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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion in einem Gas enthaltener Partikel gemäß Patentanspruch 1, sowie ein Partikeldetektionssystem zur Detektion in einem Gas enthaltener Partikel gemäß Patentanspruch 9.
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Es ist bekannt, zur Detektion von Partikeln in Luft, beispielsweise zur Detektion von Nanopartikeln, laserbasierte Messsysteme einzusetzen. Dabei wird an den Partikeln gestreutes Laserlicht aufgefangen. Aus Eigenschaften dieses Lichts, beispielsweise aus einem Streuwinkel, einer Polarisation, einer Intensität oder einer Phase, wird auf die Partikelkonzentration und die Partikelgröße geschlossen. Hierzu können theoretische Modelle, beispielsweise die Mie-Theorie oder die Rayleigh-Theorie, oder die Ergebnisse zuvor durchgeführter Labormessungen herangezogen werden. Aus den Messergebnissen lässt sich eine Größenverteilung der in der Luft enthaltenen Partikel bestimmen.
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Häufig enthält Luft Partikel unterschiedlicher Partikelsorten, die sich in Parametern wie einem optischen Brechungsindex und einer Massendichte voneinander unterscheiden. Werden hierfür Durchschnittswerte über alle Partikelarten und -größen angenommen, so ergeben sich große Abweichungen zwischen den Messergebnissen und den tatsächlichen Gegebenheiten.
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Es ist ferner bekannt, Partikel enthaltende Luftströme mit Membran- bzw. Porenfiltern zu filtern, die nur Partikel unterhalb einer von einer Porengröße des Membranfilters abhängigen Größe durchlassen. Ferner sind Impaktorfilter bekannt, die Partikel aerodynamisch durch Trägheitskräfte selektieren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Detektion in einem Gas enthaltener Partikel anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Partikeldetektionssystem zur Detektion in einem Gas enthaltener Partikel bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Partikeldetektionssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Detektion in einem Gas enthaltener Partikel umfasst einen Schritt zum Messen einer ersten Partikelgrößenverteilung von in dem Gas enthaltenen Partikeln, deren Größe unterhalb einer ersten Grenzgröße liegt, unter Annahme eines ersten Brechungsindex, wobei der erste Brechungsindex so gewählt wird, dass die erste Partikelgrößenverteilung eine Obergrenze aufweist, die sich um weniger als einen festgelegten Schwellwert von der ersten Grenzgröße unterscheidet. Vorteilhafterweise gestattet dieses Verfahren eine Bestimmung des Brechungsindex der in dem Gas enthaltenen Partikel, deren Größe unterhalb der ersten Grenzgröße liegt.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Messung der ersten Partikelgrößenverteilung mit einem laserbasierten Partikeldetektionsgerät unter Verwendung von Laserlicht einer festgelegten Wellenlänge, wobei an Partikeln gestreutes Laserlicht unter einem festgelegten Winkel detektiert wird. Vorteilhafterweise nutzt dieses Verfahren aus, dass bei festgelegter Wellenlänge, festgelegtem Beobachtungswinkel und festgelegter Partikelgrößenobergrenze der Brechungsindex der Partikel als einziger freier Parameter mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird dem laserbasierten Partikeldetektionsgerät ein Porenfilter vorgeschaltet, der nur für Partikel durchlässig ist, deren Größe unterhalb der ersten Grenzgröße liegt. Vorteilhafterweise stellt die Verwendung eines Porenfilters eine einfache und kostengünstige Möglichkeit dar, die in dem Gas enthaltenen Partikel nach ihrer Größe vorzuselektieren.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird nach dem Messen der ersten Partikelgrößenverteilung ein Schritt durchgeführt zum Messen einer zweiten Partikelgrößenverteilung von in dem Gas enthaltenen Partikeln, deren Größe unterhalb einer zweiten Grenzgröße liegt, unter Annahme eines zweiten Brechungsindex, wobei der zweite Brechungsindex so gewählt wird, dass die zweite Partikelgrößenverteilung eine Obergrenze aufweist, die sich um weniger als einen festgelegten Schwellwert von der zweiten Grenzgröße unterscheidet. Vorteilhafterweise kann dadurch ein Brechungsindex der Partikel, deren Größe unterhalb der zweiten Grenzgröße liegt, bestimmt werden. Somit gestattet es das Verfahren, die Brechungsindices der Partikel intervallweise für unterschiedliche Größenintervalle der in der Luft enthaltenen Partikel zu bestimmen.
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Es ist zweckmäßig, die erste Grenzgröße und die zweite Grenzgröße auf Größen zu legen, an denen die Verteilung der in dem Gas enthaltenen Partikel bekanntermaßen ein Maximum oder ein Minimum aufweist, oder bei denen bekanntermaßen nur Partikel einer einzigen Partikelsorte im Gas enthalten sind.
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Es ist zweckmäßig, dass die zweite Grenzgröße größer als die erste Grenzgröße ist. Vorteilhafterweise wird das Größenintervall der detektierten Partikel dann sukzessive erweitert.
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Bevorzugt wird das Verfahren mit weiteren Grenzgrößen wiederholt, um weitere Brechungsindices für weitere Partikelgrößenintervalle zu ermitteln.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird vor dem Messen der ersten Partikelgrößenverteilung ein Schritt durchgeführt zum Messen einer nullten Partikelgrößenverteilung von in dem Gas enthaltenen Partikeln unter Annahme eines nullten Brechungsindex. Vorteilhafterweise gestattet diese Messung der Partikelgrößenverteilung ohne vorherige Größenselektion der detektierten Partikel eine Plausibilitätskontrolle der nachfolgend ermittelten Messergebnisse.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung des Verfahrens werden nach dem Messen der ersten Partikelgrößenverteilung weitere Schritte durchgeführt zum Bestimmen einer ersten Grenzmassendichte der in dem Gas enthaltenen Partikel, deren Größe unterhalb der ersten Grenzgröße liegt, und zum Errechnen einer größenabhängigen Massenverteilung der in dem Gas enthaltenen Partikel, deren Größe unterhalb der ersten Grenzgröße liegt, aus der ersten Partikelgrößenverteilung und der ersten Grenzmassendichte. Vorteilhafterweise gestattet das Verfahren dann nicht lediglich die Bestimmung einer Partikelgrößenverteilung, sondern die Bestimmung einer Massenverteilung der in dem Gas enthaltenen Partikel. Dies erlaubt vorteilhafterweise einen direkten Vergleich mit massebezogenen Normen über eine Belastung mit in einem Gas enthaltenen Partikeln (sogenannte Feinstaubbelastung).
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In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens wird zwischen dem laserbasierten Partikeldetektionsgerät und dem Porenfilter ein Impaktorfilter angeordnet, der nur für Partikel durchlässig ist, deren Größe unterhalb der ersten Grenzgröße liegt, und deren Massendichte kleiner oder gleich einer festgelegten Grenzmassendichte ist. Dabei wird das Verfahren mit unterschiedlichen Impaktorfiltern mit unterschiedlichen Grenzmassendichten wiederholt, um die erste Grenzmassendichte zu bestimmen. Vorteilhafterweise gestattet es dieses Verfahren, die erste Grenzmassendichte durch Vergleich der Messergebnisse mit und ohne Impaktorfilter aufzufinden.
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Ein erfindungsgemäßes Partikeldetektionssystem zur Detektion in einem Gas enthaltener Partikel umfasst eine Partikelmesskammer, in der eine streuwinkelabhängige Eigenschaft eines an den Partikeln gestreuten Laserlichts bestimmt werden kann. Dabei ist der Partikelmesskammer ein erster Teilchenfilter vorgeschaltet. Vorteilhafterweise gestattet der Teilchenfilter dann eine Vorselektion der in die Partikelmesskammer gelangenden Partikel.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Partikeldetektionssystems ist die streuwinkelabhängige Eigenschaft des gestreuten Laserlichts eine Intensität und/oder eine Polarisation und/oder eine Phase des gestreuten Laserlichts. Vorteilhafterweise kann eine Auswertung der durch die Partikelmesskammer gelieferten Messergebnisse dann mit Hilfe der Mie-Theorie oder der Rayleigh-Theorie erfolgen.
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In einer Weiterbildung des Partikeldetektionssytems ist dem ersten Teilchenfilter ein zweiter Teilchenfilter parallel geschaltet. Dabei sind Ventile vorgesehen, um einen der Partikelmesskammer zugeführten Gasstrom entweder durch den ersten Teilchenfilter oder durch den zweiten Teilchenfilter zu leiten. Vorteilhafterweise gestattet es das Partikeldetektionssystem dann, die der Partikelmesskammer zugeführten Partikel nach unterschiedlichen Kriterien vorzuselektieren, ohne dass das Partikeldetektionssystem hierzu aufwändig umgebaut werden muss. Dies erlaubt eine kostengünstige und schnelle Detektion der in dem Gas enthaltenen Partikel.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung des Partikeldetektionssystems ist dem ersten Teilchenfilter ein dritter Teilchenfilter vorgeschaltet. Dadurch wird es vorteilhafterweise möglich, die der Partikelmesskammer zugeführten Partikel nach zwei Kriterien gleichzeitig vorzuselektieren. Dadurch wird vorteilhafterweise eine gleichzeitige Bestimmung mehrerer unbekannter Parameter der in dem Gas enthaltenen Partikel ermöglicht.
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In einer Ausführungsform des Partikeldetektionssystems sind der erste Teilchenfilter und/oder der zweite Teilchenfilter ein Impaktorfilter. Vorteilhafterweise gestatten der erste Teilchenfilter und/oder der zweite Teilchenfilter dann eine Vorselektion der der Partikelmesskammer zugeführten Partikel nach der Massendichte der Partikel.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Partikeldetektionssystems ist der erste Teilchenfilter und/oder der zweite Teilchenfilter ein Kaskadenimpaktorfilter. Vorteilhafterweise bieten Kaskadenimpaktorfilter eine besonders hohe Genauigkeit.
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In einer alternativen Ausführungsform des Partikeldetektionssystems ist der erste Teilchenfilter und/oder der zweite Teilchenfilter und/oder der dritte Teilchenfilter ein Membranfilter. Vorteilhafterweise gestatten die Teilchenfilter dann eine von der Größe der Partikel abhängige Vorselektion der der Partikelmesskammer zugeführten Partikel.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Partikeldetektionssystems;
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2 eine schematische Darstellung der Grundlagen einer laserbasierten Partikeldetektion;
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3 ein exemplarisches Größenverteilungsintervall von in einem Gas enthaltenen Partikeln;
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4 eine exemplarische Darstellung verschiedener Brechungsindexintervalle von in einem Gas enthaltenen Partikeln;
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5 eine exemplarische Gesamtgrößenverteilung von in einem Gas enthaltenen Partikeln;
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6 eine schematische Darstellung eines zweiten Partikeldetektionssystems;
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7 eine exemplarische Darstellung einer Impaktorcharakteristik;
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8 eine exemplarische Darstellung verschiedener Messkurven zur Massendichteanpassung;
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9 eine exemplarische Darstellung einer Massendichteverteilung von in einem Gas enthaltenen Partikeln;
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10 eine exemplarische Darstellung einer Massenverteilung von in einem Gas enthaltenen Partikeln; und
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11 ein schematisiertes Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Partikeldetektion.
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1 zeigt eine schematisierte Darstellung eines ersten Partikeldetektionssystems 100. Das erste Partikeldetektionssystem 100 kann zur Detektion von in einem Gas enthaltenen Partikeln dienen. Das Gas kann dabei beispielsweise Luft sein. Die in dem Gas enthaltenen Partikel können Partikel mit Durchmessern von einigen Nanometern, Mikrometern oder Millimetern sein. Bei den Partikeln kann es sich beispielsweise um Ruß, Kondensat, Staub oder um biologisches Material handeln.
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Das erste Partikeldetektionssystem 100 umfasst eine laserbasierte Partikelmesskammer 140. Die laserbasierte Partikelmesskammer 140 entspricht dem Stand der Technik und ist dazu ausgebildet, eine streuwinkelabhängige Eigenschaft eines an Partikeln gestreuten Laserlichts zu detektieren. Die streuwinkelabhängige Eigenschaft kann beispielsweise eine Intensität, eine Polarisation oder eine Phase des gestreuten Laserlichts sein.
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Der laserbasierten Partikelmesskammer 140 des ersten Partikeldetektionssystems 100 kann über eine Gaszuführung 150 ein Gasstrom 157 zugeführt werden. Es kann vorgesehen sein, eine Flussgeschwindigkeit des Gasstroms 157 über in 1 nicht dargestellte Pumpen zu regulieren.
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Das erste Partikeldetektionssystem 100 umfasst weiter einen ersten Porenfilter 110, einen zweiten Porenfilter 120 und einen dritten Porenfilter 130. Die Porenfilter 110, 120, 130 können auch als Membranfilter bezeichnet werden und weisen jeweils eine oder mehrere Membranen auf, die mit Poren einer festgelegten Größe versehen sind. Die Porenfilter 110, 120, 130 sind damit jeweils nur für Partikel durchlässig, deren Größe unterhalb der jeweiligen Porengröße des Porenfilters 110, 120, 130 liegt. Die Porengröße des Porenfilters 110, 120, 130 kann daher auch als Abscheidungsgrenzgröße bezeichnet werden.
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Die Gaszuführung 150 spaltet im Bereich vor der laserbasierten Partikelmesskammer 140 in einen ersten Gaspfad 151, einen zweiten Gaspfad 152 und einen dritten Gaspfad 153 auf. Im ersten Gaspfad 151 ist der erste Porenfilter 110 angeordnet, wobei dem ersten Porenfilter 110 ein erstes Ventil 115 vorgeschaltet ist. Im zweiten Gaspfad 152 sind der zweite Porenfilter 120 und ein zweites Ventil 125 angeordnet. Im dritten Gaspfad 153 sind der dritte Porenfilter 130 und ein drittes Ventil 135 angeordnet. Die Ventile 115, 125, 135 in den Gaspfaden 151, 152, 153 gestatten es, der laserbasierten Partikelmesskammer 140 den Gasstrom 157 entweder über den ersten Porenfilter 110, über den zweiten Porenfilter 120 oder über den dritten Porenfilter 130 zuzuführen. Weisen die Porenfilter 110, 120, 130 unterschiedliche Abscheidungsgrenzgrößen auf, so können der laserbasierten Partikelmesskammer 140 wahlweise Gasströme mit darin enthaltenen Partikeln mit unterschiedlichen Partikelgrößenobergrenzen zugeführt werden.
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Das erste Partikeldetektionssystem 100 kann auch weitere Gaspfade aufweisen, in denen weitere Porenfilter und weitere Ventile angeordnet sind. Es kann auch ein Gaspfad vorgesehen sein, in dem kein Porenfilter angeordnet ist, um der laserbasierten Partikelmesskammer 140 einen Gasstrom 157 zuzuführen, deren darin enthaltene Partikel nicht nach ihrer Größe vorselektiert wurden.
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2 zeigt eine stark schematisierte Darstellung zur Erläuterung einer durch die laserbasierte Partikelmesskammer 140 durchgeführten laserbasierten Partikeldetektion 145.
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Die Streuung des in der laserbasierten Partikelmesskammer 140 ausgesandten Laserlichts hängt ab vom optischen Brechungsindex 210 der Partikel, die in dem der laserbasierten Partikelmesskammer 140 zugeführten Gas enthalten sind, von der größenabhängigen Partikelzahl 220 der in dem Gas enthaltenen Partikel, von der Wellenlänge 230 des in der laserbasierten Partikelmesskammer 140 ausgesandten Laserlichts und vom Beobachtungswinkel 240, unter dem das gestreute Laserlicht in der laserbasierten Partikelmesskammer 140 detektiert wird. Der Brechungsindex 210, die größenabhängige Partikelzahl 220, die Wellenlänge 230 und der Beobachtungswinkel 240 sind nach einem Modell 260 mit einer detektierbaren Eigenschaft 250 des detektierten Laserlichts verknüpft. Die detektierbare Eigenschaft 250 des Laserlichts kann beispielsweise eine Intensität, eine Polarisation oder eine Phase des gestreuten Laserlichts sein. Bei dem Modell 260 kann es sich um ein Mie-Modell oder um ein Rayleigh-Modell oder um ein anderes Modell handeln. Im Weiteren wird der Einfachheit halber ohne inhaltliche Beschränkung angenommen, dass die streuwinkelabhängige Eigenschaft 250 des detektierten Laserlichts eine Intensität ist.
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Sind die Wellenlänge 230, der Beobachtungswinkel 240, die Intensität 250 und der Brechungsindex 210 der detektierten Partikel bekannt, so kann über das Modell 260 die größenabhängige Partikelzahl 220 bestimmt werden. Ist dagegen die größenabhängige Partikelzahl 220 zumindest teilweise bekannt, so kann bei zusätzlicher Kenntnis der Wellenlänge 230, des Beobachtungswinkels 240 und der Intensität 250 aus dem Modell 260 auf den Brechungsindex 210 geschlossen werden. Wie nachfolgend ausgeführt wird, genügt es hierzu, eine Obergrenze der größenabhängigen Partikelzahl 220 zu kennen, also zu wissen, dass Partikel oberhalb einer festgelegten Grenzgröße im der laserbasierten Partikelmesskammer 140 zugeführten Gasstrom 157 nicht enthalten sind. Die laserbasierte Partikelmesskammer 140 des ersten Partikeldetektionssystems 100 gestattet es also, bei bekanntem oder abgeschätztem Brechungsindex 210 die größenabhängige Partikelzahl 220 der im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel zu ermitteln. Ist eine zusätzliche Eigenschaft der Partikelzahl 220 bekannt, so kann der Brechungsindex 210 bestimmt werden.
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Dies ist schematisch im Diagramm der 3 dargstellt, das ein Größenverteilungsintervall 300 zeigt. Auf einer horizontalen Achse des Diagramms ist eine Partikelgröße 270 der im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel aufgetragen. Auf einer vertikalen Achse des Diagramms ist die größenabhängige Partikelzahl 220 dargestellt.
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Der der laserbasierten Partikelmesskammer 140 zugeführte Gasstrom 157 wird über einen der Gaspfade 151, 152, 153 durch einen der Porenfilter 110, 120, 130, beispielsweise über den ersten Gaspfad 151 durch den ersten Porenfilter 110 geleitet. Der erste Porenfilter 110 weist eine festgelegte erste Grenzgröße 271 auf. Dies bedeutet, dass der erste Porenfilter 110 nur solche im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel passieren lässt, deren Größe kleiner oder gleich der ersten Grenzgröße 271 ist. Die erste Grenzgröße 271 ist im Diagramm der 3 eingezeichnet.
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Da die in der laserbasierten Partikelmesskammer 140 enthaltenen Partikel somit eine Größenobergrenze aufweisen, wird auch die durch die laserbasierte Partikelmesskammer 140 ermittelte Partikelzahl 220 eine Obergrenze aufweisen, oberhalb der die detektierte größenabhängige Partikelzahl 220 den Wert 0 annimmt. Dies gestattet es, den angenommenen Brechungsindex 210 der im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel so anzupassen, dass die tatsächlich detektierte Obergrenze der Partikelzahl 220 mit der ersten Grenzgröße 271 des ersten Porenfilters 110 zusammenfällt, bzw. sich von dieser um nicht mehr als einen festgelegten Schwellwert unterscheidet. Der Schwellwert kann beispielsweise als prozentualer oder als absoluter Wert angegeben sein. Auf diese Weise kann also ein mittlerer oder durchschnittlicher Brechungsindex 210 der im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel, deren Größe unterhalb der ersten Grenzgröße 271 liegt, ermittelt werden. Es ergibt sich ein durch die laserbasierte Partikelmesskammer 140 gemessener erster Partikelzahlverlauf 221, der die Partikelgrößenverteilung der Partikel bis zur ersten Grenzgröße 271 angibt.
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Das beschriebene Verfahren kann anschließend unter Verwendung des eine zweite Grenzgröße 272 aufweisenden zweiten Porenfilters 120 und des eine dritte Grenzgröße 273 aufweisenden dritten Porenfilters 130 wiederholt werden, indem der der laserbasierten Partikelmesskammer 140 zugeführte Gasstrom 157 über den zweiten Gaspfad 152 bzw. den dritten Gaspfad 153 geleitet wird. Wiederum kann der für das Partikelgrößenintervall bis zur jeweiligen Grenzgröße 271, 272, 273 angenommene größenabhängige Brechungsindex 210 derart angepasst werden, dass die im ermittelten Größenverteilungsspektrum auftretende Obergrenze mit der Grenzgröße 271, 272, 273 des jeweiligen Porenfilter 110, 120, 130 zusammenfällt, bzw. sich davon um weniger als einen festgelegten Schwellwert unterscheidet.
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Dieses Verfahren gestattet eine schrittweise Ermittlung des größenabhängigen Brechungsindex 210 der im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel. 4 zeigt ein schematisches Brechungsindexdiagramm 310, in dem die Ergebnisse einer solchen Messung exemplarisch dargestellt sind. Eine horizontale Achse des Diagramms 310 zeigt wiederum die Partikelgröße 270. Auf einer vertikalen Achse des Diagramms 310 ist der größenabhängige Brechungsindex 210 der im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel aufgetragen. Bis zur ersten Grenzgröße 271 weisen die Partikel einen ersten durchschnittlichen Brechungsindex 211 auf. Im Bereich zwischen der ersten Grenzgröße 271 und der zweiten Grenzgröße 272 weisen die Partikel einen zweiten durchschnittlichen Brechungsindex 212 auf. Im Bereich zwischen der zweiten Grenzgröße 272 und der dritten Grenzgröße 273 weisen die Partikel einen dritten durchschnittlichen Brechungsindex 213 auf. Selbstverständlich könnte das Verfahren für eine größere Anzahl an Intervallen der Partikelgröße 270 durchgeführt werden.
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Die Kenntnis des Verlaufs des größenabhängigen Brechungsindex 210 der im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel gestattet es nun, die größenabhängige Partikelzahlverteilung 220 der im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel zu bestimmen. Dies ist im Diagramm der 5 dargestellt, das eine Gesamtgrößenverteilung 320 zeigt. Auf einer horizontalen Achse des Diagramms ist wiederum die Partikelgröße 270 mit der ersten Grenzgröße 271, der zweiten Grenzgröße 272 und der dritten Grenzgröße 273 dargestellt. Auf einer vertikalen Achse des Diagramms ist die größenabhängige Partikelzahl 220 aufgetragen. Im Bereich bis zur ersten Grenzgröße 271 ergibt sich der erste Partikelzahlverlauf 221. Im Bereich zwischen der ersten Grenzgröße 271 und der zweiten Grenzgröße 272 ergibt sich ein zweiter Partikelzahlverlauf 222. Im Bereich zwischen der zweiten Grenzgröße 272 und der dritten Grenzgröße 273 ergibt sich ein dritter Partikelzahlverlauf 223. Die Partikelzahl 220 gibt jeweils an, wie viele Partikel einer bestimmten Größe in einem normierten Volumen des Gasstroms 157 enthalten sind.
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Die Intervallabschnitte 221, 222, 223 der größenabhängigen Partikelzahl 220 wurden, wie erläutert, durch sukzessive Messungen unter Verwendung von jeweils einem der Porenfilter 110, 120, 130 ermittelt. Es kann auch eine zusätzliche Messung des gesamten Partikelzahlverlaufs 220 erfolgen, ohne dass der laserbasierten Partikelmesskammer 140 Porenfilter 110, 120, 130 vorgeschaltet werden. Eine solche Messung kann beispielsweise zur Plausibilitätskontrolle dienen.
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Gängige Normen über eine Feinstaubbelastung gehen nicht von einer Partikelgrößenverteilung aus, wie sie im Diagramm der 5 dargestellt ist, sondern basieren auf einer größenabhängigen Massenverteilung der im Gas enthaltenen Partikel.
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Zur Umrechnung der größenabhängigen Partikelzahl 220 in eine größenabhängige Massenverteilung ist eine Kenntnis der Massendichte der im Gas enthaltenen Partikel erforderlich. Diese Massendichte ist von der Art der Partikel abhängig und kann ebenfalls mit der Größe der Partikel variieren. Nachfolgend werden eine Vorrichtung und ein Verfahren erläutert, die zusätzlich zur Bestimmung der größenabhängigen Partikelzahl 220 eine Bestimmung einer größenabhängigen Massenverteilung ermöglichen.
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6 zeigt in stark schematisierter Darstellung ein zweites Partikeldetektionssystem 105. Komponenten, die solchen des ersten Partikeldetektionssystems 100 entsprechen, sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Das zweite Partikeldetektionssystem 105 umfasst wiederum eine laserbasierte Partikelmesskammer 140, der über eine Gaszuführung 150 ein Gasstrom 157 zugeführt werden kann, in dem zu detektierende Partikel enthalten sind. Der Gasstrom 157 kann über einen ersten Gaspfad 151 durch einen ersten Porenfilter 110, über einen zweiten Gaspfad 152 durch einen zweiten Porenfilter 120 oder über einen dritten Gaspfad 153 durch einen dritten Porenfilter 130 geleitet werden. In den Gaspfaden 151, 152, 153 sind dabei jeweils Ventile 115, 125, 135 angeordnet, mittels derer einer der Gaspfade 151, 152, 153 ausgewählt werden kann.
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Zusätzlich weist das zweite Partikeldetektionssystem 105 einen vierten Gaspfad 154, einen fünften Gaspfad 155 und einen sechsten Gaspfad 156 auf. Diese sind den ersten, zweiten und dritten Gaspfaden 151, 152, 153 nachgeschaltet, so dass jeder Gaspfad des ersten, zweiten und dritten Gaspfads 151, 152, 153 mit jedem Gaspfad des vierten, fünften und sechsten Gaspfads 154, 155, 156 kombiniert werden kann. Im vierten Gaspfad 154 sind ein viertes Ventil 165 und ein erster Impaktorfilter 160 angeordnet. Im fünften Gaspfad 155 sind ein zweiter Impaktorfilter 170 und ein fünftes Ventil 175 angeordnet. Im sechsten Gaspfad 156 sind ein dritter Impaktorfilter 180 und ein sechstes Ventil 185 angeordnet. Aus dem vierten, fünften oder sechsten Gaspfad 154, 155, 156 kann der Gasstrom 157 weiter zur laserbasierten Partikelmesskammer 140 strömen.
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Die Impaktorfilter 160, 170, 180 sind aus dem Stand der Technik bekannte Impaktorfilter, die dazu ausgebildet sind, nur Partikel durchzulassen, deren Größe unterhalb einer festgelegten Grenzgröße liegt, und deren Massendichte kleiner oder gleich einer festgelegten Grenzmassendichte ist. Die Impaktorfilter 160, 170, 180 führen hierzu eine Trägheitsabscheidung aller im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel durch, die die genannten Selektionskriterien nicht erfüllen. Die drei Impaktorfilter 160, 170, 180 weisen jeweils unterschiedliche Grenzgrößen und Grenzmassendichten auf.
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7 zeigt in schematisierter Darstellung eine exemplarische Impaktorcharakteristik 330 des ersten Impaktorfilters 160. Auf einer horizontalen Achse ist eine Massendichte 280 der im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel aufgetragen. Der erste Impaktorfilter 160 weist eine erste Grenzmassendichte 281 auf, die im Diagramm der 7 eingezeichnet ist. Eine vertikale Achse des Diagramms zeigt eine von der Massendichte 280 der Partikel abhängige Durchlässigkeit 290 des ersten Impaktorfilters 160. Für im Gasstrom 157 enthaltene Partikel, deren Massendichte 280 unterhalb der ersten Grenzmassendichte 281 liegt, weist der Impaktorfilter 160 eine völlige Durchlässigkeit 291 auf. Somit können sämtliche Partikel, deren Massendichte 280 unterhalb der ersten Grenzmassendichte 281 liegt, den ersten Impaktorfilter 160 passieren. Im Gasstrom 157 enthaltene Partikel, deren Massendichte 280 oberhalb der ersten Grenzmassendichte 281 liegt, können den ersten Impaktorfilter 160 hingegen nicht passieren, so dass der erste Impaktorfilter 160 in diesem Bereich eine völlige Undurchlässigkeit 292 aufweist. Die Darstellung der 7 ist allerdings idealisiert. In der Realität wird im Bereich der ersten Grenzmassendichte 281 ein kontinuierlicher Übergang zwischen völliger Durchlässigkeit 291 und völliger Undurchlässigkeit 292 des ersten Impaktorfilters 160 auftreten.
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Der zweite Impaktorfilter 170 und der dritte Impaktorfilter 181 weisen entsprechende Impaktorcharakteristiken 330 mit jeweils eigenen Grenzmassendichten auf.
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Das oben beschriebene Verfahren zur Bestimmung der größenabhängigen Partikelzahl 220 kann nun wiederholt werden, wobei das zweite Partikeldetektionssystem 105 verwendet wird und zwischen den Porenfiltern 110, 120, 130 und der laserbasierten Partikelmesskammer 140 jeweils noch einer der Impaktorfilter 160, 170, 180 im Gasstrom 157 angeordnet wird. 8 zeigt ein entsprechendes Diagramm zur Massendichteanpassung 340. Auf einer horizontalen Achse ist wiederum die Partikelgröße 270 aufgetragen, wobei die erste Grenzgröße 271 des ersten Porenfilters 110 dargestellt ist. Auf einer vertikalen Achse ist die detektierte Partikelzahl 220 aufgetragen. Ferner ist der erste Partikelzahlverlauf 221 dargestellt, der nach dem oben erläuterten Verfahren unter Verwendung lediglich des ersten Porenfilters 110 und der laserbasierten Partikelmesskammer 140 ermittelt wurde.
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Weiter zeigt 8 einen vierten Partikelzahlverlauf 224, der sich ergibt, wenn zwischen dem ersten Porenfilter 110 und der laserbasierten Partikelmesskammer 140 ein Impaktorfilter angeordnet wird, der eine vierte Grenzmassendichte aufweist. Es ist erkennbar, dass sich der vierte Partikelzahlverlauf 224 stark vom ersten Partikelzahlverlauf 221 unterscheidet. Dies bedeutet, dass der zwischen dem ersten Porenfilter 110 und der laserbasierten Partikelmesskammer 140 angeordnete vierte Impaktorfilter einen Anteil der im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel abscheidet. Somit ist die Grenzmassendichte des vierten Impaktorfilters zu gering gewählt. Im den ersten Porenfilter 110 passierenden Gasstrom sind Partikel enthalten, deren Größe zwar unter der ersten Grenzgröße 271 des ersten Porenfilters 110 liegt, deren Massendichte 280 jedoch oberhalb der Grenzmassendichte des vierten Impaktorfilters liegt.
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Weiter zeigt 8 einen fünften Partikelzahlverlauf 225, der sich ergibt, wenn zwischen dem ersten Porenfilter 110 und der laserbasierten Partikelmesskammer 140 der erste Impaktorfilter 160 mit der ersten Grenzmassendichte 281 angeordnet ist. Es ist erkennbar, dass der fünfte Partikelzahlverlauf 225 im Wesentlichen dem ersten Partikelzahlverlauf 221 entspricht. Somit kann davon ausgegangen werden, dass alle den ersten Porenfilter 110 passierenden Partikel eine Massendichte 280 aufweisen, die kleiner oder gleich der ersten Grenzmassendichte 281 des ersten Impaktorfilters 160 ist. Somit stellt die erste Grenzmassendichte 281 eine Obergrenze für die Massendichte 280 der Partikel im Größenintervall bis zur ersten Grenzgröße 271 dar. Das beschriebene Auffinden der ersten Grenzmassendichte 281 kann in der Praxis eine größere Zahl von Messungen mit unterschiedlichen Impaktorfiltern 160, 170, 180 mit unterschiedlichen Grenzmassendichten erfordern.
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Das beschriebene Verfahren zur Bestimmung der größenabhängigen oberen Grenzen der Massendichte 280 der im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel kann nun erneut unter Verwendung unterschiedlicher Porenfilter 110, 120, 130 für unterschiedliche Intervalle der Partikelgröße 270 wiederholt werden. 9 zeigt exemplarisch eine sich ergebende Massendichteverteilung 350. Auf einer horizontalen Achse ist wiederum die Partikelgröße 270 aufgetragen, wobei die erste Grenzgröße 271 des ersten Porenfilters 110, die zweite Grenzgröße 272 des zweiten Porenfilters 120 und die dritte Grenzgröße 273 des dritten Porenfilters 130 eingezeichnet sind. Auf einer vertikalen Achse des Diagramms der 9 ist die Massendichte 280 der im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel aufgetragen. Partikel, deren Größe 270 unterhalb der ersten Grenzgröße 271 liegt, weisen die erste obere Grenzmassendichte 281 auf. Partikel, deren Größe 270 im Intervall zwischen der ersten Grenzgröße 271 und der zweiten Grenzgröße 272 liegt, weisen eine zweite obere Grenzmassendichte 282 auf. Partikel, deren Partikelgröße 270 im Bereich zwischen der zweiten Grenzgröße 272 und der dritten Grenzgröße 273 liegt, weisen eine dritte obere Grenzmassendichte 283 auf. Die oberen Grenzmassendichten 281, 282, 283 geben jeweils Obergrenzen der Massendichte 280 der im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel im jeweiligen Größenintervall an. Selbstverständlich kann die Ermittlung der Massendichteverteilung 350 auch für eine andere Anzahl an Intervallen der Partikelgröße 270 durchgeführt werden.
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Aus der Kenntnis der in 5 exemplarisch dargestellten Größenverteilung 320 der im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel und der in 9 exemplarisch dargestellten größenabhängigen Massendichteverteilung 350 der im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel lässt sich nun eine größenabhängige Massenverteilung 360 der im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel berechnen. Dies ist exemplarisch in 10 dargestellt. Auf einer horizontalen Achse des Diagramms der 10 ist wiederum die Partikelgröße 270 der im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel mit den Grenzgrößen 271, 272, 273 aufgetragen. Eine vertikale Achse des Diagramms der 10 zeigt eine größenabhängige Partikelmasse 200 der im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel. Das Diagramm der 10 gibt an, welche Masse die im Gasstrom 157 enthaltenen Partikel einer bestimmten Partikelgröße 270 aufweisen. Die größenabhängige Partikelmasse 200 kann direkt mit in Normen festgelegten Grenzwerten, beispielsweise mit Grenzwerten für Reinräume oder mit Grenzwerten für zulässige Abgasemissionen, verglichen werden.
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11 zeigt zusammenfassend ein schematisches Ablaufdiagramm des beschriebenen Partikeldetektionsverfahrens 400. In einem ersten Verfahrensschritt 410 wird eine erste Partikelgrößenverteilung 221 von in dem Gas enthaltenen Partikeln gemessen, deren Größe 270 unterhalb einer ersten Grenzgröße 271 liegt. Die Messung erfolgt unter Annahme eines ersten Brechungsindex 211, der so gewählt wird, dass die erste Partikelgrößenverteilung 221 eine Obergrenze aufweist, die sich um weniger als einen festgelegten Schwellwert von der ersten Grenzgröße 271 unterscheidet.
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In einem zweiten Verfahrensschritt 420 wird eine zweite Partikelgrößenverteilung 222 von in dem Gas enthaltenen Partikeln gemessen, deren Größe 270 unterhalb einer zweiten Grenzgröße 272 liegt. Dabei wird ein zweiter Brechungsindex 212 an genommen, der so gewählt wird, dass die zweite Partikelgrößenverteilung 222 eine Obergrenze aufweist, die sich um weniger als einen festgelegten Schwellwert von der zweiten Grenzgröße 272 unterscheidet.
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Die Messung der Partikelgrößenverteilung kann anschließend für weitere Größenintervalle der im Gas enthaltenen Partikel wiederholt werden.
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In einem dritten Verfahrensschritt 430 wird eine erste Grenzmassendichte 281 der in dem Gas enthaltenen Partikel bestimmt, deren Größe 270 unterhalb der ersten Grenzgröße 271 liegt. Auch dieser Verfahrensschritt kann für weitere Größenintervalle der im Gas enthaltenen Partikel wiederholt werden.
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Anschließend wird in einem vierten Verfahrensschritt 440 eine größenabhängige Massenverteilung 200 der in dem Gas enthaltenen Partikel errechnet, deren Größe 270 unterhalb der ersten Grenzgröße 271 liegt. Die größenabhängige Massenverteilung 200 wird dabei aus der ersten Partikelgrößenverteilung 221 und der ersten Grenzmassendichte 281 errechnet. Die Berechnung der größenabhängigen Massenverteilung kann ebenfalls für weitere Größenintervalle der im Gas enthaltenen Partikel wiederholt werden.
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Zusätzlich kann in einem weiteren Verfahrensschritt 405 eine nullte Partikelgrößenverteilung aller im Gas enthaltenen Partikel gemessen werden, ohne dass die im Gas enthaltenen Partikel mittels eines Porenfilters vorselektiert werden. Die in diesem Verfahrensschritt 405 durchgeführte Messung kann zur Plausibilitätskontrolle dienen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
