DE2260150B2 - Verfahren und Gerät zur Bestimmung von Feinstaubkonzentrationen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Meßwerten der Konzentration des lungengängigen Feinstaubanteils von 03 bis 7 μιη, die mit der Kurve für die Depositionswahrscheinlichkeit in den Lungenalveolen übereinstimmen, in einer Atmosphäre durch Messung der Stärke des an den Staubteilchen bei Auftreffen des Primärlichtes entstehenden Streulichts, das unter einem Streuwinkel von 60 bis 80°, vorzugsweise 70°, gegen die Richtung des Primärlichtes von den Staubteilchen hervorgerufen wird.

Damit ein Streulichtmeßgerät den gewerbehygienisch begründeten Forderungen genügt, muß es mit einer einzigen Meßwertanzeige eine Aussage darüber liefern, in welcher Konzentration in der untersuchten Luftprobe Feinstäube vorliegen, die tatsächlich in den Lungenalveolen zurückgehalten werden. Ein für den vorliegenden Zweck der Bestimmung der Konzentration von lungengängigen Feinstäuben zwischen 0,5 und 7 μπι Korngröße geeignetes Gerät soll die verschiedenen Feinstaubkorngrößen im gleichen Maße bewerten wie sie gemäß der Retentionswahrscheinlichkeit in den Alveolen zurückgehalten werden, d. h. das Gerät muß die am stärksten retinierten Korngrößen am stärksten bewerten und die weniger stark retinierten Korngrößen entsprechend weniger stark.

Streulichtmeßgeräte zur Bestimmung des Feinstaubgehaltes in einer Atmosphäre sind an sich bekannt (Glückauf 90, (1954), S. 455 und Glückauf 91 (1955), S. 1405; ferner GB-PS4 61 628 und US-PS 27 91 932).

Der Verlauf der Kurve der Retentionswahrscheinlichkeit (Staub 29 (1969), S. 109) zeigt, daß die Korngröße des lungengängigen Staubanteils zwischen 0,5 und 7 μηι liegt. Eigene experimentelle und theoretische Untersuchungen haben aber ergeben, daß diese bekannten Geräte wegen des Streu wink eis von 30° und der Anwendung von weißem Primärlicht den Nachteil besitzen, daß sie Meßwerte ergeben, die den Feinstaubanteil in der Atmosphäre mit Korngrößen unter 1,5 μιτι zu stark überbewerten, was nicht mit der Retentionswahrscheinlichkeit des Staubes in den Lungenalveolen als Funktion der Teilchengröße übereinstimmt

Auch ein Gerät gemäß der DE-PS 8 50245, das mit unterschiedlichen Meßwinkeln und Wellenlängen arbeiten würde und in erster Linie der Korngrößenanalyse dienen soll, ermöglicht nicht, die Gesamtheit des lungengängigen Feinstaubes mit der vorstehend erwähnten Bewertung der Korngrößenanteile durch einen einzigen Meßwert zu charakterisieren, ganz abgesehen davon, daß diese Patentschrift die irreführende Lehre gibt, daß gröbere Stäube mehr in der Strahlenrichtung beugen als kleinere Stäube: Diese Lehre würde auf eine Verkleinerung des Meßwinkels eines 30°-Tyndalloskops hinweisen, wenn bevorzugt gröbere Stäube erfaßt werden sollen. Man kann nicht Proben verschiedener Korngrößcnzusammcnsctzungcn herstellen und nach dem Verfahren der DE-PS 3 50 245 mit dem Ziel untersuchen, den Meßwinkel und die Wellenlänge zu ermitteln, die für die Probe einer der Kurve der Retentionswahrscheinlichkeit entsprechenden Zusammensetzung die höchste Streulichtintensität liefert. Geräte, die 'Proben unterschiedlicher Zusammensetzung so zu erzeugen vermögen, daß sie dem funktioneilen Verlauf der Retentionskurve entsprechen, gibt es nicht. Auch in der Natur gibt es keine Stelle, an der derartige Stäube ständig in konstant auftretender Zusammensetzung vorkommen.

Immerhin bestätigt das Verfahren nach der DE-PS 8 50 245 die auch theoretisch behandelte Erkenntnis, daß die Streulichtintensität bei konstanter Korngröße vom Streuwinkel und von der Primärwellenlänge abhängig ist.

Es wurde bisher in Fachkreisen auch angenommen, daß die Streulichtausbeute bei ü.:.t Lichtstreuung an allen Feinstäuben außer von deren Korngrößenverteilung vor allem von deren Materialeigenschaften, also den optischen Konstanten, abhängt und daß die Wahl des Wellenlängenbereiches des Primärlichtes und des Streuwinkels von untergeordneter Bedeutung ist.

Demgegenüber hat sich gezeigt, daß die Streulichtausbeute bei der Lichtstreuung an Feinstäuben, insbesondere des Steinkohlenbergbaus, von den Materialeigenschaften weitgehend unabhängig ist und daß die funktioneile Abhängigkeit von der Korngröße der

so Staubteilchen nur durch den Streuwinkel und die Wellenlänge des Primärlichtes bestimmt wird.

Der funktionelie Zusammenhang zwischen Streulichtausbeute, die ein Maß für die Feinstaubkonzentration ist, und Teilchengröße des Feinstaubes wird durch den Streuwinkel und die Wellenlänge bestimmt.

Nach neueren biologischen Erkenntnissen ist für die Beurteilung des Feinstaubes nicht so sehr die Retention als vielmehr die alveolare Deposition der Feinstaubteilchen wichtig. Die Depositionskurve, die ebenfalls eine Funktion der Teilchengröße des Feinstaubes ist, verläuft gegenüber der Retentionskurve mit einem zu größeren Teilchendurchmessern verschobenen Maximum, wobei der genaue Verlauf der Depositionskurve von der biologischen Forschung noch festgelegt werden muß.

Um eine aussagekräftige fotometrische Bewertung der Lungengängigkeit des Feinstaubes zu erhalten, muß die Möglichkeit bestehen, die bei der Messung der Staubkonzentration entstehende Kurve für die Streu-

lichtausbeute möglichst in Übereinstimmung mit der Kurve für die Depositionswalirscheinlichkeit von Feinstaub in den Lungenalveolen üu bringen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit optischen Mitteln Meßwerte für die Feinstaubkonzentration zu erhalten, weiche mit der Depositionswahrscheinlichkeit der Feinstaubmenge in den Lungenalveolen möglichst gut übereinstimmt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Primärlicht eine Wellenlänge von 1000 bis 2000 nm besitzt

Mit Hilfe eines mutieren Streuwinkels von 60 bis 80°, vorzugsweise von 70°, gegen die Richtung des in die Meßkammer einfallenden Primäirlichtes und Verwendung langwelligen infraroten Lichtes mit einer Wellenlänge von etwa 1000 bis 2000 nim ist es möglich, die Kurve für die Streulichtausbeute in Abhängigkeit von der Teilchengröße des Feinstaubes an die Kurve für die Depositionswahrscheinlichkeit des Feinstaubes in den Lungenaveolen anzupassen.

Die nach neueren Forschungen ermittelte Depositionskurve, die wahrscheinlich nach biologischen Erkenntnissen in ihrer Aussagekraft höher zu bewerten ist als die Retentionskurve, weist ein Maximum auf, das gegenüber dem der Retentionskurve nach größeren Teilchendurchmessern hin verschoben ist

Mit der Erfindung gelingt es, unter Verzicht auf eine größtmögliche Empfindlichkeit, Nachweiswahrscheinlichkeitsverteilungen hinsichtlich der Teilchengröße zu erhalten, die der Kurve für die physiologische bedeutsame alveolare Depositionswahrscheinlichkeit ähnlich sind oder sich dieser annähern lassen.

Bisher ging man von der Überlegung aus, daß optische Meßmethoden sich als sinnvolle Ergänzung den gravimetrischen Messungen anzupassen hätten damit das Streulichtsignal jedes einzelnen Teilchens proportional zu seinem Volumen ist, und zwar abhängig von der Teilchengröße. Zu diesem Zweck hätte jedoch vor den Eingang des Photometers ein Zyklon geschaltet werden müssen das den Grobstaub vom lungengängigen Feinstaub trennt.

Überraschenderweise erzielt man eine solche Filterwirkung auf ausschließlich optischem Wege und ohne Vorfilterung, wenn man bei einem Streulichtwinkel im Bereich um 70° langwelliges infrarotes Licht verwendet Hierdurch wird eine Verschiebung der Streulichtausbeutekurve in der Weise erreicht, daß sich das Maximum der Streulichtausbeute in Richtung der größeren Teilchendurchmesser verschiebt.

Anhand der Zeichnung sei die Erfindung' und ein Gerät zu ihrer Durchführung näher erläutert Die Abbildung stellt den Strahlengang im erfindungsgemäßen Gerät dar. Das Gerät ist mit einer Lichtquelle 1 bestückt die ein Lichtbündel mit einer Wellenlänge von 1000 bis 2000 nm aussende.

Gemäß der Abbildung fällt von einer Infrarot-Lichtquelle 1 durch den Kondensor 2 ein Lichtbündel auf einen Spiegel 3, der es in das zur Meßkammer 13 abgelenkte Primärlicht 5 und das geradeausgehende Vergleichslicht 10 teilt Das Primäriicht 5 tritt durch das Eintrittsfenster 4 in die Meßkammer 13 ein und trifft hier auf die Staubteilchen. Die in der Kammer getroffenen Staubteilchen senden , ;n Streulicht 6 aus. Ais Meßiicht wird der Anteil des Strejlichtes benutzt der beispielsweise unter einem Winkel von 70° zum Primärlicht 5 durch das Austrittsfenster 7 sowie durch verschiedene Linsen und Prismen zum Empfängersystem 12 gelangt. Seine Stärke wird mit einem fotoelektrischen System 12 bestimmt, das entweder aus einem Photoempfänger besteht, der alternierend vom Meß- und Vergleichslicht getroffen wird, oder aus zwei gleichartigen Photoempfängern in Kompensationsschaltung, von denen der eine das Vergleichs- und der andere das Meßlicht empfängt.

Das Vergleichslicht 10 selbst geht durch zwei Polarisationsfolien 8, so daß seine Stärke durch Drehen des Analysators 9 meßbar verändert werden kann. Als Maß für die Stärke des Streulichtes dient die für den Abgleich von Meß- und Vergleichslicht erforderliche Variation der Intensität des Vergleichslichtes, die durch die Winkelstellung des Analysators 9 gegeben ist. Die Anzeige gleicher Helligkeit von Meß- und Vergleichslicht erfolgt über ein Zeigerinstrument 14, das den Empfänger 12 über einen Verstärker 15 nachgeschaltet ist und das bei vollzogenem Abgleich die Stellung »Null« einnimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung von Meßwerten der Konzentration des lungengängigen Feinstaubanteils von 0,5 bis 7 μπι, die mit der Kurve für die Depositionswahrscheinlichkeit in den Lungenalveo-Ien übereinstimmen, in einer Atmosphäre durch Messung der Stärke des an dem Staubteilchen bei Auftreffen des Primärlichtes entstehenden Streulichtes, das unter einem Streuwinkel von 60 bis 80°, vorzugsweise 70°, gegen die Richtung des Primärlichtes von den Staubteilchen hervorgerufen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärlicht eine Wellenlänge von 1000 bis 2000 nm besitzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Veränderung der Wellenlänge des Primärlichtes im Bereich von 1000 bis 2000 nm die Kurve für die Streulichtausbeute an die Depositionskurve angepaßt wird.

3. Geräi zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprächen 1 und 2, bestehend aus einer Meßkammer mit einem Austrittsfenster, das nur das unter einem Streuwinkel von 60 bis 80°, vorzugsweise 70°, gegen die Richtung des Primärlichtes von den Staubteilchen hervorgerufene Streulicht austreten läßt, einer Lichtquelle, einem Empfängersystem und einer Versorgungs- und Meßelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß die das Primärlicht liefernde Lichtquelle (1) ein Lichtbündel mit einer Wellenlänge von 1000 bis 2000 nm aussendet.