DE1598107A1 - Verfahren zur Bestimmung der Groesse und Anzahl von Teilchen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Bestimmung der Größe und Anzahl von Teilchen" Zur Bestimmung der Anzahl und Größe von z. L. Aerosol-Teilchen sind verschiedene optische Verfahren bekannt geworden. Die meisten von ihnen benutzen die Abbildung der auszumessenden Teilchen auf einer Photozelle, wozu aber mitunter umfangreiche optische Einrichtungen notwendig sind.
• Demgegenüber besitzt das im folgenden beschriebene erfindungsgeaäße Verfahren neben einer hohen Meßgenauigkeit den Vorzug einer relativ einfachen technischen Ausführung.
• Es beruht auf dem Gedanken, die unbekannten Teilchen mit einer elektrischen Ladung zu versehen und sie auf die Platte eines Neßkondensators fallen ru lassen, wo sie ihre Ladung abgeben.
• Voraussetzung ist, daß auf der Oberfläche der zu untersuchenden Teilchen überhaupt ein Ladungsausgleich stattfinden kann, daß sie dahsr auch eine genügende elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
• Beim Auftreffen eines Teilchens geht ein solcher Ladungsausgleich sprunghaft vor sich. Einerseits entspricht die Anzahl dieser Ladungssprtlnge unmittelbar der Zahl der auf den Neßkondensator gefallenen Teilchen, andererseits ist die Höhe eines solchen Ladungssprunges ein direktes Maß für die Teilchengröße.
• Aber erst unter den erfindungsgemäßen Voraussetzungen ruft ein Ladungssprung am Meßkondensator einen Spannungssprung hervor, der zur praktischen Auswertung herangezogen werden kann. Dieser Spannungssprung ist jedoch einerseits nur dann hoch, wenn die Ladung des Teilchens hinreichend groß ist, wenn also bei vorgegebener Teilchengröße und damit gegebener Teilchenkapazität die zur Aufladung des Teilchens verwendete Spannung genügend groß ist gegenüber dem Potential des Xesskondensators.
• Andererseits wird der Spannungssprung umso höher, je größer das - an sich sehr kleine - Verhältnis von Teilchenkapazität zur Kapazität des Neßkondensators ist.
• Um brauchbare Meßwerte zu erhalten, wird daher in Weiterbildung 4*s erfindungsgemäßen Verfahrens dieser Meßkondenastor so klein gemacht, als es ja Hinblick auf eine nachfolgende Verstärkung noch zulässig ist.
• Die Größe des Meßkondensators ist durch die dynamische Eigngaskapazität der arsten Verstärkerstufe begrenzt.
• Is sind ebJr Anordnungen bekannt, ait denen es möglich ist, diese Eingangakapazität schr klein zu gestalten.
• Nach der deutschen Patentschrift 1 206 021 kann bei Verwendung einer Kathodenstufe mit der Spannungsverstärkung 1 : 1 diesse Eingangskpazität sogar extrem klein gemacht werden, wedurch die technischen Voraussetzungen zur Durchführung des erfindugsemäßen Verfahrens gegeban sind.
• Im folgenden wird der Erfindungsgedanke im einzelnen beschrieben: Zur Ladung der Teilchen wird nach Fig. 1 ein elektrisch hinreichend leitender Zerstäuber 1 herangezogen, der auf dea Potential U liegt. Bin von ihn abgegebenes Teilchen 2 der Kapazität C nicht daher die Ladung Q = C . U (1) an.
• Andererseits bildet die Platte 3 mit ihrer Umgebung 4 den Meßondensator C0. Liegt sie über einem Ableitwiderstand R auf dem Potential U0, dann hat dieser Kondensator die Ladung Q0 = C0 # U0 (2) Fällt nunmehr das Teilchen 2 auf die Platte 3, dann wird dadurch einerseits wegen der zugeführten Materie der geaeinsame Kapazitätswert, andererseits wegen der zugeführten Ladung die gemeinsame Ladung und als Folge beider die an der Meßplatte 3 liegende Spannung verändert. Der so gebildete neue Kondensator der Größe Q1 = Q0 + C (3) hat die Ladung Q1 = Q0 + Q (4) und die an ihm liegende Sapnnug nimmt den Wert U1 an, der sich aus dem Gesetz Q1 = C1 . U1 (5) errechnet. Sie bleibt solange bestehen, wie die Zeitkonstante R . C0 gegenüber dz Messzeitwert genügend groß ist.
• Mit Hilfe von (3) und (4) ergibt sich aus (5) C0 # U0 + C # U = U1 # (C + C0) und daraus nach einfacher Umformung (U1-U0)#C0 = (U - U1) #C = (U-U0)#C-(U1-U0) # C Wird der entstehende Spannungssprung mit U1 - U0 = #U bezeichnet, dann erhält man nach kurzer Zwischenrechnung seine Höhe zu C #U = (U - U0) (6) C0 + C Bei gegebener Teilchengröße ist daher der SpannungssprungpU nach Fig. 2 umso größer, je kleiner C0 gegenüber C und je größer U in Vergleich zu U0 ist.
• Beide Folgerungen haben eine wesentliche Bedeutung, wie anschliessend gezeigt wird: a) Was zunächst den Kondensator C0 betrifft, nuß er in Hinblick auf einen großen Spannungssprung AU klein gehalten werden. In technischer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens bedeutet das einerseits, daß die Abnessungen der Platte 3 klein gegenüber ihren Abstand zur Umgebung 4 sind.
• Andererseits ist die Größe der Platte 3 aber auch durch die Folge der auf sie fallenden Teilchen begrenzt. Sie darf nämlich höchstens so groß sein, daß nit genügender Sicherheit nur jeweils Aber ein Teilchen nach dem anderen auf sie fällt und nicht mehrere gleichzeitig dort auftreffen können; ansonsten sind Fehlzählungen und Fehlamessungen unvermeidbar.
• Ist der Abstand der Platte 3 zur Uigebung 4 groß gegenüber ihren Abmessungen, dann ist aber auch die Änderung der Kapazität C0 durch die Teilchenkapazität C zu vernachlässigen. Die relativ dünne Schicht der sich ansammelnden Teilchen, die letzten Endes eine Verdickung der Platte 3 bedeutet, ist dann noch genügend klein in Vergleich zu diesen Abstand.
• Ist somit C0 # C, beipsielsweise in der Größenordnung 10,000 s 1, dann geht (6) praktisch über in C #U = # (U - U0) (7), o worin u»u0 ist, beispielsweise in der Größenordnung 100 t 1.
• Wird verausgesetzt, daß das Teilchen Kugelform besitzt, dann hat der so gebildete Kugelkondensator die Größe C = 4##0#R (8) wobei die absolute Dielektrizitätskonstante und R den Radius der Kugel bedeuten.
• Aus dieser Formel erhält man den Radius des unbekannten Teilchens ru C0 U R = # (9) 4##0 U - U0 Bei nicht-kugelförmigen Teilchen läßt sich der Kapazitätsert in an sich bekannter Weise ebenfalls errechnen, wodurch die obige Gleichung für kugelförmige Teilchen, die den einfaehsten Fall darstellt entsprechend abzuändern wäre. b) Aber auch die Größe und Spannungsquelle U muß beachtet werden. Wie nämlich (6) und (7) zeigen, wird für U = U0 der Spannungssprung bU = 0.
• Fallen mehrere Teilchen auf die Platte 3, dann steigt am Meßkondensator Co die Spannung treppenförmig an. In Fig. 2 ist ein solcher Anstieg durch den gestrichelten Verlauf der Kurve 5 über der Zeit t gezeigt.
• Je mehr sich aber im Zuge einer solchen Aufladung seine Spannung dem Potential U nähert, umso kleiner wird der Spannungs sprung, auch dann, wenn alle Teilchen gleich groß sind. Er wird zu Null wenn U gleich U0 ist.
• In weiterer technischer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens folgt daraus, daß der Aufladevorgang nur eo lange erfolgen darf, als das Potential U noch genügend groß ist gegenüber der jeweiligen Spannung am Kondensator C0. Aus Gründen der Einfachheit wird die Messung daher zweckmässigerweise in einen solchen Bereich zwischen U0 und U der bekannten exponentiellen Aufladungskurve vorgenommen, die noch hinreichend linear ist, beispielWeise im ersten Drittel zwischen U0 und U in Fig. 2.
• Wird die vorliegende Treppenkurve nach Fig. 2 in an sich bekannter Weise differenziert, dann erhält man eine Folge von verschieden hohen Impulsen.
• In einfachster Weise kann eine solche Differetiation vorgenommen werden, indem die Zeitkonstante R . C derart 0 verkleinert wird, daß sich der Kondensator C0 bis zum Auftreffen des nächsten Teilchens mit Sicherheit wieder über den Widerstand R auf das Anfasngspotential U0 entladen hat. In diesem Falle ist das Anfangspotential immer gleich U0; der Meßkondensator Co kann sich nicht mehr entladen, wodurch die vorigen Einschränkungen entfallen.
• Eine Auswertung der Impulshöhen ergibt eine direkte Aussage über die einzelnen Teilchengrößen, die Anzahl der gemessenen Teilchen kann durch einfache Zählung der Impulse bestimmt werden.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Bestimmung der Größe und Anzahl von Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß diese nit Hilfe einer Spannungsquelle und eines elektrisch leitenden Zerstäubers elektrisch geladen und anschließend auf die Platte eines Meßkondensators gebracht werden, dessen Potential verschieden ist von dem der zur Aufladung der Teilchen verwendeten Spannungsquelle und daß weiterhin die durch den Ladungsausgleich am Meßkondensator entstehenden Spannungs sprünge zur Bestimmung der Teilchengröße und der Teilchenzahl herangezogen werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe eines Spannungssprunges ein direktes Maß für die Teilchengröße darstellt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Aufladung eines Teilchens dienende Potential wesentlich größer ist als das Potential, auf dem der Meßkondensator liegt.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich bei der Auswertung ergebenden elektrischen Signale differenziert und die erhaltenen Impulsfogen zur Zählung und/oder Größ@@@@stimmung der Teilchen herangezogen werden.
5. 5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meäkondensator lediglich aus einer Platte besteht und sein Kapazitätswert aus der Wechselwrikung dieser Platte mit der Umgebung gebildet wird.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kapazitätswert des Maßkondensators so klein als möglich gemacht wird.
7. 7. Anordnung nach den Ansprüchen 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Platte des Meßkendesators, auf die die auszumessenden Teilchen gebrcht werden, höchstens so grß ist, daß mit genägender Sicherheit nur jeweils immer ein Teilchen nach du anderen auf sie fällt und dort nicht mehrere Teilchen gleichzeitig auftreffen können. Leerseite