DE3344122A1 - Verfahren und einrichtung zur bestimmung der mittleren partikelgroesse von aerosolen - Google Patents

Description

• Beschreibung:
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur direkten Bestimmung der mittleren Größe von Aerosolpartikeln mittels Yessung der Extinktion des Aerosols, die durch Streuung und Absorption des zwischen einem Lichtsender bzw. -Empfänger befindlichen Aerosols verursacht wird.
• Das Problem der Massenkonzentrationsmessung von Aerosolen bei der Emissionsüberwachung sowie bereits in vereinzelten Fällen in der Prozeßtechnik und Medizin kann bis heute nur bedingt als gelöst betrachtet werden. So richtet sich der Gesetzgeber in seinen Abluftvorschriften danach, was meßtechnisch derzeit im Routinebetrieb möglich und damit als verbindliche Vorschrift zu einer sinnvollen Emissionskontrolle auch durchführbar ist.
• Es hat sich bis heute insbesondere ein Meßverfahren etabliert, das ausschließlich auf der Messung der Extinktion beruht, die durch Streuung und Absorption der zwischen einem Lichtsender und -Empfänger befindlichen Partikeln verursacht wird. Die auf diesem Prinzip arbeitenden Geräte bedürfen der Kalibrierung. In vielen Fällen gibt es keinen lösbaren mathematischen Zusammenhang zwischen der Extinktion und der Massenkonzentration. Sobald sich die optischen Konstanten des Aerosols oder dessen typische Verteilungsform ändern, wird eine neue Eichung vor Ort notwendig, die experimentellen Aufwand erfordert. Dieses Meßprinzip führt ein vierparametriges System auf die Messung der Extinktion zurück, die selbst von der Partikelgrößenverteilung (= 2 Parameter: Mittelwert, Standardabweichung), der Dichte des Partikelmaterials und der Massenkonzentration abhängt. Aerosolparameter variieren nicht beliebig. Sie können durch Erfahrung eingegrenzt werden. Nur deshalb ist dieses Verfahren überhaupt anwendbar. Trotzdem ist ein vierparametriges System durch die Messung nur einer Größe sehr unterbestimmt.
• Andererseits erfolgten entsprechende Einzelmessungen 8 mit getrennten Verfahren, d.h. die Massenbestimmung, z.B. mit einer Waage (von Hand bedient) bzw. die Teilchengrößenbestimmung über ein indirektes (z.B. Lichtstreuung) oder direktes (z.B. Mikroskopie), aber zeit- und personalaufwendiges Verfahren. Quarzkristall-Milcrowaagen-Itaskaden- Impaktoren können zwar Massenkonzentration und Größenverteilung in einem Gerät liefern, unterliegen jedoch allen Nachteilen des Impaktionsprinzips, bilden bezüglich der Massenmessung nur ein indirektes Verfahren (Messung der Frequenzänderung des Schwingquarzes durch Massenbelegung), sind bezüglich der absoluten Massenbelegung sehr begrenzt (kritisch ab ca. 10 mg) und sind zeitintensiv in der Bedienung.
• Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, das e.g. Verfahren und die Einrichtung derart auszubilden, daß zwei unabhängige Größen, nämlich die Extinktion und die Massenkonzentration desselben Aerosogs, gleichzeitig gemessen und zur Bestimmung eines mittleren Partikel durchmessers herangezogen werden können.
• Die Lösung ist im kennzeichnenden Merkmal des Anspruches 1 beschrieben.
• Die übrigen Ansprüche geben eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Einrichtung sowie vorteilhafte Weiterbildungen derselben wieder.
• Die Grundidee für die Entwicklung des neuen Verfahrens zur kontinuierlichen Bestimmung von Aerosolkenngrößen bestand in der Kombination von Extinktion- und Massenkonzentrationsmessung in einem Gerät. Mit diesen Meßgrößen läßt sich bei bekannter Teilchendichte und der optischen Weglänge 1 zwischen Lichtquelle und Empfänger ein mittlerer Partikeldurchmesser d = d (1, Cm 2, E) bestimmen zu d ergibt sich aus den Gleichungen für C und E m durch Masse, ex durch Extinktion7 und unter der verenfachenden Annahme, daß dm =dex (4) Diese Annahme ist nicht trivial, da die Lichtextinktion nicht nur eine Funktion der Massenkonzentration ist, sondern auch von allen übrigen Aerosolparametern wie Partikelgrößenverteilung und Dichte abhängt. Die Güte der Bedinggng (b) wurde redhnerisch untersucht.
• Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung wird die Emissionskontrolle und - in zunehmendem Maße -die Prozeßtechnik sein. Für beide Benutzergruppen ist es von entscheidender Bedeutung, daß das erfindungsgemäße Gerät in der Lage ist, kontinuierlich zu messen und das Gerät wahlweise als Dauerinstallation oder portabel zur Verfügung steht. Das Meßinstrument soll automatisch arbeiten, d.h. die Meßgrößen (Massenkonzentration, mittlerer Durchmesser, Extinktion, Anzahlkonzentration) sind unmittelbar am Gerät ablesbar bzw. über entsprechende Ausgänge abrufbar. Die optische Komponente kann eine Weißlichtquelle, eine LED oder aber auch eine Laserquelle sein. Neben der Erfüllung bestimmter Spezifikationen bezüglich Stabilität gibt es keine grundlegenden Probleme.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Figuren 1 - 5 näher erläutert. Hierbei zeigen die Fig. 1 eine Übersicht über eine Meßeinrichtung, Fig. 2 einen Schnitt durch eine Meßküvette, Fig. 3 die Halterung für einen Aufnehmer, Fig. 4 die Ansicht einer Schlittenführung für einen Greifer und Fig. 5 einen Schnitt durch diese Schlittenführung.
• Fig. 1 zeigt schematisch eine Einrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Die Messung der Extinktion erfolgt in der Meßküvette 21 (s.a. Fig. 2) und zwar in deren oberem Teil 8, in das ein Photometer mit Lichtquelle 9, Linsen 10 und die Photodiode 11 integriert ist. Die optische Achse 22 des Photometers steht senkrecht auf der laminaren Stromrichtung des Aerosolstromes 13. Eine Düse 14 hält den Volumenstrom durch die Meßküvette 21 konstant. Sie ist in die Ableitleitung 23 des unteren Teils 7 der Meßküvette 21 eingebaut.
• Zwischen beiden Teilen 7 und 8 ist ein Filter 24 eingefügt.
• Eine Stromversorgung 5 betreibt die Pumpe 15 für den Aerosolstrom 13, die Lichtquelle 9 und einen Verstärker 12 für die Photodiode 11, eine Waage 16 sowie den Schrittmotor 20 für ein Greifwerkzeug 2, das mittels Elektromagneten 18 zu einem Filterwechselarm ausgebildet ist.
• Der Schrittmotor 20 bewegt den Filterwechselarm 2 von der Filterentnahme- bzw. Eingabestellung an der Meßküvette 21 mit dem Filter 24 zur Waage 16, die unter einer Haube 17 angeordnet sein kann und auf der die Masse der Aerosolbelegung des Filters 24 festgestellt wird. Von dort verfährt der Filterwechselarm 2 über einen Abfallbehälter 4, in den die gebrauchten Filter 24 abgegeben werden. Anschließend erfolgt eine Aufnahme eines neuen Filters 24 aus Vorratsbehältern 3 (die einzelnen Anfahrpositionen des Filterwechselarms 2 sind entlang der Schiene 1 mittels Pfeilen dargestellt).
• Die einzelnen Meßgrößen aus Stromversorgung 5, Verstärker 12 und Waage 16 werden einem Rechner 6 zugeführt.
• Neben der Schrittmotor 20 - und Filterwechselarmsteuerung übernimmt der eingebaute Rechner 6 meßtechnische Funktionen. Über ein Interface wird der Waagenausgang mit dem Rechner 6 verbunden. Entsprechendes gilt für das verstärkte Ausgangssignal der Photodiode 11. Es wird über eine variable vorgebbare Zeit ein gleitendes Mittel I über dieses Ausgangssignal gebildet und damit ein gleitendes Mittel über die Extinktion gemäß E = ln 10 bestimmt.
• I Zusammen mit der Information, welche die Waage 16 liefert (Masse), der Zeit, und des durch eine Begrenzungsdüse 14 konstant gehaltenen Volumenstromes 13 beim Absaugen errechnet das System die Massenkonzentration Cm und damit bei vorgegebener Dichte s und der im Photometer 9 - 11 durchstrahlten Weglänge 1 (Durchmesser der Küvette 21) ein d gemäß der Gleichung (1): Die Meßküvette 21 ist in Fig. 2 dargestellt. Sie besitzt einen Einlaß 19 für den Aerosolstrom 13 und weitet sich hinter diesem Einlaß 19 zu dem oberen Zylinderteil 8 mit dem lichten Durchmesser 1 (zumindest im Bereich der optischen Achse 22) aus. Im unteren Teil 7 verjüngt sich der Innendurchmesser wieder trichterförmig bis auf den Querschnitt des Auslasses 25. Beide Teile 7, 8 können zwecks Wechsel des Filters 24 voneinander getrennt werden. Das Filter 24 selbst liegt auf einem Sieb 26 auf und versperrt den gesamten Querschnitt der Meßküvette 21. Es dient der Aufnahme der Aerosole aus dem Strom 13 nach der Extinktionsmessung.
• Für die Halterung der optischen Teile 9 - 11 (s.Fig.
• 1) der Extinktionsmessung sind auf sich gegenüberliegenden Seiten und auf der optischen Achse 22 ausgerichtete Rohre 27 und 28 vorgesehen, die dicht bis an Durchtritts- bzw. Austrittsöffnungen 29 und 30 in der Küvettenwandung herangeführt sind. Die Öffnungen 29, 30 bzw. Rohre 27, 28 sind mittels Glasscheiben 31 gegen den Aerosolstrom 13 verschlossen.
• Zur Entnahme oder zum Einlegen des Filter 24 werden beide üvettenteile 7 und 8 voneinander getrennt.
• Hierzu wird bevorzugt das untere Teil 7 mechanisch nach unten bewegt, wobei diese Bewegung gegen die Kraft einer Feder 32 erfolgt, die um den Auslaß 25 herum angeordnet ist. Die Feder 32 liegt sowohl auf der Unterseite des Teils 7 als auch auf einer Halterungsplatte 33 auf, die feststeht und eine Hülse 34 aufweist, durch die wiederum der Auslaß 25 hindurchreicht und bei den Hubbewegungen des Teils 7 diesen führt. Beide Teile 7 und 8 sind mittels des O-Ringes 35 im geschlossenen Zustand der Meßküvette 21 abgedichtet.
• Da innerhalb der Küvette 21 vom Äerosoleinlaß 19, weiter durch das Meßvolumen des Photometers 9 - 11 bis hin zur Abscheidung der Partikeln auf dem Filter 24 eine Krümmung auftritt, sind die Verluste durch Wandabscheidung vernachlässigbar gering. Die Ab-.s.ie sauggeschwindigkeit wird so gewählt, daß' immer im Bereich kleiner Reynoldszahlen liegt und damit laminare Strömungsverhältnisse hat.
• Das Filter 24 kann zwischen zwei Plexiglasringen 36 (s.Fig. 3) aufgespannt werden. Beide Ringe 36 werden mittels Schrauben 37 aufeinandergehalten.
• Diese Schrauben 37 dienen gleichzeitig als Angriffspunkte der Magnete 18 des Filterwechselarms 2.
• Das Auseinanderziehen der Küvette 21 (7, 8) zum Zwecke des Einlegens eines neuen Filters 24 oder des Herausnehmens eines Filters 24 nach einer Messung wird über eine Nockensteuerung von dem Filterwechselarm 2 bewerkstelligt.
• Der Transfertisch 1 für den Filterwechselarm 2 ist in Fig. 4 bzw. Fig. 5 dargestellt. Der Filterwechselarm 2 wird entlang zweier parallelverlaufender Gleitlager 38 über einen Schlitten 39 mittels der Kugelumlaufspindel 40, die von dem Schrittmotor 20 (s.
• Fig. 1) angetrieben ist, zu den gewünschten Positionen bewegt. Der Schrittmotor 20 wird rechnergesteuert.
• Entsprechend geformte Nocken (nicht dargestellt) sorgen beim Ansteuern der Küvette 21 bzw. der Waage 16 für die Öffnung bzw. Schließung der Küvette 21 bzw. für das Anheben und Absenken der Glocke 17 über dem Waageteller. Die Glocke 17 ist notwendig, um während der Wägung einen abgeschlossenen Wägeraum zur Vermeidung von Konvektion zu haben (für die Genauigkeit der Halbmikrowaage erforderlich). Der Filtervorratsbehälter 3 erhält eine Vorschubsteuerung, damit nach einer Filterentnahme das nächste untere Filter 24 entsprechend nachrückt.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 4)5 verfahren zur P.estimmung der mittleren Partikelgröße von Aerosolen mittels Messung der Extinktion die durch Streuung und Absorption der zwischen einem Lichtsender und -Empfänger befindlichen Aerosolpattikein verursacht wird, gekennzeichnet, durch eine zusätzliche Messung der Masse aller Partikel, die der Messung der Extinktion unterlagen.
2. 2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der die Messung der Extinktion an einer Meßstrecke vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke (1) in einem Durchflußrohr (7, 8; 21) für das Aerosol liegt und daß im Anschluß an die Meßstrecke (1) ein den Querschnitt des Durchflußrohres (7, 8; 21) für das Aerosol sperrender Auffänger (24) angeordnet ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß in dem Durchflußrohr (7, 8; 21) eine laminare Strömung vorliegt, daß quer zur Strömungsachse (13) die Achse (22) zwischen Lichtsender und -Empfänger (9, 11) angeordnet ist, und daß ein Filter (24) als Auffänger dient, welches aus dem Durchflußrohr (7, 8; 21) entnehmbar ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Greifervorrichtung (2, 18) das beladene Filter (24) aus dem Durchflußrohr (7, 8; 21) entnimmt, einer Wägung (16) sowie einem Abfallbehälter (4) zuführt und ein neues Filter (24) aus einem Vorratsbehälter (3) in das Durchflußrohr (7, 8; 21) einbringt.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchflußrohr (21) aus zwei Teilen (7, 8) besteht, von denen mindestens eines (7) gegen die Kraft einer Feder (32) zwecks Entnahme bzw. Einlage des Filters (24) vom anderen (8) trennbar ist.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Greifervorrichtung (2, 18) längsverschiebbar zum Anfahren der einzelnen Positionen ausgebildet ist.