DE102017008876A1 - A method for collecting aerosol particles from the air by means of a mobile or portable collecting device and associated mobile or portable collecting device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einsammeln von Aerosolpartikeln (2) aus der Luft mittels einer mobilen oder portablen Sammeleinrichtung (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Sammeleinrichtung (20) einen Lufteinlass (22), eine Abscheideeinheit (24) zum Abscheiden der einzusammelnden Aerosolpartikel (2) und ein Gebläse (26) aufweist, und dass unabhängig von einer Bewegung der Sammeleinrichtung (20) die Luft mittels des Gebläses (26) über den Lufteinlass (22) angesaugt und durch die Abscheideeinheit (24) hindurch geführt wird und dabei die Aerosolpartikel (2) aus der Luft abgeschieden werden. The invention relates to a method for collecting aerosol particles (2) from the air by means of a mobile or portable collecting device (20), characterized in that the collecting device (20) has an air inlet (22), a separating unit (24) for separating the aerosol particles to be collected (2) and a blower (26), and that, independently of a movement of the collecting device (20) the air is sucked by the blower (26) via the air inlet (22) and passed through the separation unit (24) and the Aerosol particles (2) are deposited from the air.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einsammeln von Aerosolpartikeln aus der Luft, insbesondere zum Einsammeln von festen Aerosolpartikeln aus der Luft, mittels einer mobilen oder portablen Sammeleinrichtung sowie eine zugehörige mobile oder portable Sammeleinrichtung.The invention relates to a method for collecting aerosol particles from the air, in particular for collecting solid aerosol particles from the air, by means of a mobile or portable collecting device and an associated mobile or portable collecting device.
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 ambient or ambient air surrounding us forms an aerosol, i. 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 Autoriomous 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 Autoriomous 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
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einsammeln von Aerosolpartikeln aus der Luft mittels einer mobilen oder portablen Sammeleinrichtung und eine zugehörige Sammeleinrichtung 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 a method for collecting aerosol particles from the air by means of a mobile or portable collecting device and an associated collecting device, with which the possible applications can be further improved. In one embodiment, the concentration of the aerosol particles is to be determined with high time and spatial resolution, i. 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 das im Anspruch 1 bestimmte Verfahren und durch die im Anspruch 9 bestimmte Sammeleinrichtung gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.This object is achieved by the method defined in
In einer Ausführungsart ist die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Einsammeln von Aerosolpartikeln aus der Luft mittels einer mobilen oder portablen Sammeleinrichtung, wobei die Sammeleinrichtung einen Lufteinlass, eine Abscheideeinheit zum Abscheiden der einzusammelnden Aerosolpartikel und ein Gebläse aufweist, und wobei unabhängig von einer Bewegung der Sammeleinrichtung die Luft mittels des Gebläses über den Lufteinlass angesaugt und durch die Abscheideeinheit hindurch geführt wird und dabei die Aerosolpartikel aus der Luft abgeschieden werden.In one embodiment, the object is achieved by a method for collecting aerosol particles from the air by means of a mobile or portable collecting device, wherein the collecting device comprises an air inlet, a separation unit for separating the aerosol particles to be collected and a fan, and wherein independent of a movement of the collecting device the air is sucked in by means of the blower via the air inlet and passed through the separation unit and thereby the aerosol particles are separated from the air.
Das Gebläse ist vorzugsweise elektrisch mittels eines mobilen elektrochemischen Energiespeichers betreibbar. Wenn die Sammeleinrichtung auf einem Fahr- oder Flugzeug betrieben wird, kann der Energiespeicher des Fahr- oder Flugzeuges für den Betrieb des Gebläses eingesetzt werden.The fan is preferably electrically operable by means of a mobile electrochemical energy store. If the collector is operated on a vehicle or aircraft, the Energy storage of the vehicle or aircraft are used for the operation of the blower.
Um einen mobilen oder portable Einsatz zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die gesamte über den Lufteinlass eingesaugte Luft der Abscheideeinheit zugeführt wird, insbesondere auch einem Prallabscheider zugeführt wird. Dadurch kann mit angesaugten Luftvolumenströmen von beispielsweise weniger als 500 Litern pro Minute, insbesondere weniger als 300 Litern pro Minute und vorzugsweise weniger als 200 Litern pro Minute, auch während einer kurzen Probennahmedauer von weniger als 10 Minuten, insbesondere weniger als 5 Minuten und vorzugsweise weniger als 3 Minuten, ein für eine aussagekräftige Probennahme ausreichend großes Luftvolumen beprobt werden.In order to enable a mobile or portable use, it is advantageous if the entire air sucked in via the air inlet is fed to the separation unit, in particular also to a baffle separator. As a result, with intake air flow rates of, for example, less than 500 liters per minute, in particular less than 300 liters per minute and preferably less than 200 liters per minute, even during a short sampling period of less than 10 minutes, in particular less than 5 minutes and preferably less than 3 minutes, a sufficiently large volume of air for a meaningful sampling be sampled.
Besonders vorteilhaft ist, dass - unabhängig von einer Bewegung der mobilen Sammeleinrichtung - durch den Betrieb des Gebläses die Sammeleinrichtung mit der zu beprobenden Luft durchströmt wird und dadurch die Aerosolpartikel aus der Luft abgeschieden und dadurch eingesammelt werden. Die Sammeleinrichtung kann portabel sein und beispielsweise einen Handgriff für den Transport oder die Ausrichtung des Lufteinlasses während des Einsammelns der Aerosolpartikel aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann die Sammeleinrichtung auch auf einem Land-, Luft oder Wasserfahrzeug anbringbar sein und während der Fahrt oder des Fluges betrieben werden.It is particularly advantageous that - regardless of a movement of the mobile collecting device - through the operation of the blower, the collecting device is traversed by the air to be sampled and thereby the aerosol particles are separated from the air and thereby collected. The collector may be portable and may include, for example, a handle for transporting or orienting the air inlet during collection of the aerosol particles. Alternatively or additionally, the collecting device can also be mounted on a land, air or water vehicle and operated while driving or in flight.
In einer Ausführungsart werden die Aerosolpartikel in der Abscheideeinheit auf einer für sichtbares Licht vorzugsweise transparenten Prallfläche eines Prallabscheiders abgeschieden. Vorzugsweise werden die Aerosolpartikel auf der Prallfläche impaktiert. Die Prallfläche ist hierzu vorzugsweise adhäsiv oder bindet die auftreffenden Aerosolpartikel auf andere Weise. Die Prallfläche kann beispielsweise durch eine Gelatineschicht gebildet sein.In one embodiment, the aerosol particles are deposited in the deposition unit on a preferably visible transparent light impact surface of a baffle. Preferably, the aerosol particles are impacted on the baffle. For this purpose, the baffle surface is preferably adhesive or binds the impinging aerosol particles in a different manner. The baffle may for example be formed by a gelatin layer.
In einer Ausführungsart wird die Luft mittels eines Freistrahls auf die Prallfläche gerichtet, wobei die Prallfläche schräg oder quer zum Freistrahl angeordnet sein kann. Besonders vorteilhaft ist, wenn der Freistrahl und die Prallfläche einen Winkel vom mehr als 45° und weniger als 135° einschließen, insbesondere mehr als 70° und weniger als 115°, und vorzugsweise mehr als 85° und weniger als 95°. Der Winkel zwischen Prallfläche und Freistrahl kann auch manuell oder motorisch veränderbar sein, um eine Selektivität hinsichtlich der einzusammelnden Aerosolpartikel zu erreichen oder zu verbessern.In one embodiment, the air is directed by means of a free jet on the baffle, wherein the baffle can be arranged obliquely or transversely to the free jet. It is particularly advantageous if the free jet and the impact surface include an angle of more than 45 ° and less than 135 °, in particular more than 70 ° and less than 115 °, and preferably more than 85 ° and less than 95 °. The angle between the baffle surface and the free jet can also be changed manually or by a motor, in order to achieve or to improve a selectivity with regard to the aerosol particles to be collected.
In einer Ausführungsart ist die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in der Abscheideeinheit regelbar, beispielsweise durch eine entsprechende Ansteuerung des Gebläses oder durch Zuschalten eines Bypasses. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit an die Art und/oder Anzahl der einzusammelnden Aerosolpartikel angepasst werden. So erfordern einige Aerosolpartikel, insbesondere kleine und leichte Aerosolpartikel, eine höhere Strömungsgeschwindigkeit in der Abscheideeinheit und insbesondere in einem Prallabscheider, um das Abscheiden und Einsammeln zu gewährleisten.In one embodiment, the flow rate of the air in the separation unit can be regulated, for example by a corresponding control of the fan or by connecting a bypass. As a result, the flow rate can be adapted to the type and / or number of aerosol particles to be collected. Thus, some aerosol particles, especially small and light aerosol particles, require a higher flow rate in the separation unit, and in particular in an impingement separator, to ensure separation and collection.
In einer Ausführungsart ist die Sammeleinrichtung an einem vorzugsweise unbemannten Fahr- oder Fluggerät angeordnet, insbesondere an einem zum Schwebeflug fähigen Fluggerät, und das Einsammeln der Aerosolpartikel erfolgt während des Betriebs des Fahr- oder Fluggerätes. Dabei kann beispielsweise bei einem Fluggerät, insbesondere bei einem zum Schwebeflug fähigen Fluggerät wie etwa einem Drehflügler, durch eine geeignete Geometrie und/oder Anordnung und/oder Ausrichtung des Lufteinlasses der durch die rotierenden Propeller des Fluggerätes erzeugte Abwind vorteilhaft ausgenutzt werden, um eine hohe Einfangeffizienz des Lufteinlasses erzielt werden. Das Fluggerät kann, muss aber dabei nicht notwendig abgehoben haben und im Flug sein, sondern das Einsammeln der Aerosolpartikel kann auch erfolgen, während lediglich mindestens einer der Propeller des Fluggeräts in Betrieb ist.In one embodiment, the collecting device is arranged on a preferably unmanned vehicle or aircraft, in particular on an aircraft capable of hovering, and the collection of the aerosol particles takes place during operation of the vehicle or aircraft. In this case, for example, in the case of an aircraft, in particular an aircraft capable of hovering, such as a rotorcraft, the downdraft generated by the rotating propellers of the aircraft can advantageously be utilized by a suitable geometry and / or arrangement and / or orientation and / or orientation of the air inlet in order to achieve high capture efficiency the air intake can be achieved. The aircraft may but need not necessarily have lifted and be in flight, but the collection of the aerosol particles can also be done while only at least one of the propellers of the aircraft is in operation.
In einer Ausführungsart werden mehrere Sammeleinrichtungen gleichzeitig betrieben, entweder auf einem gemeinsamen Land- oder Luftfahrzeug, oder auf mehreren Land- oder Luftfahrzeugen. Es können beispielsweise mehrere Luftfahrzeuge an unterschiedlichen Positionen Probennahmen der Luft vornehmen, beispielsweise auch ein Schwarm von Flugdrohnen, die mit erfindungsgemäßen Sammeleinrichtungen ausgerüstet sind. Die Flugdrohnen können von einer oder wenigen Bedienpersonen gesteuert werden oder auch vollständig autonom fliegen.In one embodiment, multiple collection devices are operated simultaneously, either on a common land or air vehicle, or on multiple land or air vehicles. For example, several aircraft at different positions may take samples of the air, for example a swarm of flying drones equipped with collecting devices according to the invention. The flying drones can be controlled by one or a few operators or even fly completely autonomously.
In einer Ausführungsart erfolgt ist neben dem Einsammeln der Partikel auch ein Zählen der Aerosolpartikel, beispielsweise mit einem optischen Partikelzähler (OPC), und/oder eine in-situ Analyse oder Sortierung der Aerosolpartikel, beispielsweise mit zytometrischen Verfahren, insbesondere der Durchflusszytometrie. Hierbei können die Baugruppen der Partikelzählung und/oder der Zytometrie in Bezug auf die Luftführung parallel oder seriell zur Sammeleinrichtung geschaltet sein, im Falle der seriellen Anordnung der Sammeleinrichtung vorgeschaltet sein.In one embodiment, in addition to collecting the particles, counting of the aerosol particles, for example with an optical particle counter (OPC), and / or in-situ analysis or sorting of the aerosol particles, for example by cytometric methods, in particular flow cytometry, is performed. In this case, the modules of the particle counting and / or the cytometry may be connected in parallel or in series with the collecting device with respect to the air guide, in the case of the serial arrangement being upstream of the collecting device.
In einer Ausführungsart ist die Abscheideeinheit außerhalb eines Betriebs der Sammeleinrichtung, insbesondere außerhalb eines Betriebs des Gebläses, für eine Partikelabscheidung unzugänglich. Beispielsweise kann die Abscheideeinheit und insbesondere die Prallfläche eines Prallabscheiders verschlossen und/oder mit vorzugsweise gefilterter Luft rückgespült werden, solange der Vorgang des Einsammelns der Aerosolbehälter nicht gestartet ist und/oder nachdem dieser Vorgang beendet wurde. Damit kann verhindert werden, dass etwa während einer Bewegung der Sammeleinrichtung, beispielsweise auf einem Fluggerät im Steig- oder Sinkflug, der Lufteinlass angeströmt wird und ein unerwünschter Eintrag von Aerosolpartikel in die Sammeleinrichtung erfolgt.In one embodiment, the separation unit is inaccessible to particle separation outside operation of the collection device, particularly outside of operation of the blower. For example, the separation unit and in particular the impact surface of an impact separator can be closed and / or with preferably filtered air be backwashed as long as the process of collecting the aerosol container is not started and / or after this process has ended. This can prevent that, for example, during a movement of the collecting device, for example, on an aircraft in the climb or descent, the air inlet is flown and an unwanted entry of aerosol particles in the collecting takes place.
In einer Ausführungsart wird während des Betriebes des Fahr- oder Fluggeräts die Richtung und/oder der Betrag des Windes ermittelt, insbesondere aus der Lage des Fahr- oder Fluggerätes in Bezug auf mindestens eine der drei Raumachsen und/oder aus der Ansteuerung oder dem Stromfluss in den elektrischen Antriebsmotoren des Fahr- oder Fluggerätes. Dies ist insbesondere bei Fluggeräten vorteilhaft, vor allem bei zum Schwebeflug fähigen Fluggeräten. So verfügen beispielsweise moderne Multicopter oder Flugdrohnen über Sensoren, die nicht nur die Position des Fluggeräts im Raum, sondern auch die Lagewinkel des Fluggerätes in Bezug auf die drei zueinander orthogonalen Raumachsen erfassen. Aus diesen Lagewinkeln kann entweder unmittelbar an Bord des Fluggerätes und/oder nach Telemetrie dieser Daten zu einer Bodenstation der herrschende Seitenwind ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend können auch die Ansteuerung und/oder die elektrischen Ströme der Antriebsmotoren des Fluggerätes ausgewertet werden, um die herrschenden Windverhältnisse zu ermitteln.In one embodiment, the direction and / or the amount of wind is determined during operation of the vehicle or aircraft, in particular from the position of the vehicle or aircraft with respect to at least one of the three spatial axes and / or from the control or the current flow in the electric drive motors of the vehicle or aircraft. This is particularly advantageous in aircraft, especially in aircraft capable of hovering. For example, modern multicopters or flying drones have sensors that detect not only the position of the aircraft in space, but also the attitude angles of the aircraft with respect to the three mutually orthogonal spatial axes. From these angles, either directly on board the aircraft and / or after telemetry of this data to a ground station, the prevailing crosswind can be determined. Alternatively or additionally, the control and / or the electrical currents of the drive motors of the aircraft can be evaluated to determine the prevailing wind conditions.
In einer Ausführungsart ist die Erfindung gelöst durch eine mobile oder sogar portable Sammeleinrichtung, die einen Lufteinlass, eine Abscheideeinheit zum Abscheiden der einzusammelnden Aerosolpartikel und ein Gebläse aufweist. Wenn die Sammeleinrichtung Abmessungen von weniger als 50 cm x 50 cm x 50 cm und ein Gewicht von weniger als 3 kg, insbesondere weniger als 2 kg und vorzugsweise weniger als 1,2 kg aufweist, kann die Sammeleinrichtung besonders einfach auch an einem unbemannten Fluggerät angebracht werden, insbesondere an einem unbemannten Drehflügler.In one embodiment, the invention is achieved by a mobile or even portable collecting device, which has an air inlet, a separation unit for separating the aerosol particles to be collected and a blower. If the collecting device has dimensions of less than 50 cm x 50 cm x 50 cm and a weight of less than 3 kg, in particular less than 2 kg and preferably less than 1.2 kg, the collecting device can be attached to an unmanned aerial vehicle in a particularly simple manner especially on an unmanned rotorcraft.
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 intake of the Collecting device should not be located 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. 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.
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 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 in magnitude 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 speed and the ambient air speed may be less than 50% of the higher speed amount, in particular 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. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Austritts des Freistrahls in der Abscheideeinheit zwischen 30 m/s und 100 m/s, insbesondere zwischen 40 m/s und 65 m/s.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 a preferred embodiment, the flow velocity in the region of the outlet of the free jet in the separation unit is between 30 m / s and 100 m / s, in particular between 40 m / s and 65 m / s.
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. 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 . 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 sufficient 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 the pollen concentration is to be measured along the edge of a corn field, 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.
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.
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1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen flugfähigen Vorrichtung zum Einsammeln von Aerosolpartikeln aus der Luft, -
2 zeigt detailreicher und in vergrößerter Darstellung eine Seitenansicht der Sammeleinrichtung der1 , -
3 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme eines Probenträgers mit abgeschiedenen Aerosolpartikeln, und -
4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Fotos der3 .
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1 shows a side view of an embodiment of an airworthy device according to the invention for collecting aerosol particles from the air, -
2 shows more detailed and enlarged view of a side view of the collection of the1 . -
3 shows a light micrograph of a sample carrier with deposited aerosol particles, and -
4 shows an enlarged section of the photo of the3 ,
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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102012108179 A1 [0006]DE 102012108179 A1 [0006]
- DE 9006535 U1 [0007]DE 9006535 U1 [0007]
- RU 128868 U1 [0008]RU 128868 U1 [0008]
- CN 104477398 A [0009]CN 104477398 A [0009]
- US 2009/0212157 A1 [0010]US 2009/0212157 A1 [0010]
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