DE3727903C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Überwachen der Konzentration von in einem gasförmigen Medium ent haltenen Aerosolen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for monitoring the concentration of ent in a gaseous medium aerosols held according to the preamble of the claim 1.
Zum Beispiel im Zusammenhang mit Kontrollen der Verschmutzung atmosphärischer Luft besteht das Bedürfnis, die Konzentration von Schwebeteilchen in der Luft zu überwachen, insbesondere von festen Schwebeteilchen in lungengängigen Größen im Bereich von 0,1 bis 1 µm Durchmesser.For example in connection with pollution controls atmospheric air there is a need the concentration of suspended particles in the air monitor, in particular of solid suspended particles in respirable sizes in the range of 0.1 to 1 µm Diameter.
Es sind Einrichtungen zum Überwachen der Konzentration von in einem gasförmigen Medium enthaltenen Aerosolen bekannt, bei welchen die Aerosole radioaktiv markiert und mit ihrem Trägergas mit Hilfe einer Pumpe durch einen stationären Filter geführt werden. Dort werden die Aerosole abgeschieden und ihre Radioaktivität und damit die Aktivitäts- sowie die Aerosol-Konzentration ermittelt (DE-OS 29 47 302; EP-OS 00 72 279; DE-OS 32 28 608).They are facilities for monitoring concentration of aerosols contained in a gaseous medium known in which the aerosols are radioactively labeled and with their carrier gas by means of a pump a stationary filter. There will be the aerosols are deposited and their radioactivity and thus the activity as well as the aerosol concentration determined (DE-OS 29 47 302; EP-OS 00 72 279; DE-OS 32 28 608).
Den bekannten Einrichtungen ist jedoch gemeinsam, daß sie kompliziert und aufwendig aufgebaut sind und darüber hinaus einen hohen Energieverbrauch haben. Sie eignen sich daher nur beschränkt für Einsätze an dezentralen Orten und in abgelegenen Gebieten, beispielsweise zur kontinuierlichen Überwachung der Konzentration von Aerosolen in der Luft. Darüber hinaus erfolgt die Zufuhr der zu messenden Aerosole über verschmutzungsanfällige Ring- und Radialkanäle, so daß eine homogene Filterablagerung nicht gewährleistet ist.However, the known devices have in common that they are complicated and elaborate and beyond have high energy consumption. they are therefore only of limited use for decentralized applications Locations and in remote areas, for example for continuous monitoring of the Concentration of aerosols in the air. About that the aerosols to be measured are also supplied via contamination-prone ring and radial channels, so that a homogeneous filter deposit is not guaranteed is.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem und störungsunanfälligem Aufbau eine genaue Überwachung der Aerosol-Konzentration in einem gasförmigen Medium erlaubt.It is therefore an object of the invention to provide a device of the type mentioned at the beginning, which with simple and fault-free construction an accurate Monitoring the aerosol concentration in a gaseous Medium allowed.
Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Diese zeichnet sich dadurch aus, daß der Strahlungsdetektor eine Ringscheibe aufweist, die parallel zu dem die markierten Aerosole auffangenden Filter angeordnet ist und eine zentrale Öffnung aufweist, durch die das Ende einer Rohrleitung ragt, durch welche die zu überwachenden Aerosole geleitet werden. Auf diese Weise lassen sich Meßsignale erzeugen, die im wesentlichen proportional zur Gesamtoberfläche der radioaktiv markierten Aerosole sind, und somit als Maß für die jeweilige Aerosol-Konzentration dienen können. Durch den Einsatz einer langlebigen Actinum-Strahlungsquelle mit einer Halbwertszeit von ca. 22 Jahren wird ein häufiger Strahlungsquellenwechsel vermieden, so daß die Aerosol-Überwachung über lange Zeit aufrechterhalten werden kann. Das Actinium ²²⁷Ac(s) zerfällt seinerseits in das kurzlebige Gas Radon ²¹⁹Rn(g) mit einer Halbwertszeit von 4,5 s. Die Halbwertszeit ist so gewählt, daß das Radon aus der Quelle zwar emanieren kann, dann aber rasch in den nicht gasförmigen Markierungsstoff ²²¹Pb(s) weiter zerfällt, welcher sich an den Aerosolen anlagert. Ein Gas mit einer längeren Halbwertszeit würde möglicherweise den der Messung dienenden Filter durchdringen und damit einerseits die Meßresultate verfälschen und andererseits die Umwelt kontaminieren. Der Markierungsstoff ²¹¹Pb(s) mit einer Halbwertszeit von ca. 36 min zerfällt in ein nicht mehr aktives ²⁰⁷Pb. Durch den Einsatz des Bleiisotops ²¹¹Pb(s) wird ein hervorragendes Gleichgewicht zwischen Aufbau der Aktivität und deren Zerfall in einem optimalen Zeitrahmen erreicht, so daß eine kontinuierliche Überwachung der Aerosol-Konzentration in einem gasförmigen Medium, beispielsweise bei der Überwachung der Luftverschmutzung, über lange Zeit möglich ist.This task is carried out by an institution with the in Features mentioned claim 1 solved. This draws is characterized in that the radiation detector Has ring disc that is parallel to the marked Aerosol collecting filter is arranged and has a central opening through which the end protrudes a pipe through which the to be monitored Aerosols are directed. In this way can generate measurement signals that are essentially proportional to the total surface of the radioactively marked Are aerosols, and therefore as a measure of each Aerosol concentration can serve. By the Use of a long-lasting Actinum radiation source with a half-life of approximately 22 years frequent changes in radiation sources avoided, so that maintain aerosol monitoring for a long time can be. The actinium ²²⁷Ac (s) decays in turn into the short-lived gas radon ²¹⁹Rn (g) with a half-life of 4.5 s. The half-life is chosen so that the radon emanate from the source can, but then quickly in the non-gaseous Tracer ²²¹Pb (s) further decays, which accumulates on the aerosols. A gas with one longer half-life would possibly be that of Penetrating measurement filter and thus on the one hand falsify the measurement results and on the other hand contaminate the environment. The marker substance 21 Pb (s) with a half-life of approximately 36 min breaks down into a no longer active ²⁰⁷Pb. By the Use of the ²¹¹Pb (s) lead isotope will be an excellent one Balance between building activity and achieved their decay in an optimal time frame, so that continuous monitoring of the Aerosol concentration in a gaseous medium, for example when monitoring air pollution, is possible for a long time.
Durch die über der Filteroberfläche endende Rohrleitung werden die markierten Aerosole gleichmäßig über dem Filter verteilt und abgelagert. Durch die Anordnung des Detektors wird immer nur die oberste Schicht der markierten Aerosole erfaßt. Durch die Ausbildung als Lochdetektor ist bei einfachem Aufbau der Einrichtung ein verlustfreies Hindurchführen der zu messenden Substanzen zu dem Aerosole auffangenden Filter möglich. Through the pipeline ending above the filter surface the marked aerosols are evenly over distributed and deposited in the filter. By the arrangement only the top layer of the detector becomes of the marked aerosols. Through training is a hole detector with a simple structure of the device a lossless implementation of the measuring substances to the aerosol collecting Filters possible.
In den abhängigen Ansprüchen sind zweckmäßige und vorteil hafte Weiterbildungen des Verfahrens und der Einrichtung ge mäß der Erfindung definiert. In the dependent claims are useful and advantageous firm further developments of the procedure and the facility defined according to the invention.
Es ist weiterhin bekannt, z. B. aus den deutschen Offenlegungs schriften 31 03 176 und 31 26 964, zur Messung der Radio aktivitätskonzentration eines Gases im Strömungsweg des Gases einen Filter anzuordnen, an dem die im Gas enthaltenen radio aktiven Aerosole abgeschieden werden, und dann die Radioakti vität der abgeschiedenen Aerosole zu messen. Bei dieser be kannten Technik hat man jedoch keinen stationären Filter son dern ein Filterband verwendet, das kontinuierlich bewegt wird, so daß fortlaufend frische Partien des Filterbandes mit den aus dem Gas abgeschiedenen Aerosolen belegt und an schließend zu einem Strahlungsdetektor transportiert werden. Abgesehen davon, daß ein kontinuierlich zu bewegendes Fil terband eine kompliziertere und aufwendigere Einrichtung be dingt als ein stationärer Filter, und zudem zusätzliche Ener gie für den Bewegungsantrieb des Filterbandes verlangt, liegt der bekannten Technik eine ganz andere Aufgabe als der vorlie genden Erfindung zugrunde, nämlich eine rasche Messung von zeitlich variierenden Radioaktivitätskonzentrationen eines Gases, wobei völlig offen ist, wie die Variation der Radio aktivitätskonzentration zustande kam.It is also known, e.g. B. from the German disclosure publications 31 03 176 and 31 26 964, for measuring the radio activity concentration of a gas in the flow path of the gas arrange a filter on which the radio contained in the gas active aerosols are deposited, and then the radio acti measure the quality of the separated aerosols. With this be Known technology has no stationary filter son who uses a filter belt that moves continuously is so that continuously fresh batches of the filter belt with the aerosols separated from the gas and on then be transported to a radiation detector. Apart from the fact that a continuously moving fil terband be a more complicated and expensive facility thing as a stationary filter, and also additional energy Required for the movement drive of the filter belt, lies the known technology a completely different task than that underlying invention, namely a rapid measurement of radioactivity concentrations of a Gases, being completely open, like the variation of the radio activity concentration came about.
Bei dem Verfahren gemäß vorliegender Erfindung werden zwar auch zeitlich variierende Radioaktivitätskonzentrationen eines gasförmigen Mediums gemessen, aber dies ist nur ein Teil der Erfindung.In the method according to the present invention also radioactive concentrations that vary over time of a gaseous medium, but this is only one Part of the invention.
Nachstehend ist die Erfindung rein beispielsweise näher er läutert, und zwar unter Bezugnahme auf die Zeich nung, deren einzige Figur schematisch ein bevorzugtes Ausfüh rungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung zeigt. Die dargestellte Einrichtung ist für eine kontinuierliche oder periodische Überwachung der Konzentration von Aerosolen in der atmosphärischen Luft vorgesehen.Below, the invention is purely closer, for example refines, with reference to the drawing tion, the only figure schematically a preferred embodiment Example of the device according to the invention shows. The facility shown is for continuous or periodic monitoring of the concentration of aerosols in the atmospheric air.
Diese Einrichtung weist eine erste Kammer 11 auf, in welche ein Lufteinlaßrohr 12 hineingeführt ist. Die im Innern der Kammer 11 liegende Mündung 13 des Lufteinlaßrohres 12 be findet sich in der Nähe einer langlebigen radioaktiven Strah lungsquelle 14 aus 227Actinium. Für den Luftauslaß aus der Kammer 11 ist eine Rohrleitung 15 vorhanden, deren Eintritts mündung 16 in einem relativ großen Abstand von der Strahlungs quelle 14 angeordnet ist. Die Kammer 11 ist bis auf den Luft einlaß 12, 13 und den Luftauslaß 15, 16 hermetisch geschlos sen und weist ein Volumen von im Bereich von 100 bis 2000 ml, vorzugsweise etwa 1000 ml, auf. Die Wandungen der Kammer 11 be stehen z. B. aus nichtrostendem Stahl oder aus einer Aluminium- Legierung.This device has a first chamber 11 , into which an air inlet tube 12 is inserted. The inside of the chamber 11 lying mouth 13 of the air inlet tube 12 be found in the vicinity of a long-lived radioactive radiation source 14 from 227 actinium. For the air outlet from the chamber 11 , a pipe 15 is provided, the inlet mouth 16 is arranged at a relatively large distance from the radiation source 14 . The chamber 11 is hermetically closed except for the air inlet 12, 13 and the air outlet 15, 16 and has a volume in the range of 100 to 2000 ml, preferably about 1000 ml. The walls of the chamber 11 be z. B. made of stainless steel or an aluminum alloy.
Die für den Luftauslaß aus der Kammer 11 vorgesehene Rohrlei tung 15 führt zu einer zweiten Kammer 17, die durch einen Mikroporen-Filter 18 in zwei Räume 17A und 17B unterteilt ist. Die Austrittsmündung 19 der Rohrleitung 15 befindet sich im einen Raum 17A. Der andere Raum 17B steht mittels eines Rohr stutzens 20 mit dem Einlaß 21 einer Saugpumpe 22 in Verbin dung, deren Auslaß 23 in die Atmosphäre mündet. Die Saug pumpe 22 hat die Aufgabe, Luft aus der Atmosphäre durch das Einlaßrohr 12, die erste Kammer 11, die Rohrleitung 15 und die zweite Kammer 17 hindurch zu fördern und dann wieder in die Atmosphäre abzugeben. Die Förderleistung der Saugpumpe 22 ist verhältnismäßig niedrig und liegt im Bereich von 100 bis 2000 ml/min, vorzugsweise bei etwa 1000 m/min. Zum Antrieb der Saugpumpe 22 genügt deshalb ein verhältnismäßig kleiner Elek tromotor 24, der z. B. mittels einer Batterie 25 gespeist ist. Aus Gründen, die noch erläutert werden, weist die die beiden Kammern 11 und 17 miteinander verbindende Rohrleitung einen Innendurchmesser im Bereich von 0,5 bis 5 mm, vorzugsweise etwa 1 mm, und eine Länge im Bereich von 0,5 bis 10 m, vor zugsweise etwa 1,5 m, auf. Die Rohrleitung 15 kann um die erste Kammer 11 herum gewickelt sein.The provided for the air outlet from the chamber 11 Rohrlei device 15 leads to a second chamber 17 which is divided by a micropore filter 18 into two rooms 17 A and 17 B. The outlet mouth 19 of the pipe 15 is in a room 17 A. The other room 17 B is by means of a pipe socket 20 with the inlet 21 of a suction pump 22 in connec tion, the outlet 23 opens into the atmosphere. The suction pump 22 has the task of conveying air from the atmosphere through the inlet pipe 12 , the first chamber 11 , the pipeline 15 and the second chamber 17 and then to release it into the atmosphere again. The delivery rate of the suction pump 22 is relatively low and is in the range from 100 to 2000 ml / min, preferably around 1000 m / min. To drive the suction pump 22 is therefore a relatively small Elek tromotor 24 , the z. B. is powered by a battery 25 . For reasons that will be explained later, the pipeline connecting the two chambers 11 and 17 to one another has an inside diameter in the range from 0.5 to 5 mm, preferably about 1 mm, and a length in the range from 0.5 to 10 m preferably about 1.5 m. The pipeline 15 may be wrapped around the first chamber 11 .
In der zweiten Kammer 17, und zwar zweckmäßig im Raum 17A, in den die Rohrleitung 15 einmündet, befindet sich ein Detektor 26 für Alpha-Strahlungen, beispielsweise ein Sperrschicht- Detektor, der über eine elektrische Leitung 27 mit einem Meß- und Registriergerät 28 verbunden ist. Die elektrische Speisung des Gerätes 28 erfolgt entweder aus der bereits erwähnten Batterie 25 oder aus einer weiteren Batterie 29. Zweckmäßig hat der Detektor 26 die Gestalt einer zum Filter 18 parallel angeordneten Ringscheibe, durch deren zentrale Öffnung die die Austrittsmündung 19 aufweisende Partie der Rohrleitung 15 hindurchragt.In the second chamber 17 , and expediently in the room 17 A, into which the pipeline 15 opens, there is a detector 26 for alpha radiation, for example a barrier layer detector, which is connected via an electrical line 27 to a measuring and recording device 28 connected is. The device 28 is supplied with electrical power either from the already mentioned battery 25 or from a further battery 29 . The detector 26 expediently has the shape of an annular disk arranged parallel to the filter 18 , through the central opening of which the portion of the pipeline 15 having the outlet mouth 19 projects.
Die Gebrauchs- und Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung und das mit dieser Einrichtung ermöglichte Verfahren zum Über wachen der Konzentration von Aerosolen in der atmosphärischen Luft sind wie folgt: The use and mode of operation of the device described and the method of transfer made possible with this facility monitor the concentration of aerosols in the atmospheric Air are as follows:
Die 227Actinium-Strahlungsquelle 14 emaniert fortwährnd gas förmige radioaktive 219Radonisotope, die eine Halbwertszeit von lediglich 4,0 s aufweisen und in feste 211Bleiisotope mit einer Halbwertszeit von 36,1 min zerfallen. Diese radioaktiven Bleiisotope werden mit einer konstanten Produktionsrate er zeugt. Durch die Saugwirkung der Saugpumpe 22 wird Luft aus der Atmosphäre über das Einlaßrohr 12 in die erste Kammer 11 gefördert. Wenn die Luft Aerosole enthält, lagern sich die radioaktiven Bleiisotope an den Oberflächen der Aerosole an, wodurch die letzteren radioaktiv markiert werden.The 227 actinium radiation source 14 continuously emanates gaseous radioactive 219 radon isotopes which have a half-life of only 4.0 s and decay into solid 211 lead isotopes with a half-life of 36.1 min. These radioactive lead isotopes are produced at a constant production rate. The suction effect of the suction pump 22 conveys air from the atmosphere into the first chamber 11 via the inlet pipe 12 . If the air contains aerosols, the radioactive lead isotopes accumulate on the surfaces of the aerosols, whereby the latter are radiolabelled.
Durch die Rohrleitung 15 hindurch wird die Luft mit den darin enthaltenen, radioaktiv markierten Aerosolen unter dem Ein fluß der Saugpumpe 22 in die zweite Kammer 17 transportiert. Wegen des verhältnismäßig kleinen Innendurchmessers der Rohrleitung 15 nimmt das die letztere durchströmende Medium eine relativ hohe Geschwindigkeit an, trotz der geringen För derleistung der Saugpumpe 22. Infolge der relativ hohen Strö mungsgeschwindigkeit in der Rohrleitung 15 werden die Aerosole zwangsläufig mitgerissen, und die relativ große Längenabmes sung der Rohrleitung 15 gewährleistet eine verhältnismäßig gleichmäßige Verteilung der Aerosole in dem die Austritts mündung 19 verlassenden Luftstrom. In der gegenüber der Rohr leitung 15 stark erweiterten zweiten Kammer 17 sinkt die Strömungsgeschwindigkeit der Luft erheblich. Während die Luft durch die Poren des Filters 18 hindurchtritt und nachher mit tels der Saugpumpe 22 in die Atmosphäre zurück gefördert wird, werden die in der Luft mitgeführten Aerosole zusammen mit den an ihnen angelagerten radioaktiven Isotopen am Filter 17 ab geschieden. Mit Hilfe des Detektors 26 und dem angeschlossenen Gerät 28 wird die Aktivität der von den Isotopen ausgehenden Alpha-Strahlung kontinuierlich oder periodisch gemessen und vorzugsweise auch registriert. Die so gewonnenen Meßresultate sind im wesentlichen proportional der Gesamtoberfläche der radioaktiv markierten Aerosole und folglich ein Maß für die jeweiligen Aerosolkonzentrationen. Through the pipe 15 through the air with the radioactive aerosols contained therein under the A flow of the suction pump 22 is transported into the second chamber 17 . Because of the relatively small inner diameter of the pipeline 15 , the medium flowing through the latter assumes a relatively high speed, despite the low output of the suction pump 22 . Due to the relatively high flow speed in the pipeline 15 , the aerosols are inevitably entrained, and the relatively large Längenabmes solution of the pipeline 15 ensures a relatively uniform distribution of the aerosols in the outlet mouth 19 leaving air flow. In the second chamber 17 , which is greatly expanded compared to the pipe 15 , the flow velocity of the air drops considerably. While the air passes through the pores of the filter 18 and is subsequently conveyed back into the atmosphere by means of the suction pump 22 , the aerosols carried in the air are separated on the filter 17 together with the radioactive isotopes attached to them. With the aid of the detector 26 and the connected device 28 , the activity of the alpha radiation emanating from the isotopes is measured continuously or periodically and preferably also registered. The measurement results obtained in this way are essentially proportional to the total surface of the radioactively labeled aerosols and consequently a measure of the respective aerosol concentrations.
Da die zur Markierung der Aerosole benutzten Bleiisotope eine verhältnismäßig kurze Halbwertszeit von 36,1 min aufweisen, zerfällt die am Filter 17 akkumulierte Radioaktivität relativ rasch. Ohne daß der Filter bewegt oder zwischen aufeinander folgenden Messungen ausgewechselt werden muß, ist daher eine kontinuierliche oder periodische Ermittlung der Konzentration von in der Luft enthaltenen Aerosolen mit ausreichend hoher Genauigkeit möglich. Eine Auswechslung des Filters 17 ist nur in relativ großen Zeitabständen, z. B. nach mehreren Wochen Betriebsdauer, erforderlich, wenn der Filter durch die abge lagerten Aerosole verstopft zu werden droht.Since the lead isotopes used to label the aerosols have a relatively short half-life of 36.1 minutes, the radioactivity accumulated on the filter 17 decays relatively quickly. A continuous or periodic determination of the concentration of aerosols contained in the air is therefore possible with sufficiently high accuracy without the filter having to be moved or exchanged between successive measurements. A replacement of the filter 17 is only in relatively large time intervals, for. B. after several weeks of operation, required if the filter threatens to become blocked by the stored aerosols.
Die beschriebene Einrichtung gestattet z. B. eine kontinuier liche Überwachung der Aerosolkonzentration in der atmosphäri schen Luft über Tage oder Wochen hinweg. Die Einrichtung kann mit verhältnismäßig kleinen Abmessungen und geringem Gewicht realisiert werden und benötigt zu ihrem Betrieb nur relativ wenig elektrische Energie. Dies ermöglicht einen mobilen Ein satz der Einrichtung, auch an entlegenen Orten, so daß eine Überwachung der Höhe und der zeitlichen Schwankungen von Schadstoffbelastungen der Luft praktisch überall durchgeführt werden kann.The device described allows z. B. a continuous monitoring of the aerosol concentration in the atmosphere air for days or weeks. The facility can with relatively small dimensions and light weight can be realized and only relatively required for their operation little electrical energy. This enables a mobile on set of the facility, even in remote places, so that a Monitoring the amount and the temporal fluctuations of Pollution in the air carried out practically everywhere can be.
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