DE102017008875B3 - Airborne device and method for collecting aerosol particles from the air - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zum Einsammeln von Aerosolpartikeln (2) aus der Luft, wobei die Vorrichtung (1) ein unbemanntes Fluggerät (10) und eine darauf angeordnete Sammeleinrichtung (20) zum Einsammeln der Aerosolpartikel (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät (10) ein Drehflügler ist, dass die Sammeleinrichtung (20) einen Lufteinlass (22), eine Abscheideeinheit (24) zum Abscheiden der einzusammelnden Aerosolpartikel (2) und ein Gebläse (26) aufweist, und dass die Abscheideeinheit (24) einen Prallabscheider (30) aufweist, mittels dem die einzusammelnden Aerosolpartikel (2) auf einer Prallfläche (32) aus der Luft abscheidbar sind.The invention relates to a device (1) and a method for collecting aerosol particles (2) from the air, wherein the device (1) comprises an unmanned aerial vehicle (10) and a collecting device (20) arranged thereon for collecting the aerosol particles (2) , characterized in that the aircraft (10) is a rotorcraft, that the collecting device (20) has an air inlet (22), a separation unit (24) for separating the aerosol particles (2) to be collected and a fan (26), and in that Separating unit (24) has a baffle separator (30), by means of which the aerosol particles (2) to be collected can be deposited on a baffle surface (32) from the air.
Description
Die Erfindung betrifft eine flugfähige Vorrichtung und ein Verfahren zum Einsammeln von Aerosolpartikeln aus der Luft, insbesondere zum Einsammeln von festen Aerosolpartikeln aus der Luft.The invention relates to an airworthy device and a method for collecting aerosol particles from the air, in particular for collecting solid aerosol particles from the air.
Die uns umgebende Atmosphären- oder Raumluft bildet ein Aerosol, d. h. ein Zweiphasensystem bestehend aus einer Gas- und einer Partikelphase mit festen oder flüssigen Partikeln, beispielsweise Pollenkörner, Sporen oder Feinstaub. Die Bestimmung dieser Aerosolpartikel nach Typ und Konzentration ist für viele wissenschaftliche und anwendungstechnische Disziplinen von Interesse.The atmospheric or ambient air surrounding us forms an aerosol, i. H. a two-phase system consisting of a gas and a particle phase with solid or liquid particles, such as pollen grains, spores or particulate matter. The determination of these aerosol particles by type and concentration is of interest for many scientific and application disciplines.
In der Landwirtschaft ist beispielsweise die Konzentration von Pollenkörnern nicht nur im Hinblick auf den Ertrag von Nutzpflanzen von Bedeutung, sondern auch betreffend die Ausbreitung von schädlichen Pilzsporen oder von genetisch verändertem Pflanzenmaterial durch die Atmosphärenluft. Zur Bestimmung der Konzentration dieser Aerosolpartikel ist aus dem Stand der Technik neben stationären Aerosolpartikel-Sammeleinrichtungen der Einsatz von bemannten und unbemannten Fluggeräten mit daran angebrachten Aerosolpartikel-Sammeleinrichtungen bekannt.In agriculture, for example, the concentration of pollen grains is important not only in terms of the yield of crops, but also in terms of the spread of harmful fungal spores or genetically modified plant matter through the atmospheric air. In order to determine the concentration of these aerosol particles, the use of manned and unmanned aerial vehicles with aerosol particle collecting devices mounted thereon is known from the prior art in addition to stationary aerosol particle collecting devices.
Aus Schmale et al.: Development and Application of an Autonomous Aerial Vehicle for Precise Aerobiological Sampling above Agricultural Fields, Journal of Field Robotics 25(3), 133–147 (2008), ist ein mit einem Verbrennungsmotor ausgerüstetes Modellflugzeug mit einer Spannweite von 2,4 m bekannt, auf dem als Sammeleinrichtung Petrischalen mit einem Durchmesser von 100 mm angebracht sind, die bei Start und Landung des Modellflugzeuges abgedeckt sind und erst im Flug während der 15 Minuten dauernden Probennahme in den Luftstrom gehalten werden, wodurch die in der Luft befindlichen Aerosolpartikel auf den mit einer adhäsiven Schicht versehenen Petrischalen abgeschieden werden. Das Modellflugzeug ist mit einer automatischen Flugsteuerung und einem Positionierungssystem ausgerüstet, so dass vorbestimmte Positionen automatisch angeflogen werden können, um beispielsweise in einer Flughöhe von 60 bis 300 m über ein Feld mit Agrarfrüchten zu fliegen und die Aerosolpartikel einzusammeln.Schmale et al .: Development and Application of an Autonomous Aerial Vehicle for Precise Aerobiological Sampling above Agricultural Fields, Journal of Field Robotics 25 (3), 133-147 (2008), is a model airplane equipped with an internal combustion engine with a span of 2 , 4 m, on which 100 mm diameter Petri dishes are mounted as collecting equipment, which are covered during takeoff and landing of the model airplane and are held in flight during the 15-minute sampling in the air stream, causing the in-air Aerosol particles are deposited on the provided with an adhesive layer Petri dishes. The model aircraft is equipped with an automatic flight control and a positioning system so that predetermined positions can be approached automatically, for example to fly at an altitude of 60 to 300 m over an agricultural crop field and to collect the aerosol particles.
Im Vergleich zu bemannten Fluggeräten können mit solchen unbemannten Fluggeräten (Unmanned Aerial Verhicle, UAV) die Einsatzmöglichkeiten verbessert werden, insbesondere sind die Anschaffungs- und Betriebskosten verringert und die Abgas- und Lärmbelästigung der Umgebung reduziert.Compared to manned aircraft, such unmanned aerial vehicles (UAVs) can be used to improve the possibilities of use, in particular the acquisition and operating costs are reduced and the exhaust and noise pollution of the environment is reduced.
Aus der
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Aus der
Aus der
Aus der
Gemäß der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine flugfähige Vorrichtung und ein Verfahren zum Einsammeln von Aerosolpartikeln aus der Luft bereitzustellen, mit der die Einsatzmöglichkeiten weiter verbessert werden können. In einer Ausführungsart soll die Konzentration der Aerosol-Partikel mit hoher Zeit- und Ortsauflösung ermittelt werden können, d. h. es soll bei möglichst geringer Zeitdauer der Probennahme die Ermittlung der Konzentration der Aerosol-Partikel an einer möglichst genau bestimmbaren Position im Raum möglich sein.The invention has for its object to provide an airworthy device and a method for collecting aerosol particles from the air, with the possible applications can be further improved. In one embodiment, the concentration of the aerosol particles with high time and spatial resolution should be determined, d. H. It should be possible to determine the concentration of the aerosol particles at a precise position as possible in space with the shortest possible duration of sampling.
Diese Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 bestimmte Vorrichtung und durch das im Anspruch 10 bestimmte Verfahren gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.This object is achieved by the device defined in claim 1 and by the method defined in
In einer Ausführungsart ist die Aufgabe gelöst durch eine flugfähige Vorrichtung zum Einsammeln von Aerosolpartikeln aus der Luft, wobei die Vorrichtung ein unbemanntes Fluggerät und eine darauf angeordnete Sammeleinrichtung zum Einsammeln der Aerosolpartikel aufweist, und wobei das Fluggerät ein Drehflügler ist und die Sammeleinrichtung einen Lufteinlass, eine Abscheideeinheit zum Abscheiden der einzusammelnden Aerosolpartikel und ein Gebläse aufweist.In one embodiment, the object is achieved by an airborne device for collecting aerosol particles from the air, wherein the device comprises an unmanned aerial vehicle and a collecting device arranged thereon for collecting the aerosol particles, and wherein the aircraft is a rotorcraft and the collecting device is an air inlet, a Separator unit for separating the having to collect aerosol particles and a fan.
Durch die Verwendung eines Drehflüglers, wie beispielsweise eines Helikopters, ist eine sehr hohe Ortsauflösung der Bestimmung der Art und Konzentration der Aerosolpartikel erreichbar, da ein Drehflügler während der Probennahme an einem vorgebbaren Punkt im Raum schweben kann. Allerdings ist in diesem Fall die Relativbewegung des Fluggerätes gegenüber der umgebenden Luft derart gering, dass die aus dem Stand der Technik bekannte Ausnutzung der Anströmung der Sammeleinrichtung infolge der Flugbewegung zu keiner ausreichenden Abscheidung der Aerosolpartikel führt. Es könnte zwar der durch den Drehflügel verursachte Abwind für eine Anströmung der Sammeleinrichtung genutzt werden, beispielsweise indem die Sammeleinrichtung an einer geeigneten Stelle im Abwind angeordnet wird, aber diese Lösung soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht angewendet werden.By using a rotorcraft, such as a helicopter, a very high spatial resolution of the determination of the type and concentration of the aerosol particles can be achieved because a rotorcraft can float during sampling at a predetermined point in space. However, in this case, the relative movement of the aircraft relative to the surrounding air is so low that the known from the prior art utilization of the flow of the collector due to the flight movement does not lead to sufficient separation of the aerosol particles. Although it could be used for a flow of the collecting device caused by the rotary downwind for example, by the collector is placed at a suitable point in the downdraft, but this solution should not be applied in the present invention.
Vielmehr weist die Sammeleinrichtung erfindungsgemäß ein vorzugsweise elektrisch betriebenes Gebläse auf, das einen Luftstrom erzeugt, mittels dem die zu beprobende Luft über einen Lufteinlass aus der umgebenden Luft angesaugt und der so erzeugte Luftstrom mit einer gegenüber dem von dem Fluggerät erzeugten Abwind erhöhten Geschwindigkeit über eine Abscheideeinheit geführt wird, in der die einzusammelnden Aerosolpartikel aus dem Luftstrom abgeschieden werden. Durch die gegenüber dem Abwind des Drehflüglers erhöhte Strömungsgeschwindigkeit der zu beprobenden Luft kann innerhalb einer verkürzten Zeitdauer der Probennahme ein ausreichendes Luftvolumen beprobt werden. Dies führt zu einer hohen zeitlichen Auflösung der Ergebnisse.Rather, the collecting device according to the invention on a preferably electrically operated blower, which generates an air flow, sucked by the air to be sampled via an air inlet from the surrounding air and the air flow thus generated with a comparison with the downdraft generated by the aircraft increased speed via a separation unit is performed, in which the aerosol particles to be collected are separated from the air flow. Due to the increased compared to the downwash of rotorcraft flow velocity of the air to be sampled within a shortened period of sampling, a sufficient volume of air can be sampled. This leads to a high temporal resolution of the results.
Die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erreichbare Kombination aus hoher räumlicher und hoher zeitlicher Auflösung der Bestimmung der Art und Konzentration der eingesammelten Aerosolpartikel ermöglicht zuverlässige Erkenntnisse nicht nur über die aktuelle Belastung der Luft mit Aerosolpartikeln, sondern auch eine genauere Bestimmung des Ursprungsortes der Aerosolpartikel. Dies ist beispielsweise im Hinblick auf die Feinstaubbelastung in Städten von besonderer Bedeutung, weil es eine genauere Ermittlung der Feinstaubquellen ermöglicht.The achievable by the inventive device combination of high spatial and high temporal resolution of the determination of the type and concentration of the collected aerosol particles allows reliable knowledge not only about the current load of air with aerosol particles, but also a more accurate determination of the origin of the aerosol particles. This is of particular importance in terms of particulate matter pollution in cities, for example, because it allows a more precise determination of particulate matter sources.
Außerdem ermöglicht die hohe räumliche und zeitliche Auflösung eine Verbesserung der Simulationsmodelle beispielsweise der Feinstaub- oder der Pollenausbreitung und damit eine zuverlässigere Vorhersage der zu erwartenden Feinstaub- oder Pollenbelastung.In addition, the high spatial and temporal resolution makes it possible to improve the simulation models of, for example, particulate matter or pollen dispersal and thus a more reliable prediction of the expected particulate matter or pollen load.
In einer Ausführungsart ist der Drehflügler ein Multicopter mit mindestens drei, insbesondere mindestens vier und vorzugsweise mindestens sechs Rotoren. Die gegenüber einem Helikopter höhere Anzahl an Rotoren bietet eine verbesserte Flugstabilität und damit Flugsicherheit, und vereinfacht dadurch auch die Möglichkeit eines autonomen oder teilautonomen Fliegens. Wenn der Multicopter mehr als drei Rotoren aufweist, insbesondere wenn der Multicopter mehr als vier Rotoren aufweist, bleibt die Steuerbarkeit des Fluggeräts auch bei Ausfall eines Rotors erhalten.In one embodiment, the rotorcraft is a multicopter having at least three, in particular at least four and preferably at least six rotors. The higher number of rotors compared to a helicopter offers improved flight stability and thus aviation safety, thereby simplifying the possibility of autonomous or semi-autonomous flying. If the multicopter has more than three rotors, in particular if the multicopter has more than four rotors, the controllability of the aircraft is maintained even if one rotor fails.
Durch die Verwendung eines Multicopters wird eine vielseitig nutzbare Schwebeplattform bereitgestellt, auf der bei Bedarf auch mehrere Steuer-, Mess- und/oder Sammeleinrichtungen an geeigneter Position angeordnet werden können. So kann beispielsweise der Lufteinlass der Sammeleinrichtung nicht unmittelbar im Abwind des Rotors angeordnet sein. Für bestimmte Anwendungsgebiete und/oder bestimmte Aerosolpartikel ist es vorteilhaft, den Lufteinlass der Sammeleinrichtung zentrisch bezogen auf die Positionen der Rotoren auf dem Multicopter anzuordnen. Andererseits gibt es auch Anwendungsfälle, beispielsweise abhängig von den Windbedingungen, bei denen es vorteilhaft ist, den Lufteinlass exzentrisch bezogen auf die Positionen der Rotoren auf dem Multicopter anzuordnen. In einer Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann daher die Position des Lufteinlasses in Bezug auf die Positionen der Rotoren des Multicopters einstellbar sein.By using a multicopper, a versatile floating platform is provided, on which several control, measuring and / or collecting devices can be arranged at a suitable position if required. For example, the air inlet of the collecting device can not be arranged directly in the downwind of the rotor. For certain fields of application and / or certain aerosol particles, it is advantageous to arrange the air inlet of the collecting device centrically relative to the positions of the rotors on the multicopter. On the other hand, there are also applications, for example, depending on the wind conditions, in which it is advantageous to arrange the air inlet eccentric with respect to the positions of the rotors on the multicopter. In one embodiment of the device according to the invention, therefore, the position of the air inlet with respect to the positions of the rotors of the multicopters can be adjustable.
In einer Ausführungsart ist die Abscheideeinheit zwischen Lufteinlass und Gebläse angeordnet, vorzugsweise ist die Abscheideeinheit unmittelbar oder lediglich über ein Verbindungsrohr mit dem Lufteinlass verbunden. Das Gebläse saugt mithin die Luft über den Lufteinlass auf die Abscheideeinheit. Vorzugsweise weist das der Abscheideeinheit zugewandte Ende des Lufteinlasses die gleiche Querschnittsfläche oder sogar die gleiche Querschnittskontur wie das dem Lufteinlass zugewandte Ende der Abscheideeinheit auf. Dadurch wird ein möglichst wirbelfreier Luftstrom erreicht und eine Abscheidung der Aerosolpartikel an unerwünschter Stelle verhindert.In one embodiment, the separation unit between the air inlet and fan is arranged, preferably the separation unit is connected directly or only via a connecting pipe to the air inlet. The fan draws the air through the air inlet to the separation unit. Preferably, the end of the air inlet facing the separation unit has the same cross-sectional area or even the same cross-sectional contour as the end of the separation unit facing the air inlet. As a result, a turbulence-free as possible air flow is achieved and prevents deposition of the aerosol particles at an undesirable location.
In einer Ausführungsart weist die Abscheideeinheit einen Prallabscheider auf, mit dem die einzusammelnden Aerosolpartikel auf einer für sichtbares Licht vorzugsweise transparenten Prallfläche aus der Luft abscheidbar sind. Alternativ oder ergänzend zu einem Prallabscheider kann als Abscheideeinheit auch ein Filterelement eingesetzt werden. Durch die Verwendung eines Prallabscheiders lassen sich allerdings auch mit einer vergleichsweise geringen Gebläseleistung hohe Luftvolumenströme erreichen. Dies schont nicht nur die Energiereserven der flugfähigen Vorrichtung, sondern führt auch dazu, dass innerhalb einer kurzen Zeit ein ausreichend großes Luftvolumen beprobt werden kann. Vorzugsweise ist die Prallfläche eben, was beispielsweise die mikroskopische Auswertung der auf der Prallfläche abgeschiedenen Aerosolpartikel vereinfacht. Für eine durchlichtmikroskopische Auswertung ist es außerdem vorteilhaft, wenn die Prallfläche bzw. der die Prallfläche bildende Probenträger für sichtbares Licht transparent ist.In one embodiment, the separation unit has a baffle separator with which the aerosol particles to be collected can be separated from the air on a baffle surface which is preferably transparent to visible light. As an alternative or in addition to a baffle separator, a filter element can also be used as a separation unit. By using an impact separator, however, high air volume flows can be achieved even with a comparatively low blower output. This not only protects the energy reserves of the airworthy device, but also leads to the fact that within a short time a sufficiently large volume of air can be sampled. The baffle surface is preferably flat, which simplifies, for example, the microscopic evaluation of the aerosol particles deposited on the baffle surface. For a transmitted light microscopic evaluation, it is also advantageous if the baffle surface or the sample support forming the baffle surface is transparent to visible light.
In einer Ausführungsart kann der Prallabscheider auch mehrere Prallflächen oder mehrere die Prallflächen bildende Probenträger aufweisen, die automatisch oder fernsteuerbar in den Freistrahl des Prallabscheiders positionierbar sind. Beispielsweise kann der Prallabscheider einen Prallrevolver mit mehreren Prallflächen aufweisen, die durch Drehen des Prallrevolvers nacheinander in den Freistrahl bringbar sind. Damit sind auch innerhalb eines Fluges mehrere Probennahmen durchführbar, beispielsweise an unterschiedlichen vertikalen oder horizontalen Raumpositionen.In one embodiment, the impact separator can also have a plurality of baffles or a plurality of sample carriers forming the baffles, which can be positioned automatically or remotely controllable in the free jet of the baffle separator. For example, the impact separator can have an impact turret with a plurality of baffles, which can be successively brought into the free jet by turning the impact turret. Thus, several samples can be carried out within a flight, for example at different vertical or horizontal spatial positions.
In einer Ausführungsart ist der Prallabscheider düsenlos, vorzugsweise ist die Querschnittsfläche der Luftleitung in der Abscheideeinheit konstant, jedenfalls bis zu dem der Prallfläche zugewandten Ende der Luftleitung und dem Austritt des Freistrahls. Dadurch wird eine Abscheidung der einzusammelnden Aerosolpartikel an einer unerwünschten Stelle zuverlässig verhindert. Darüber hinaus ist der Luftvolumenstrom höher als bei Verwendung einer Düse, wodurch wiederum eine kürzere Zeitdauer der Probennahme und damit eine höhere zeitliche Auflösung der Ergebnisse erreichbar ist.In one embodiment, the baffle separator is nozzle-less, preferably the cross-sectional area of the air duct in the separation unit is constant, at least up to the end of the air duct facing the baffle and the exit of the free jet. As a result, deposition of the aerosol particles to be collected at an undesired location is reliably prevented. In addition, the air volume flow is higher than when using a nozzle, which in turn a shorter time duration of sampling and thus a higher temporal resolution of the results can be achieved.
In einer Ausführungsart ist der Lufteinlass der Sammeleinrichtung oberhalb mindestens eines Drehflügels des Fluggerätes angeordnet, vorzugsweise oberhalb aller Drehflügel des Fluggerätes. Untersuchungen haben ergeben, dass dadurch der Luftstrom aus einem Raumbereich entnehmbar ist, in dem vergleichsweise geringe Turbulenzen auftreten und dadurch die Probennahme durch die Sammeleinrichtung repräsentativ für die umgebende Raumluft ist.In one embodiment, the air inlet of the collecting device is arranged above at least one rotary wing of the aircraft, preferably above all rotary wings of the aircraft. Investigations have shown that as a result the air flow can be taken from a region of space in which comparatively small turbulences occur and thus the sampling by the collecting device is representative of the surrounding ambient air.
In einer Ausführungsart beträgt der vertikale Abstand zwischen Lufteinlass und dem benachbarten Drehflügel mehr als 25% des Durchmessers des benachbarten Drehflügels, insbesondere mehr als 55% und vorzugsweise mehr als 95%. Dadurch erfolgt der Lufteinlass aus einem Raumbereich, in dem die umgebende Luft durch den Abwind der Rotoren nur geringfügig verwirbelt ist, und es tritt keine Verfälschung des Ergebnisses der Probennahme auf.In one embodiment, the vertical distance between the air inlet and the adjacent rotary vane is more than 25% of the diameter of the adjacent rotary vane, in particular more than 55% and preferably more than 95%. As a result, the air inlet takes place from a spatial area in which the surrounding air is only slightly swirled by the downdraft of the rotors, and there is no distortion of the result of the sampling.
In einer Ausführungsart ist der Lufteinlass zu seinem freien Ende hin aufgeweitet ist, insbesondere kegelförmig oder in Form eines Hyperboloids aufgeweitet. Durch eine an die Abmessungen des Lufteinlasses angepasste Gebläseleistung weist die vom Gebläse über den Lufteinlass in die Sammeleinrichtung angesaugte Luft im Bereich des Eintritts in den Lufteinlass nach Betrag und/oder Richtung im Wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit auf wie die in der unmittelbaren Umgebung des Lufteinlasses sich bewegende Luft. Das Einsaugen der Luft in die Sammeleinrichtung erfolgt dadurch im Wesentlichen isokinetisch und/oder isoaxial, jedenfalls verursachen die verbleibenden Differenzen in Betrag und Richtung keine wesentliche Verfälschung des Ergebnisses der Probennahme. Die Differenz zwischen dem Betrag der Geschwindigkeit der angesaugten Luft und dem Betrag der Geschwindigkeit der umgebenden Luft kann beispielsweise weniger als 50% bezogen auf den Betrag der höheren Geschwindigkeit betragen, insbesondere weniger als 30% und vorzugsweise weniger als 25%.In one embodiment, the air inlet is widened towards its free end, in particular conical or widened in the form of a hyperboloid. By adapted to the dimensions of the air inlet fan power sucked from the fan via the air inlet into the collector air in the region of entry into the air inlet by amount and / or direction substantially the same speed as that in the immediate vicinity of the air inlet moving Air. The sucking of the air into the collecting device is thus essentially isokinetic and / or isoaxial; in any case, the remaining differences in magnitude and direction do not cause a significant falsification of the result of the sampling. For example, the difference between the amount of intake air velocity and the ambient air velocity may be less than 50% of the higher speed amount, more preferably less than 30%, and preferably less than 25%.
Durch die Aufweitung erfolgt im Verlauf des Ansaugweges eine möglichst gleichmäßige Beschleunigung der angesaugten Luft. Dadurch ist es möglich, die für eine effiziente Abscheidung erforderliche Strömungsgeschwindigkeit von beispielsweise mehr als 15 m/s, insbesondere mehr als 30 m/s und vorzugsweise mehr als 45 m/s, abhängig von der Art, Masse, Größe und Form der abzuscheidenden Aerosolpartikel, auch bei isokinetischer Probennahme zu erreichen.Due to the expansion takes place in the course of the intake as uniform as possible acceleration of the intake air. This makes it possible, for example, more than 15 m / s, more preferably more than 30 m / s and preferably more than 45 m / s, the flow rate required for efficient deposition, depending on the type, mass, size and shape of the aerosol particles to be deposited to achieve even with isokinetic sampling.
In einer Ausführungsart beträgt die Öffnung des Lufteinlasses mehr als 2 cm2 und weniger als 250 cm2, insbesondere mehr als 4 cm2 und weniger als 150 cm2 und vorzugsweise mehr als 8 cm2 und weniger als 60 cm2. In einer alternativen Ausführungsart beträgt die Öffnung des Lufteinlasses mehr als 1 cm2 und weniger als 250 cm2 beträgt, insbesondere mehr als 2 cm2 und weniger als 150 cm2 und vorzugsweise mehr als 10 cm2 und weniger als 50 cm2. Damit lassen sich in Abstimmung mit der lichten Weite der Luftleitung in der Sammeleinrichtung, insbesondere mit der lichten Weite in einem Prallabscheider, auch bei im Wesentlichen isokinetischer Probennahme die Strömungsgeschwindigkeiten erreichen, die für eine ausreichende Abscheidung von beispielsweise Pollenkörnern erforderlich sind.In one embodiment, the opening of the air inlet is more than 2 cm 2 and less than 250 cm 2 , in particular more than 4 cm 2 and less than 150 cm 2 and preferably more than 8 cm 2 and less than 60 cm 2 . In an alternative embodiment, the opening of the air inlet is more than 1 cm 2 and less than 250 cm 2 , in particular more than 2 cm 2 and less than 150 cm 2 and preferably more than 10 cm 2 and less than 50 cm 2 . This can be achieved in coordination with the clear width of the air line in the collecting device, in particular with the clear width in a baffle, even with essentially isokinetic sampling, the flow rates required for adequate separation of, for example, pollen grains.
In einer Ausführungsart ist der Lufteinlass senkrecht nach oben ausgerichtet. Dies ist insbesondere für den Schwebeflug oder auch den Vertikalflug und bei im Wesentlichen windstiller Umgebungsluft besonders vorteilhaft, weil dann die Luft isoaxial in den Lufteinlass einsaugbar ist.In one embodiment, the air inlet is oriented vertically upwards. This is particularly advantageous for hovering or vertical flight and for substantially windless ambient air, because then the air is isoaxially sucked into the air inlet.
In einer Ausführungsart ist der Lufteinlass gegenüber dem Fluggerät schwenkbar, insbesondere um eine horizontale Achse schwenkbar oder um zwei rechtwinklig zueinander ausgerichtete und vorzugsweise jeweils horizontale Achsen schwenkbar. Dies ist vorteilhaft, wenn die Probennahme während eines Horizontalfluges erfolgen soll, beispielsweise wenn entlang des Randes eines Maisfeldes die Pollenkonzentration gemessen werden soll, oder wenn eine signifikante Windgeschwindigkeit herrscht. In diesem Fall kann der Lufteinlass derart geschwenkt werden, dass die Probennahme trotz des Horizontalfluges bzw. der Windgeschwindigkeit isoaxial erfolgt.In one embodiment, the air inlet relative to the aircraft is pivotable, in particular pivotable about a horizontal axis or pivotable about two mutually perpendicular and preferably horizontal axes. This is advantageous if the sampling is to take place during a horizontal flight, for example when along the edge of a corn field, the pollen concentration should be measured, or if there is a significant wind speed. In this case, the air inlet can be pivoted such that the sampling takes place isoaxial despite the horizontal flight or the wind speed.
In einer Ausführungsart ist das Gebläse steuerbar und dadurch der vom Gebläse in der Abscheideeinheit erzeugbare Luftvolumenstrom einstellbar. Dadurch wird eine isokinetische Probennahme beispielsweise auch bei sich verändernden Windverhältnissen gewährleistet. Außerdem kann dadurch die Strömungsgeschwindigkeit in der Sammeleinrichtung, insbesondere in einem Prallabscheider, an die einzusammelnden Aerosolpartikel angepasst werden.In one embodiment, the blower is controllable and thereby adjustable by the fan in the separation unit air flow adjustable. As a result, an isokinetic sampling is ensured, for example, even with changing wind conditions. In addition, the flow velocity in the collecting device, in particular in a baffle separator, can thereby be adapted to the aerosol particles to be collected.
In einer Ausführungsart beträgt die Strömungsgeschwindigkeit des Luftvolumenstromes in der Abscheideeinheit mehr als 25 l/Min und weniger als 2.000 l/Min, insbesondere mehr als 50 l/Min und weniger als 1.500 l/Min und vorzugsweise mehr als 100 l/Min und weniger als 1.000 l/Min. Die Strömungsgeschwindigkeit muss insbesondere bei Einsatz eines Prallabscheiders in der Abscheideeinheit ausreichend groß sein, um eine zuverlässige Abtrennung der einzusammelnden Aerosolpartikel zu gewährleisten. Die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit ist dabei abhängig von dem Typ, der Masse, der Größe und der Form der einzusammelnden Aerosolpartikel. Unter der Voraussetzung, dass die einmal auf der Prallfläche abgeschiedenen Aerosolpartikel zuverlässig anhaften, führt eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit tendenziell zu einer Erhöhung der Abscheiderate. Dementsprechend gibt es für jede Art von Aerosolpartikel einen Schwellenwert der Strömungsgeschwindigkeit, oberhalb dessen eine Abscheidung von beispielsweise mehr als 95% gewährleistet ist.In one embodiment, the flow rate of the air volume flow in the separation unit is more than 25 l / min and less than 2,000 l / min, more preferably more than 50 l / min and less than 1,500 l / min and preferably more than 100 l / min and less than 1,000 l / min. The flow velocity must be sufficiently large, in particular when using an impact separator in the separation unit, in order to ensure a reliable separation of the aerosol particles to be collected. The required flow rate depends on the type, mass, size and shape of the aerosol particles to be collected. Provided that the once deposited on the baffle aerosol particles adhere reliably, an increase in the flow velocity tends to increase the deposition rate. Accordingly, for each type of aerosol particle, there is a threshold flow velocity above which deposition of, for example, more than 95% is ensured.
In einer Ausführungsart weist die Sammeleinrichtung weiterhin einen Volumenstromsensor auf, mit dem der durch die Abscheideeinheit fließende Luftvolumenstrom messbar ist. Dadurch ist gewährleistet, dass das beprobte Luftvolumen auch bei sich ändernder Strömungsgeschwindigkeit in der Sammeleinrichtung, beispielsweise aufgrund einer nachlassenden Gebläseleistung, zuverlässig und vor allem in-situ bestimmbar ist.In one embodiment, the collecting device further comprises a volume flow sensor with which the air volume flow flowing through the separation unit can be measured. This ensures that the sampled air volume can be determined reliably and, above all, in situ, even when the flow velocity in the collecting device changes, for example as a result of a decreasing blower output.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist außerdem gelöst durch ein Verfahren zum Einsammeln von Aerosolpartikeln aus der Luft mit einer Vorrichtung wie vorstehend beschrieben, wobei die Aerosolpartikel mit der Abscheideeinheit der auf dem unbemannten Fluggerät angeordneten Sammeleinrichtung eingesammelt werden, und wobei die einzusammelnden Aerosolpartikel auf der Prallfläche der Abscheideeinheit abgeschieden werden.The object underlying the invention is also achieved by a method for collecting aerosol particles from the air with a device as described above, wherein the aerosol particles are collected with the separation unit of the arranged on the unmanned aerial collection device, and wherein the aerosol particles to be collected on the baffle of Separating unit are deposited.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the subclaims and the following description in which an embodiment is described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description may each be essential to the invention individually or in any desired combination.
Die
Die Rotoren
Jeder Rotor
In der
Das Fluggerät
Der vertikale Abstand
Die
Im Ausführungsbeispiel führt die Rohrleitung
Bei einer Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrleitung
Durch die Verwendung eines für Licht transparenten Probenträgers
Die bisher erzielten Ergebnisse lassen vermuten, dass jedenfalls bei geeigneter Wahl der Geometrie des Lufteinlasses
Auf der dem Lufteinlass
Die
In der vergrößerten Darstellung der
Im Unterschied zu optischen Partikelzählern bietet die erfindungsgemäße Sammeleinrichtung
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DE102017008876A1 (en) | 2018-10-25 |
DE202017002114U1 (en) | 2018-07-25 |
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