DE102017001439A1 - Partikelmessvorrichtung zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in Aerosolen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Verfahren zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in Aerosolen mit unterschiedlichen Eigenschaften - Google Patents

Partikelmessvorrichtung zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in Aerosolen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Verfahren zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in Aerosolen mit unterschiedlichen Eigenschaften Download PDF

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Abstract

Eine Partikelmessvorrichtung (1) zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in Aerosolen mit unterschiedlichen Eigenschaften hat ein Aerosolphotometer (2), mittels dem ein von der Partikelmassenkonzentration im Aerosol abhängiger Photometermesswert messbar ist, und eine Auswerteeinheit (9), in die vom Aerosolphotometer (2) gemessene Photometermesswerte eingebbar sind und in der die eingegebenen Photometermesswerte zur Ausgabe korrigierter Partikelmassenkonzentrationswerte bearbeitbar sind.Um eine Partikelmessvorrichtung bzw. ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen, das zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration mobil, z.B. in einem Fahrzeug, oder bei unterschiedlichen Aerosoleigenschaften in unterschiedlichen Regionen einsetzbar ist, wird vorgeschlagen, dass in einem Speicher (17) der Auswerteeinheit (9) für unterschiedliche Aerosole jeweils ein Kalibrierfaktor abgespeichert ist, dass die Partikelmessvorrichtung (1) ein Einzelpartikel-Zählphotometer (10) aufweist, mittels dem die Partikelgrößenverteilung von Aerosolen erfassbar und in die Auswerteeinheit (9) der Partikelmessvorrichtung (1) eingebbar ist, dass in der Auswerteeinheit (9) die aktuell vom Einzelpartikel-Zählphotometer (10) erfasste Partikelgrößenverteilung mit im Speicher (17) der Auswerteeinheit (9) abgespeicherten Partikelgrößenverteilungen der den abgespeicherten Kalibrierfaktoren zugeordneten unterschiedlichen Aerosole vergleichbar ist, und dass mittels der Auswerteeinheit (9) für eine Bestimmung der Partikelmassenkonzentration des aktuell gemessenen Aerosols der abgespeicherte Kalibrierfaktor auswählbar ist, der

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Partikelmessvorrichtung zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in Aerosolen mit unterschiedlichen Eigenschaften, mit einem Aerosolphotometer, mittels dem ein von der Partikelmassenkonzentration im Aerosol abhängiger Photometermesswert messbar ist, und einer Auswerteeinheit, in die vom Aerosolphotometer gemessene Photometermesswerte eingebbar sind und in der die eingegebenen Photometermesswerte zur Ausgabe korrigierter Partikelmassenkonzentrationswerte bearbeitbar sind, und auf ein entsprechendes Verfahren zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in Aerosolen mit unterschiedlichen Eigenschaften.
  • 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 vorstehend bereits erwähnten Aerosolphotometer (APM) sind relativ einfach aufgebaute Messinstrumente. Mit einer auf derartigen Aerosolphotometern basierenden Partikelmessvorrichtung ist daher in der Regel nur eine Abschätzung der Partikelmassenkonzentration in der Luft bzw. im Trägergas möglich, weil die Aerosolphotometer immer die optischen Eigenschaften der Gesamtheit aller in dem Messvolumen befindlichen Aerosolbestandteile erfassen. Aerosolphotometer messen ein Partikelkollektiv. Aus dem erfassten Signal des gestreuten Lichts können keine Informationen über einzelne Partikel gewonnen werden.
  • Um aus dem erfassten Signal die richtige Partikelmassenkonzentration zu erhalten, muss eine wesentliche Voraussetzung zutreffen, nämlich die komplexen Eigenschaften des zu messenden Aerosols als Partikelkollektiv müssen denjenigen des für die Kalibrierung des Aerosolphotometers verwendeten Aerosols entsprechen.
  • Die komplexen Eigenschaften eines Aerosols sind Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung, Feuchte, Brechnungsindex und Dichte.
  • Es wird zunächst angenommen, dass die komplexen Eigenschaften des zu messenden Aerosols bekannt und konstant sind.
  • Die Kalibrierung wird dann z.B. wie folgt durchgeführt:
  • Das Aerosolphotometer wird mit dem zu messenden Aerosol kalibriert. Die Prozeduren dazu sind in den Handbüchern der Aerosolphotometer und in Anweisungen der Messgerätehersteller detailliert beschrieben. Stets wird hierbei über einen ausreichenden Zeitraum die Massenkonzentration des Aerosols mit der Werkskalibriereinstellung des Aerosolphotometers gemessen und das Aerosol nach dem Aerosolphotometer durch ein Filter oder über einen Abscheider geleitet. Am Ende der Messung wird die abgeschiedene Masse durch Wägung bestimmt. Das Ergebnis der Wägung wird weder von den optischen Partikeleigenschaften beeinflusst, noch durch die Partikelgrößenverteilung und Dichteunterschiede einzelner Partikel verfälscht.
  • Aus den beiden gewonnenen Messwerten wird dann ein Korrekturfaktor K berechnet. Dieser Wert K wird im Aerosolphotometer als Korrekturfaktor, auch als Kalibrierfaktor oder spezifischer Kalibrierwert bezeichnet, abgespeichert. Die Photometermesswerte des Aerosolphotometers werden dann mit K multipliziert, um die richtige Partikelmassenkonzentration zu erhalten.
  • Probleme treten auf, wenn sich eine oder mehrere der komplexen Aerosoleigenschaften des zu messenden Aerosols ändern.
  • Zum Beispiel kann der werksseitige Kalibrierfaktor in Umweltmessungen zu einer Überabschätzung der Partikelmassenkonzentration führen.
  • Die werksseitige Kalibrierung wird mit einem Teststaub durchgeführt. Der verwendete Teststaub ist als „Arizona Road Dust A1“ bekannt. Dieser Staub ist entsprechend der ISO12103A1 normiert.
  • Ursächlich für die Überabschätzung ist u.a. die unterschiedliche Dichte des Kalibrierstaubs im Vergleich zur mittleren Dichte der Staubpartikel in der Umgebungsluft.
  • Die mittlere Staubdichte in der Umgebungsluft ist keine Konstante, sondern hängt von vielen Umweltfaktoren ab. In der Literatur findet man häufig einen Wert von 1,6 - 1,7 g/cm3. Der Kalibrierstaub hat jedoch eine Dichte von 2,65 g/cm3.
  • Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Partikelmessvorrichtung zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in Aerosolen mit unterschiedlichen Eigenschaften und ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen, die bzw. das zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration mobil, z.B. in einem Fahrzeug, einsetzbar bzw. durchführbar ist, wenn sowohl unterschiedliche Aerosoleigenschaften in unterschiedlichen Regionen, die große Messabweichungen ergeben können, als auch saisonale Veränderungen von Aerosoleigenschaften, z.B. im Winter aufgrund stärkeren Heizungsbetriebs, die ebenfalls zu großen Messabweichungen führen können, berücksichtigt bzw. ausgeglichen werden sollen.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in einem Speicher der Auswerteeinheit für unterschiedliche Aerosole jeweils ein Kalibrierfaktor abgespeichert ist, dass die Partikelmessvorrichtung ein Einzelpartikel-Zählphotometer aufweist, mittels dem die Partikelgrößenverteilung von Aerosolen erfassbar und in die Auswerteeinheit der Partikelmessvorrichtung eingebbar ist, dass in der Auswerteeinheit die aktuell vom Einzelpartikel-Zählphotometer erfasste Partikelgrößenverteilung mit im Speicher der Auswerteeinheit abgespeicherten Partikelgrößenverteilungen der den abgespeicherten Kalibrierfaktoren zugeordneten unterschiedlichen Aerosole vergleichbar ist, und dass mittels der Auswerteeinheit für eine Bestimmung der Partikelmassenkonzentration des aktuell gemessenen Aerosols der abgespeicherte Kalibrierfaktor auswählbar ist, der dem Aerosol zugeordnet ist, dessen Partikelgrößenverteilung die meisten Übereinstimmungen mit der aktuell vom Einzelpartikel-Zählphotometer erfassten Partikelgrößenverteilung aufweist. Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass für unterschiedliche Aerosole jeweils ein Kalibrierfaktor abgespeichert wird, dass mittels eines Einzelpartikel-Zählphotometers die Partikelgrößenverteilung von Aerosolen erfasst wird, dass die aktuell vom Einzelpartikel-Zählphotometer erfasste Partikelgrößenverteilung mit abgespeicherten Partikelgrößenverteilungen der den abgespeicherten Kalibrierfaktoren zugeordneten unterschiedlichen Aerosole verglichen wird, und dass für eine Bestimmung der Partikelmassenkonzentration des aktuell gemessenen Aerosols der abgespeicherte Kalibrierfaktor ausgewählt wird, der dem Aerosol zugeordnet ist, dessen Partikelgrößenverteilung die meisten Übereinstimmungen mit der aktuell vom Einzelpartikel-Zählphotometer erfassten Partikelgrößenverteilung aufweist.
  • Erfindungsgemäß können für die jeweils aktuell zu messenden Aerosole korrigierte Partikelmassenkonzentrationswerte zur Verfügung gestellt werden, die den tatsächlichen Partikelmassenkonzentrationswerten der zu messenden bzw. zu erfassenden Aerosole besser entsprechen als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Partikelmessvorrichtungen bzw. entsprechenden Verfahren.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Partikelmessvorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in der Auswerteeinheit der Partikelmessvorrichtung aus zwei abgespeicherten Kalibrierfaktoren, deren Partikelgrößenverteilungen die meisten Übereinstimmungen mit der aktuell vom Einzelpartikel-Zählphotometer erfassten Partikelgrößenverteilung aufweisen, ein angepasster Kalibrierfaktor interpoliert, der der Bestimmung der Partikelmassenkonzentration des gemessenen Aerosols zugrunde gelegt werden kann. Hierdurch können die korrigierten Partikelmassenkonzentrationswerte noch näher an den tatsächlichen Partikelmassenkonzentrationswerten der aktuell gemessenen Aerosole angenähert werden.
  • Um eine sprunghafte Veränderung der korrigierten Partikelmassenkonzentrationswerte zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn in der Auswerteeinheit der Partikelmessvorrichtung bei einer Änderung des interpolierten Kalibrierfaktors aufgrund einer Änderung der vom Einzelpartikel-Zählphotometer erfassten Partikelgrößenverteilung der der Bestimmung der Partikelmassenkonzentration des gemessenen Aerosols zugrunde legbare Kalibrierfaktor von dem bis zur Änderung verwendeten interpolierten Kalibrierfaktor über einen vorgebbaren Zeitraum graduell in den nach der Änderung interpolierten Kalibrierfaktor überblend- bzw. überführbar ist.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Partikelmessvorrichtung zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in Aerosolen mit unterschiedlichen Eigenschaften; und
    • 2 eine grafische Darstellung der Partikelgrößenverteilung unterschiedlicher Aerosole.
  • Eine in 1 in einer Prinzipdarstellung gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Partikelmessvorrichtung 1 dient der Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in Aerosolen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Bei dem mittels der in 1 gezeigten Ausführungsform der Partikelmessvorrichtung 1 realisierbaren Verfahren zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration wird für ein Aerosolphotometer 2 der Partikelmessvorrichtung 1 automatisch ein am besten passender Kalibrierfaktor K bestimmt, wobei dieser Kalibrierfaktor K aus einem Feld von Kalibrierfaktoren bestimmt wird, wie dies im Folgenden noch eingehender beschrieben werden wird.
  • Das Aerosolphotometer 2 hat eine monochromatische Lichtquelle 3, die als Laser-Diode oder als lichtemittierende Diode (LED) ausgebildet sein kann. Die von der monochromatischen Lichtquelle 3 des Aerosolphotometers 2 abgestrahlte Lichtstrahlung wird in einer optischen Linse 4 gebündelt. Der die optische Linse 4 verlassende Lichtstrahl quert eine Gasströmung 5, die das zu messende Aerosol mit sich führt. Von in der Gasströmung 5 enthaltenen Partikeln des Aerosols wird Licht in Richtung auf eine weitere optische Linse 6 bzw. einen dahinter angeordneten Reflektor 7 reflektiert. Durch die beiden optischen Linsen 4, 5 ergibt sich das in 1 prinzipiell dargestellte Messvolumen 8. Die in dem Messvolumen 8 aufgrund der dort vorhandenen Partikel des Aerosols in Richtung auf den Reflektor 7 gerichtete und mittels der optischen Linse 6 gebündelte Lichtstrahlung wird am Reflektor 7 erfasst, wobei ein der erfassten Lichtstrahlung entsprechender Photometermesswert an eine Auswerteeinheit 9 der Partikelmessvorrichtung 1 weitergeleitet wird.
  • Der vom Reflektor 7 des Aerosolphotometers 2 zur Auswerteeinheit 9 weitergeleitete Photometermesswert entspricht der im Messvolumen 8 vorhandenen bzw. erfassten Partikelbelastung.
  • Da hinsichtlich ihrer Partikelgrößenverteilung (Particle Size Distribution, PSD) unterschiedliche Aerosole bei gleicher Partikelbefrachtung bzw. -belastung zu unterschiedlichen am Reflektor 7 des Aerosolphotometers 2 erfassten und an die Auswerteeinheit 9 der Partikelmessvorrichtung 1 weitergeleiteten Photometermesswerten führen, sind die in die Auswerteeinheit 9 der Partikelmessvorrichtung 1 eingegebenen Photometermesswerte in der Auswerteeinheit 9 bearbeitbar, um korrigierte Partikelmassenkonzentrationswerte aus der Auswerteeinheit 9 ausgeben zu können, die den tatsächlichen Partikelmassenkonzentrationswerten der zu messenden Aerosole besser entsprechen.
  • Hierzu ist die in 1 gezeigte Partikelmessvorrichtung 1 mit einem Einzelpartikel-Zählphotometer 10 ausgestaltet.
  • Das Einzelpartikel-Zählphotometer 10 der in 1 gezeigten Partikelmessvorrichtung 1 hat ebenfalls eine monochromatische Lichtquelle 11, die als Laser-Diode oder lichtemittierende Diode (LED) ausgebildet sein kann. Die monochromatische Lichtquelle 11 strahlt Lichtstrahlung ab, die in einer optischen Linse 12 gebündelt wird. Der in der optischen Linse 12 gebündelte Lichtstrahl quert eine Gasströmung 13, die das zu messende Aerosol trägt. Ein Messvolumen 14 des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 ist erheblich kleiner als das Messvolumen 8 des Aerosolphotometers 2. Dies wird bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 dadurch erreicht, dass das von der monochromatischen Lichtquelle 11 abgestrahlte Licht mittels der optischen Linse 12 viel stärker fokussiert wird als dies durch die optische Linse 4 des Aerosolphotometers 2 realisiert wird. Das Messvolumen 14 des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 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 14 des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 reflektierte Lichtstrahlung wird durch eine optische Linse 15 auf einen im Strahlungsweg hinter der optischen Linse 15 befindlichen Reflektor 16 des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 gerichtet. Für jeden einzelnen Partikel des Aerosols, der mit der Gasströmung 13 das Messvolumen 14 des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 durchströmt, wird somit am Reflektor 16 des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 ein einem einzelnen Partikel entsprechender Einzelmesswert an die Auswerteeinheit 9 der Partikelmessvorrichtung 1 weitergeleitet. Jeder Einzelmesswert entspricht dem von einem einzigen Partikel des zu messenden Aerosols reflektierten und durch die optische Linse 15 zum Reflektor 16 des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 gerichteten Licht.
  • Im Gegensatz zu dem vorstehend geschilderten Aerosolphotometer 2 erfasst das Einzelpartikel-Zählphotometer (Optical Particle Counter, OPC) einzelne Teilchen bzw. Partikel. Solche Einzelpartikel-Zählphotometer 10 werden eingesetzt, um vergleichsweise niedrige Partikelkonzentrationen, z.B. in Innenräumen, zu messen. Im Rahmen ihres Anwendungsbereichs, also bei vergleichsweise niedrigen bis mittleren Partikelanzahlkonzentrationen, die üblicherweise zwischen 1000 und 20 000 Partikel/cm3 liegen können, sind mittels Einzelpartikel-Zählphotometern 10 sowohl qualitativ hochwertige Informationen hinsichtlich der Partikelanzahl und der Partikelgrößenverteilung im Aerosol möglich. Hierdurch werden zwei Kenngrößen für ein Aerosol zur Verfügung gestellt, die mittels eines Aerosolphotometers 2 nicht gewonnen werden können.
  • Die Partikelgrößenverteilung eines Aerosols ist hierbei quasi wie ein „Fingerabdruck“ des Aerosols zu bewerten. Anhand dieses „Fingerabdruckes“ kann ein dem betreffenden Aerosol zugehöriger Kalibrierfaktor K ermittelt und bei der Auswertung in der Auswerteeinheit berücksichtigt werden.
  • In einem Speicher 17 der Auswerteeinheit 9 der in 1 gezeigten Partikelmessvorrichtung 1 sind für unterschiedliche, im Verlauf eines Messzeitraums zu messende Aerosole Kalibrierfaktoren K1, K2, K3 und K4 abgespeichert, die jeweils einem Aerosol zugeordnet sind. Unterschiedliche Aerosole haben somit unterschiedliche Kalibrierfaktoren. Für jedes mit dem ihm zugehörigen Kalibrierfaktor im Speicher 17 der Auswerteeinheit 9 abgespeicherte Aerosol ist darüber hinaus im Speicher 17 als „Fingerabdruck“ des betreffenden Aerosols die zugehörige Partikelgrößenverteilung abgespeichert.
  • In 2 sind hinsichtlich ihrer Partikeldurchmesser und ihrer Partikelanzahl bzw. ihrer normierten Partikelanzahl unterschiedliche Aerosole A1, A2, A3 und A4 dargestellt, wobei zum Vergleich das durch den Straßenstaub in Shanghai gebildete Aerosol gezeigt ist.
  • Im Falle der erfindungsgemäßen Partikelmessvorrichtung bzw. des mit dieser realisierten Verfahrens zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in Aerosolen mit unterschiedlichen Eigenschaften wird das Aerosolphotometer 2 vor der Inbetriebnahme der Partikelmessvorrichtung 1 mit allen über einen Messzeitraum zu erwartenden Aerosolen kalibriert. In der im Speicher 17 der Auswerteeinheit 9 abgespeicherten Kalibriertabelle werden jedoch nicht nur die so ermittelten Kalibrierfaktoren abgespeichert. Zu jedem Kalibrierfaktor wird auch die Partikelgrößenverteilung des zugehörigen Aerosols abgespeichert.
  • Eine Übereinstimmung zwischen einem aktuell gemessenen Aerosol und einem hinsichtlich Kalibrierfaktor und Partikelgrößenverteilung in der im Speicher 17 der Auswerteeinheit 9 abgespeicherten Kalibriertabelle aufgelistetem Aerosol hinsichtlich des „Fingerabdrucks“ bzw. der Partikelgrößenverteilung wird entsprechend bekannter Verfahren zur Mustererkennung durchgeführt. Derartige Verfahren zur Mustererkennung ergeben in der Regel einen Übereinstimmungswert zwischen 0 (keine Übereinstimmung) und 1 (vollständige Übereinstimmung).
  • Wird bei der Auswertung in der Auswerteeinheit 9 festgestellt, dass der Übereinstimmungswert einen frei vorgeb- bzw. bestimmbaren Schwellenwert, der z.B. bei 0,9 liegen kann, erreicht oder übersteigt, kann der entsprechend der Kalibriertabelle entnehmbare Kalibrierfaktor unmittelbar angewendet werden.
  • Saisonale Veränderungen des zu messenden Aerosols, z.B. beim Beginn der Heizperiode, führen hinsichtlich der Zusammensetzung des Aerosols zu Übergangszuständen zwischen dem Zustand des Aerosols vor Beginn der Heizperiode und dem Zustand des Aerosols nach Beginn der Heizperiode, da in der Regel ja nicht sämtliche Heizvorrichtungen gleichzeitig eingeschaltet werden. Dieser Übergangszustand kann durchaus mehrere Wochen anhalten.
  • Entsprechend können bei einer mobil, z.B. in einem Kraftfahrzeug, eingesetzten Partikelmessvorrichtung 1 Übergangszustände bei einer Fahrt aus einer Industriestadt in eine ländliche Gegend od.dgl. auftreten.
  • Wenn für ein aktuell mittels der Partikelmessvorrichtung 1 gemessenes Aerosol kein in die Kalibriertabelle eingetragenes Aerosol auffindbar ist, welches mit dem aktuell gemessenen Aerosol einen hohen Übereinstimmungswert aufweist, kann mittels eines numerischen Verfahrens zwischen den beiden Tabelleneinträgen, deren Aerosole mit dem aktuell gemessenen Aerosol die höchsten Übereinstimmungswerte aufweisen, ein Kalibrierfaktor K interpoliert werden.
  • Dies wird im Folgenden anhand einer in der Auswerteeinheit 9 der Partikelmessvorrichtung 1 erstellten Ergebnistabelle näher erläutert. Diese Ergebnistabelle ist im Folgenden dargestellt:
    Nummer Übereinstimmung Kalibrierfaktor
    1 0,3 1,0
    2 0,8 2,0
    3 0,7 3,0
    4 0,2 4,0
  • In der linken Spalte der Tabelle ist die laufende Nummer der vier in der Tabelle abgespeicherten Aerosole aufgeführt. In der rechten Spalte der Tabelle ist der dem jeweiligen Aerosol zugeordnete Kalibrierfaktor aufgeführt. In der mittleren Spalte der Tabelle ist der Übereinstimmungswert zwischen dem aktuell gemessenen Aerosol und den in der Tabelle abgespeicherten Aerosolen aufgeführt.
  • Aus der vorstehend gezeigten Ergebnistabelle geht hervor, dass das aktuell gemessene Aerosol mit dem Aerosol mit der laufenden Nummer 2 einen Übereinstimmungswert von 0,8 und mit dem Aerosol mit der laufenden Nummer 3 einen Übereinstimmungswert von 0,7 aufweist. Dem Aerosol mit der laufenden Nummer 2 ist der Kalibrierfaktor 2, 0, dem Aerosol mit der laufenden Nummer 3 der Kalibrierfaktor 3, 0 zugeordnet. Da die Aerosole mit den laufenden Nummern 2 und 3 die höchsten Übereinstimmungen mit dem aktuell gemessenen Aerosol aufweisen nämlich 0,8 und 0,7, errechnet sich der interpolierte Kalibrierfaktor wie folgt: K interpoliert = ( 0,8 × 2, 0 + 0 ,7 × 3 ,0 ) / ( 0,8 + 0,7 ) = 2,47.
    Figure DE102017001439A1_0001
  • Die Bestimmung des interpolierten Kalibrierfaktors kann zu beliebigen Zeitpunkten vorgenommen werden. Ein einmal bestimmter interpolierter Kalibrierfaktor wird solange verwendet, bis ein neuer interpolierter Kalibrierfaktor ermittelt worden ist.
  • Zusätzlich kann eine Rückfallebene definiert werden, für den Fall, dass es nicht möglich ist, einen interpolierten Kalibrierfaktor zu bestimmen. Dies kann z.B. dann der Fall sein, wenn nur niedrige Übereinstimmungswerte, z.B. ausschließlich Übereinstimmungswerte unterhalb von 0,25, in der Ergebnistabelle auffindbar sind. Dann wird ein als Standard definierter Kalibrierfaktor verwendet.
  • Ein neu ermittelter Kalibrierfaktor muss nicht sofort bei der Auswertung in der Auswerteeinheit 9 verwendet werden, da dies zu Sprüngen in den korrigierten Partikelmassenkonzentrationswerten, wie sie von der Auswerteeinheit 9 ausgegeben werden, führen könnte, die für den Nutzer irritierend sein könnten.
  • Vielmehr kann in einem beliebig vorgebbaren Zeitintervall von dem jeweils aktuellen Kalibrierfaktor auf den neu ermittelten Kalibrierfaktor allmählich übergegangen quasi übergeblendet werden. Das vorgebbare Zeitintervall kann je nach Anwendungsfall zwischen einigen Sekunden und einigen Stunden oder Tagen gewählt werden.
  • In der im Folgenden dargestellten weiteren Tabelle ist die Partikelgrößenverteilung (Particle Size Distribution, PSD) verschiedener Aerosole A1, A2, A3 und Straßenstaub bzw. Road Dust dargestellt. In der Tabelle ist die Partikelgrößenverteilung auf die Partikelanzahl für die Partikel mit einem Maximaldurchmesser von 1 µm normalisiert.
  • Als Beispiel für eine Partikelgrößenverteilung bzw. einen „Fingerabdruck“ werden die normierten Werte für die Partikelgrößen 2 pm, 4 µm und 6 µm dem Diagramm, wie es in 2 gezeigt ist, entnommen und in der Tabelle abgespeichert.
    Aerosol 2 µm 4 µm 6 µm Kalibrierwert
    A1 0,26 0,1 0,048 K1
    A2 0,16 0,058 0,014 K2
    A3 0,18 0,068 0,022 K3
    Roaddust 0,21 0,03 0,005 K4
  • Das vorbeschriebene Verfahren kann auch bei Einzelpartikel-Zählphotometern 10 einfach eingesetzt werden, da mittels dieser die Partikelgrößenverteilung des zu erfassenden bzw. zu messenden Aerosols ja zur Verfügung steht.
  • Das Einzelpartikel-Zählphotometer 10 berechnet die Partikelmassenkonzentration in dem zu messenden Aerosol, in dem es die erfassten Partikelgrößen in Größenklassen (Bins) einteilt und für jede Größenklasse die Partikelanzahl erfasst.
  • Jeder Größenklasse bzw. jedem Bin ist ein spezifischer Gewichtungsfaktor zugeordnet, der mit der Partikelanzahl multipliziert die Partikelmasse für diese Größenklasse bzw. für diesen Bin ergibt.
  • Wenn die Partikelmassen aller relevanten Größenklassen bzw. Bins addiert werden, ergibt sich hieraus die Gesamtpartikelmassenkonzentration.
  • Um beispielsweise die Gesamtpartikelmassenkonzentration bis zu einem maximalen Partikeldurchmesser von 2,5 µm, kurz als PM2.5 bezeichnet, zu berechnen, werden die Partikelmassen aller Größenklassen bzw. Bins bis zu der maximalen Partikelgröße (2,5 µm Durchmesser) aufaddiert.
  • Um PM10 zu berechnen, werden die Partikelmassen aller Größenklassen bzw. aller Bins bis zu einer maximalen Partikelgröße mit einem Durchmesser von 10 µm aufaddiert.
  • Wenn die Dichte der Partikel im Aerosol von der Dichte abweicht, für die der Kalibrierfaktor K ermittelt worden ist, ergeben sich Fehler im Messwert.
  • Es ist somit auch beim alleinigen Einsatz von Einzelpartikel-Zählphotometern 10 sinnvoll, mittels des „Fingerabdrucks“ der Partikelgrößenverteilung aus einer Kalibriertabelle den am besten passenden Kalibrierfaktor K zu ermitteln.

Claims (6)

  1. Partikelmessvorrichtung zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in Aerosolen mit unterschiedlichen Eigenschaften, mit einem Aerosolphotometer (2), mittels dem ein von der Partikelmassenkonzentration im Aerosol abhängiger Photometermesswert messbar ist, und einer Auswerteeinheit (9), in die vom Aerosolphotometer (2) gemessene Photometermesswerte eingebbar sind und in der die eingegebenen Photometermesswerte zur Ausgabe korrigierter Partikelmassenkonzentrationswerte bearbeitbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Speicher (17) der Auswerteeinheit (9) für unterschiedliche Aerosole jeweils ein Kalibrierfaktor (K1, K2, K3, K4) abgespeichert ist, dass die Partikelmessvorrichtung (1) ein Einzelpartikel-Zählphotometer (10) aufweist, mittels dem die Partikelgrößenverteilung von Aerosolen erfassbar und in die Auswerteeinheit (9) der Partikelmessvorrichtung (1) eingebbar ist, dass in der Auswerteeinheit (9) die aktuell vom Einzelpartikel-Zählphotometer (10) erfasste Partikelgrößenverteilung mit im Speicher (17) der Auswerteeinheit (9) abgespeicherten Partikelgrößenverteilungen der den abgespeicherten Kalibrierfaktoren (K1, K2, K3, K4) zugeordneten unterschiedlichen Aerosole vergleichbar ist, und dass mittels der Auswerteeinheit (9) für eine Bestimmung der Partikelmassenkonzentration des aktuell gemessenen Aerosols der abgespeicherte Kalibrierfaktor (K1, K2, K3, K4) auswählbar ist, der dem Aerosol zugeordnet ist, dessen Partikelgrößenverteilung die meisten Übereinstimmungen mit der aktuell vom Einzelpartikel-Zählphotometer (10) erfassten Partikelgrößenverteilung aufweist.
  2. Partikelmessvorrichtung nach Anspruch 1, in deren Auswerteeinheit (9) aus zwei abgespeicherten Kalibrierfaktoren (K1, K2, K3, K4), deren Partikelgrößenverteilungen die meisten Übereinstimmungen mit der aktuell vom Einzelpartikel-Zählphotometer (10) erfassten Partikelgrößenverteilung aufweisen, ein angepasster Kalibrierfaktor interpolierbar ist, der der Bestimmung der Partikelmassenkonzentration des gemessenen Aerosols zugrundelegbar ist.
  3. Partikelmessvorrichtung nach Anspruch 2, in deren Auswerteeinheit (9) bei einer Änderung des interpolierten Kalibrierfaktors aufgrund einer Änderung der vom Einzelpartikel-Zählphotometer (10) erfassten Partikelgrößenverteilung der der Bestimmung der Partikelmassenkonzentration des gemessenen Aerosols zugrundelegbare Kalibrierfaktor von dem bis zur Änderung verwendeten interpolierten Kalibrierfaktor über einen vorgebbaren Zeitraum graduell in den nach der Änderung interpolierten Kalibrierfaktor überblend- bzw. überführbar ist.
  4. Verfahren zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in Aerosolen mit unterschiedlichen Eigenschaften, bei dem mittels eines Aerosolphotometers (2) ein von der Partikelmassenkonzentration im Aerosol abhängiger Photometermesswert gemessen wird und die Photometermesswerte zur Ausgabe korrigierter Partikelmassenkonzentrationswerte bearbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedliche Aerosole jeweils ein Kalibrierfaktor (K1, K2, K3, K4) abgespeichert wird, dass mittels eines Einzelpartikel-Zählphotometers (10) die Partikelgrößenverteilung von Aerosolen erfasst wird, dass die aktuell vom Einzelpartikel-Zählphotometer (10) erfasste Partikelgrößenverteilung mit abgespeicherten Partikelgrößenverteilungen der den abgespeicherten Kalibrierfaktoren (K1, K2, K3, K4) zugeordneten unterschiedlichen Aerosole verglichen wird, und dass für eine Bestimmung der Partikelmassenkonzentration des aktuell gemessenen Aerosols der abgespeicherte Kalibrierfaktor (K1, K2, K3, K4) ausgewählt wird, der dem Aerosol zugeordnet ist, dessen Partikelgrößenverteilung die meisten Übereinstimmungen mit der aktuell vom Einzelpartikel-Zählphotometer (10) erfassten Partikelgrößenverteilung aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem aus zwei abgespeicherten Kalibrierfaktoren (K1, K2, K3, K4), deren Partikelgrößenverteilungen die meisten Übereinstimmungen mit der aktuell vom Einzelpartikel-Zählphotometer (10) erfassten Partikelgrößenverteilung aufweisen, ein angepasster Kalibierfaktor interpoliert und der Bestimmung der Partikelmassenkonzentration des gemessenen Aerosols zugrunde gelegt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem bei einer Änderung des interpolierten Kalibrierfaktors aufgrund einer Änderung der vom Einzelpartikel-Zählphotometer (10) erfassten Partikelgrößenverteilung der der Bestimmung der Partikelmassenkonzentration des gemessenen Aerosols zugrunde gelegte Kalibrierfaktor von dem bis zur Änderung verwendeten interpolierten Kalibrierfaktor über einen vorgebbaren Zeitraum graduell in den nach der Änderung interpolierten Kalibrierfaktor überblendet bzw. überführt wird.
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