DE2213859C3

DE2213859C3 - Vorrichtung zum Bestimmen der Teilchengrößen-Verteilung von Aerosolen

Info

Publication number: DE2213859C3
Application number: DE2213859A
Authority: DE
Inventors: Gerhard 3400 Goettingen Lorenz
Original assignee: Sartorius Membranfilter GmbH
Current assignee: Sartorius Membranfilter GmbH
Priority date: 1972-03-22
Filing date: 1972-03-22
Publication date: 1974-12-05
Also published as: DE2213859B2; GB1428563A; US3825345A; DE2213859A1; JPS4915491A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Den bekannten Teilchengrößen-Spektrumetern zur Bestimmung der Tcilchcngrößcn-Vcrteilung in Aerosolen im natürlichen Schwebezustand liegen zwei Meßprinzipien zugrunde:

1. die Lichtstreuung an den Teilchen und

2. die Szintillations-Spektralanalyse.

Die Streiilichimethode führt zu einem komplizierten funktionalen Zusammenhang zwischen Teilchen- «rü«e und Streulichtsigna!, der nicht allein die Teilchengröße, sondern auch den Brechungsindex und die Form der Teilchen als Parameter enthalt. Hinzu kommt daß die StreuHchimethode sich wegen des ungünstigen Signal-Rausch-Verhältnisses kaum zur Bestimmung von Teilchengrößen unter 0.3 um eignet.

Man hat versucht, diese Schwierigkeiten durch einen S/intillntions-Teilchenzähler zu unwr-cn. wobei man eine flammenfotomeirisehe Methode zur Teilcheiiiirößen-Analvse benutzt hat (deutsche Oilenle»u <vsschrift I 598 2SS). Dabei werden die Aerosolteilchen einzeln nacheinander einer sehr kleinen Wasserstolfllamme zugeführt und in dieser verdampli. Die Teilchen imiltieren während ihrer Verweilzeit in der Flamme einen Licliiblitz. dessen Intensität dei Teilchenmasse proportional ist. Durch einen Fotovervielfacher werden die Lichtblitze in entsprechende elektrische Impulse umgeformt.

Die Szintillations-Spektralanalyse eignet sich ,edoch nicht zur Teilchengrößen-Analyse atmosphärischer Aerosole. Darüber hinaus ist dieses Verfahren in vielen Fällen um Größenordnungen zu unempfindlich. Die Intensität der imittierten Lichtblitze iss nämlich im thermischen Gleichgewicht, d. h.. wenn das Teilchen in der Flamme völlig verdampft ist. proportional dem Verhältnis aus der Zahl der angeregten Atome zu der Zahl der Atome im Grundzustand. Dieses Verhältnis nimmt selbst bei ■ emperaturen \m\ etwa 2500 K nur relativ kleine Werte an. Während es bei leichten Elementen, wie Natrium ui d Kalium. Werte in der Größenordnung von 10"· hat. hai es bei schwereren Elementen, wie Kupfer oder BLi. Werte in der Größenordnung von K)-" und 1 ()■'·. Die Methode ist für derartige Elemente also völlig unempfindlich.

Durch die Erfindung soll ein Teilehengrößen-Spektrometer geschaffen werden, das sich zur Analyse von Aerosolen eignet, durch das auch Teilchen unter (1.3 μπι erfaßt werden können, und das außerdem zum Nachweis schwerer Elemente geeignet ist.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs i beschriebenen Merkmale gelöst.

Im Gegensatz zu der bekannten Emissions-Methode wird hier also eine Atomabsorptions-Methode angewendet. Im Gegensatz zur Emission ist für die Wirksamkeit der Absorption nicht die Zahl der angeregten, sondern die Zahl der im Grundzustand befindlichen Atome wesentlich, so daß die Methode gerade für schwerere Elemente besonders geeignet ist. Während z. B. die Rcsonanzlinie von Zink bei der Emission kaum nachweisbar ist, liefert die Absorplions-Methodc hier ungefähr die gleiche Empfindlichkeit wie die Fmissions-Methode für Natrium.

In der Flamme werden die Aerosolteilchen verdampft. Die Ausdehnung der Flamme bildet eine Begrenzung für das durch die Verdampfung erzeugte

absorbierende Medium. In der Lichtquelle wird UcIu durch Anregung von Atomen imittiert, die gleicher Art sind wie die zu untersuchenden Atome, /.. B. Blei, wenn es sich um den Nachweis von Bleiparlikeln in der Luft handelt. Das verdampfte Blei absorbiert nun das von Hleiatomen ausgehende I iclu. Der nachgeschaltetc Fotovervielfacher verwandelt das durch die Flamme hindurduretende Licht in einen elektrischen Impuls, der anschließend /ur Auswertung einem Meßgerät zugeführt wird.

F.inc vorteilhafte Weiterbildung der Frfmd.ung ist in den Merkmalen gemäß dem Anspruch 2 zu sehen. Der Monochromator läßt eine charakteristische Frequenz des Spektrums durch und trennt diese \on dem Flammenhintergrund.

Die in die Flamme gehraeluen Aerosolteilchen werden im allgemeinen nicht nur Licht absorbieren, sondern durch die Flammentemperatur auch so weit angeregt werden, daß sie selbst Licht aussenden. Das l.ichlbündel enthält dann nach dem Dnrdiiriu durch die Flamme sowohl ein aufgeprägte·. Absoiption^- siiinal. di:s das Lichthilndcl schwächt, als auch em aufseprägies F-mission-signal. durch das d-is 1 ichibiindel verstärkt wird. In sielen Fällen kann es Schwierigkeiten hereilen, dann überhaupt noch einen l'nterschied an dein austretenden Lichihünde! wahr-7unehmen Diese Schwierigkeiten können in sorteillii-.ftcr Weiterbildung der Lrtindung durch tue im Anspruch 5 beschriebenen Merkmale vermieden wciden. Auf diese Weise wird nur das Absorpiionssignal ausgewertet und das Emissionssignal unberücksichtigt gelassen.

Noch vorteilhafter ist es, zusätzlich das Lmissionssinnal auszunutzen. Dies kann in Weiterbildung der Erfindung durch die Merkmale gemäLl dem Anspruch 6 geschehen. Durch die Summieruiig beider Sicnale erhält man ein Ausgangssignal besonders hoher Intensität, was beim Nachweis sehr kleiner Aerosoltcilchcn und von Teilchen aus besonders leichten Atomen von besonderem Vorteil ist.

Bin Ausführungsbeispiel der Friindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt in schematische" Seitenansicht den räumlichen Aufbau des Spektrometer, und

! ig. 2 zeigt die zugehörige Schaltung, mit Angabe der jeweiligen Schwingungs- und Impulsformen:

Fig. 3 zeigt ein Diagramm einer Absorptionslinie.

Mit 1 ist die Holilkathodcnlampe bezeichnet. Dies ist eine Gasentladungslampe. Sie hat eine als Schale ausgebildete Hohlkathode 3. die z. B. aus Kupfer besteht, wenn der Kupfergehalt eines Aerosols imtei
sucht werden soll. Von einer nur schemaiiseh angedeuteten Anoden geht ein F'leklronenstiahl aus. der in der Hohlkathode das Material, /. B. Kupfer, an
regt, so daß sich ein Leuchlflcck von z.B. 7 mm Durchmesser ergibt. Zwischen Anode und Kathode wird eine Wechselspannung einer spiilei noch /u ei
örtcrnden Frequenz angelegt.

Auf die Hohlkatiiodenliimpe IOIiJt eine Blende 7 mit relativ weiter kreisförmiger Öffnung und auf diese ein Kondensor 9. der den l.euchttleck der Hohlkathode auf ein verhältnismäßig kleines kreisförmiges Loch einer Blende II abbildet. Durch eine Linse 13 wird das von der Lochblende M her divergent verlaufende Bündel in ein konvergentes durch i:^;: Flamme 15 verlaufendes Bündel verwandelt. Die Linse 13 hat einen um eine lotrechte, d. h. in der Zeichenebene liegende Achse oiicntieilen ZvlindersehlilL oder es ist eine Zylinderlinse zugesetzt. Flierdurch wird ein Bündel von ovalem Querschnitt geformt, dessen größte Ausdehnung lotrecht verläuft. Fine Zerstreuungslinse 17, die einen um eine waagerechte Achse orientierten ZylinderschlifT haben kann, macht aus dem konvergierenden astigmatischen Bündel I¹J ein Bündel 21 mit im wesentlichen parallelen Strahlen, das in einen Monochromator 23 einfallt. Fs können mehrere gegeneinander austauschbare Mono-

!o chromatoren für die verschiedenen zu untersuchenden Materialien vorgesehen sein. Das aus dem Monochromator austretende Licht einer Wellenlänge fällt in einen Fotovervielfacher 25, der ein entsprechendes elektrisches Ausgangssigna! abgibt.

Die sehr kleine Ramme 15 brennt in einem Gehäuse 27. in dem durch eine nicht dargestellte Pumpe ein Unterdruck von etwa 50 mm Wassersäule aufrechterhalten wird. Zur F.rzeugung der Flamme wird durch zwei Kanäle 29 Wasserstoff zugeführt und

2n durch einen mittleren Kanal 31 das Aerosol. Zum Beispiel k.inn I Wnucbun^hil't aruesaugl werden. AlL drei Kanäle lieuen in einer Lhe· ... so daß sich eine tlaehe IlaiiiMe emibt. eieren »roßte Ausdehnung in tier /eichencbene. also in der Lbene der optischen Achse lie»!.

Du. Breitseite der Flamme 15 verläuft in Richtung tier optischen Achse. Dadurch svird ein optimales Verhältnis /wischen zwei schlecht verträglichen Bedingungen geschalfen. nämlich:

1. Die Flamme sollte so klein wie möglich sein. Je geringer die Verweil/eil der Aerosolteilchen in der Flamme ist. die praktisch die Totzeit des (ieriite-- bestimmt, um so größer ist die maximaie Acrosolkonzentraiion. die von dem Cierät aufgelöst werden kann. Die untere Grenze der Flammen»röße ist durch die Forderung festgelegt, daß die Partikeln sollständig in der Flamme verdampfen müssen.

2. Die Strecke, die (.las l.ichlbündel in der Flamme zurücklegt, soll so groß wie möglich sein, da die .Absorption eine Funktion dieser Strecke i>t. Andererseits darf die Flamme nur so groß sein, daß sie für die verdampften Veilchen eine örtlieh teste Begrenzung darstellt.

Jede·· in der [-"lamme verdampfte Aerosolteilchen stellt während seiner Verweil/eit in der !-"lamme cm Absorptionsmedium dar. wobei die Absorptions sirecke durch die Ausdehnung tier Flamme in Richtung dei -iptisehen Achse bestimmt ist.

Weitere Finzelheiien zur 1 r/eiigung einer derartikel (lamme ergeben sich aus der deutschen ()llcnlemingssc!iritt IMXS'il. Die Ausdehnung des

.">.Ί 1 .ichtbündels und der Flamme sind ■.·■> aufeinander abgestimmt, daß die Flamme größtenteils ausgelcuchtel wird.

Durch ausreichende Verdünnung des Aerosols und dalitr gCMiigl. d.il.l jeweils nur ein eiivjges Teil

⁶⁽¹ chen in der Flamme verweilt. Das nächste Teilchen tritt erst ein. nachdem das vorangehende verdampft ist. Das verdampfende Mater;.il absorbiert einerseits mehr oder weniger das hindurchlietendc Lichtbündel. Andererseits imii'.iert es im allgemeinen Licht glei-

^fi5 eher Wellenlänge.

Wie L ig. - zeigt, wild der zur Speisung der Hohlkathodcnlampe erforderliche Wechselstrom in einem Oszillator 33 erzeugt. Die Frequenz, der Oszillator-

5 ^ 6

sch vingung 32 ist so gewählt, daß ζ. B. zehn Schwin- wobei in der Absorplionskocffizicnl des Mediums für gütigen auf die Verweilzeit eines Aerosolteilchens in die gegebene Ficqucnz / darstellt. Der Absorptionsdei Flamme 15 entfallen. Die Frequenz kann in dei koeffizienl n> stellt in einem /!!-/-Diagramm keine Größenordnung \on I kHz liegen. Das Ausgangs- Linie dar. sondern besitzt eine Halbwertsbreite I/ signal des Oszillators wird in einem Verstäiker 35 5 (F i u. 3), Das Integral über einer Absorptionslinie ist verstärkt und der Hohlkalhodenlampe 1 zugeführt. proportional der Anzahl der Atome des Absorptions-Ist die Frequenz für eine einwandfreie Funktion der mediums im Grundz.usland:

Hohlkathodcnlampc zu hoch, so kann die Hohl- I'm tlf K-N (2) kathodenlampe mit Gleichstrom gespeist werden und

an Stelle einer ruhenden Lochblende 11 eine rotie- m Hierin bedeutet N die Zahl der Atome im Grund-

rende Blende mit einem Lochkranz verwendet wer- zustand und K eine Konstante. Der maximale Ab-

den. so da« ein kontinuierliches Lichtbündel in ein- sorptiouskoeffizient m„ einer Absorptionslinie ist: zelne Impulse zerhackt wird.

Das Ausgangssignal des Fotovervielfacher 25 ent- 2/i /'

hält ein Signal, das einen Emissionsimpuls darstellt. 15 "Ό I'"/ ¹V P)

sowie ein weiteres Signal, das durch Aufmodulation ' ·' des Absorptionsimpulses auf die Schwingung des

Oszillators 33 entstanden ist. In einer elektrischen Hierin ist b eine Konstante und I/die llalbwerts-

Weiche 40 werden nun beide Signale voneinander breite der Linie. Aus den Gleichungen (2) und (3)

getrennt. Fin Zweig 40« enthält einen Tiefpaß 42. 20 folgt-

der nur die Fmissionsimpulse 43 durchläßt. Auf den 2/>

Tiefpaß folgt ein Verstärker 44. In dem Zweig 40/) "'»- · K ■/V (4) ist ein Zweiweggleichrichter 46 vorgesehen. Dieser

Gleichrichter ist phasenempfindlich und sperrt die Aus den Gleichungen (1) und (4) folgt:

Fmissionsimpulse. Fr richtet die Trägerfrequenz »5

gleich und filtert den aufmodulierten Absorptionsim- /

puls 47 aus, der nun einem Verstärker 48 zugeführt ^m «·/V (5)

wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird in "

einem Inverter 50 invertiert, d.h. positiv-negativ- Hierin ist ,1 ein l'roporlionalitälsfaktor, der nur von verkehrt (51). Die Ausgangss.gnale 43 und 51 der 30 _{dcf An t|cs AhM1}rptionsmed.ums und der Wellen-Zweige 40« und 40/) werden dann gemeinsam einer _Uin^. _{llcs /u} absorbierenden I ichtbündcls abhängt Interferenzstule 52 zugeführt, wo sie summiert wer- _{Ri|ut m;m ci|)c|}. Wasserstoli-Mikroflamme Aeroden. Das Ausgangssignal dieser Stufe wird in üblicher solpartikeln einer bestimmten Zusammensetzung ein-We-.se geeigneten Meßgeraten zugeführt. _{/cin Zll}_ _M, kann man. wenn die Teilchen vollständiu

Die Impulshöhe dieses Signals ist em Maß Iu. die 35 _vcldampien. während der Verweilzeit der Teilchen in

Teilchengroße. Die Impulshäufigkeit ist em Mal, Uu _(lcr |.-|_amnK. _dic ||_{ammc a}|_{s cin} Absorptionsmedium

die I eüchenkonzenlration. konstanter Abmessungen betrachtet Die Absorption

Soll ,lie Teilehengrol.Vn-Verle.hmg im Aerosol IeM- ^_{1 tl;mn} proportional der Anzahl der Atome des Teilgestellt werden, so wird der Interferenzstule 52 ein ehens im Grundzustand. was entsprechend den obisien Amplitudenanalvsator nachgcschaltet. der mehrere 4o _Aus|_ll!miIli,_{cn f;is}, _l|cr cicsiiml/ahl der Atome des Ausgänge fur \erschiedene Amplitudenbereiche und Teilchens entspricht. Ts ist also: damit Teilehengrößenbereiehe hat. Jedem der Aus-

eänge wird ein Zähler nachgeschaltet. Durch Aus- _(/ ^

wertune. der Zählergebnisse kann dann die Teilchen- V - ■ . ₍/^:l K₁)

erößen-Vc'teihmg ermittelt werden. ⁴5 "i ('

Soll daiieuen die Teilchenkonzentration im Aerosol

bestimmt'werden, so wird das Ausuangssisinal dei ^fur Kugelförmige Teilchen, wobei ,_. die Dichte dei

Interfcrenzsnife einer Impuisinicgration-schaitur.g Teilchen, in das Atom- oder Molekulargewicht. .', die

zu"eführt der eine Analoganzeieevwrichtune nach- Loschmidtsche Zahl und ti der Durchmesser der Teil

!icsdiallel ist. Man erhält\o eine Anzeige für das 5" chen ist. Au-den Gleichungen (5) und (6) folgt: Gesamtvolumen der "Teilchen je Kubikmeter Luft. 1st

das mittlere spezifische Gewicht bekannt, so errechnet ^m ' '¹¹^n c-rf' (7) man hieraus das Gesamtccwichi in mn m^!. Ist darüber

hinaus die Größenverteilung der Teilchen aus der ^uobci < ^clnc Konstante ist. Die Absorptionsimpuls

obeivenannten Xuswertimti^lvkannt. so erhält man 55 ''"'"' I In / In / In /„ in Abhängigkeit von de

die Anzahl der Teilchen je Kubikmeer. Teilchengröße d ergibt damit in doppelt logarith

Im loliienden soll eine für die Auswertung der mischer Darstellung eine Gerade der Steigung 3 1.

Meßcr-ebnisse wesentliche Forme! hcreeleilet ^I)lc (Eichung (7) giU unter der Bedingung, daß di

werdeii" Zeniralfrcquenz des monochromatischen Lichtbün

Vieh!"ein monochromatisches Lichtbündel der In- ^{6o ikK mit tlcr} Zeniralfrcquenz. der Absorplionslini

tensitäl / durch ein Absorptionsmedium der Lance /. übereinstimmt. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn al

so wird e"s .-escliWacht. Tür das Verhältnis der Inten- Lichtquelle das Lmissionsspektrum der zu analysic

sit^:it / des Bündels hinler dem Absorptionsmedium renden Substanz benutzt wird. Infolgedessen eigne

zur Intensität /„des unccschwächten Bünde!- gilt: ^{Mlil hlcr/u} Holilkalliodenlampen. Die Halbwert"

«5 r»rc!len ilei Fmissionslinien -ind wesentlich klein« als die dei entsprechenden Absorptionslinien. Hie

' _c iit ^:lu>> -"!'"''¹I -ich eine hohe I mpfindlichkcit der MeI

I₁ methode.

llici/u I Bl.itt Zeil !mim. . r.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Bestimmen tier Teilchengrößen-Verteilung von Aerosolen mit einer Ein- richtung zum einzelnen und aufeinanderfolgenden Einführen der Aerosolteitchen in eine die Verdampfung der Teilchen bewirkende Flamme und mit einem auf die Flamme gerichteten fotoelektrisehen Empfänger, der mindestens für eine Frequenz des Emissionsspektrums der Atome der Teilchen empfindlich ist, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (1), die gebündeltes Licht mit der spektralen Zusammensetzung des Emissionsspektrums der Atome der Teilchen »5 durch die Flamme (15) auf den Empfänger (25) sendet.

2. Vorrichtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet. i':tü im Weg des Lichibündels (14. 19) /wischen i'.jr Flamme (15) und dem Empfanger (25) ein auf eine charakteristische Frequenz des Spektrums abgestimmter Monochromator (23) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Flamme (15) ljiict zu ihrer Brennrichtiing einen länglichen Querschnitt hat, dessen größere Ausdehnung in die Richtung des Lichibündels (14. 19) fallt, und daß das Lichtbündel (14. 19) einen länglichen Querschnitt hat, dessen größere Ausdehnung in die Ausströmungsrichtung der Flarr"nengase fällt.

4. Vorrichtung nach einem dei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Flamme (15) und die Ausströmgeschwindigkeit des Aerosols so bemessen sind. daß die Teilchen in der Flamme (15) \ollständig verdampfen und sich in der ganzen Flamme (15) verteilen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (I) eine Wechsellichtquelle mit einer solchen Frequenz (Trägerfrequenz) ist. daß auf die Verweilzeit der Atome eines verdampften Teilchens in der Flamme (15) eine Vielzahl von Schwingungen entfällt, und daß dem Empfänger (25) eine elektrische Schaltungsanordnung zur selektiven Ausfilterung des der Trägerfrequenz auf modulierten Meßsignals nachgeschal'.et ist.

6. Teilehengrößen-Spcktrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltiingsanordnimg eine elektrische Weiche (40) umfaßt, deren einer Zweig (40h) einen Gleichrichter (46) zum Gleichrichten der Trägerfrequenz und Ausfiltcm des Absorptionsimpulses aufweist und deren anderer Zweig (4Ou) einen Tiefpaß (42) aufweist, der nur den Emissioiisimpuls durchläßt, daß einer der Zweige einen Inverter (50) zum Umkehren des Impulses von Positiv in Negativ oder umgekehrt aufweist und daß die Ausgänge beider Zweige mit einer Summierungseinheit (52). insbesondere einer Interfercnzstufe. verbunden sind.