DE102017001436A1 - Partikelmessvorrichtung und Verfahren zum Betrieb derselben - Google Patents

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Abstract

Eine Partikelmessvorrichtung (1) hat einen optischen Partikelsensor (2, 3, 5, 6). Mittels des optischen Partikelsensors (2, 3, 5, 6) ist eine Partikelmassenkonzentration in einem Aerosolvolumen erfassbar. Des Weiteren hat die Partikelmessvorrichtung (1) eine Messkammer (7), in der das hinsichtlich der Partikelmassenkonzentration mittels des optischen Partikelsensors (2, 3, 5, 6) zu untersuchende Aerosolvolumen aufnehmbar ist, und eine Fördereinrichtung (11), mittels der das Aerosol in die Messkammer (7) einleitbar ist.
Um zu verhindern, dass die Partikelmessvorrichtung (1) im Betrieb durch Schmutz- bzw. Partikelablagerungen beeinträchtigt wird, wird vorgeschlagen, dass die Fördermenge der Fördereinrichtung (11) der Partikelmessvorrichtung (1) einstellbar ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Partikelmessvorrichtung mit einem optischen Partikelsensor, mittels dem eine Partikelmassenkonzentration in einem Aerosolvolumen erfassbar ist, einer Messkammer, in der das hinsichtlich der Partikelmassenkonzentration mittels des optischen Partikelsensors zu untersuchende Aerosolvolumen aufnehmbar ist, und einer Fördereinrichtung, mittels der das Aerosol in die Messkammer einleitbar ist sowie auf ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb einer Partikelmessvorrichtung.
  • Unter einem Aerosol versteht man in Luft bzw. einem Trägergas suspendierte Teilchen oder Partikel in flüssiger oder fester Phase im luftgetragenen Zustand. Das Aerosol wird als disperses System betrachtet, das aus festen oder flüssigen Partikeln gebildet wird, die in Luft bzw. einem Trägergas fein verteilt sind.
  • Aerosole werden durch einige elementare Merkmale gekennzeichnet. Ein einzelnes individuelles Aerosolteilchen wird durch drei Merkmale, nämlich Form, Größe und Substanz, beschrieben. Das Aerosol als Ansammlung vieler einzelner Teilchen bzw. als Partikelkollektiv wird durch weitere Eigenschaften, nämlich Konzentration und Partikelgrößenverteilung, ergänzend beschrieben.
  • Optische Partikelsensoren arbeiten häufig mit elektromagnetischen Strahlungen in einem Wellenlängenbereich von 600nm bis 780nm.
  • Der Wellenlängenbereich von 380nm bis 780nm wird auch als Licht bezeichnet, da er im Wahrnehmungsbereich des menschlichen Auges liegt.
  • Im Folgenden wird daher statt des Begriffs der elektromagnetischen Strahlung auch der Begriff des Lichts verwendet, da dieser Begriff den für optische Partikelsensoren üblichen Bereich der elektromagnetischen Wellenlängen abdeckt.
  • Häufig wird eine Wellenlänge von ca. 655nm verwendet, da es sehr preiswerte Laserdioden mit dieser Wellenlänge als Quelle für das benötigte Licht gibt.
  • Zur Messung der Partikelmassenkonzentrationen werden Aerosolphotometer (APM) verwendet, die in der technischen Literatur auch „Ligth-Scattering Nephelometer“ genannt werden.
  • Aerosolphotometer messen die Konzentration in einem Partikelkollektiv. Das Messergebnis ist die Partikelmassenkonzentration. Diese wird häufig in mg/m3 angegeben.
  • Aufgrund ihrer Funktionsweise können Aerosolphotometer bei Partikelmassenkonzentrationen bis zu mehreren 100 mg/m3 eingesetzt werden.
  • Als monochromatische Lichtquelle für Aerosolphotometer kommen entweder Laserdioden oder lichtemittierende Dioden (LED) zum Einsatz. Bei preiswerten Aerosolphotometern werden LED verwendet. Im Prinzip fallen z.B. optische Rauchmelder in die Gruppe der Aerosolphotometer.
  • Bei Aerosolphotometern muss regelmäßig ein Nullpunktabgleich durchgeführt werden, da Verschmutzung und Umwelteinflüsse zu einer Drift des Nullpunktes führen. Hochwertige Aerosolphotometer sind mit Mitteln versehen, um diesen Nullpunktabgleich automatisch durchführen zu können. Hierzu wird das Aerosol zuerst durch einen Filter oder über einen Abscheider geführt, damit sich in dem Messvolumen keine detektierbaren Partikel mehr befinden. Der dann aufgenommene „Korrekturwert“ wird abgespeichert und bei darauf folgenden Aerosolmessungen von den Photometermesswerten abgezogen. Die Differenz wird dann als Photometermesswert ausgegeben.
  • Bei Umweltmessungen in Großstädten sind Aerosolphotometer die geeigneten Messgeräte. In stark belasteten Großstädten werden teilweise Partikelmassenkonzentrationen von über 0,4 mg/m3 gemessen.
  • Eine andere Klasse optischer Partikelsensoren sind die optischen Einzelpartikel-Zählphotometer (Optical particle counter, OPC). Auch diese Messgeräte nutzen den Effekt der Lichtstreuung an Aerosolen. Im Gegensatz zu den Aerosolphotometern wird jedoch kein Partikelkollektiv gemessen, sondern einzelne Partikel. Dafür sind die optischen und elektrischen Anforderungen deutlich höher als bei den Aerosolphotometern. Im Aerosolphotometer wird das von tausenden Partikeln gestreute Licht erfasst. Da in einem Einzelpartikel-Zählphotometer nur noch das von einem einzelnen Partikel gestreute Licht erfasst wird, ist eine deutlich höhere Empfindlichkeit und/oder Lichtintensität notwendig.
  • Das optische Messvolumen, das in Aerosolphotometern durchaus einige 100 bis 1000 mm3 betragen kann, muss bei Einzelpartikel-Zählphotometern deutlich verkleinert werden. Wenn mit einem Einzelpartikel-Zählphotometer z.B. 1000 Partikel pro cm3 fehlerfrei gemessen werden sollen, so darf das optische Messvolumen nur ca. 0,5 mm3 groß sein. So ist sichergestellt, dass sich bis zu einer Partikelanzahlkonzentration von 1000 Partikeln pro cm3 immer nur ein Partikel im optischen Messvolumen befindet. Ca. 1000 Partikel pro cm3 hat man z.B. in Shanghai bei einer PM2.5-Luftbelastung von 120 µg/m3.
  • Bei höheren Partikelanzahlkonzentrationen treten dann sog. Koinzidenz-Fehler auf.
  • Es befinden sich dann mehrere Partikel gleichzeitig im optischen Messvolumen. Diese werden dann als einzelner Partikel erfasst und in eine falsche Größenklasse eingestuft. Dadurch ergeben sich Fehler im Messergebnis.
  • Diese Koinzidenz-Fehler bewirken, dass in dem vorgenannten Fall schon ab einer relativ geringen Belastung von 120 µg/m3 dieses Einzelpartikel-Zählphotometer nicht mehr eingesetzt werden kann.
  • Einzelpartikel-Zählphotometer haben in ihrem nutzbaren Konzentrationsbereich jedoch einige technische Vorteile gegenüber Aerosolphotometern.
  • Einzelpartikel-Zählphotometer haben keine Nullpunktdrift, da eine Signalform bewertet wird und nicht ein Signalwert.
  • Neben der Partikelanzahl kann auch noch die Partikelgrößenverteilung (Particle Size Distribution, PSD) anhand der Signalformen erfasst werden.
  • Einzelpartikel-Zählphotometer berechnen die Partikelmassenkonzentration in einem Aerosol, in dem sie die erfassten Partikelgrößen in Größenklassen (Bins) einteilen und für jede Größenklasse bzw. für jeden Bin die Anzahlhäufigkeit erfassen. Jeder Größenklasse bzw. jedem Bin ist ein spezifischer Gewichtungsfaktor zugeordnet, der mit der Anzahl Häufigkeit multipliziert die Partikelmasse für diese Größenklasse bzw. für diesen Bin ergibt.
  • Werden die Partikelmassen aller relevanten Größenklassen bzw. Bins addiert, so ergibt sich die Gesamtmassenkonzentration.
  • Um PM2.5 zu berechnen, werden die Partikelmassen aller Größenklassen bzw. Bins bis zu einer Partikelgröße von 2,5µm Durchmesser aufaddiert.
  • Um PM10 zu berechnen, werden die Partikelmassen aller Größenklassen bzw. Bins bis zu einer Partikelgröße von 10µm Durchmesser aufaddiert.
  • Einzelpartikel-Zählphotometer reagieren wesentlich robuster auf Veränderungen der Partikelgrößenverteilung im Aerosol. Wenn sich die Partikelgrößenverteilung im Aerosol zu großen Partikeln hin verändert, so erfolgt mit Aerosolphotometern eine Unterabschätzung der Masse, da die Masse eines Partikels mit dem Quadrat der Fläche wächst. Das gestreute Licht ist jedoch linear zur Oberfläche.
  • Die Standzeit und die Verschmutzungsunempfindlichkeit eines optischen Partikelsensors einer Partikelmessvorrichtung sind wesentliche Eigenschaften für einen zuverlässigen und wartungsarmen Betrieb einer derartigen Partikelmessvorrichtung.
  • Derartige einen optischen Partikelsensor aufweisende Partikelmessvorrichtungen, mittels denen die Partikelmassenkonzentration in einem Aerosolvolumen erfassbar sind, verfügen in der Regel über eine Fördereinrichtung, mittels der das zu analysierende Aerosol durch eine dem optischen Partikelsensor zugeordnete Messkammer der Partikelmessvorrichtung gefördert werden kann.
  • Üblicherweise werden als entsprechende Fördereinrichtung Pumpen oder Ventilatoren eingesetzt.
  • Pumpen haben den Vorteil, dass pro Hub ein relativ genau definiertes Volumen gefördert wird. Bei Ventilatoren hängt das geförderte Volumen in sehr viel größerem Ausmaß von äußeren Einflüssen ab, z.B. von lokalen Druckunterschieden oder unterschiedlichen Strömungswiderständen oder Leitungslängen zwischen einem Messgerät und der Probenstelle.
  • Pumpen haben jedoch häufig aufgrund der notwendigen Dichtungen und Ventile den Nachteil einer kürzeren Lebensdauer - im Vergleich zu Ventilatoren. Zudem ist das mit dem Pumpenbetrieb einhergehende pulsierende Geräusch störender und lässt sich schlechter dämpfen, als die mit dem Betrieb eines Ventilators einhergehenden Geräusche.
  • Für im Automobilbereich eingesetzte derartige Partikelmessvorrichtungen werden Betriebszeiten von mindestens 6000 Stunden gefordert. Eine Wartung oder ein Austausch der Partikelmessvorrichtung bzw. von Bauteilen derselben ist in diesem Zeitraum nicht gewünscht oder nicht möglich. Während einer derart langen Betriebszeit ist die Wahrscheinlichkeit von Verschmutzungen insbesondere des optischen Partikelsensors der Partikelmessvorrichtung durch Aerosolablagerungen sehr groß.
  • Die aufgrund derartiger Aerosolablagerungen entstehende Verschmutzung der optischen Komponenten, insbesondere des optischen Partikelsensors, führt zu deutlich reduzierten elektrischen Signalen der Partikelmessvorrichtung bei einem vorgegebenen Aerosol. Selbstverständlich sind auch die Kalibrierfaktoren nicht mehr zutreffend bzw. passen nicht mehr. Da die in der Partikelmessvorrichtung erhaltenen elektrischen Signale bei einem vorgegebenen Partikel aufgrund der Verschmutzungen kleiner werden, wird dieser Partikel automatisch in eine kleinere Partikelklasse eingeordnet. Als Konsequenz werden mittels der Partikelmessvorrichtung zu geringe Belastungswerte ausgegeben.
  • Darüber hinaus führen Verschmutzungen bzw. Staubablagerungen insbesondere auf Flügeln von Ventilatoren stets zu Unwuchten und zu reduzierten Förderleistungen der Ventilatoren. Die Unwuchten gehen mit störenden Geräuschen und einem vorzeitigen Lagerverschleiß der Ventilatoren einher.
  • Bei aus dem Stand der Technik bekannten Partikelmessvorrichtungen fördert eine Fördereinrichtung derselben z.B. eine Luftmenge von 2 1 je Minute durch die Messkammer der Partikelmessvorrichtung. Dies sind bei einer geforderten Betriebszeit der Partikelmessvorrichtung von 6000 Stunden etwa 720 m3 Gesamtfördervolumen. In chinesischen Großstädten liegt die Partikelmassenkonzentration im Jahresmittel beispielsweise teilweise bei 0,2 mg/m3. Für eine Partikelmessvorrichtung bedeutet dies, dass in 6000 Stunden Betriebszeit ungefähr 144 mg Staubpartikel durch die Messkammer der Partikelmessvorrichtung gefördert werden.
  • Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Partikelmessvorrichtung bzw. ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Partikelmessvorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei der bzw. bei dem es möglich ist, die Staubbelastung der Partikelmessvorrichtung, insbesondere die Staubbelastung ihres optischen Partikelsensors, über die Betriebszeit, z.B. 6000 Stunden, deutlich zu reduzieren.
  • Diese Aufgabe wird für eine Partikelmessvorrichtung mit einem optischen Partikelsensor, mittels dem eine Partikelmassenkonzentration in einem Aerosolvolumen erfassbar ist, einer Messkammer, in der das hinsichtlich der Partikelmassenkonzentration mittels des optischen Partikelsensors zu untersuchende Aerosolvolumen aufnehmbar ist, und einer Fördereinrichtung, mittels der das Aerosol in die Messkammer einleitbar ist, dadurch gelöst, dass die Fördermenge der Fördereinrichtung der Partikelmessvorrichtung einstellbar ist. Entsprechend erfolgt die Lösung bei dem Verfahren zum Betrieb der Partikelmessvorrichtung dadurch, dass eine Fördermenge der Fördereinrichtung verstellt wird.
  • Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Verstellbarkeit der Fördereinrichtung der Partikelmessvorrichtung wird die Möglichkeit eröffnet, das Fördervolumen, welches durch die Messkammer der Partikelmessvorrichtung fließt, anzupassen, und zwar kann bei hohen Partikelmassenkonzentrationen das die Messkammer durchströmende Fördervolumen reduziert werden, ohne dass die Aussagekraft der mittels der Partikelmessvorrichtung ausgegebenen Belastungswerte in irgendeiner Form beeinträchtigt würde. Andererseits wird durch die je nach Partikelmassenkonzentration mögliche erhebliche Reduzierung des durch die Messkammer der Partikelmessvorrichtung strömenden Fördervolumens sichergestellt, dass die Masse an Staubpartikeln, die durch die Messkammer gefördert wird, erheblich reduziert wird, wodurch selbstverständlich in gleicher Weise Staubablagerungen auf den optischen Bauteilen, insbesondere auf dem optischen Partikelsensor, reduziert werden.
  • Wenn die Fördereinrichtung der Partikelmessvorrichtung bei Inbetriebnahme der Partikelmessvorrichtung mit einer vorgebbaren Nennfördermenge betreibbar ist, kann bei der Berechnung des Ausgabewerts der Partikelmessvorrichtung eine Änderung der Fördermenge, die vorgenommen wird, um Staubablagerungen etc. insbesondere am optischen Partikelsensor zu reduzieren, mit einem geringen Aufwand berücksichtigt werden.
  • Zweckmäßigerweise ist die Fördermenge der Fördereinrichtung in Abhängigkeit von der mittels des optischen Partikelsensors erfassten Partikelmassekonzentration, vorzugsweise programmgesteuert, einstellbar. Bei dieser Vorgehensweise kann die Verschmutzung der optischen Bauteile der Partikelmessvorrichtung durch Aerosolablagerungen minimiert werden, wobei dennoch aussagekräftige Ausgabewerte der Partikelmessvorrichtung möglich sind.
  • Vorteilhaft wird somit die Fördermenge der Fördereinrichtung entsprechend einer ansteigenden Partikelmassenkonzentration reduziert und entsprechend einer abfallenden Partikelmassenkonzentration erhöht.
  • Um sicherzustellen, dass auch bei außerordentlich hohen Partikelmassenkonzentrationen aussagekräftige Ausgabewerte der Partikelmessvorrichtung zur Verfügung gestellt werden können, ist es vorteilhaft, wenn bei ansteigender Partikelmassenkonzentration eine Mindestfördermenge der Fördereinrichtung vorgebbar ist.
  • In technisch-konstruktiv wenig aufwendiger Weise lässt sich eine zuverlässige Anpassung der Fördermenge an die jeweils vorhandene Partikelmassenkonzentration bewerkstelligen, wenn die Fördermenge der Fördereinrichtung mittels einer einstellbaren Betriebsspannungsquelle regelbar ist, in deren Steuereinheit das Messsignal des optischen Partikelsensors eingebbar ist. Hierdurch kann in einfacher Weise ein Verfahren bzw. eine Betriebsweise der Partikelmessvorrichtung erreicht werden, die von der jeweiligen Partikelmassenkonzentration im Aerosol abhängt.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Partikelmessvorrichtung zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in Aerosolen;
    • 2 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Partikelmessvorrichtung; und
    • 3 eine grafische Darstellung zwischen der Einstellung einer Fördermenge einer Fördereinrichtung der erfindungsgemäßen Partikelmessvorrichtung in Abhängigkeit von einer sich ändernden Partikelmassenkonzentration.
  • Eine in 1 in einer Prinzipdarstellung gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Partikelmessvorrichtung 1 ist als Aerosolphotometer (APM) 1 ausgebildet. Das Aerosolphotometer 1 dient der Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in einem Aerosol.
  • Das Aerosolphotometer 1 hat eine monochromatische Lichtquelle 2, die als Laser-Diode oder als lichtemittierende Diode (LED) ausgebildet sein kann. Die von der monochromatischen Lichtquelle 2 des Aerosolphotometers 1 abgestrahlte Lichtstrahlung wird in einer optischen Linse 3 gebündelt. Der die optische Linse 3 verlassende Lichtstrahl quert eine Gasströmung 4, die das zu messende Aerosol mit sich führt. Von in der Gasströmung 4 enthaltenen Partikeln des Aerosols wird Licht in Richtung auf eine weitere optische Linse 5 bzw. einen dahinter angeordneten Reflektor 6 reflektiert. Durch die beiden optischen Linsen 3, 5 ergibt sich das in 1 prinzipiell dargestellte Messvolumen 7 bzw. die entsprechende Messkammer 7. Die in dem Messvolumen bzw. in der Messkammer 7 aufgrund der dort vorhandenen Partikel des Aerosols in Richtung auf den Reflektor 6 gerichtete und mittels der optischen Linse 5 gebündelte Lichtstrahlung wird am Reflektor 6 erfasst, wobei ein der erfassten Lichtstrahlung entsprechender Photometermesswert an eine Auswerteeinheit 8 der Partikelmessvorrichtung bzw. des Aerosolphotometers 1 weitergeleitet wird.
  • Der vom Reflektor 6 des Aerosolphotometers 1 zur Auswerteeinheit 8 weitergeleitete Photometermesswert entspricht der im Messvolumen bzw. in der Messkammer 7 vorhandenen bzw. erfassten Partikelbelastung.
  • Bei dem Aerosolphotometer (APM) 1 der anhand von 1 geschilderten Ausführung liegt ein großer Vorteil darin, dass der in der Auswerteeinheit 8 erfasste Messwert unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit der das zu messende Aerosol führenden Gasströmung 4 ist. Im Falle des Aerosolphotometers (APM) 1 wird das Messvolumen durch das optische Messvolumen bestimmt.
  • An die Auswerteeinheit 8 des in 1 gezeigten Aerosolphotometers 1 ist eine Steuereinheit 9 für eine Betriebsspannungsquelle 10 einer Fördereinrichtung 11 angeschlossen, mittels der die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Volumenstrom der das Aerosolphotometer 1 durchströmenden Gasströmung 4 einstellbar ist.
  • Je nach in der Gasströmung 4 vorliegender Partikelmassenkonzentration, die von der Auswerteeinheit 8 des Aerosolphotometers 1 zur Steuereinheit 9 der Betriebsspannungsquelle 10 der Fördereinrichtung 11 weitergeleitet wird, wird mittels der Steuereinheit 9 die Betriebsspannungsquelle 10 und damit die Fördereinrichtung 11 betrieben. Bei einer hohen Partikelmassenkonzentration wird die Fördereinrichtung 11 heruntergefahren, so dass die Geschwindigkeit der Gasströmung 4 herabgesetzt wird. Bei einer niedrigen Partikelmassenkonzentration wird die Fördereinrichtung 11 heraufgefahren, so dass die Strömungsgeschwindigkeit der Gasströmung 4 erhöht wird.
  • Die Belastung der optischen Bauteile des Aerosolphotometers 1 mit Staubpartikeln kann dadurch minimiert werden, ohne dass die Aussagekraft der von der Auswerteeinheit 8 ausgegebenen Ausgabewerte für die Partikelmassenkonzentration beeinträchtigt würde.
  • Wie sich am anschaulichsten aus 3 ergibt, wird die mittels der Fördereinrichtung 11 einstellbare Geschwindigkeit der Gasströmung 4 und damit die Fördermenge reduziert, wenn die Partikelmassenkonzentration ansteigt, wohingegen die Fördermenge erhöht wird, wenn die Partikelmassenkonzentration abfällt.
  • Eine in 2 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Partikelmessvorrichtung ist als Einzelpartikel-Zählphotometer 12 ausgeführt. Ein derartiges Einzelpartikel-Zählphotometer 12 (Optical particle counter, OPC) ist ein optisches Messgerät, mittels dem die Einzelpartikel in einem Aerosol gezählt und in eine Größenklasse (BIN) eingestuft werden können. Aufgrund des optischen Messvolumens und der geforderten Koinzidenz können Einzelpartikel-Zählphotometer 12 nur bei Gasströmungen mit vergleichsweise niedrigen Partikelkonzentrationen verwendet werden.
  • Sofern vergleichsweise hohe Partikelanzahlkonzentrationen gemessen werden, werden daher eher Aerosolphotometer 1 eingesetzt, die auch als Nephelometer bezeichnet und vorstehend anhand von 1 erläutert worden sind.
  • Die Einzelpartikel-Zählphotometer 12, wie eines in 2 dargestellt ist, können jedoch durch die Integration des eigentlichen Messsignals in ein Verhalten überführt werden, welches mehr oder weniger dem eines Aerosolphotometers 1 entspricht.
  • Bei dem in 1 gezeigten Einzelpartikel-Zählphotometer 12 wird das Messvolumen durch die das Einzelpartikel-Zählphotometer 12 durchströmende Fördermenge und die Messzeit bestimmt. Das in 2 gezeigte Einzelpartikel-Zählphotometer 12 hat ebenfalls eine monochromatische Lichtquelle 13, die als Laser-Diode oder lichtemittierende Diode (LED) ausgebildet sein kann. Die monochromatische Lichtquelle 13 strahlt Lichtstrahlung ab, die in einer optischen Linse 14 gebündelt wird. Der in der optischen Linse 14 gebündelte Lichtstrahl quert eine Gasströmung 15, die das zu messende Aerosol trägt. Das in 2 lediglich prinzipiell dargestellte Messvolumen bzw. die entsprechende Messkammer 16 des Einzelpartikel-Zählphotometers 12 ist erheblich kleiner als das anhand von 1 beschriebene Messvolumen 7 bzw. die entsprechende Messkammer 7 des Aerosolphotometers 1.
  • Dies wird bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des Einzelpartikel-Zählphotometers 12 dadurch erreicht, dass das von der monochromatischen Lichtquelle 13 abgestrahlte Licht mittels der optischen Linse 14 viel stärker fokussiert wird, als dies durch die optische Linse 3 des Aerosolphotometers 1 realisiert wird.
  • Das Messvolumen bzw. die Messkammer 16 des Einzelpartikel-Zählphotometers 12 wird unter Berücksichtigung der erwartbaren Werte zu messender Aerosole so bemessen, dass in ihm lediglich ein einziger Partikel des Aerosols vorhanden ist. Die von dem im Messvolumen bzw. in der Messkammer 16 des Einzelpartikel-Zählphotometers 12 reflektierte Lichtstrahlung wird durch eine optische Linse 17 auf einen im Strahlungsweg hinter der optischen Linse 17 befindlichen Reflektor 18 des Einzelpartikel-Zählphotometers 12 gerichtet. Für jeden einzelnen Partikel des Aerosols, der mit der Gasströmung 15 das Messvolumen bzw. die Messkammer 16 des Einzelpartikel-Zählphotometers 12 durchströmt, wird somit am Reflektor 18 des Einzelpartikel-Zählphotometers 12 ein einem einzelnen Partikel entsprechender Einzelmesswert an eine Auswerteeinheit 19 des Einzelpartikel-Zählphotometers 12 weitergeleitet. Jeder Einzelmesswert entspricht dem von einem einzigen Partikel des zu messenden Aerosols reflektierten und durch die optische Linse 17 zum Reflektor 18 des Einzelpartikel-Zählphotometers 12 gerichteten Licht.
  • Bei dem Einzelpartikel-Zählphotometer 12, wie es in 2 dargestellt und vorstehend beschrieben worden ist, hat das optische Messvolumen bzw. die Messkammer 16 z.B. ein Volumen von 0,02 cm × 0,2 cm × 0,2 cm = 0,0008 cm3. Damit können Partikelanzahlkonzentrationen bis ca. 1000 Partikel pro cm3 ohne Koinzidenzfehler gezählt werden. Bei einer Fördermenge von 1,2 1 pro Minute ergibt sich ein Messvolumen von 20 cm3 pro Sekunde. Es können somit pro Sekunde maximal 20 cm3 × 1000 Partikel/cm3 = 20000 Partikel gezählt werden.
  • Beim Einzelpartikel-Zählphotometer 12 werden die Spitzenwerte bzw. Peaks im vom Reflektor 18 ausgegebenen Intensitätssignal detektiert, wobei die Anzahlhäufigkeit dieser Spitzenwerte gezählt wird. Entsprechend der Höhe der Spitzenwerte bzw. Peaks werden diese in die bereits erwähnten Größenklassen (Bins) eingestuft. Die Anzahlhäufigkeit pro Größenklasse (Bin) wird mit einem für das Einzelpartikel-Zählphotometer 12 vorgegebenen Kalibrierwert multipliziert, um auf die Partikelmasse für die jeweilige Größenklasse (Bin) zu kommen.
  • Anschließend werden die Partikelmassen aller für die Messung relevanten Größenklassen aufaddiert, um die Partikelmassenkonzentration des gemessenen Aerosols zu erhalten. Für eine zu ermittelnde Partikelmassenkonzentration mit einem maximalen Partikeldurchmesser von 2,5µm, genannt PM2.5, werden z.B. alle Größenklassen bis zu einem Partikeldurchmesser von 2,5µm addiert. Entsprechend werden für PM10 alle Größenklassen bis zu einem Partikeldurchmesser von 10µm addiert.
  • Mit sich ändernder Fördermenge ändert sich bei Einzelpartikel-Zählphotometern 12 auch die Anzahlhäufigkeit pro Größenklasse (Bin) und damit die in der Auswerteeinheit 19 berechnete Partikelmassenkonzentration. Um diesen die Aussagekraft der mittels des Einzelpartikel-Zählphotometers 12 auszugebenden Ausgabewerte beeinträchtigenden Effekt zu unterbinden, ist die Auswerteeinheit 19 des in 2 gezeigten Einzelpartikel-Zählphotometers 12 mit einem Integrationsglied ausgestaltet, mittels dem das Integral der vorstehend beschriebenen Spitzenwerte bzw. Peaks des Intensitätssignals gebildet wird. Entsprechend ist der von der Auswerteeinheit 19 zur Verfügung gestellte Ausgabewert, wie bei einem anhand der 1 beschriebenen Aerosolphotometer 1 nicht mehr von der Fördermenge bzw. dem Volumen der das Einzelpartikel-Zählphotometer 12 je Zeiteinheit durchströmenden Gasströmung 15 abhängig.
  • Mit der weiterhin möglichen Spitzenwert- bzw. Peakerfassung ist es nach wie vor weiterhin möglich, die Partikelgrößenverteilung des Aerosols zu bestimmen, um z.B. unterschiedliche Aerosole voneinander unterscheiden zu können.
  • Wenn der von der Auswerteeinheit 19 ausgegebene Ausgabewert des Einzelpartikel-Zählphotometers 12 aufgrund des vorstehend geschilderten Integrationsglieds und der mittels desselben durchgeführten Integration nicht mehr von der das Einzelpartikel-Zählphotometer 12 durchströmenden Fördermenge der Gasströmung 15 abhängig ist, kann das Einzelpartikel-Zählphotometer 12 auch mit variablen Fördermengen arbeiten.
  • Entsprechend ist die Auswerteeinheit 19 des Einzelpartikel-Zählphotometers 12 an eine Steuereinheit 20 einer Betriebsspannungsquelle 21 einer Fördereinrichtung 22 angeschlossen.
  • Mittels der Fördereinrichtung 22, die als Pumpe oder als Ventilator ausgebildet sein kann, wird die Fördermenge bzw. die Menge der das Einzelpartikel-Zählphotometer 12 durchströmenden Gasströmung 15 eingestellt. Hierzu wird die Betriebsspannungsquelle 21 entsprechend dem für die Partikelmassenkonzentration des zu messenden Aerosols charakteristischen Ausgabewerts der Auswerteeinheit 19 mittels der Steuereinheit 20 gesteuert.
  • Bei hohen Partikelmassenkonzentrationen ist die mittels der Fördereinrichtung 22 realisierte Fördermenge bzw. das geförderte Volumen der Gasströmung 15 vergleichsweise gering, bei niedrigen Partikelmassenkonzentrationen entsprechend vergleichsweise hoch, wie sich dies insbesondere aus 3 ergibt.
  • Bei der Partikelmessvorrichtung 1, 12, wie sie anhand der Figur 1 für ein Aerosolphotometer 1 und anhand der Figur 2 für ein Einzelpartikel-Zählphotometer 12 erläutert worden ist, ist eine Nennfördermenge vorgegeben. Die Partikelmessvorrichtung 1, 12 startet nach dem Einschalten ihre Messvorgänge mit dieser vorgegebenen Nennfördermenge.
  • Der Nennfördermenge ist ein bestimmter Partikelmassenkonzentrationsbereich, z.B. ein Partikelmassenkonzentrationsbereich von 0 bis 10 µg/m3, zugeordnet.
  • Diese Zuordnung wird so gewählt, dass bei einer niedrigen Partikelmassenkonzentration genug Partikel erfasst werden, um ein ausreichend aufgelöstes Signal zu erhalten.
  • Wenn die Partikelmassenkonzentration des zu messenden Aerosols größer wird, kann die Fördermenge entsprechend reduziert werden, ohne dass hierdurch die Anzahl der erfassten Partikel reduziert würde.
  • Die Anzahl der erfassten Partikel bestimmt die Signalauflösung. Je mehr Partikel in einem Messintervall erfasst und ausgewertet werden, desto besser wird die Signalauflösung.
  • In städtischen Verkehrssituationen sind Belastungen bis <2000 µg/m3 möglich. Diese stellen eine erhebliche Staubbelastung für die Partikelmessvorrichtung 1, 12 dar.
  • In diesen Bereichen mit hohen Partikelbelastungen wird die Fördermenge, die in der Partikelmessvorrichtung 1, 12 mittels der Fördereinrichtung 11, 22 realisiert wird, entsprechend der jeweils gemessenen Partikelmassenkonzentration reduziert und bis auf einen vorgebbaren Schwellwert abgesenkt.
  • Auch bei sehr hohen Partikelmassenkonzentrationen wird die Fördermenge nicht auf Null reduziert, da sich ohne eine Gasströmung Partikel besonders stark auf den Oberflächen optischer Bauteile der Partikelmessvorrichtung 1, 12 ablagern könnten.

Claims (12)

  1. Partikelmessvorrichtung, mit einem optischen Partikelsensor (2, 3, 5, 6; 13, 14, 17, 18), mittels dem eine Partikelmassenkonzentration in einem Aerosolvolumen erfassbar ist, einer Messkammer (7, 16), in der das hinsichtlich der Partikelmassenkonzentration mittels des optischen Partikelsensors (2, 3, 5, 6; 13, 14, 17, 18) zu untersuchende Aerosolvolumen aufnehmbar ist, und einer Fördereinrichtung (11, 22), mittels der das Aerosol in die Messkammer (7, 16) einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermenge der Fördereinrichtung (11, 22) einstellbar ist.
  2. Partikelmessvorrichtung nach Anspruch 1, deren Fördereinrichtung (11, 22) bei Inbetriebnahme der Partikelmessvorrichtung (1, 12) mit einer vorgebbaren Nennfördermenge betreibbar ist.
  3. Partikelmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Fördermenge der Fördereinrichtung (11, 22) in Abhängigkeit von der mittels des optischen Partikelsensors (2, 3, 5, 6; 13, 14, 17, 18) erfassten Partikelmassenkonzentration, vorzugsweise programmgesteuert, einstellbar ist.
  4. Partikelmessvorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Fördermenge der Fördereinrichtung (11, 22) entsprechend einer ansteigenden Partikelmassenkonzentration reduzier- und entsprechend einer abfallenden Partikelmassenkonzentration erhöhbar ist.
  5. Partikelmessvorrichtung nach Anspruch 4, bei der bei ansteigender Partikelmassenkonzentration eine Mindestfördermenge der Fördereinrichtung (11, 22) vorgebbar ist.
  6. Partikelmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Fördermenge der Fördereinrichtung (11, 22) mittels einer einstellbaren Betriebsspannungsquelle (10, 21) regelbar ist, in deren Steuereinheit (9, 20) das Messsignal des optischen Partikelsensors (2, 3, 5, 6; 13, 14, 17, 18) eingebbar ist.
  7. Verfahren zum Betrieb einer Partikelmessvorrichtung (1, 12), bei dem ein optischer Partikelsensor (2, 3, 5, 6; 13, 14, 17, 18) eine Partikelmassenkonzentration in einem Aerosolvolumen erfasst und eine Fördereinrichtung (11, 22) Aerosol in eine Messkammer (7, 16) einleitet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fördermenge der Fördereinrichtung (11, 22) verstellt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Fördereinrichtung (11, 22) bei Inbetriebnahme der Partikelmessvorrichtung (1, 12) mit einer vorgebbaren Nennfördermenge betrieben wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Fördermenge der Fördereinrichtung (11, 22) in Abhängigkeit von der mittels des optischen Partikelsensors (2, 3, 5, 6; 13, 14, 17, 18) erfassten Partikelmassenkonzentration, vorzugsweise programmgesteuert, eingestellt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Fördermenge der Fördereinrichtung (11, 22) entsprechend einer ansteigenden Partikelmassenkonzentration reduziert und entsprechend einer abfallenden Partikelmassenkonzentration erhöht wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem bei ansteigender Partikelmassenkonzentration eine Mindestfördermenge der Fördereinrichtung (11, 22) vorgegeben wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem die Fördermenge der Fördereinrichtung (11, 22) mittels einer einstellbaren Betriebsspannungsquelle (10, 21) geregelt wird, die in Abhängigkeit von der Partikelmassenkonzentration gesteuert wird.
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