DE102012215828B4

DE102012215828B4 - Durchflussverhältnisfestlegeverfahren, Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung und Verfahren zur Messung einer Partikelgrößenverteilung

Info

Publication number: DE102012215828B4
Application number: DE102012215828.6A
Authority: DE
Inventors: Chiryo TSUNODA
Original assignee: Rion Co Ltd
Current assignee: Rion Co Ltd
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2020-12-03
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: DE102012215828A1; JP5973296B2; US20130085706A1; US20130060509A1; US9212983B2; JP5975519B2; JP2013057664A; JP2013057665A; DE102012215830A1; US9534998B2

Abstract

Durchflussverhältnisfestlegeverfahren, welches, wenn ein aufgeladene Aerosolpartikel enthaltendes Probenfluid und ein aus reiner Luft bestehendes Reinfluid in einem differentiellen Mobilitätsanalysator (DMA) (300) fließen gelassen werden, welcher die aufgeladenen Aerosolpartikel aufgrund ihrer elektrischen Mobilität in einem bestimmten elektrischen Feld ausklassiert, einen Aufladungszahlmaximumfestlegeschritt, welcher ein Aufladungszahlmaximum der unter den Aerosolpartikeln als Messziel zu nehmenden Aerosolpartikel als eine natürliche Zahl x von mindestens 2 festlegt, durchführt, und ein Durchflussverhältnis gleich einem Durchfluss des Probenfluids dividiert durch einen Durchfluss des Reinfluids berechnet, gekennzeichnet durch:einen Referenzmobilitätsdefinitionsschritt zum Definieren einer elektrischen Mobilität, welche die Beweglichkeit von Aerosolpartikeln mit einwertiger Aufladungszahl unter den das Messziel darstellenden Aerosolpartikeln in dem elektrischen Feld als Zc(U) definiert, ausgedrückt mit einem elektrischen Spannungswert U, welcher zur Bildung des elektrischen Felds angelegt wird;einen Mobilitätsgruppenableitungsschritt zum Ableiten einer ersten Mobilitätsgruppe und einer zweiten Mobilitätsgruppe auf Grundlage des im Aufladungszahlmaximumfestlegeschritt festgelegten x, wobei die erste Mobilitätsgruppe die elektrische Mobilität Zc(U) und elektrische Mobilitäten umfasst, welche mit einem durch jeweiliges Multiplizieren des Spannungswerts U mit den Werten von 2 bis x erhaltenen Spannungswert ausgedrückt werden, und die zweite Mobilitätsgruppe elektrische Mobilitäten umfasst, welche mit einem durch jeweiliges Multiplizieren des Spannungswerts U mit den einfachen Brüchen teilerfremder Zahlen unter den die Regelmäßigkeit x/(x-1), x/(x-2), ..., x/2, (x-1)/(x-2), (x-1)/(x-3), ..., (x-1)/2, (x-2)/(x-3), (x-2)/(x-4), ..., (x-2)/2, ..., 3/2 aufweisenden Werten erhaltenen Spannungswert ausgedrückt werden;einen Umwandlungsschritt zum Ausdrücken aller elektrischen Mobilitäten, welche in der im Mobilitätsgruppenableitungsschritt abgeleiteten ersten Mobilitätsgruppe und zweiten Mobilitätsgruppe enthalten sind, jeweils mittels der im Referenzmobilitätsdefinitionsschritt definierten Zc(U);einen Bereichsdefinitionsschritt zum Definieren jeweiliger Bereiche für alle elektrischen Mobilitäten, welche in der im Mobilitätsgruppenableitungsschritt abgeleiteten ersten Mobilitätsgruppe und zweiten Mobilitätsgruppe enthalten sind, nach dem Umwandlungsschritt, wobei ein Bereich für eine gegebene elektrische Mobilität definiert ist als ein Bereich, in welchem die elektrische Mobilität durch Regulieren des Durchflussverhältnisses variierbar ist; undein Abschlussberechnungsschritt zum Berechnen des Durchflussverhältnisses, bei welchem die im Bereichsdefinitionsschritt definierten Bereiche für die in der ersten Mobilitätsgruppe enthaltenen elektrischen Mobilitäten nicht miteinander interferieren, und bei welchem die Bereiche für die in der ersten Mobilitätsgruppe enthaltenen elektrischen Mobilitäten nicht mit den Bereichen für die in der zweiten Mobilitätsgruppe enthaltenen elektrischen Mobilitäten interferieren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Durchflussverhältnisfestlegeverfahren, welches, wenn ein Aerosolpartikel enthaltendes Probenfluid und ein aus reiner Luft bestehendes Reinfluid fließen gelassen werden, ein Durchflussverhältnis gleich einem Durchfluss des Probenfluids dividiert durch einen Durchfluss des Reinfluids berechnet, sowie auf eine Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung und ein Verfahren zur Messung einer Partikelgrößenverteilung, die ein mit dem Festlegeverfahren festgelegtes Durchflussverhältnis verwenden.
Technischer Hintergrund
In der Atmosphäre befinden sich „Aerosolpartikel“, winzige Flüssig- oder Feststoffpartikel, in Schwebe. ISO 15900:2009 behandelt als diese Aerosolpartikel solche, die einen Partikeldurchmesser zwischen 1 nm und 1 µm aufweisen. Zum Zählen von Aerosolpartikeln mit Partikeldurchmessern zwischen einigen nm und 1 µm werden Aerosolpartikelmessvorrichtungen verwendet. Eine Aerosolpartikelmessvorrichtung umfasst z.B. einen differentiellen Mobilitätsanalysator: Differential Mobility Analyzer (DMA) und einen Kondensationspartikelzähler: Condensation Particle Counter (CPC), oder einen DMA und ein Faraday-Becher-Aerosolelektrometer: Faraday Cup Aerosol Electrometer (FCAE). Der CPC oder das FCAE messen vom DMA ausklassierte Aerosolpartikel, was ermöglicht das Messergebnis zu verwenden, um die Aerosolpartikel bezogen auf ihren jeweiligen Partikeldurchmesser zu zählen.
Verwendet man einen DMA zur Klassierung, sind mit einwertig aufgeladen Aerosolpartikeln verhältnismäßig kleinen Partikeldurchmessers zusätzlich mehrwertig (zweiwertig, dreiwertig, ...) aufgeladene Aerosolpartikel verhältnismäßig großen Partikeldurchmessers enthalten. Daher wird bei Messungen angenommen, dass die vom DMA ausklassierten Aerosolpartikel einwertig aufgeladen sind, zugleich bezüglich des Zusammenhangs von Partikeldurchmesser und Menge angenommen, dass hier eine Lognormalverteilung gilt, und die Partikelgrößenverteilung berechnet, indem man das Zählergebnis für mehrwertig aufgeladene Aerosolpartikel korrigiert. Bei der Korrektur wird für die Existenzwahrscheinlichkeit der Aufladungszahlen z.B. eine Näherungsformel nach Wiedensohler angewandt.
Darüber hinaus offenbart z.B. die JP 4 710 787 B2 eine Methode, eine Breite der elektrischen Mobilität in eine Breite des Partikeldurchmessers umzuwandeln, und die Partikelanzahl innerhalb dieses Partikeldurchmesserintervalls auf Grundlage von Korrekturkoeffizienten für die durchschnittliche Aufladungsrate, durchschnittliche Wertigkeit usw. während der Messung zu berechnen.
Allgemein gilt bei Verwendung eines DMA, da für einen gegebenen Partikeldurchmesser mehrwertig aufgeladene Partikel existieren, dass bei Ausklassierung anhand der elektrischen Mobilität mehrwertig aufgeladene Partikel mit abweichendem Partikeldurchmesser vorkommen. Außerdem ist von der Streuung bei Klassierung entsprechend der elektrischen Mobilität bekannt, dass es einen Einfluss der Durchflüsse von Aerosolpartikeln und Schleiergas im DMA gibt. In Ausnutzung dessen setzt man bisher das Durchflussverhältnis des die Aerosolpartikel enthaltenden Probengases und des aus Reinluft bestehenden Schleiergases ohne Rücksicht auf die Aufladungszahl empirisch fest, um auf dieser Grundlage den DMA zu betreiben. US 5 922 976 A , US 2006 / 0 266 132 A1 , US 2008 / 0 047 373 A1 , JP 2008 - 102 038 A und US 2012 / 0 001 067 A1 beschreiben weitere Verfahren und Apparaturen zur Messung von Aerosolpartikelgrößen und deren Verteilung.
Offenbarung der Erfindung
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Technologie bereitzustellen, die es ermöglicht, eine auf den Partikeldurchmesser bezogene Partikelgrößenverteilung mit guter Genauigkeit zu erhalten, indem man ein der Aufladungszahl angepasstes Durchflussverhältnis einstellt.
Unter einem Gesichtspunkt schafft die Erfindung ein Durchflussverhältnisfestlegeverfahren gemäß Patentanspruch 1.
Das erfinderische Durchflussverhältnisfestlegeverfahren ermöglicht, durch Festlegen des Aufladungszahlmaximums für die das Messziel angenommenen Aerosolpartikel ein für die Klassierung im DMA optimales Durchflussverhältnis zwischen dem Probenfluid und dem Reinfluid festzulegen.
Unter einem weiteren Gesichtspunkt schafft die Erfindung ferner ein Verfahren zur Messung einer Partikelgrößenverteilung bezüglich eines Partikeldurchmessers unter Verwendung einer Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung gemäß Patentanspruch 2.
Indem im DMA zunächst im elektrischen Feld bei geeigneter Einstellung des Durchflussverhältnisses und Anlegen des Referenzspannungswerts Aerosolpartikel ausklassiert und als M1 gemessen werden, und als Nächstes im elektrischen Feld bei Anlegen des x-fachen des Referenzspannungswerts Aerosolpartikel ausklassiert und gemessen werden, ermöglicht die erfindungsgemäße Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung, die mit dem Referenzspannungswert ausklassierten mehrwertig (z.B. zweiwertig, dreiwertig, vierwertig, ..., x-wertig) aufgeladenen Aerosolpartikel als Mx zu messen. Wenn dann die Bedingung erfüllt ist, dass Mx relativ zu M1 den definierten Wert unterschreitet, wird in Reaktion auf Mx eine Partikelgrößenverteilung für die Partikeldurchmesser der mehrwertig aufgeladenen Aerosolpartikel berechnet. Sodann wird eine Kette von Partikelgrößenverteilungen auch für andere Partikeldurchmesser berechnet. Demgemäß wird dadurch, dass bei den Messungen mit dem DMA nicht nur einwertig, sondern auch mehrwertig aufgeladene Aerosolpartikel gemessen werden, ermöglicht eine auf den Partikeldurchmesser bezogene Partikelgrößenverteilung mit guter Genauigkeit zu erhalten.
Figurenliste

1 ist eine erläuternde Darstellung des Aufbaus einer Aerosolpartikelmessvorrichtung.
2 ist ein erläuterndes Diagramm einer Dichteverteilung der Aerosolpartikel in der Atmosphäre (Junge-Verteilung).
3 ist eine erläuternde Darstellung eines Neutralisators.
4 ist ein erläuterndes Diagramm einer Ladungswahrscheinlichkeitsverteilung.
5 ist eine erläuternde Darstellung eines DMA.
6 ist ein erläuterndes Diagramm der Partikeldurchmesser und Wertigkeiten von entsprechend ihrer elektrischen Mobilität klassierten Aerosolpartikeln.
7 ist eine erläuternde Darstellung eines FCAE.
8 ist eine erläuternde Darstellung eines CPC.
9 ist das erläuternde Diagramm der Ladungswahrscheinlichkeitsverteilung mit gemäß Partikeldurchmesser und Ladungszahl (Wertigkeit) eingetragenen Messergebnissen M1 bis M4.
10 ist ein Flussdiagramm, das ein Ablaufbeispiel eines Messprozesses für Aerosolpartikel in der Atmosphäre zeigt.
11 ist ein Flussdiagramm, das ein Ablaufbeispiel eines Grundeinstellprozesses betreffend den DMA zeigt.
12 ist ein Flussdiagramm, das ein Ablaufbeispiel eines Einstelländerungsprozesses betreffend den DMA zeigt.
13 ist ein erläuterndes Diagramm einer Transferfunktion Ω(Z), welche die Wahrscheinlichkeit einer Klassierung aufgrund der elektrischen Mobilität Z ausdrückt.
14 ist ein erläuterndes Diagramm der elektrischen Mobilität mit Partikeldurchmesser und Wertigkeit der zu klassierenden Aerosolpartikel.
15 ist ein erläuterndes Diagramm einer Transferfunktion Ω auf Grundlage der elektrischen Mobilität für den Fall, dass ein Aufladungszahlmaximum 3 beträgt.
16 ist ein erläuterndes Diagramm der Transferfunktion Ω auf Grundlage der elektrischen Mobilität für den Fall, dass das Aufladungszahlmaximum 4 beträgt.
17 ist ein erläuterndes Diagramm eines Zusammenhangs zwischen einem Durchflussverhältnis und der Aufladungswertigkeit klassierter Aerosolpartikel.
18 ist ein Flussdiagramm, das ein Ablaufbeispiel eines Festlegungsprozesses für das Durchflussverhältnis zeigt.

Ausführliche Beschreibung
Eine Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 umfasst, wie in 1 gezeigt, eine Aerosolpartikelsammelvorrichtung (oder Aerosolpartikelerzeugungsvorrichtung) 100, einen Neutralisator 200, einen differentiellen Mobilitätsanalysator (im Folgenden als DMA bezeichnet) 300, eine Aerosolpartikelmessvorrichtung 400, eine Messergebnisanalysevorrichtung 600 und eine Zählergebnisausgabevorrichtung 700.
Die Aerosolpartikelsammelvorrichtung 100 sammelt in der Atmosphäre schwebende Aerosolpartikel wie z.B. Staubteilchen oder Tröpfchen (Flüssigpartikel). Konkret enthält die Aerosolpartikelsammelvorrichtung 100 einen Staubsammler zum Sammeln (Auffangen) von Aerosolpartikeln mit einem Durchmesser im Bereich ca. von 1 nm bis 1 µm.
Die einer anderen Ausführungsform als die Aerosolpartikelsammelvorrichtung angehörige Aerosolpartikelerzeugungsvorrichtung 100 enthält z.B. einen Rußerzeuger zur Erzeugung von Ruß (Kohlenstoffsubstanzen) mittels eines Verbrennungsvorgangs oder einen Aerosolpartikelerzeuger, der Tröpfchen aus einem Lösungsmittel erzeugt.
Einzelheiten zur Partikeldichteverteilung (Konzentrationsverteilung pro Einheitsvolumen) bei in der Atmosphäre schwebenden Staubteilchen und Flüssigkeitströpfchen (Flüssigpartikeln) werden später mit Bezug auf eine andere Figur beschrieben.
Die von der Aerosolpartikelsammelvorrichtung 100 gesammelten (oder von der Aerosolpartikelerzeugungsvorrichtung 100 erzeugten) Aerosolpartikel werden anschließend dem Neutralisator 200 zugeführt.
Der Neutralisator 200 ist eine Vorrichtung zum Laden der von der Aerosolpartikelsammelvorrichtung 100 gesammelten Aerosolpartikel derart, dass ihre durchschnittliche Ladungsmenge null wird (Aufladungsgleichgewichtszustand). Konkrete Inhalte über die vom Neutralisator 200 geladenen Aerosolpartikel werden wiederum später mit Bezug auf eine andere Figur beschrieben.
Die vom Neutralisator 200 aufgeladenen Aerosolpartikel (einschließlich nicht aufgeladener) werden anschließend dem DMA 300 zugeführt.
Der DMA 300 klassiert die vom Neutralisator 200 aufgeladenen Aerosolpartikel entsprechend ihrer elektrischen Mobilität. Durch Regulieren der Betriebsparameter (z.B. der angelegten elektrischen Spannung) lässt sich eine den auszuklassierenden Aerosolpartikeln entsprechende elektrische Mobilität einstellen. Konkrete Inhalte über die vom DMA 300 klassierten Aerosolpartikel werden wiederum später mit Bezug auf andere Figuren beschrieben.
Die vom DMA 300 klassierten Aerosolpartikel werden anschließend der Aerosolpartikelmessvorrichtung 400 zugeführt. Vom DMA 300 nicht klassierte Aerosolpartikel werden nach außerhalb der Vorrichtung 1 ausgestoßen.
Die Aerosolpartikelmessvorrichtung 400 misst die Partikelanzahl der vom DMA 300 klassierten Aerosolpartikel. Die Messvorrichtung 400 enthält mindestens eines von einem Faraday-Becher-Aerosolelektrometer (im Folgenden als FCAE bezeichnet) 401 und einem Kondensationspartikelzähler (im Folgenden als CPC bezeichnet) 501. Das FCAE 401 fängt die vom DMA 300 klassierten, im geladenen Zustand befindlichen Aerosolpartikel auf, um einen von der Ladungszahl der aufgefangenen Partikel abhängigen Stromwert zu messen. Der CPC 501 wiederum lässt Alkohol, Wasser o.ä. auf vom DMA 300 klassierte Aerosolpartikel als Kondensationskerne kondensieren und zu großen Tropfen aufwachsen, um durch optischen Nachweis der vergrößerten Tropfen die Partikelanzahl zu messen. Konkrete Inhalte zu den vom FCAE 401 oder CPC 501 gemessenen Aerosolpartikeln werden wiederum später mit Bezug auf eine andere Figur beschrieben.
Das Messergebnis gemäß der Aerosolpartikelmessvorrichtung 400 wird an die Messergebnisanalysevorrichtung 600 übermittelt.
Auf der Grundlage der vom FCAE 401 oder CPC 501 gemessenen Daten zählt die Messergebnisanalysevorrichtung 600, gesondert für unterschiedliche Partikeldurchmesser, eine Partikelanzahl der Aerosolpartikel. Das konkrete Zählverfahren wird wiederum später mit Bezug auf eine andere Figur beschrieben. Eine Information über die von der Messergebnisanalysevorrichtung 600 gezählten Aerosolpartikelanzahlen wird an die Zählergebnisausgabevorrichtung 700 übermittelt.
Die Zählergebnisausgabevorrichtung 700 zeigt die von der Messergebnisanalysevorrichtung 600 gezählten Aerosolpartikelanzahlen an, als gesonderte Partikelanzahlen für unterschiedliche Partikeldurchmesser.
<Aerosolpartikel in der Atmosphäre>
Im Folgenden werden die Aerosolpartikel beschrieben, die sich in der Atmosphäre befinden und von der Aerosolpartikelsammelvorrichtung 100 gesammelt werden. 2 ist ein Diagramm einer Dichteverteilung der Aerosolpartikel in der Atmosphäre (Junge-Verteilung (1952), Quelle: H. Israel, Atmospheric Electricity, Band 1, ab S. 153, 1970).
Wie in 2 gezeigt differiert die Partikeldichteverteilung der Aerosolpartikel in der Atmosphäre je nach Partikeldurchmesser, wobei die auf den Partikeldurchmesser bezogene Dichte konkret der Junge-Verteilung folgt. Die Junge-Verteilung gehorcht für Aerosolpartikel mit einem Durchmesser von über 100 nm einem umgekehrt kubischen Verteilungsgesetz, welches anzeigt, dass mit wachsendem Durchmesser die Aerosolpartikel zunehmend aufhören in der Atmosphäre zu schweben. Zum Beispiel stehen zehntausenden Aerosolpartikeln kleiner als 100 nm, die pro Kubikzentimeter in Schwebe sind, nur wenige pro Kubikzentimeter in Schwebe befindliche Aerosolpartikel größer als 100 nm gegenüber. Mit anderen Worten drückt die Junge-Verteilung aus, dass bezüglich der Aerosolpartikelanzahl für einen Durchmesser von 100 nm (Radius von 50 nm in 2) die Aerosolpartikelanzahl für einen Durchmesser von 200 nm (Radius von 100 nm in 2) etwa ein Zehntel beträgt, die Aerosolpartikelanzahl für einen Durchmesser von 300 nm (Radius von 150 nm in 2) ein Dreißigstel beträgt, und die Anzahl der noch größeren Aerosolpartikel aufgrund des umgekehrt kubischen Verteilungsgesetzes äußerst klein ist.
Legt man die in 2 gezeigte Junge-Verteilung zugrunde, wird mithin deutlich, dass es sich bei den Aerosolpartikeln in der Atmosphäre, die von der Aerosolpartikelsammelvorrichtung 100 gesammelt werden, fast gänzlich um Aerosolpartikel unterhalb von 100 nm handelt, während Aerosolpartikel oberhalb von 100 nm aufgrund des umgekehrt kubischen Verteilungsgesetzes von sehr geringer Zahl sind. Ferner werden Aerosolpartikel oberhalb von 200 nm, Aerosolpartikel oberhalb von 300 nm usw., da kaum solche in der Atmosphäre schweben, von der Aerosolpartikelsammelvorrichtung 100 auch kaum gesammelt. Das Gesagte trifft auch auf die von der Aerosolpartikelerzeugungsvorrichtung 100 erzeugten Aerosolpartikel zu.
<Neutralisator>
Als Nächstes soll die Aufladung der gesammelten oder erzeugten Aerosolpartikel durch den Neutralisator 200 erläutert werden.
Wie in 3 gezeigt lässt der Neutralisator 200 Aerosolpartikel durch einen in einem Behälter 210 ausgebildeten Einlass 220 einströmen. Der Behälter 210 ist z.B. aus einem rostfreien Stahlgefäß gebildet. Im Inneren des Behälters 210 sind Lochplatten 230, 250 angeordnet, die z.B. ein Paar bilden, wobei in einem Bereich zwischen den Lochplatten 230, 250 eine radioaktive Strahlenquelle 240 installiert ist. Als radioaktive Strahlenquelle 240 wird ²⁴¹Am, ⁸⁵Kr, ²¹⁰Po oder Ähnliches verwendet. Durch das Installieren der radioaktiven Strahlenquelle 240 wird im Bereich zwischen den Lochplatten 230, 250 ein Aufladungsgleichgewichtszustand aufrechterhalten, was zur Aufladung der Aerosolpartikel im Zuge ihres Passierens führt. Als Nächstes sollen die sich je nach Partikeldurchmesser unterscheidenden Ladungswahrscheinlichkeiten der Aerosolpartikel erläutert werden.
< Ladungswahrscheinlichkeitsverteilung >
4 ist ein Diagramm der Ladungswahrscheinlichkeitsverteilung (ISO 15900:2009).
4 drückt die Wahrscheinlichkeiten für eine nullwertige bis ±5-wertige Aufladung der Aerosolpartikel aus. Die Aerosolpartikel lassen sich umso schwerer aufladen, je kleiner der Partikeldurchmesser ist, und umgekehrt umso leichter aufladen, auch leichter mehrwertig aufladen, je größer der Partikeldurchmesser ist.
Beispielsweise laden sich Aerosolpartikel mit einem Durchmesser von 1 nm zu 98% nicht auf, wobei sich die verbleibenden zu jeweils 1% mit Wertigkeit -1 und +1 aufladen. Auch sonst gilt für Aerosolpartikel mit Durchmessern von bis zu 10 nm, dass sie sich zu etwa 90% und darüber nicht aufladen.
Beispielsweise werden Aerosolpartikel mit einem Durchmesser von 100 nm zu ca. 40% nicht aufgeladen, zu ca. 30% mit Wertigkeit -1 aufgeladen, zu ca. 20% mit Wertigkeit +1 aufgeladen, zu ca. 6% mit Wertigkeit -2 aufgeladen und zu ca. 3% mit Wertigkeit +2 aufgeladen. Aerosolpartikel mit einem Durchmesser von 200 nm werden zu ca. 30% nicht aufgeladen, zu ca. 30% mit Wertigkeit -1 aufgeladen, zu ca. 20% mit Wertigkeit +1 aufgeladen, zu ca. 12% mit Wertigkeit -2 aufgeladen, zu ca. 8% mit Wertigkeit +2 aufgeladen, zu ca. 3% mit Wertigkeit -3 aufgeladen, und zu ca. 2% mit Wertigkeit +3 aufgeladen. Aerosolpartikel mit einem Durchmesser von 300 nm werden zu ca. 20% nicht aufgeladen, zu ca. 20% mit Wertigkeit -1 aufgeladen, zu ca. 15% mit Wertigkeit +1 aufgeladen, zu ca. 15% mit Wertigkeit -2 aufgeladen, zu ca. 9% mit Wertigkeit +2 aufgeladen, zu ca. 7% mit Wertigkeit -3 aufgeladen, zu ca. 3% mit Wertigkeit +3 aufgeladen, und zu ca. 2% mit Wertigkeit -4 aufgeladen.
Als Nächstes soll die Klassierung der vom Neutralisator 200 aufgeladenen Aerosolpartikel durch den DMA 300 erläutert werden.
<Differentieller Mobilitätsanalysator: DMA>
Wie in 5 gezeigt weist der DMA 300 eine aus einem Innenrohr und einem Außenrohr bestehende doppelzylinderförmige Struktur auf. Die die vom Neutralisator 200 aufgeladenen Aerosolpartikel beinhaltende Luft (Probengas G1) wird gemeinsam mit reiner Luft (Schleiergas G2) strömen gelassen. An einer Stelle vor dem Zusammenführen mit den Aerosolpartikeln ist ein Filter 320 angeordnet, um Fremdkörper im Schleiergas G2 mittels des Filters 320 zu entfernen.
Das Außenrohr des DMA 300 wird als Außenelektrode 330 verwendet, und das Innenrohr des DMA 300 wird als Innenelektrode 340 verwendet. Die Außenelektrode 330 ist von der Zentralachse des DMA 300 um einen Abstand r₂ versetzt installiert, und die Innenelektrode 340 ist von der Zentralachse des DMA 300 um einen Abstand r₁ versetzt installiert. Zwischen der Außenelektrode 330 und der Innenelektrode 340 wird eine elektrische Spannung V angelegt. Infolgedessen durchströmt das die Aerosolpartikel beinhaltende, durch einen Einlass 310 eingelassene Probengas G1 gemeinsam mit dem Schleiergas G2 das elektrische Feld der angelegten Spannung V.
Auf die sich im Schleiergas bewegenden Aerosolpartikel wirken statische Elektrizitätskräfte und Widerstandskräfte ein. Da die unter dem Einfluss einer elektrostatischen Anziehungskraft sich durch das Fluid bewegenden Partikel sich in einem stationären Zustand befinden, in welchem die statische Elektrizitätskraft und eine Widerstandskraft einander ausbalancieren, erhält man bei Annahme von Z als elektrischer Mobilität eine proportionale Beziehung v = Z E zwischen der konstanten Geschwindigkeit v des Partikels und dem elektrischen Feld E.
Die elektrische Mobilität Z wird hierbei mit der folgenden Formel (1) ausgedrückt. $Z (d, p) = \frac{p \cdot e}{3 π μ_{g} d} {1 + \frac{2 l_{g}}{d} [1.165 + 0.483 exp (- \frac{0.997 d}{2 l_{g}})]}$
In dieser die elektrische Mobilität Z ausdrückenden Formel (1) stehen p für die Aufladungswertigkeit, e für die Elementarladung, µ_g für die dynamische Gasviskosität (Gaspartikelgröße), d für den Partikeldurchmesser des Aerosolpartikels, und l_g für die mittlere freie Weglänge.
Demgemäß bewegen sich die durch den Einlass 310 eingelassenen aufgeladenen Aerosolpartikel, basierend auf der elektrischen Mobilität Z, entlang von Bahnkurven wie in 5 gezeigt. Konkret treffen gemeinsam mit Aerosolpartikeln kleinen Partikeldurchmessers und einfacher Aufladungswertigkeit auch Aerosolpartikel großen Partikeldurchmessers und zweifacher/dreifacher Aufladungswertigkeit an einem Klassierauslass 350 ein (EG1). Auf diese Weise kann der DMA 300 zwar Aerosolpartikel nach bestimmten elektrischen Mobilitäten klassieren, wobei er jedoch nicht nur mit einfacher Wertigkeit aufgeladene Partikel, sondern auch mehrfachaufgeladene Partikel klassiert. Im Übrigen werden die nicht klassierten Aerosolpartikel durch einen Auslass 360 ausgestoßen (EG2).
Die elektrische Mobilität Z lässt sich auch aus dem Aufbau des DMA 300 (innerer Elektrodenradius r₁, äußerer Elektrodenradius r₂, Strecke L bis zur Klassierung) sowie Einstellparametern für den Betrieb des DMA 300 ableiten, und wird für den Fall, dass die Einlassmenge q₂ des Probengases und die Ausstoßmenge q₃ am Klassierauslass 350 sowie die Einlassmenge q₁ des Schleiergases und die Ausstoßmenge q₄ am Auslass 360 jeweils übereinstimmen (q₁=q₄, q₂=q₃), durch die folgende Formel (2) ausgedrückt. $Z_{1} (U) = \frac{q_{1} \cdot I n (r_{2} / r_{1})}{2 π \cdot L} \cdot \frac{1}{U} = A \cdot \frac{1}{U}$
In dieser die elektrische Mobilität Z ausdrückenden Formel (2) steht U für die angelegte elektrische Spannung.
Demzufolge kann die elektrische Mobilität Z über die angelegte elektrische Spannung U reguliert werden, wenn der Durchfluss q₁ des Schleiergases konstant gehalten wird. Der Durchfluss q₂ des Probengases ÷ den Durchfluss q₁ des Schleiergases wird als Durchflussverhältnis bezeichnet.
<Aerosolpartikel in Übereinstimmung mit der elektrischen Mobilität>
6 zeigt ein Beispiel für die elektrische Mobilität im Verhältnis zum Partikeldurchmesser bei Inbetriebnahme des DMA 300, ermittelt aus den jeweils die elektrische Mobilität ausdrückenden Formeln (1) und (2). Diese ist hier gezeigt bis zu einer vierfachen Aufladungswertigkeit, wobei angesichts der Partikelgrößenverteilung eine Berücksichtigung bis zur etwa vierfachen Wertigkeit kaum ein Problem darstellt.
Beispielsweise sind die mittels der elektrischen Mobilität Z(U) bei Anlegen einer elektrischen Spannung U an den DMA 300 klassierten Aerosolpartikel durch vier in 6 eingetragene schwarze Punktmarkierungen (•) wiedergegeben. Es handelt sich neben Aerosolpartikeln mit einfacher Aufladungswertigkeit und Partikeldurchmesser d₁ um Aerosolpartikel mit zweifacher Aufladungswertigkeit und Partikeldurchmesser d₂, Aerosolpartikel mit dreifacher Aufladungswertigkeit und Partikeldurchmesser d₃ und Aerosolpartikel mit vierfacher Aufladungswertigkeit und Partikeldurchmesser d₄. Hier beträgt der Partikeldurchmesser d₁ ca. 60 nm, der Partikeldurchmesser d₂ ca. 90 nm, der Partikeldurchmesser d₃ ca. 115 nm und der Partikeldurchmesser d₁ ca. 135 nm.
Um als Nächstes die Aerosolpartikel mit Partikeldurchmesser d₂ zu klassieren, welche bei zweifacher Aufladungswertigkeit mit der elektrischen Mobilität Z(U) klassiert werden, wird eine doppelt so hohe Spannung 2U wie bei der obigen elektrischen Mobilität Z(U) an den DMA 300 angelegt und die elektrische Mobilität in diesem Fall als Z(2U) bezeichnet. Die nun vom DMA 300 klassierten Aerosolpartikel sind durch vier in 6 eingetragene Dreiecksmarkierungen (Δ) wiedergegeben. Es handelt sich um Aerosolpartikel mit einfacher Aufladungswertigkeit und Partikeldurchmesser d₂, Aerosolpartikel mit zweifacher Aufladungswertigkeit und Partikeldurchmesser d₄, Aerosolpartikel mit dreifacher Aufladungswertigkeit und Partikeldurchmesser d₅ und Aerosolpartikel mit vierfacher Aufladungswertigkeit und Partikeldurchmesser d₆. Bezüglich der Aerosolpartikel mit zweifacher Aufladungswertigkeit werden solche mit gleichem Partikeldurchmesser klassiert wie die mit der elektrischen Mobilität Z(U) klassierten vierwertigen Aerosolpartikel. Im Übrigen beträgt der Partikeldurchmesser d₅ ca. 180 nm, und der Partikeldurchmesser d₆ beträgt ca. 210 nm.
In ähnlicher Weise fortfahrend gibt es vier in 6 eingetragene Rechteckmarkierungen (□) für eine elektrische Mobilität Z(3U) bei Anlegen einer dreimal so hohen Spannung 3U an den DMA 300 wie bei der obigen elektrischen Mobilität Z(U), wobei Aerosolpartikel mit gleichem Partikeldurchmesser d₃ klassiert werden wie die mit der elektrischen Mobilität Z(U) klassierten dreiwertigen, und solche mit gleichem Partikeldurchmesser d₅ klassiert werden wie die mit der elektrischen Mobilität Z(2U) klassierten dreiwertigen Aerosolpartikel. Weiterhin gibt es vier in 6 eingetragene weiße Kreismarkierungen (o) für eine elektrische Mobilität Z(4U) bei Anlegen einer viermal so hohen Spannung 4U an den DMA 300 wie bei der obigen elektrischen Mobilität Z(U), wobei Aerosolpartikel mit gleichem Partikeldurchmesser d₄ klassiert werden wie die mit der elektrischen Mobilität Z(U) klassierten vierwertigen, solche mit gleichem Partikeldurchmesser d₆ klassiert werden wie die mit der elektrischen Mobilität Z(2U) klassierten vierwertigen, und solche mit gleichem Partikeldurchmesser d₈ klassiert werden wie die mit der elektrischen Mobilität Z(3U) klassierten vierwertigen Aerosolpartikel. Im Übrigen beträgt der Partikeldurchmesser d₇ ca. 240 nm, der Partikeldurchmesser d₈ beträgt ca. 290 nm, und der Partikeldurchmesser d₉ beträgt ca. 340 nm.
Die vom DMA 300 aufgrund ihrer elektrischen Mobilität Z klassierten Aerosolpartikel werden anschließend der Aerosolpartikelmessvorrichtung 400 zugeführt, wo ein sich auf die Partikelanzahl der Aerosolpartikel beziehender Zahlenwert gemessen wird. Im Folgenden soll zunächst das FCAE 401 erläutert, und anschließend der CPC 501 erläutert werden.
<Faraday-Becher-Aerosolelektrometer: FCAE>
Wie in 7 gezeigt, lässt das FCAE 401 durch einen an einem Behälter 410 vorgesehenen Einlass 420 die vom DMA 300 klassierten Aerosolpartikel einströmen. Im Inneren des Behälters 410 ist ein elektrisch leitfähiges Element 430 installiert, mit einem innerhalb des elektrisch leitfähigen Elements 430 installierten Isolator 440. Im Inneren des Isolators 440 wiederum ist ein Aerosolpartikelsammler 450 installiert, wobei dieser Sammler 450 aus einem elektrisch leitfähigen Element zum Sammeln (Auffangen) aufgeladener Aerosolpartikel besteht. Der Aerosolpartikelsammler 450 und das elektrisch leitfähige Element 430 sind durch den Isolator 440 voneinander isoliert. Eine Leitung 463, in welcher ein Strommessgerät 467 installiert ist, verbindet das elektrisch leitfähige Element 430 mit einer Erdung 469. Außerdem ist der Aerosolpartikelsammler 450 mit einem Ende einer Leitung 461 verbunden, deren anderes Ende über einen Schalter 465 mit der Erdung 469 verbunden ist.
Mit dem obigen Aufbau werden, wenn aufgeladene Aerosolpartikel in das FCAE 401 strömen, diese am Aerosolpartikelsammler 450 gesammelt, sodass sich die elektrischen Ladungen am Aerosolpartikelsammler 450 akkumulieren. Dann, durch Schalten des Schalters 465 auf EIN (elektrischer Durchgang), werden die am Aerosolpartikelsammler akkumulierten elektrischen Ladungen auf einmal transferiert, wobei am Strommessgerät 467 ein der Gesamtladungszahl äquivalenter Wert gemessen werden kann. Die Berechnung der Partikelanzahl der Aerosolpartikel wird wiederum später mit Bezug auf eine andere Figur beschrieben.
<Kondensationspartikelzähler (CPC)>
Als Nächstes soll der CPC 501 beschrieben werden. Wie in 8 gezeigt beinhaltet der CPC 501 ein Aerosolpartikelkondensationsmodul 503, welches die Aerosolpartikel durch Kondensation stark anwachsen lässt, und ein Aerosolpartikeldetektoroptikmodul 505, welches die gewachsenen Aerosolpartikel mittels eines optischen Systems detektiert.
Die vom DMA 300 zugeführten klassierten Aerosolpartikel werden von einem Einlass 510 des Aerosolpartikelkondensationsmoduls aus einströmen gelassen. Das Aerosolpartikelkondensationsmodul 503 besteht aus einem Sättiger 520 und einem Kondensator 530. Im Sättiger 520 wird durch Erhitzen Alkohol oder destilliertes Wasser im dampfförmigen Zustand verbreitet, und im Kondensator 530 wird passierendes Gas gekühlt. Demgemäß vereinigen die in das Aerosolpartikelkondensationsmodul 503 einströmenden Aerosolpartikel sich im Sättiger 520 mit dem Alkohol- oder Wasserdampf und werden zusammen mit diesem dem Kondensator 530 zugeführt. Im Kondensator 530 tritt nun Kondensation ein, wobei die Aerosolpartikel als Kondensationskerne dienen und aufgrund des Alkohol- oder Wasserdampfs zu großen Tröpfchen aufwachsen. Die mithilfe des Aerosolpartikelkondensationsmoduls 503 in große Tröpfchen verwandelten Aerosolpartikel werden durch einen Verbindungsgang 540 dem Aerosolpartikeldetektoroptikmodul 505 zugeführt.
Das Aerosolpartikeldetektoroptikmodul 505 beinhaltet eine Flusszelle 550, einen Lichtabschirmbehälter 560, eine Lichtquelle 570, ein Beleuchtungsoptiklinsensystem 575, ein Lichtsammeloptiklinsensystem 580 und einen Lichtaufnehmer 585. Die Flusszelle 550 ist durch den Lichtabschirmbehälter 560 hindurchführend installiert. Des Weiteren sind die Lichtquelle 570, das Beleuchtungsoptiklinsensystem 575, das Lichtsammeloptiklinsensystem 580 und der Lichtaufnehmer 585 im Innern des Lichtabschirmbehälters 560 angeordnet, wobei der Lichtabschirmbehälter 560 ausgebildet ist, kein Licht von außen in das Innere eindringen zu lassen.
Wenn Streulicht (reflektiertes Licht) von Aerosolpartikeln aufgenommen wird, die durch die Flusszelle 550 strömen, werden die Aerosolpartikel detektiert.
Bei der Messung der vom DMA 300 ausklassierten Aerosolpartikel wird vom FCAE 401, als elektrischer Strom, ein kumulierter Wert der Ladungszahlen auf den innerhalb einer vorbestimmten Zeit ausklassierten Aerosolpartikeln ausgegeben, oder es wird vom CPC 501 ein der Anzahl der Aerosolpartikel entsprechender Wert ausgegeben. Die ausgegebene Ergebnisinformation wird weiter an die Messergebnisanalysevorrichtung 600 übermittelt.
<Messergebnisanalysevorrichtung >
Als Nächstes wird in der Messergebnisanalysevorrichtung 600, basierend auf den vom FCAE 401 oder CPC 501 gemessenen Daten, die Anzahl der Aerosolpartikel bezogen auf den jeweiligen Partikeldurchmesser gezählt. Die Messergebnisanalysevorrichtung 600 weist eine Rechenoperationsfunktion und eine Speicherfunktion auf, wobei der Operationsinhalt der Rechenoperation vorab in der Speicherfunktion gespeichert ist und die Rechenoperationsfunktion, durch geeignetes Auslesen des Operationsinhalts der Rechenoperation, aus den vom FCAE 401 oder CPC 501 gemessenen Daten die Anzahl der Aerosolpartikel bezogen auf den jeweiligen Partikeldurchmesser ermittelt.
<Zählergebnisausgabevorrichtung>
Die Zählergebnisausgabevorrichtung 700 zeigt das Ergebnis der auf den Partikeldurchmesser bezogenen Zählung der Aerosolpartikel an. Beispielsweise umfasst eine Anzeigevorrichtung (nicht gezeigt) einen Anzeigeteil für eine eine Größenreferenz der Aerosolpartikel bezeichnende „Größe (nm)“ und einen Anzeigeteil für eine die gezählte Anzahl der Aerosolpartikel für den jeweiligen Partikeldurchmesser bezeichnende „Anzahl“. Der Anzeigeteil für die „Größe (nm)“ zeigt einen als Referenz gewählten Wert für den Partikeldurchmesser an. Der Anzeigeteil für die „Anzahl“ zeigt eine aus der Ladungswahrscheinlichkeitsverteilung abgeleitete Gesamtpartikelanzahl, die Anzahl der einwertig aufgeladenen Partikel mit dem als Referenz gewählten Durchmesser, oder Ähnliches. Diese können auch als Graph angezeigt werden. Die Art der Anzeige kann den Bedürfnissen angepasst werden und ist auf das hier angeführte Beispiel nicht beschränkt.
Im Übrigen kann die Zählergebnisausgabevorrichtung 700 ferner einen externen Ausgangsanschluss aufweisen und kann ausgebildet sein, über den Anschluss Daten an weitere Vorrichtungen auszugeben.
<Messung der Aerosolpartikel in der Atmosphäre>
Bei der Messung der Aerosolpartikel in der Atmosphäre wird angenommen, dass Aerosolpartikel mit einem Partikeldurchmesser von über 100 nm einem umgekehrt kubischen Verteilungsgesetz (Junge-Verteilung) gehorchend in der Atmosphäre schweben, wie zur Partikeldichte der Aerosolpartikel in der Atmosphäre anhand von 2 erläutert wurde.
10 ist ein Flussdiagramm, das einen Messablauf für Aerosolpartikel in der Atmosphäre zeigt. Im Folgenden soll der Inhalt entlang des Ablaufbeispiels erläutert werden. Nebenbei bemerkt kann der Prozess aus 10 auch zur Ausführung durch eine in der Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 eingebaute Kontrolleinheit eingerichtet sein.
Schritt S100: Zunächst führt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 einen Grundeinstellprozess betreffend den DMA 300 aus. Der konkrete Inhalt des Prozesses wird wiederum später mit Bezug auf ein anderes Flussdiagramm beschrieben.
<Grundeinstellprozess betreffend den DMA>
11 ist ein Flussdiagramm, das ein Ablaufbeispiel eines Grundeinstellprozesses betreffend den DMA 300 zeigt. Nebenbei bemerkt kann der Prozess aus 11 auch zur Ausführung durch eine in der Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 eingebaute Kontrolleinheit eingerichtet sein.
Schritt S110: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 stellt einen als Messziel vorgegebenen Partikeldurchmesser (d₁) ein. Konkret stellt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 den Partikeldurchmesser (d₁) der vom DMA 300 auszuklassierenden Aerosolpartikel unter der Annahme ein, dass diese einwertig aufgeladen sind. Als Nächstes führt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 Schritt 120 aus.
Schritt S120: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 führt eine Berechnung der elektrischen Mobilität Z für den Zieldurchmesser (d₁) bei Wertigkeit 1 aus. Konkret führt der DMA 300 in der Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 die Berechnung der elektrischen Mobilität Z mittels der oben erläuterten Formel (1) durch. Als Nächstes führt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 Schritt S130 aus.
Schritt S130: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 stellt die zur Ausklassierung der einwertigen Aerosolpartikel mit dem Zieldurchmesser (d₁) erforderliche an den DMA 300 anzulegende elektrische Spannung U ein. Konkret berechnet die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 die an den DMA 300 anzulegende Spannung U unter Verwendung der oben erläuterten Formel (2) und der im früheren Prozessschritt S120 berechneten elektrischen Mobilität Z.
Nach Beendigung des obigen Ablaufs springt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 zurück in den Messprozess für Aerosolpartikel in der Atmosphäre (10).
Schritt S200: Als Nächstes führt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 einen Arbeitsprozess des DMA 300 aus. Konkret legt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 im früheren Schritt S130 berechnete elektrische Spannung U an den DMA 300 an (angelegte Spannung V = 1U) und setzt den DMA 300 in Betrieb, um Aerosolpartikel mit der elektrischen Mobilität Z₁(U) auszuklassieren. Als Nächstes führt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 Schritt S300 aus.
Schritt S300: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 führt eine Messung (M1) mit dem FCAE 401 oder dem CPC 501 durch. Hier bedeutet M1 das Messergebnis für die mit der elektrischen Mobilität Z₁(U) ausklassierten Aerosolpartikel. Wenn die Messung der mit der elektrischen Mobilität Z₁(U) ausklassierten Aerosolpartikel durch das FCAE 401 oder den CPC 501 abgeschlossen ist, führt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 als Nächstes Schritt S400 aus.
Schritt S400: Die Partikeldurchmessermessvorrichtung 1 führt einen Einstelländerungsprozess betreffend den DMA 300 aus. Der konkrete Inhalt des Prozesses wird wiederum später mit Bezug auf ein anderes Flussdiagramm beschrieben.
<Einstelländerungsprozess betreffend den DMA>
12 ist ein Flussdiagramm, das ein Ablaufbeispiel des Einstelländerungsprozesses betreffend den DMA zeigt. Im Folgenden soll der Inhalt entlang des Ablaufbeispiels erläutert werden. Nebenbei bemerkt kann der Prozess aus 12 auch zur Ausführung durch eine in der Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 eingebaute Kontrolleinheit eingerichtet sein.
Schritt S410: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 ermittelt eine Einstelländerungshäufigkeit. Konkret stellt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 fest, mit welcher Häufigkeit die an den DMA 300 angelegte Spannung V geändert wurde. Wenn z.B. die im letzten Prozess eingestellte Spannung V gleich der grundeingestellten Spannung U war, entspricht dem die Einstelländerungshäufgkeit 1, in Hinweis auf das erste Mal. Genauso weiter beträgt, wenn die im letzten Prozess eingestellte Spannung V gleich der zweiten Spannung 2U (oder der dritten Spannung 3U) war, die Einstelländerungshäufgkeit 2 (oder 3), in Hinweis auf das zweite Mal (oder dritte Mal). Als Nächstes führt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 Schritt S420 aus.
Schritt S420: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 führt eine Einstellung durch, bei welcher eine Spannung gleich der angelegten Spannung aus der Grundeinstellung (U) × (Einstelländerungshäufigkeit + 1) angelegt wird. Wenn z.B. die im vorausgehenden Prozessschritt S410 ermittelte Einstelländerungshäufigkeit 1 betrug, stellt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 die an den DMA 300 anzulegende Spannung auf 2U ein. Genauso weiter stellt, wenn die Häufigkeit der Änderungen 2 (oder 3) betrug, die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 die an den DMA 300 anzulegende Spannung auf 3U (oder 4U) ein.
Nach Beendigung des obigen Ablaufs springt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 zurück in den Messprozess für Aerosolpartikel in der Atmosphäre (10).
Schritt S500: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 führt einen Arbeitsprozess des DMA 300 aus. Konkret legt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 die im früheren Prozessschritt S420 eingestellte Spannung 2U (oder 3U, 4U) an den DMA 300 an (angelegte Spannung V = 2U (oder 3U, 4U)) und setzt den DMA 300 in Betrieb, um Aerosolpartikel mit der elektrischen Mobilität Z₁(2U) (oder Z₁(3U), Z₁(4U)) auszuklassieren. Als Nächstes führt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 Schritt S600 aus.
Schritt S600: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 führt eine Messung Mx mit dem FCAE 401 oder dem CPC 501 durch. Das FCAE 401 oder der CPC 501 gibt das Messergebnis Mx aus. Hier liegt x zwischen 2 und 4, wobei jeweils M2 das Messergebnis für die mit der elektrischen Mobilität Z₁(2U) ausklassierten Aerosolpartikel, M3 das Messergebnis für die mit der elektrischen Mobilität Z₁(3U) ausklassierten Aerosolpartikel, und M4 das Messergebnis für die mit der elektrischen Mobilität Z₁(4U) ausklassierten Aerosolpartikel bedeuten. Wenn die Messung durch das FCAE 401 abgeschlossen ist, führt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 als Nächstes Schritt S700 aus.
Schritt S700: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 berechnet aus dem Messergebnis M1 mit der Grundeinstellung und dem Messergebnis Mx bei erfolgter Einstelländerung deren Verhältnis Mx/M1. Konkret greift die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 auf das Messergebnis M1 des FCAE 401 oder CPC 501 zu, als im früheren Prozessschritt S300 die mit der elektrischen Mobilität Z₁(U) ausklassierten Aerosolpartikel gemessen wurden. Ferner greift die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 auf das Messergebnis M2 (oder M3, M4) des FCAE 401 zu, als im früheren Prozessschritt S600 die mit der elektrischen Mobilität Z₁(2U) (oder Z₁(3U), Z₁(4U)) ausklassierten Aerosolpartikel gemessen wurden. Dann berechnet die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 Mx/M1. Die Berechnung von Mx/M1 kann mittels der Messergebnisanalysevorrichtung 600 durchgeführt werden.
Schritt S800: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 überprüft, ob eine erneute Messung erforderlich ist. Die Überprüfung kann mittels der Messergebnisanalysevorrichtung 600 durchgeführt werden. Konkret überprüft die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 basierend auf dem im früheren Prozessschritt S700 berechneten Verhältnis Mx/M1, ob dieses kleiner als ein definierter Wert (z.B. 0,01: 1%) ist. Wenn der definierte Wert auf etwa 1% festgesetzt wird, ist angesichts der Partikelgrößenverteilung eine Vernachlässigung unproblematisch. Im Übrigen ist der definierte Wert nicht auf 1% beschränkt, sondern kann auch 0,1% sein und ist geeignet anpassbar. Wenn im Ergebnis Mx/M1 kleiner als der definierte Wert ist (Ja), führt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 als Nächstes Schritt S900 aus. Wenn umgekehrt Mx/M1 nicht kleiner als der definierte Wert ist (Nein), führt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 als Nächstes Schritt S400 aus.
Schritt S900: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 berechnet die Anzahl der vom DMA 300 ausklassierten Aerosolpartikel (d₁). Diese Berechnung kann mittels der Messergebnisanalysevorrichtung 600 durchgeführt werden. Hier soll ein Fall beschrieben werden, in welchem M2/M1 und M3/M1 nicht kleiner als der definierte Wert (1%) sind, während M4/M1 kleiner als der definierte Wert (1%) ist. Auf eine Beschreibung weiterer Fälle wird verzichtet, da die Berechnung auf Grundlage des die nachfolgenden Formeln verwendenden Berechnungsverfahrens nach Bedarf möglich ist.
Es wird angemerkt, dass die vom FCAE 401 gemessenen Messergebnisse M1, M2, M3 und M4 Stromäquivalente sind, während M_FCAE(Z₁(U)) ein Mengenäquivalent ist. Dagegen sind die vom CPC 501 gemessenen Messergebnisse M1, M2, M3 und M4 Mengenäquivalente, wie auch M_CPC(Z₁(U)) ein Mengenäquivalent ist.
An dieser Stelle sollen praktisch Verteilungsfunktionen für die vom DMA 300 mit der elektrischen Mobilität Z₁(U) ausklassierten aufgeladenen Aerosolpartikel entsprechend ihrem jeweiligen Partikeldurchmesser wie folgt definiert werden. Als Verteilungsfunktion einwertiger Aerosolpartikel entsprechend dem Partikeldurchmesser d₁ ist C₁(Z₁(U)), als Verteilungsfunktion zweiwertiger Aerosolpartikel entsprechend dem Partikeldurchmesser d₂ ist C₂(Z₁(U)), als Verteilungsfunktion dreiwertiger Aerosolpartikel entsprechend dem Partikeldurchmesser d₃ ist C₃(Z₁(U)), und als Verteilungsfunktion vierwertiger Aerosolpartikel entsprechend dem Partikeldurchmesser d₄ ist C₄(Z₁(U)) definiert. Es wird angemerkt, dass die Verteilungsfunktionen die jeweiligen Mengen ausdrücken. Zum Beispiel drückt C₁(Z₁(U)) die Menge der einwertigen Partikel mit elektrischer Mobilität Z₁(U) aus.
Dementsprechend wird bei Verwendung der obigen Verteilungsfunktionen für die Aerosolpartikel das vom FCAE 401 oder dem CPC 501 gemessene Messergebnis durch die folgende Formel (3) bzw. Formel (4) ausgedrückt. $M_{F C A E} (Z_{1} (U)) = η_{F C A E} (Z_{1} (U)) . \sum_{p = 1}^{4} p \cdot C_{p} (Z_{1} (U))$
Hier bedeutet M_FCAE(Z₁(U)) die aus dem Messergebnis des FCAE 401 für die mit Z₁(U) ausklassierten Aerosolpartikel erhaltene Menge, η_FCAE(Z₁(U)) bedeutet eine Detektionseffizienz des FCAE 401 für die mit Z₁(U) ausklassierten Aerosolpartikel, und p steht für die Ladungszahl (Wertigkeit). Im Allgemeinen hat η_FCAE(Z₁(U)) den Wert 1 (konkret 0,99999). Ferner beträgt auch bei den übrigen η_FCAE(Z₁(2U)), η_FCAE(Z₁(3U)), ..., η_FCAE(Z₁(pU)) die Detektionseffizienz 1. $M_{CPC} (Z_{1} (U)) = \sum_{p = 1}^{4} η_{CPC} p (Z_{1} (p U)) \cdot C_{p} (Z_{1} (U))$
Hier bedeutet M_CPC(Z₁(U)) die aus dem Messergebnis des CPC 501 für die mit Z₁(U) ausklassierten Aerosolpartikel erhaltene Menge, η_CPC(Z₁(pU)) bedeutet eine Detektionseffizienz des FCAE 401 für die mit Z₁(pU) ausklassierten Aerosolpartikel, und p steht für die Ladungszahl (Wertigkeit). Somit zeigt Formel (4) an, dass das die Detektionseffizienz η_CPC abhängig von dem die Ladungszahl (Wertigkeit) ausdrückenden p differiert. Im Übrigen wird η_CPC durch Kalibrierwerte des CPC 501 ausgedrückt.
Da ferner wie oben mit Bezug auf 6 beschrieben die vom DMA 300 mit den elektrischen Mobilitäten Z(U) bis Z(4U) ausklassierten Aerosolpartikel auch mehrwertig aufgeladene enthalten, sind diese ebenfalls in den Messergebnissen M1 bis M4 des FCAE 401 oder CPC 501 enthalten.
9 ist ein Graph, bei welchem die vom DMA 300 mit den elektrischen Mobilitäten Z(U) bis Z(4U) ausklassierten Aerosolpartikel entsprechend Partikeldurchmesser und Ladungszahl (Wertigkeit) in den Graph der Ladungswahrscheinlichkeitsverteilung (4) eingetragen wurden. Konkret beträgt bei den mit der elektrischen Mobilität Z₁(4U) ausklassierten einwertig aufgeladenen Partikel mit Durchmesser d₄ (Markierung o) die Ladungswahrscheinlichkeit 30%, und bei den mit der elektrischen Mobilität Z₁(3U) ausklassierten zweiwertig aufgeladenen Partikel mit Durchmesser d₅ (Markierung □) die Ladungswahrscheinlichkeit 10%. Wenn beispielsweise die mit der elektrischen Mobilität Z₁(4U) ausklassierten einwertig aufgeladenen Partikel mit Durchmesser d₄ (Markierung o) vernachlässigbar wenige sind, können auch die mit der elektrischen Mobilität Z₁(3U) ausklassierten zweiwertig aufgeladenen Partikel mit Durchmesser d₅ (Markierung □), deren Durchmesser größer als d₄ ist, sowie die mit der elektrischen Mobilität Z₁(2U) ausklassierten zweiwertig aufgeladenen Partikel mit Durchmesser d₄ (Markierung Δ), deren Ladungszahl größer ist, vernachlässigt werden.
Des Weiteren definiert wird f_p(Z₁(nU)) als eine die Ladungswahrscheinlichkeit ausdrückende Funktion. Eine Beziehung zwischen Verteilungsfunktionen von Aerosolpartikeln entsprechend deren Ladungszahl (Wertigkeit), die mit unterschiedlicher elektrischer Mobilität ausklassiert werden, ist in der unten stehenden Formel (5) gegeben. Hier steht p für die Ladungszahl (Wertigkeit), und nU für die angelegte elektrische Spannung. Beispielsweise wird im Aufladungsgleichgewichtszustand bei Partikeldurchmesser d₄ die Ladungswahrscheinlichkeitsfunktion der einwertig aufgeladenen Partikel mit Durchmesser d4, welche mit der elektrischen Mobilität Z₁(4U) ausklassiert werden, als f₁(Z₁(4U)) ausgedrückt, und die Ladungswahrscheinlichkeitsfunktion der vierwertig aufgeladenen Partikel mit Durchmesser d₄ als f₄(Z₁(4U)) ausgedrückt. Hier entsprechen dieser Ladungswahrscheinlichkeitsfunktion f₄(Z₁(4U)) die vierwertig aufgeladenen Partikel mit Durchmesser d4, welche mit der elektrischen Mobilität Z₁(U) ausklassiert werden. Ferner ist es möglich die Gesamtpartikelanzahl für den Partikeldurchmesser d₄ zu erhalten, indem man die Verteilungsfunktion C₁(Z₁(4U)) für die einwertig aufgeladenen Partikel mit Durchmesser d4, welche mit der elektrischen Mobilität Z₁(4U) ausklassiert werden, durch die Ladungswahrscheinlichkeitsfunktion f₁(Z₁(4U)) dividiert, und die Anzahl C₄(Z₁(U)) vierwertig aufgeladener Partikel mit Durchmesser d₄ zu erhalten, welche mit der elektrischen Mobilität Z₁(U) ausklassiert werden, indem man die Gesamtpartikelanzahl mit der Ladungswahrscheinlichkeitsfunktion f₄(Z₁(4U)) für vierwertige Aufladung bei Partikeldurchmesser d₄ addiert. $\begin{array}{l} C_{2} (Z_{1} (U)) = \frac{f_{2} (Z_{1} (2 U))}{f_{1} (Z (2 U))} \cdot C_{1} (Z_{1} (2 U)), C_{2} (Z_{1} (2 U)) = \frac{f_{2} (Z_{1} (4 U))}{f_{1} (Z_{1} (4 U))} \cdot C_{1} (Z_{1} (4 U)) \\ C_{3} (Z_{1} (U)) = \frac{f_{3} (Z_{1} (3 U))}{f_{1} (Z_{1} (3 U))} \cdot C_{1} (Z_{1} (3 U)) \\ C_{4} (Z_{1} (U)) = \frac{f_{4} (Z_{1} (4 U))}{f_{1} (Z_{1} (4 U))} \cdot C_{1} (Z_{1} (4 U)) \end{array}$
Wendet man dies nun auf den Fall an, dass M2/M1 und M3/M1 nicht kleiner als der definierte Wert (1%) sind, während M4/M1 kleiner als der definierte Wert (1%) ist, wird C₁(Z₁(4U))= 0, weil das Messergebnis M4 für die mit der elektrischen Mobilität Z₁(4U) ausklassierten Aerosolpartikel vernachlässigbar klein ist. Ähnlich gilt C₄(Z₁(U)) = C₂(Z₁(2U)) = 0.
Die aus dem mit dem FCAE 401 gemessenen Ergebnis für die mit den elektrischen Mobilitäten Z₁(U) bis Z₁(4U) ausklassierten Aerosolpartikel erhaltenen M_FCAE(Z₁(U)) bis M_FCAE(Z₁(4U)) lassen sich, mit Berücksichtigung von M_FCAE(Z₁(4U)) = C₁(Z₁(4U))= 0, durch die Formeln (6) bis (8) ausdrücken. Dies hat die Konsequenz, dass mit der elektrischen Mobilität Z₁(U) die einwertig bis dreiwertig aufgeladenen Partikel ausklassiert, und mit den elektrischen Mobilitäten Z₁(2U) und Z₁(3U) die einwertig aufgeladenen Partikel ausklassiert wurden. $\begin{array}{l} M_{FCAE} (Z_{1} (U)) = η_{FCAE} (Z_{1} (U)) \cdot C_{1} (Z_{1} (U)) + η_{FCAE} (Z_{1} (U)) \cdot 2 \cdot C_{2} (Z_{1} (U)) \\ + η_{FCAE} (Z_{1} (U)) \cdot 3 \cdot C_{3} (Z 1 (U)) \end{array}$
$M_{FCAE} (Z_{1} (2 U)) = η_{FCAE} (Z_{1} (U)) \cdot C_{1} (Z_{1} (2 U))$
$M_{FCAE} (Z_{1} (3 U)) = η_{FCAE} (Z_{1} (U)) \cdot C_{1} (Z_{1} (3 U))$
Ferner lässt sich aus den obigen Formeln (5), (6), (7) und (8) die folgende Formel (9) ableiten. $\begin{array}{l} η_{FCAE} (Z_{1} (U)) \cdot C_{1} (Z_{1} (U)) \\ = M_{FCAE} (Z_{1} (U)) - 2 \cdot \frac{f_{2} (Z_{1} (2 U))}{f_{1} (Z_{1} (2 U))} \cdot M_{FCAE} (Z_{1} (2 U)) - 3 \frac{f_{3} (Z_{1} (3 U))}{f_{1} (Z_{1} (3 U))} \cdot M_{FCAE} (Z_{1} (3 U)) \end{array}$
Da mit den elektrischen Mobilitäten Z₁(2U) und Z₁(3U) eine Ausklassierung der einwertigen Partikel allein erreicht wird, ist es möglich M_FCAE(Z₁(2U)) und M_FCAE(Z₁(3U)) aus der Messung des FCAE 401 zu erhalten. Sodann lassen sich C₁(Z₁(2U)) aus Formel (7), und C₂(Z₁(U)) aus der obigen Formel (5) berechnen. Ferner lässt sich C₁(Z₁(3U)) aus Formel (8), und C₃(Z₁(U)) aus der obigen Formel (5) berechnen. Somit erhält man die Anzahlen der mit der elektrischen Mobilität Z₁(U) ausklassierten zweiwertigen und dreiwertigen Partikel, sodass unter Verwendung des Messergebnisses M_FCAE(Z₁(U)) die Anzahl einwertiger Partikel η_FCAE(Z₁(U))·C₁(Z₁(U)) aufgefunden werden kann.
Ferner kann mittels des gleichen Rechenverfahrens für den CPC 501 die folgende Formel (10) abgeleitet werden. $\begin{array}{l} η_{C P C} (Z_{1} (U)) \cdot C_{1} (Z_{1} (U)) \\ = M_{C P C} (Z_{1} (U)) - \frac{f_{2} (Z_{1} (2 U))}{f_{1} (Z_{1} (2 U))} \cdot M_{FCAE} (Z_{1} (2 U)) - \frac{f_{3} (Z_{1} (3 U))}{f_{1} (Z_{1} (3 U))} \cdot M_{C P C} (Z_{1} (3 U)) \end{array}$
Auf die oben beschriebene Weise kann die Anzahl der vom DMA 300 mit der elektrischen Mobilität Z₁(U) ausklassierten Aerosolpartikel gemessen werden, wenn M4/M1 kleiner als 1% ist. Indem das FCAE 401 oder der CPC 501 die mit einer vorbestimmten elektrischen Mobilität ausklassierten Aerosolpartikel messen, ist es möglich basierend auf dem Messergebnis M_FCAE bzw. M_CPC und dem aus den Ladungswahrscheinlichkeitsfunktionen gebildeten Ladungswahrscheinlichkeitsverhältnissen die Anzahl der Aerosolpartikel zu zählen.
Eine Messung vier- bis sechswertiger Partikel reicht nahezu aus, weil sie auf der Ladungswahrscheinlichkeitsverteilung der Aerosolpartikel basiert, und weil die auf den Partikeldurchmesser bezogene Dichte der Partikelgrößenverteilung der Aerosolpartikel in der Atmosphäre der Junge-Verteilung folgt, sodass die Anzahl der Aerosolpartikel mit einem Partikeldurchmesser größer als 100 nm aufgrund des umgekehrt kubischen Verteilungsgesetzes äußerst klein ist.
Wenn im gegenwärtigen Berechnungsprozessschritt S900 ausgehend von den Messergebnissen M1, M2, M3 und M4 die Partikelanzahlen bezogen auf den jeweiligen Partikeldurchmesser gezählt werden, führt das Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 als Nächstes Schritt S1000 aus.
Schritt S 1000: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 ermittelt, ob Aerosolpartikel mit einem weiteren Partikeldurchmesser zu messen sind. Wenn ermittelt wurde, dass Aerosolpartikel mit einem weiteren Partikeldurchmesser zu messen sind (Ja), führt die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 als Nächstes Schritt S100 aus. Wenn dagegen keine Aerosolpartikel mit einem weiteren Partikeldurchmesser zu messen sind (Nein), beendet die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 die Messung der Aerosolpartikel in der Atmosphäre.
Als Nächstes soll die elektrische Mobilität Z mit Bezug auf die Klassierung der Aerosolpartikel im DMA 300 erläutert werden. Die elektrische Mobilität Z kann auch aus dem Aufbau des DMA 300 (innerer Elektrodenradius r₁, äußerer Elektrodenradius r₂, Strecke L bis zur Klassierung) sowie auf den Betrieb des DMA 300 bezogenen Einstellparametern abgeleitet werden und wird durch die oben erwähnte Formel (2) ausgedrückt, wenn die Einlassmenge q₂ des Probengases und die Ausstoßmenge q₃ am Klassierauslass 350 sowie die Einlassmenge q₁ des Schleiergases und die Ausstoßmenge q₄ am Auslass 360 jeweils übereinstimmen (q₁=q₄, q₂=q₃).
<Transferfunktion Ω>
Ferner wird eine Wahrscheinlichkeit für Aerosolpartikel tatsächlich vom DMA 300 ausklassiert zu werden, d.h. eine Transferfunktion Ω(Z), wie in 13 ausgedrückt.
Wenn man Aerosolpartikel unter Ausnutzung der elektrischen Mobilität klassiert, ist wie in 13 gezeigt die Konzentration der tatsächlich ausklassierten Aerosolpartikel gegeben durch einen Integralwert von Z_u bis Z_d, die in der unten stehenden Formel (11) ausgedrückt sind. Für die folgenden Erläuterungen wird Z₁(U) in der oben erwähnten Formel (2) durch Z_c(U) ersetzt. $Z_{c} = \frac{q_{1}}{2 π ΔΦ}, Z_{d} = \frac{q_{1} + q_{2}}{2 π ΔΦ}, Z_{u} = \frac{q_{1} - q_{2}}{2 π ΔΦ}$
Aufgrund von Formel (2) gilt hier $ΔΦ= L \cdot U/1n (r2/r1) .$
Folglich ergibt sich, dass die elektrische Mobilität Z der ausklassierten Aerosolpartikel von einer Beziehung zwischen dem Schleiergas q₁ und dem Probengas q₂ abhängt.
Weiterhin ist ein Vergleichsausdruck für die volle Halbwertsbreite (FWHM) an der Transferfunktion Ω(Z_c) durch die folgende Formel (12) gegeben. $Z_{d} - Z_{c} = Z_{c} - Z_{u} = \frac{Z_{d} - Z_{u}}{2} = \frac{q_{2}}{2 π ΔΦ} = \frac{q_{2}}{q_{1}} \cdot Z_{c}$
Hier, mit einem Durchflussverhältnis δ von Schleiergas q₁ und Probengas q₂ gewählt als δ = q₂/q₁, sind Vergleichsausdrücke für die elektrische Mobilität Z_d, Z_u durch die folgende Formel (13) gegeben. $Z_{d} = (1 + δ) Z_{c}, Z_{u} = (1 - δ) Z_{c}$
Dies zeigt, dass, wenn die Aerosolpartikel anhand der elektrischen Mobilität ausklassiert werden, die Ausklassierung durch den DMA 300 in einem Zustand mit der Breite von Z_d bis Z_u erfolgt. Mit anderen Worten ist gezeigt, dass anhand der elektrischen Mobilität ausklassierte Aerosolpartikel mit einem als Ziel gewählten Partikeldurchmesser mit umso größerer Genauigkeit unterschieden werden können, je geringer die Breite von Z_d bis Z_u ist.
Als Nächstes soll ein Fall beschrieben werden, in welchem die elektrischen Mobilitäten bei der Klassierung von Aerosolpartikeln überlappen. Zum Beispiel weist Z(U) wie oben erläutert die Beziehung Z_d(U) < Z_c(U) < Z_u(U) auf. Daraus folgt, dass auch Z(2U) und Z(3U) eine Beziehung Z_d(2U) < Z_c(2U) < Z_u(2U) bzw. eine Beziehung Z_d(3U) < Z_c(3U) < Z_u(3U) aufweisen.
Beschrieben werden soll hier der Fall, dass U, 2U und 3U an den DMA 300 angelegt wurden, um mit den elektrischen Mobilitäten Z_c(U), Z_c(2U) und Z_c(3U) Aerosolpartikel auszuklassieren. Konkret wird eine Einstellung erläutert, die verhindert, dass die elektrischen Mobilitäten Z_c(U), Z_c(2U) und Z_c(3U) gegenseitig interferieren, wenn die das Messziel in der Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 darstellende Aufladungswertigkeit auf bis zu dreiwertig gesetzt wurde.
14 ist ein Diagramm zur Erläuterung von Partikeldurchmesser und Wertigkeit von entsprechend der elektrischen Mobilität klassierten Aerosolpartikeln, die in einem Zustand gemessen werden, in welchem die elektrische Mobilität eine Breite (±δ) aufweist.
Wie in 14 zu sehen, sind die mit den elektrischen Mobilitäten Z_c(U), Z_c(2U) und Z_c(3U) ausklassierten Aerosolpartikel in 14 wie oben beschrieben eingezeichnet. Wenn hier die Breite (±δ) groß ist, kommt es vor, dass zweiwertig aufgeladene Aerosolpartikel mit Durchmesser d₃ unbeabsichtigt so ausklassiert werden wie durch eine Sternmarkierung (☆) angezeigt, die auf der in 14 einer zweiwertigen Aufladung entsprechenden Kurve eingezeichnet ist. Auf Grundlage der vorgenannten Formeln (1) und (2) bedeutet dies, dass Aerosolpartikel beigemischt sind, die bei Anlegen von (3/2)U am DMA 300 mit der elektrischen Mobilität Z_c((3/2)U) ausklassiert würden.
Wiewohl nicht bezüglich mit der elektrischen Mobilität Z_c((3/2)U) ausklassierbarer Aerosolpartikel gemessen wird, ist es daher notwendig, bei Messungen für Z_c(U) oder Z_c(2U) die Beimischung von mit der elektrischen Mobilität Z_c((3/2)U) ausklassierbaren Aerosolpartikeln (☆ in 14) zu verhindern.
<Transferfunktion Ω der elektrischen Mobilität für Aufladungszahlmaximum 3>
15 zeigt die erforderliche Transferfunktion Ω für den Fall, dass mit der elektrischen Mobilität Z_c(U) und bis zu einer dreiwertigen Aufladungszahl gemessen wird. Die elektrischen Mobilitäten Z_c(U), Z_c((3/2)U), Z_c(2U) und Z_c(3U) weisen jeweils eine Breite von ±δ auf. Dass die Breiten der elektrischen Mobilitäten einander nicht überlappen (nicht interferieren), bedeutet folglich eine korrekte Klassierung der zu messenden Aerosolpartikel und führt dazu, dass die Partikelanzahlen der Aerosolpartikel für die einzelnen Partikeldurchmesser mit guter Genauigkeit berechnet werden.
Um z.B. zu verhindern, dass die Breite der elektrischen Mobilität Z_c(U) mit der Breite von Z_c((3/2)U) überlappt, muss die Beziehung Z_u(U) > Z_d((3/2)U) erfüllt werden. Da es hier wegen Formel (2) möglich ist, Z_c((3/2)U) = (2/3)Z_c(U) auszudrücken, und da sich Z_d(U) und Z_u(U) gemäß Formel (13) durch einen aus dem Durchflussverhältnis δ und Z_c(U) gebildeten Ausdruck wiedergeben lassen, zeigt sich, dass (1-δ)Z_c(U) > (2/3)(1+δ)Z_c(U) erfüllt werden muss. Durch Auflösen dieses Ausdrucks lässt sich ableiten, dass für das Durchflussverhältnis δ < 1/5 gelten muss.
Um zu verhindern, dass die Breite der elektrischen Mobilität Z_c((3/2)U) mit der Breite von Z_c(2U) überlappt, muss in ähnlicher Weise die Beziehung (2/3)(1-δ)Z_c(U) > (1/2)(1+δ)Z_c(U) erfüllt werden. Durch Auflösen dieses Ausdrucks lässt sich ableiten, dass für das Durchflussverhältnis δ < 1/7 gelten muss.
Um zu verhindern, dass die Breite der elektrischen Mobilität Z_c(2U) mit der Breite von Z_c(3U) überlappt, muss in ähnlicher Weise die Beziehung (1/2)(1-δ)Z_c(U) > (1/3)(1+δ)Z_c(U) erfüllt werden. Durch Auflösen dieses Ausdrucks lässt sich ableiten, dass für das Durchflussverhältnis δ < 1/5 gelten muss.
Wie vorstehend müssen, damit die Breiten der elektrischen Mobilitäten Z_c(U), Z_c((3/2)U), Z_c(2U) und Z_c(3U) einander nicht überlappen, für das Durchflussverhältnis δ < 1/5, δ < 1/7 und δ < 1/5 jeweils erfüllt sein. Folglich kann die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1, wenn die Aufladungszahl als Messziel als bis zu dreiwertig vorgegeben wurde, durch Vornehmen einer δ < 1/7 erfüllenden Einstellung derart eingestellt werden, dass die Breiten der elektrischen Mobilitäten Z_c(U), Z_c((3/2)U), Z_c(2U) und Z_c(3U) einander nicht überlappen, was ermöglicht die zu messenden Aerosolpartikel im DMA 300 unabhängig auszuklassieren. Das heißt, von den ausklassierten Aerosolpartikeln kann ein benötigter Messwert unabhängig erhalten werden, sodass die Partikelanzahlen der Aerosolpartikel für die einzelnen Partikeldurchmesser mit noch besserer Genauigkeit berechnet werden können.
Vorstehend wurde eine Einstellung, bei der die elektrischen Mobilitäten nicht überlappen, für den Fall beschrieben, dass die Aufladungszahl als Messziel in der Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 als bis zu dreiwertig vorgegeben wurde. Als Nächstes soll für den Fall, dass die Aufladungszahl als Messziel als bis zu vierwertig vorgegeben wurde, d.h. wenn die Aerosolpartikel mit Z_c(U), Z_c(2U), Z_c(3U) und Z_c(4U) ausklassiert werden, eine Einstellung beschrieben werden, bei welcher die elektrischen Mobilitäten nicht überlappen.
Wie die Sternmarkierungen (☆,★) anzeigen, die auf den in 14 den Wertigkeiten 2 und 3 entsprechenden Kurven jeweils eingetragen sind, kann es im Falle großer Breiten der elektrischen Mobilitäten vorkommen, dass zusätzlich zu zweiwertig aufgeladenen Aerosolpartikeln mit Partikeldurchmesser d₃ auch dreiwertig aufgeladene Aerosolpartikel mit Partikeldurchmesser d₄ ausklassiert werden. Das heißt, basierend auf den obigen Formeln (1) und (2) bedeutet dies, dass Aerosolpartikel beigemischt sind, die bei Anlegen einer Spannung von (3/2)U oder (4/3)U an den DMA 300 mit den elektrischen Mobilitäten Z_c((3/2)U) oder Z_c((4/3)U) ausklassiert würden.
Wiewohl nicht bezüglich mit den elektrischen Mobilitäten Z_c((3/2)U) oder Z_c((4/3)U) ausklassierbarer Aerosolpartikel gemessen wird, ist es daher notwendig, bei Messungen für Z_c(U) oder Z_c(2U) die Beimischung von mit der elektrischen Mobilität Z_c((3/2)U) oder Z_c((4/3)U) ausklassierbaren Aerosolpartikeln (☆, ★ in 14) zu verhindern.
<Transferfunktion Ω der elektrischen Mobilität für Aufladungszahlmaximum 4>
16 zeigt die erforderliche Transferfunktion Ω für den Fall, dass mit der elektrischen Mobilität Z_c(U) und bis zu einer vierwertigen Aufladungszahl gemessen wird. Die elektrischen Mobilitäten Z_c(U), Z_c((4/3)U), Z_c((3/2)U), Z_c(2U) und Z_c(3U) weisen jeweils eine Breite von ±δ auf. Dass die Breiten der elektrischen Mobilitäten einander nicht überlappen, bedeutet folglich eine korrekte Klassierung der zu messenden Aerosolpartikel und führt dazu, dass die Partikelanzahlen der Aerosolpartikel für die einzelnen Partikeldurchmesser mit guter Genauigkeit berechnet werden.
Damit z.B. die Breite der elektrischen Mobilität Z_c(U) nicht mit der Breite von Z_c((4/3)U) überlappt, muss die Beziehung Z_u(U) > Z_d((4/3)U) erfüllt werden. Da es hier wegen Formel (2) möglich ist, Z_c((4/3)U) = (3/4)Z_c(U) auszudrücken, und da sich Z_d(U) und Z_u(U) gemäß Formel (13) durch einen aus dem Durchflussverhältnis δ und Z_c(U) gebildeten Ausdruck wiedergeben lassen, bedeutet dies, dass (1-δ)Z_c(U) > (3/4)(1+8δ)Z_c(U) erfüllt werden muss. Durch Auflösen dieses Ausdrucks lässt sich ableiten, dass für das Durchflussverhältnis δ < 1/7 gelten muss.
In ähnlicher Weise muss, damit die Breite der elektrischen Mobilität Z_c((4/3)U) nicht mit der Breite von Z_c((3/2)U) überlappt, (3/4)(1-δ)Z_c(U) > (2/3)(1+δ)Z_c(U) erfüllt werden. Durch Auflösen dieses Ausdrucks lässt sich ableiten, dass für das Durchflussverhältnis δ < 1/17 gelten muss.
In ähnlicher Weise muss, damit die Breite der elektrischen Mobilität Z_c((3/2)U) nicht mit der Breite von Z_c(2U) überlappt, die Beziehung (2/3)(1-δ)Z_c(U) > (1/2)(1+δ)Z_C(U) erfüllt werden. Durch Auflösen dieses Ausdrucks lässt sich ableiten, dass für das Durchflussverhältnis δ < 1/7 gelten muss.
In ähnlicher Weise muss, damit die Breite der elektrischen Mobilität Z_c(2U) nicht mit der Breite von Z_c(3U) überlappt, die Beziehung (1/2)(1-δ)Z_c(U) > (1/3)(1+δ)Z_c(U) erfüllt werden. Durch Auflösen dieses Ausdrucks lässt sich ableiten, dass für das Durchflussverhältnis δ < 1/5 gelten muss.
In ähnlicher Weise muss, damit die Breite der elektrischen Mobilität Z_c(3U) nicht mit der Breite von Z_c(4U) überlappt, die Beziehung (1/3)(1-δ)Z_c(U) > (1/4)(1+δ)Z_c(U) erfüllt werden. Durch Auflösen dieses Ausdrucks lässt sich ableiten, dass für das Durchflussverhältnis δ < 1/7 gelten muss.
Wie vorstehend müssen, damit die Breiten der elektrischen Mobilitäten Z_c(U), Z_c((4/3)U), Z_c((3/2)U), Z_c(2U) und Z_c(3U) einander nicht überlappen, für das Durchflussverhältnis δ < 1/5, δ < 1/7, δ < 1/17, δ < 1/7 und δ < 1/5 jeweils erfüllt sein. Weil hierbei bezüglich mit den elektrischen Mobilitäten Z_c((3/2)U) oder Z_c((4/3)U) ausklassierbarer Aerosolpartikel nicht gemessen wird, dürfen diese elektrischen Mobilitäten überlappen, d.h. für das Durchflussverhältnis braucht δ < 1/17 nicht erfüllt zu sein. Folglich kann die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1, wenn die Aufladungszahl als Messziel auf bis zu vierwertig vorgegeben wurde, durch Vornehmen einer δ < 1/7 erfüllenden Einstellung derart eingestellt werden, dass von einer Überlappung zwischen Z_c((4/3)U) und Z_c((3/2)U) abgesehen die elektrischen Mobilitäten Z_c(U), Z_c((4/3)U), Z_c((3/2)U), Z_c(2U) und Z_c(3U) einander nicht überlappen, was ermöglicht die zu messenden Aerosolpartikel im DMA 300 unabhängig auszuklassieren.
Vorstehend wurde eine Einstellung, bei der die elektrischen Mobilitäten nicht überlappen, für Fälle beschrieben, in denen die Aufladungswertigkeit als Messziel in der Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 als bis zu drei- oder vierwertig vorgegeben wurde, was jedoch keine Einschränkung darstellt. Vielmehr können, indem man das Durchflussverhältnis δ in ähnlicher Weise einstellt, die zu messenden Aerosolpartikel im DMA 300 auch dann unabhängig ausklassiert werden, wenn als Messziel eine noch höherwertige Aufladungswertigkeit wie bis fünf- oder sechswertig vorgegeben wurde.
<Beziehung zwischen Durchflussverhältnis und Aufladungswertigkeit der Aerosolpartikel>
17 ist ein erläuterndes Diagramm eines Zusammenhangs zwischen dem Durchflussverhältnis und der Aufladungswertigkeit der klassierten Aerosolpartikel (Durchflussverhältnis = Probengas q₂ / Schleiergas q₁).
17 zeigt den Zusammenhang zwischen der als Messziel vorgegebenen Aufladungswertigkeit der Aerosolpartikel und dem einzustellenden Durchflussverhältnis δ = q₁/q₂ des Schleiergases q₁ und Probengases q₂, die in den DMA 300 eingelassen werden, in Form einer Tabelle. Konkret ist ausgedrückt, dass, wenn die Aufladungswertigkeit als Messziel als zweiwertig vorgegeben wird, eine Einstellung erforderlich ist, bei der am DMA 300 das Durchflussverhältnis δ < 1/3 erfüllt. Sonst auch, dass, wenn die Aufladungswertigkeit als Messziel als fünfwertig vorgegeben wird, eine Einstellung erforderlich ist, bei der am DMA 300 das Durchflussverhältnis δ < 1/11 erfüllt, und dass, wenn die Aufladungswertigkeit als Messziel als sechswertig vorgegeben wird, eine Einstellung erforderlich ist, bei der am DMA 300 das Durchflussverhältnis δ < 1/11 erfüllt. Im Übrigen kann, ohne Beschränkung der als Messziel vorgegebenen Aufladungswertigkeit auf bis zu sechswertig, das Durchflussverhältnis berechnet werden. Ferner liegen bis zur vierwertigen Aufladungswertigkeit die elektrischen Mobilitäten wie Z_c((4/3)U) oder Z_c((3/2)U) zwischen den elektrischen Mobilitäten Z_c(U) und Z_c(2U), während ab einer fünfwertigen Aufladungswertigkeit die elektrischen Mobilitäten wie Z_c((5/2)U) zwischen den elektrischen Mobilitäten Z_c(2U) und Z_c(3U) zu liegen kommen, sodass es keine Beschränkung der elektrische Mobilitäten auf das Intervall von Z_c(U) bis Z_c(2U) gibt.
Im Folgenden soll ein Verfahren zur Festlegung des obigen Durchflussverhältnisses entlang eines Ablaufbeispiels inhaltlich erläutert werden.
18 ist ein Flussdiagramm, welches das Ablaufbeispiel für einen Festlegungsprozess für das Durchflussverhältnis zeigt. Der Prozess kann auch zur Ausführung durch eine in der Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 eingebaute Kontrolleinheit eingerichtet sein.
Schritt S2000: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 legt das Aufladungszahlmaximum der unter den Aerosolpartikeln als Messziel zu nehmenden Aerosolpartikel als eine natürliche Zahl x von mindestens 2 fest. Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 führt als Nächstes Schritt S2010 aus.
Schritt 2010: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 definiert die als Referenz zu nehmende elektrische Mobilität Z_c(U). Konkret entspricht dem Z_c in Formel (11). Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 führt als Nächstes Schritt S2020 aus.
Schritt 2020: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 leitet eine erste Sondermobilitätsgruppe Z_c(U), Z_c(2U), Z_c(3U), Z_c(4U), ..., Z_c(xU) ab. Konkret entspricht Z_c(U), Z_c(2U), Z_c(3U) der ersten Sondermobilitätsgruppe für den Fall, dass x gleich 3 ist, und entspricht Z_c(U), Z_c(2U), Z_c(3U), Z_c(4U) der ersten Sondermobilitätsgruppe für den Fall, das x gleich 4 ist. Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 führt als Nächstes Schritt S2030 aus.
Schritt 2030: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 leitet eine zweite Sondermobilitätsgruppe Z_c(x/(x-1))(U), Z_c(x/(x-2))(U), ..., Z_c(x/2)(U), Z_c((x-1)/(x-2))(U), Z_c((x-1)/(x-3))(U), ..., Z_c((x-1)/2)(U), Z_c((x-2)/(x-3))(U), Z_c((x-2)/(x-4))(U), ..., Z_c((x-2)/2)(U), ..., Z_c(3/2)(U) ab. Konkret entspricht Z_c((3/2)U) der zweiten Sondermobilitätsgruppe für den Fall, dass x gleich 3 ist, und entspricht Z_c((4/3)U), Z_c((3/2)U) der zweiten Sondermobilitätsgruppe für den Fall, das x gleich 4 ist. Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 führt als Nächstes Schritt S2040 aus.
Schritt 2040: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 drückt die erste Sondermobilitätsgruppe mittels Z_c(U) aus. Konkret entspricht Z_c(U), (1/2)Z_c(U), (1/3)Z_c(U) der ersten Sondermobilitätsgruppe für den Fall, dass x gleich 3 ist, und entspricht Z_c(U), (1/2)Z_c(U), (1/3)Z_c(U), (1/4)Z_C(U) der ersten Sondermobilitätsgruppe für den Fall, das x gleich 4 ist. Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 führt als Nächstes Schritt S2050 aus.
Schritt 2050: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 drückt die zweite Sondermobilitätsgruppe mittels Z_c(U) aus. Konkret entspricht (2/3)Z_c(U) der zweiten Sondermobilitätsgruppe für den Fall, dass x gleich 3 ist, und entspricht (3/4)Z_c(U), (2/3)Z_c(U) der zweiten Sondermobilitätsgruppe für den Fall, das x gleich 4 ist. Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 führt als Nächstes Schritt S2060 aus.
Schritt 2060: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 definiert eine jeweilige Breite ±δ der in Schritt S2040 und Schritt S2050 ausgedrückten elektrischen Mobilitäten. Konkret wird jede elektrische Mobilität mittels Formel (13) ausgedrückt. Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 führt als Nächstes Schritt S2070 aus.
Schritt 2070: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 berechnet ein δ, für das die Bereiche der einzelnen elektrischen Mobilitäten der ersten Sondermobilitätsgruppe nicht miteinander interferieren. Konkret wird für den Fall, dass x gleich 3 ist, ein δ berechnet, für das die Breite von Z_c(U), die Breite von (1/2)Z_c(U) und die Breite von (1/3)Z_c(U) als die erste Sondermobilitätsgruppe nicht miteinander interferieren. Angenommen wird ein δ, das (1-δ)Z_c(U) > (1/2)(1+δ)Z_c(U) und (1/2)(1-δ)Z_c(U) > (1/3)(1+δ)Z_c(U) einzeln erfüllt, woraus jeweils für sich δ < 1/3, δ < 1/5 abgeleitet und als beides erfüllendes Ergebnis δ < 1/5 berechnet wird.
Oder, falls x gleich 4 ist, wird ein δ berechnet, für das die Breite von Z_c(U), die Breite von (1/2)Z_c(U), die Breite von (1/3)Z_c(U) und die Breite von (1/4)Z_c(U) als die erste Sondermobilitätsgruppe nicht miteinander interferieren. Angenommen wird ein δ, das (1-δ)Z_c(U) > (1/2)(1+δ)Z_c(U), (1/2)(1-δ)Z_c(U) > (1/3)(1+δ)Z_c(U) und (1/3)(1-δ)Z_c(U) > (1/4)(1+δ)Z_c(U) einzeln erfüllt, woraus jeweils für sich δ < 1/3, δ < 1/5, δ < 1/7 abgeleitet und als alles drei erfüllendes Ergebnis δ < 1/7 berechnet wird.
Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 führt als Nächstes Schritt S2080 aus.
Schritt 2080: Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 berechnet ein δ, für das die Bereiche der elektrischen Mobilitäten der ersten Sondermobilitätsgruppe und die Bereiche der elektrischen Mobilitäten der zweiten Sondermobilitätsgruppe nicht miteinander interferieren. Konkret wird für den Fall, dass x gleich 3 ist, ein δ berechnet, für das die Breite von Z_c(U), die Breite von (2/3)Z_c(U) und die Breite von (1/2)Z_c(U) als die erste Sondermobilitätsgruppe nicht miteinander interferieren. Angenommen wird ein δ, das (1-δ)Z_c(U) > (2/3)(1+δ)Z_c(U) und (2/3)(1-δ)Z_c(U) > (1/2)(1+δ)Z_c(U) einzeln erfüllt, woraus jeweils für sich δ < 1/5, δ < 1/7 abgeleitet und als beides erfüllendes Ergebnis δ < 1/7 berechnet wird.
Oder, falls x gleich 4 ist, werden ein δ, für das als die erste Sondermobilitätsgruppe der Bereich von Z_c(U) und die Breite von (3/4)Z_c(U) nicht miteinander interferieren, und ein δ berechnet, für das die Breite von (2/3)Z_c(U) und die Breite von (1/2)Z_c(U) nicht miteinander interferieren. Angenommen wird ein δ, das (1-δ)Z_c(U) > (3/4)(1+δ)Z_c(U) und (2/3)(1-δ)Z_c(U) > (1/2)(1+δ)Z_c(U) einzeln erfüllt, woraus jeweils für sich δ < 1/7, δ < 1/7 abgeleitet und als alles drei erfüllendes Ergebnis δ < 1/7 berechnet wird.
Die Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung 1 berechnet nun noch, auf Grundlage der in Schritt S2070 und Schritt 2080 berechneten δ, ein endgültiges δ, bei dem die Breiten benachbarter elektrischer Mobilitäten nicht miteinander interferieren. Konkret berechnet sie, wenn x gleich 3 ist, auf Grundlage des Berechnungsergebnisses δ < 1/5 aus dem früheren Schritt S2070 und des Berechnungsergebnisses δ < 1/7 aus dem früheren Schritt S2080 als ein beide Ergebnisse erfüllendes Resultat letztendlich δ < 1/7. Oder, wenn x gleich 4 ist, berechnet sie auf Grundlage des Berechnungsergebnisses δ < 1/7 aus dem früheren Schritt S2070 und des Berechnungsergebnisses δ < 1/7 aus dem früheren Schritt S2080 als ein beide Ergebnisse erfüllendes Resultat letztendlich δ < 1/7.
Demgemäß werden durch Einstellen der Durchflussmenge des Probengases und der Durchflussmenge des Schleiergases am DMA 300 derart, dass die obenstehend entsprechend der Aufladungswertigkeit der das Messziel darstellenden Aerosolpartikel berechneten endgültigen Bedingungen für das Durchflussverhältnis erfüllt werden, die das Messziel darstellenden Aerosolpartikel mit guter Genauigkeit ausklassiert, was ermöglicht die Partikelzahlen der Aerosolpartikel je Partikeldurchmesser mit noch besserer Genauigkeit zu zählen.

Claims

Durchflussverhältnisfestlegeverfahren, welches, wenn ein aufgeladene Aerosolpartikel enthaltendes Probenfluid und ein aus reiner Luft bestehendes Reinfluid in einem differentiellen Mobilitätsanalysator (DMA) (300) fließen gelassen werden, welcher die aufgeladenen Aerosolpartikel aufgrund ihrer elektrischen Mobilität in einem bestimmten elektrischen Feld ausklassiert, einen Aufladungszahlmaximumfestlegeschritt, welcher ein Aufladungszahlmaximum der unter den Aerosolpartikeln als Messziel zu nehmenden Aerosolpartikel als eine natürliche Zahl x von mindestens 2 festlegt, durchführt, und ein Durchflussverhältnis gleich einem Durchfluss des Probenfluids dividiert durch einen Durchfluss des Reinfluids berechnet, gekennzeichnet durch: einen Referenzmobilitätsdefinitionsschritt zum Definieren einer elektrischen Mobilität, welche die Beweglichkeit von Aerosolpartikeln mit einwertiger Aufladungszahl unter den das Messziel darstellenden Aerosolpartikeln in dem elektrischen Feld als Z_c(U) definiert, ausgedrückt mit einem elektrischen Spannungswert U, welcher zur Bildung des elektrischen Felds angelegt wird; einen Mobilitätsgruppenableitungsschritt zum Ableiten einer ersten Mobilitätsgruppe und einer zweiten Mobilitätsgruppe auf Grundlage des im Aufladungszahlmaximumfestlegeschritt festgelegten x, wobei die erste Mobilitätsgruppe die elektrische Mobilität Z_c(U) und elektrische Mobilitäten umfasst, welche mit einem durch jeweiliges Multiplizieren des Spannungswerts U mit den Werten von 2 bis x erhaltenen Spannungswert ausgedrückt werden, und die zweite Mobilitätsgruppe elektrische Mobilitäten umfasst, welche mit einem durch jeweiliges Multiplizieren des Spannungswerts U mit den einfachen Brüchen teilerfremder Zahlen unter den die Regelmäßigkeit x/(x-1), x/(x-2), ..., x/2, (x-1)/(x-2), (x-1)/(x-3), ..., (x-1)/2, (x-2)/(x-3), (x-2)/(x-4), ..., (x-2)/2, ..., 3/2 aufweisenden Werten erhaltenen Spannungswert ausgedrückt werden; einen Umwandlungsschritt zum Ausdrücken aller elektrischen Mobilitäten, welche in der im Mobilitätsgruppenableitungsschritt abgeleiteten ersten Mobilitätsgruppe und zweiten Mobilitätsgruppe enthalten sind, jeweils mittels der im Referenzmobilitätsdefinitionsschritt definierten Z_c(U); einen Bereichsdefinitionsschritt zum Definieren jeweiliger Bereiche für alle elektrischen Mobilitäten, welche in der im Mobilitätsgruppenableitungsschritt abgeleiteten ersten Mobilitätsgruppe und zweiten Mobilitätsgruppe enthalten sind, nach dem Umwandlungsschritt, wobei ein Bereich für eine gegebene elektrische Mobilität definiert ist als ein Bereich, in welchem die elektrische Mobilität durch Regulieren des Durchflussverhältnisses variierbar ist; und ein Abschlussberechnungsschritt zum Berechnen des Durchflussverhältnisses, bei welchem die im Bereichsdefinitionsschritt definierten Bereiche für die in der ersten Mobilitätsgruppe enthaltenen elektrischen Mobilitäten nicht miteinander interferieren, und bei welchem die Bereiche für die in der ersten Mobilitätsgruppe enthaltenen elektrischen Mobilitäten nicht mit den Bereichen für die in der zweiten Mobilitätsgruppe enthaltenen elektrischen Mobilitäten interferieren.
Verfahren zur Messung einer Partikelgrößenverteilung bezüglich eines Partikeldurchmessers unter Verwendung einer Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung (1) mit einem Neutralisator (200), welcher Aerosolpartikel in einen Aufladungsgleichgewichtszustand versetzt, einem Mobilitätsanalysator (300), welcher vom Neutralisator (200) aufgeladene Aerosolpartikel in einem vorbestimmten elektrischen Feld anhand einer elektrischen Mobilität ausklassiert, und einer Aerosolpartikelmessvorrichtung (400), welche die vom Mobilitätsanalysator (300) ausklassierten Aerosolpartikel mittels eines elektrischen und/oder optischen Messverfahrens misst, um ein Messergebnis auszugeben, mit: (A) einem Schritt des Versetzens von Aerosolpartikeln in einen Aufladungsgleichgewichtszustand; gekennzeichnet durch: (B) einen Schritt des Ausklassierens in Schritt (A) aufgeladener Aerosolpartikel mittels des Mobilitätsanalysators (200), wobei ein die in Schritt (A) aufgeladenen Aerosolpartikel enthaltendes Probenfluid und ein aus reiner Luft bestehendes Reinfluid auf Grundlage eines mittels des Durchflussverhältnisfestlegeverfahrens nach Anspruch 1 berechneten Durchflussverhältnisses durch das vorbestimmte elektrische Feld fließen gelassen werden, eine zur Bildung des elektrischen Feldes an den Mobilitätsanalysator anzulegende, als Referenz dienende elektrische Spannung auf einen Spannungswert U grundeingestellt, und eine erste Ausklassierung der Aerosolpartikel unter Anlegen der elektrische Spannung mit dem grundeingestellten Spannungswert U ausgeführt wird; (C) einen Schritt des Messens der in Schritt (B) ausklassierten Aerosolpartikel mittels der Aerosolpartikelmessvorrichtung (400) gemäß einem elektrischen und/oder optischen Messverfahren, um das Messergebnis auszugeben; (D) einen Schritt des Feststellens basierend auf dem in Schritt (C) ausgegebenen Messergebnis, ob eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist; (E) einen Schritt des, wenn in Schritt (D) festgestellt wurde, dass die Bedingung erfüllt ist, Berechnens einer Partikelgrößenverteilung bezüglich eines Partikeldurchmessers auf Grundlage des in Schritt (C) ausgegebenen Messergebnisses und des, wenn in Schritt (D) festgestellt wurde, dass die Bedingung nicht erfüllt ist, Ausführens: (a) eines Ablaufs zum Neueinstellen der zur Bildung des elektrischen Feldes anzulegenden elektrischen Spannung auf eine Summe des bei der in Schritt (B) zuletzt ausgeführten Ausklassierung eingestellten Spannungswerts (voriger Wert) und des Spannungswerts U, und Ausführen einer erneuten Ausklassierung von Aerosolpartikeln unter Anlegen der elektrischen Spannung mit dem neueingestellten Spannungswert; (b-1) eines Ablaufs zum Ausgeben des Messergebnisses für die in Schritt (B) unter Anlegen der elektrischen Spannung mit dem grundeingestellten Spannungswert U ausklassierten Aerosolpartikel als ein erstes Messergebnis M1; (b-2) eines Ablaufs zum Ausgeben, jedes Mal bei Ausführung einer erneuten Ausklassierung in Ablauf (a), des neuen Messergebnisses für die ausklassierten Aerosolpartikel als ein erneutes Messergebnis Mx; (c) eines Ablaufs zum Berechnen eines Verhältnisses des in Ablauf (b-2) ausgegebenen Messergebnisses Mx und des in Ablauf (b-1) ausgegebenen Messergebnisses M1; (d) eines Ablaufs zum Feststellen, dass die Bedingung noch nicht erfüllt ist, um die Abläufe (a), (b) und (c) auszuführen, wenn das in Ablauf (c) berechnete Verhältnis größer als ein definierter Wert ist, und zum Feststellen andererseits, dass die Bedingung erfüllt ist, wenn das in Ablauf (c) berechnete Verhältnis nicht größer als der definierte Wert ist; und (e) eines Ablaufs zum Berechnen, wenn festgestellt wurde, dass die Bedingung erfüllt ist, der Partikelgrößenverteilung bezüglich des Partikeldurchmessers aus den Messergebnissen, basierend auf einer Ladungswahrscheinlichkeit bei der Aufladung der Aerosolpartikel in Schritt (A).
Verfahren zur Messung einer Partikelgrößenverteilung nach Anspruch 2, wobei in Schritt (B), wenn das Aufladungszahlmaximum x gleich 2 ist, auf Grundlage dessen, dass das gemäß dem Durchflussverhältnisfestlegeverfahren nach Anspruch 1 berechnete Durchflussverhältnis 1/3 beträgt, der Durchfluss des Reinfluids auf mehr als das Dreifache des Durchflusses des Probenfluids eingestellt wird.
Verfahren zur Messung einer Partikelgrößenverteilung nach Anspruch 2, wobei in Schritt (B), wenn das Aufladungszahlmaximum x gleich 3 oder 4 ist, auf Grundlage dessen, dass das gemäß dem Durchflussverhältnisfestlegeverfahren nach Anspruch 1 berechnete Durchflussverhältnis 1/7 beträgt, der Durchfluss des Reinfluids auf mehr als das Siebenfache des Durchflusses des Probenfluids eingestellt wird.
Verfahren zur Messung einer Partikelgrößenverteilung nach Anspruch 2, wobei in Schritt (B), wenn das Aufladungszahlmaximum x gleich 5 oder 6 ist, auf Grundlage dessen, dass das gemäß dem Durchflussverhältnisfestlegeverfahren nach Anspruch 1 berechnete Durchflussverhältnis 1/11 beträgt, der Durchfluss des Reinfluids auf mehr als das Elffache des Durchflusses des Probenfluids eingestellt wird.
Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung (1) mit einem Neutralisator (200), welcher Aerosolpartikel in einen Aufladungsgleichgewichtszustand versetzt, einem Mobilitätsanalysator (300), welcher vom Neutralisator (200) aufgeladene Aerosolpartikel in einem vorbestimmten elektrischen Feld anhand einer elektrischen Mobilität ausklassiert, und einer Aerosolpartikelmessvorrichtung (400), welche die vom Mobilitätsanalysator (300) ausklassierten Aerosolpartikel mittels eines elektrischen und/oder optischen Messverfahrens misst, um ein Messergebnis auszugeben, gekennzeichnet durch: ein Fließmittel (300), welches ein die vom Neutralisator (200) aufgeladenen Aerosolpartikel enthaltendes Probenfluid und ein aus reiner Luft bestehendes Reinfluid auf Grundlage des gemäß dem Durchflussverhältnisfestlegeverfahren nach Anspruch 1 berechneten Durchflussverhältnisses durch das elektrische Feld fließen lässt; ein Referenzspannungseinstellmittel (1), (300), welches eine zur Bildung des elektrischen Feldes an den Mobilitätsanalysator anzulegende, als Referenz dienende elektrische Spannung auf einen Spannungswert U grundeinstellt; ein Referenzausklassierungsausführmittel (1), (300), welches die elektrische Spannung mit dem grundeingestellten Spannungswert U anlegt, um mit dem Mobilitätsanalysator eine Ausklassierung von Aerosolpartikeln auszuführen; ein Feststellmittel (1), (600), welches basierend auf dem von der Aerosolpartikelmessvorrichtung (400) ausgegebenen Messergebnis feststellt, ob eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist; ein Partikelgrößenverteilungsberechnungsmittel (600), welches, wenn das Feststellmittel (1), (600) festgestellt hat, dass die Bedingung erfüllt ist, aus dem von der Aerosolpartikelmessvorrichtung (400) ausgegebenen Messergebnis eine Partikelgrößenverteilung bezüglich eines Partikeldurchmessers berechnet; ein Neuausklassierungsausführmittel (1), (300), welches, wenn das Feststellmittel (1), (600) festgestellt hat, dass die Bedingung nicht erfüllt ist, den Mobilitätsanalysator (300) in einem Zustand, in welchem die zur Bildung des elektrischen Feldes anzulegende elektrische Spannung auf eine Summe des bei der zuletzt ausgeführten Ausklassierung eingestellten Spannungswerts (voriger Wert) und des Spannungswerts U neu eingestellt wurde, unter Anlegen der elektrischen Spannung mit dem neueingestellten Spannungswert eine erneute Ausklassierung von Aerosolpartikeln ausführen lässt; und ein Messungssteuermittel (1), (600), welches, wenn das Feststellmittel (1), (600) festgestellt hat, dass die Bedingung nicht erfüllt ist, die Aerosolpartikelmessvorrichtung (400) steuert, das Messergebnis für die vom Mobilitätsanalysator (300) unter Anlegen der elektrischen Spannung mit dem grundeingestellten Spannungswert U ausklassierten Aerosolpartikel als ein erstes Messergebnis M1 auszugeben, und bei Ausführung einer erneuten Ausklassierung durch das Neuausklassierungsausführmittel (1), (300) das neue Messergebnis für die ausklassierten Aerosolpartikel jedes Mal als ein erneutes Messergebnis Mx auszugeben; wobei das Feststellmittel (1), (600) ein Verhältnis des erneuten Messergebnisses Mx und des ersten Messergebnisses M1 berechnet, die unter der Steuerung des Messungssteuermittels (1), (600) von der Aerosolpartikelmessvorrichtung (400) ausgegeben wurden, um festzustellen, dass die Bedingung erfüllt ist, wenn das Verhältnis nicht größer als ein definierter Wert ist, und festzustellen, dass die Bedingung nicht erfüllt ist, wenn das Verhältnis größer als der definierte Wert ist; und wobei das Partikelgrößenverteilungsberechnungsmittel (600) aus den Messergebnissen die Partikelgrößenverteilung bezüglich des Partikeldurchmessers basierend auf einer Ladungswahrscheinlichkeit bei der Aufladung der Aerosolpartikel durch den Neutralisator (200) berechnet.
Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei das Fließmittel (300), wenn das Aufladungszahlmaximum x gleich 2 ist, auf Grundlage dessen, dass das gemäß dem Durchflussverhältnisfestlegeverfahren nach Anspruch 1 berechnete Durchflussverhältnis 1/3 beträgt, den Durchfluss des Reinfluids auf mehr als das Dreifache des Durchflusses des Probenfluids einstellt.
Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei das Fließmittel (300), wenn das Aufladungszahlmaximum x gleich 3 oder 4 ist, auf Grundlage dessen, dass das gemäß dem Durchflussverhältnisfestlegeverfahren nach Anspruch 1 berechnete Durchflussverhältnis 1/7 beträgt, den Durchfluss des Reinfluids auf mehr als das Siebenfache des Durchflusses des Probenfluids einstellt.
Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei das Fließmittel (300), wenn das Aufladungszahlmaximum x gleich 5 oder 6 ist, auf Grundlage dessen, dass das gemäß dem Durchflussverhältnisfestlegeverfahren nach Anspruch 1 berechnete Durchflussverhältnis 1/11 beträgt, den Durchfluss des Reinfluids auf mehr als das Elffache des Durchflusses des Probenfluids einstellt.