EP4367493A1 - Vorrichtung und verfahren zur analyse einer gasförmigen probe, sowie raman-spektrometer - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur analyse einer gasförmigen probe, sowie raman-spektrometer

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EP4367493A1
EP4367493A1 EP22735184.8A EP22735184A EP4367493A1 EP 4367493 A1 EP4367493 A1 EP 4367493A1 EP 22735184 A EP22735184 A EP 22735184A EP 4367493 A1 EP4367493 A1 EP 4367493A1
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EP
European Patent Office
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particles
spectra
gaseous sample
sample
sensor
Prior art date
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Pending
Application number
EP22735184.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Krämer
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Hilti AG
Original Assignee
Hilti AG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a device for analyzing a gaseous sample with regard to a composition of the particles contained in the sample, the device comprising the following components: a device for sucking in the gaseous sample, a device for separating the particles contained in the gaseous sample into Depending on a diameter of the particles, a device for collecting the particles, a sensor device for analyzing the particles contained in the gaseous sample and a device for evaluating spectra.
  • the sensor device works based on Raman scattering and is designed to generate the spectra to be evaluated. The evaluation can be carried out in particular by comparing the generated spectra with reference spectra, these reference spectra being able to describe different forms of existence of silicon dioxide.
  • the invention relates to a method for analyzing a gaseous sample with regard to a composition of the particles contained in the sample, and a Raman spectrometer.
  • a device could be provided as a "dust dosimeter" that workers could carry around a construction site and which would determine the amount of quartz to which the construction worker is exposed throughout the day.
  • the aerodynamic diameter is defined as the diameter of an essentially spherical particle with a density of 1 g/cm 3 , which has essentially the same rate of descent as a particle to be considered. If, for example, an aerodynamic diameter of 10 pm is classified as dangerous in a legal or regulatory text, then for quartz with a density of approx. 2.5 g/cm 3 particles with a geometric diameter of approx. 4 pm and smaller are dangerous . Such a conversion can also be carried out using the data determined by conventional particle sensors. However, it has been shown that the analysis of air sample datasets is a technical challenge due to their complex composition and the required calibrations.
  • Laboratory measuring devices or components of such structures are known in the prior art, as described in US 2020 009 560 A1, for example.
  • these laboratory measuring devices often do not allow live measurement and evaluation of data sets, so that the user does not receive immediate feedback about his current dust exposure.
  • known laboratory measuring devices are often expensive, time-consuming and complicated to operate, so that only trained personnel can operate them.
  • the known devices from the prior art often lack the necessary robustness against vibrations, dirt, etc., in order to withstand everyday use, for example on a construction site.
  • Another disadvantage of the known from the prior art measuring devices for investigating particles in the ambient air is that they are usually not able to silicon dioxide and its various crystal modifications, such as quartz, cristobalite or tridymite, and amorphous To recognize or distinguish silicon dioxide. Such a distinction is particularly relevant because the different crystal modifications of silicon dioxide and amorphous silicon dioxide are assessed differently in terms of their health risk potential.
  • the object of the present invention is therefore to overcome the deficiencies and disadvantages of the prior art described above and to specify a device and a method for analyzing a gaseous sample with which live measurements in the sense of continuous monitoring of a user are possible.
  • the device to be specified should be designed so ro bust that it can be used in harsh environments, such as on a construction site.
  • the device to be provided should be easy to operate, so that it can be used by a layperson and its displays or displayed results can be understood.
  • the device to be specified and the method to be specified should be able to be used to examine and evaluate the aerodynamic diameter of particles relevant to health protection.
  • a device for analyzing a gaseous sample in relation to a composition of the particles contained in the sample comprising the following components: a) device for sucking in the gaseous sample, b) device for Separation of the particles contained in the gaseous sample depending on a diameter of the particles, c) device for collecting the particles, d) sensor device for analyzing the particles contained in the gaseous sample depending on the diameter of the particles, the sensor device based on Raman scattering and is set up to generate spectra, e) device for evaluating the spectra by comparing the spectra from the device for evaluating with reference spectra.
  • the proposed device is advantageously set up to measure a quartz fine dust content in a gaseous sample, in which case the gaseous sample can include, in particular, the breathing air of a user of the device.
  • gaseous preferably means that it is a gaseous sample, such as air, for example, and this sample can contain various particles. This can be, for example, quartz, dust or other contaminants in the ambient air, such as those found on construction sites.
  • the purpose of the proposed measuring device is to analyze the particles contained in a gaseous sample with regard to their composition, ie to determine the composition. This is intended to enable the user to better assess the health risk emanating from the particles.
  • the gaseous sample is also referred to as a “gas or air sample”.
  • the radiation intensity or radiation power is preferably plotted as a function of the wavelength. Since the wavelength in Raman scattering depends on the excitation wavelength, it is preferred within the meaning of the invention to convert the wavelength into a shift, which is preferably also referred to as Raman shift within the meaning of the invention. This advantageously facilitates a comparison of spectra recorded with different excitation wavelengths.
  • the proposed device comprises at least the following components: a device for sucking in the gaseous sample, a device for separating the particles contained in the gaseous sample depending on a diameter of the particles, a device for collecting the particles, a sensor device for analyzing the particles contained in the gaseous sample and a device for evaluating spectra.
  • the device for sucking in the gaseous sample is preferably referred to as the “sucking device” within the meaning of the invention, while the device for separating the particles is preferably referred to as the “separating device”.
  • the device for collecting the particles can also be used to collect the particles and is preferably referred to as “collecting device” or “collecting device” within the meaning of the invention.
  • the device for evaluating the spectra is preferably also referred to as an “evaluation device”.
  • a major advantage of the invention is that the proposed device can be designed as a body-worn measuring device which - similar to a radiation dosimeter - can be carried along by a user or worn on the body or attached to a piece of clothing.
  • the inventor has recognized that using a sensor device that works based on Raman scattering, a handy, compact device can be provided that can be carried along by a user at work, for example on a construction site, and called “dust -Dosimeter" can be used.
  • the device can be arranged, for example, on an air cleaning device and can be connected to the air cleaning device by lines. For example, information, data and/or control commands can be exchanged between the device and the air purification device, without being limited thereto.
  • connection can be a wired connection, for example, in which data is exchanged, for example, via cables or other lines.
  • wireless communication between the air cleaning device and the device can also be provided.
  • contacts can be provided in order to enable communication or data exchange between the devices.
  • the environment Training air of the air cleaning device are examined with the proposed device and a switch-on command is sent from the device to the air cleaning device in order to turn on the air cleaning device when severe contamination of the ambient air is detected.
  • the presence of severe contamination of the air surrounding the air cleaning device can be determined, for example, by exceeding limit values that are stored in the air cleaning device and/or in the device.
  • the air purification device can in particular be switched on by the proposed device when the proportion of quartz in the ambient air exceeds a predetermined limit value.
  • the air purification device can also be switched off with the aid of the proposed device if the corresponding limit values with regard to the air pollution, in particular with regard to the modifications of the silicon dioxide, are not reached.
  • the sensor device which works based on Raman scattering, is preferably referred to as a “Raman sensor” or “Raman spectrometer” within the meaning of the invention.
  • the invention relates in particular to a measuring device for analyzing a gaseous sample, which comprises a Raman spectrometer.
  • the proposed device is preferably based on the fact that a molecule can be excited to dipole oscillations by incident monochrome light, the dipole thus becoming a secondary radiation source.
  • the dipole vibration can be modulated by resonance frequencies of the molecule in the crystal lattice, giving rise to further peaks in the spectrum, known as Stokes lines and anti-Stokes lines.
  • this modulation makes Raman scattering well suited to analyze and distinguish crystalline materials. Tests have shown that, in particular, the quartz modifications of interest in the context of this invention can be identified particularly well using Raman scattering and can be distinguished from other substances.
  • the wavelength to be examined depends on the excitation.
  • the components of the proposed device are preferably selected in such a way that the peaks to be expected in the spectrum can be easily found using a combination of light source and sensor according to the invention.
  • the proposed device makes it possible to carry out live measurements of the dust exposure of a user of the device and a live analysis of the composition of the particles contained in the ambient air.
  • composition of the particles preferably means in the context of the invention that the quantity of the particles contained in a gaseous sample can be examined with regard to their composition. It is therefore preferably not the material composition of a single, larger particle, but the specification of the proportions of different particle types that make up the total particle quantity in the gaseous sample.
  • the invention can even determine and output the proportions of the individual crystal modifications of silicon dioxide and of amorphous silicon dioxide. This is made possible in particular by the fact that the reference spectra, with which the spectra determined by the sensor devices are compared, describe the various configurations of silicon dioxide just mentioned.
  • the device for sucking in the gaseous sample is a fan or a pump.
  • the suction device is preferably set up to deliver a gas volume of 8-10 l/min. Tests have shown that with this volume of air per unit of time, an optimal evaluation of the particle composition in a gaseous sample containing the particles to be analyzed can be made possible. In particular, it has been shown that sufficient gas can be provided for an optimal evaluation of the sample with the specified amount of gas or air per unit of time. On the other hand, the amount of gas per unit of time is not too large either, so that changed collection or deposition efficiencies would have to be taken into account when analyzing and evaluating the particle composition. Such deviations must be taken into account in particular when relatively larger and therefore more sluggish particles are inhaled. This can be the case in particular with larger gas volumes.
  • the proposed device is arranged on a user or in his environment in such a way that the gaseous sample is taken from the breathing air of the user.
  • the term "breathing air of the user” in the sense of the invention preferably describes that gas volume which is present in the area of the nose and mouth of the user and can be inhaled by the user through the nose or through the mouth.
  • This arrangement in close proximity to the user's face enables a particularly precise and realistic analysis of the particle composition, because the user will inhale gas from the gas volume referred to as "breathing air” with a very high probability.
  • the device can be worn in the user's chest area.
  • the device can be put into a breast pocket of work pants or a shirt or a jacket, for example.
  • the proposed device can include attachment means with which the device can be attached to the clothing of the user.
  • the device for separating the particles is set up to separate the particles according to their aerodynamic diameter.
  • the separating device can be designed as an inertial force separator.
  • An example of an inertial force separator is a cyclone separator.
  • a particularly meaningful analysis of the particle composition for the health protection of the user can be obtained with the invention, because the hazard potential of a substance or a Particulate material results in particular from its aerodynamic diameter.
  • Inertial force separators are preferably characterized in that particles contained in the air to be cleaned or in the air to be examined cannot follow a sharp change in direction or a sharp change in flow velocity generated by the separator due to their inertia.
  • the flow movement can be caused, for example, by a rotation in a cyclone or a kink in a flow path. Since the inertia of the particles is essentially proportional to their mass and the flow acts on the surface of the particles, the particles are separated according to their aerodynamic diameter.
  • the device for separating the particles is set up to separate the particles according to their geometric diameter.
  • the separating device can be designed as a filter.
  • a cost-effective device can be provided in particular, which is particularly suitable for large-scale use by many users.
  • such devices with separation devices that distinguish the particles to be analyzed according to their geometric diameter can be used when essentially all workers on a large construction site, such as at airports, office buildings or soccer stadiums, are equipped with a proposed device.
  • the device for collecting the particles is designed as a filter.
  • the particles contained in the gaseous sample are preferably deposited on the collecting or collecting device, so that the particles or their composition can then be evaluated and/or analyzed by the sensor device.
  • the particles to be analyzed can be deposited on a surface or inside the collection device.
  • the The filter or the filter material has a pore size that is selected small enough so that no particles relevant to the investigation are lost.
  • the filter surface is selected to be large enough for the pump to be able to produce a sufficiently large volume flow.
  • the pore size can, for example, be selected to correspond to the resolution of the image sensor.
  • the filter material is preferably selected in such a way that a surface which is as homogeneous as possible is formed.
  • the surface preferably has no resonances in the area relevant to the quartz modifications, so as not to impair the measurements.
  • cellulose nitrate can be used as a filter material.
  • the sensor device for analyzing the particles is arranged above or below the device for collecting the particles.
  • the sensor device can be arranged above or below the collecting or collecting device within the proposed measuring device.
  • the arrangement of the sensor device is selected in particular in such a way that a sharp, optical imaging of a surface of the collecting or collecting device is made possible. As a result, the filter surface and its occupancy with various particles can be analyzed and examined using optical methods.
  • the sensor device for analyzing the particles is arranged at a distance d from the device for collecting the particles, the distance d being in a range from 1 to 50 mm, preferably in a range of 2 to 20 mm.
  • Tests have shown that the preferred arrangement of the sensor device at a distance from the collection or collection device allows particles from the gas sample to be deposited on the collection device.
  • the specified distances d in a range from 0.2 to 2 cm enable a particularly sharp optical image of the surface of the collecting device, which has a positive effect on the evaluation or analysis quality of the particles -Composition in the gaseous sample can have an effect.
  • the reference spectra, with which the spectra recorded with the sensor device are compared describe different configurations of silicon dioxide.
  • the various configurations of silicon dioxide are preferably in particular the various crystal modifications of silicon dioxide, such as quartz, cristobalite or tridymite, and the existence form of silicon dioxide as amorphous silicon dioxide.
  • a content of fine quartz dust in a gaseous sample can be determined. This is particularly relevant because the silicon dioxide crystal modification "quartz" is classified as particularly hazardous to health.
  • reference spectra that describe the optical behavior of quartz can be used in particular for comparison with the spectra determined by the sensor device.
  • the evaluation of the spectra recorded by the sensor device can consist, for example, in comparing the recorded spectra with silicon dioxide reference spectra. For example, correlations between the spectra can be examined or the location and position of peaks in the spectra can be determined and/or compared. It can also be preferred within the meaning of the invention that machine learning methods are used in order to compare the spectra determined by the sensor device with possible reference spectra.
  • the reference spectra can describe not only silicon dioxide and its different forms of existence, but also other substances or materials that can occur as particles in gas samples or in the breathing air of a user.
  • the invention in a second aspect, relates to a method for analyzing a gaseous sample with regard to a composition of the particles contained in the sample, the method being characterized by the following method steps: a) sucking in the gaseous sample with a sucking device, b ) separating the particles contained in the gaseous sample as a function of the diameter of the particles with a device for separating the particles, c) collecting the particles with a device for collecting the particles, d) analyzing the particles contained in the gaseous sample as a function of the diameter of the particles with a sensor device, the sensor device working based on Raman scattering, e) generation of spectra by the sensor device, f) evaluation of the spectra by using the spectra from a device for evaluation Reference spectra are compared.
  • the collection of the particles can preferably also be referred to as catching. It takes place in particular with a collection or collection device.
  • the method steps are carried out using devices that are components of a measuring device.
  • This can in particular be a proposed device according to the present invention.
  • the proposed analysis method can be carried out with a device according to the present invention.
  • it can also be preferred that the method is carried out with another device or that the devices required to carry out the method together do not form a common device.
  • the spectra and the reference spectra are compared by correlation, machine learning or a peak search.
  • Raman spectrometer a sensor device which works on the basis of Raman scattering (“Raman spectrometer”).
  • This Raman spectrometer represents a third aspect of the present invention.
  • broadband excitation and gaps in the reflected light are often used to identify the resonance frequencies of substances and materials.
  • the resonances of the silicon dioxide existence forms are at very long wavelengths, i.e. in the range of 15-25 pm, so that it is a technical challenge to excite and/or detect them.
  • the inventor has therefore recognized that Raman scattering can be used to excite in the resonance range of the silicon dioxide with any desired wavelength.
  • the technical implementation of the proposed device and the proposed method can thus advantageously be greatly simplified.
  • illumination takes place in particular with essentially monochromatic light, with the aim being high resolution and high accuracy in terms of wavelength and intensity.
  • the sensor device of the proposed invention can preferably be referred to as a spectrometer.
  • the spectrometer assembly can preferably include an illumination device, a filter, a slit, a dispersive element, imaging optics and/or an optical sensor.
  • the optical sensor can preferably also be referred to as an image sensor.
  • the filter can preferably be a notch filter, with which frequencies within a narrow frequency range can be filtered out of a spectrum.
  • the notch filter can preferably be an optical notch filter.
  • a bandpass filter to reduce the bandwidth of the excitation and a particle filter can be provided between the illumination device and the gap.
  • the particles from the gas sample are deposited on the beginning device.
  • the particles that have been deposited on the surface of the collecting device are illuminated with the lighting device in order to stimulate the particles.
  • the lighting or the stimulation of the particles on the surface the collection device has the smallest possible bandwidth.
  • the bandwidth is preferably in a range of 1 nm or less.
  • the lighting device is preferably set up to provide very high luminous fluxes.
  • the lighting device is set up to ensure particularly homogeneous and uniform lighting or excitation of the particles on the surface of the collecting device, i.e. the filter area to be measured.
  • the lighting device can include high-power light-emitting diodes (LED) or be designed as a line laser.
  • the diodes can have a radiation power of 5 to 10 W, for example. Typical exposure times can be in the range of a few seconds.
  • the lighting device it is particularly preferred to use high-power light-emitting diodes as the lighting device, it being possible for a bandpass filter to be connected downstream of these high-power light-emitting diodes in order to keep the excitation bandwidth as small as possible.
  • a filter can then be used in order to filter out the excitation radiation from the reflected radiation or from the transmitted radiation.
  • a notch filter can preferably be used for this purpose. It is particularly preferred within the meaning of the invention that unwanted Rayleigh and Tyndall radiation is filtered out of the spectrum with the filter, with Rayleigh and Tyndall radiation being undesirable primarily because their usually high intensity overrides the optical sensor and can prevent an evaluation of the desired Raman radiation.
  • the use of a notch filter has proven to be advantageous because it allows the elastic, scattered Rayleigh and Tyndall radiation in particular to be filtered out of the spectrum, while the non-elastically scattered Raman radiation is allowed to pass. However, the use of such a filter is optional.
  • the gap, the dispersive element, the imaging optics and/or the optical sensor can be arranged at an angle from the optical axis of the illumination device.
  • the notch filter is arranged in the beam path behind the illuminated filter.
  • the notch filter can also be arranged in front of the optics or in front of the image sensor.
  • the gap is set up to limit the area of the filter that is covered by the following optics. Its width is preferably selected in such a way that undesired diffraction effects are avoided which can occur if the gap is made too narrow.
  • the width of the slit is preferably designed for the desired resolution, although a slit that is too large can have an adverse effect on the spectral resolution.
  • the width of the slit preferably represents a compromise between a slit width that is too large and too small. It is preferred within the meaning of the invention that the slit width is selected as a function of the resolution and/or the bandwidth of the spectrometer.
  • the gap width can be in the range of 200 ⁇ m, for example. Of course, other values for the gap width are also possible.
  • the dispersive element is designed as a diffraction grating.
  • the dispersive element is preferably set up to split the light reflected back from the filter as a function of its wavelength.
  • the wavelength ranges relevant to health protection can be identified for evaluation. These are preferably those wavelengths or wavelength ranges that relate to the different forms of existence of silicon dioxide.
  • the diffraction grating can be designed, for example, as a transmissive blaze grating. By using such a blaze grating, a particularly compact design of the proposed measuring device or spectrometer can be achieved, since the components of the device can be arranged in one line.
  • prisms or reflective diffraction gratings can also be used as dispersive elements within the proposed sensor device.
  • the dispersion takes place at an essentially right angle to the gap, because this allows the sensor area to be used optimally.
  • Optics for imaging the wavelength ranges onto the optical sensor can then be provided behind the dispersive element.
  • This optics is within the meaning of the invention preferably also referred to as imaging optics.
  • the imaging optics are preferably selected in such a way that they ensure sufficient resolution even for the smallest possible particles.
  • the smallest possible particles can have diameters in a range from 0.4 to 1.0 ⁇ m, for example.
  • the optical sensor is preferably set up to record the imaged spectra. It is preferably selected in such a way that it has sufficient pixel and intensity resolution for the particles to be analyzed, in particular the silicon dioxide particles, and the Raman scattering.
  • the spectra determined with the sensor device can then be evaluated and/or analyzed with the device for evaluating the spectra.
  • the elements or characteristics are identified in the spectra that indicate silicon dioxide particles in the different forms of silicon dioxide.
  • the silicon dioxide spectra are recognized in this method step.
  • the use of an evaluation device for IT-supported evaluation of the spectra is preferred, the spectra can also be evaluated manually.
  • the determined results can be displayed on the proposed device.
  • the device can include display means, such as a display or a small screen.
  • the delivery of an optical, acoustic or haptic warning to the user can also be provided within the meaning of the invention if high particle counts or an undesirably high proportion of quartz, for example, is detected among the particles.
  • an essentially continuous monitoring of a user's breathing air or ambient air can be made possible.
  • the user's exposure to fine quartz dust can be monitored essentially continuously.
  • the invention enables the user to be given precise information about the air surrounding him and the dust or quartz pollution.
  • FIG. 1 schematic representation of the structure of a preferred embodiment of the proposed device
  • FIG. 2 schematic representation of the structure of a preferred embodiment of the
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the structure of a preferred embodiment of the proposed device 10.
  • FIG particles contained in the gaseous sample as a function of a diameter of the particles
  • a device 16 for collecting the particles a sensor device 18 for analyzing the particles contained in the gaseous sample
  • a device 20 for evaluating spectra for evaluating spectra.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of the structure of a preferred embodiment of the sensor device 18 of the proposed device 10.
  • Fig. 2 shows the components of the proposed Raman spectrometer 18, namely an illumination device 22, a gap 24, a dispersive element 26, imaging optics 28 and an optical sensor 30.
  • the sensor device 18 can also include a filter 32 (not shown) which is arranged between the illumination device 22 and the gap 24.
  • the filter 32 can be designed as a particle filter, for example.
  • the filter 32 can be designed as a particle filter, for example.
  • a bandpass filter (without a reference number) can be placed behind the lighting device 22 in order to ensure the narrowest possible bandwidth for the lighting.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse einer gasförmigen Probe in Bezug auf eine Zusammensetzung der in der Probe enthaltenen Partikel, wobei die Vorrichtung folgende Komponenten umfasst: eine Vorrichtung zum Ansaugen der gasförmigen Probe, eine Vorrichtung zur Trennung der in der gasförmigen Probe enthaltenen Partikel in Abhängigkeit von einem Durchmesser der Partikel, eine Vorrichtung zum Sammeln der Partikel, eine Sensor-Vorrichtung zur Analyse der in der gasförmigen Probe enthaltenen Partikel und eine Vorrichtung zur Auswertung von Spektren. Die Sensor-Vorrichtung arbeitet basierend auf Raman-Streuung und ist dazu eingerichtet ist, die auszuwertenden Spektren zu erzeugen. Die Auswertung kann insbesondere durch einen Vergleich der erzeugten Spektren mit Referenz-Spektren erfolgen, wobei diese Referenz-Spektren insbesondere unterschiedliche Daseins-Formen von Silizium-Dioxid beschreiben können. In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Analyse einer gasfömigen Probe in Bezug auf eine Zusammensetzung der in der Probe enthaltenen Partikel, sowie ein Raman-Spektrometer, das Bestandteil einer vorgeschlagenen Vorrichtung sein kann.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ANALYSE EINER GASFÖRMIGEN PROBE,
SOWIE RAMAN-SPEKTROMETER
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse einer gasförmigen Probe in Bezug auf eine Zusammensetzung der in der Probe enthaltenen Partikel, wobei die Vorrichtung folgende Kom ponenten umfasst: eine Vorrichtung zum Ansaugen der gasförmigen Probe, eine Vorrichtung zur Trennung der in der gasförmigen Probe enthaltenen Partikel in Abhängigkeit von einem Durch messer der Partikel, eine Vorrichtung zum Sammeln der Partikel, eine Sensor-Vorrichtung zur Analyse der in der gasförmigen Probe enthaltenen Partikel und eine Vorrichtung zur Auswertung von Spektren. Die Sensor-Vorrichtung arbeitet basierend auf Raman-Streuung und ist dazu ein gerichtet ist, die auszuwertenden Spektren zu erzeugen. Die Auswertung kann insbesondere durch einen Vergleich der erzeugten Spektren mit Referenz-Spektren erfolgen, wobei diese Re ferenz-Spektren unterschiedliche Daseins-Formen von Silizium-Dioxid beschreiben können. In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Analyse einer gasförmigen Probe in Bezug auf eine Zusammensetzung der in der Probe enthaltenen Partikel, sowie ein Raman- Spektrometer.
Hintergrund der Erfindung:
In den letzten Jahren hat im Baugewerbe eine Fokussierung auf den Gesundheitsschutz der Arbeiter stattgefunden. In diesem Zusammenhang wurde eine Vielzahl von Regelungen und Bestimmungen erlassen, um Arbeiter auf Baustellen besser vor gesundheitlichen Beeinträchti gen, die bei der Arbeit auf dem Bau auftreten können, zu schützen. Ein Schwerpunkt dieser Re gelungen lag auf dem Schutz der Arbeit vor Staub und darin enthaltenen Stoffen, die als ge sundheitlich bedenklich oder gefährlich eingestuft werden. Ein solcher möglicherweise gesund heitsschädlicher Stoff ist Quarz. Der Quarz-Anteil in einem zu vermessenden Staub stellt eine wichtige Information dar, weil Quarz mit Krankheiten, wie Silikose oder Lungenkrebs, in Verbin dung gebracht wird. Da in vielen Ländern die Bestrebungen zunehmen, Arbeiter im Bergbau oder auf Baustellen besser als zuvor vor hohen Staubbelastungen und den damit verbundenen negativen Gesundheitsfolgen zu schützen, besteht ein hohes Interesse an praktikablen, reali tätstauglichen und kostengünstigen technischen Lösungen zur Untersuchung von Staub. Dabei würde es die Fachwelt insbesondere begrüßen, wenn eine Möglichkeit geschaffen werden könn- te, einen Quarz-Anteil in einem zu vermessenden Staub schnell und zuverlässig bestimmen zu können, um geeignete Schutzmaßnahmen für die betroffenen Arbeiter ergreifen zu können.
Wünschenswert wäre es daher, wenn eine Vorrichtung als „Staub-Dosimeter“, das von den Ar beitern auf einer Baustelle mitgeführt werden kann und welches im Laufe des Tages die Menge an Quarz bestimmt, der der Bauarbeiter ausgesetzt ist, bereitgestellt werden könnte.
Allerdings sind im Stand der Technik keine befriedigenden Lösungen bekannt, mit denen eine solche „Live-Messung“ des Quarz-Feinstaub-Gehalts in der Umgebungsluft durchgeführt werden kann, d.h. mit denen der Quarz-Feinstaub-Gehalt in der Umgebungsluft kontinuierlich überwacht werden kann. Vielmehr werden stattdessen Partikelsensoren, wie sie aus US 8 009290 B1 und DE 20 2019 102 221 U1 bekannt sind, verwendet, um Untersuchungen der Umgebungsluft durchzuführen. Solche Partikelsensoren sind aber häufig nicht in der Lage, die detektierten Par tikel stofflich zu unterscheiden. Mit anderen Worten ist es oft nicht möglich, unter Verwendung der bekannten Partikelsensoren zu entscheiden, welchem Material, welchem chemischen Stoff bzw. Element oder welcher chemischen Verbindung eine Gruppe von Partikeln zuzuordnen ist. Aufgrund dieser fehlenden Auswertemöglichkeit ist es auch nicht möglich, Aussagen über die gesundheitliche Bedenklichkeit der in der Umgebungsluft enthaltenen Partikel zu machen.
Zwar ist im Stand der Technik bekannt, dass detektierte Partikel nach ihrem geometrischen Durchmesser, d.h. ihrer „Größe“ sortiert und unterschieden werden können. Allerdings ist diese Analyse mit dem strukturellen Fehler behaftet, dass für den Gesundheitsschutz nicht der geo metrische Durchmesser eines Partikels die aussagekräftige Größe ist, sondern der sog. aerody namische Durchmesser. Der aerodynamische Durchmesser ist im Sinne der Erfindung definiert als der Durchmesser eines im Wesentlichen kugelförmigen Partikels mit der Dichte 1 g/cm3, der im Wesentlichen dieselbe Sinkgeschwindigkeit aufweist wie ein zu betrachtender Partikel. Wenn beispielsweise in einem Gesetzes- oder Verordnungstext ein aerodynamischer Durchmesser von 10 pm als gefährlich einstuft wird, so sind für Quarz mit einer Dichte von ca. 2,5 g/cm3 Parti kel mit einem geometrischen Durchmesser von ca. 4 pm und kleiner gefährlich. Eine solche Um rechnung kann zwar auch mit den Daten, die von konventionellen Partikelsensoren ermittelt werden, durchgeführt werden. Allerdings hat sich gezeigt, dass die Analyse von Luftproben- Datensätzen aufgrund ihrer komplexen Zusammensetzung und aufgrund der erforderlichen Ka librierungen eine technische Herausforderung darstellt.
Darüber hinaus können konventionelle Partikelsensoren, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, häufig nicht in körpergetragene Vorrichtungen integriert werden, weil in kleinen, handlichen körpergetragenen Geräten oft nicht ausreichend Platz für die für die Messung und Analyse der Umgebungsluft-Probe erforderlichen Komponenten solcher Sensoren vorhanden ist.
Im Stand der Technik sind Labormessgeräte oder Bestandteile solcher Aufbauten bekannt, wie zum Beispiel in US 2020 009 560 A1 beschrieben werden. Allerdings ermöglichen auch diese Labormessgeräte häufig keine Live-Messung und -Auswertung von Datensätzen, so dass der Nutzer kein sofortiges Feedback über seine aktuelle Staub-Belastung erhält. Außerdem sind bekannte Labormessgerät oft teuer, aufwändig und kompliziert zu bedienen, so dass nur ge schultes Personal die Bedienung übernehmen kann. Dadurch wird allerdings ein Betrieb „im Feld“, d.h. beispielsweise auf einer Baustelle, praktisch ausgeschlossen. Ferner fehlt es den bekannten Geräten aus dem Stand der Technik häufig an der nötigen Robustheit gegenüber Erschütterungen, Verschmutzungen usw., um den täglichen Einsatz im Alltag, beispielsweise auf einer Baustelle, zu überstehen.
Ein weiterer Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Mess-Vorrichtungen zur Unter suchung von Partikeln in der Umgebungsluft besteht darin, dass diese zumeist nicht in der Lage sind, Silizium-Dioxid und seine verschiedenen Kristallmodifikationen, wie Quarz, Cristobalit oder Tridymit, sowie amorphes Silizium-Dioxid zu erkennen bzw. zu unterscheiden. Eine solche Un terscheidung ist insbesondere deswegen relevant, weil die unterschiedlichen Kristallmodifikatio nen des Silizium-Dioxids bzw. das amorphe Silizium-Dioxid unterschiedlich eingeschätzt wer den, was ihr gesundheitliches Gefährdungspotential betrifft.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vorstehend beschriebenen Mängel und Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Analyse einer gasförmigen Probe anzugeben, mit denen Live-Messungen im Sinne einer konti nuierlichen Überwachung eines Nutzers möglich sind. Die anzugebende Vorrichtung soll so ro bust ausgestaltet sein, dass sie in rauher Umgebung, wie beispielsweise auf einer Baustelle, eingesetzt werden kann. Darüber hinaus soll die bereitzustellende Vorrichtung leicht zu bedie nen sein, so dass sie von einem Laien verwendet und ihre Anzeigen bzw. angezeigten Ergeb nisse verstanden werden können. Insbesondere soll mit der anzugebenden Vorrichtung und dem anzugebenden Verfahren der für den Gesundheitsschutz relevante aerodynamische Durch messer von Partikeln untersucht und ausgewertet werden können. Die Fachwelt würde es ferner begrüßen, wenn die bereitzustellende Mess-Vorrichtung in der Lage wäre, Silizium-Dioxid, seine verschiedenen Kristallmodifikationen und amorphes Silizium-Dioxid sicher voneinander unter scheiden zu können. Außerdem wäre es wünschenswert, wenn die bereitzustellende Vorrich tung in eine körpergetragene Vorrichtung integriert werden könnte. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Aus führungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Beschreibung der Erfindung:
Die Aufgabe wird in einem ersten Aspekt gelöst durch eine Vorrichtung zur Analyse einer gas förmigen Probe in Bezug auf eine Zusammensetzung der in der Probe enthaltenen Partikel, wo bei die Vorrichtung folgende Komponenten umfasst: a) Vorrichtung zum Ansaugen der gasförmigen Probe, b) Vorrichtung zur Trennung der in der gasförmigen Probe enthaltenen Partikel in Abhän gigkeit von einem Durchmesser der Partikel, c) Vorrichtung zum Sammeln der Partikel, d) Sensor-Vorrichtung zur Analyse der in der gasförmigen Probe enthaltenen Partikel in Abhängigkeit von dem Durchmesser der Partikel, wobei die Sensor-Vorrichtung basie rend auf Raman-Streuung arbeitet und dazu eingerichtet ist, Spektren zu erzeugen, e) Vorrichtung zur Auswertung der Spektren, indem die Spektren von der Vorrichtung zur Auswertung mit Referenz-Spektren verglichen werden.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ist vorteilhafterweise dazu eingerichtet, einen Quarz-Feinstaub- Gehalt in einer gasförmigen Probe zu messen, wobei die gasförmige Probe insbesondere die Atemluft eines Nutzers der Vorrichtung umfassen kann. Der Begriff „gasförmig“ bedeutet im Sin ne der Erfindung bevorzugt, dass es sich um eine gasförmige Probe, wie beispielsweise Luft, handelt, wobei diese Probe verschiedene Partikel enthalten kann. Dabei kann es sich beispiels weise um Quarz, Staub oder andere Verschmutzungen der Umgebungsluft handeln, wie sie zum Beispiel auf Baustellen auftreten. Der Zweck der vorgeschlagenen Mess-Vorrichtung be steht darin, die Partikel, die in einer gasförmigen Probe enthalten sind, in Bezug auf ihre Zu sammensetzung zu analysieren, d.h. die Zusammensetzung zu ermitteln. Damit soll erreicht werden, dass der Nutzer die gesundheitliche Belastung, die von den Partikeln ausgeht, besser einschätzen kann. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der Nutzer die Zusammenset zung der Partikel in der Umgebungsluft bzw. seiner Atemluft kennt und sich entsprechend ver halten bzw. reagieren und Maßnahmen ergreifen kann. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die gasförmige Probe auch als „Gas- oder Luftprobe“ bezeichnet wird. Bei den Spektren wird vorzugsweise die Strahlungsintensität oder Strahlungsleistung in Abhän gigkeit von der Wellenlänge aufgetragen. Da die Wellenlänge bei der Raman-Streuung von der Anregungswellenlänge abhängt, ist es im Sinne der Erfindung bevorzugt, die Wellenlänge in eine Verschiebung umzurechnen, die im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als Raman-Shift bezeichnet wird. Dadurch wird vorteilhafterweise ein Vergleich von Spektren erleichtert, die mit unterschiedlichen Anregungswellenlängen aufgenommen werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die vorgeschlagene Vorrichtung zumindest die folgen den Komponenten umfasst: eine Vorrichtung zum Ansaugen der gasförmigen Probe, eine Vor richtung zur Trennung der in der gasförmigen Probe enthaltenen Partikel in Abhängigkeit von einem Durchmesser der Partikel, eine Vorrichtung zum Sammeln der Partikel, eine Sensor- Vorrichtung zur Analyse der in der gasförmigen Probe enthaltenen Partikel und Vorrichtung zur Auswertung von Spektren. Dabei wird die Vorrichtung zum Ansaugen der gasförmigen Probe im Sinne der Erfindung bevorzugt als „Ansaugvorrichtung“ bezeichnet, während die Vorrichtung zur Trennung der Partikel vorzugsweise als „Trennvorrichtung“ bezeichnet wird. Die Vorrichtung zum Sammeln der Partikel kann auch zum Auffangen der Partikel verwendet werden und wird im Sinne der Erfindung bevorzugt als „Sammelvorrichtung“ oder „Auffangvorrichtung“ bezeich net. Die Vorrichtung zur Auswertung der Spektren wird vorzugsweise auch als „Auswertungs- Vorrichtung“ bezeichnet.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die vorgeschlagene Vorrichtung als körpergetragene Mess-Vorrichtung ausgebildet sein kann, die - ähnlich wie ein Strahlungs- Dosimeter- von einem Nutzer mitgeführt bzw. am Körper getragen oder an einem Kleidungs stück befestigt werden kann. Der Erfinder hat erkannt, dass unter Verwendung einer Sensor- Vorrichtung, die basierend auf Raman-Streuung arbeitet, ein handliches, kompaktes Gerät be reitgestellt werden kann, das von einem Nutzer bei der Arbeit, beispielsweise auf einer Baustel le, mitgeführt und als „Staub-Dosimeter“ eingesetzt werden kann. In einer alternativen Ausge staltung der Erfindung kann die Vorrichtung beispielsweise an einer Luftreinigungsvorrichtung angeordnet vorliegen und leitungstechnisch mit der Luftreinigungsvorrichtung verbunden sein. Beispielsweise können zwischen der Vorrichtung und der Luftreinigungsvorrichtung Informatio nen, Daten und/oder Steuerbefehle ausgetauscht werden, ohne darauf beschränkt zu sein. Die Verbindung kann beispielsweise eine leitungsgebundene Verbindung sein, bei der zum Beispiel über Kabel oder andere Leitungen Daten ausgetauscht werden. Es kann allerdings auch eine drahtlose Kommunikation zwischen der Luftreinigungsvorrichtung und der Vorrichtung vorgese hen sein. Darüber hinaus können Kontakte vorgesehen sein, um eine Kommunikation oder ei nen Datenaustausch zwischen den Geräten zu ermöglichen. Beispielsweise kann die Umge- bungsluft der Luftreinigungsvorrichtung mit der vorgeschlagenen Vorrichtung untersucht werden und ein Einschaltbefehl von der Vorrichtung an die Luftreinigungsvorrichtung gesendet werden, um die Luftreinigungsvorrichtung einzuschalten, wenn eine starke Verunreinigung der Umge- bungsluft festgestellt wird. Das Vorliegen einer starken Verunreinigung der Umgebungsluft der Luftreinigungsvorrichtung kann beispielsweise durch das Überschreiten von Grenzwerten, die in der Luftreinigungsvorrichtung und/oder in der Vorrichtung hinterlegt sind, festgestellt werden.
Die Luftreinigungsvorrichtung kann insbesondere von der vorgeschlagenen Vorrichtung einge schaltet werden, wenn der Anteil von Quarz in der Umgebungsluft einen vorgegebenen Grenz wert übersteigt. Die Luftreinigungsvorrichtung kann mit Hilfe der vorgeschlagenen Vorrichtung auch ausgeschaltet werden, wenn entsprechende Grenzwerte in Bezug auf die Luftverschmut zung, insbesondere hinsichtlich der Modifikationen des Silizium-Dioxids, unterschritten werden.
Die Sensor-Vorrichtung, die basierend auf Raman-Streuung arbeitet, wird im Sinne der Erfin dung bevorzugt als „Raman-Sensor“ oder „Raman-Spektrometer“ bezeichnet. Insofern betrifft die Erfindung insbesondere eine Mess-Vorrichtung zur Analyse einer gasförmigen Probe, die ein Raman-Spektrometer umfasst.
Die vorgeschlagene Vorrichtung beruht vorzugsweise darauf, dass ein Molekül durch einfallen des, monochromes Licht zu Dipolschwingungen angeregt werden kann, wobei der Dipol auf die se Weise zu einer sekundären Strahlungsquelle wird. Die Dipolschwingung kann durch Reso nanzfrequenzen des Moleküls im Kristallgitter moduliert werden, so dass weitere Peaks im Spektrum entstehen, die als Stokes-Linien und Anti-Stokes-Linien bekannt sind. Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist die Raman-Streuung durch diese Modulierung gut geeignet, um kris talline Stoffe zu analysieren und zu unterscheiden. Tests haben gezeigt, dass insbesondere die im Kontext dieser Erfindung interessierenden Quarz-Modifikationen besonders gut unter Ver wendung der Raman-Streuung erkannt und von anderen Stoffen unterschieden werden können. Darüber hinaus hängt die zu untersuchende Wellenlänge von der Anregung ab. Die Komponen ten der vorgeschlagenen Vorrichtung sind vorzugsweise so ausgewählt, dass die im Spektrum zu erwartenden Peaks mit einer erfindungsgemäßen Kombination aus Lichtquelle und Sensor gut aufzufinden sind.
Insbesondere ermöglicht die vorgeschlagene Vorrichtung die Durchführung von Live-Messun- gen der Staub-Exposition eines Nutzers der Vorrichtung und eine Live-Analyse der Zusammen setzung in der Umgebungsluft enthaltenen Partikel. Der Begriff „Zusammensetzung der Partikel“ bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Menge der in einer gasförmigen Probe enthaltenen Partikel auf ihre Zusammensetzung hin untersucht werden kann. Es geht somit vor- zugsweise nicht um die stoffliche Zusammensetzung eines einzelnen, größeren Partikels, son dern um die Angabe der Anteile verschiedener Partikelsorten, die die Gesamt-Partikelmenge in der gasförmigen Probe ausmachen. Vorteilhafterweise kann die Erfindung sogar die Anteile der einzelnen Kristallmodifikationen des Silizium-Dioxids, sowie von amorphem Silizium-Dioxid er mitteln und ausgeben. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass die Referenz-Spektren, mit denen die von der Sensor-Vorrichtungen ermittelten Spektren verglichen werden, die ver schiedenen, eben genannten Ausgestaltungen von Silizium-Dioxid beschreiben.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Vorrichtung zum Ansaugen der gasförmigen Probe ein Lüfter oder eine Pumpe ist. Vorzugsweise ist die Ansaugvorrichtung dazu eingerich tet, ein Gasvolumen von 8-10 l/min zu fördern. Tests haben gezeigt, dass mit diesem Luftvolu men pro Zeiteinheit eine optimale Auswertung der Partikel-Zusammensetzung in einer gasförmi gen Probe, die die zu analysierenden Partikel enthält, ermöglicht werden kann. Es hat sich ins besondere gezeigt, dass mit der genannten Gas- oder Luftmenge pro Zeiteinheit ausreichend Gas für eine optimale Auswertung der Probe bereitgestellt werden kann. Auf der anderen Seite ist die Gasmenge pro Zeiteinheit auch nicht zu groß, so dass veränderte Sammel- oder Ablage rungseffizienzen bei der Analyse und Auswertung der Partikel-Zusammensetzung berücksichtigt werden müssten. Solche Abweichungen müssen insbesondere dann berücksichtigt werden, wenn verhältnismäßig mehr größere und damit trägere Partikel eingeatmet werden. Dies kann insbesondere bei größeren Gasvolumina der Fall sein.
Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass die vorgeschlagene Vorrichtung so an einem Nutzer oder in seiner Umgebung angeordnet vorliegt, dass die gasförmige Probe aus der Atemluft des Nutzers entnommen wird. Der Begriff „Atemluft des Nutzers“ beschreibt im Sin ne der Erfindung bevorzugt dasjenige Gasvolumen, welches im Bereich der Nase und des Mun des des Nutzers vorliegt und von dem Nutzer durch die Nase oder durch den Mund eingeatmet werden kann. Durch diese Anordnung in räumlicher Nähe zum Gesicht des Nutzers ist eine be sonders genaue und realitätsgetreue Analyse der Partikel-Zusammensetzung möglich, weil der Nutzer mit einer sehr hohen Wahrscheinlichkeit Gas aus dem als „Atemluft“ bezeichneten Gas volumen einatmen wird. Beispielsweise kann die Vorrichtung im Brustbereich des Nutzers ge tragen werden. Dazu kann die Vorrichtung zum Beispiel in eine Brusttasche einer Arbeitshose oder eines Hemdes oder einer Jacke gesteckt werden. Vorzugsweise kann die vorgeschlagene Vorrichtung Befestigungsmittel umfassen, mit denen die Vorrichtung an der Kleidung des Nut zers befestigt werden kann. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Vorrichtung zur Trennung der Partikel dazu eingerichtet ist, die Partikel nach ihrem aerodynamischen Durchmesser zu trennen. In dieser bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Trennvorrichtung als Massenkraftabscheider ausgebildet sein. Ein Beispiel für einen Massenkraftabscheider ist ein Zyklonabscheider. Durch die Verwendung einer Trennvorrichtung, die die zu analysierenden Partikel nach ihrem aerodynamischen Durchmesser sortieren bzw. detektieren kann, kann mit der Erfindung eine für den Gesundheitsschutz des Nutzers besonders aussagekräftige Analyse der Partikel-Zusammensetzung erhalten werden, weil sich das Gefährdungspotentials eines Stoffs bzw. eines Partikel- Materials insbesondere aus seinem aerodynamischen Durchmesser ergibt.
Massenkraftabscheider sind vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass Partikel, die in der zu reinigenden oder in der zu untersuchenden Luft enthalten sind, aufgrund ihrer Trägheit einer starken Richtungsänderung oder einer starken Änderung einer Strömungsgeschwindigkeit, die von dem Abscheider erzeugt wird, nicht folgen können. Die Strömungsbewegung kann beispielsweise von einer Rotation in einem Zyklon oder einem Knick in einem Strömungspfad hervorgerufen werden. Da die Trägheit der Partikel im Wesentlichen proportional zu ihrer Masse ist und die Strömung auf die Oberfläche der Partikel wirkt, kommt es zu einer Trennung der Partikel nach ihrem aerodynamischen Durchmesser.
Es kann in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung auch bevorzugt sein, dass die Vorrichtung zur Trennung der Partikel dazu eingerichtet ist, die Partikel nach ihrem geometrischen Durchmesser zu trennen. In dieser bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Trennvorrichtung als Filter ausgebildet sein. Mit der Vorsehung einer als Filter ausgebildeten Trennvorrichtung kann insbesondere eine kostengünstige Vorrichtung bereitgestellt werden, die sich insbesondere zum großflächigen Einsatz bei vielen Nutzem anbietet. Beispielsweise können solche Vorrichtungen mit Trennvorrichtungen, die die zu analysierenden Partikel nach ihrem geometrischen Durchmesser unterscheiden, zum Einsatz kommen, wenn im Wesentlichen alle Arbeiter auf einer Großbaustelle, wie bei Flughäfen, Bürogebäuden oder Fußballstadien, mit einer vorgeschlagenen Vorrichtung ausgestattet werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Vorrichtung zum Sammeln der Partikel als Filter ausgebildet ist. Vorzugsweise lagern sich die in der gasförmigen Probe enthaltenen Partikel auf der Sammel- bzw. Auffangvorrichtung ab, so dass die Partikel bzw. ihre Zusammensetzung anschließend von der Sensor-Vorrichtung ausgewertet und/oder analysiert werden können. Beispielsweise können sich die zu analysierenden Partikel auf einer Oberfläche oder im Inneren der Sammel-Vorrichtung ablagern. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Filter bzw. das Filtermaterial eine Porengröße aufweist, die klein genug gewählt ist, um keine für die Untersuchung relevanten Partikel zu verlieren. Andererseits wird die Filterfläche im Kontext der Erfindung so ausreichend groß ausgewählt, dass die Pumpe einen ausreichend großen Vo lumenstrom erbringen kann. Die Porengröße kann beispielsweise korrespondierend zu der Auf lösung des Bildsensors ausgewählt werden. Für die Durchführung der Spektrometrie wird das Filtermaterial vorzugsweise so ausgewählt, dass eine möglichst homogene Oberfläche gebildet wird. Die Oberfläche weist vorzugsweise keine Resonanzen in dem für die Quarz-Modifikationen relevanten Bereich auf, um die Messungen nicht zu beeinträchtigen. Als Filtermaterial kann bei spielsweise Zellulosenitrat verwendet werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Sensor-Vorrichtung zur Analyse der Partikel oberhalb oder unterhalb der Vorrichtung zum Sammeln der Partikel angeordnet ist. Mit anderen Worten kann die Sensor-Vorrichtung oberhalb oder unterhalb der Sammel- bzw. Auffangvorrich tung innerhalb der vorgeschlagenen Mess-Vorrichtung angeordnet vorliegen. Die Anordnung der Sensor-Vorrichtung wird insbesondere so ausgewählt, dass eine scharfe, optische Abbildung einer Oberfläche der Sammel- bzw. Auffangvorrichtung ermöglicht wird. Dadurch können die Filter-Oberfläche bzw. ihre Belegung mit verschiedenen Partikeln mit optischen Methoden ana lysiert bzw. untersucht werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Sensor-Vorrichtung zur Analyse der Partikel in einem Abstand d zu der Vorrichtung zum Sammeln der Partikel angeordnet ist, wobei der Ab stand d in einem Bereich von 1 bis 50 mm, bevorzugt in einem Bereich von 2 bis 20 mm liegt. Tests haben gezeigt, dass durch die bevorzugt beabstandete Anordnung von Sensor-Vorrich tung zu Sammel- bzw. Auffangvorrichtung einerseits eine Ablagerung von Partikeln aus der Gasprobe auf der der Auffangvorrichtung erlaubt wird. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die genannten Abstände d in einem Bereich von 0,2 bis 2 cm eine besonders scharfe, optische Ab bildung der Oberfläche der Auffangvorrichtung ermöglichen, was sich positiv auf die Auswer- tungs- bzw. Analyse-Qualität der Partikel-Zusammensetzung in der gasförmigen Probe auswir ken kann.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Referenz-Spektren, mit denen die mit der Sensor-Vorrichtung aufgenommenen Spektren verglichen werden, verschiedene Ausgestaltun gen von Silizium-Dioxid beschreiben. Bei den verschiedenen Ausgestaltungen des Silizium- Dioxids handelt es sich vorzugsweise insbesondere um die verschiedenen Kristallmodifikationen des Silizium-Dioxids, wie Quarz, Cristobalit oder Tridymit, sowie um die Daseins-Form des Sili zium-Dioxid als amorphes Silizium-Dioxid. Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevor- zugt, dass mit der vorgeschlagenen Erfindung insbesondere ein Gehalt von Quarz-Feinstaub in einer gasförmigen Probe ermittelt werden kann. Dies ist insbesondere deshalb relevant, weil die Silizium-Dioxid-Kristallmodifikation „Quarz“ als besonders gesundheitsgefährdend eingestuft wird. Um den Gehalt von Quarz-Feinstaub in der Atemluft eines Nutzers zu ermitteln, können insbesondere solche Referenz-Spektren zum Vergleich mit den von der Sensor-Vorrichtung er mittelten Spektren verwendet werden, die das optische Verhalten von Quarz beschreiben. Die Auswertung der Spektren, die von der Sensor-Vorrichtung aufgenommen werden, kann bei spielsweise darin bestehen, dass die aufgenommenen Spektren mit Silizium-Dioxid-Referenz- Spektren verglichen werden. Beispielsweise können Korrelationen zwischen den Spektren un tersucht oder die Lage und Position von Peaks in den Spektren bestimmt und/oder verglichen werden. Es kann im Sinne der Erfindung darüber hinaus bevorzugt sein, dass Verfahren des Maschinenlernens verwendet werden, um die von der Sensor-Vorrichtung ermittelten Spektren mit möglichen Referenz-Spektren zu vergleichen. Vorzugsweise können die Referenz-Spektren nicht nur Silizium-Dioxid und seine unterschiedlichen Daseins-Formen beschreiben, sondern auch andere Stoffe oder Materialien, die als Partikel in Gasproben bzw. in der Atemluft eines Nutzers Vorkommen können.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Analyse einer gasförmigen Pro be in Bezug auf eine Zusammensetzung der in der Probe enthaltenen Partikel, wobei das Ver fahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: a) Ansaugen der gasförmigen Probe mit einer Vorrichtung zum Ansaugen, b) Trennen der in der gasförmigen Probe enthaltenen Partikel in Abhängigkeit von ei nem Durchmesser der Partikel mit einer Vorrichtung zum Trennen der Partikel, c) Sammeln der Partikel mit einer Vorrichtung zum Sammeln der Partikel, d) Analyse der in der gasförmigen Probe enthaltenen Partikel in Abhängigkeit von dem Durchmesser der Partikel mit einer Sensor- Vorrichtung, wobei die Sensor- Vorrichtung basierend auf Raman-Streuung arbeitet, e) Erzeugung von Spektren durch die Sensor-Vorrichtung, f) Auswertung der Spektren, indem die Spektren von einer Vorrichtung zur Auswer tung mit Referenz-Spektren verglichen werden.
Das Sammeln der Partikel kann im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als Auffangen bezeich net werden. Es erfolgt insbesondere mit einer Sammel- oder Auffangvorrichtung. Die für die vor- geschlagene Mess-Vorrichtung beschriebenen Definitionen, technischen Wirkungen und Vortei le gelten für das vorgeschlagene Analyse-Verfahren analog.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Verfahrensschritte mit Vorrichtungen durchge führt werden, die Bestandteile einer Mess-Vorrichtung sind. Dabei kann es sich insbesondere um eine vorgeschlagene Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung handeln. Mit anderen Worten kann das vorgeschlagene Analyse-Verfahren mit einer Vorrichtung gemäß der vorlie genden Erfindung durchgeführt werden. Es kann im Sinne der Erfindung aber auch bevorzugt sein, dass das Verfahren mit einer anderen Vorrichtung durchgeführt wird oder dass die Vorrich tungen, die zur Durchführung des Verfahrens erforderlich sind, zusammen keine gemeinsame Vorrichtung bilden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Vergleich zwischen den Spektren und den Referenz-Spektren durch Korrelation, Maschinenlernen oder eine Peak-Suche erfolgt.
Bei der vorliegenden Erfindung kommt eine Sensor-Vorrichtung zum Einsatz, die basierend auf der Raman-Streuung arbeitet („Raman-Spektrometer“). Dieses Raman-Spektrometer stellt einen dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung dar. Bei konventionellen Spektrometrie-Verfahren werden häufig eine breitbandige Anregung und Lücken im zurückgestrahlten Licht ausgenutzt, um Resonanzfrequenzen von Stoffen und Material zu identifizieren. Die Resonanzen der Silizi- um-Dioxid-Daseins-Formen liegen allerdings bei sehr großen Wellenlängen, d.h. in einem Be reich von 15-25 pm, so dass es eine technische Herausforderung darstellt, sie anzuregen und/ oder zu erfassen. Der Erfinder hat daher erkannt, dass mit Raman-Streuung eine Anregung im Resonanzbereich des Silizium-Dioxids mit beliebiger Wellenlänge möglich ist. Durch die Ver wendung von Raman-Streuung kann die technische Realisierung der vorgeschlagenen Vorrich tung und des vorgeschlagenen Verfahrens somit vorteilhafterweise stark vereinfacht werden. Im Kontext der vorliegenden Erfindung findet eine Beleuchtung insbesondere mit im Wesentlichen monochromatischen Licht statt, wobei eine hohe Auflösung und eine höhe Genauigkeit bei Wel lenlänge und Intensität angestrebt werden.
Die Sensor-Vorrichtung der vorgeschlagenen Erfindung kann vorzugsweise als Spektrometer bezeichnet werden. Der Spektrometer-Aufbau kann vorzugsweise eine Beleuchtungs-Einrich tung, einen Filter, einen Spalt, ein dispersives Element, eine abbildende Optik und/oder einen optischen Sensor umfassen. Der optische Sensor kann im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als Bild-Sensor bezeichnet werden. Bei dem Filter kann es sich vorzugsweise um einen Kerb oder Notch-Filter handeln, mit dem Frequenzen innerhalb eines engen Frequenzbereiches aus einem Spektrum herausgefiltert werden können. Der Kerb- oder Notch-Filter kann vorzugsweise ein optischer Kerb- oder Notch-Filter sein. Darüber hinaus können zwischen der Beleuchtungs- Einrichtung und dem Spalt ein Bandpass-Filter zur Reduzierung einer Bandbreite der Anregung und ein Partikelfilter vorgesehen sein.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass sich die Partikel aus der Gasprobe auf der An fang-Vorrichtung abscheiden. Die Partikel, die sich auf der Oberfläche der Auffang-Vorrichtung abgelagert haben, werden mit der Beleuchtungs-Einrichtung beleuchtet, um die Partikel anzure gen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Beleuchtung bzw. die Anregung der Par tikel auf der Oberfläche der Auffang-Vorrichtung eine möglichst geringe Bandbreite aufweist. Die Bandbreite liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 nm oder weniger. Gleichzeitig ist die Be leuchtungs-Einrichtung vorzugsweise dazu eingerichtet, sehr hohe Lichtströme bereitzustellen. Außerdem ist die Beleuchtungs-Einrichtung dazu eingerichtet, eine besonders homogene und gleichmäßige Beleuchtung bzw. Anregung der Partikel auf der Oberfläche der Auffang-Vor richtung, d.h. des zu vermessenden Filter-Bereichs, zu gewährleisten. Beispielsweise kann die Beleuchtungs-Einrichtung Hochleistungs-Leuchtdioden (LED) umfassen oder als Linienlaser ausgebildet sein. Die Dioden können beispielsweise eine Strahlungsleistung 5 bis 10 W aufwei sen. Typische Belichtungszeiten können in einem Bereich von einigen Sekunden liegen.
Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, Hochleistungs-Leuchtdioden als Be leuchtungs-Einrichtung zu verwenden, wobei diesen Hochleistungs-Leuchtdioden ein Bandpass- Filter nachgeschaltet werden kann, um eine möglichst geringe Bandbreite der Anregung zu er halten.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass anschließend ein Filter verwendet werden kann, um die Anregungsstrahlung aus der zurückgestrahlten oder aus der durchgelassenen Strahlung herauszufiltern. Dazu kann vorzugsweise ein Notch-Filter verwendet werden. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass mit dem Filter unerwünschte Rayleigh- und Tyndall- Strahlung aus dem Spektrum herausgefiltert wird, wobei die Rayleigh- und Tyndall-Strahlung vor allem deswegen unerwünscht ist, weil ihre üblicherweise hohe Intensität den optischen Sensor übersteuern und eine Auswertung der gewünschten Raman-Strahlung verhindern kann. Die Verwendung eines Notch-Filters hat sich als vorteilhaft herausgestellt, weil damit insbesondere die elastische gestreute Rayleigh- und Tyndall-Strahlung aus dem Spektrum herausgefiltert werden kann, während die nicht-elastisch gestreute Raman-Strahlung durchgelassen wird. Die Verwendung eines solchen Filters ist aber optional. Stattdessen kann auch ausgenutzt werden, dass es sich bei der Rayleigh- und Tyndall-Strahlung um gerichtete Strahlungen handelt, wäh rend Raman-Strahlung ungerichtet ist. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die uner- wünschte Rayleigh- und Tyndall-Strahlung auch durch eine geschickte Anordnung der optischen Komponenten des vorgeschlagenen Raman-Spektrometers eliminiert werden kann. Dazu kön nen der Spalt, das dispersive Element, die abbildende Optik und/oder der optische Sensor ab gewinkelt von der optischen Achse der Beleuchtungs-Einrichtung angeordnet sein. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Kerb- oder Notch-Filter im Strahlengang hinter dem angestrahlten Filter angeordnet ist. Der Kerb- oder Notch-Filter kann aber auch vor der Optik oder vor dem Bildsensor angeordnet vorliegen.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Spalt dazu eingerichtet ist, den Bereich des Filters zu begrenzen, der von der folgenden Optik erfasst wird. Seine Breite ist vorzugsweise so gewählt, dass unerwünschte Beugungseffekte vermieden werden, die auftreten können, wenn der Spalt zu schmal ausgebildet ist. Die Breite des Spalts ist vorzugsweise auf die gewünschte Auflösung ausgelegt, wobei sich ein zu groß gewählter Spalt nachteilig auf die spektrale Auflö sung auswirken kann. Die Breite des Spalts stellt vorzugsweise einen Kompromiss zwischen einer zu großen und einer zu kleinen Spaltbreite dar. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Spaltbreite in Abhängigkeit von der Auflösung und/oder der Bandbreite des Spektrome ters ausgewählt wird. Die Spaltbreite kann beispielsweise im Bereich von 200 pm liegen. Selbst verständlich sind aber auch andere Werte für die Spaltbreite möglich.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das dispersive Element als Beugungsgitter aus gebildet ist. Das dispersive Element ist vorzugsweise dazu eingerichtet, das vom Filter zurück gestrahlte Licht in Abhängigkeit von seiner Wellenlänge aufzuspalten. Dadurch können die für Auswertung der für den Gesundheitsschutz relevanten Wellenlängenbereiche identifiziert wer den können. Dabei handelt es sich bevorzugt um diejenigen Wellenlängen bzw. Wellenlängen bereiche, die die verschiedenen Daseins-Formen des Silizium-Dioxids betreffen. Das Beu gungsgitter kann beispielsweise als transmissives Blaze-Gitter ausgebildet sein. Durch die Ver wendung eines solchen Blaze-Gitters kann ein besonders kompakter Aufbau der vorgeschlage nen Mess-Vorrichtung bzw. des Spektrometers erreicht werden, da die Bestandteile der Vorrich tung in einer Linie angeordnet sein können. Es können alternativ aber auch Prismen oder reflek- tive Beugungsgitter als dispersive Elemente innerhalb der vorgeschlagenen Sensor-Vorrichtung verwendet werden. Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass die Dispersion in einem im Wesentlichen rechten Winkel zum Spalt erfolgt, weil dadurch die Sensor-Fläche opti mal ausgenutzt werden kann.
Hinter dem dispersiven Element kann anschließend eine Optik zur Abbildung der Wellenlängen bereiche auf den optischen Sensor vorgesehen sein. Diese Optik wird im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als abbildende Optik bezeichnet. Die abbildende Optik ist vorzugsweise so aus gewählt, dass sie eine ausreichende Auflösung auch für die kleinstmöglichen Partikel sicher stellt. Die kleinstmöglichen Partikel können beispielsweise Durchmesser in einem Bereich von 0,4 bis 1 ,0 pm aufweisen.
Der optische Sensor ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die abgebildeten Spektren aufzuzeich nen. Er ist vorzugsweise so ausgewählt, dass er eine ausreichende Pixel- als auch Intensitäts auflösung für die zu analysierenden Partikel, insbesondere die Silizium-Dioxid-Partikel, und die Raman-Streuung aufweist.
Anschließend können die mit der Sensor-Vorrichtung ermittelten Spektren mit der Vorrichtung zur Auswertung der Spektren ausgewertet und/oder analysiert werden. Dazu werden in den Spektren insbesondere die Elemente bzw. Merkmale identifiziert, die auf Silizium-Dioxid-Partikel in den unterschiedlichen Daseins-Formen des Silizium-Dioxids hinweisen. Insbesondere werden in diesem Verfahrensschritt die Silizium-Dioxid-Spektren erkannt. Obwohl im Kontext der vorlie genden Erfindung die Verwendung einer Auswertungs-Vorrichtung zur informationstechnologie unterstützten Auswertung der Spektren bevorzugt ist, kann die Auswertung der Spektren auch händisch erfolgen.
Die ermittelten Ergebnisse können auf der vorgeschlagenen Vorrichtung angezeigt werden. Da zu kann die Vorrichtung Anzeigemittel, wie ein Display oder einen kleinen Bildschirm umfassen. Auch die Abgabe eines optischen, akustischen oder haptischen Warnhinweises an den Nutzer kann im Sinne der Erfindung vorgesehen sein, wenn hohe Partikelzahlen oder ein unerwünsch ter hoher Anteil beispielsweise von Quarz unter den Partikeln detektiert wird. Mit der Erfindung kann vorteilhafterweise eine im Wesentlichen kontinuierliche Überwachung der Atem- oder Um gebungsluft eines Nutzers ermöglicht werden. Insbesondere kann eine Quarz-Feinstaub-Belast- ung des Nutzers im Wesentlichen kontinuierlich überwacht werden. Die Erfindung ermöglicht insbesondere eine genaue Information des Nutzers über die ihn umgebende Luft und deren Staub- bzw. Quarzbelastung. Dadurch kann der Nutzer seine Arbeitszeiten entsprechend an passen, wobei eine Arbeitsunterbrechung „auf Verdacht“, weil die Staub- oder Quarz-Exposition vermeintlich zu hoch sei, vorteilhafterweise durch Einsatz der Erfindung vermieden werden kann. Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren sind ver schiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Be schreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmässigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
In den Figuren sind gleiche und gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Es zeigen:
Fig. 1 schematische Darstellung des Aufbaus einer bevorzugten Ausführungsform der vorgeschlagenen Vorrichtung Fig. 2 schematische Darstellung des Aufbaus einer bevorzugten Ausführungsform der
Sensor-Vorrichtung der vorgeschlagenen Vorrichtung
Ausführungsbeispiele und Figurenbeschreibung:
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer bevorzugten Ausführungsform der vorgeschlagenen Vorrichtung 10. Insbesondere zeigt Fig. 1 die Komponenten der vorgeschla genen Mess-Vorrichtung 10, nämlich eine Vorrichtung 12 zum Ansaugen der gasförmigen Pro- be, eine Vorrichtung 14 zur Trennung der in der gasförmigen Probe enthaltenen Partikel in Ab hängigkeit von einem Durchmesser der Partikel, eine Vorrichtung 16 zum Sammeln der Partikel, eine Sensor-Vorrichtung 18 zur Analyse der in der gasförmigen Probe enthaltenen Partikel und eine Vorrichtung 20 zur Auswertung von Spektren.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer bevorzugten Ausführungsform der Sensor-Vorrichtung 18 der vorgeschlagenen Vorrichtung 10. Insbesondere zeigt Fig. 2 die Kom ponenten der vorgeschlagenen des vorgeschlagenen Raman-Spektrometers 18, nämlich eine Beleuchtungs-Einrichtung 22, einen Spalt 24, ein dispersives Element 26, eine abbildende Optik 28 und einen optischen Sensor 30. Die Sensor-Vorrichtung 18 kann darüber hinaus einen Filter 32 umfassen (nicht abgebildet), der zwischen der Beleuchtungs-Einrichtung 22 und dem Spalt 24 angeordnet ist. Der Filter 32 kann beispielsweise als Partikelfilter ausgebildet sein. Der Filter
32 kann insbesondere dazu verwendet werden, unerwünschte Bestandteile, wie Rayleigh- und Tyndall-Strahlung, aus der Strahlung herauszufiltern. Darüber hinaus kann hinter der Beleuch tungs-Einrichtung 22 ein Bandpass-Filter (ohne Bezugszeichen) vorgehen sein, um eine mög lichst geringe Bandbreite der Beleuchtung sicherzustellen.
Bezugszeichenliste
10 Vorrichtung zur Analyse einer gasförmigen Probe 12 Vorrichtung zum Ansaugen der gasförmigen Probe, Ansaugvorrichtung 14 Vorrichtung zur Trennung der in der gasförmigen Probe enthaltenen Partikel 16 Vorrichtung zum Sammeln der Partikel
18 Sensor-Vorrichtung zur Analyse der Partikel, Raman-Spektrometer
20 Vorrichtung zur Auswertung der Spektren 22 Beleuchtungs-Einrichtung
24 Spalt
26 dispersives Element
28 abbildende Optik
30 optischer Sensor
32 Filter der Sensor-Vorrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) zur Analyse einer gasförmigen Probe in Bezug auf eine Zusammen setzung der in der Probe enthaltenen Partikel dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) folgende Komponenten umfasst: a) Vorrichtung (12) zum Ansaugen der gasförmigen Probe, b) Vorrichtung (14) zur Trennung der in der gasförmigen Probe enthaltenen Partikel in Abhängigkeit von einem Durchmesser der Partikel, c) Vorrichtung (16) zum Sammeln der Partikel, d) Sensor-Vorrichtung (18) zur Analyse der in der gasförmigen Probe enthaltenen Partikel in Abhängigkeit von dem Durchmesser der Partikel, wobei die Sensor- Vorrichtung (18) basierend auf Raman-Streuung arbeitet und dazu eingerichtet ist, Spektren zu erzeugen, e) Vorrichtung (20) zur Auswertung der Spektren, indem die Spektren von der Vor richtung (20) zur Auswertung mit Referenz-Spektren verglichen werden.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (12) zum Ansaugen der gasförmigen Probe ein Lüfter oder eine Pumpe ist.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (12) zum Ansaugen der gasförmigen Probe dazu eingerichtet ist, ein Gasvolumen von 8-10 l/min zu fördern.
4. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (14) zur Trennung der Partikel dazu eingerichtet ist, die Partikel nach ihrem aerodynamischen Durchmesser zu trennen, wobei die Vorrichtung (14) zur Trennung der Partikel als Massenkraftabscheider oder als Zyklonabscheider ausge bildet ist.
5. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (14) zur Trennung der Partikel dazu eingerichtet ist, die Partikel nach ihrem geometrischen Durchmesser zu trennen, wobei die Vorrichtung (14) zur Tren nung der Partikel als Filter ausgebildet ist.
6. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (16) zum Sammeln der Partikel als Filter ausgebildet ist.
7. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor- Vorrichtung (18) zur Analyse der Partikel in einem Abstand d zu der Vor richtung zum Sammeln der Partikel angeordnet ist, wobei der Abstand d in einem Be reich von 1 bis 50 mm, bevorzugt in einem Bereich von 2 bis 20 mm liegt.
8. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz-Spektren verschiedene Ausgestaltungen von Silizium-Dioxid beschrei ben.
9. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) als körpergetragene Vorrichtung für einen Nutzer ausgebildet ist.
10. Verfahren zur Analyse einer gasförmigen Probe in Bezug auf eine Zusammenset zung der in der Probe enthaltenen Partikel, wobei das Verfahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: a) Ansaugen der gasförmigen Probe mit einer Vorrichtung zum Ansaugen (12), b) Trennen der in der gasförmigen Probe enthaltenen Partikel in Abhängigkeit von einem Durchmesser der Partikel mit einer Vorrichtung (14) zum Trennen der Partikel, c) Sammeln der Partikel mit einer Vorrichtung (16) zum Sammeln der Partikel, d) Analyse der in der gasförmigen Probe enthaltenen Partikel in Abhängigkeit von dem Durchmesser der Partikel mit einer Sensor- Vorrichtung (18), wobei die Sensor- Vorrichtung (18) basierend auf Raman-Streuung arbeitet, e) Erzeugung von Spektren durch die Sensor-Vorrichtung (18), f) Auswertung der Spektren, indem die Spektren von einer Vorrichtung (20) zur Aus wertung mit Referenz-Spektren verglichen werden.
11 . Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich zwischen den Spektren und den Referenz-Spektren durch Korrelation, Maschinenlernen oder eine Peak-Suche erfolgt.
12. Sensor-Vorrichtung (18) zur Analyse einer gasförmigen Probe in Bezug auf eine Zu sammensetzung der in der Probe enthaltenen Partikel dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor- Vorrichtung (18) eine Beleuchtungs-Einrichtung (22), einen Spalt (24), ein dispersives Element (26), eine abbildende Optik (28) und/oder einen optischen Sen sor (30) umfasst.
13. Sensor-Vorrichtung (18) nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungs-Einrichtung (22) eine Bandbreite in einem Bereich von 1 nm oder weniger bei gleichzeitig hohen Lichtströmen und homogener Beleuchtung aufweist.
14. Sensor-Vorrichtung (18) nach Anspruch 12 oder 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor- Vorrichtung (18) einen Filter (32) umfasst, wobei der Filter (32) als Notch- Filter ausgebildet ist.
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