DE1289669B

DE1289669B - Geraet zur Bestimmung der Groessenverteilung der Aerosolteilchen in einer gasfoermigen Probe

Info

Publication number: DE1289669B
Application number: DEG44342A
Authority: DE
Inventors: Rich Theodore Alfred
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1964-08-04
Filing date: 1965-08-03
Publication date: 1969-02-20
Also published as: CH455337A; GB1112254A; BE667872A; SE324470B; US3351759A

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung der Größenverteilung der Aerosolteilchen in einer gasförmigen Probe, bestehend aus einer Diffusions-Abscheide-Vorrichtung, in deren Eingangszone eine Strahlungsquelle angeordnet ist und an die wahlweise zum Betreiben als Abscheidevorrichtung eine Spannungsquelle anschaltbar ist, und aus einem Kondensationskernmeßgerät.

Ein Gerät der vorgenannten Art ist bereits bekannt. In der Aerosolmeßtechnik ist auch bereits ein Elektrofilter zur Abscheidung radioaktiver Aerosole bekannt, bei dem angesaugte staubhaltige Luft zunächst durch eine Ionisierungszone hindurchgeführt wird, in der die Staubteilchen aufgeladen werden. Die Ionisierungszone wird von einer Reihe parallel ausgespannter dünner Drähte gebildet, an die eine hohe Gleichspannung zur Erzeugung einer Koronaentladung angelegt ist. Anschließend durchströmt die Luft einen Plattensatz von abwechselnd positiv und negativ geeine Spannung von 15 kV liegt. Die in der Luft vorhandenen und aufgeladenen Staubteilchen werden auf den Platten des Plattensatzes niedergeschlagen und können dann zur Bestimmung der Radioaktivität von den Platten entfernt werden.

Es ist weiterhin bereits eine Aufladevorrichtung für Aerosole bekannt, bei der die aufzuladenden Aerosolteilchen tangential in ein zylindrisches Gefäß einge-

der Zylinderachse eine Bohrung befindet, durch die die geladenen Teilchen austreten.

Zur Abschätzung der Schädlichkeit der in der Luft vorhandenen Aerosolteilchen ist die ungefähre Kenntnis der Größenverteilung der Aerosolteilchen wichtig. Die bisher bekannten Verfahren zur Bestimmung der Größenverteilung der Aerosolteilchen in einer gasförmigen Probe sind außerordentlich kompliziert und

obachtungen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß die Größenverteilung der Aerosolteilchen in einer gasförmigen Probe in einfacher Weise bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird nun erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abstände der Auffangelemente der Diffusions-Abscheide-Vorrichtung so gewählt sind, daß als Spannungsquelle eine Niederspannungsquelle (Größenordnung 100 V) ausreichend ist und daß zwischen der Eingangskammer der Diffusions-Abscheide-Vorrichtung und dem Eingang des Kondensationskernmeßgeräts eine wahlweise einschaltbare Umgehungsleitung vorgesehen ist, über die die zu untersuchende gasförmige Probe unmittelbar dem Kondensationskernmeßgerät zuführbar ist.

Mit dem Gerät nach der Erfindung lassen sich schnelle und genaue Vergleichsmessungen zur Bestimmung der Größenverteilung der Aerosolteilchen in einer gasförmigen Probe durchführen. Auf Grund der Vergleichsmessungen kann man leicht feststellen, wie weit die gemessene Größenverteilung von einer definierten Standardverteilung abweicht. Nach Durchführung der Messungen kann man entscheiden, ob eine genauere Analyse der Aerosole unter Verwendung der äußerst aufwendigen klassischen Größenbestimmungsmethode erforderlich ist.

Die Erfindung wird nun näher an Hand von Zeichnungen erläutert, in denen zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Geräts nach der Erfindung zur Bestimmung abnormaler Größenverteilung von Aerosolteilchen,

F i g. 2 eine Ansicht der einen Teil des Geräts nach F i g. 1 bildenden Diffusions-Abscheide-Vorrichtung, ίο F i g. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in F i g. 2,

F i g. 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 in F i g. 3,

F i g. 5 die Durchlässigkeitskennlinie der Vorrichtung nach den F i g. 2 bis 4, welche die in Prozent angegebene Durchlässigkeit der Vorrichtung für Aerosolteilchen in Abhängigkeit von der Teilchengröße "zeigt.

F i g. 6 eine grafische Darstellung der Größen-

Iadenen Platten, die nach Art eines Plattenkonden- 20 verteilung in einem Modellaerosol, die zur Berechnung sators ineinandergesteckt sind und zwischen denen von Parametern der in den F i g. 2 bis 4 gezeigten

Vorrichtung verwendet wird, und

F i g. 7 schematische Darstellungen einer abgeänderten Ausführungsform zur Erläuterung der verschiedenartigen Betriebsarten und der Wirkungsweise der Vorrichtung nach der Erfindung.

Das in F i g. 1 gezeigte Gerät enthält eine Diffusions-Abscheide-Vorrichtung 11, deren Eingang über ein Zweiwege-Umschaltventil 12 mit einer durch einen führt werden, in dessen Deckel ein radioaktiver 30 Pfeil 13 dargestellten Aerosolteilchenquelle in VerStrahler angeordnet ist, während sich im Boden in bindung steht. Der Ausgang der Vorrichtung 11

steht über ein Zweiwege-Umschaltventil 14 mit dem Eingang eines üblichen Kondensationskernmeßgeräts 15 in Verbindung. Die beiden Zweiwege-Umschaltventile 12 und 14 stehen miteinander über eine Umgehungsleitung 16 in Verbindung, so daß durch entsprechende Betätigung der Ventile 12 und 14, die — wie die gestrichelte Linie 17 andeutet — mechanisch miteinander verbunden sind, die Aerosolteil-

erfordern zahlreiche komplexe mathematische Be- 40 chenprobe wahlweise entweder durch die Vorrichtung rechnungen sowie fachkundige Messungen und Be- 11 oder durch die Umgehungsleitung 16 zum Zugang

des Kondensationskernmeßgeräts 15 geführt werden kann. Die Diffusions-Abscheide-Vorrichtung 11 steht mit einem Niederspannungspotentiometer in Verbindung, das durch einen parallel zu einer 100-V-Batterie 18 liegenden Stellwiderstand 19 gebildet wird. Der Schleifkontakt des Stellwiderstands 19 steht mit einer Eingangsklemme 27 der Vorrichtung 11 in Verbindung, während eine zweite Eingangsklemmc 28 unmittelbar mit einer Erdungsklemme 29 des Stellwiderstandes 19 verbunden ist. Durch Betätigung eines zwischen der Batterie 18 und dem Stellwiderstand 19 liegenden Schalters 21 kann also an die Vorrichtung 11 eine Niederspannung angelegt werden. Das Kondensationskernmeßgerät 15 arbeitet vorzugsweise automatisch und liefert eine Anzeige, welche die Anzahl der in einer Probe vorhandenen Aerosolteilchen angibt, die einen von molekularen Abmessungen (d. h. einen effektiven Radius von ungefähr 10~⁷cm) bis in die Größenordnung von 2· !0~³cm reichenden Radius aufweisen.

In den F i g. 2 bis 4 ist die Diffusions-Abscheide-Vorrichtung 11 näher dargestellt. Sie enthält einen üblichen Diffusionskasten, der durch ein gasdichtes Gehäuse 22 gebildet wird, das eine Eingangskammer 23 sowie eine Ausgangskammer 24 aufweist. Zwischen Eingangskammer 23 und Ausgangskammer 24 sind elektrisch leitende Auffangelemente 25 a und 25 b im

Abstand voneinander angeordnet. Die Auffangelemente 25 a und 25 b bestehen aus flachen, parallelen Platten, die sich zwischen der Eingangskammer 23 und der Ausgangskammer 24 entlang der gesamten Länge des Gehäuses 22 über die Breite des Gehäuses 22 erstrecken. Vorzugsweise sind neunzehn Auffangelemente 25 α und 25 b vorgesehen, die eine Dicke in der Größenordnung von 25 mm aufweisen und in einem Abstand von ungefähr 1,5 mm voneinander angeordnet sind. Zur Erzielung optimaler Ergebnisse innerhalb des oben angegebenen Teilchengrößenbereiches sollte die Vorrichtung 11 in Strömungsrichtung der Gase eine Länge von ungefähr 300 mm aufweisen.

Wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, sind die Auffangelemente 25a und 25b in zwei Gruppen von abwechselnd aufeinanderfolgenden und elektrisch miteinander verbundenen Auffangelementen unterteilt. Die die Elemente 25 α umfassende Gruppe steht mit der Klemme 27 und die die Elemente 25 b umfassende Gruppe steht mit der Klemme 28 in Verbindung. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen die in F i g. 1 dargestellten Klemmen 27 und 28 kann also zwischen benachbarten Auffangelementen 25 a und 25 b eine Feldstärke erzeugt werden. Vorzugsweise ist eine der beiden Klemmen geerdet, beispielsweise die Klemme 28 bei 29 (Fig. 1). An Stelle der beschriebenen Auffangelemente in Form von flachen, parallelen Platten können natürlich auch konzentrisch angeordnete Zylinder verwendet werden.

Die in der Vorrichtung 11 zu behandelnden gasförmigen Proben werden über eine Eingangsleitung 31 der Eingangskammer 23 zugeführt. Wie aus den F i g. 3 und 4 ersichtlich ist, erstreckt sich die Eingangsleitung 31 bis zur Mitte der Eingangskammer 23 und weist dann eine tangential verlaufende Auslaßöffnung 32 auf, so daß die in die Kammer 23 eingeführte gasförmige Probe die durch Pfeile 33 angezeigte Wirbelbewegung durchführt. In der Eingangskammer 23 ist auch eine Strahlungsquelle 34 angeordnet, bei der es sich beispielsweise um eine im Handel erhältliche Alpha-Strahlungsquelle handeln kann.

Die in die Eingangskammer 23 eingeführte, Aerosolteilchen enthaltende Gasprobe ist den von der Strahlungsquelle 34 ausgesandten Strahlen ausgesetzt, wodurch ungefähr 50% der im Aerosol enthaltenen Teilchen elektrisch geladen werden. Das Aerosol muß auf ,Ladungsgleichgewicht gebracht werden, d. h., die Anzahl der positiv geladenen Teilchen muß gleich der Anzahl der negativ geladenen Teilchen sein, andernfalls wirkt sich der Unterschied zwischen positiver und negativer Ladung in den Meßergebnissen aus, wodurch natürlich die Meßgenauigkeit verringert wird. Nachdem also die eingeführte Ae;.jsolprobe so ionisiert worden ist, daß genau so viele positive wie negativ geladene Teilchen vorhanden sind, strömt sie in die zwischen den Auffangelementen 25a und 25b vorhandenen Zwischenräume, wobei sich ein bestimmter Prozentsatz der Teilchen auf den Auffangelementen ansammelt. Der Rest strömt aus der Ausgangskammer 24 über eine Ausgangsleitung 35 und das Zweiwegeventil 14 zum Kondensationskernmeßgerät 15.

Die Arbeitsweise der kombinierten Diffusions-Abscheide-Vorrichtung 11 ist aus F i g. 5 ersichtlich. Falls keine Spannung angelegt ist, arbeitet die Vorrichtung 11 als Diffusionskasten und weist dabei eine der Kurve D₁ in F i g. 5 ähnliche Durchlässigkeitskennlinie auf. Die Kurve D₁ gibt an, welcher prozentuale Anteil der in 1 cm³ enthaltenen Teilchen durch die als Diffusionskasten betriebene Vorrichtung 11 hindurch gelangt. Wie aus der Kurve D₁ ersichtlich ist, werden lediglich die kleinsten Teilchen mit einem Radius im Bereich von 10"⁷ bis I0~⁴cm durch Diffusion im Diffusionskasten eliminiert. Dies ist zu erwarten, da Teilchen in der als Diffusionskasten betriebenen Vorrichtung 11 nur durch Diffusion zu den Auffangelementen auf Grund der Brownschen Bewegung verlorengehen, die bei den hier angenommenen Abmessungen nur in dem obigen Größenbereich bei den kleineren Teilchen mit molekularen Abmessungen beträchtlich ist. Wie zu erwarten ist, nimmt bei ansteigender Teilchengröße die Brownsche Bewegung ab, so daß die Zahl der durch Diffusion verlorenen Teilchen geringer und dadurch der prozentuale Anteil der durch die Vorrichtung 11 hindurch gelangenden und vom Meßgerät 15 nachgewiesenen Teilchen zunimmt. Die Kurve D₁ zeigt also den Verlauf der Beziehung 100 ZJZ₀, wobei Z₀ die Gesamtzahl der in 1 cm³ der Gasprobe enthaltenen Aerosolteilchen und Z₁ die Zahl der Aerosolteilchen angibt, die in 1 cm³ Gas nach dem Durchgang durch die nur als Diffusionskasten betriebene Vorrichtung 11 enthalten sind.

Die Kurve D₂ entspricht der Durchlässigkeitskennlinie der Vorrichtung 11, wenn an diese durch Schließen des Schalters 21 die vom Potentiometer 18, 19 gelieferte Spannung angelegt ist. Bei angelegter Spannung wird ein bestimmter Prozentsatz der in 1 cm enthaltenen Aerosolteilchen auf Grund der zwischen benachbarten Auffangelementen 25 a und 25 b herrschenden elektrischen Feldstärke aus der Gasprobe entfernt. Aus der Kurve D₂ sieht man, daß auf Grund der elektrischen Feldstärke keine oder kaum Teilchen entfernt werden, deren Radius im Bereich von 10 "^Ί bis ungefähr 10~⁶cm liegt. Mit zunehmender Größe nimmt der prozentuale Anteil der durch die unter Spannung stehende Vorrichtung 11 gelangenden Teilchen schnell ab. Von den Teilchen mit einem Radius von über 2· 10~³cm werden beinahe 100°/_o aufgefangen. Die Kurve D₂ gibt also den Verlauf der Beziehung 100 Z₂₁IZ₀ an, wobei Z₂ die Anzahl der Teilchen angibt, die in 1 cm³ der Gasprobe nach Durchgang durch die unter Spannung stehende Vorrichtung 11 enthalten sind und durch das Kondensationskernmeßgerät 15 gemessen werden. Den Wert Z₀ erhält man dadurch, daß man die Ventile 12 und 14 derart einstellt, daß die Gasprobe unmittelbar über die Umgehungsleitung 16 dem Kondensationskernmeßgerät 15 zugeführt wird.
Aus den in F i g. 5 dargestellten Kurven ist ersichtlieh, daß derAnteil der Teilchen, die in der Vorrichtung 11 aus dem Gasstrom sowohl bei angelegter als auch abgeschalteter Spannung entfernt werden, von der Teilchengröße abhängt. Dies ist zu erwarten, da sowohl bei herkömmlichen Diffusionskästen als auch herkömmlichen Abscheidevorrichtungen der Λ : .;■
entfernten Teilchen eine Funktion der Teilchecgi
ist. Die herkömmlichen Abscheidevorrichtungen suchte man so zu bemessen, daß die Verluste an kleineren Aerosolteilchen auf Grund von Diffusion möglichst gering waren. Man konnte jedoch solche Verluste nie vollständig beseitigen. Zur Verringerung solcher Verluste wurden sehr hohe Spannungen in der Größenordnung von 5 bis 10 kV an die Auffang-

elemente angelegt, um die Diffusionsverluste durch Verstärkung der Abscheidung auf Grund der elektrischen Feldstärke zu verringern. Dieses Problem wird nun dadurch umgangen, daß man den Diffusionskasten derart ausbildet, daß man gleichzeitig auch eine elektrische Abscheidung durchführen kann. Auf diese Weise kann man auf Diffusion zurückzuführende Verluste bei elektrischer Abscheidung vollständig eliminieren.

In welcher Weise dies gelingt, wird nun an Hand der F i g. 7a bis 7e näher erläutert. Wie aus F i g. 7a ersichtlich ist, wird eine durch den Pfeil 13 angedeutete Aerosolprobe über die Ventile 12 und 14 unmittelbar dem Kondensationskernmeßgerät 15 zugeführt, ohne daß die Aerosolprobe durch die Vorrichtung 11 und eine in Reihe dazu liegende herkömmliche Abscheidevorrichtung 41 hindurchgeführt wird. Das Kondensationskernmeßgerät 15 liefert eine Anzeige, die proportional zur Gesamtzahl der in der Probe enthaltenen Aerosolteilchen ist. Bei der aus F i g. 7 b ersichtlichen Einstellung der Ventile 12 und 14 erreicht man, daß die Gasprobe über die Diffusions-Abscheide-Vor-. richtung 11 und die in Reihe dazu liegende herkömmliche Abscheidevorrichtung 41 zum Kondensationskernmeßgerät 15 geführt wird. Dabei wird weder an die Vorrichtung 11 noch an die Vorrichtung 41 eine Spannung angelegt. Das Kondensationskernmeßgerät 15 liefert eine Anzeige, die proportional der Gesamtzahl in der Probe enthaltenen Aerosolteilchen minus der Zahl der durch Diffusion sowohl in der Vorrichtung 11 als auch in der Vorrichtung 41 aus der Probe entfernten Aerosolteilchen ist. In F i g. 7c befinden sich die Ventile in der gleichen Lage wie in F i g. 7 b, jedoch liegt an der konventionellen Abscheidevorrichtung 41 eine Spannung von 5 kV. Das Kondensationskernmeßgerät 15 liefert also eine Anzeige, die proportional der Gesamtzahl in der Probe vorhandenen Aerosolteilchen minus der Anzahl der in den Vorrichtungen 11 und 41 durch Diffusion und in der Vorrichtung 41 durch Abscheidung entfernten Aerosolteilchen ist. Die in F i g. 7d gezeigte Ventilstellung entspricht der in F i g. 7 b gezeigten Ventilstellung, jedoch liegt an der Vorrichtung 11 eine Spannung von 100 V, während an der Vorrichtung 41 keine Spannung liegt. Das Kondensationskernmeßgerät 15 liefert in diesem Zustand eine Anzeige, die proportional der Gesamtzahl der Aerosolteilchen minus der durch Diffusion und elektrische Abscheidung in der Vorrichtung 11 und durch Diffusion in der Vorrichtung 41 entfernten Zahl von Aerosolteilchen ist. Bei der in Fig. 7e dargestellten Einstellung der Ventile 12 und 14 wird eine Gasprobe 13 durch die Vorrichtung 11 und die dazu in Reihe liegende Vorrichtung 41 hindurchgefühlt, wobei an der Vorrichtung 11 eine Spannung von 100 V und an der Vorrichtung 41 eine Spannung von 5 kV liegt. Bei dieser Einstellung liefert das Kondensationskernmeßgerät 15 eine Anzeige, die proportional der Gesamtzahl der Aerosolteilchen minus der in den Vorrichtungen 11 und 41 bei angelegter Spannung aus der Probe entfernten Zahl von Aerbsolteilchen ist. In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse dargestellt, die bei den in den F i g. 7a bis 7e gezeigten Stellungen erzielt wurden. Die Tabelle zeigt die Anzahl der gezählten Aerosolteilchen pro Kubikzentimeter der Gasprobe an. Versuch 1 entspricht dabei der Einstellung ,ria^h F i g. 7a, Versuch 2 der Einstellung nach Fig. 7b usw.

Versuch 1	Versuch 2	Versuch 3	Versuch 4	Versuch 5
59 K	44K	25 K	25 K	25 K

Aus den Ergebnissen der obigen Versuche ist ersichtlich, daß die kombinierte Diffusions-Abscheide-Vorrichtung 11 in der gleichen Weise wie eine herkömmliche Diffusionsvorrichtung arbeitet, hinter der eine perfekte Abscheidevorrichtung liegt. Die Vorrichtung 11 arbeitet mit niedriger Spannung, so daß die bisher erforderlichen Hochspannungen in der Größenordnung von 5 bis 10 kV nicht mehr gebraucht werden. Dadurch entfallen auch die Störungen, Me bisher bei feuchtem Wetter auftreten konnten, da bei hoher Feuchtigkeit die Gefahr eines Versagens der Isolation des Hochfrequenzgerätes besteht. Die obigen Versuche wurden mit gealtertem Aerosol gemacht, was bedeutet, daß keine kleinen Teilchen vorhanden waren. Die getrennte Abscheidevorrichtung 41 wies daher einen vernachlässigbaren Diffusionsverlust auf. Falls kleine Aerosolteilchen vorhanden gewesen waren, wären in der getrennten Abscheidevorrichtung 41 Diffusionsverluste aufgetreten, die eine Korrektur erforderlich gemacht hätten.

Aus den obigen Versuchsergebnissen ist ersichtlich, daß die kombinierte Diffusions-Abscheide-Vorrichtung arbeitet. Es soll nun nachstehend näher erläutert werden, warum sie arbeitet. Es sei angenommen, daß unter Verwendung eines hypothetischen monodispersen Aerosols mit der in F i g. 7 b gezeigten Vorrichtung eine Diffusionsmessung durchgeführt wird, aus der sich ergibt, daß auf Grund der Diffusionsverluste nur 70% der Teilchen durch die Vorrichtung hindurch gelangen. Bei Verwendung der in Fig. 7c dargestellten Vorrichtung ergibt sich, daß auf Grund der Abscheideverluste nur 40% der Teilchen durch die Vorrichtung hindurch gelangen. Geht man davon aus, daß das monodisperse Aerosol pro Kubikzentimeter lOOOOTeilchen enthält, dann würde bei der in Fig. 7b gezeigten Vorrichtung das Kondensationskernmeßgerät eine Anzeige von 0,7 · 10000 = 7000 und die in F i g. 7c dargestellte Vorrichtung eine Anzeige von 0,4 ■ 7000 = 2800 liefern. Nimmt man dann weiter an, daß die Abscheidevorrichtung und die Diffusionsvorrichtung vertauscht werden, so daß die Teilchen zuerst durch die Abscheidevorrichtung gelangen, dann würde man als Ergebnis 40% von 10000 oder 4000 und, falls die Teilchen dann durch die Diffusionsvorrichtung *> hindurchgeführt werden, 0,70 · 4000 = 2800 erhalten, d. h. genau die gleichen Ergebnisse wie oben. Bei einem einheitlichen monodispersen Aerosol ist es also gleich, ob man das Aerosol zuerst durch die Abscheidevorrichtung oder zuerst durch die Diffusionsvorrichtung hindurchschickt. Daraus kann a"uch geschlossen werden, daß gleichzeitige Diffusion und Abscheidung zum gleichen Ergebnis führt und daß man bei Teilchen verschiedener Größe auch zum gleichen Ergebnis wie bei Teilchen einheitlicher Größe gelangt. Die obigen Versuchsergebnisse zeigen also, daß der Diffusionsverlust bei einem Aerosol, in dem die Anzahl der positiv geladenen Teilchen gleich der Anzahl der negativ geladenen Teilchen ist, sowohl für geladene als auch ungeladene Teilchen gleich ist. Sie zeigen weiterhin, daß die Wahrscheinlichkeit, daß. ein gegebenes Teilchen durch Diffusion verlorengeht, unabhängig von der Dichte des Aerosols ist. Man kann dies dadurch erklären, daß keine Wechselwirkung

zwischen den Teilchen vorhanden ist, da beim Durch- spricht die Anzeige des Kondensationskernmeßgeräts

gang eines Aerosols durch eine Diffusionseinrichtung 15 bei unter Spannung stehender Diffusions-Ab-

vernachlässigbare Koagulation stattfindet. scheide-Vorrichtung 11, d. h. bei geschlossenem Schal-

F i g. 6 zeigt die Teilchengrößenverteilung eines von ter 21. Tatsächlich ist Z_x, der Wert Z₂, der die pro dem Erfinder erdachten Modellaerosols. Dieses Mo- 5 Kubikzentimeter vorhandene Anzahl an Teilchen bei dellaerosol wurde bei der Konstruktion der im Gerät Diffusion und Abscheidung angibt. Falls eine genach F i g. 1 verwendeten Diffusions-Abscheide-Vor- messene Aerosolprobe dem bei der Konstruktion der richtung 11 verwendet. Wie aus der in F i g. 6 darge- kombinierten Diffusions-Abscheide-Vorrichtung 11 stellten Kurve ersichtlich ist, besteht das Modell- verwendeten Modellaerosol entspricht, dann ist der aerosol aus zwei verschiedenen Größenbereichen an- _I0 aus dem Diffusionsverlust in der Vorrichtung 11 ergehörenden Teilchen. Der erste Größenbereich er- rechnete Radius im wesentlichen gleich dem aus der streckt sich von den molekulare Abmessungen auf- Abscheidewirkung der Vorrichtung 11 errechneten weisenden kleinsten Teilchen mit Radien in der Radius. Falls die beiden Radien nicht übereinstimmen, Größenordnung von 5 · ICT⁷ cm bis zu Teilchen mit ist ihr Verhältnis eine Funktion der Größenverteilung einem durchschnittlichen Radius R in der Größen- 15 der Teilchen in der Aerosolprobe und zeigt an, wie Ordnung von 2 · 10~⁶ cm. Dieser Größenbereich liegt weit die Aerosolprobe von der durch das Modellunter der durch die folgende Formel festgelegten aerosol festgelegten Norm abweicht. Unter Berück-Kurve: sichtigung der vorgenannten Erwägungen wird nun dZ 1 · 2 · Z · r nachstehend näher erläutert, in welcher Weise das

,"* = H2 ' (1) 20 Gerät nach F i g. 1 bei Durchführung einer Größen-

Verteilungsvergleichsmessung gehandhabt wird.

wobei Z die Gesamtzahl der Teilchen pro Kubik- Bei Durchführung einer Größenverteilungsverzentimetcr der Gasprobe, Z₅ die Anzahl der Teilchen gleichsmessung mit dem Gerät nach Fig. 1 werden pro Kubikzentimeter der Gasprobe mit einem Radius die Ventile 12 und 14 so verdreht* daß die zu untervon unter r, R der durchschnittliche Radius der Teil- 25 suchende Gasprobe zunächst über die Umgehungschen des Modellaerosols und r der Radius irgendeines leitung 16 unmittelbar in das Kondensationskernbestimmten Teilchens im Modellaerosol ist. Der zweite meßgerät 15 gelangt. Man erhält also bei dieser Ein-Größenbereich des Modellaerosols reicht von Teilchen stellung am Kondensationskernmeßgerät 15 die Anmit einem durchschnittlichen Radius R bis zu Teil- zeige Z₀, die der Gesamtzahl der in 1 cm³ der Gaschen mit einem Radius in der Größenordnung von 30 probe eithaltenen Teilchen entspricht. Anschließend 2 · ICT³ cm. Innerhalb dieses Bereiches liegende Teil- werden die Ventile 12 und 14 so eingestellt, daß die chen liegen unter der durch die folgende Formel fest- Gasprobe über die kombinierte Diffusions-Abscheidegelegten Kurve: Vorrichtung 11 in das Kondensationskernmeßgerät äZ 1 -2-Z-R³ 15 gelangt. Die zweite Ablesung des Kondensations-

—jr^ = 4 ' (2) 35 kernmeßgeräts wird bei geöffnetem Schalter 21 vor-

^r genommen. Das Kondensationskernmeßgerät 15 zeigt

in der Z_x, gleich der Anzahl der Teilchen pro Kubik- dann den Wert Z₁ an, der die Anzahl der Teilchen anzentimeter des Gases mit einem Radius von über r gibt, die pro Kubikzentimeter des durch die Vorist. Z ist also gleich der pro Kubikzentimeter vor- richtung 11 hindurchgegangenen Gases angibt, wobei handenen Gesamtzahl der Teilchen, Z_s gleich der pro 40 in der Vorrichtung 11 nur Diffusion auftritt. Der Kubikzentimeter vorhandenen Anzahl der Teilchen Diffusionsverlust in der Vorrichtung 11 ist hauptmit einem Radius von unter R, Z_L die pro Kubik- sächlich eine Funktion des Durchsatzes. Anschließend Zentimeter vorhandene Anzahl an Teilchen mit einem wird der Schalter 21 geschlossen, so daß nun zwischen Radius von über R, wobei R der durchschnittliche den einander abwechselnden Auffangelementen 25a Radius ist. 45 und 25 b der Vorrichtung 11 eine Spannung liegt.

Man sieht, daß der durchschnittliche Radius jR Diese Spannung braucht nur eine verhältnismäßig

auch mit dem an der Sprungstelle der Kurve herrschen- niedrige Gleichspannung mit einem Wert in der

den Radius übereinstimmt, H h. mit dem Radius, bei Größenordnung von 100 V zu sein. Das Konden-

welchem der übergang von der Formel (1) zur sationskernmeßgerät 15 zeigt dann den Wert Z₂ an,

Formel (2) stattfindet. Der durchschnittliche Radius R 50 der die Anzahl der Teilchen angibt, die pro Kubik-

stellt also einen Kompromiß zwischen dem Durch- Zentimeter des durch die unter Spannung stehende

schnittsradius der unter der Kurve 1 und dem Durch- Vorrichtung 11 hindurchgegangenen Gases enthalten

schnittsradius der unter der Kurve 2 liegenden Teil- sind. Der Abscheidungsverlust ist hauptsächlich eine

chen dar. Bei Vergleich der F i g. 5 und 6 ersieht man, Funktion der angelegten Spannung und der Strömung

daß der Wert Z dem Wert Z₀ entspricht. Der Wert Z₅, 55 durch die Vorrichtung 11. Die Einflüsse von Strömung

der die Anzahl der in 1 cm³ enthaltenen Teilchen an- und Spannung auf den Diffusionsverlust und auf den

gibt, deren durchschnittlicher Radius kleiner ist als Abscheidungsverlust sind näher in zwei Abhand-

der Durchschnittsradius R für cias Modellaerosol, ent- lungen beschrieben, die von Rich, Pollak und

spricht also der Anzeige, des Kondensationskernmeß- M e t η i e k s verfaßt sind und von denen die sins

geräts 15 bei nicht unter Spannung stehender Diffu- 60 unter dem Titel »Estimation of Average Size of

sions-Abscheide· Vorrichtung 11, d- h., wenn der Schal- Submicron Particles from the Number of AU and

ter 21 geöffnet ist. Das heißt, Z_s entspricht tatsächlich Uncharged Particles« in der Zeitschrift »Review

dem Wert Z₁, der die Anzahl der nur bei Diffusion Geofisica Pura E Applicata«, Mailand, Bd. 44 (1959/

allein pro Kubikzentimeter vorhandenen Teilchen III), S. 233 bis 241, abgedruckt ist.

angibt. Dem Wert Z_Li der die Anzahl der pro Kubik- 65 Betreibt man also das Gerät nach Fig. ! in der

Zentimeter Gasprobe enthaltenen Teilchen angibt, vorgenannten Weise, dann erhält man die Werte Z₀,

deren durchschnittlicher Radius größer ist als der Z₁ und Zj, von denen Z₀ die Gesamtzahl der pro

Durchschnittsradius R für das Modellaerosol, ent- Kubikzentimeter der analysierten Gasprobe enthal-

tenen Teilchen angibt, Z₁ die Anzahl der Teilchen, die pro Kubikzentimeter des nur Diffusion untei worfenen Gases enthalten sind, und Z₂ die Anzahl der Teilchen, die pro Kubikzentimeter des sowohl Diffusion als auch Abscheidung unterworfenen Gases vorhanden sind. Aus den Werten Z₂ und Z₀ kann der prozentuale Durchlässigkeitsfaktor bei Diffusion und Abscheidung berechnet werden, der gleich 10OZ₂₁ZZ₀ ist. Aus Z₁ und Z₀ kann ein ähnlicher Durchlässigkeitsfaktor berechnet werden, der gleich 100 Z₁JZ₀ ist. Die beiden auf diese Weise errechneten Durchlässigkeitsfaktoren führt man dann in die in F i g. 5 dargestellte Kennlinie ein. Falls die Aerosolprobe einigermaßen dem durch F i g. 6 festgelegten Modellaerosol entspricht, dann entspricht der aus der Kurve D₂ abgeleitete Radius dem von der Kurve Z)₁ abgeleiteten Radius. Beispielsweise liefert der für Diffusion und Abscheidung geltende Durchlässigkeitsfaktor auf der Kurve D₂ einen Schnittpunkt a, der einem bestimmten Radius entspricht. Der nur für Diffusion errechnete Durchlässigkeitsfaktor sollte dann auf der Diffusionskurve D₁ den Schnittpunkt b ergeben, damit die beiden Radien einander entsprechen. Falls dies ganz oder innerhalb eines vernünftigen Schwankungsbereiches zutrifft, weiß man, daß die untersuchte Aerosolprobe im wesentlichen dem Modellaerosol entspricht. Falls jedoch andererseits die Radien weiter auseinander liegen, beispielsweise die Kurve D₁ am Punkt C geschnitten wird, weiß man, daß die untersuchte Aerosolprobe stark vom Modellaerosol abweicht.

Aus.der folgenden Erläuterung der in den beiden obengenannten Abhandlungen von Rich, Pollak und M e t η i c k s beschriebenen Versuche ergibt sich, daß sich das mit dem Gerät durchführbare Vergleichsmeßverfahren durch große Einfachheit auszeichnet. Der Verlust an Aerosolteilchen durch Diffusion läßt sich äußerst schwierig mathematisch berechnen. Es wurden bisher nur zwei einfache Fälle gelöst, von denen der eine von unendlichen parallelen Platten und der andere von zylindrischen Rohren ausgeht. Nachstehend sind die Lösungen Tür beide Fälle angeführt.

Für parallele Platten gilt

T = 0,915 -e'^x + 0,059 -e'¹¹·⁸·* H- 0,026 · ε "⁸^, wobei . (3)

_{x = 745}.11»

Für zylindrische Röhren gilt

T = 0,819 · e-* + 0,097 · e⁶·¹·* + 0,0375 ·β-^16χ, (4)

wobei
χ = 14,6

T ist der durchgelassene Teilchenanteil, τ ist die durchschnittliche Verweilzeit, d ist die Mindestabmessung und D ist der DiRiisiohskoenizient, tür den gilt

(0,864 + 0,290- _e-^135r/i) wobei T_ahs die absolute Temperatur, d der Abstand zwischen parallelen Platten oder der Durchmesser der Zylinder, R die Gaskonstante, JV die Avogadrosche Zahl, r der Radius des Teilchens, λ die mittlere freie Weglänge und η die Viskosität ist. Für den Verlustanteil gilt: L=I-T.

Die obigen Ausdrücke (3), (4) und (5) gelten für ein hypothetisches monodisperses Aerosol. Um zu äquivalenten Angaben für Gemische aus Teilchen

jo verschiedener Größe zu gelangen, wie sie beispielsweise in Form von polydispersen Aerosolen in der Atmosphäre vorkommen, muß man viele Versuche mit verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten durchführen und die Größenverteilung aus den verschiedenen Diffusionsverlusten zu errechnen suchen. Dieses Verfahren wird von Pollak beschrieben und ist sehr zeitraubend und kann außerhalb eines Labors nichl angewendet werden, da in der Praxis die Änderungen so schnell verlaufen, daß keine genaue Messung möglich ist.

Bei Betrachtung der Ausdrücke (3), (4) und (5) und des bei Vorliegen eines polydispersen Aerosols erforderlichen Berechnungsverfahrens ersieht man, daß das stark vereinfachte Größenverteilungsvergleichsmeßverfahren, das mit dem einfachen Gerät durchgeführt werden kann, sehr einfach ist, da lediglich drei Ablesungen und zwei einfache Berechnungen zur Feststellung erforderlich sind, ob die Größenverteilung des gemessenen Aerosols mit der Größenverteilung eines Modellaerosols für ähnliche Umgebung übereinstimmt. Mit Hilfe des Gerätes können also leicht und schnell Vergleichsmessungen zur Feststellung der Übereinstimmung der Größenverteilung einer Aerosoiprobe mit der Größenverteilung eines Modellaerosols durchgeführt werden. Bei diesen Messungen werden die Diffusionsverluste, die auftreten, wenn das Gerät unter angelegter Spannung arbeitet, eliminiert. Für das Gerät sind im Gegensatz zu den bekannten Geräten verhältnismäßig niedrige Spannungen erforderlich, so daß die bei Verwendung von Hochspannung auftretende Störanfälligkeit vermieden wird.

Claims

Patentanspruch:

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Gerät zur Bestimmung der Größenverteilung der Aerosolteilchen in einer gasförmigen Probe, bestehend aus einer Diffusions-Abscheide-Vorrichtung, in deren Eingangszone eine Strahlungsquelle

s° angeordnet ist und an die wahlweise zum Betreiben ■ als Abscheidevorrichtung eine Spannungsquelle anschaltbar ist, und aus einem Kondensationskernmeßgerät, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Auffangelemente (25a, 25b) der Diffusions-Abscheide-Vorrichtung • (11) so gewählt sind, daß als Spannungsquelle (18, 19) eine Niederspannungsquelle (Größenordnung 100 V) ausreichend ist und daß zwischen der Eingangskammer (23) der Diffusions-Abscheide-Vorrichtung (11) und dem Eingang des . Kondensationskernmeßgerätes (15) eine wahlweise einschaltbare Umgehungsleitung (16) vorgesehen ist, über die die zu untersuchende gasförmige Probe unmittelbar dem Kondensationskernmeßgerät (15) zuführbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen