ES2878448T3 - Procedimiento y sistema para la medición de diferentes concentraciones de partículas - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la medición de diferentes concentraciones de partículas usando un sistema de medición de partículas, que comprende una unidad de luz dispersa fotométrica (1) con un volumen de medición (16), estando compuesta la unidad de luz dispersa (1) por al menos un emisor de luz (7), que emite señales de luz pulsadas (13), y por al menos un sistema receptor sensible a la luz (8) dispuesto con al menos un ángulo (15), que recibe la luz dispersada (14) de las partículas (12) que forman la concentración de partículas, caracterizado porque la unidad de luz dispersa (1) con volumen de medición (16) con la excepción de al menos una entrada de fluido (1a) y/o de al menos una salida de fluido (1b), que están dotadas de unidades de bloqueo (2, 3), se sella herméticamente, aplicándose a la unidad de luz dispersa (1) con volumen de medición (16) una muestra del fluido que debe estudiarse y cerrándose el primer y/o segundo dispositivo de bloqueo (2, 3) y generándose en la unidad de luz dispersa sellada herméticamente de manera completa (1) un flujo del fluido que debe estudiarse y registrándose un primer número de valores de medición predeterminable.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento y sistema para la medición de diferentes concentraciones de partículas

La invención se refiere a al menos un procedimiento para la medición de diferentes concentraciones de partículas, según la reivindicación 1.

La invención se refiere además a un dispositivo para la medición e indicación simultáneas de diferentes concentraciones de partículas, según la reivindicación 7.

En zonas urbanas e industriales se generan debido a procesos de combustión concentraciones de polvo fino muy altas. En ocasiones, los valores son tan altos (de > 100 a 200 pg/m3), que una estancia duradera en tales zonas es dañina para la salud. Las ciudades de Pekín y Shanghái han sido clasificadas ya por la OMS como zonas que ya no son habitables. Si se intenta medir de manera precisa una concentración de polvo fino diversa, por ejemplo, con una resolución de 1 a 2 pg/m3, se establece que esto está relacionado con un esfuerzo y costes muy altos (de 3.000 a 30.000 Euros). Los sistemas fotométricos y gravimétricos se han impuesto. Los principios de medición de un fotómetro de luz dispersa o un sistema de medición gravimétrico forman entretanto parte del estado de la técnica. Hay numerosas empresas, tales como Apollo, Honeywell, Sharp, Shinjei y otras, que ofrecen sensores OEM a base del método de luz dispersa a costes relativamente reducidos (de 10 a 20 Euros). La precisión de estos sensores OEM se encuentra a aproximadamente de 25 a 100 pg/m3. Con ello pueden controlarse purificadores de aire ambiental, que a concentraciones de desde 50 hasta 100 g/m3 empiezan con la purificación y a aproximadamente 20 pg/m3 la paran de nuevo. Marcas reputadas ya han equipado purificadores de aire ambiental con tales sensores. Sin embargo, una determinación fiable de manera duradera más precisa de la concentración de polvo fino no es posible actualmente con los mismos. Sin embargo, dado que existe una gran demanda de una determinación económica de las concentraciones de polvo fino y para proteger la salud de los seres vivos, se ha desarrollado un nuevo procedimiento barato para la comprobación de la denominada “Particulate Matter” (materia particulada), de manera abreviada PM. Son habituales las determinaciones de PM1,0, PM2,5 y PM10 con tamaños medios de partícula de 1,0 pm, 2,5 pm y 10 pm. Este procedimiento permite no solo la determinación de una fracción tal como, por ejemplo, la PM2,5 importante, sino también una determinación simultánea de varias fracciones tales como, por ejemplo, PM1,0, PM2,5 y PM10. El límite de resolución de partículas se encuentra a aproximadamente 0,3 pm. Incluso la determinación precisa de una PM0,5 es posible de manera segura y fiable con el mismo. Puede conseguirse con ello una precisión de pocos pg/m3 en el intervalo de medición de hasta 100 p/m3.

La invención se basa en el objetivo de mostrar al menos un procedimiento del género mencionado al principio, con el que se mejore la medición de diferentes concentraciones de partículas, en particular concentraciones de polvo fino. Además, pretende mostrarse un dispositivo para la medición e indicación simultáneas de diferentes concentraciones de partículas, en particular concentraciones de polvo fino, que sea adecuado preferiblemente para la realización de este procedimiento. El objetivo se alcanza mediante los procedimientos según las reivindicaciones 1 y 9 y un dispositivo según las reivindicaciones 16 y 19. Realizaciones ventajosas se encuentran en las reivindicaciones dependientes.

En cuanto a un procedimiento, el objetivo según la invención se alcanza porque la unidad de luz dispersa con volumen de medición se sella herméticamente. En una primera etapa quedan exceptuadas de esto y abiertas en este caso al menos una entrada de fluido y/o al menos una salida de fluido, que están dotadas de unidades de bloqueo, a la unidad de luz dispersa con su volumen de medición se le aplica de manera controlada una muestra del fluido que debe estudiarse y se registra un primer número de valores de medición predeterminable. El registro del primer número de valores de medición tiene lugar de manera repetida, en particular de manera continua, mientras se realice la medición.

Mediante el sellado hermético de la unidad de luz dispersa se impide que partículas no deseadas entren a través de intersticios o ranuras en la carcasa de la unidad de luz dispersa en el volumen de medición y contaminen allí el fluido que debe estudiarse, que de manera exclusiva y controlada puede llegar a través de la entrada o salida de fluido a la unidad de luz dispersa o abandonarla. Ya un intersticio mínimo con una anchura de abertura de solo 10 pm representa una abertura grande para partículas de 1 pm de tamaño. Tales partículas finas presentan en el aire una alta concentración, son habituales de 1.000 a 10.000 nanopartículas por centímetro cúbico. En el tráfico rodado esta concentración puede aumentar hasta 107 por centímetro cúbico. Por tanto, es fácilmente imaginable que partículas pequeñas puedan entrar de manera descontrolada en la unidad de luz dispersa, que la ensucian por dentro y pueden contaminar una muestra que debe medirse, cuando la unidad de luz dispersa no se sella herméticamente. Una ventaja de este procedimiento es también que la unidad de luz dispersa puede calibrarse de nuevo en todo momento. Para ello, en un perfeccionamiento del procedimiento o bien en la entrada de fluido bloqueable o bien en la salida de fluido bloqueable se introduce un fluido prácticamente libre de partículas, filtrado por medio de un filtro cero por el que se fluye a través, que se transporta preferiblemente mediante una unidad de bombeo, en el volumen de medición y se registra un primer número de valores de medición predeterminable, que se almacena como nivel cero. Un filtro cero filtra de manera ideal todas las partículas, que son mayores que las moléculas de gas, fuera del aire, los filtros cero verdaderos filtran al menos todas las partículas, que son mayores de 0,2 pm, fuera del aire. Por consiguiente, un fluido filtrado con el mismo, tal como aire, puede considerarse libre de partículas. La unidad de bombeo está diseñada preferiblemente como bomba de membrana que, cuando no está en el funcionamiento de bombeo, sella como una válvula de bloqueo. Alternativamente a esto, también puede usarse otra bomba, que esté dotada de una válvula de bloqueo adicional.

Ventajosamente, todavía antes del registro del primer número de valores de medición predeterminable y su almacenamiento como nivel cero pueden bloquearse manual o automáticamente la entrada de fluido y la salida de fluido. Sin embargo, de manera especialmente ventajosa para el registro del primer número de valores de medición se genera un flujo al interior de la unidad de luz dispersa. Esto tiene lugar por medio de una primera derivación, la unidad de bombeo y una válvula de bloqueo adicional o por medio de una segunda derivación y una unidad de bombeo adicional.

La derivación puede conmutarse a estado cerrado a través de válvulas independientes y permite circular el fluido. En el procedimiento se abre el primer y/o segundo dispositivo de bloqueo, se aplica al volumen de medición el fluido que debe estudiarse y se cierra el primer y/o segundo dispositivo de bloqueo. Ventajosamente se genera también en este caso en la unidad de luz dispersa sellada herméticamente ahora de nuevo completamente un flujo, con lo que el fluido que debe estudiarse puede circular. Para el registro del primer número de valores de medición predeterminable también es ventajoso en este caso que esto se realice durante el flujo. Este perfeccionamiento del procedimiento tiene, con respecto al registro de los valores de medición con la entrada y salida de fluido abierta, la ventaja de que puede estudiarse una muestra de fluido que debe estudiarse a lo largo de un periodo de tiempo más largo.

El procedimiento según la invención puede mejorarse adicionalmente cuando a través de la unidad de luz dispersa, en particular durante el registro del valor de medición, se hace fluir el fluido que debe estudiarse, preferiblemente usando una unidad de succión o la unidad de bombeo, con una velocidad de flujo lo más constante posible. Convenientemente, en el procedimiento se controla la unidad de luz dispersa y uno o varios subsistemas por medio de un microprocesador y se evalúan y procesan adicionalmente datos de medición correspondientes de la unidad de recepción de luz y de sensores adicionales, y por medio de unidades de indicación se visualizan los resultados de la evaluación y/o del procesamiento adicional. A tales subsistemas pueden pertenecer sensores adicionales tales como sensores de humedad, de presión, de flujo y de gases. Mediante la inclusión de los valores de medición de estos sensores adicionales en la evaluación puede mejorarse adicionalmente el resultado de medición de los datos de medición de la unidad de recepción de luz. Además, los datos de los subsistemas pueden procesarse e indicarse de manera autónoma.

Mediante el control de la unidad de emisión de luz por medio de un microprocesador se vuelve posible generar pulsos de luz, que se emiten por la unidad de emisión de luz, de manera libremente seleccionable y ajustable tanto según el ancho de pulso, la altura de pulso y/o la frecuencia de pulso. De este modo puede contrarrestarse, por ejemplo, la degradación de la unidad de emisión de luz.

Un aspecto adicional de la invención, que por un lado contribuye a la mejora del procedimiento descrito anteriormente, pero por otro lado también presenta por si solo el potencial de mejorar la medición de concentraciones de partículas, se manifiesta en que en el primer número de valores de medición se clasifican los valores de medición según su magnitud, en particular de manera creciente desde el valor de medición más pequeño hasta el valor de medición más alto. La clasificación posibilita la utilización de efectos estadísticos, que resultan durante la medición integral de concentraciones de partículas, en la que durante la medición se encuentran varias partículas dentro del volumen de medición.

Este aspecto de la invención presenta también por sí solo el potencial de mejorar la medición de concentraciones de partículas y se manifiesta correspondientemente en un procedimiento para la medición de concentraciones de partículas, en particular concentraciones de polvo fino, usando un sistema de medición de partículas de luz dispersa óptico que comprende una unidad de luz dispersa fotométrica con un volumen de medición, estando compuesta la unidad de luz dispersa por al menos un emisor de luz, que emite señales de luz, en particular pulsadas, y un sistema receptor sensible a la luz dispuesta con al menos un ángulo, que recibe la luz dispersada de las partículas que forman la concentración de partículas, detectándose señales de la unidad de recepción de luz y en el caso de un primer número de señales detectadas clasificándose los valores de medición asociados según su magnitud, en particular de manera creciente desde el valor de medición más pequeño hasta el valor de medición más alto. Preferiblemente, para formar el primer número de valores de medición en los procedimientos descritos anteriormente se registra en primer lugar un segundo número de valores de medición predeterminable. A partir de este segundo número de valores de medición predeterminable de las señales se obtiene un valor característico, que preferiblemente puede ser un máximo o valor medio. Este valor característico del segundo número de valores de medición se usa entonces como uno de los valores de medición del primer número de valores de medición.

Ventajosamente, en los procedimientos según la invención se agrupa al menos una parte de valores de medición clasificados del primer número de valores de medición en al menos una ventana de medición libremente seleccionable, en particular ajustable por software, y se asocia a concentraciones de partículas correspondientes. Así, por ejemplo, al 51° de los valores clasificados se le asigna la concentración de 109 pg/m3, cuando su valor de amplitud asciende a 650 unidades, mientras que, por ejemplo, al 90° - 93° valor se le asigna la concentración de 109 pg/m3, cuando su valor de amplitud asciende aproximadamente a 700 unidades.

Para calibrar el sistema de medición, que se usa para aplicar los procedimientos según la invención, el primer número de los valores de medición se detecta a una concentración de partículas próxima a cero pg/m3, preferiblemente menor de 1 pg/m3. Tras clasificar el primer número de valores de medición se almacena al menos una parte de los mismos para un valor PM como nivel cero. Además puede almacenarse todavía una segunda parte del primer número de valores de medición clasificados para el mismo valor PM como nivel cero. Sin embargo, también es concebible almacenar los valores de medición de varias partes del primer número de valores de medición clasificado para varios valores PM diferentes como nivel cero y llevar a cabo de ese modo una calibración a cero del sistema de medición de partículas, en particular del sistema de medición de polvo fino. Por ejemplo, a la concentración de 0 pg/m3 puede almacenarse el valor de medición de 600 del 50° y 51° valor (número de valor de medición) del primer número de valores de medición clasificado como nivel cero para el valor PM 2,5. Igualmente puede almacenarse el valor de medición de 610 del 67° número de valor de medición de los valores clasificados como nivel cero para el valor PM 2,5. Alternativamente a esto también pueden almacenarse el valor de medición de 600 del 50° y 51° de los valores clasificados como nivel cero para el valor PM 1, el valor de medición de 610 del 67° de los valores clasificados como nivel cero para el valor PM 2,5 y el valor de 633 del 95° valor de los valores clasificados como nivel cero para el valor PM 10.

A este respecto, un valor PM o valor Particulate Matter corresponde al tamaño medio de partículas en una concentración de partículas. Así, PM0,1 significa partículas ultrafinas (UFP) con un tamaño medio de solo 100 nm. Correspondientemente, PM1,0, PM2,5 y PM10 representan concentraciones de tamaños medios de partícula con 1, 2,5 y 10 pm. En este contexto, los valores PM también pueden estar definidos de tal manera que fracciones de partículas con valores bajos, es decir PM1, estén contenidas en la fracción con el valor en cada caso mayor tal como, por ejemplo, PM2,5, de modo que PM1 contiene partículas que son menores de 1 pm, mientras que PM2,5 contiene partículas que son menores de 2,5 pm.

Para poder deducir posteriormente a partir de los valores de medición concentraciones de partículas, se fija para cada valor PM una función de calibración propia, por ejemplo, [valor de medición x constante x ((2,5 pg/m3)/unidad de medición)-nivel cero]. Esta función de calibración puede determinarse, por ejemplo, mediante la comparación con valores de medición de un aparato de referencia, por ejemplo, un contador de partículas. Así se obtiene, por ejemplo, la concentración de partículas actual para PM2,5 mediante el cálculo de la función de calibración para PM2,5, al insertar el 65° valor de la medición actual en la función de calibración, cuando al asignar los valores PM al 65° valor se ha asignado el valor PM 2,5.

Los valores PM se sitúan en la disposición clasificada de los valores de medición actuales de tal manera que los respectivos tamaños medios de partícula se correlacionen con el número de valor de medición. En la Fig. 7 puede reconocerse, por ejemplo, que el número de valor de medición (eje X) aumente de izquierda a derecha y de manera correlacionada con esto los tamaños medios de partícula 1,0, 2,5 y 10 aumenten igualmente de izquierda a derecha.

Se obtiene una calibración especialmente precisa cuando el sistema de medición de partículas puede calibrarse por medio de distribuciones de partículas monodispersas y/o distribuciones de polvo reales a diferentes concentraciones de partículas, en particular concentraciones de polvo fino, y se almacenan nuevos valores de calibración tales como niveles cero, parámetros de curvas de calibración y factores de gravimetría, en particular para cada valor PM por separado. En un perfeccionamiento del procedimiento según la invención se repiten de vez en cuando, preferiblemente de manera regular, mediciones de nivel cero. Mediante una comparación de los niveles cero actuales con niveles cero anteriores se determina la degradación de la unidad de luz dispersa y se corrigen correspondientemente los valores de medición de polvo fino. La invención se muestra también en un dispositivo para la medición e indicación de diferentes concentraciones de partículas, por ejemplo, concentraciones de polvo fino, lo que preferiblemente tiene lugar simultáneamente para diferentes valores PM. A este respecto, las concentraciones de partículas pueden encontrarse en un flujo compuesto por al menos dos fases. El dispositivo comprende una unidad de luz dispersa fotométrica, accionada preferiblemente de manera pulsada. La unidad de luz dispersa está compuesta por al menos una unidad de emisión de luz, que emite señales de luz, preferiblemente pulsadas, y por al menos un sistema receptor sensible a la luz dispuesto con uno o varios ángulos, que recibe la luz dispersada de las partículas. Según la invención, la unidad de luz dispersa con volumen de medición es herméticamente estanca en primer lugar con la excepción de una entrada de fluido y una salida de fluido, y la unidad de luz dispersa con volumen de medición está dotada en la entrada de fluido y salida de fluido de unidades de bloqueo, por medio de las que pueden bloquearse manual o automáticamente la entrada de fluido y salida de fluido. La estanqueidad hermética es importante, dado que de lo contrario pueden entrar partículas, a través de intersticios existentes, de manera descontrolada en la unidad de luz dispersa y pueden ensuciar la unidad de luz dispersa o contaminar el fluido que debe estudiarse.

Puede tener un efecto ventajoso que en la unidad de luz dispersa después de la unidad de emisión de luz y/o antes de la unidad de recepción de luz se encuentren sistemas de concentración ópticos, con los que puedan ensancharse y/o colimarse o concentrarse rayos de luz. Igualmente es ventajoso que en la unidad de luz dispersa se encuentre de manera opuesta a la unidad de emisión de luz un sumidero óptico, que absorba la luz no dispersada. Además es conveniente que para emitir señales de luz se usen láser, diodos semiconductores, luz blanca y/o luz de destellos, o para recibir la luz dispersada se usen fotodiodos, fototransistores, fotomultiplicadores y/o chips CMOS fotosensibles. La invención se refiere también a un dispositivo para la medición e indicación, en particular simultaneas, de diferentes concentraciones de partículas, en particular concentraciones de polvo fino, preferiblemente en un flujo compuesto por al menos dos fases, que comprende una unidad de luz dispersa fotométrica, en particular pulsada, compuesta por al menos una unidad de emisión de luz, que emite señales de luz, en particular pulsadas, y al menos un sistema receptor sensible a la luz dispuesto con uno o varios ángulos, que recibe la luz dispersada de las partículas. Este dispositivo comprende una unidad de control y de evaluación, que está configurada para registrar repetidamente un primer número de valores de medición predeterminable y clasificar los valores de medición registrados del primer número de valores de medición según su magnitud, en particular de manera creciente desde el valor de medición más pequeño hasta el valor de medición más alto.

Las figuras muestran en cada caso individualmente:

La Fig. 1 muestra una vista general esquemática del sistema de luz dispersa.

La Fig. 2 muestra el sistema de medición óptico con emisor, receptor, trampa de luz y dispositivos de concentración.

La Fig. 3 muestra una representación ampliada de la figura 1 con subsistemas adicionales.

La Fig. 4 muestra algunos pulsos de emisión de luz y la Fig. 5 pulsos de recepción asociados.

La Fig. 6 muestra una serie clasificada de valores de medición con valores PM asociados.

La Fig. 7 muestra igualmente una serie clasificada de valores de medición con valores PM asociados.

La Fig. 8 muestra series de medición clasificadas a diferentes concentraciones de partículas.

La Fig. 9 muestra las mismas series de medición que la Fig. 8 en una representación tridimensional.

La Fig. 10 muestra una serie de medición, que se registró con diferentes aparatos de medición en una cocina, entre otros con varios aparatos de medición según la invención y un contador de partículas de gran precisión como aparato de referencia.

La Fig. 11 muestra una recta de correlación para la comparación del aparato de medición según la invención con el aparato de medición de referencia.

La Fig. 12 muestra una recta de correlación para la comparación de dos aparatos de medición según la invención entre sí.

La Fig. 13 muestra la medición simultánea de tres fracciones PM PM1, PM2,5 y PM10.

La Fig. 14 muestra la degradación medida de un diodo de emisión en tanto por ciento en el periodo de tiempo de hasta 10.000 horas.

La Fig. 15 muestra un sistema de medición según la invención, en el que se conduce adicionalmente, fluido libre de partículas, generado, dentro del sistema, en particular aire seco, a los componentes ópticos.

El sistema de medición “Particulate Matter”, de manera abreviada sistema de medición PM, se representa esquemáticamente en la Fig. 1. Está compuesto esencialmente por una unidad de luz dispersa fotométrica 1 con una entrada preferiblemente redonda 1a y una salida preferiblemente redonda 1b. La unidad de luz dispersa fotométrica sella herméticamente de manera completa en primer lugar excepto la entrada 1a y la salida 1b, lo que puede tener lugar, por ejemplo, mediante el pegado de intersticios y juntas con láminas estancas al aire. En este sistema de medición pueden cerrarse herméticamente de manera adicional tanto la entrada con una válvula de entrada 2 como la salida opuesta en la mayoría de los casos a 180 grados con una válvula de salida 3. Para ello son adecuadas preferiblemente válvulas magnéticas, que pueden controlarse fácilmente mediante un microprocesador. Sin embargo, también son adecuados otros tipos constructivos de válvula o sistemas de bloqueo. Entre la válvula de salida 3 y la salida de la unidad de luz dispersa está intercalado por medio de una pieza en T un denominado filtro cero 5. Un filtro cero filtra de manera ideal todas las partículas, que son mayores que las moléculas de gas, fuera del fluido, los filtros cero verdaderos filtran al menos todas las partículas, que son mayores de 0,2 pm, fuera del fluido. A este filtro cero se le puede aplicar mediante una unidad de bombeo eléctrica 6 fluido del entorno, en particular aire del entorno. Este subsistema es esencial para conseguir una alta precisión durante la medición de los valores PM de 1 - 2 pg/m3. Con las válvulas abiertas, una unidad de succión 4, preferiblemente un pequeño ventilador axial silencioso, se encarga de la corriente volumétrica de preferiblemente, por ejemplo, 1 litro/min, a través de la unidad de luz dispersa.

El procedimiento de medición muy preciso, descrito en este caso, empieza preferiblemente con una autoprueba, en la que están dispuestas aguas arriba la temperatura, la humedad del aire y la presión del entorno, la temperatura de la célula de medición y una denominada calibración a cero de las verdaderas mediciones. Esta prueba de sistema requiere aproximadamente de 30 a 60 segundos. A este respecto, por medio de un microordenador eficiente se consultan preferiblemente cuatro sensores de medición, que están incorporados como subsistemas en el sistema total. Adicionalmente se controla la válvula de salida 3 que cierra la entrada del soplador de succión 4, preferiblemente un ventilador axial silencioso. Sin embargo también puede utilizarse una pequeña bomba de vacío. Mediante la presión excesiva en los conductos de aire se limpia la unidad de luz dispersa con aire libre de partículas, preferiblemente sin partículas de más de 0,2 gm. La entrada 1a sirve en este caso como salida. Tras un breve tiempo, preferiblemente 20 segundos, se cierra también la válvula de entrada 2. En la unidad de luz dispersa no se encuentra ahora ninguna partícula que sea de más de 0,2 gm. Esta baja concentración de polvo fino, menor de 1 gm/m3, sirve ahora como nivel cero. Antes de describir de manera más precisa el procedimiento de medición y también el procesamiento de señales detallado, se describe ahora a continuación el sistema fotométrico.

Como base de un fotómetro de luz dispersa 1 sirve una unidad de emisión de luz 7, que emite luz en una longitud de onda especial, por ejemplo, láser o diodos semiconductores en el intervalo de longitud de onda de 250 a 900 nm, pero también es adecuada para ello luz blanca o luz de destellos. Esta luz se irradia con un cierto ángulo, Figs. 2, 15, por ejemplo, de entre 90° y 135° con respecto a la unidad de recepción de luz al aire que porta partículas. Si la luz irradiada, por ejemplo, como rayo de luz 13, choca ahora con la superficie de la partícula 12, se dispersa de manera correspondiente a su superficie y tamaño así como su rugosidad, albedo, forma, diámetro, etc., un porcentaje de esta luz. Con una unidad de recepción de luz 8 puede detectarse ahora esta luz de dispersión y transformarse en una señal eléctrica y amplificarla para su procesamiento adicional. Después de la unidad de emisión de luz 7 y antes de la unidad de recepción de luz se encuentran sistemas de concentración ópticos 9 y 10. Preferiblemente, también pueden usarse lentes simples. Como receptores sensibles a la luz 8 sirven en la mayoría de los casos fotodiodos, fototransistores o fotomultiplicadores. También es adecuado para ello un chipo CMOS fotosensible, tal como se utiliza en muchas cámaras digitales. El procedimiento desarrollado es adecuado para todas las variantes, empleándose en este desarrollo preferiblemente un fotodiodo barato y un fototransistor.

El sistema de medición PM se representa esquemáticamente en la Fig. 3. El núcleo de este sistema es un microprocesador eficiente 17 con numerosas entradas y salidas eléctricas. Por medio de una modulación de ancho de pulsos, procedimiento PWM, se generan los pulsos correspondientes 28, de longitud 29 y frecuencia 31 para la unidad de emisión de luz y se suministran al fotómetro de luz dispersa 1. Por medio de un transformador A/D rápido, preferiblemente 1 MHz de frecuencia de muestreo, se muestrean las amplitudes máximas y se determina el máximo local y se deposita por medio de una rutina de clasificación rápida en un almacenamiento intermedio.

Para aumentar la precisión en la determinación de una concentración de polvo fino se necesita una señal de emisión corta 28, Fig. 4, o un pulso de luz (aproximadamente de 10 a 300 gs de longitud, Pos. 29), que se irradia con una frecuencia alta 31 (por ejemplo intervalo de 0,1 KHz a 0,1 MHz), alternativamente a esto puede muestrearse también la señal de recepción con una alta tasa de muestreo. Adicionalmente es razonable un flujo de fluido homogéneo con una corriente volumétrica constante. Las corrientes volumétricas habituales en la célula de medición se encuentran a aproximadamente 1 l/min. La velocidad de flujo en la célula de medición se determina de manera precisa a 1 cm/s y el número de revoluciones de la unidad de succión 4 se ajusta de manera fina por medio de potenciómetros al valor objetivo. La unidad de recepción fotosensible 8, en este caso un fototransistor barato, recibe ahora numerosos pulsos de luz con diferentes amplitudes de manera correspondiente a la retrodispersión 14 de las partículas 12 en el momento de la emisión y la duración de la permanencia en el volumen de medición 16. Los pulsos de recepción 32, 33, 34, 35 en la Fig. 5 no son rectangulares, sino que presentan en posiciones no predecibles de manera precisa un máximo local. Sin embargo, la detección precisa de la amplitud máxima es ventajosa para una medición precisa de la concentración de polvo fino. Para ello se muestrea la amplitud de la luz de dispersión recibida dentro del tiempo de emisión de preferiblemente 10 gs a 300 gs de duración varias veces, preferiblemente 3 - 5 veces, y se determina el máximo, se almacena de manera intermedia y se clasifica según la magnitud. Cada pulso individual por unidad de tiempo da como resultado una información integral sobre todas las partículas (0, de 3 gm a > 10 gm), que han estado en el volumen de medición 16. Debido a la concentración de polvo fino no homogénea natural, estos valores fluctúan considerablemente. Es fácil comprender que las partículas grandes, por ejemplo, una partícula con un tamaño de 10 gm, tiene aproximadamente 100 veces la retrodispersión de una partícula de 1 gm de tamaño. Sin embargo, dado que las concentraciones de polvo fino habituales presentan de manera inversamente proporcional muchas partículas pequeñas en comparación con las partículas grandes, en una cierta ventana de tiempo se detectan siempre pocas partículas grandes y en la mayoría de los casos muchas partículas pequeñas en conjunto. Si se selecciona, por ejemplo, una ventana de medición de 1 s, se obtiene a una frecuencia de emisión o frecuencia de muestreo de 100 Hz o 300-500 Hz 100 valores de amplitud, que se clasifican en este procedimiento ahora según la magnitud. Una distribución clasificada típica se representa en la Fig. 6. En la Fig. 6 pueden reconocerse mesetas, tal como 36a y 36b, a las que puede recurrirse para fijar el límite de resolución, nivel cero, por ejemplo, se selecciona el nivel cero en este ejemplo en el 48° de los valores clasificados, lo que corresponde aproximadamente a una tensión de desfase de sensor de 600 mV. A esta - la tensión de desfase y la posición en la serie clasificada se le asigna una concentración de polvo fino, por ejemplo, la PM2,5-a, nivel cero. De manera simultánea a esto, a una segunda meseta, por ejemplo, en el 67° de los valores clasificados de una segunda distribución PM2,5-b se le puede asignar el nivel cero 36b. Se detectan así, por ejemplo, 100 valores de amplitud por segundo. Mediante la promediación de varios valores de medición puede aumentarse adicionalmente la precisión de la medición de PM2,5. Dado que la distribución de polvo fino natural en el espacio no es homogénea y en la mayoría de los casos fluctúa claramente, /- 1-5 gg/m3, es razonable un cálculo del valor PM2,5 por medio de un valor medio flexible de preferiblemente 10 valores de medición. El microprocesador 17 controla una unidad de indicación LED alfanumérica 18, preferiblemente con 3-4 dígitos, con la que se indica el valor de medición actual. Adicionalmente, este microprocesador controla también una unidad de diodos emisores de luz 19, que en el caso de niveles de polvo fino críticos controla diferentes LED y hace que centelleen. De manera razonable es adecuada para ello una función de semáforo con los colores verde, amarillo, rojo. A valores PM2,5 de hasta 24 gg/m3 se iluminan los LED correspondientes en verde, a partir de 25 a 49 gg/m3 los LED en amarillo y a partir de 50 gg/m3 en rojo.

Además de la concentración de polvo fino, el microprocesador determina también además datos del entorno importantes, tales como la temperatura, presión y humedad de aire del entorno, por medio de los sensores correspondientes 20, 21, 22. Para compensar la deriva de temperatura, son habituales de 2 a 4 gg/m3 por grado Celsius de diferencia de temperatura, se detecta de manera precisa también la temperatura de la unidad de fotómetro 1 por medio del sensor de temperatura 23. La precisión asciende preferiblemente a 0,1°C. Mediante una calibración previa de la evolución de la temperatura de la electrónica de medición y de la determinación del coeficiente de temperatura puede mejorarse claramente la precisión de los valores de medición de polvo fino, también en un intervalo de temperatura grande, por ejemplo, 10 - 40°C. Con ello pueden implementarse derivas de temperatura reducidas de solo 0,1 gg/m3 por grado Celsius. Los mismo es aplicable para la influencia de la presión sobre el volumen de fluido y la influencia de la humedad sobre la medición de la concentración de partículas. Con rutinas y calibraciones especiales pueden compensarse o al menos reducirse fuertemente influencias negativas debidas a fluctuaciones de presión o una alta humedad del aire.

El microprocesador 17 controla también interfaces importantes 24, 25, 26, 27. Para la comunicación y el control del microprocesador por medio del programa de terminal y numerosos comandos de software se usa preferiblemente una interfaz USB 24. Con una interfaz RS232 adicional 25 y adaptadores habituales en el comercio correspondientes pueden implementarse también una conexión LAN, WIFI o BlueTooth para la comunicación adicional. Una salida adicional 26, que utiliza un convertidor digital/analógico DAC, sirve para el control de aparatos tales como, por ejemplo, sopladores o purificadores de aire ambiental. Con una rutina de software especial pueden programarse el valor de desfase y el paso de la salida DAC. Esto es razonable, dado que, por ejemplo, a valores críticos correspondientes puede activarse con ello automáticamente un purificador de aire ambiental y al alcanzar concentraciones de polvo fino bajas se desconecta de nuevo (modo de ahorro de corriente). Por lo demás, este sistema presenta además una entrada analógica de múltiples canales 27, con la que pueden determinarse parámetros adicionales para la calidad del aire. Mediante estos sensores adicionales pueden medirse e indicarse simultáneamente, por ejemplo, la concentración de CO2 así como componentes VOC en el aire.

El microprocesador presenta preferiblemente también un reloj de tiempo real RTC, con el que para cada medición se almacena un sello de tiempo, preferiblemente cada segundo. Por medio de una tarjeta micro-SD, tamaño de almacenamiento de varios GBytes, pueden almacenarse tanto esta señal de tiempo como todos los valores de medición en un archivos de medición. El volumen de almacenamiento es suficiente para un registro durante años de todos los datos.

Para concentraciones de polvo fino mayores tal como, por ejemplo, PM2,5, se selecciona preferiblemente una meseta aproximadamente en el 65° de los valores clasificados y para valores PM10 mayores aproximadamente en el 95° valor. Este procedimiento permite ahora tanto la determinación de concentraciones de polvo fino individuales, tal como, por ejemplo, solo una PM2,5 37b, como la determinación simultánea de concentraciones de polvo fino o fracciones de polvo fino adicionales tale como PM1,0 37a y PM10 37c y esto incluso en la misma ventana de medición, representada en la Fig. 7. Si se promedian ahora los valores de amplitud con respecto a los valores de desfase de cero seleccionados como el 48°, 67° y el 95° con n valores positivos/negativos, preferiblemente 1 - 5 valores a la izquierda y a la derecho de esto, puede aumentarse mediante esta medida adicionalmente la precisión. Dado que a una concentración PM10 la frecuencia de partículas de 10 gm es baja en comparación con las partículas de 1 gm de tamaño, es mejor aumentar para esta aplicación el número de las amplitudes que deben clasificarse desde 100 en un orden de magnitud hasta aproximadamente 1000.

En este procedimiento pueden seleccionarse libremente por medio de software tanto el número de fracciones PM que deben determinarse (de 1 a 3) como las posiciones de los valores de desfase por medio de comandos de software. El número de los valores de medición que deben clasificarse puede seleccionarse igualmente de manera libre. Preferiblemente se seleccionaron valores de 100, 300, 600, 900 y 6000, lo que corresponde a ventanas de medición de 1, 3, 6 ,9 y 60 s. Por medio de un comando de software especial puede emitirse la distribución de amplitudes clasificada por ventana de medición en una matriz. Mediante esta matriz puede comprobarse si los valores de referencia seleccionados son correctos para el nivel cero. Dado el caso puede hacerse además un ajuste fino.

Si se aumenta ahora la concentración de polvo fino, entonces esta distribución clasificada se desplaza correspondientemente a valores de amplitud mayores (de 650 mV a 2500 mV), véanse las distribuciones 38a a 38g en la Fig. 8. Estas 7 distribuciones expuestas a modo de ejemplo corresponden a niveles PM2,5 de 0, 20, 44, 70, 109, 139 y 158 pg/m3. En numerosos experimentos de calibración con partículas de calibración monodispersas de diferente densidad, tamaño y forma se registraron, estudiaron y evaluaron numerosas distribuciones. Como instrumentos de referencia se recurrió a varios espectrómetros de aerosol absolutos de alta precisión de funcionamiento en paralelo, tal como, por ejemplo, los aparatos 1.107, 1.108 y 1.109 de la empresa Grimm. Pudo comprobarse que con este procedimiento innovador pueden conseguirse resoluciones de 1 pg/m3 y precisiones en la determinación, por ejemplo, de una PM2,5 de menos de /- 5 pg/m3 (habitualmente solo /- 2 pg/m3) en ventanas de medición de desde 6 hasta 60 segundos de duración y a concentraciones por debajo de 100 pg/m3, véase la Fig. 10, curvas 40a a 40d, mediciones reales en una cocina. Para concentraciones mayores de más de 100 a 10000 pg/m3 se implementaron precisiones claramente por debajo del 10% del valor de lectura. Mediciones de correlación entre estos aparatos de referencia y los primeros prototipos muestran coeficientes de correlación de R2 10 > 0,95, son habituales valores alrededor de 0,98 y mayores, véase la Fig. 11. En el caso de una coordinación muy precisa se consiguió en condiciones reales en espacios interiores incluso 0,996, Fig. 11. El sincronismo entre varios aparatos se correlaciona igualmente en el caso de valores claramente por encima de R2 > 0,95, véase la Fig. 12 con R2 > 0,99. Con ello pudo comprobarse por primera vez que la determinación de concentraciones de polvo fino en condiciones reales también es posible con un procedimiento de medición novedoso y una tecnología de medición esencialmente más barata.

En mediciones de calibración adicionales con partículas de dolomita, representadas en la Fig. 13, se validó la medición simultánea de tres fracciones PM PM1 (43a), PM2,5 (43b) y PM10 (43c).

Los resultados de laboratorio y las mediciones en condiciones reales son muy prometedores. Para diseñar este procedimiento de medición también de manera estable a largo plazo y robusta debe tenerse en cuenta la degradación de la unidad de emisión de luz. En el caso de, por ejemplo, 100 pulsos de luz por segundo se obtienen como resultado en el caso de 8 horas de funcionamiento al día al fin y al cabo 2,88 millones de pulsos. En la Fig. 14 se representa la degradación medida de un diodo de emisión (45) en tanto por ciento en el periodo de tiempo de hasta 10.000 horas. Esta asciende tras 10.000 horas, es decir tras 1.250 días de 8 h o 10,8 mil millones de pulsos, aproximadamente al 6%. Esta evolución puede aproximarse muy bien por medio de un polinomio de 4° grado (46). Si se detecta la duración de funcionamiento por medio del reloj de tiempo real RTC, este efecto puede compensarse muy bien a lo largo de un periodo de tiempo prolongado, aproximadamente 3,5 años. Sin embargo, son habituales calibraciones intermedias, como muy tarde tras un año (2.500-3.000 horas de funcionamiento, en el caso de un día de 8 h).

Una influencia adicional sobre la precisión del sistema de medición puede ser el ensuciamiento de la óptica (9) y (10). Para evitar esto, en este sistema se aplica a las ópticas un flujo de cizallamiento libre de partículas (47), preferiblemente desde boquillas ranuradas (48 y 49), Fig. 15. El flujo libre de partículas se genera parcialmente mediante la unidad de bombeo (6) con un denominado filtro cero 5 conectado aguas abajo. Este procedimiento impide de manera fiable un ensuciamiento gradual de la óptica o de las lentes, dado que las partículas más pequeñas no pueden moverse en contra de este flujo. Con ello se mantiene la óptica de manera fiable libre de partículas. Adicionalmente, la óptica (9) y (10) puede estar realizada con un recubrimiento especial de nanopartículas, que es repelente al polvo.

Claims (9)

1. REIVINDICACIONES

   1 Procedimiento para la medición de diferentes concentraciones de partículas usando un sistema de medición de partículas, que comprende una unidad de luz dispersa fotométrica (1) con un volumen de medición (16), estando compuesta la unidad de luz dispersa (1) por al menos un emisor de luz (7), que emite señales de luz pulsadas (13), y por al menos un sistema receptor sensible a la luz (8) dispuesto con al menos un ángulo (15), que recibe la luz dispersada (14) de las partículas (12) que forman la concentración de partículas,

   caracterizado porque la unidad de luz dispersa (1) con volumen de medición (16) con la excepción de al menos una entrada de fluido (1a) y/o de al menos una salida de fluido (1b), que están dotadas de unidades de bloqueo (2, 3), se sella herméticamente, aplicándose a la unidad de luz dispersa (1) con volumen de medición (16) una muestra del fluido que debe estudiarse y cerrándose el primer y/o segundo dispositivo de bloqueo (2, 3) y generándose en la unidad de luz dispersa sellada herméticamente de manera completa (1) un flujo del fluido que debe estudiarse y registrándose un primer número de valores de medición predeterminable.
2. 2. - Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque para calibrar la unidad de luz dispersa o bien en la entrada de fluido bloqueable (1a, 2) o bien en la salida de fluido bloqueable (1b, 3) se introduce un fluido prácticamente libre de partículas, filtrado por medio de un filtro cero por el que se fluye a través (5), que se transporta mediante una unidad de bombeo (6), en el volumen de medición (16) y se registra el primer número de valores de medición predeterminable, que se almacenan como nivel cero.
3. 3. - Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque se bloquean manual o automáticamente la entrada de fluido (1a) por medio de un primer dispositivo de bloqueo (2) y la salida de fluido (1b) por medio de un segundo dispositivo de bloqueo (3) y en la unidad de luz dispersa sellada herméticamente de manera completa (1) se genera un flujo del fluido prácticamente libre de partículas y/o se registra el primer número de valores de medición predeterminable, que se almacenan como nivel cero.
4. 4. - Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque se abren el primer y/o segundo dispositivo de bloqueo, se aplica al volumen de medición (16) el fluido que debe estudiarse, se cierran el primer y/o segundo dispositivo de bloqueo y en la unidad de luz dispersa sellada herméticamente de manera completa (1) se genera un flujo del fluido que debe estudiarse y/o se registra el primer número de valores de medición predeterminable.
5. 5. - Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque a través de la unidad de luz dispersa (1) fluye fluido que debe estudiarse usando una unidad de succión (4) o la unidad de bombeo (6) con una velocidad de flujo lo más constante posible.
6. 6. - Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la unidad de luz dispersa (1) y uno o varios subsistemas (2, 3, 4, 6, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) se controlan por medio de un microprocesador (17), se evalúan y se procesan adicionalmente datos de medición correspondientes de la unidad de recepción de luz (8) y de sensores adicionales (20, 21, 22, 23), que representan partes de los subsistemas, y por medio de unidades de indicación (18, 19) se visualizan los resultados de la evaluación y/o del procesamiento adicional, y/o porque se controla la unidad de emisión de luz (7), en particular por medio de un microprocesador (17), y se generan pulsos de luz (28) de manera libremente seleccionable y ajustable tanto según el ancho de pulso (29), la altura de pulso (30) como la frecuencia de pulso (31).
7. 7. - Dispositivo para la medición e indicación simultáneas de diferentes concentraciones de partículas, que comprende una unidad de luz dispersa fotométrica (1), compuesta por al menos una unidad de emisión de luz (7), que emite señales de luz pulsadas (13), y al menos un sistema receptor sensible a la luz (8) dispuesto con uno o varios ángulos (15), que recibe la luz dispersada (14) de las partículas (12), caracterizado porque la unidad de luz dispersa (1) con volumen de medición (16) es herméticamente estanca con la excepción de una entrada de fluido (1a) y una salida de fluido (1b), y la unidad de luz dispersa (1) con volumen de medición (16) puede bloquearse por medio de la entrada de fluido (1a) y la salida de fluido (1b) manual o automáticamente por medio de unidades de bloqueo (2, 3), y la unidad de luz dispersa (1) dispone de una primera derivación y/o segunda derivación con una unidad de bombeo, derivación que permite circular un fluido que debe estudiarse.
8. 8. - Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado porque después de la unidad de emisión de luz (7) y antes de la unidad de recepción de luz (8) se encuentran sistemas de concentración ópticos (9, 10), con los que pueden ensancharse y/o colimarse o concentrarse los rayos de luz, y de manera opuesta a la unidad de emisión de luz (7) se encuentra un sumidero óptico (11), que absorbe la luz no dispersada.
9. 9. - Dispositivo según al menos una de las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado porque para emitir señales de luz (7) se usan láser, diodos semiconductores, luz blanca y/o luz de destellos, y/o para recibir (8) la luz dispersada (14, 10) se usan fotodiodos, fototransistores, fotomultiplicadores y/o chips CMOS fotosensibles.