DE10220863A1

DE10220863A1 - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Bestimmung von festen und flüssigen Mikropartikeln in Gasen

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Publication number: DE10220863A1
Application number: DE10220863A
Authority: DE
Original assignee: FACHHOCHSCHULE MANNHEIM HOCHSC
Current assignee: FACHHOCHSCHULE MANNHEIM HOCHSC
Priority date: 2002-05-09
Filing date: 2002-05-09
Publication date: 2003-11-20

Abstract

Eine neue Methode zur Staubcharakterisierung wird beschrieben, nach der die Konzentration, die Morphologie und die spektroskopischen Eigenschaften von Staubpartikeln in Echtzeit und automatisch ermittelt werden. Durch eine Koronaentladung wird der Staub auf einer flächigen Niederschlagselektrode akkumuliert. Nach einer geregelten Akkumulationszeit wird mit Hilfe einer Positionierungsautomatik der akkumulierte Probenfleck unter das Objektiv eines Videomikroskops gedreht. Hier werden die abgeschiedenen Partikel mikroskopisch und mit digitaler Bildverarbeitung im Hinblick auf morphologische und statistische Parameter ausgewertet. Schließlich wird das ausgewertete Oberflächensegment automatisch gereinigt oder durch ein neues ersetzt, wodurch der Meßzyklus abgeschlossen ist und neu beginnen kann. DOLLAR A Die erhobenen Parameter des Staubniederschlags auf der Elektrode werden mit Standard-Aerosolen kalibriert.

Description

Im Zusammenhang der Luftqualität gerät die gesundheitliche Bedeutung von Staub gegenwärtig zunehmend in den Blickpunkt. Staubmessungen sind jedoch aufwendig, insbesondere wenn dabei unterschiedliche Partikelfraktionen getrennt gemessen werden sollen.
Eine Messung, die zumindest nach Grobstaub- und Feinstaub- Fraktionen unterscheiden kann, ist wichtig, weil gerade der Feinstaub im Submikrometerbereich bis in die äußersten Verästelungen der Lungenatemwege dringt und erst dort teilweise sedimentiert. Derzeitige fraktionierende Meßverfahren sind zumeist auf einen sammelnden Mechanismus für die einzelnen Staubfraktionen angewiesen (Gestaffelte Filter, Kaskaden-Impaktoren), die diskontinuierlich nach einer gewissen Sammelzeit ausgemessen werden. Hierbei ist zumeist ein manuelles Eingreifen in den Meßprozess notwendig.
Automatische und kontinuierlich arbeitende Staubsensoren gibt es zwar, sie arbeiten jedoch nach photometrischen Prinzipien (u. a. auch mit β-Strahlung), oder mit gravimetrischen Anordnungen, die kaum Aussagen über die Größenverteilung des Staubes erlauben. (Siehe z. B. Air Quality Control, Günter Baumbach 1996 Springer Verlag).
Mit dieser Erfindung wird ein neues Staub-Meßprinzip realisiert, welches die Größenverteilung, die Morphologie und auch spektroskopische Eigenschaften der Staubpartikel zu ermitteln gestattet, dabei aber quasikontinuierlich und vollautomatisch mißt.
Ziel ist, eine automatische online-Videomikroskopie mit online-Bildauswertung von Staubkornbildern zu ermöglichen. Dem steht jedoch zunächst die Schwierigkeit im Wege, daß das Mikroskopiervolumen für eine ausreichende Meßstatistik nicht genügend groß ist. Staubpartikel erreichen statistisch zu selten das winzige Mikroskopiervolumen von ca 0.1 × 0.1 × 0.001 Kubikmillimeter.
Zur Lösung dieses Problems dient ein Sammelmechanismus auf Basis einer Koronaentladung wie bei elektrostatischen Staubabreinigern in Kraftwerksabgasen.
Zwischen einer ebenen Elektrode und einer Spitzenelektrode wird eine Koronaentladung gezündet. Staubpartikel im Bereich der Entladung laden sich auf und werden so im elektrischen Feld zur Plattenelektrode hinbeschleunigt und dort abgeschieden.
Speziell für eine gravimetrische - also nicht nach Fraktionen getrennte - Staubbestimmung wurde bereits eine gepulste Koronaentladungen in definiertem Meßvolumen beschrieben. (Siehe DE 0003801557 C2 Verfahren zur Messung der Luftstaubkonzentration)
In der hier beschriebenen Erfindung wird eine Koronaentladung mit automatisierter Positionierungstechnik, Videomikroskopie und automatischer Bildverarbeitung kombiniert, so daß erstmals eine unkomplizierte Bestimmung verschiedener Staubfraktionen ohne selektive Ansaugvorrichtunge in Echtzeit und ohne manuelle Eingriffe in einer kompakten Apparatur möglich ist.
Eine Koronaentladung akkumuliert auf einer flächigen Niederschlagselektrode einen Staubfleck, der mikroskopisch ausgewertet werden kann.
Nach einer gewissen Akkumulationszeit, die der Staubkonzentration in der Luft automatisch angepaßt wird, wird die Oberfläche durch eine Positionierungsautomatik unter ein Videomikroskop gebracht, mikroskopisch und mit digitaler Bildverarbeitung ausgewertet und danach entweder für den nächsten Datenaufnahmezyklus gereinigt oder vollkommen durch ein neues flächiges Elektrodensegment ersetzt.
Eine vorteilhafte Ausführung eines Instruments nach dem umrissenen Verfahren zeigt die Abbildung in Fig. 1.
Die ebene Niederschlagselektrode wird durch eine polierte Scheibe aus gut oder schwach leitfähigem Material beispielsweise einem Silizium-Wafer 1 gebildet, der flach auf einer Präzisions-Rotationstisch 2 fixiert ist. Durch einen Meßrechner 5 wird der Rotationstisch so gesteuert, daß er zur Staubakkumulation in der Koronaentladung 3 solange stillsteht bis eine statistisch signifikante Anzahl Staubpartikel sich niedergeschlagen hat.
Danach wird das bestäubte Segment 4 durch den Rotationstisch unter das Objektiv des Videomikroskops 7 gefahren. Die Bilder des Videomikroskops werden in Echtzeit im Meßrecher 5 dokumentiert und ausgewertet im Hinblick auf Staubmenge oder Partikel-Größenverteilung oder andere morphologische Merkmale oder spektrale Merkmale. Die optimale Akkumulationszeit der Staubschicht in der Koronaentladung wird mit Berücksichtigung der Auswertung des jeweils vorhergehenden Meßzyklus vom Meßrechner neu ermittelt und entsprechend angepaßt.
Nach der mikroskischen Aufnahme wird das bestäubte Segment automatisch mindestens einmal unter einem Wischer 6 hindurchgedreht und nach erfolgter Reinigung wieder in der Koronaentladung 3 positioniert, womit der Meßzyklus neu beginnt.
Der zur Reinigung eingesetzte Wischer kann auch so ausgestaltet werden, daß fortlaufend neues und sauberes Wischmaterial in Kontakt mit der Elektrodenoberfläche kommt. Hierfür wird ein automatisch getriebenes Reinigungsband wie beispielsweise in der Videotechnik verwendet, wobei das Band durch eine geeignete Rollenführung in Kontakt mit der Elektrode gebracht wird.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung von flüssigen und festen Mikropartikeln in Gasen mit einer Koronaentladung zwischen mindestens einer Spitzenelektrode und einer flächigen Gegenelektrode, so daß die Staubpartikel in der Entladung aufgeladen werden und auf der Oberfläche der flächigen Elektrode abgeschieden werden gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

- daß nach Akkumulation des Staubes auf der flächigen Elektrode diese durch eine automatisierte Positionierung in die Fokusebene eines Videomikroskop positioniert wird.

- daß das Mikroskop scharfe Bilder von den niedergeschlagenen Staubpartikeln aufnimmt.

- daß die Bilder mit Hilfe automatischer Bildverarbeitung ausgewertet werden im Hinblick auf Staubmenge oder Partikel-Größenverteilung oder andere morphologische Merkmale oder spektrale Merkmale.

- daß nach den vorangenannten Schritten mit Hilfe einer automatisierten Mechanik erneut ein sauberes flächiges Elektrodensegment in der Koronaentladung positioniert wird.

- der Zyklus aus den voranbeschriebenen Schritten neu beginnt und so oft wiederholt wird, wie neue Meßergebnisse erwünscht sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

- Die wiederholte Positionierung sauberer Elektrodensegmente in der Korona erfolgt durch automatische Reinigung bestäubter Elektrodensegmente durch Wischer oder Gebläse und nachfolgender automatischer Zurückführung der gereinigten Segmente in die Koronaentladung durch die Positionierungsautomatik.

3. Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

- Die wiederholte Positionierung sauberer Elektrodensegmente in der Korona erfolgt durch einen automatisierten Plattenwechsler, der die flächigen gebrauchten Elektroden ganz gegen jeweils neue austauscht

4. Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

- Die wiederholte Positionierung sauberer Elektrodensegmente in der Korona erfolgt durch automatisiertes geregeltes Abrollen bandförmigen jeweils frischen Elektrodenmaterials von einer Vorratsrolle, wobei das frische Band in die Elektrodenposition in der Koronaentladung gezogen wird und zugleich die vorher bereits bestäubte Bandstelle - analog wie in einem Tonband - zum Auslesen unter das Mikroskop gezogen wird und danach durch Aufrollen auf einer Leerrolle verworfen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

- das Reinigungsmittel besteht aus einem rollbaren weichen Faser- oder Gewebeband.

- die zum Reinigen verwendete Bandstelle berührt mit leichtem Andruck die flächige Elektrode und reinigt diese durch eine automatisierte Wischbewegung, die von dem Band selbst oder/und der flächigen Elektrode ausgeführt wird.

- das Reinigungsband wird durch Abrollen von einer Vorratspule und Aufrollen auf eine Leerspule laufend erneuert

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5 gekennzeichnet durch die folgenden Merkmaie:

- durch eine automatisierte schrittweise Verstellung des Mikroskopfokus wird ein Bilderstapel der Staubpartikel mit schrittweise verstelltem Fokus - also eine Fokusserie - aufgenommen

- die Fokusserie wird zur Ermittlung dreidimensionaler Strukturen der Partikel in einem Rechner verwendet und so die automatische Charakterisierung der Partikel oder sogar ihre Erkennung aufgrund bekannter Merkmale erleichtert.

7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6 gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:

- Die Grundfokussierung des Videomikroskops wird laufend durch eine Autofokus-Regelung nachjustiert.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- spezielle morphologische Merkmale wichtiger Partikelspezies wie beispielsweise Pollen oder Asbestfasern werden in der automatischen Bildverarbeitung zur spezifischen Erkennung und automatischen Anzeige verwendet.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8 gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

- die ebene Elektrode wird durch eine polierte Scheibe aus gut oder schwach leitfähigem Material beispielsweise einem Silizium-Wafer 1 gebildet, der flach auf einer Präzisions-Rotationspositionierung 2 fixiert ist.

- durch einen Meßrechner 5 wird der Rotationstisch so gesteuert, daß er zur Staubakkumulation in der Koronaentladung 3 solange steht bis eine statistisch signifikante Anzahl Staubpartikel sich niedergeschlagen hat.

- dann wird das bestäubte Segment 4 zur Mikroskopie durch den Rotationstisch unter das Objektiv eines Videomikroskops gefahren.

- die Bilder des Videomikroskops werden in Echtzeit im Meßrecher 5 dokumentiert und ausgewertet im Hinblick auf Staubmenge oder Partikel- Größenverteilung oder andere morphologische Merkmale oder spektrale Merkmale.

- die optimale Akkumulationszeit der Staubschicht in der Koronaentladung wird mit Berücksichtigung der Auswertung des jeweils vorhergehenden Meßzyklus vom Meßrechner neu ermittelt und entsprechend angepaßt.

- nach der Mikroskopie wird das bestäubte Segment automatisch mindestens einmal unter einem Wischer 6 hindurchgedreht und nach erfolgter Reinigung wieder in der Koronaentladung 3 positioniert, womit der Meßzyklus neu beginnt.