DE10140451A1

DE10140451A1 - Vorrichtung zur Ermittlung der Partikelgröße und/oder Menge in Aerosolen

Info

Publication number: DE10140451A1
Application number: DE10140451A
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Preitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-17
Filing date: 2001-08-17
Publication date: 2003-03-13
Anticipated expiration: 2021-08-18
Also published as: DE10140451C2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ermittlung der Partikelgröße und/oder Menge in Aerosolen mittels einer optischen Messvorrichtung 26, die mindestens einen Behälter 34 aufweist, dem ein eine Einlassöffnung 23 und eine Auslassöffnung 22 aufweisendes Gefäß 9 zugeordnet ist, über das das Aerosol geleitet werden kann, wobei eine Leuchtvorrichtung 27 derart angeordnet ist, dass der aus der Leuchtvorrichtung 27 austretende Lichtstrahl 2 auf den Aerosolstrom 12 auftrifft, wobei der Aerosolstrom 12 über das Gefäß 9 und/oder dessen Auslassöffnung 22 derart fokussiert, dass eine Einzelpartikelzählung erreicht oder zumindest annähernd ermöglicht wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ermittlung der Partikelgröße und/oder Menge in Aerosolen mittels einer optischen Messvorrichtung, die mindestens einen Behälter aufweist, dem ein eine Einlassöffnung und/oder eine Auslassöffnung aufweisendes Gefäß zugeordnet ist, über das das Aerosol geleitet werden kann, wobei eine Leuchtvorrichtung derart angeordnet ist, dass der aus der Leuchtvorrichtung austretende Lichtstrahl auf den Aerosolstrom auftrifft.

Es ist bereits eine optische Messanordnung zur Ermittlung der Partikelgröße bekannt (DE 43 41 573 D1), die eine optische Messanordnung zur kontinuierlichen Ermittlung der Partikelgröße, insbesondere in Aerosolen, aufweist. Durch Messung des Streulichts der in einem horizontal und vertikal begrenzten Bereich des Aerosolstroms dispergierten Partikel werden diese im Vorwärtsbereich und daraus abgeleiteter Größen detektiert. Vorzugsweise wird der Aerosolstrom ejektorartig von einem den Aerosolstrom umgebenden Gasstrom, der durch eine ovale Düse austritt, zu einem Film verdünnt. Im Zusammenhang mit einer horizontalen Fokussierung des Lichtstrahls und einer vertikalen Schlitzblende vor dem Detektor wird der Aerosolstrom im Messfeld ohne Partikelverlust an den Wänden einer Messküvette und damit ohne Probenverfälschung sehr stark vereinzelt. Dadurch sind sehr hohe Partikelkonzentrationen bis 10⁵ Partikel/cm zulässig. Die ermittelten Daten lassen Rückschlüsse auf die Menge und/oder Partikelgröße zu. Diese optische Partikelmesstechnik findet insbesondere in Bereichen Anwendung, in denen kleine Partikel untersucht werden sollen, die mit konventionellen Verfahren nicht messbar sind. Das bekannte Verfahren und Gerät beruht weitgehend auf Methoden und Auswertung der sogenannten Mie-Streuung. Mit dieser optischen Messanordnung wird lediglich der Anteil der Vorwärtsstreuung erfasst. Die astigmatische Fokussierung bedingt einen Intensitätsverlust, so dass kleine Partikel nur ungenügend erfasst werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung zur Ermittelung der Partikelgröße derart auszubilden und anzuordnen, dass in einem gasförmigen und/oder flüssigen Trägermedium enthaltene Partikel unter Anwendung der Streulichtmessung auch unter einem Messbereich von 0,1 µm detektiert und erfasst werden können.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass der Aerosolstrom über das Gefäß und/oder dessen Auslassöffnung derart fokussiert, dass eine Einzelpartikelzählung erreicht oder zumindest annähernd ermöglicht wird. Hierdurch wird erreicht, dass äußerst kleine Partikel ermittelt werden können. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung können die in einem gasförmigen oder flüssigen Trägermedium enthaltenen Partikel unter Anwendung der Streulichtmessung detektiert werden. Durch die vorteilhafte Vorrichtung wird sehr wenig Bauraum benötigt, weil keine aufwendige Detektoroptik erforderlich ist. Aufgrund der geringen Abmessung der Vorrichtung ist ein mobiler Einsatz möglich. Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Auslassöffnung des Behälters oder der beiden Behälter, die als Küvette ausgebildet sind, erhält man eine schlitzförmige oder aufgefächerte Aussetzfläche, die somit auch die Partikel in einer Ebene auffächern, so dass die meisten nicht durch den Brennpunkt des Lichtstrahls geführt werden. Als Lichtstrahl kann auch ein Laserstrahl eingesetzt werden. Bei der Partikelstromdichte- Bestimmung werden also alle Partikel beispielsweise durch einen rechteckförmig ausgebildeten Volumenschacht hindurchgeführt. Die Breite des durch die Strömungsverhältnisse initiierten Schachtes beträgt das Vielfache des Lichtstrahlbrennpunkts, wobei die Tiefe bzw. Stärke des Partikelstroms in Richtung des Lichtstrahls nur einer Partikeldurchmesserebene entspricht. Die aerodynamische Fokussierung verhindert somit Koinzidenzen in Richtung des Lichtstrahls. Der Streulichtanteil der Partikel, der nicht durch den Lichtstrahl geführt wird, jedoch durch das reflektierte Licht entsteht, ist vernachlässigbar klein. Durch die vorteilhafte Ausbildung der Küvette mit den zwei ineinandergeschachtelten Behältern ist eine Partikelgrößenbestimmung in einer mehr als hundertfach größeren Partikelkonzentration pro Volumeneinheit im Vergleich zur Einzelpartikelzählung möglich. Die Partikel mit einem Durchmesser von 0,1 µm können hierdurch ohne Weiteres detektiert werden.

Durch die aerodynamische Fokussierung des Volumenstroms bzw. Partikelstroms bei sich nicht ändernder Konzentration können Randzonenfehler klein gehalten werden, d. h. wenn ein Partikel nicht vollständig durch den Lichtstrahl in der Brennpunktebene geführt wird, lässt er sich rechnerisch eliminieren. Der Aufbau und die aerodynamische Fokussierung für die Partikelstromdichte gestattet also, wie bereits erwähnt, Partikelgrößen von 0,1 µm und kleiner zu detektieren.

Vorteilhaft ist es hierzu, dass das Gefäß eine in etwa längliche Auslassöffnung aufweist, über die das Aerosol austritt und auf den Lichtstrahl auftrifft, und die in etwa längliche Auslassöffnung rechteckförmig ausgebildet ist.

Ferner ist es vorteilhaft, dass das Gefäß aus einem ersten hohlförmigen, die Ein- und Auslassöffnung aufweisenden Behälter besteht, der von einem ebenfalls eine Ein- und Auslassöffnung aufweisenden zweiten Behälter konzentrisch umgeben wird, wobei in dem zweiten Behälter ein oder mehrere Ansaugöffnungen vorgesehen sind.

Vorteilhaft ist es auch, dass an das Gefäß eine Leitung angeschlossen ist, über die ein Fokussierungsstrom in den zwischen dem ersten und zweiten Behälter vorgesehenen Raum geleitet wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, dass die beiden Behälter zwei konzentrisch zueinander angeordnete Auslassöffnungen aufweisen, wobei die zweite Öffnung als Ringspalt ausgebildet oder aus zahlreichen nebeneinander angeordneten Bohrungen gebildet ist.

Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, dass die erste Öffnung in etwa kreisförmig ausgebildet und von zahlreichen konzentrisch angeordneten Bohrungen umgeben ist.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, dass diese ein oder zwei nebeneinander angeordnete Behälter aufweist, die als Reflektoreinrichtung oder Ulbrichtkugel ausgebildet sind.

Vorteilhaft ist es ferner, dass der Aerosolstrom im Bereich des Brennpunkts des Lichtstrahls auf den Lichtstrahl auftrifft.

Außerdem ist es vorteilhaft, dass der Durchmesser oder die Querschnittsbreite der Auslassöffnung zwischen 70 µm und 130 µm oder in etwa 100 µm groß ist.

Ferner ist es vorteilhaft, dass im Bereich der Auslassöffnung ein Unterdruck erzeugt wird.

Um die Komplexität der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu begrenzen, ist es von Vorteil, dass zur Veränderung der Austrittsgeschwindigkeit des Aerosolstroms und/oder des Fokussierungsstroms die beiden Behälter gegeneinander verstellbar sind, wobei der Aerosolstrom die Reflektoreinrichtung in etwa mittig oder wenn zwei Reflektoreinrichtungen nebeneinander angeordnet und ihr Innenraum miteinander verbunden ist, den Bereich des Zusammenschlusses durchströmt.

Schließlich ist es von Vorteil, dass neben dem Aerosolstrom ein Volumenstrom eine Fokussierung ermöglicht.

Vorteilhaft ist es hierzu auch, dass eine oder mehrere Lichtquellen auf den Messvolumenstrom gerichtet sind und mindestens zwei Detektoren gleichzeitig betrieben und die von den Detektoren erfassten Streulichtmesswerte korreliert ausgewertet werden.

Auch ist es von Vorteil, dass ein Detektor den Streulichtanteil in Vorwärtsrichtung der zugeordneten Lichtquelle auswertet.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Ermittlung der Partikelgröße und/oder Menge in Aerosolen mittels einer optischen Messvorrichtung,
Fig. 2 einen kugelförmigen Aufnahmebehälter als Reflektoreinrichtung in Form einer Ulbrichtkugel, in der die Küvette eingelassen ist und der eine Leuchteinrichtung ohne Absaugeinrichtung zugeordnet ist,
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Reflektoreinrichtung mit zwei zusammengeschlossenen Kugeln, deren Innenraum miteinander verbunden ist,
Fig. 4 die Auslassöffnung bzw. die Auslassöffnungen der Küvette gemäß Fig. 1,
Fig. 5 ein anderes Ausführungsbeispiel für die Auslassöffnung der Küvette gemäß Fig. 1,
Fig. 6 den Aerosolstrom nach Verlassen der Auslassöffnung der Küvette, wobei die einzelnen Punkte die Partikel wiedergeben,
Fig. 7 verschiedene Platzierungen der Partikel im Bereich des Brennpunkts des Lichtstrahls sowie den Streulichtsignalverlauf.
In der Zeichnung ist in Fig. 1 eine Vorrichtung zur Ermittlung der Partikelgröße und/oder Menge in Aerosolen mit 1 bezeichnet. Die Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einer kugelförmigen Aufnahmevorrichtung bzw. Reflektorvorrichtung, in der eine in der Zeichnung nicht dargestellte Pumpe einen Unterdruck erzeugt.
Eine Reflektoreinrichtung 33 bzw. 34 ist an ihrer Innenoberfläche mit einer reflektierenden Schicht, beispielsweise Metallschicht, versehen, so dass die über eine Lichtquelle eintretenden Lichtstrahlen durch das Auftreffen an den Partikeln Streulicht erzeugen. Der Lichtstrahl tritt aus einer Leuchtvorrichtung 2 aus, die mit Bezug auf Fig. 1 an der linken Seite der Vorrichtung vorgesehen ist. Der aus der Lichtquelle 2 austretende Lichtstrahl trifft auf eine Lichtfalle 4, die gegenüber der Lichtquelle oder Leuchtvorrichtung 2 vorgesehen ist. Die kugelförmig ausgebildete Reflektoreinrichtung 33 bzw. 34 ist ferner mit einer Öffnung zur Aufnahme einer Küvette 9 versehen, die aus einem ersten und zweiten Behälter 28 bzw. 29 gebildet ist. In dem äußeren Behälter 29, der hohlförmig ausgebildet ist, befindet sich der erste Behälter 28, der im Durchmesser d etwas kleiner ist als der Durchmesser der Küvette 9.
Am oberen Ende weisen die beiden Behälter 28 und 29 je eine Einlassöffnung bzw. Ansaugdüse 23 auf, über die einmal ein Ansaugvolumen bzw. ein Aerosolstrom 12 eingeführt bzw. angesaugt wird. Der Aerosolstrom 12 gelangt also über die Einlassöffnung 23 und über eine Auslassöffnung bzw. über einen Ejektor 22 in den Innenraum der Reflektoreinrichtung 33, die in Fig. 2 dargestellt ist. An der gegenüberliegenden Seite, also diametral gegenüber der Küvette 9, befindet sich eine Absaugvorrichtung bzw. ein Absaugflansch 7, über die der Aerosolstrom wieder abgesaugt wird.
Der Behälter 28 bzw. 29 oder die Ansaugdüse ist zylinderförmig ausgebildet und weist gemäß Fig. 1 im unteren Bereich eine Ejektordüse 36 auf, die mit der Auslassöffnung 22 versehen ist. Der Winkel β der Ejektordüse kann zwischen 7° und 30° groß sein. Der Behälter 29 weist ebenfalls eine Ejektordüse mit einer Auslassöffnung 22 auf. Zwischen der ersten und der zweiten Ejektordüse befindet sich je ein durch die beiden Ejektordüsen gebildeter Ringspalt, der einen Unterdruck erzeugt, welcher den Aerosolstrom erzeugt. Der aus einem Gas gebildete Fokussierungsvolumenstrom gelangt über zahlreiche Einlassöffnungen bzw. Fokussierdrossel 13 in den Behälter 29. Der Fokussierungsstrom wird über eine Auslassöffnung bzw. einen Ringspalt 32 in den Innenraum der Reflektoreinrichtung 33 eingebracht.
Um die Querschnittsöffnung des Ringspalts 32 zu verändern, können die beiden konzentrisch ineinander angeordneten Behälter 28 und 29 gegeneinander verstellt werden, so dass sich der Ringspalt 32 vergrößert oder verkleinert. Die Mittelachse der Leuchtvorrichtung 2 schneidet den Aerosolstrom 12 in einem rechten Winkel, wobei Fokussierung bzw. Brennpunkt 20 des Lichtstrahls 21 genau unterhalb der Auslassöffnung 22 bzw. 22' bzw. des Ringspalts 32 liegt.
Ein Fokussierungsvolumenstrom 17 gelangt über eine Druckleitung 18 sowie eine Drossel 15 und über einen Filter 16 sowie eine Leitung 35 in den Ringraum zwischen den Behältern 28 und 29 der Ejektordüse 36, die Teil der Küvette 9 ist. Unterhalb der Einlassöffnung der Leitung 35 im Behälter 29 befindet sich die bereits erwähnte Fokussierdrossel 13, die einen Druckabfall zur Folge hat und eine ungleiche Strömungsverteilung am Ejektoraustritt verhindert.
In dem Ansaugvolumenstrom bzw. Aerosolstrom 12 befinden sich zahlreiche mit 19 gekennzeichnete Partikel, die aufgrund der besonderen Formgebung der Auslassöffnung der Ejektordüse bzw. Küvette 9 im Austrittsbereich in einer Ebene bzw. einem runden Kanal angeordnet sind.
Dies wird in vorteilhafter Weise durch die besondere Ausgestaltung des Ejektoraustritts bzw. der Auslassöffnung 22 erreicht, der gemäß Fig. 5 schlitzförmig ausgebildet ist und von zahlreichen mit Abstand zueinander angeordneten Bohrungen 25 umgeben ist. Durch die Ausgestaltung des Austritts der Ejektordüse 9 erhält man die erfindungsgemäße Fokussierungsführung des Volumenstroms.
In Fig. 6 ist ein Ausschnitt des Fokussierungsvolumenstroms dargestellt, wobei sich die einzelnen Partikel 19 in einer Ebene gemäß Fig. 1 und 6 befinden.
Der Brennpunkt 20 des Lichtstrahls 21 trifft also gemäß der Fig. 1 jeweils nur auf einen Partikel 19 auf. In der Fig. 6 können auch mehrere Partikel gleichzeitig im Brennpunkt 20 vorhanden sein (Koinzidenz). Um diesen Fehler zu minimieren, ist eine geeignete Verdünnung des Aerosolstroms vorzunehmen. Der gesamte Volumenstrom verlässt über die Absaugöffnung bzw. über ein Absaugrohr 10, das an den Absaugflansch 7 angeschlossen ist, den Innenraum des Behälters bzw. der Reflektoreinrichtung 33. Im rechten, oberen Bereich zwischen der Küvette 9 und der Lichtfalle 4 befindet sich ein erster Detektor 5 und zwischen der Leuchtvorrichtung 2 und dem Flansch 7 ein zweiter Detektor 6 sowie eine Abschirmung 8, die den Detektor 6 vor Beugungsstrahlen der Lichtquelle schützt.
Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist der Querschnitt des Ejektoraustritts für den Ejektorvolumenstrom 24 schlitzförmig ausgebildet und, wie bereits erwähnt, mit zahlreichen Bohrungen umgeben, die eine Strömungshomogenisierung für den Fokussierungsvolumenstrom 17 gewährleisten. Es ist jedoch auch möglich, auf die einzelnen Bohrungen 25 zu verzichten und eine schlitzförmige Ringöffnung vorzusehen, die die Öffnung bzw. den Ejektoraustritt 22 konzentrisch umgibt.
Nach einem anderen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist es auch möglich, den Austritt des Ejektors als Ringdüse auszubilden, wobei die kreisförmige Öffnung 22 von zahlreichen Bohrungen 25 konzentrisch umgeben wird. Der Partikelstrom tritt also über die Auslassöffnung 22 in den Innenraum des Behälters bzw. der Reflektoreinrichtung 33 ein.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Streulicht von Licht an Teilchen, die klein gegenüber der Wellenlänge des Lichts sind, als Rayleigh-Streuung bezeichnet wird, während die Lichtstreuung an kugelförmigen Teilchen, deren Durchmesser in der Größenordnung der Lichtwellenlänge liegen, als Mie-Streuung bezeichnet wird. Die Lichtstreuung umfasst außer der Ablenkung des Lichtstrahls, der Brechung auch die Erzeugung sekundärer Lichtquellen beim Auftreffen des Lichts auf die Materie.
Die Vorrichtung 1 zur Ermittlung der Partikelgröße arbeitet nach folgendem Prinzip:
Der Fokussierungsvolumenstrom 17 erzeugt durch die runde bzw. schlitzförmige Austrittsfläche gemäß Fig. 4 bzw. 6 einen Unterdruck am Anfang der Ansaugdüse bzw. der Küvette 9. Dieser Unterdruck initiiert den Ansaugvolumenstrom 12, in dem die Partikel 19 getragen werden. Der Fokussierungsvolumenstrom 17 muss nahezu partikelfrei sein, d. h. aus einem Gas bestehen. Der Druckabfall über der Fokussierungsdrossel bzw. Ansaugdüse 23 soll keine Exzentrizitäten aufweisen, um am Ejektoraustritt eine ungleiche Strömungsverteilung zu verhindern. Ferner ist es besonders wichtig, dass alle Übergänge bzw. Kanten an der Ansaugdüse im Bereich der Einlassöffnung 23 und am Ejektoraustritt 22 bzw. 22' grat- und kantenfrei sein müssen. Der Düseneinschnürwinkel β sollte in vorteilhafter Weise bei 7° oder zwischen 5° und 30° liegen. Der Winkel des äußeren Teils der Ejektordüse des Behälters 29 sollte einen Winkel α zwischen 15° und 70° aufweisen. Der Brennstrahldurchmesser weist in vorteilhafter Weise im Bereich des Brennpunkts 20 einen Durchmesser zwischen 25 µm und 60 µm auf. Die Lichtverteilung im Brennpunktstrahl sollte homogen sein, um keine Streulichtunterschiede von Partikeln gleichen Durchmessers, aber an unterschiedlichen Orten im Brennpunkt zu ermitteln.
Zur Bestimmung der im gasförmigen oder flüssigen Trägermedium enthaltenen Partikel 19 wird der Lichtstrahl aus der Lichtquelle aktiviert. Gleichzeitig mit der Lichtquelle werden auch die Detektoren 5 und 6 betrieben. Die von den Detektoren 5 und 6 erfassten Streulichtmesswerte werden über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Auswerteinheit bzw. einen Computer korreliert und dort ausgewertet. Die aerodynamische Fokussierung kann, wie bereits erwähnt, durch den einen runden Querschnitt gemäß Fig. 4 erfolgen, so dass eine Einzelpartikelzählung möglich ist. Ferner ist es möglich, durch die beschriebene schlitzförmige Querschnittsöffnung gemäß Fig. 5 eine Partikelstromdicke zu schaffen, die in etwa die Breite einer Partikeldurchmesserebene aufweist bzw. geringfügig größer ist. Bei der Einzelpartikelzählung werden alle Partikel durch den Lichtstrahlbrennpunkt 20 geführt. Dabei wird die Anzahl und die Größe der Partikel pro Volumeneinheit des Trägermediums bestimmt. Bei der Partikelstromdichte-Bestimmung werden alle Partikel durch einen rechteckähnlichen Volumenschacht gemäß Fig. 5 geführt. Die Breite dieses Schachts beträgt das Vielfache des Lichtstrahlbrennpunkts, wogegen die Tiefe in Richtung des Lichtstrahls nur einer Partikeldurchmesserebene entspricht. Diese aerodynamische Fokussierung verhindert Kamzidenzen in Richtung des Lichtstrahls 2. Der Streulichtanteil der Partikel 19, die nicht durch den Lichtstrahl 2 geführt werden, aber durch das reflektierte Licht entstehen, ist vernachlässigbar und braucht deshalb nicht beachtet zu werden. Ungleichgerichtete Strömungen an den äußeren Enden des Schachtes haben kaum Einfluss auf die brennpunktnahe Strömung.
Diese Art der Fokussierung ermöglicht auf jeden Fall eine Partikelgrößenbestimmung pro Volumeneinheit im Vergleich zur Einzelpartikelzählung. Es ist also eine Partikeldetektierung möglich, wobei die Partikel einen Durchmesser unter 0,1 µm aufweisen können. Durch die erfindungsgemäße aerodynamische Fokussierung können also bei sich nicht ändernder Konzentration Randzonenfehler weitgehend ausgeschaltet werden, da die nicht durch den Lichtstrahl in der Brennpunktebene geführten Partikel rechnerisch ermittelt werden. Die Entmischung bei der unbeschriebenen aerodynamischen Fokussierung für die Partikelstromdichte hat bei kleinen Partikelgrößen um ca. 0,1 µm eine untergeordnete Bedeutung.
Die Partikel treten also über die Küvette durch den Ejektor ein und werden über die Absaugvorrichtung mittels des Messvolumens wieder abgesaugt. Mit den erfindungsgemäßen Detektoren 5 und 6 kann unter Verwendung eines modulierten Lichts Frequenz selektiv ausgewertet. Ferner wird darauf hingewiesen, dass neben dem Streulicht auch die Extinktion des eingestrahlten Lichts über einen in der Lichtfalle anzuordnenden Detektor gemessen wird. Bei der Verwendung von zwei Lichtquellen wird mit Signalen unterschiedlicher Frequenzen und/oder unterschiedlicher Phasenverschiebung und/oder unterschiedlicher Modulationstiefe moduliert.
Die Modulation des eingefallenen Lichts ergibt die Möglichkeit, einerseits durch Verwendung von Lock-In-Verstärkertechnik das Signal-Rausch-Verhältnis deutlich zu verbessern und andererseits durch Verwendung verschiedener Frequenzen das entstandene Signal durch Messung des Streulichts der Quelle genau zuzuordnen. Durch den Einsatz der Lock-In-Verstärkertechnik können außerdem sehr schwache Signale der Lichtstreuung berücksichtigt werden. Somit wird es mit dem vorgeschlagenen, erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Partikel von sehr geringer Teilchengröße, die im Rayleigh- Streubereich liegen, messtechnisch zu erfassen und zu klassifizieren.
Auch die gleichzeitige Verwendung von mehreren Lichtempfängern ist vorteilhaft. Die Empfänger sind ebenso wie die Lichtquellen räumlich um das Messvolumen angeordnet. Das Auslesen dieser Detektoren, also das Messen des Streulichts, kann sequenzselektiv erfolgen.
Die Erfassung aller beschriebenen Daten wird durch die Verwendung auf die Partikelgeschwindigkeit abgestimmter Modulationsfrequenzen in einem Zug an jedem Partikel durchgeführt. Somit ermöglicht die korrelierte Auswertung aller erhaltenen Messdaten die Bestimmung von Konzentration, Größe, Größenverteilung und Form der in dem zu analysierenden Trägermedium enthaltenen Partikel 19. Bezugszeichenliste 1 Vorrichtung zur Ermittlung der Partikelgröße und/oder Menge in Aerosolen
2 Leuchtvorrichtung, Lichtquelle
3 Vorrichtung zur Ermittlung der Partikelgröße
4 Lichtfalle
5 Detektor
6 Detektor
7 Absaugflansch
8 Abschirmung
9 Küvette, Gefäß
10 Absaugrohr
12 Ansaugvolumenstrom, Aerosolstrom, Messvolumenstrom
13 Fokussierdrossel
14 Behälter, rechteckig
15 Drossel
16 Filter
17 Fokussierungsvolumenstrom als Reinluft
18 Druckleitung
19 Partikel
20 Brennpunkt, Lichtstrahlbrennpunkt
21 Lichtstrahl
22 Auslassöffnung Ejektoraustritt
22' Auslassöffnung
23 Einlassöffnung, Ansaugdüse
24 Ejektorvolumenstrom
25 Bohrung
26 Gefäß, Küvette, Messvorrichtung
27 Leuchtvorrichtung auch Lasereinrichtung
28 Behälter, innen
29 Behälter, außen
30 zwischen dem ersten und zweiten Behälter (28, 29) vorgesehener Raum
31 Auslassöffnung, ringförmige Öffnung
32 Auslassöffnung, Ringspalt
33 Reflektoreinrichtung, Ulbrichtkugel, Hohlkugel
34 Reflektoreinrichtung, Ulbrichtkugel
35 Leitung
36 Ejektordüse

Claims

1. Vorrichtung (1) zur Ermittlung der Partikelgröße und/oder Menge in Aerosolen mittels einer optischen Messvorrichtung (26), die mindestens einen Behälter (28 bzw. 29) aufweist, dem ein eine Einlassöffnung (23) und eine Auslassöffnung (22) aufweisendes Gefäß (9) zugeordnet ist, über das das Aerosol geleitet werden kann, wobei eine Leuchtvorrichtung (27) derart angeordnet ist, dass der aus der Leuchtvorrichtung (27) austretende Lichtstrahl (21) auf den Aerosolstrom (12) auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass der Aerosolstrom (12) über das Gefäß (9) und/oder dessen Auslassöffnung (22) derart fokussiert wird, dass eine Einzelpartikelzählung erreicht oder zumindest annähernd ermöglicht wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß (9) eine in etwa längliche Auslassöffnung (22) aufweist, über die das Aerosol austritt und auf den Lichtstrahl (21) auftrifft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in etwa längliche Auslassöffnung (22) rechteckförmig ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß (9) aus einem ersten hohlförmigen, die Ein- und Auslassöffnung (23, 22) aufweisenden Behälter (28) besteht, der von einem ebenfalls eine Ein- und Auslassöffnung (23, 22) aufweisenden zweiten Behälter (29) konzentrisch umgeben wird, wobei in dem zweiten Behälter (29) ein oder mehrere Ansaugöffnungen (13) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an das Gefäß (26) eine Leitung (35) angeschlossen ist, über die ein Fokussierungsstrom in den zwischen dem ersten und zweiten Behälter (28, 29) vorgesehenen Raum (30) geleitet wird.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Behälter (28, 29) zwei konzentrisch zueinander angeordnete Auslassöffnungen (22, 32) aufweisen, wobei die zweite Öffnung (32) als Ringspalt ausgebildet oder aus zahlreichen nebeneinander angeordneten Bohrungen (25) gebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (22) in etwa kreisförmig ausgebildet und von zahlreichen konzentrisch angeordneten Bohrungen (25) umgeben ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine oder zwei nebeneinander angeordnete Kugeln (33, 34) aufweist, die als Reflektoreinrichtung oder Ulbrichtkugel (34) ausgebildet sind, in der das aus der Leuchtvorrichtung (2) austretende Licht ein oder mehrere Male reflektiert, damit homogenisiert wird und so auf den Aerosolstrom (12) auftrifft.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aerosolstrom (12) im Bereich des Brennpunkts (29) des Lichtstrahls (21) auf den Lichtstrahl auftrifft.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser oder die Querschnittsbreite der Auslassöffnung (22) zwischen 70 µm und 130 µm oder in etwa 100 µm groß ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Auslassöffnung (22) ein Unterdruck erzeugt wird.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung der Austrittsgeschwindigkeit des Aerosolstroms (12) und/oder des Fokussierungsstroms (17) die beiden Behälter (28, 29) gegeneinander verstellbar sind, wobei der Aerosolstrom (12) die Reflektoreinrichtung (34) in etwa mittig oder wenn zwei Reflektoreinrichtungen (34) nebeneinander angeordnet sind und ihr Innenraum miteinander verbunden ist, den Bereich des Zusammenschlusses durchströmt.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aerosolstrom von dem Fokussierungsstrom (17) umgeben ist.

14. Vorrichtung zur Ermittlung der Partikelgröße und/oder Menge in Aerosolen mittels einer optischen Messvorrichtung (26) mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Lichtquellen auf den Messvolumenstrom (12) gerichtet sind und mindestens zwei Detektoren (5, 6) gleichzeitig betrieben und die von den Detektoren erfassten Streulichtmesswerte korreliert ausgewertet werden.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektor (5) den Streulichtanteil in Vorwärtsrichtung der zugeordneten Lichtquelle (2) auswertet.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Streulicht die Halbschalen einer Hohlkugel berührt und dabei ungerichtet bzw. diffus reflektiert wird und die Reflektoreinrichtung (33) als Hohlkugel ausgebildet ist oder zwei Hohlkugeln (33, 34) zu einem Gesamtraum miteinander verbunden sind, wobei der Aerosolstrom (12) im Bereich der Berührungsstelle der beiden Hohlkugeln die Hohlkugeln durchströmt.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Detektor (5 bzw. 6) den gemittelten Strahlungsfluss misst, wobei der gemittelte Strahlungsfluss annähernd frei von Einflüssen wie Einfallwinkel, Schattenbildung, Moden, Polarisation, Partikelform und Partikelprojektionsfläche ist und dabei die unregelmäßig geformten und orientierten Partikel mittels ihres Durchmessers bzw. ihrer oberflächengleichen Kugeln ermittelt werden.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Streulichtintensität und dem Partikeldurchmesser über den Größenbereich von der Rayleigh-Streuung bis in den Bereich der geometrischen Optik ergibt.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Effekt unterschiedlicher Verhältnisse zwischen Lichtwellenlänge und Partikeldurchmesser unterschiedliche Streulichthaupt- und -nebenmaxima bedingt und keinen Einfluss auf die Partikelgrößenbestimmung hat.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des Messvolumens (12) über einen großen Winkel ermöglicht und somit der Einsatz von monochromatischem Licht im Bereich der Mie-Streuung die Oszillation im Mie-Bereich gemittelt werden.

21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Abhängigkeit von einem imaginären Anteil des Brechungsindexes besteht, wobei der Imaginärteil dem Absorptionskoeffizienten entspricht.

22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abschirmelemente (8) Beugungsanteile des einfallenden Lichts mindern und den Reflektionsbereich sperren.

23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit unterschiedlichen Lichtwellenlängen Materialeigenschaften untersucht werden.

24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen mit Signalen unterschiedlicher Frequenzen und Phasen moduliert werden können.

25. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Streulicht durch Extinktion des eingestrahlten Lichts gemessen wird.