CZ307891B6 - Způsob a zařízení k detekci koncentrace částic, zvláště nanočástic - Google Patents
Způsob a zařízení k detekci koncentrace částic, zvláště nanočástic Download PDFInfo
- Publication number
- CZ307891B6 CZ307891B6 CZ2018-381A CZ2018381A CZ307891B6 CZ 307891 B6 CZ307891 B6 CZ 307891B6 CZ 2018381 A CZ2018381 A CZ 2018381A CZ 307891 B6 CZ307891 B6 CZ 307891B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- ionization chamber
- particles
- pump
- concentration
- detecting
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 70
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 18
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 11
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 9
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 8
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 5
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 claims description 5
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 claims description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 2
- 238000011045 prefiltration Methods 0.000 claims description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 30
- 239000003570 air Substances 0.000 description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 230000004044 response Effects 0.000 description 6
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 5
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 5
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 3
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 3
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 230000036541 health Effects 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000008260 defense mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000004513 sizing Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
- G01N27/64—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode using wave or particle radiation to ionise a gas, e.g. in an ionisation chamber
- G01N27/66—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode using wave or particle radiation to ionise a gas, e.g. in an ionisation chamber and measuring current or voltage
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N2015/0038—Investigating nanoparticles
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
Způsob detekce koncentrace částic, zvláště nanočástic, zejména v ovzduší pracovního prostředí, při kterém vzorek ovzduší prochází definovaným průtokem ionizační komorou (11, 21, 31). U vzorku ovzduší se empiricky zjišťuje vliv průtoku, tlaku, teploty, relativní vlhkosti, napájecího napětí ionizační komory (11, 21, 31) a jeho kolísání, přičemž se zařízení pravidelně kalibruje na nulové koncentrace částic při zachování ostatních parametrů vzorkovaného ovzduší, přičemž se naměřené výstupní výsledky tohoto nulování kompenzují. Technické řešení se týká také zařízení (1, 2, 3) k detekci koncentrace částic, zvláště nanočástic, zejména v ovzduší pracovního prostředí, které obsahuje ionizační komoru (11, 21, 31) a čerpadlo (122, 222, 322) k vytvoření průtoku vzorku ovzduší ionizační komorou (11, 21, 31).
Description
Oblast techniky
Vynález se týká způsobu detekce koncentrace částic, zvláště nanočástic, zejména v ovzduší pracovního prostředí, při kterém vzorek ovzduší prochází definovaným průtokem ionizační komorou. Vynález se rovněž týká příslušného zařízení k detekci koncentrace částic.
Dosavadní stav techniky
Přítomnost nanočástic v ovzduší, tedy částic nestanoveného tvaru volně definovaných rozměrem menším než 100 nm, může představovat závažné nebezpečí pro lidské zdraví. Je to mimo jiné i proto, že v časovém měřítku evoluce jsou problémem poměrně novým, přičemž jsou převážně antropogenního původu. Tudíž lidský organismus není proti nim vybaven účinnými obrannými mechanismy. Vdechnuté nanočástice, zejména o velikosti do několika desítek nm, mají poměrně vysokou pravděpodobnost záchytu v plicních sklípcích, z nichž mohou pronikat do krevního oběhu. Významným zdrojem nanočástic jsou spalovací motory vozidel, díky kterým jsou koncentrace nanočástic ve venkovním ovzduší vysoké zvláště v okolí frekventovaných dopravních tahů.
V poslední době ale nabývají na významu i různé druhy průmyslově vyráběných nanočástic, které se tak mohou vyskytovat nejen ve venkovním prostředí, ale i v pracovních interiérech.
Lidské smysly mají jen omezené schopnosti nanočástice detekovat. Zvláště jedná-li se o nanočástice výrazně menší, než je vlnová délka viditelného světla, které jsou okem prakticky neviditelné. Dosud nejrozšířenějším měřítkem koncentrace nanočástic jejich celková hmotnost v daném prostoru, ta však má jen omezenou vypovídací hodnotu. V přítomnosti větších částic mohou nanočástice představovat jen zlomek celkové hmoty. Typickým příkladem je aerosol v městském prostředí. Rovněž tak detekce nanočástic pomocí rozptylu světla, která se využívá v kouřových detektorech a nízkonákladových ručních přístrojích, má rozumnou odezvu až u částic o průměru několika set nanometrů, tedy částic o velikosti srovnatelné s vlnovou délkou viditelného světla.
Dokument US 4053776 A se týká detektoru částic menších než mikron. Jedná se o triodový detektor s plynotěsným pouzdrem, které obklopuje nabíjecí komoru s vnitřní a vnější elektrodou uspořádanou jako dvě obecně soustředné válcové elektrody. Pro dosažení symetrické oblasti bipolámího náboje poblíž vnitřní elektrody má tato elektroda radioaktivní zdroj s krytem, který omezuje efektivní dráhu vyzařovaných radioaktivních částic. Dále od této komory je třetí elektroda, která se používá k shromažďování sekundárního proudu, když do něj zasahují nabité částice. Zařízení obsahuje obvod měřící tento sekundární proud, který přináší požadovanou informaci o detekovaných částech. Zařízení dále obsahuje systém čerpadel pro přemísťování okolního vzduchu do komory a do sběrné elektrody.
Dokument US 4035788 zveřejňuje detektor požáru, kterým je signalizován stav odpovídající počátku požáru. Před zapálením se vytváří velká počáteční hmota s koncentrací částic menších než pět mikronů. Detektor tyto částice shromažďuje, přičemž větší částice odmítá. Shromážděné částice jsou řízeným způsobem vedeny do ionizační komory, kde se koncentrace částic měří.
Detektor ionizačních částic popsaný v dokumentu US 4150373 obsahuje ionizační komoru, která má dvě oblasti intenzity elektrického pole. První oblast má malý geometrický objem s vysokou intenzitou elektrického pole, druhá oblast má velký geometrický objem s nízkou intenzitou elektrického pole. Radioaktivní zdroj pro vytváření iontů je umístěn v blízkosti jedné elektrody, zatímco druhá elektroda tvoří stěny komory, přičemž je umístěna tak, že stěny se nacházejí v
- 1 CZ 307891 B6 blízkosti ionizační špičky detektoru. Mezi uvedenými dvěma oblastmi je umístěna sonda pro detekci maximální změny elektrického pole, když částice vstupují do komory.
Ionizační komora upravená pro vzorkování a využití k detekci částic ve výfukových plynech spalovacích motoru je známa z dokumentu CZ 303756. Otevřená část ionizační komory je zde vložena ve výfukovém potrubí a tak přímo vystavena proudění výfukových plynů.
Výše uvedená zařízení k detekci koncentrace nanočástic v okolním ovzduší podle dosavadního stavu techniky vycházejí z konstrukcí kouřových detektorů. Jejich znakem je jednoduchost a relativně malá citlivost, která, spolehlivě postačuje pro detekci vysokých koncentrací částic při požáru již při jeho počátku. Pro provádění kvantitativních měření je použít nelze. Nepoužitelné jsou i pro detekci koncentrací nanočástic škodlivých pro lidské zdraví, neboť velikost těchto nanočástic je výrazně menší, než je vlnová délka viditelného světla.
Cílem vynálezu je navrhnout kompaktní přenosné detekční zařízení, které by bylo schopné nanočástice extrémně malých rozměrů detekovat, přičemž by umožnilo zjednodušit způsob provádění jejich detekce a přitom zajistilo dosažení objektivních výsledků s vysokou spolehlivostí měření.
Podstata vynálezu
Cíle vynálezu je dosaženo způsobem detekce koncentrace částic, zvláště nanočástic, při kterém vzorek ovzduší prochází definovaným průtokem ionizační komorou, jehož podstatou je to, že se u vzorku ovzduší měří napájecí napětí ionizační komory a jeho kolísání, na základě kterého se stanovuje koncentrace částic, zejména nanočástic v tomto vzorku ovzduší, přičemž naměřené hodnoty napájecího napětí ionizační komory a jeho kolísání a/nebo z nich stanové hodnoty koncentrace částic, zvláště nanočástic, se kompenzují na základě známých a empiricky ověřených vlivů průtoku, tlaku, teploty a vlhkosti vzorku, čímž je dosaženo vyšší přesnosti měření.
Zařízení se pravidelně kalibruje na nulové koncentrace částic při zachování ostatních parametrů vzorkovaného ovzduší, přičemž se naměřené hodnoty napájecího napětí ionizační komory a jeho kolísání a/nebo z nich stanovení hodnoty koncentrace částic, zvláště nanočástic, na základě výsledků tohoto nulování dále kompenzují.
Uvedený způsob nulování přístroje umožňuje mimo jiné kompenzovat vlivy teploty, barometrického tlaku, relativní vlhkosti, plynných látek, a dalších faktorů, včetně vlivu průtoku, který se může měnit například s napětím na čerpadle nebo zanesením filtru. Naměřené hodnoty jsou kompenzovány na základě známých a empiricky ověřených vlivů průtoku, tlaku, teploty a vlhkosti vzorku, čímž je dosaženo vyšší přesnosti měření.
Protékající vzorek ovzduší se po výstupu z ionizační komory čistí, načež se periodicky dočasně ukládá do zásobníku, přičemž se nulování provádí obrácením směru toku prostřednictvím obráceného smyslu chodu čerpadla, a vyčištěný vzorek vzduchu se vede zpět přes ionizační komoru. Nulování je v takovém případě zjednodušeno, neboť k obrácení chodu čerpadla například v případě čerpadla poháněného stejnosměrným motorem postačí změna polarity přívodních vodičů.
Úroveň signálu se při každém nulování průběžně ukládá a vyhodnocuje, načež se z proměnlivosti signálu při nulových koncentracích částic provádí odhad nejistoty měření a detekčního limitu pro dané prostředí, který je podkladem pro úpravu četnosti a délky nulování.
Průběžné vyhodnocování nulového signálu umožňuje detekovat neočekáváný posun nuly, na jehož základě se upravují data naměřená mezi současným a předchozím nulováním, přičemž při
-2CZ 307891 B6 vyhodnocení naměřených dat se při zjištění neočekávaně vysoké koncentrace částic zohledňuje před úpravou i možný artefakt měření, tj. odezva měřicí aparatury na jiný jev než ten, jehož sledování je cílem měření.
Výhodné je také, že se detekují pouze nevolatilní částice a detekce semivolatilních částic vytvořených nukleací volatilních nebo semivolatilních látek přítomných v plynné fázi se s výhodou potlačuje tím, že se zvýší teplota k jejich odpaření a/nebo se okysličí průchodem přes katalyzátor.
Cíle vynálezu je rovněž dosaženo zařízením k detekci koncentrace částic, zvláště nanočástic, které obsahuje ionizační komoru tvořící kompaktní celek s přístrojovým blokem, přičemž podstatou tohoto zařízení je to, že v obvodových stěnách ionizační komory jsou vstupní otvory, kterými je vnitřní prostor ionizační komory spojený s okolním prostředním, nebo je ionizační komora zapouzdřená a opatřená vstupním potrubím pro přívod vzorku, přičemž je ionizační komora spojena propojovacím otvorem s přístrojovým blokem, v jehož skříni je umístěno čerpadlo s předřazeným filtrem, přičemž výstupní potrubí čerpadla je vyvedeno stěnou přístrojového bloku mimo přístrojový blok, přičemž přístrojový blok dále obsahuje blok snímačů tlaku a/nebo teploty a/nebo relativní vlhkosti vzorku a řídicí elektroniku spřaženou s elektrickým akumulátorem.
Výstupní potrubí čerpadla je v jednom provedení vyvedeno do okolního prostředí.
Alespoň na jedné vnitřní obvodové stěně je zevnitř ionizační komory uložen oxidační katalyzátor. To umožňuje detekovat pouze nevolatilní částice a naopak potlačit detekci semivolatilních částic vytvořených nukleací volatilních nebo semivolatilních látek přítomných v plynné fázi.
Stěny zapouzdřené ionizační komory obsahují plošnou tepelnou izolaci s vytápěním.
K výstupnímu potrubí z čerpadla je připojen zásobník. Čerpadlo je opatřeno přepínačem polarity jeho přívodních vodičů. Zásoba nulovacího plynu přivedeného po vyčištění filtru do zásobníku slouží k provádění nulování po obrácení chodu čerpadla. Čerpadlo jek tomuto využití opatřeno přepínačem polarity jeho přívodních vodičů.
Objasnění výkresů
Příkladná provedení zařízení k detekci koncentrace nanočástic podle vynálezu, zvláště koncentrace nanočástic v ovzduší pracovních a jim podobných prostředích, jsou schematicky znázorněna na výkrese, kde je na obr. 1 základní provedení zařízení a na obr. 2 a 3 první a druhé alternativní provedení zařízení podle vynálezu.
Příklady uskutečnění vynálezu
Základní příkladné provedení zařízení 1 k detekci koncentrace částic, zvláště nanočástic podle vynálezu je na obr. 1 jako jeho 1. varianta. Jeho základní částí je známá ionizační komora 11, která je svým dnem pevně spojena se stropem přístrojového bloku 12. Základní části ionizační komory 11 jsou elektrody, které jsou pro názornost a úplnost označeny jen v obr. 1. V ionizační komoře 11 je shora umístěna horní elektroda 101, na níž je nalepen radioaktivní zdroj 102. Pod ním umístěna střední elektroda 103 s kruhovým otvorem 104. Na dně ionizační komory 11 je uspořádána dolní elektroda 105 s kruhovým otvorem 106. V obvodových stěnách ionizační komory 11 jsou vstupní otvory 111, kterými je vnitřní prostor ionizační komory 11 spojen s okolním prostředím. Ve dnu ionizační komory 11 a stropu přístrojového bloku 12 je
-3 CZ 307891 B6 propojovací otvor 112, kterým prochází výstupní potrubí 113 z ionizační komory 11. Sama o sobě známá ionizační komora 11 je blíže neznázoměna a nezobrazena.
Ve skříni 120 přístrojového bloku 12 je umístěn filtr 121, čerpadlo 122, blok 123 snímačů, řídicí elektronika 124 a elektrický akumulátor 125. Blok 123 snímačů obsahuje alespoň jeden ze snímačů teploty a/nebo tlaku a/nebo vlhkosti a/nebo průtoku vzorku. Výstupní potrubí 113 z ionizační komory 11 je v přístrojovém bloku 12 rozvětveno, přičemž k jedné větvi jsou připojeny výše uvedené neznázoměné snímače v bloku 123 snímačů a druhá větev je připojena na vstup filtru 121. V příkladném provedení je filtrem 121 známý filtr HEPA.
Výstup z filtru 121 je připojen na vstup čerpadla 122, jehož výstupním potrubím 126 se změřený vzorek vzduchu vyčištěný filtrem 121 vrací do okolního prostoru, nebo alternativně do schematicky znázorněného zásobníku 127.
Řídicí elektronika 124 obsahuje níže uvedené a blíže neznázoměné prostředky k přívodu elektrické energie z elektrického akumulátoru 125 k elektricky napájeným částem zařízení, tedy silové vedení k pohonu a řízení otáček čerpadla 121 a datové vedení k neznázoměným uživatelským rozhraním pro zapínání a vypínání zařízení, nastavování parametrů, kalibraci nuly (nulování) a rozsahu a zobrazování dat a stavu zařízení. Kalibrací nuly (dále jen nulování) se rozumí přivedení vzorku s nulovou koncentrací měřené látky (zde částic), a kalibrací rozsahu (dále jen kalibrací) se rozumí přivedení vzorku se známou koncentrací měřené látky.
Na obr. 2 je zobrazena 2. varianta zařízení 2 podle vynálezu určená pro vzorkování z uzavřených prostor nebo z určitého místa například při zjišťování míst úniku částic. V dalším textu jsou prostředky zařízení 2 prakticky stejné s prostředky zařízení 1 a mají analogické vztahové značky s tím, že první číslicí je „2“. Ionizační komora 21 není v tomto případě otevřena do okolní atmosféry, ale je zapouzdřena, přičemž je pro přívod vzorku opatřena vstupním potrubím 211. Na výstupní otvor 212 z ionizační komory 21 navazuje výstupní potrubí 213, na které dále navazují prostředky přístrojového bloku 22, které jsou v jeho skříni 220 uspořádány stejně, jako prostředky zařízení 1_ z obr. 1. Výstupní potrubí 226 z čerpadla 222 je opatřeno neznázoměným ventilem, kterým může být připojeno do vstupního potrubí 211 přivádějícího vzorek do ionizační komory 21 nebo do zásobníku 127 (viz dále popis nulování).
Na obr. 3 je 3. varianta zařízení 3 podle vynálezu. Vztahové značky prostředků zařízení 3 stejných nebo obdobných jako u zařízení 1 nebo 2 začínají číslicí „3“.
Ionizační komora 31, která je podobně jako ionizační komora 21 zapouzdřena a opatřena vstupním potrubím 311 pro přívod vzorku. Uvnitř ionizační komory 31 jsou na jejích vnitřních obvodových stěnách upevněny deskové oxidační katalyzátory 314.
Vnitřní prostor ionizační komory 31 je tepelně izolován a její stěny jsou opatřeny vytápěním 315, které přednostně vyhřívá stěny a blíže nepopsané kovové elektrody ionizační komory 31. Místo katalyzátore 314 je možné využít i jiné příslušné zařízení pohlcující nebo přeměňující nežádoucí složky vzorku.
K dosažení cíle vynálezu je nutné pravidelně kalibrovat zařízení na nulové koncentrace částic při zachování ostatních parametrů vzorkovaného vzduchu. Ktomu je do vzorkovací tratě zařazen alespoň jeden neznázoměný přepínací ventil, který umožní při kalibraci na nulovou koncentraci přivádět do ionizační komory 11. 21, 31 filtrovaný vzorek nebo nulovací plyn. U přístrojů využívajících difúzní nabíječe je možné provádět nulování vypnutím napájení nabíječe vytvářejícího na částicích elektrický náboj. Toto „vypnutí“ ovšem nelze provést při použití radioaktivního zdroje, který je vzhledem k difuzním nabíječům jednodušší, stabilnější a energeticky méně náročný.
-4CZ 307891 B6
Z hlediska úspory místa, hmotnosti i spotřeby energie a rovněž z hlediska minimalizace ztrát vzorku je výhodné, když stejného cíle může být dosaženo bez přepínacího ventilu. To je u zařízení podle vynálezu řešeno tím, že mezi výstup ionizační komory 11, 21, 31, a vstup do čerpadla 122, 222, 322 je zařazen vysoce účinný filtr 121, 221, 321, a za čerpadlo 122, 222, 322 je pro provedení nulování připojen zásobník 127, 227, 327 odčerpaného vzorku. Nulování je v takovém případě provedeno obrácením chodu čerpadla 122, 222, 322, kdy ionizační komorou 11, 21, 31 protéká filtrovaný vzorek ze zásobníku 127, 227, 327. K obrácení chodu čerpadla například v případě čerpadla 122, 222, 322 poháněného stejnosměrným motorem postačí změna polarity přívodních vodičů. Zásobníkem odčerpaného vzorku může být také výstupní potrubí přístroje, a v případě měření ve volném prostoru také celé okolní prostředí.
Výše uvedený způsob nulování přístroje rovněž umožňuje kompenzovat vlivy teploty, barometrického tlaku, relativní vlhkosti, plynných látek, a dalších faktorů, včetně vlivu průtoku, který se může měnit například s napětím na čerpadle nebo zanesením filtru. Zejména při měření ve volném prostoru tak přístroj může periodicky měnit směr průtoku vzorku, čímž bude udržována kalibrace nuly na aktuální podmínky. Je-li zároveň úroveň signálu při každém nulování průběžně ukládána a vyhodnocována, je možné určit proměnlivost signálu při nulových koncentracích částic pro dané prostředí, a tím i provést odhad nejistoty měření a detekčního limitu pro dané prostředí, a rovněž upravit četnost a délku nulování. Průběžné vyhodnocování nulového signálu rovněž umožňuje detekovat neočekáváný posun nuly a označit či upravit data naměřená mezi současným a předchozím nulováním; je například vhodné upozornit uživatele, že právě měřením zjištěná nadměrná koncentrace částic může být důsledkem tzv. artefaktu měření (odezvě měřicí aparatury na jiný jev než ten, jehož sledování je cílem měření).
Měřicí přístroje je rovněž vhodné kalibrovat, zpravidla vhodným etalonem. Například pro detektory plynů je použit kalibrační plyn se známou koncentrací měřené látky. Pro měření částic je taková kalibrace obtížná, protože u částic suspendovaných ve vzduchu dochází kjejich koagulaci (shlukování) a usazování na povrchu vlivem difúze a vlivem gravitace. Kalibrace zařízení pro měření koncentrace částic zpravidla spočívá ve výrobě aerosolu (částic suspendovaných vplynu), jeho úpravě (např. sušení, zředění, vytřídění částic požadované velikosti), a následném paralelním měření testovaným a referenčním přístrojem.
Odezva ionizační komory na koncentrace částic je exponenciální s negativním exponentem, změna odezvy na změnu koncentrace částic se tak se zvyšující se koncentrací částic snižuje, a při vysokých koncentracích částic již není měřením rozlišitelná (saturace komory). Průběžnou kalibraci měřicího rozsahu komory tak lze provádět vzorkováním relativně velmi vysokých koncentrací částic, při které dojde k saturaci komory, například z nedokonalého spalování. Příkladem může být vzorkování kouře z vonné tyčinky nebo jiného jednoduchého, praktického a v terénu použitelného zdroje.
Periodickou kalibrací nuly a saturace komory lze kompenzovat podstatnou část vlivů, které by jinak musely být ošetřeny stabilizací (regulace čerpadla za účelem dosažení konstantního průtoku vzorku) nebo kompenzací (například teplota, tlak, vlhkost).
Z hlediska selektivity přístroje pro nanočástice je výhodné, když prostorem kolem měřicí elektrody neprotéká hlavní proud vzorku, nýbrž hlavní proud vzorku je veden mimo, a do měřicího prostoru komory se dostávají částice pouze difúzí, neboť je známo, že větší částice mají tendenci sledovat hlavní proud, zatímco menší částice mají větší tendenci šířit se difúzí všemi směry. Závislost odezvy přístroje na velikost částice lze upravit vhodnou volbou geometrie a průtoku, a během měření nastavit změnou průtoku, které lze dosáhnout regulací výkonu motoru čerpadla.
Pro případnou následnou analýzu je rovněž výhodné, když filtr, kterým protéká vzorek z komory do čerpadla, je standardních rozměrů a typu, aby mohl být snadno jak měněn, tak využit pro zjištění fyzikálních a chemických vlastností nashromážděných částic.
-5 CZ 307891 B6
V některých případech může být výhodné detekovat pouze nevolatilní částice, a naopak potlačit detekci semivolatilních částic vytvořených nukleací volatilních nebo semivolatilních látek přítomných v plynné fázi. Například při měření venkovních koncentrací částic z lokálních topenišť nebo spalovacích motorů může být měření ovlivněno volatilními částicemi vzniklými samovolnou nukleací při určité kombinaci atmosférických podmínek. V takovém případě je výhodné semivolatilní částice odpařit při zvýšené teplotě, a/nebo například v případě organických látek zoxidovat v oxidačním katalyzátoru. Pro tyto účely může být ionizační komora provedena ve vyhřívané verzi, kdy těleso komory a/nebo přívod vzorku jsou vyhřívány topným tělesem, a komora je od zbytku přístroje tepelně izolována. Je výhodné, když je vyhříván přímo vnější kovový obal komory a měřicí elektrody, protože díky termoforetickému jevu se teplé části méně zanášejí částicemi. Součástí vyhřívané části může být i katalyzátor, přes který vzorek prochází při vstupu do ionizační komory, pro oxidaci organických plynných látek.
PATENTOVÉ NÁROKY
Claims (11)
1. Způsob detekce koncentrace částic, zvláště nanočástic, zejména v ovzduší pracovního prostředí, při kterém vzorek ovzduší prochází definovaným průtokem ionizační komorou (11,21, 31), vyznačující se tím, že se u vzorku ovzduší měří napájecí napětí ionizační komory (11, 21, 31) a jeho kolísání, na základě kterého se stanovuje koncentrace částic, zejména nanočástic v tomto vzorku ovzduší, přičemž naměřené hodnoty napájecího napětí ionizační komory a jeho kolísání a/nebo z nich stanové hodnoty koncentrace částic, zvláště nanočástic, se kompenzují na základě známých a empiricky ověřených vlivů průtoku, tlaku, teploty a vlhkosti vzorku, čímž je dosaženo vyšší přesnosti měření.
2. Způsob detekce koncentrace částic podle nároku 1, vyznačující se tím, že se zařízení pravidelně kalibruje na nulové koncentrace částic při zachování ostatních parametrů vzorkovaného ovzduší, přičemž se naměřené hodnoty napájecího napětí ionizační komory a jeho kolísání a/nebo z nich stanovení hodnoty koncentrace částic, zvláště nanočástic, na základě výsledků tohoto nulování dále kompenzují.
3. Způsob detekce koncentrace částic podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že se protékající vzorek ovzduší po výstupu z ionizační komory (11, 21, 31) čistí a periodicky se dočasně ukládá do zásobníku (127, 227, 327), načež se nulování provádí obrácením směru toku prostřednictvím obráceného smyslu chodu čerpadla (122, 222, 322), přičemž se vyčištěný vzorek vzduchu vede zpět přes ionizační komoru (11,21,31).
4. Způsob detekce koncentrace částic podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že se detekují pouze nevolatilní částice a detekce semivolatilních částic vytvořených nukleací volatilních nebo semivolatilních látek přítomných v plynné fázi se potlačuje tím, že se zvýší teplota k jejich odpaření a/nebo se okysličí průchodem přes katalyzátor (314).
5. Zařízení (1, 2, 3) k detekci koncentrace částic, zvláště nanočástic, zejména v ovzduší pracovního prostředí způsobem dle některého z nároků 1 až 4, které obsahuje ionizační komoru (11, 21, 31) a čerpadlo (122, 222, 322) k vytvoření průtoku vzorku ovzduší ionizační komorou (11, 21, 31), vyznačující se tím, že v obvodových stěnách ionizační komory (11, 21, 31) jsou vstupní otvory (111), kterými je vnitřní prostor ionizační komory (1) spojený s okolním prostředním, nebo je ionizační komora (21, 31) zapouzdřená a opatřená vstupním potrubím (211, 311) pro přívod vzorku, přičemž ionizační komora (11, 21, 31) tvoří kompaktní celek s přístrojovým blokem (12, 22, 32), s nímž je spojena propojovacím otvorem £112, 212, 312), přičemž ve skříni (120, 220, 320) přístrojového bloku (12, 22, 32) je umístěno čerpadlo (122, 222, 322) s předřazeným filtrem (121, 221, 321), přičemž čerpadlo (122, 222, 322) má řízené proměnné otáčky a volitelný smysl otáček, přičemž výstupní potrubí (126, 226, 326) čerpadla (122, 222, 322) je vyvedeno stěnou přístrojového bloku (12, 22, 32) mimo přístrojový blok (12,
-6CZ 307891 B6
22, 32), přičemž přístrojový blok (12, 22, 32) dále obsahuje blok (123, 223, 323)snímačů tlaku a/nebo teploty a/nebo relativní vlhkosti vzorku, a řídicí elektroniku (124, 224, 324) spřaženou s elektrickým akumulátorem (125, 225, 325).
6. Zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že ionizační komora (11) je vstupními otvory (111) spojena s okolním prostředním, přičemž výstupní potrubí (126) čerpadla (122) je vyvedeno do okolního prostředí.
7. Zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že alespoň na jedné vnitřní obvodové stěně zapouzdřené ionizační komory (31) je uložen oxidační katalyzátor (314).
8. Zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že stěny zapouzdřené ionizační komory (31) obsahují plošnou tepelnou izolaci s vytápěním (315).
9. Zařízení podle kteréhokoliv z nároků 5 až 7, vyznačující se tím, že k výstupnímu potrubí (126, 226, 326) z čerpadla (122, 222, 322) je připojen zásobník (127, 227, 327).
10. Zařízení podle nároku 9, vyznačující se tím, že je opatřeno prostředkem k obrácení smyslu chodu čerpadla (122, 222, 322).
11. Zařízení podle nároku 10, vyznačující se tím, že prostředkem k obrácení smyslu chodu čerpadla (122, 222, 322) je přepínač polarity jeho přívodních vodičů.
3 výkresy
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2018-381A CZ2018381A3 (cs) | 2018-07-30 | 2018-07-30 | Způsob a zařízení k detekci koncentrace částic, zvláště nanočástic |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2018-381A CZ2018381A3 (cs) | 2018-07-30 | 2018-07-30 | Způsob a zařízení k detekci koncentrace částic, zvláště nanočástic |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ307891B6 true CZ307891B6 (cs) | 2019-06-26 |
| CZ2018381A3 CZ2018381A3 (cs) | 2019-06-26 |
Family
ID=66951710
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2018-381A CZ2018381A3 (cs) | 2018-07-30 | 2018-07-30 | Způsob a zařízení k detekci koncentrace částic, zvláště nanočástic |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ2018381A3 (cs) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007000710A2 (en) * | 2005-06-28 | 2007-01-04 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Ultra fine particle sensor |
| CZ303756B6 (cs) * | 2010-12-08 | 2013-04-24 | Technická univerzita v Liberci | Zpusob a zarízení k merení koncentrace cástic ve výfukových plynech |
| WO2018118934A1 (en) * | 2016-12-19 | 2018-06-28 | Massachusetts Institute Of Technology | Systems and methods for monitoring air particulate matter |
-
2018
- 2018-07-30 CZ CZ2018-381A patent/CZ2018381A3/cs unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007000710A2 (en) * | 2005-06-28 | 2007-01-04 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Ultra fine particle sensor |
| CZ303756B6 (cs) * | 2010-12-08 | 2013-04-24 | Technická univerzita v Liberci | Zpusob a zarízení k merení koncentrace cástic ve výfukových plynech |
| WO2018118934A1 (en) * | 2016-12-19 | 2018-06-28 | Massachusetts Institute Of Technology | Systems and methods for monitoring air particulate matter |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2018381A3 (cs) | 2019-06-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10481070B2 (en) | Systems, devices, and methods for flow control and sample monitoring control | |
| JP3992114B2 (ja) | 空気中の検体の検出のための装置、システムおよび方法 | |
| JP6023075B2 (ja) | 呼吸アルコール濃度を測定するための方法及び装置 | |
| JP5672243B2 (ja) | 気体中の炭化水素成分を検出するための測定装置および方法 | |
| KR100890062B1 (ko) | 시료가스 채취용 프로브 유니트 및 이를 이용한 배기가스 원격측정시스템 | |
| EP1879016A2 (en) | Particle measuring system and method | |
| ES2550347T3 (es) | Procedimiento y dispositivo para la detección, caracterización y/o eliminación de partículas en suspensión | |
| CA2113463C (en) | Gas detection device and method | |
| EP3561509B1 (en) | Portable device for detection of biomarkers in exhaled air and method of biomarker detection in exhaled air | |
| EP4306952A2 (en) | Ndir sensor, sampling method and system for breath analysis | |
| GB2420616A (en) | Personal pollution monitor | |
| US4140005A (en) | Method and instrument for continuous monitoring of aerosols | |
| US3823372A (en) | Method and apparatus for measuring the total surface area concentration of particles entrained in a gas | |
| Kocache | The measurement of oxygen on gas mixtures | |
| US6516653B2 (en) | Gas sensor arrangement | |
| CZ307891B6 (cs) | Způsob a zařízení k detekci koncentrace částic, zvláště nanočástic | |
| Jung et al. | Real-time fluorescence measurement of airborne bacterial particles using an aerosol fluorescence sensor with dual ultraviolet-and visible-fluorescence channels | |
| US7310992B2 (en) | Device for continuous real-time monitoring of ambient air | |
| CN102721726A (zh) | 一种测量流体中物质浓度的方法及装置 | |
| CN106769923A (zh) | 一种基于激光吸收及散射的水蒸气冷凝特性测量装置 | |
| CZ32414U1 (cs) | Zařízení k detekci koncentrace částic, zvláště nanočástic | |
| KR20180021355A (ko) | 복합 가스 센서 | |
| KR102330982B1 (ko) | 날숨 온도 측정 기능을 구비한 음주측정기 | |
| Rogers et al. | Real-time liquid water mass measurement for airborne particulates | |
| US7333204B2 (en) | Method and device for analysing a gas likely to contain particles or suspended aerosols |