中的较大气溶胶颗粒(3)的小体积流量。出人意料的是，这种方法甚至可以在1小时或更短的时间内，对最小数量的花粉进行可靠的定量测定，例如，每立方米空气中只有10个花粉颗粒。如果没有在根据本发明的气溶胶颗粒浓缩器(1)中使用循环流动通道(64)，则不可能在如此短的时间内如此实质性地浓缩较大气溶胶颗粒(3)并且定性和定量地确定非常低的花粉颗粒浓度。注意，较大气溶胶颗粒(3)的测定优选实时测量，其中，对于花粉浓度的定量测定，需要累积测量时间，例如1小时，在此期间实时测定多个花粉。
根据本发明使用的循环流动通道(64)的操作模式理解为：气溶胶吸入泵(6)在气溶胶入口(61)的区域中产生负压以吸入气溶胶(2)。通过气溶胶出口(62)再次排出，至少部分排出。其一部分在循环流动通道(64)中引导回到气溶胶入口(61)，其中循环流动通道(64)中的气溶胶(2)最初在第一部分中引导到测量室(8)的方向，然后在第二部分中引导到气溶胶入口(61)的方向。在这种情况下，第二部分布置在具有较大气溶胶颗粒(3)的通常集中布置的连接通道(5)和循环流动通道(64)的第一部分之间。另外的虚拟冲击器级(4-2)的侧出口(42)连接到循环流动通道(64)的第二部分，循环流动通道(64)通向气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)。现在有利地调整气溶胶入口(61)区域中的负压，使得引导在循环流动通道(64)中的含有细颗粒的气溶胶的另一部分(21-2)不仅被该负压吸入，而且使得在另外的虚拟冲击器级(4-2)的侧出口(42)连接到循环流动通道(64)的第二部分，比另外的或最后一个虚拟冲击器级(4-2，4-x)内的压力低。因为这样，气溶胶吸入泵(6)也可用作另外的或最后一个虚拟冲击器级(4-2，4-x)的吸入泵。出人意料的是，这种布置允许通过具有非常小尺寸的虚拟冲击器级(4)的侧出口(42)吸入气体和可选的含有细颗粒的气溶胶的一部分(21-1)，特别是通过另外的虚拟冲击器级(4-2)以及最后一个虚拟冲击器级(4-x)吸入。因此，由于在循环流动通道(64)内的流动，在侧出口(42)处流出的可任选地包含另外的细颗粒(21)的气体部分被吸入并输送到气溶胶入口(61)。结果，在另外的和最后的虚拟冲击器级(4-2，4-x)中较大气溶胶颗粒(3)在没有额外的空气吸入泵的情况下有效地进一步浓缩。
在没有循环流动通道(64)的情况下，尤其不可能在例如一小时或更短的时间内对甚至最小的花粉浓度进行花粉定量测定。这是因为在没有循环流动通道(64)的情况下，在用于研究气相中气溶胶(2)的较大气溶胶颗粒(3)的测量系统(7)中，多级气溶胶颗粒浓缩器(1)的另外的虚拟冲击器级(4-x)的侧出口(42)的尺寸非常小，以致不能产生较大气溶胶颗粒(3)，或至少不在要求的公差范围内。另外，细颗粒(21)沉积从而堵塞侧出口(42)的风险增加。换言之，在没有循环流动通道(64)的情况下，测量系统入口(71)处的体积流量(例如40l/min)不能浓缩1000倍。除其他外，其结果将是产生较低的浓度因子，因此在低花粉浓度下，所需的测量时间，即观察时间将大大增加，以便获得花粉数量的定量信息，为了测试具有统计意义的随机样本中较大气溶胶颗粒(3)。然而，如果气溶胶颗粒浓缩器(1)配备有循环流动通道(64)，则侧出口(42)可以具有更大的尺寸，因为除了通过虚拟冲击器级(4-2，4-x)分离的气溶胶部分之外，含有细颗粒的气溶胶的另一部分(21-2)引导回气溶胶入口(61)。因此，出人意料的是，循环流动通道(64)的存在允许吸入的气溶胶(2)，以及因此在气溶胶(2)中研究的较大气溶胶颗粒(3)，以实质上较大的因子浓缩。这进而使得尤其能够在短测量时间内定量测定较大气溶胶颗粒(3)，即使它们以极低的浓度存在于待研究的气溶胶(2)中。
出人意料的是，可以使用根据本发明的测量系统(7)来研究任何较大气溶胶颗粒(3)，该测量系统包括具有至少一个测量装置(80)的测量室(8)。由于可以使用可能不同的测量装置(80)，气溶胶颗粒不需要满足关于其化学成分的任何要求。较大气溶胶颗粒(3)的最小尺寸可以通过虚拟冲击器级(4)的适配而适应要求。
此外，测量系统(7)坚固、快速、高效，并且通常也可以在常用的工作电压下使用，所以它也适用于户外和/或作为移动测量装置。另外，它成本低，并且可以以小尺寸制造。因此，例如，可以用大约10x5x5cm3的外部尺寸制造测量室(8)，并且可以用大约30x30x30cm3的外部尺寸制造测量系统(7)，以便获得额外的吸引力。因此，无需付出很大的努力，以合理的成本就可以建立更多的花粉测量站，花粉测定的自动化程度也可以大大提高，从而形成更密集的花粉数量数据网络，从而获得更好的空间分辨率。因此，更准确的每日花粉数量信息可以更快地提供给花粉过敏者，从而提高花粉过敏者的生活质量，降低经济成本。
因此，根据本发明的测量系统(7)可以非常灵活地使用。也可以实时甚至在飞行中定量和定性地研究移动非常快速的颗粒，例如气溶胶的气溶胶颗粒，特别是多种不同的花粉和孢子，例如20种或更多的花粉和孢子，并且可以彼此区分，这到目前为止是不可能的。
EP-A-2 679 985公开了一种实时荧光检测装置，该装置具有用于分离和浓缩气溶胶颗粒的颗粒浓缩器和设置在颗粒浓缩器下侧的颗粒测量单元。所述颗粒测量单元包括：入口部分，用于将颗粒和空气从颗粒浓缩器导入颗粒测量单元；光学室，其内部形成有颗粒测量空间；光束形成部件，其适于使用激光束照亮测量空间中的颗粒；光束传送部分；在颗粒测量空间中以相对于激光束的前进方向90°角布置的反射器；适用于向外喷射颗粒和空气的颗粒喷射部分；以及具有散射光检测器和荧光检测器的分束器，所述散射光检测器和荧光检测器适于检测激光束与颗粒之间相互作用产生的散射光和荧光。一个循环流动通道，其中一部分分离出来的带有细颗粒的气溶胶在循环流动中从气溶胶出口返回到同一气溶胶吸入泵的气溶胶入口。
US 4968885描述了一种将液体样品引入化学检测器的方法和装置，其中液体样品转换成气态或颗粒态。富集的溶解颗粒蒸发、电离和/或由合适的气相或颗粒探测器检测。该装置主要是液相色谱仪或工艺流程与质谱仪之间的接口。因此，没有描述包括本发明意义上的气溶胶颗粒浓缩器的测量装置。此外，也没有提到一个循环流动通道，其中一部分分离的气溶胶和细颗粒在循环流中从气溶胶出口返回到同一气溶胶吸入泵的气溶胶入口。
US-A-2011/0203931公开了用于非接触气动取样和表面、人员、衣物、建筑物、家具、车辆、行李、包装、邮件等的取样的装置、仪器和方法，用于研究有危险指示的气溶胶或蒸汽的污染，污染气溶胶或蒸汽具有化学性、放射性、生物性、毒性或传染性。在第一种装置中，用于吸入气流的中心孔被一组汇聚定向气体射流环绕，形成一个虚拟取样室。气体喷射器配置为提供毫秒气动脉冲，从而在一定距离内去除固体表面的颗粒和蒸汽。在本发明的另一方面，使用空对空浓缩器分离吸入气流，使得富含颗粒的气流引导到颗粒收集器，并且在其中固定的颗粒选择为分析用于优化的炸药和炸药相关材料。将分析颗粒相关成分的条件和质量流引导至蒸汽收集器，并在用于分析自由蒸汽的优化条件下选择性地分析固定在其中的自由蒸汽以用于炸药和炸药相关材料。比较或整合来自颗粒通道和蒸汽通道的探测信号，以探测与爆炸物有关的微量其余物。因此，没有描述包括本发明意义上的气溶胶颗粒浓缩器的测量装置。此外，也没有提到一个循环流动通道，其中一部分分离的气溶胶和细颗粒在循环流中从气溶胶出口返回到同一气溶胶吸入泵的气溶胶入口。
测量系统(7)
根据本发明的测量系统(7)适合于研究，即分析气相中气溶胶(2)的浓缩的较大气溶胶颗粒(3)。测量系统(7)包括通常布置在测量系统(7)上部区域的测量系统入口(71)和通常布置在测量系统(7)下部区域的测量系统出口(72)。气溶胶(2)通过测量系统入口(71)进入测量系统(7)。在测量系统(7)的第一部分中，通过多级气溶胶颗粒浓缩器(1)将至少大部分具有较大气溶胶体积分数的较小的细颗粒(21)与具有较小气溶胶体积分数的较大气溶胶颗粒(3)分离。然后将浓缩在气溶胶的较小体积分数中的较大气溶胶颗粒(3)引导通过测量室(8)，并使用至少一个测量装置(80)进行研究。然后，较大气溶胶颗粒(3)通过测量系统出口(72)离开测量系统(7)。因此，较大气溶胶颗粒(3)没有分离用于分析，而是在整段时间内保持在气相中。因此，较大气溶胶颗粒(3)的测量是在飞行中进行的，并且是在几分之一秒内进行的。实时评估测量数据是可能的，也是可取的。
在这种情况下，根据本发明，实时理解为意味着可以立即并且因此在几秒钟内(例如在几个纳秒、微秒或毫秒期间)执行测量。根据获得的数据量和计算机功率，对获得的数据进行后续评估通常需要几秒钟到几个小时。因此，可以确定只能在极短时间内分析的气溶胶。
因此，测量系统(7)包括多级气溶胶颗粒浓缩器(1)，用于分离气溶胶(2)的细颗粒(21)和较大部分气相，以及将较大气溶胶颗粒(3)浓缩在较小部分气相。此外，测量系统(7)包括测量室(8)，该测量室(8)具有至少一个测量装置(80)，用于定性和/或定量测定，即，尤其是实时分析浓缩的较大气溶胶颗粒(3)。
测量系统(7)特别优选具有圆柱形设计。在这种情况下，虚拟冲击器级(4、4-1、4-2、4-x)、连接通道(5、5-1、5-2、5-3)和测量室(8)串联布置，有利地呈线性布置，并位于圆柱形设计的中心。例如，由循环流动通道(64)和其余气溶胶通道(63)完全封闭的空气管被精细连接元件固定在点上，以便为具有循环流动通道(64)的测量系统(7)提供必要的稳定性。
测量系统(7)有利地包括至少一个流量调节阀，以便调节气溶胶颗粒浓缩器(1)和/或气溶胶吸入泵(6)中的气溶胶流量和可选的负压。例如，至少一个流量调节阀可以安装在气溶胶吸入泵(6)的气溶胶出口(62)、其余的气溶胶通道(3)和/或循环流动通道(64)中。合适的流量调节阀是本领域技术人员已知的。
气溶胶颗粒浓缩器(1)
气溶胶颗粒浓缩器(1)包括至少一个第一虚拟冲击器级(4-1)和至少最后一个虚拟冲击器级(4-x)，每个虚拟冲击器级(4)具有样品入口(41)、侧出口(42)和样品出口(43)，其中，虚拟冲击器级(4)分离具有细颗粒的较大部分的气溶胶(2)，并将较大气溶胶颗粒(3)浓缩在较小部分的气溶胶(2)中。这样可以更快速的测量，因为每单位时间可以研究更多的气溶胶颗粒，因此每单位时间可以提供更多的测量值。因此，即使是小颗粒浓度也可以在短时间内和/或以高精度确定。
本发明的气溶胶颗粒浓缩器(1)是一种多级气溶胶颗粒浓缩器(1)，即，它包括多个相同或类似的，特别是至少两个虚拟冲击器级(4)，以便将较大气溶胶颗粒(3)分几个步骤浓缩到气溶胶(2)的一部分中。
虚拟冲击器级(4)是本领域技术人员熟悉的。它们通常由两个平行板组成，平行板与气溶胶的流动方向成90°角，每个平行板的中心都有一个开口。位于上板中心的是一个喷嘴，即一个锥形喷嘴，气溶胶在其中流动和加速。由于虚拟冲击器级(4)的几何形状，带有细颗粒(21)的较大部分气溶胶(2)在板之间分离并横向引出。较小部分的气溶胶(2)与较大气溶胶颗粒(3)一起流过下板的开口。
多级气溶胶颗粒浓缩器(1)包括至少两个虚拟冲击器级(4)，即第一虚拟冲击器级(4-1)，可选地包括至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)和最后一个虚拟冲击器级(4-x)。在这种情况下，虚拟冲击器级(4)优选地连接到连接通道(5)。在这种情况下，测量系统入口(71)、虚拟冲击器级(4)、连接通道(5)和测量室(8)有利地线性排列，因此串联排列，特别是垂直排列。在这种情况下，测量系统入口(71)通常位于这种布置的最高点，其结果是较大气溶胶颗粒(3)也借助重力从测量系统入口(71)向测量室(8)的方向输送。
根据本发明的测量系统(7)和根据本发明的方法的虚拟冲击器级(4)通常通过斯托克斯数(Stokes number)来定义，其中有利地满足以下条件：
(St)1/2≥0.4 (1)
其中
St＝(dp 2＊C·uj＊Pp)/(9＊l＊μ) (2)
并且St＝斯托克斯数[-],
dp＝要浓缩的较大气溶胶颗粒(3)的截止直径[m]，
C＝坎宁安系数(Cunningham factor)[-]
uj＝平均喷射速度[m/s]
ρp＝颗粒密度[kg/m3]
I＝样品入口的喷嘴直径[m]
μ＝动态流体粘度[Pa.s]。
截止直径(cut-off diameter)dp理解为较大气溶胶颗粒(3)中的不应与气溶胶(2)的较小部分分离的最小颗粒的气溶胶颗粒的直径。如果要测量平均直径约为20μm或更大的花粉，则最好在方程式(2)中计算例如10μm的截止直径。
坎宁安系数C是一个无量纲的、特定于材料的特性。为了根据等式(1)和(2)计算斯托克斯数，根据本发明使用的坎宁安因子为1，且能更好的近似。
平均射流速度uj由喷嘴直径和体积流量获得。
要分离的气溶胶颗粒的密度可用作颗粒的密度ρp。花粉密度在500kg/m3到1200kg/m3之间。如果没有关于密度的信息可用，根据本发明的斯托克斯数用600kg/m3的颗粒密度计算。
样品入口(41)的喷嘴直径I可根据系统而变化。通常，最后一个虚拟冲击器级(4-x)的喷嘴直径(例如1.5mm)适合研究花粉。
密度为1.185kg/m3的空气在25℃时的动态流体粘度用作动态流体粘度μ。在这种情况下，根据本发明，为了计算斯托克斯数，空气视为是不可压缩的，因此使用1.831e-5Pa.s的值。
根据本发明的测量装置(7)和根据本发明的方法的气溶胶颗粒浓缩器(1)优选地包括至少两个串联布置的虚拟冲击器级(4)，每个虚拟冲击器级具有样品入口(41)、侧出口(42)和样品出口(43)以及至少三个分开的连接通道(5)通过虚拟冲击器级(4)彼此分离。
本发明的气溶胶颗粒浓缩器(1)还包括气溶胶吸入泵(6)，其具有气溶胶入口(61)和气溶胶出口(62)，用于在虚拟冲击器级(4)中产生负压，其中第一虚拟冲击器级(4-1)的侧出口(42)连接到气溶胶入口(61)，以及循环流动通道(64)，其中部分分离的带有细颗粒的气溶胶(21)在循环流中从气溶胶出口(62)返回到气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)，其中侧出口(42)连接到至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)和/或最后一个虚拟冲击器级(4-x)。气溶胶吸入泵(6)通常是气体或空气吸入泵，其也适合于吸入气溶胶。
在测量系统(7)的优选实施例中，
i)气溶胶吸入泵(6)是径向风扇(60)或带有气泵(66)的静态压力分配装置(65)，其中气溶胶吸入口，即气溶胶吸入泵(61)的气溶胶入口，设置在径向风扇(60)的中心或静态压力分配装置(65)的中心和/或
ii)测量系统(1)包括另一个气溶胶吸入泵(9)，其设置在测量室(8)和测量系统出口(72)之间。
术语“在径向风扇(60)的中心”和“在静态压力分配装置(65)的中心”，在这种情况下，应理解为径向风扇(60)或静态压力分配装置(65)的横截面的中心区域，所述静态压力分配装置是在与较大气溶胶颗粒(3)的飞行方向成直角的位置处测量的。
根据本发明，径向风扇(60)理解为吸入空气的风扇，因此吸入气溶胶(2)，气溶胶通过测量系统入口(71)和径向叶轮的旋转进入与风扇驱动轴平行的测量装置(7)，吹出较大比例的气溶胶(2)和偏转90°并沿径向(即横向)的细颗粒(21)。在这种情况下，径向风扇(60)的风扇叶片布置在样品入口(41)和侧出口(42)之间或仅布置在第一虚拟冲击器级(4-1)的侧出口(42)中。在这种情况下，气溶胶吸入口优选地布置在径向风扇(60)的中心。有利地，根据本发明使用的径向风扇(60)与第一虚拟冲击器级(4)组合，其中，虚拟冲击器级(4)的侧出口(42)和循环流动通道(64)的一端对应于径向风扇(60)的气溶胶吸入口，因此也对应于气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)，即对应于径向风扇(60)。此外，径向风扇(60)有利地包括具有空心轴的外部转子马达或例如通过小齿轮或皮带连接的外部驱动器。在优选实施例中，径向风扇(60)是具有轴向通道的径向风扇。
静态压力分配装置(65)理解为典型的圆形、圆盘状和静态布置，其中来自测量装置(7)的测量系统入口(71)的含有细颗粒(21)的较大部分气溶胶(2)流过该布置。静态压力分配装置(65)优选地布置在气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)周围，即具有气泵(66)的静态压力分配装置(65)，并且包括邻接气溶胶入口(61)的第一区域。位于该第一区域中的是气泵(66)的吸入口以及任选地、尤其优选地至少一个装置，以尽可能均匀地分配由气泵(66)产生的负压。这种装置包括例如具有多个开口的壁(65a)。由吸气泵(66)产生的负压用细颗粒(21)吸入气溶胶(2)的一部分，并引导其通过气溶胶回流入口(66b)进入第二区域，该第二区域通过没有开口的壁(65b)与第一区域分开。第二区域包括至少一个气溶胶出口(62)，气溶胶(63)和细颗粒(21)通过该出口引导至其余气溶胶通道(63)，以及引导至少一个(优选多个)开口(65c)至循环流动通道(64)。在这种情况下，有利地，气溶胶回流入口(66b)、气溶胶出口(62)和具有至少一个装置的至少一个开口(65c)彼此分离，以便用细颗粒(21)优化分配气溶胶(2)的各个入口/出口产生的压差。在这种情况下，第二区域可以横向包围第一区域和/或例如布置在第一区域之下。有利地，静态压力分配装置(65)也由没有开口的壁(65b)向外限定。
因此，由于在第一虚拟冲击器级(4-1)中气泵(66)的吸入作用，具有细颗粒(21)的气溶胶(2)从测量系统入口(71)偏转了90°并通过第一虚拟冲击器级(4-1)的侧出口(42)吸入静态压力分配装置(65)的气溶胶入口(61)。通过气泵(66)的进气口(66a)，带有细颗粒(21)的气溶胶(2)的偏转部分从静态压力分配装置(65)的第一区域吸入到气泵(66)，并且通过气体出口压力再次通过气溶胶回流入口(66b)压入静态压力分配装置(65)的第二区域。从那里，一部分含有细颗粒的气溶胶的一部分(21-1)通过气溶胶出口(62)进入其余气溶胶通道(63)。含有细颗粒的气溶胶的另一部分(21-2)通过至少一个开口(65c)进入循环流动通道(64)，并从那里再次回到气溶胶入口(61)。
例如，径向风扇(60)和/或静态压力分配装置(65)的横截面可在与较大气溶胶颗粒(3)的飞行方向成直角的位置测量，其横截面与测量系统(7)的横截面相当，其中径向风扇(60)或静态压力分配装置(65)的横截面也可以更小。在较大气溶胶颗粒(3)的飞行方向上测量时，径向风扇(60)和/或静态压力分配装置(65)的高度可以在例如0.5cm到20cm之间或更大。
连接到静态压力分配装置(65)的气泵(66)用细颗粒(21)吸入气溶胶(2)的较大部分，并将其至少部分地再次输送回静态压力分配装置(65)。其结果是，如果提供静态压力分配装置(65)，则虚拟冲击器级(4)的操作模式将成为可能。气泵(65)是气体泵并产生压差，其中较低的压力，即相对于外部压力的负压，布置在第一虚拟冲击器级的侧面。
根据本发明，循环流动通道(64)理解为意味着含有细颗粒(21)的较大部分的气溶胶(2)的一部分在回路中被引导。这样，循环流动通道(64)将吸入的带有气溶胶细颗粒(21)的气溶胶的一部分从循环流中的气溶胶出口(62)返回到气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)。在这种情况下，另外的虚拟冲击器级(4-2)和最后一个虚拟冲击器级(4-x)的侧出口(42)连接到循环流动通道(64)。由于在循环流动通道(64)内的流动，在侧出口(42)处流出的可任选地包含另外的细颗粒(21)的气体部分被吸入并输送到气溶胶入口(61)。
如果测量系统(7)包括带有气泵(66)和另一个气溶胶吸入泵(9)的静态压力分配装置(65)，则气泵(66)和另一个气溶胶吸入泵(9)的结构可以相同。
在优选实施例中，气溶胶吸入泵(6)的气溶胶出口(62)连接到a)其余气溶胶通道(63)和b)循环流动通道(64)，其余气溶胶通道(63)用气溶胶细颗粒(21)去除吸入的含有细颗粒的气溶胶的一部分(21-1)，其中，循环流动通道(64)将吸入的含有细颗粒的气溶胶的另一部分(21-2)和循环流中的气溶胶细颗粒(21)返回到气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)。
这种布置使得能够有效地引导循环流动通道(64)中的循环流，其中也在另外的虚拟冲击器级(4-2，4-x)的侧出口(42)处产生负压，以便能够有效地去除侧出口(42)的气溶胶部分。另外，吸入的含有气溶胶细颗粒(21)的气溶胶的一部分(21-1)被连续引出。
在根据本发明的测量系统(7)和根据本发明的方法的另一优选实施例中，在气溶胶流动方向上向最后一个虚拟冲击器级(4-x)的样品出口(43)供应鞘流(sheath flow)，其中，鞘流i)形成从其循环流动通道(64)分支的一部分，或ii)其余气溶胶通道(63)或其一部分。这使得在测量室(8)中心的浓缩的小部分气溶胶(2)中，较大气溶胶颗粒(3)可以更好地聚集，从而进行分析。在这种情况下，出人意料的是，随鞘流供应的气溶胶细颗粒(21)在较大气溶胶颗粒(3)的测量中没有干扰作用。
通常，如果其余气溶胶通道(63)在测量室(8)之后与测量室(8)的样品出口结合也是有利的，其结果是，含有细颗粒(21)的气溶胶的一部分(21-1)在常压下与较大气溶胶颗粒(3)和较小体积分数的气溶胶(2)结合，并且可选地通过另一个气溶胶吸入泵(9)从测量系统输送。因此，如果需要，所有颗粒，即所有细颗粒(21)和所有较大气溶胶颗粒(3)都可以从测量系统(7)的公共开口输送。
具有气溶胶细颗粒(21)和较大颗粒(3)的气溶胶(2)
根据本发明，术语气溶胶(2)理解为气溶胶颗粒(也称为悬浮颗粒)在气体或气体混合物中的混合物，其中悬浮颗粒在环境温度下以固体和/或液体形式存在，并且通常具有约20μm到约100μm或更大的平均直径。空气是气溶胶中一种典型的气体混合物，具有日常重要性，经常会对健康造成损害甚至污染。气溶胶(2)是在被气溶胶颗粒浓缩器(1)分离之前的气溶胶。
气溶胶在规定的气体体积中包含多个气溶胶颗粒，这些颗粒的大小、形状和类型基本上不同。因此，气溶胶(2)包括较大气溶胶颗粒(3)和细颗粒(21)，其中较大气溶胶颗粒(3)相对于细颗粒(21)具有较大的平均直径。通过虚拟冲击器级(4)的特定匹配，本领域技术人员可以设置将哪些粒径浓缩为较大气溶胶颗粒(3)并引导到测量室(8)中，哪些粒径分离为细颗粒(21)，其中较大部分的气溶胶(2)至少占大部分。
气溶胶颗粒浓缩器(1)现在将气溶胶(2)分为较大部分的气溶胶(2)和较小部分的气溶胶(2)和较大气溶胶颗粒(3)。换言之：将气溶胶(2)与细颗粒(21)一起分离成较大体积分数，即大于气溶胶(2)气相的98vol.％且优选99.5vol.％或更大体积分数和其余较小体积分数，小于2vol.％且优选0.5vol.％或更小的气溶胶(2)的气相以及较大气溶胶颗粒(3)。
待研究的较大气溶胶颗粒(3)在其化学组成方面没有任何限制。它们可以以固体、液体、分散体、悬浮液、糊状物和/或分散在空气中的颗粒的形式存在，特别是生物气溶胶颗粒。较大气溶胶颗粒(3)也可以以团块形式存在。
待研究的合适的较大气溶胶颗粒(3)的非限制性实例包括花粉，尤其是花、草、植物和树花粉、孢子，例如霉菌孢子，尤其是烟曲霉、交链孢、青霉和草枝孢、细菌、屋尘螨的排泄物、宠物的过敏原，蛋白质、DNA、RNA、生物体、烟雾，尤其是香烟烟雾、燃烧气体和烟道气、来自内燃机的烟尘和油烟，例如汽车尾气、二氧化硫和/或诸如火山灰的灰。
在根据本发明的测量系统(7)的优选实施例中，较大气溶胶颗粒(3)具有根据ISO13320:2009通过光衍射测量的至少1μm、优选至少5μm、特别是至少10μm的颗粒直径。在这种情况下，气溶胶颗粒浓缩器(1)，特别是气溶胶颗粒浓缩器(1)的虚拟冲击器级(4)以这样的方式优化，使得大于所需最小颗粒直径的较大气溶胶颗粒(3)不会沉积。细颗粒(21)，即具有较小粒径的气溶胶颗粒在气溶胶颗粒浓缩器(1)中分离，特别是通过具有较大部分气溶胶(2)的虚拟冲击器级(4)，使得它们基本上不引导进入测量室(8)。本领域技术人员知道他必须如何改变气溶胶颗粒浓缩器(1)和虚拟冲击器级(4)，以便最佳地设置较大气溶胶颗粒(3)的期望最小颗粒直径。为此，通常使用方程(1)和(2)计算斯托克斯数。
测量室(8)和测量装置(80)
根据本发明的测量系统(7)包括具有至少一个测量装置(80)的测量室(8)，该测量装置(80)用于特别是实时地对较大气溶胶颗粒(3)进行定性和/或定量测定。
测量装置(80)可以设置在测量室(8)的内部和/或外部。如果测量装置(80)布置在测量室(8)的外部并且基于光学测量原理，则可以通过例如合适的窗口将光导入测量室(8)并再次导出。
测量室(8)通常将最后一个虚拟冲击器级(4-x)的样品出口(43)连接到气溶胶(2)的出口，其中，连接通道(5)可选择性地布置在最后一个虚拟冲击器级(4-x)和测量室(8)之间，和/或另一个气溶胶吸入泵(6)可布置在最后一个虚拟冲击器级(4-x)和测量室(8)之间测量室(8)和气溶胶出口。
测量系统(7)的测量室(8)通常具有恒定横截面的细长形状。在这种情况下，较大气溶胶颗粒(3)沿横截面中心引导。在飞行过程中，通过测量装置(80)对其进行分析。
出人意料的是，测量室的尺寸可能很小，例如5x 2x 2cm3，其中也可能有较大或较小的尺寸。
浓缩在气溶胶(2)较小部分中的较大气溶胶颗粒(3)通常在测量时间内连续引导通过测量室(8)，然后在气相中通常是连续地对它们进行研究，即测量或分析，并且优选使用测量装置(80)实时地进行研究。
在优选实施例中，用于分析较大气溶胶颗粒(3)的测量装置(80)构成至少一个测量装置i)即荧光测量装置(81)用于荧光测量，ii)用于数字全息测量(82)，iii)用于时间分辨散射光测量(83)和/或iv)用于拉曼光谱(Raman)和/或红外光谱(84)。如果使用多个测量装置(80)，这些装置可以任意组合。本领域技术人员知道他需要哪种测量装置(80)的组合来进行每种情况下所需的分析。
如果较大气溶胶颗粒(3)表现出自荧光，这是许多较大气溶胶颗粒(3)例如花粉的情况，则荧光测量装置(81)适合作为测量装置(80)。在这种情况下，将要研究的较大气溶胶颗粒(3)通过适当波长的光激发。较大气溶胶颗粒(3)吸收光并再次部分发射。然后使用探测器检测发射的光。荧光强度和荧光寿命都适合于荧光测量。在这种情况下，可以在时域和频域中测量荧光寿命。本领域技术人员熟悉各个荧光方法，并且他能够对方法以及装置和各个组件进行适当的选择。荧光测量装置(81)特别有助于测量生物气溶胶，例如花粉和孢子、烟气，以及检测生物武器，例如有害健康的气溶胶细菌，例如炭疽(炭疽病原体)。
通过荧光测量装置(81)实时识别飞行中单个气溶胶颗粒的首选方法是在频域测量荧光寿命。在这种情况下，由光源发射的光有利地进行强度调节。特别地，基于半导体技术的电子光子探测器适合用作探测器。特别优选的检测器是硅光电倍增管(SiPM)。在申请号为EP17189312的欧洲专利申请中公开了一种特别适合于此的测量装置。
如果测量装置(80)是数字全息测量装置(82)，则通常使用根据同线(in-line)或伽柏法(Gabor method)的光学设置。在这种情况下，来自光源(可选地由透镜聚焦)的相干光通过测量室(8)壁上的窗口，通过测量室(8)引导到相反位置的检测器，其中透镜也可以作为窗口。在测量室(8)中，当要研究的气溶胶颗粒飞过时，光照射在气溶胶颗粒上，其中一部分光在较大气溶胶颗粒(3)处衍射。受较大气溶胶颗粒(3)影响的光会干扰光源的相干背景光，并由相对的成像检测器共同检测。这提供了要研究的气溶胶颗粒(3)的全息图，并导致气溶胶颗粒的附加成像特性。在这种情况下，用于数字全息测量装置(82)可以包括一个或多个同线布置。一个单独的探测器，也称为触发接收器，可用于启动成像探测器的记录。照射在较大气溶胶颗粒(3)上的光的一部分被散射并且可以被触发接收器检测到。本领域技术人员还熟悉用于触发成像检测器的记录时间的其他光学配置。数字全息测量装置(82)特别有助于分析飞行中的气溶胶颗粒和生物细胞。此外，流量可以通过飞行中单个颗粒的全息图来确定。
如果测量装置(80)是时间分辨散射光测量装置(83)，则光源的光，即所谓的激发光被准直，即用透镜聚焦，并通过与气溶胶流轴线平行的窗口引导，较大气溶胶颗粒进入测量通道，其结果是在测量通道中，颗粒在相当长的距离内被激发光束照亮。激发光还可以通过侧窗或测量通道中的透镜引导，测量通道中的镜子使光与气溶胶颗粒的飞行方向相反或在其飞行方向上偏转90°，从而气溶胶颗粒飞过时被激发光束照亮。这样就产生了散射光，其中散射光的一部分通过测量室(8)壁上的另一个窗口从测量室横向射出。窗口可以可选地配置为使得其接管准直透镜的功能，或者将射出的散射光与透镜准直，并且可选地，即，如果由偏振测量补充，则通过偏振滤光片将其分离成具有垂直和水平偏振的光，其中偏振光光束偏转90°。两个偏振光束分别通过另一透镜聚焦到一个接收器上并进行检测。结果是，对于每一个光的偏振，测量了颗粒飞过时的散射光强度分布，这是气溶胶颗粒的特征。
如果测量装置(80)是拉曼光谱和/或红外光谱测量装置(84)，则用通常来自激光器的单色光照射待研究材料。除了发射频率，即瑞利散射(Rayleigh scattering)外，在样品散射光的光谱中还观察到更多的频率。与发射光的频率差对应于材料特有的旋转、振动、声子或自旋翻转过程的能量。研究物质的信息可以从获得的光谱中提取，类似于红外光谱。
本领域技术人员熟悉数字全息、具有和不具有偏振测量的时间分辨散射光测量以及拉曼和/或红外光谱的方法。他也熟悉合适的组件。这些可商购获得。他也可以不费力和创造性地组装合适的组件。
方法
出人意料的是，根据本发明的方法允许使用根据本发明的测量系统(7)的测量装置(80)对飞行中和实时的浓缩的较大气溶胶颗粒(3)进行定性和/或定量研究，其中可选地，多个测量装置(80)也可以彼此组合。优选地用作测量装置(80)的是测量装置i)用于荧光测量(81)，ii)用于数字全息测量(82)，iii)用于时间分辨散射光测量(83)，可选地具有偏振测量和/或iv)用于拉曼光谱和/或红外光谱测量(84)。
根据本发明的方法包括
i)使用气溶胶颗粒浓缩器(1)，通过虚拟冲击器级(4，4-1，4-x)的侧出口(42)和可选的至少一个另外的虚拟冲击器级(4，4-2)，在正常压力下，即在25℃、1bar和50％相对空气湿度下，气溶胶(2)的较大体积分数与细颗粒(21)分离，其中，至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)和/或最后一个虚拟冲击器级(4-x)的侧出口(42)连接到循环流动通道(64)，
ii)较大气溶胶颗粒(3)集中在气溶胶(2)的较小部分中，并引导通过第一虚拟冲击器级(4，4-1)，可选地通过至少一个另外的虚拟冲击器级(4，4-2)到最后一个虚拟冲击器级(4，4-x)的样品出口(43)，然后到测量室(8)和
iii)使用测量装置(80)对测量室(8)中较大气溶胶颗粒(3)进行研究，以便对气相中的较大气溶胶颗粒(3)进行定性和/或定量测定，最好是实时测定。
根据本发明的方法另外优选地包括：
-使用气溶胶吸入泵(6)，气溶胶(2)通过第一连接通道(5-1)吸入到第一虚拟冲击器级(4-1)中，并在那里分离成
i.带有细颗粒的气溶胶(21)，其通过第一虚拟冲击器级(4-1)的侧出口(42)经由气溶胶入口(61)引导至气溶胶吸入泵(6)和
ii.具有较大气溶胶颗粒(3)的气溶胶，其通过第一虚拟冲击器级(4-1)的样品出口(43)进入第二连接通道(5-2)，
-气溶胶吸入泵(6)的气溶胶出口(62)后含有细颗粒(21)的气溶胶一部分细颗粒(21-1)引导至其余气溶胶通道(63)中，和循环流动通道(64)中含有细颗粒(21)的气溶胶的另一部分(21-2)返回气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)，
-在第二连接通道(5-2)中具有较大气溶胶颗粒(3)的气溶胶传递到至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)的样品入口(41)，其中一部分气体可以包含一部分未分离的其余细颗粒(21)的中转气溶胶(2)的气相通过至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)的侧出口(42)导出，并且浓缩了较大气溶胶颗粒(3)的气溶胶通过至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)的样品出口(43)传递到至少一个另外的连接通道(5-3)，
-通过至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)的侧出口(42)引出的气相引入循环流动通道(64)中，并一起返回到气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)，其中，气相通常可包含在第一虚拟冲击器级(4-1)中未分离的细颗粒(21)或至少大部分细颗粒(21)，以及
-浓缩的较大气溶胶颗粒(3)从最后一个虚拟冲击器级(4-x)的样品出口(43)沿气溶胶流动方向引导通过测量室(8)，以便用测量装置(80)研究较大气溶胶颗粒(3)。
利用根据本发明的测量系统(7)的气溶胶颗粒浓缩器(1)和根据本发明的方法，另外，优选地，在正常压力下，气溶胶的较小体积分数的较大气溶胶颗粒(3)可以浓缩至少50倍，尤其优选地浓缩至少200倍，出人意料的是，至少是500倍或更多。
在根据本发明的方法的另一优选实施例中，在测量室(8)之后的其余气溶胶通道(63)提供到测量室(8)的样品出口，其结果是，含有细颗粒(21)的气溶胶的一部分(21-1)在常压下与较大气溶胶颗粒(3)和较小体积分数的气溶胶(2)结合，并且可选地通过另一个气溶胶吸入泵(9)从测量系统(7)输送。因此，如有必要，所有颗粒，即所有细颗粒(21)和所有较大气溶胶颗粒(3)可通过开口共同引导出装置。
在该方法的另一优选实施例中，气溶胶颗粒浓缩器(1)的气溶胶吸入泵(6)设置成尤其借助于气溶胶吸入泵(6)的泵功率和/或其余气溶胶通道(63)中的至少一个流量调节阀，在第一虚拟冲击器级(4-1)的气溶胶入口(61)处，并且也基本上在侧出口(42)处，相对于浓缩器(1)的外部压力产生30到10000Pa，特别是100到400Pa的负压。这在测量系统(1)中产生最佳负压，以便一方面通过气溶胶吸入泵(6)尽可能不吸入较大气溶胶颗粒(3)，而是吸入足够大的气溶胶(2)细颗粒(21)。此外，较大气溶胶颗粒(3)可以在这些负压下最佳地流过测量室(8)。此外，它允许循环流动通道(64)的最佳功能。这在这种方式中是不能预期的。
用途
令人惊讶的是，根据本发明的测量系统(7)和根据本发明的方法可以非常灵活地使用。它们特别适合于研究气溶胶(2)，尤其是在气相中浓缩气溶胶(2)的较大气溶胶颗粒(3)，并且优选是实时地研究。
如果气溶胶(2)是一次或二次气溶胶、雾、大气气溶胶、室内气溶胶、工业气溶胶、工艺气溶胶、天然有机和/或无机气溶胶和/或如果气溶胶(2)的较大气溶胶颗粒(3)包括花粉、孢子、细菌，病毒、固体或液体悬浮颗粒、灰尘(如悬浮灰尘)、沙尘和/或矿物灰尘和/或灰(如火山灰)，则根据本发明的用途是合适的。
根据本发明的测量系统(7)的使用允许直接测量分散在气相中的气溶胶颗粒，从而测量飞行中的气溶胶颗粒。这是因为由于根据本发明部署和使用的气溶胶颗粒浓缩器(1)，较大气溶胶颗粒(3)可以高度浓缩，这使得能够在飞行中和实时地对其进行极其有效的测量。通过适当地选择至少一个测量装置(80)，可以选择最佳的测量方法来分析较大气溶胶颗粒(3)。
使用以下参考标记：
1 多级气溶胶颗粒浓缩器
2 气溶胶
21 气溶胶(2)细颗粒
21-1 含有细颗粒的气溶胶的一部分
21-2 含有细颗粒的气溶胶的另一部分
3 较大气溶胶颗粒
4 虚拟冲击器级
4-1 第一虚拟冲击器级
4-2 另外的虚拟冲击器级
4-x 最后一个虚拟冲击器级
41 虚拟冲击器级(4)样品入口
42 虚拟冲击器级(4)侧出口
43 虚拟冲击器级(4)样品出口
5 连接通道
5-1 第一连接通道
5-2 第二连接通道
5-3 另外的连接通道
6 气溶胶吸入泵
60 径向风扇
61 气溶胶吸入泵(6)入口
62 气溶胶吸入泵(6)出口
63 其余气溶胶通道
64 循环流动通道
65 静态压力分配装置
65a 具有多个开口的壁
65b 没有开口的壁
65c 循环流动通道(64)开口
66 压力分配装置(65)的气泵
66a 压力分配板(65)中气泵(66)的进气口
66b 气泵(66)气溶胶回流入口
7 测量系统
71 测量系统入口
72 测量系统出口
8 测量室
80 用于实时定性和/或定量测定较大气溶胶颗粒(3)的测量装置
81 荧光测量装置
82 数字全息测量装置
83 时间分辨散射光测量装置
84 拉曼光谱和/或红外光谱装置
9 另一个气溶胶吸入泵(9)
下文参考附图描述根据本发明的具有多级气溶胶颗粒浓缩器(1)和测量室(8)的测量系统(7)的非限制性优选实施例。这些不应理解为限制性的，而是描述的一部分：
图1作为示例示意性地示出了根据本发明的具有测量系统入口(71)和测量系统出口(72)的测量系统(7)的一部分，所述测量系统入口(71)和测量系统出口(72)包括具有气溶胶吸入泵(6)和循环流动通道(64)的多级气溶胶颗粒浓缩器(1；虚线所示)，以及测量室(8)。具有循环流动通道(64)的测量系统(7)有利地是圆柱形的，其中虚拟冲击器级(4、4-1、4-2、4-x)，连接通道(5、5-1、5-2、5-3)和测量室(8)串联放置，最好在圆柱布置的中心线性放置。因此，气溶胶吸入泵(6)、循环流动通道(64)和其余气溶胶通道(63)示出了从测量系统(7)一侧的内侧到外侧的截面。在这种情况下，图中例如完全被循环流动通道(64)和其余气溶胶通道(63)包围的区域通过精细连接元件(未示出)保持在某些点上，以便使具有循环流动通道(64)的测量系统具有必要的稳定性。
气溶胶吸入泵(6)可以是径向风扇(60)或另一个泵的形式。它在测量系统(7)中产生负压，以至于气溶胶(2)通过第一连接通道(5，5-1)吸入到第一虚拟冲击器级(4-1)的样品入口(41)。在那里，带有细颗粒(21)的气溶胶(2)的较大部分通过虚拟冲击器级(4)的侧出口(42)分离，因此，较大气溶胶颗粒(3)集中在气溶胶(2)的较小部分中。较大气溶胶颗粒(3)和较小部分的气溶胶(2)流过第一虚拟冲击器级(4-1)的样品出口(43)，该虚拟冲击器级通常布置在样品出口(41)的对面。从第一虚拟冲击器级(4-1)的样品出口(43)，较大气溶胶颗粒(3)和气溶胶(2)的较小部分通过第二连接通道(5，5-2)，该通道将第一虚拟冲击器级(4-1)的样品出口(43)连接到第二虚拟冲击器级(4-1)的样品入口(41)，例如另一个虚拟冲击器级4-2)。与其他方法一样，这与第一虚拟冲击器级(4-1)类似，通过侧出口(42)分离较大部分，即气溶胶(2)较小部分的剩余气相的至少73vol.％，优选83vol.％或更多。如果所有细颗粒(21)在前一虚拟冲击器级(4)未分离，则后一虚拟冲击器级或至少其最大部分也通过侧出口(42)分离。
如果测量装置(7)包括更多虚拟冲击器级(4-2，4-x)，则这些虚拟冲击器级有利地以相同方式串联布置。
具有通过第一虚拟冲击器级(4-1)的侧出口(42)分离的细颗粒(21)的气溶胶(2)的较大部分通过气溶胶入口(61)到达气溶胶吸入泵(6)并进一步到达气溶胶出口(62)。从那里，带有细颗粒(21)的气溶胶的一部分(21-1)在其余气溶胶通道(63)中引出，例如，在测量室(8)与连接通道组合之后，该连接通道将测量室(8)连接到所示的可选的另一个气溶胶吸入泵(9)。因此，测量系统(7)只有一个样品出口。有利的，在样品出口之前过滤掉较大气溶胶颗粒(3)和/或细颗粒(21)。
在进入气溶胶出口(62)后，含有细颗粒(21)的气溶胶的另一部分(21-2)在循环流动通道(64)中返回到气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)。所述至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)的侧出口(42)连接到所述循环流动通道(64)，并除去一部分气相，该气相可以任选地包含细颗粒(21)。由于气溶胶吸入泵(6)产生的负压，在循环流动通道(64)中也产生负压，通过该流道从一个另外的虚拟冲击器级(4-2)的侧出口(42)引出的气相和(可选地)分散在其中的细颗粒(21)被吸入，与含有细颗粒的气溶胶的另一部分(21-2)结合，细颗粒(21)位于循环流动通道(64)中，并共同返回到气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)。
在图1中，另外作为一个示例且任选地，循环流动通道(64)的一部分进行了分支，并且在样品出口(43)之后的另一个连接流道(5，5-3)之后作为鞘流供应到气溶胶流动方向上的第二个，例如最后一个虚拟冲击器级(4-2，4-x)。鞘流导致较大气溶胶颗粒(3)在测量室(8)的中心进一步聚集，这导致几乎所有较大气溶胶颗粒(3)的测量效果更好。另一方面，作为来自循环流动通道(64)的循环流的鞘流而添加的细颗粒(21)对测量没有负面干扰影响。
另外，例如并且优选地，其余的气溶胶通道(63)在测量室(8)之后与样品出口(43)结合。因此，在其余气溶胶通道(63)中引导的具有细颗粒(21)的气溶胶的一部分(21-1)与较大气溶胶颗粒(3)结合，并且气溶胶(2)的体积分数较小，气溶胶(2)在正常压力下进入测量室(8)，然后可选地通过另一个气溶胶吸入泵(9)从测量系统(7)一起输送。因此，所有的颗粒都可以从气溶胶中提取出来，然后引导出来，其结果是流入环境的气体不再含有任何颗粒。
带有细颗粒的气溶胶部分(21)的体积流量还可以使用合适的流量计进行测量并调节流量。因此，也可以调节循环流动通道64中的循环电流的体积流量。
图2示出了作为示例的多级气溶胶颗粒浓缩器(1)实施例的机械结构的横截面，所述多级气溶胶颗粒浓缩器(1)具有测量系统入口(71)和循环流动通道(64)，所述循环流动通道总共具有三个虚拟冲击器级(4，4-1，4-2，4-x)。气溶胶颗粒浓缩器(1)具有呈径向风扇(60)形式的气溶胶吸入泵(6)。带有细颗粒的一部分气溶胶(21-1)通过其余气溶胶通道(63)引出。循环流动通道(64)包含含有细颗粒的气溶胶的另一部分(21-2)。含有细颗粒的气溶胶的另一部分(21-2)形成鞘流，该鞘流在测量室(8)之前添加到具有较大气溶胶颗粒(3)的一小部分气溶胶(2)中。
含有细颗粒的气溶胶的另一部分(21-2)不会进入鞘流，在鞘流分支和虚拟冲击器级(4，4-1，4-2，4-x)之后引导到气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)。在这种情况下，另一个和最后一个虚拟冲击器级(4-2，4-x)的侧出口(42)连接到循环流动通道(64)，结果是在虚拟冲击器级(4-2，4-x)处分离的具有可选细颗粒(21)的气溶胶的气相部分打开到循环流动通道(64)中并从那里开始引导到气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)。
例如，图中由虚拟冲击器级(4)、侧出口(42)、连接通道(5)、其余气溶胶通道(63)和/或循环流动通道(64)完全封闭的阴影区域，为了使具有循环流动通道(64)的多级气溶胶颗粒浓缩器(1)具有必要的稳定性，使用具有相对壁(未示出)的精细连接元件将其固定在点上。
例如，循环流动通道(64)的一部分在最后一个虚拟冲击器级(4，4-x)之后和在另外的连接流道(5，5-3)作为鞘流供应到具有较大气溶胶颗粒的气溶胶后分支。
与图2类似，图3示出了多级气溶胶颗粒浓缩器(1)的机械结构的横截面，所述多级气溶胶颗粒浓缩器(1)具有测量系统入口(71)和总共具有三个虚拟冲击器级(4，4-1，4-2，4-x)的循环流动通道(64)，其中，所述气溶胶吸入泵(6)配置为具有空气吸入泵(66；未示出)的静态压力分配装置(65)的形式。
例如，静态压力分配装置(65)具有多个开口的壁(65a)、没有开口的壁(65b)以及通向循环流动通道(64)的开口、气泵(66)的至少一个进气口(66a)，气泵(66)的至少一个气溶胶回流入口(66b)和静态压力分配装置(65)的至少一个气溶胶出口(62)，即气溶胶吸入泵(6)。
由于第一虚拟冲击器级(4-1)中的气泵(66)的吸入作用，带有细颗粒(21；未示出)的气溶胶(2)偏转90°，并通过气溶胶入口(61)中的第一虚拟冲击器级(4-1)的侧出口(42)吸入，从而进入压力分配的第一区域(显示为灰色)通过气体出口压力再次通过气溶胶回流入口(66b)压入第二区域(白色，静态压力分配装置(65)的外部区域)。从那里，含有细颗粒的气溶胶的一部分(21-1)通过气溶胶出口(62)进入其余气溶胶通道(63)。含有细颗粒的气溶胶的另一部分(21-2)通过至少一个开口(65c)进入循环流动通道(64)，并从那里再次回到气溶胶入口(61)。
例如，循环流动通道(64)的一部分进行了分支，并且在最后一个虚拟冲击器级(4，4-x)之后和在另外的连接流道(5，5-3)之后作为鞘流供应给较大气溶胶颗粒(3)。
图4作为示例示出了具有轴向通道的径向风扇(60)，该径向风扇为具有空心轴的外转子电动机的形式。
图5作为示例示出了在第一虚拟冲击器级(4-1)的区域中的多级气溶胶颗粒浓缩器(1)中的径向风扇(60)的安装。
图5a示出了径向风扇(60)的定子的横截面。
图5b示出了径向风扇(60)的转子的横截面。
图5c示出了安装在外转子电动机的转子上的径向风扇(60)的涡轮的横截面。
图5d示出了在第一虚拟冲击器级(4-1)的区域中的多级气溶胶颗粒浓缩器(1)的横截面，在该区域中安装了径向风扇(60)。
图5e示出了具有安装在多级气溶胶颗粒浓缩器(1)的第一虚拟冲击器级(4-1)的区域中的定子，转子和涡轮的径向风扇(60)的横截面。
图6示出了静态压力分配装置(65)的示例，其中较大部分的气溶胶(2)和细颗粒(21；未示出)通过测量系统入口(71)流入测量系统(7，未示出)。
静态压力分配装置(65)与气泵(66；未示出)一起形成气溶胶吸入泵(6；未示出)，并且在中心处具有气溶胶入口(61)和相邻的第一区域(灰色示出)。位于该第一区域中的是气泵(66)的进气开口以及具有多个开口的壁(65a)。它们用作在第一区域中尽可能均匀地分配由气泵(66)产生的负压的装置。由气泵(66)吸入的带有细颗粒(21)的气溶胶(2)的一部分通过气溶胶回流入口(66b)引导进入第二区域，该第二区域通过没有开口的壁(65b)与第一区域分离。该第二区域包括至少一个气溶胶出口(62)，气溶胶(2)和细颗粒(21)通过该出口引导至其余气溶胶通道(63)和多个开口(65c)至循环流动通道(64)。在这种情况下，气溶胶回流入口(66b)、气溶胶出口(62)和具有至少一个装置的至少一个开口(65c)有利地彼此分离，以便优化分配带细颗粒(21)的气溶胶(2)的各个入口/出口产生的压差。另外，静态压力分配装置(65)也有利地朝向外部限定没有开口的壁(65b)。
图7示出了测量室(8)，该测量室具有作为示例的用于荧光测量(81)的装置，该装置作为用于实时和飞行中气溶胶颗粒(3；未示出)的定性和/或定量测定的测量装置(80)。箭头指示较大气溶胶颗粒(3)的飞行方向。如果使用鞘流，则要研究的较大气溶胶颗粒(3)将位于测量室的中心，这样可以更高效，更精确地测量所有较大气溶胶颗粒(3)。鞘流中的细颗粒(21；未示出)不会对测量结果产生不利影响或影响很小。
荧光测量装置(81)的激发光来自右上角的光源(未示出)，并由透镜通过测量室(8)中测量室壁中的窗口聚焦到较大气溶胶颗粒(3)的飞行路径上。较大气溶胶颗粒(3)吸收光并再次发射光的一部分，即荧光。后者通过右下方的窗口出现，并借助两个透镜进行准直，并偏转到测量室(8)外右下方所示的接收器上。例如，光学滤波器安装在两个透镜之间。
图8示出了带有数字全息测量装置(82)的测量室(8)，该装置作为测量装置(80)的示例，用于实时和在飞行中对较大气溶胶颗粒(3)进行定性和/或定量测定。
图8a从侧面示出全息测量(82)的光学设置，其中箭头指示要研究的颗粒的飞行方向。所描绘的布置也指定为同线或伽柏法。
左侧矩形元素构成光源。发射的相干光由透镜准直，即聚焦。然后光束通过测量通道壁上的窗口进入测量通道(8)。由气溶胶颗粒(3；未示出)衍射的光干扰光源的光，并从测量通道通过窗口在相对的一侧出现，并由另一个透镜引导到成像接收器上。此外，气溶胶颗粒发射的散射光由设置在左上角的触发接收器接收。触发接收器启动所得的全息记录，其中记录的图像是数字图像，即，它包括数字全息。
图8b示出了通过圆形描绘的测量室(8)和测量装置(80)的横截面。所示为具有两个用于数字全息测量装置(82)的同线布置的装置，其中所述装置可在气溶胶颗粒(3；未示出)的飞行方向上偏移布置，其结果是可额外测量飞行中的较大气溶胶颗粒(3)的速度。例如，两个设置之间的角度为90°，其中它也可以在大于1°到小于180°的范围内具有不同的角度。位于两个成像接收器之间的触发接收器接收来自两个光源的光，这两个光源在较大气溶胶颗粒(3)处散射。全息装置和触发装置之间的角度可以任意选择。
图9示出了测量室(8)，其具有作为示例的时间分辨散射光测量装置(83)，包括偏振测量的测量装置(80)，该测量装置用于实时和在飞行中定性和/或定量测定气溶胶颗粒(3；未示出)。
激发光源右下角产生激发光，激发光通过透镜准直，并通过窗口导入测量通道。镜子将光向上偏转，例如90°，因此激发的光将较大气溶胶颗粒(3)照向它们的飞行路径。因此，较大气溶胶颗粒(3)在飞过时被照亮，从而产生散射光。产生的散射光的一部分通过测量室(8)壁上的上窗口引导，并通过透镜进行准直，偏转到例如偏振滤光片上，该偏振滤光片过滤光并将其分为具有垂直偏振的光和具有水平偏振的光。一部分光线偏转90°，偏振的另一部分继续沿与入射光相同的方向传播。两种不同偏振的光束都使用附加透镜聚焦到各自独立的接收器上并进行检测。
图10示意性地示出了穿过圆形描绘的测量室(8)和穿过测量装置(80)的横截面，其中测量装置(80)是拉曼和/或红外(IR)光谱测量装置(84)。在这种情况下，来自激光源(最左侧)的激光束通过透镜(布置在激光源和测量室(8)之间)进行准直，并通过窗口导入测量系统(1)的测量室(8)。在测量室(8)的另一侧，激光的未激发部分再次从测量室(8)射出。在测量室(8)的中心，一部分激光束照射较大气溶胶颗粒(3；未示出)，其中激光束激发这些气溶胶颗粒。进而导致在所有方向上发射具有不同波长的光。一部分发射光从测量室(8)穿过另一个窗口(例如，相对于发射光成90°)，在此通过附加透镜聚焦并传播到拉曼光谱仪和/或红外光谱测量装置(84)，然后进行分析。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种测量系统(7)，其具有测量系统入口(71)和测量系统出口(72)，以用于研究气相中气溶胶(2)的浓缩的较大气溶胶颗粒(3)，测量系统(7)包括用于分离气溶胶(2)中的细颗粒(21)和部分气相的多级气溶胶颗粒浓缩器(1)，以及用于分析较大气溶胶颗粒(3)的测量室(8)，其特征在于
i)测量室(8)包括至少一个测量装置(80)，用于特别是实时地对较大气溶胶颗粒(3)进行定性和/或定量测定，以及
ii)气溶胶颗粒浓缩器(1)包括第一虚拟冲击器级(4-1)和至少最后一个虚拟冲击器级(4-x)，每个虚拟冲击器级具有样品入口(41)、侧出口(42)和样品出口(43)，其中虚拟冲击器级(4)分离具有细颗粒(21)的较大部分的气溶胶(2)，并将较大气溶胶颗粒(3)浓缩在较小的气溶胶(2)中，其中气溶胶颗粒浓缩器(1)
-包括气溶胶吸入泵(6)，其具有气溶胶入口(61)和气溶胶出口(62)，用于在虚拟冲击器级(4)中产生负压，其中第一虚拟冲击器级(4-1)的侧出口(42)连接到气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)以及
-循环流动通道(64)，其中一部分分离的带有细颗粒(21)的气溶胶在循环流中从气溶胶出口(62)返回到气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)，其中，最后一个虚拟冲击器级(4-x)的侧出口(42)连接到循环流动通道(64)。
2.根据权利要求1所述的测量系统(7)，其特征在于
i)气溶胶吸入泵(6)是径向风扇(60)或带有气泵(66)的静态压力分配装置(65)，其中气溶胶吸入口设置在径向风扇(60)的中心或静态压力分配装置(65)的中心和/或
ii)测量系统(1)包括另一个气溶胶吸入泵(9)，其设置在测量室(8)和测量系统出口(72)之间。
3.根据权利要求1或2所述的测量系统(7)，其特征在于，所述较大气溶胶颗粒(3)具有至少1μm、优选至少5μm、尤其是至少10μm的颗粒直径，所述颗粒直径根据ISO13320:2009通过光衍射测量。
4.根据权利要求1至3中的至少一项所述的测量系统(7)，其特征在于，所述用于分析较大气溶胶颗粒(3)的测量装置(80)构成至少一个测量装置i)用于荧光测量(81)；ii)用于数字全息测量(82)；iii)用于时间分辨散射光测量(83)和/或iv)用于拉曼光谱和/或红外光谱(84)。
5.根据权利要求1至4中的至少一项所述的测量系统(7)，其特征在于，所述气溶胶颗粒浓缩器(1)包括至少两个虚拟冲击器级(4)，每个虚拟冲击器级具有样品入口(41)、侧出口(42)和样品出口(43)，以及至少三个通过所述虚拟冲击器级(4)彼此分离的连接通道(5)。
6.根据权利要求5所述的测量系统(7)，其特征在于，所述气溶胶吸入泵(6)的气溶胶出口(62)连接到a)其余气溶胶通道(63)上，所述其余气溶胶通道(63)去除吸入的含有气溶胶细颗粒(21)的气溶胶的一部分(21-1)，并且还连接到b)循环流动通道(64)，其中，在循环流动通道(64)中，吸入的含有气溶胶细颗粒(21)的气溶胶的另一部分(21-2)在循环流中返回到气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)。
7.根据权利要求1至6中至少一项所述的测量系统(7)，其特征在于，所述虚拟冲击器级(4)满足以下条件：
(St)1/2≥0.4 (1)
其中
St＝(dp 2＊C＊uj＊ρp)/(9＊|＊μ) (2)
并且St＝斯托克斯数[-],
dp＝要浓缩的较大气溶胶颗粒(3)的截止直径[m]，
C＝坎宁安系数[-]
uj＝平均喷射速度[m/s]
ρp＝颗粒密度[kg/m3]
I＝样品入口的喷嘴直径[m]
μ＝动态流体粘度[Pa.s]。
8.根据权利要求1至7中的至少一项所述的测量系统(7)，其特征在于，在样品出口(43)之后，沿着流出方向向最后一个虚拟冲击器级(4-x)供应鞘流，其中所述鞘流(i)形成从循环流动通道(64)进行分支的一部分，或ii)其余气溶胶通道(63)或其一部分。
9.一种使用根据权利要求1至8中至少一项所述的测量系统(7)来研究气溶胶(2)中浓缩的较大气溶胶颗粒(3)的方法，其特征在于
i)利用气溶胶颗粒浓缩器(1)，通过虚拟冲击器级(4，4-1，4-x)和可选的至少一个另外的虚拟冲击器级(4，4-2)的侧出口(42)，分离出具有细颗粒(21)的常压下较大体积分数的气溶胶(2)，其中，最后一个虚拟冲击器级(4-x)以及，如果存在的话，至少另一个虚拟冲击器级(4-2)的侧出口(42)，连接到循环流动通道(64)，
ii)较大气溶胶颗粒(3)集中在气溶胶(2)的较小部分中，并引导通过第一个虚拟冲击器级(4，4-1)，可选地通过至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)到达最后一个虚拟冲击器级(4-x)的样品出口(43)，然后到达测量室(8)，以及
iii)使用测量装置(80)对测量室(8)中较大气溶胶颗粒(3)进行研究，以便对气相中的较大气溶胶颗粒(3)进行定性和/或定量测定，最好是实时测定。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于
-使用气溶胶吸入泵(6)，气溶胶(2)通过第一连接通道(5-1)吸入到第一虚拟冲击器级(4-1)中，并在那里分离成
i.带有细颗粒(21)的气溶胶，其通过第一虚拟冲击器级(4-1)的侧出口(42)经由气溶胶入口(61)引导至气溶胶吸入泵(6)和
ii.具有较大气溶胶颗粒(3)的气溶胶，其通过第一虚拟冲击器级(4-1)的样品出口(43)进入第二连接通道(5-2)，
-气溶胶吸入泵(6)的气溶胶出口(62)后含有细颗粒(21)的气溶胶的一部分(21-1)引导至其余气溶胶通道(63)中，和循环流动通道(64)中含有细颗粒(21)的气溶胶的另一部分(21-2)返回气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)，
-在第二连接通道(5-2)中具有较大气溶胶颗粒(3)的气溶胶转送到至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)的样品入口(41)，其中，转送的气溶胶(2)的一部分气相通过至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)的侧出口(42)被引出，并且具有由此浓缩的较大气溶胶颗粒(3)的气溶胶通过至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)的样品出口(43)转送到至少一个另外的连接通道(5-3)，
-经由至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)的侧出口(42)引出的气相引入循环流动通道(64)中，且一起返回到气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)，以及
-浓缩的较大气溶胶颗粒(3)从最后一个虚拟冲击器级(4-x)的样品出口(43)沿气溶胶流动方向引导通过测量室(8)，以便用测量装置(80)研究较大气溶胶颗粒(3)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述较小体积分数的气溶胶的较大气溶胶颗粒(3)在常压下用气溶胶颗粒浓缩器(1)浓缩至少50倍，优选至少200倍，特别是至少500倍。
12.根据权利要求9至11中至少一项所述的方法，其特征在于，所述测量室(8)之后的其余气溶胶通道(63)供应到所述测量室(8)的样品出口，其结果是，含有细颗粒(21)的气溶胶的一部分(21-1)在常压下与较大气溶胶颗粒(3)和较小体积分数的气溶胶(2)结合，并且可选地通过另一个气溶胶吸入泵(9)从测量系统(7)输送。
13.根据权利要求9至12中的至少一项所述的方法，其特征在于，所述气溶胶颗粒浓缩器(1)的气溶胶吸入泵(6)设置成尤其借助于泵功率和/或所述其余气溶胶通道(63)中的流量调节阀，在第一虚拟冲击器级(4-1)的气溶胶入口(61)处，因此也基本上在侧出口(42)处，相对于浓缩器(1)的外部压力产生30到10000Pa，特别是100到400Pa的负压。
14.一种根据权利要求1至8中至少一项所述的测量系统(7)和根据权利要求9至13中至少一项所述的方法来研究气溶胶(2)的用途，尤其是研究在气相中且优选实时地浓缩气溶胶(2)的较大气溶胶颗粒(3)的用途。
15.根据权利要求14所述的用途，其特征在于，所述气溶胶(2)是一次或二次气溶胶、雾、大气气溶胶、室内气溶胶、工业气溶胶、工艺气溶胶、天然有机和/或无机气溶胶和/或气溶胶(2)的较大气溶胶颗粒(3)包括花粉、孢子、细菌、病毒、固体或液体悬浮颗粒、如悬浮灰尘的灰尘、沙尘和/或矿物灰尘和/或如火山灰的灰。
Claims (15)
1.一种测量系统(7)，其具有测量系统入口(71)和测量系统出口(72)，以用于研究气相中气溶胶(2)的浓缩的较大气溶胶颗粒(3)，测量系统(7)包括用于分离气溶胶(2)中的细颗粒(21)和部分气相的多级气溶胶颗粒浓缩器(1)，以及用于分析较大气溶胶颗粒(3)的测量室(8)，其特征在于
i)测量室(8)包括至少一个测量装置(80)，用于特别是实时地对较大气溶胶颗粒(3)进行定性和/或定量测定，以及
ii)气溶胶颗粒浓缩器(1)包括第一虚拟冲击器级(4-1)和至少最后一个虚拟冲击器级(4-x)，每个虚拟冲击器级具有样品入口(41)、侧出口(42)和样品出口(43)，其中虚拟冲击器级(4)分离具有细颗粒(21)的较大部分的气溶胶(2)，并将较大气溶胶颗粒(3)浓缩在较小的气溶胶(2)中，其中气溶胶颗粒浓缩器(1)
-包括气溶胶吸入泵(6)，其具有气溶胶入口(61)和气溶胶出口(62)，用于在虚拟冲击器级(4)中产生负压，其中第一虚拟冲击器级(4-1)的侧出口(42)连接到气溶胶入口(61)以及
-循环流动通道(64)，其中一部分分离的带有细颗粒(21)的气溶胶在循环流中从气溶胶出口(62)返回到气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)，其中，至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)和/或最后一个虚拟冲击器级(4-x)的侧出口(42)连接到循环流动通道(64)。
2.根据权利要求1所述的测量系统(7)，其特征在于
i)气溶胶吸入泵(6)是径向风扇(60)或带有气泵(66)的静态压力分配装置(65)，其中气溶胶吸入口设置在径向风扇(60)的中心或静态压力分配装置(65)的中心和/或
ii)测量系统(1)包括另一个气溶胶吸入泵(9)，其设置在测量室(8)和测量系统出口(72)之间。
3.根据权利要求1或2所述的测量系统(7)，其特征在于，所述较大气溶胶颗粒(3)具有至少1μm、优选至少5μm、尤其是至少10μm的颗粒直径，所述颗粒直径根据ISO13320:2009通过光衍射测量。
4.根据权利要求1至3中的至少一项所述的测量系统(7)，其特征在于，所述用于分析较大气溶胶颗粒(3)的测量装置(80)构成至少一个测量装置i)用于荧光测量(81)；ii)用于数字全息测量(82)；iii)用于时间分辨散射光测量(83)和/或iv)用于拉曼光谱和/或红外光谱(84)。
5.根据权利要求1至4中的至少一项所述的测量系统(7)，其特征在于，所述气溶胶颗粒浓缩器(1)包括至少两个虚拟冲击器级(4)，每个虚拟冲击器级具有样品入口(41)、侧出口(42)和样品出口(43)，以及至少三个通过所述虚拟冲击器级(4)彼此分离的连接通道(5)。
6.根据权利要求5所述的测量系统(7)，其特征在于，所述气溶胶吸入泵(6)的气溶胶出口(62)连接到a)其余气溶胶通道(63)上，所述其余气溶胶通道(63)去除吸入的含有气溶胶细颗粒(10)的气溶胶的一部分(21-1)，并且还连接到b)循环流动通道(64)，其中，循环流动通道(64)使吸入的含有气溶胶细颗粒(21)的气溶胶的另一部分(21-2)在循环流中返回到气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)。
7.根据权利要求1至6中至少一项所述的测量系统(7)，其特征在于，所述虚拟冲击器级(4)满足以下条件：
(St)1/2≥0.4 (1)
其中
St＝(dp 2＊C＊uj＊ρp)/(9＊|＊μ) (2)
并且St＝斯托克斯数[-],
dp＝要浓缩的较大气溶胶颗粒(3)的截止直径[m]，
C＝坎宁安系数[-]
uj＝平均喷射速度[m/s]
ρp＝颗粒密度[kg/m3]
I＝样品入口的喷嘴直径[m]
μ＝动态流体粘度[Pa.s]。
8.根据权利要求1至7中的至少一项所述的测量系统(7)，其特征在于，在样品出口(43)之后，沿着流出方向向最后一个虚拟冲击器级(4-x)供应鞘流，其中所述鞘流i)形成从循环流动通道(64)进行分支的一部分，或ii)其余气溶胶通道(63)或其一部分。
9.一种使用根据权利要求1至8中至少一项所述的测量系统(7)来研究气溶胶(2)中浓缩的较大气溶胶颗粒(3)的方法，其特征在于
i)利用气溶胶颗粒浓缩器(1)，通过虚拟冲击器级(4，4-1，4-x)和可选的至少一个另外的虚拟冲击器级(4，4-2)的侧出口(42)，分离出具有细颗粒(21)的常压下较大体积分数的气溶胶(2)，其中，至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)和/或最后一个虚拟冲击器级(4-x)的侧出口(42)连接到循环流动通道(64)，
ii)较大气溶胶颗粒(3)集中在气溶胶(2)的较小部分中，并引导通过第一个虚拟冲击器级(4，4-1)，可选地通过至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)到达最后一个虚拟冲击器级(4-x)的样品出口(43)，然后到达测量室(8)，以及
iii)使用测量装置(80)对测量室(8)中较大气溶胶颗粒(3)进行研究，以便对气相中的较大气溶胶颗粒(3)进行定性和/或定量测定，最好是实时测定。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于
-使用气溶胶吸入泵(6)，气溶胶(2)通过第一连接通道(5-1)吸入到第一虚拟冲击器级(4-1)中，并在那里分离成
i.带有细颗粒(21)的气溶胶，其通过第一虚拟冲击器级(4-1)的侧出口(42)经由气溶胶入口(61)引导至气溶胶吸入泵(6)和
ii.具有较大气溶胶颗粒(3)的气溶胶，其通过第一虚拟冲击器级(4-1)的样品出口(43)进入第二连接通道(5-2)，
-气溶胶吸入泵(6)的气溶胶出口(62)后含有细颗粒(21)的气溶胶的一部分(21-1)引导至其余气溶胶通道(63)中，和循环流动通道(64)中含有细颗粒(21)的气溶胶的另一部分(21-2)返回气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)，
-在第二连接通道(5-2)中具有较大气溶胶颗粒(3)的气溶胶转送到至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)的样品入口(41)，其中，转送的气溶胶(2)的一部分气相通过至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)的侧出口(42)被引出，并且具有由此浓缩的较大气溶胶颗粒(3)的气溶胶通过至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)的样品出口(43)转送到至少一个另外的连接通道(5-3)，
-经由至少一个另外的虚拟冲击器级(4-2)的侧出口(42)引出的气相引入循环流动通道(64)中，且一起返回到气溶胶吸入泵(6)的气溶胶入口(61)，以及
-浓缩的较大气溶胶颗粒(3)从最后一个虚拟冲击器级(4-x)的样品出口(43)沿气溶胶流动方向引导通过测量室(8)，以便用测量装置(80)研究较大气溶胶颗粒(3)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述较小体积分数的气溶胶的较大气溶胶颗粒(3)在常压下用气溶胶颗粒浓缩器(1)浓缩至少50倍，优选至少200倍，特别是至少500倍。
12.根据权利要求9至11中至少一项所述的方法，其特征在于，所述测量室(8)之后的其余气溶胶通道(63)供应到所述测量室(8)的样品出口，其结果是，含有细颗粒(21)的气溶胶的一部分(21-1)在常压下与较大气溶胶颗粒(3)和较小体积分数的气溶胶(2)结合，并且可选地通过其他气溶胶吸入泵(9)从测量系统(7)输送。
13.根据权利要求9至12中的至少一项所述的方法，其特征在于，所述气溶胶颗粒浓缩器(1)的气溶胶吸入泵(6)设置成尤其借助于泵功率和/或所述其余气溶胶通道(63)中的流量调节阀，在第一虚拟冲击器级(4-1)的气溶胶入口(61)处，因此也基本上在侧出口(42)处，相对于浓缩器(1)的外部压力产生30到10000Pa，特别是100到400Pa的负压。
14.一种根据权利要求1至8中至少一项所述的测量系统(7)和根据权利要求9至13中至少一项所述的方法来研究气溶胶(2)的用途，尤其是研究在气相中且优选实时地浓缩气溶胶(2)的较大气溶胶颗粒(3)的用途。
15.根据权利要求14所述的用途，其特征在于，所述气溶胶(2)是一次或二次气溶胶、雾、大气气溶胶、室内气溶胶、工业气溶胶、工艺气溶胶、天然有机和/或无机气溶胶和/或气溶胶(2)的较大气溶胶颗粒(3)包括花粉、孢子、细菌、病毒、固体或液体悬浮颗粒、如悬浮灰尘的灰尘、沙尘和/或矿物灰尘和/或如火山灰的灰。
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