DE102012019383B4

DE102012019383B4 - Method and device for measuring the particle number concentration of small particles in gas

Info

Publication number: DE102012019383B4
Application number: DE102012019383.1A
Authority: DE
Inventors: Maximilian WEIß; Leander Mölter
Original assignee: Palas GmbH Partikel und Lasermesstechnik
Current assignee: Palas GmbH Partikel und Lasermesstechnik
Priority date: 2012-10-02
Filing date: 2012-10-02
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2032-10-03
Also published as: DE102012019383A1

Abstract

Verfahren zum Erfassen der Konzentration kleiner Partikel in Gas, wobei die Partikel mit Licht bestrahlt werden, von den Partikeln gestreutes Licht detektiert, das gewonnene elektrische Signal verstärkt, digitalisiert und entsprechend der die Partikelgröße repräsentierenden Intensität in einer Vielzahl von digitalen Kanälen erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftreten eines Mie-Peaks in der gemessenen größenabhängigen Häufigkeitsverteilung überwacht wird und bei Abweichung des Mie-Peaks in einem anderen als dem ihm aufgrund der Messeinstellungen zukommenden digitalen Normkanal eine Meldung ausgegeben wird.Method for detecting the concentration of small particles in gas, wherein the particles are irradiated with light, light scattered by the particles is detected, the electrical signal obtained is amplified, digitized and detected according to the intensity representing the particle size in a plurality of digital channels, characterized in that the occurrence of a Mie peak is monitored in the measured size-dependent frequency distribution and a message is output in the event of a deviation of the Mie peak in a digital standard channel other than that due to the measurement settings.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen der Konzentration kleiner Partikel in Gas nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zum Erfassen kleiner Partikel in Gas nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.The invention relates to a method for detecting the concentration of small particles in gas according to the preamble of claim 1, and to an apparatus for detecting small particles in gas according to the preamble of claim 9.

Eine derartige Vorrichtung ist als Feinstaub-Emissions-Monitorsystem und Aerosolspektrometer bekannt und erlaubt die kontinuierliche und gleichzeitige Erfassung der Konzentration der Partikel in Gas, insbesondere Luft, über die Partikelgröße und damit die Erfassung charakteristischer Werte, wie PM_2,5 und PM₁₀.Such a device is known as a particulate matter emission monitoring system and aerosol spectrometer and allows the continuous and simultaneous detection of the concentration of the particles in gas, in particular air, on the particle size and thus the detection of characteristic values, such as PM _2.5 and PM ₁₀ .

Derartige bekannte Vorrichtungen beruhen auf dem Prinzip der optischen Lichtstreuung und weisen eine Lichtquelle mit hoher Lichtstabilität auf, insbesondere als LED-Lichtquelle mit hoher Lebensdauer. Die Partikel tragende Luft wird über einen Probennahmekopf durch ein Proberohr geführt, in welchem die Probe durch das Licht unter einem endlichen Winkel zur Strömungsrichtung des Mediums, in der Regel senkrecht hierzu, bestrahlt wird und Streulicht unter einem endlichen Winkel (also ungleich 0°), wie vorzugsweise zwischen 10° und 170°, vorzugsweise im Bereich von 80° bis 100° zur Einstrahlrichtung des Lichts detektiert wird.Such known devices are based on the principle of optical light scattering and have a light source with high light stability, in particular as a LED light source with a long service life. The air carrying the particles is passed through a sampling tube via a sampling head, in which the sample is irradiated by the light at a finite angle to the flow direction of the medium, as a rule perpendicular thereto, and scattered light at a finite angle (ie, not equal to 0 °), as preferably between 10 ° and 170 °, preferably in the range of 80 ° to 100 ° to the direction of irradiation of the light is detected.

Der Aerosolsensor ist ein optisches Aerosolspektrometer, welches über Streulichtanalyse am Einzelpartikel die Partikelgröße bestimmt. Die Partikel bewegen sich einzeln durch ein optisch abgegrenztes Messvolumen, das homogen ausgeleuchtet wird. Von jedem einzelnen Partikel entsteht ein Streulichtimpuls, der unter dem genannten Winkel erfasst wird. Die Partikelanzahl wird anhand der Anzahl der Streulichtimpulse gemessen. Die Höhe der Streulichtimpulse ist ein Maß für den Partikeldurchmesser.The aerosol sensor is an optical aerosol spectrometer, which determines the particle size via scattered light analysis on the single particle. The particles move individually through an optically delimited measuring volume, which is homogeneously illuminated. Each individual particle produces a scattered light pulse, which is detected at the specified angle. The number of particles is measured by the number of scattered light pulses. The height of the scattered light pulses is a measure of the particle diameter.

Demgemäß wird jeder Streulichtimpuls erfasst und hinsichtlich seiner Intensität einer Teilchengröße zugeordnet, wobei bei einem digitalen Messsystem die Teilchengrößen einer Vielzahl von Kanälen, beispielsweise 256 Kanälen, klassifiziert werden.Accordingly, each scattered light pulse is detected and associated in intensity with a particle size, wherein in a digital measuring system, the particle sizes of a plurality of channels, for example, 256 channels are classified.

Derartige Vorrichtungen können weiterhin Trockenstrecken sowie Sensoren zur Erfassung von Temperatur, Luftdruck und relativer Feuchte aufweisen, um so eine Verfälschung von Messergebnissen durch Kondensationseffekte auszuschließen. Dabei erfolgt eine feuchte Kompensation in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchte und Außentemperatur.Such devices may further include dry lines and sensors for detecting temperature, air pressure and relative humidity, so as to preclude a falsification of measurement results by condensation effects. In this case, there is a moist compensation depending on the relative humidity and outside temperature.

Die DE 699 12 062 T2 zeigt ein Teilchengrößenverteilungsanalysegerät mit einer eine Teilchenprobe aufnehmenden Probenmesszelle, einer Lichtquelle, einem Detektor zur Messung gestreuten Lichts unter bestimmten Streuwinkeln und einem aufgrund dessen die Teilchengröße bestimmenden Berechnungsmittel, die der Reflektion von einem Fenster der Messzelle berücksichtigt. Darüber hinaus zeigt die Druckschrift ein Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit einer Teilchengrößenverteilungsberechnung durch Berücksichtigung der Reflektion von Licht an einem Fenster der Messzelle unter Heranziehung von mindestens zwei Streuwinkeln des Lichts, wobei insbesondere detektierte Rückstreusignale durch einen von detektierten Vorwärtsstreusignalen abhängigen Betrag kompensiert werden.The DE 699 12 062 T2 Figure 4 shows a particle size distribution analyzer having a sample cell receiving a particle sample, a light source, a detector for measuring scattered light at certain scattering angles, and a particle size determining means that takes into account the reflection from a window of the measuring cell. In addition, the document shows a method for improving the accuracy of a particle size distribution calculation by taking into account the reflection of light at a window of the measuring cell using at least two scattering angles of the light, in particular detected backscatter signals are compensated by an amount dependent on detected forward scatter signals.

Die DE 197 24 228 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Größenverteilung, optischen Eigenschaften und/oder Konzentrationen von Partikeln. Es bestimmt kontinuierlich bzw. quasi-kontinuierlich die Streulichtintensität von Partikelkollektiven gestreuten Strahlung im Winkelbereich zwischen 0° und 360° und zieht die Messdaten zur Partikelcharakterisierung heran. Aufgrund des Einsatzes eines rotierenden spiegelnden Elements wird der Aufbau kompakt und es sind hohe Messgeschwindigkeiten möglich. Zur Rauschunterdrückung wird ein signalangepasster Filter verwendet. Anwendbar ist es in der Klima- und Umweltmesstechnik und zur Qualitätssicherung überall dort, wo feinkörnige Schüttgüter verarbeitet werden.The DE 197 24 228 A1 shows a method and an apparatus for measuring the size distribution, optical properties and / or concentrations of particles. It determines continuously or quasi-continuously the scattered light intensity of particle scattered radiation in the angular range between 0 ° and 360 ° and uses the measured data for particle characterization. Due to the use of a rotating reflecting element, the structure becomes compact and high measuring speeds are possible. For noise suppression a signal matched filter is used. It is applicable in the climate and environmental measuring technology and for quality assurance everywhere, where fine-grained bulk materials are processed.

Die DE 690 28 687 T2 zeigt eine Probenmessvorrichtung mit einer Einrichtung zum sequentiellen Bewegen individueller Proben und in einer ersten Ausführungsform eine Bestrahlungseinrichtung zum gleichzeitigen Lenken eines ersten und eines zweiten Bestrahlungsbündels auf eine erste und eine zweite Stelle, die in Bewegungsrichtung der Proben voneinander beabstandet sind, eine Lichtdetektiereinrichtung zum zeitlich seriellen Nachweisen von Lichtkomponenten, die von den Proben stammen und durch die erste und die zweite Stelle laufen, indem derselbe Lichtdetektor verwendet wird, und eine optische Auswahleinrichtung, die in einem optischen Weg zwischen den Bestrahlungsstellen und der Lichtdetektiereinrichtung angeordnet ist, um, wenn eine Probe die erste Stelle passiert, eine Lichtkomponente mit einer ersten optischen Eigenschaft, die von der Probe kommt, selektiv zu dem Lichtdetektor zu leiten, und um, wenn die Probe an der zweiten Stelle vorbeikommt, selektiv eine Lichtkomponente mit einer zweiten optischen Eigenschaft, die von der Probe stammt, zu dem Lichtdetektor zu leiten. Alternativ ist vorgesehen eine Bestrahlungseinrichtung zum zeitlich seriellen Lenken eines ersten und eines zweiten Strahlenbündels auf individuelle Proben, eine Lichtdetektiereinrichtung zum zeitlich seriellen Detektieren von Lichtkomponenten, die von den Proben aufgrund des ersten und des zweiten Strahlenbündels kommt, wobei derselbe Lichtdetektor verwendet wird, eine erste optische Einrichtung, um, wenn das erste Strahlungsbündel abgestrahlt wird, selektiv eine Lichtkomponente mit einer ersten optischen Eigenschaft, die von der Probe kommt, auf den Lichtdetektor zu leiten, und eine zweite optische Einrichtung, um, wenn das zweite Strahlungsbündel abgestrahlt wird, selektiv eine Lichtkomponente mit einer zweiten optischen Eigenschaft, die von der Probe kommt, auf den Lichtdetektor zu leiten.The DE 690 28 687 T2 Fig. 12 shows a sample measuring apparatus having means for sequentially moving individual samples, and in a first embodiment, irradiating means for simultaneously directing first and second irradiation beams to first and second locations apart from each other in the direction of movement of the samples, a time-series-detected light detecting means of light components originating from the samples and passing through the first and second locations using the same light detector, and an optical selector arranged in an optical path between the irradiation sites and the light detecting means, when a sample is the first Place happens selectively directing a light component having a first optical property coming from the sample to the light detector and, when the sample passes by the second location, selectively selecting a light component having a second optical property originating from the sample to To direct light detector. Alternatively, there is provided an irradiation device for time-series directing a first and a second beam onto individual samples, a light detecting device for time-serially detecting light components coming from the samples due to the first and second beams using the same light detector, a first optical one Means for, when the first radiation beam is radiated, selectively guiding a light component having a first optical property coming from the sample onto the light detector, and a second optical device for selectively irradiating a light component when the second radiation beam is emitted with a second optical property coming from the sample to be directed to the light detector.

Die US 4,929,079 A zeigt eine Vorrichtung zum Detektieren der Streustrahlung von Partikeln zur Bestimmung deren Größenverteilung, wobei die Messergebnisse digitalisiert werden und zur statistischen Auswertung eine gespeicherte theoretische Strahlungskoeffizientenmatrix herangezogen wird.The US 4,929,079 A shows a device for detecting the scattered radiation of particles to determine the size distribution, wherein the measurement results are digitized and used for statistical evaluation, a stored theoretical radiation coefficient matrix.

Die Literaturstelle Almuth Hilger et al., Recent Investigations of Size and Interface Effects in Nanoparticle Composites befasst sich neben einer allgemeinen Einführung mit der Untersuchung von Grenzflächeneigenschaften von Nano-Silberteilchen unter Berücksichtigung von Mie-Resonanzen als empfindlichen optischen Sensoren für elektronische Eigenschaften.In addition to a general introduction, the reference Almuth Hilger et al., Recent Investigations of Size and Interface Effects in Nanoparticle Composites, deals with the investigation of interfacial properties of nano-silver particles, taking into account Mie resonances as sensitive optical sensors for electronic properties.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung der Partikelanzahlkonzentration arbeitet zuverlässig und zufriedenstellend. Allerdings kann die Innenwandung des Probenrohres, durch welches das zu untersuchende partikelbelastete Gas strömt durch Ablagerung von Partikeln verschmutzen und sich eintrüben, so dass hierdurch die Messeinrichtung dekalibriert wird. Das heißt, dass durch die hierdurch bedingte Schwächung der Streustrahlung in einem Messkanal, der für einen bestimmten Teilchengrößenbereich vorgesehen ist, tatsächlich kleinere Teilchen gezählt werden.A generic device for detecting the particle number concentration operates reliably and satisfactorily. However, the inner wall of the sample tube, through which the particle-laden gas to be examined flows, can become soiled and cloudy due to the deposition of particles, as a result of which the measuring device is decalibrated. This means that, due to the consequent weakening of the stray radiation in a measuring channel, which is intended for a certain particle size range, actually smaller particles are counted.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine derartige Dekalibrierung erfasst werden kann und in geeigneter Weise eine Rekalibrierung vorgenommen werden kann.The invention is therefore based on the object to develop a method and an apparatus of the type mentioned in such a way that such a decalibration can be detected and in a suitable manner a recalibration can be made.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, das die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Eine gattungsgemäße Vorrichtung sieht zur Lösung der genannten Aufgabe erfindungsgemäß das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 9 vor.According to the invention, the object is achieved by a method of the type mentioned above, having the characterizing features of claim 1. A generic device provides for solving the above object according to the invention the characterizing feature of claim 9.

Die Erfindung nutzt damit aus, dass bei Teilchen, deren Größe etwa der Lichtwellenlänge entspricht (genauer π d ~ λ, wobei d Teilchendurchmesser, λ Lichtwellenlänge) die gemessene Partikelanzahlkonzentrations-Verteilung nicht den erwarteten monotonen Abfall zeigt, sondern eine Unregelmäßigkeit in Form einer Abflachung oder einer Spitze in der Flanke der abfallenden Partikelanzahlkonzentrations-Verteilung aufgrund des Mie-Effektes. Erfindungsgemäß wird überprüft, ob diese Unregelmäßigkeit, insbesondere eine solche, hier als Mie-Peak bezeichneter Spitze in der Flanke sich bei digitaler Erfassung der Partikelanzahlkonzentrationen im für den entsprechenden Teilchendurchmesser vorgesehenen Normkanal befindet oder aber in einen Kanal wandert, der an sich Teilchen erfassen soll, deren Größe kleiner als die Größe (Durchmesser) und kleiner als der Bereich der Lichtwellenlänge des eingestrahlten Lichts ist. Wenn letzteres der Fall ist, so ist dies ein Indikator für eine Dekalibrierung des Systems aufgrund der oben genannten Verschmutzung der Innenwandung des Probenrohrs, woraufhin zur Rekalibrierung geeignete Maßnahmen ergriffen werden können, sei es manuell, sei es automatisch, wie in einem gewissen Bereich die Erhöhung des Verstärkungsfaktors des Analogverstärkers des Systems oder aber die Erhöhung der eingestrahlten Lichtstärke bzw. bei fortschreitender Verschmutzung und damit Dekalibrierung eine Reinigung des Probenrohres, um den Ausgangszustand wieder herzustellen.The invention makes use of the fact that for particles whose size corresponds approximately to the wavelength of light (more precisely π d ~ λ, where d particle diameter, λ wavelength of light), the measured particle number concentration distribution does not show the expected monotonous waste, but an irregularity in the form of a flattening or a peak in the slope of the decreasing particle number concentration distribution due to the Mie effect. According to the invention, it is checked whether this irregularity, in particular such a peak in the flank designated here as the Mie peak, is located in the normal channel provided for the corresponding particle diameter in digital detection of the particle number concentrations or migrates into a channel which is intended to detect particles per se, the size of which is smaller than the size (diameter) and smaller than the range of the light wavelength of the irradiated light. If the latter is the case, this is an indicator of a decalibration of the system due to the above-mentioned contamination of the inner wall of the sample tube, whereupon suitable measures can be taken for recalibration, be it manually, be it automatically, as in a certain range, the increase the amplification factor of the analog amplifier of the system or the increase in the irradiated light intensity or with progressive contamination and thus decalibration a cleaning of the sample tube to restore the initial state.

In bevorzugter Weise wird nicht mit weißem, sondern farbigem, insbesondere auch monochromem oder schmalbandigem Licht gearbeitet, da der Mie-Peak nur dann deutlich sichtbar ist. Dabei hat sich als äußerst bevorzugte Lichtfarbe blaues Licht und/oder ein Wellenlängenband von ±100 nm, vorzugsweise ±50 nm, um eine mittlere Wellenlänge des farbigen Lichts, wie beispielsweise 450 nm, herausgestellt. Vorzugsweise wird eine entsprechende blaue lichtemittierende Diode eingesetzt.Preferably, it is not worked with white, but colored, especially monochromatic or narrow-band light, since the Mie peak is only then clearly visible. Blue light and / or a wavelength band of ± 100 nm, preferably ± 50 nm, has proven to be an extremely preferred light color, around an average wavelength of the colored light, such as for example 450 nm. Preferably, a corresponding blue light-emitting diode is used.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass, wenn sich bei einem Vergleich der Partikelanzahlkonzentration in den entsprechenden Kanälen ergibt, nämlich dass im für Partikel mit einer Größe im Bereich der Lichtwellenlänge vorgesehenen Normkanal die Partikelanzahlkonzentration geringer ist als in dem unmittelbar benachbarten für kleinere Partikeldurchmesser vorgesehenen Kanal und/oder die Partikelanzahlkonzentration in diesem Kanal größer ist als die in diesem benachbarten noch kleinere Teilchen vorgesehenen Kanal ein entsprechendes akustisches oder optisches Warnsignal ausgegeben wird.In a further preferred embodiment, it can be provided that, when a comparison of the particle number concentration in the corresponding channels results, namely that the particle number concentration is lower in the normal channel provided for particles having a size in the range of the light wavelength than in the immediately adjacent smaller particle diameter Channel and / or the particle number concentration in this channel is greater than the channel provided in this adjacent even smaller particles a corresponding audible or visual warning signal is issued.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:Further advantages and features of the invention will become apparent from the claims and from the following description in which an embodiment of the invention with reference to the drawings is explained in detail. Showing:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 a schematic representation of a device according to the invention;

2 eine qualitative Darstellung der Streuintensität über die Teilchengröße; und 2 a qualitative representation of the scattering intensity over the particle size; and

3 eine qualitative Darstellung einer Feinstaubmessung mit Teilchenanzahl über die die Teilchengröße repräsentierenden Kanäle einer digitalen Erfassungseinrichtung. 3 a qualitative representation of a particulate matter measurement with number of particles on the particle size representing channels of a digital detection device.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist im Wesentlichen die folgenden Elemente auf: Ein mit einem Probenahmekopf (nicht dargestellt) verbundenes Probenahmerohr 1 wird von einer Lichtquelle 2 vorzugsweise in Form einer monochromen lichtemmitierenden Diode – LED – über eine Optik 3 (Sammellinse) durchstrahlt. Das an den Teilchen 5 im Proberohr 1 gestreute Streulicht 6 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel unter einem Winkel von etwa 85° bis 95° zur Richtung des Lichtstrahls 4 über eine Optik 7 (Sammellinse) durch einen Detektor 8 erfasst. Dem Detektor 8 ist ein Analogverstärker 9 nachgeordnet, dem wiederum ein Analog-Digital-Wandler 10 nachgeordnet ist. Diesem schließt sich eine Auswerteelektronik 11 und dieser wiederum eine Anzeige- und Bedieneinheit 12 an.The device according to the invention 1 essentially comprises the following elements: A sampling tube connected to a sampling head (not shown) 1 is from a light source 2 preferably in the form of a monochrome light emitting diode - LED - via an optic 3 (Condenser lens) radiates. That on the particles 5 in the test tube 1 scattered scattered light 6 is in the illustrated embodiment at an angle of about 85 ° to 95 ° to the direction of the light beam 4 about a look 7 (Condenser lens) by a detector 8th detected. The detector 8th is an analog amplifier 9 downstream, in turn, an analog-to-digital converter 10 is subordinate. This is followed by an evaluation 11 and this in turn a display and control unit 12 at.

Weiterhin ist zwischen der Auswertelektronik 11 und dem Analogverstärker 9 ein Rückweg 13 vorgesehen, um aufgrund der in der Auswerteelektronik 11 erfolgten Auswertung eine Veränderung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 9 zu bewirken.Furthermore, between the electronic evaluation 11 and the analog amplifier 9 a way back 13 provided due to in the transmitter 11 evaluation carried out a change in the gain of the amplifier 9 to effect.

In der 2 ist qualitativ die Streuintensität der Lichtstreuung an Teilchen über die Teilchengröße aufgetragen. Die Bestrahlung erfolgt dabei mit schmalbandigem Licht einer blauen lichtemittierenden Diode (LED) mit einem Mittelwert der Wellenlänge bei 450 nm (entsprechend 0,45 μm) mit einer Varianz von etwa 50 nm. Grundsätzlich können auch andere diesen Anforderungen genügende Lichtquellen, wie andersfarbige LEDs, auch mit breiterem Spektrum, oder auch Laser eingesetzt werden.In the 2 The scattering intensity of the light scattering on particles is qualitatively plotted over the particle size. The irradiation is carried out with narrow-band light of a blue light-emitting diode (LED) with an average wavelength at 450 nm (corresponding to 0.45 microns) with a variance of about 50 nm. In principle, other light sources satisfying these requirements, such as LEDs of different colors, also be used with a broader spectrum, or laser.

Die Messung der Streuung erfolgt jeweils an Teilchen verschiedenen Teilchengrößen hin, wobei die Intensität des an einem Teilchen gestreuten Lichts erfasst wird. Das Streulicht wird im dargestellten Ausführungsbeispiel unter dem schon genannten Winkel von etwa 90° der Einstrahlrichtung bzw. im Bereich von 85° bis 95° zur Einstrahlrichtung gemessen.The measurement of the scattering takes place in each case on particles of different particle sizes, wherein the intensity of the light scattered by a particle is detected. The scattered light is measured in the illustrated embodiment at the aforementioned angle of about 90 ° of the direction of incidence or in the range of 85 ° to 95 ° to the direction of irradiation.

Dabei ergibt sich die in der 2 dargestellte obere Intensitätskurve N. Diese weist einen steilen Abstieg bei Teilchengrößen unterhalb der Lichtwellenlänge von 0,45 μm mit der Teilchengröße auf (der Anstieg erfolgt mit der sechsten Potenz). Bei Teilchengrößen im Bereich der Lichtwellenlänge ergibt sich aufgrund des Mie-Effekts eine verstärkte Streustrahlung in Vorwärtsrichtung, so dass unter dem genannten rechten Winkel aufgenommene Intensität der Streustrahlung sich abflacht und nicht bzw. kaum mehr ansteigt. Erst bei Teilchengrößen, die groß gegenüber der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts sind, erfolgt wieder ein Anstieg der Intensität des gestreuten Lichtes in der Aufnahmerichtung (und zwar quadratisch mit der Teilchengröße).This results in the 2 This has a steep descent at particle sizes below the wavelength of light of 0.45 microns with the particle size (the increase takes place with the sixth power). With particle sizes in the range of the light wavelength, an increased scattered radiation in the forward direction results due to the Mie effect, so that the intensity of the scattered radiation recorded at said right angle flattens out and does not increase or scarcely increases any more. Only with particle sizes which are large in relation to the wavelength of the incident light does the intensity of the scattered light in the recording direction increase again (namely quadratically with the particle size).

Wenn nun beispielsweise aufgrund von Ablagerungen von Teilchen an der Innenseite des Probenrohres die austretende Streustrahlung geschwächt wird (und auch gegebenenfalls die eingestrahlte Strahlung), so sinkt die Intensität der empfangenen Streustrahlung ab und es ergibt sich eine Kurve V, die im Wesentlichen äquidistant (in Ordinatenrichtung) unterhalb einer Normintensitätskurve N verläuft.If, for example, due to deposits of particles on the inside of the sample tube, the emerging scattered radiation is weakened (and possibly also the irradiated radiation), the intensity of the received scattered radiation decreases and a curve V results which is essentially equidistant (in the ordinate direction ) runs below a norm intensity curve N.

Bei der durch den Analog-Digital-Wandler 10 vorgesehenen Digitalisierung der Intensitätswerte werden diese in einem gewissen Bereich einer vorgegebenen Vielzahl von Kanälen zugeordnet, beispielsweise 256 Kanälen (entsprechend 2⁸ bzw. einem 8 Bit oder 1 Bit langen ”Wort”); es kann auch eine geringere Anzahl von Kanälen vorgesehen werden. Im Bereich der ”Mie-Abflachung” ist die Auflösung der Erfassung oder Detektion der Teilchen gering, d. h. Teilchen in einem größeren Bereich werden einem Kanal zugeordnet, als dies unterhalb und oberhalb der Abflachung der Fall ist, so dass alleine aus diesem Grund in dem entsprechenden Normkanal ein größerer Anteil an Teilchen erfasst wird, als es der Größenverteilung entspricht.In the case of the analog-to-digital converter 10 provided digitization of the intensity values, these are assigned in a certain range of a predetermined plurality of channels, for example 256 channels (corresponding to 2 ⁸ or an 8-bit or 1-bit "word"); It can also be provided a smaller number of channels. In the area of "Mie flattening" the resolution of the detection or detection of the particles is low, ie particles in a larger area are assigned to a channel than is the case below and above the flattening, so for this reason alone in the corresponding Norm channel a larger proportion of particles is detected than it corresponds to the size distribution.

Die 3 zeigt ein Messdiagramm eines digitalen Feinstaubmesssystems, bei dem Teilchen verschiedener Größe in einer üblichen Verteilung mit einer größeren Anzahl von kleinen Teilchen und einer geringeren Anzahl von größeren Teilchen vorliegen, wobei aufgrund der Einzelstreuwerte diese entsprechend 2 in einen entsprechenden Kanal einklassifiziert wurde und die auf der Ordinate angegebene Anzahl oder Häufigkeit sich durch die Aufsummierung der einzelnen Messergebnisse für den jeweiligen Kanal über eine gewisse Zeit hin ergibt.The 3 shows a measurement diagram of a digital particulate matter measurement system in which particles of different sizes in a conventional distribution with a larger number of small particles and a smaller number of larger particles are present, and due to the individual scattering values corresponding to this 2 has been classified into a corresponding channel and the number or frequency indicated on the ordinate results from summing up the individual measurement results for the respective channel over a certain period of time.

Dabei zeigt sich, dass die in 3 dargestellte Häufigkeitskurve im Bereich des Kanals, in dem die Teilchen mit einer Größe im Bereich der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts eingestrahlt werden, nicht den an sich zu erwartenden monoton fallenden Verlauf (in der 3 mit N gestrichelt dargestellt) aufweist, sondern dort vielmehr eine leichte Spitze oder einen leichten Peak P aufweist, der alleine durch den unter Bezug auf die Abflachung A der 2 dargestellten physikalischen Effekt des Streuverhaltens von Teilchen mit einer Größe im Bereich der Lichtwellenlänge bedingt ist.It turns out that the in 3 shown frequency curve in the region of the channel in which the particles are irradiated with a size in the range of the wavelength of the incident light, not the expected monotone decreasing course (in the 3 with N shown in dashed lines), but there rather has a slight peak or a slight peak P, which alone by the reference to the flattening of the A 2 represented physical effect of the scattering behavior of particles having a size in the range of the light wavelength is caused.

Lagern sich nun Staubpartikel an der Innenseite des Proberohres ab, so wird, wie unter Bezug auf 2 dargelegt, die Streuintensität der Einzelstreuung von der dortigen Kurve N auf V reduziert, was dazu führt, dass der im Bereich der Abflachung A der Kurve der 2 bedingte Peak P der 3 zu einem für die Erfassung von Teilchen kleinerer Größe vorgesehenen Kanal wandert. Dies zeigt eine Dekalibrierung des Messsystems.If dust particles are now deposited on the inside of the test tube, then, as with reference to FIG 2 reduces the scattering intensity of the individual scattering from the local curve N to V, which leads to the fact that in the region of the flattening A of the curve of the 2 conditional peak P of 3 migrates to a channel intended for the detection of particles of smaller size. This shows a decalibration of the measuring system.

Die Abflachung A der Kalibrierkurve tritt in etwas abgeschwächter Form auch noch bei größeren Partikeldurchmessern auf und kann auch genutzt werden. Im Bereich der Wellenlänge des Lichtes ist dieser Effekt jedoch am stärksten ausgeprägt.The flattening A of the calibration curve occurs in a somewhat attenuated form even with larger particle diameters and can also be used. In the range of the wavelength of light, however, this effect is most pronounced.

Diese wird erfindungsgemäß durch die Auswerteelektronik 11 erfasst, indem die erfasste Teilchenanzahl in dem genannten ”Mie-Peak” zugeordneten Normkanal K mit den Anzahlen in benachbarten Kanälen, insbesondere den unmittelbar benachbarten Kanälen für geringere Teilchengrößen untereinander verglichen werden. Wird beispielsweise festgestellt, dass die Teilchenanzahl im Kanal N_k nicht mehr größer ist als die im Kanal N_k-1, dafür aber die im Kanal N_k-1 größer als die im Kanal N_k-2, so können einerseits die entsprechenden Werte an der Anzeige- und Bedieneinheit 12 angezeigt werden und dem Operator die Informationen für ein manuelles Handeln geben. Auch können beim automatischen Vergleich bei den genannten Abweichungen von den Normwerten akustische oder optische Warnsignale ausgegeben werden; darüber hinaus kann eine Rückwirkung auf den Verstärker oder auf die Beleuchtungsintensität der Lichtquelle auf den Verstärker 9 oder auch die Beleuchtungsintensität der Lichtquelle 2 erfolgen, um eine Rekalibrierung wieder herzustellen, d. h. es erfolgt eine Verstärkung so lange, bis der Mie-Peak P wieder im Normkanal N_k liegt. Eine automatische elektronische Rekalibrierung in dieser Weise kann nur in einem gewissen engen Bereich erfolgen. Dies kann auch durch einen Operateur manuell geschehen. Wenn die Abweichungen zu groß werden, so ist eine Reinigung des Probenrohres veranlasst.This is inventively by the transmitter 11 detected by comparing the detected number of particles in the said "Mie-peak" associated normal channel K with the numbers in adjacent channels, in particular the immediately adjacent channels for smaller particle sizes with each other. If it is found, for example, that the number of particles in the channel N _{k is} no longer greater than that in the channel N _k-1 , but that in the channel N _k-1 greater than that in the channel N _k-2 , then on the one hand the corresponding values the display and control unit 12 and give the operator the information for a manual action. Also, in the case of automatic comparison, acoustic or optical warning signals can be output during the abovementioned deviations from the standard values; In addition, there may be a reaction to the amplifier or to the illumination intensity of the light source on the amplifier 9 or the illumination intensity of the light source 2 take place in order to restore a recalibration, ie there is a gain until the Mie peak P is again in the normal channel N _k . An automatic electronic recalibration in this way can only be done within a certain narrow range. This can also be done manually by an operator. If the deviations become too large, a cleaning of the sample tube is initiated.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Probenahmerohrsampling tube
22: Lichtquellelight source
33: Sammeloptik (Linse)Collecting optics (lens)
44: Lichtstrahlbeam of light
55: Teilchenparticle
66: Streulichtscattered light
77: Optikoptics
88th: Detektordetector
99: Analogverstärkeranalog amplifier
1010: Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
1111: Auswerteelektronikevaluation
1212: Anzeige- und BedieneinheitDisplay and control unit
1313: Rückwegway back
AA: Abflachungflattening
KK: Normkanalstandard channel
NN: Intensitätskurveintensity curve
N_k, N_k-1, N_k-2 _Nk , _Nk-1 , _Nk-2: Kanalchannel
PP: Mie-PeakMie Peak
VV: KurveCurve

Claims

Method for detecting the concentration of small particles in gas, wherein the particles are irradiated with light, light scattered by the particles is detected, the electrical signal obtained is amplified, digitized and detected according to the particle size representative intensity in a plurality of digital channels, characterized in that the occurrence of a Mie peak is monitored in the measured size-dependent frequency distribution and a message is output in the event of a deviation of the Mie peak in a digital standard channel other than that due to the measurement settings.

A method according to claim 1, characterized in that the particles are irradiated with narrow-band colored light, in particular a blue light-emitting diode.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the particles are irradiated with light having a bandwidth of ± 100 nm, preferably ± 50 nm, around a central wavelength of the light, wherein the central wavelength is in particular in the blue range.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that, when the Mie peak deviates from the standard channel, a process causing the recalibration of a measuring device takes place.

A method according to claim 4, characterized in that the amplification factor of the analog amplifier is increased in a defined manner, so that the Mie peak appears again in the normal channel.

A method according to claim 4 or 5, characterized in that the light intensity of the light-emitting diode is increased in a defined manner, so that the Mie peak appears again in the normal channel.

Method according to one of claims 4 to 5, characterized in that a cleaning of a measuring tube takes place.

Method according to one of claims 4 to 7, characterized in that the recalibration is carried out automatically.

Apparatus for detecting the concentration of small particles in gas by the method according to one of the preceding claims, comprising Test tube ( 1 ), an irradiating light source ( 2 ), a detector ( 8th ) for the detection of scattered light scattered by the particles, an analogue amplifier ( 9 ), an analog-to-digital converter ( 10 ), an evaluation ( 11 ) and a display and control unit ( 12 ), characterized in that the evaluation electronics ( 11 ) is designed for detecting a Mie peak in the measured particle number distribution and assignment to a digital detection channel.

Device according to claim 9, characterized in that the light source ( 2 ) emits colored light, in particular a blue LED.

Apparatus according to claim 9 or 10, characterized by an optical or acoustic signaling device for indicating the occurrence of the Mie peak in other than a predetermined normal channel.

Device according to one of Claims 9 to 11, characterized by a feedback path ( 13 ) for recalibration by increasing the amplification factor of the analogue amplifier ( 9 ) and / or the luminous intensity of the light transmitter ( 2 ) so far that the Mie peak again occurs in the given normal channel.