DE10307805A1

DE10307805A1 - Weitbereich-Teilchenzähler

Info

Publication number: DE10307805A1
Application number: DE10307805A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Y H Liu
Original assignee: MSP Corp
Current assignee: MSP Corp
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2023-02-25
Also published as: GB2390678B; GB2390678A; GB0304528D0; DE10307805B4; US6639671B1

Abstract

Ein Weitbereich-Teilchenzähler weist Abschnitte auf, die getrennt grobe und feine Teilchen in einem Aerosol detektieren. Die groben Teilchen werden in einem optischen Teilchenzähler gezählt und klassifiziert. Die feinen Teilchen werden mit einem differentiellen Mobilitätsanalysator klassifiziert, um die Größe zu bestimmen, und dann durch einen Verdampfer und Kondensator geschickt und ebenfalls gezählt. Die Verwendung unterschiedlicher Abschnitte läßt die Zählung und Messung eines weiten Bereichs der Teilchengröße in einem einzigen Instrument mit einer hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu.

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Größenverteilung von Aerosolen über einen weiten Teilchengrößenbereich. Insbesondere betrifft die Erfindung die Messung von Teilchen, die in einem Gas suspendiert sind, was als ein Aerosol bezeichnet wird. Das am meisten verbreitet Trägergas ist Luft, jedoch können andere Gase, wie Stickstoff, Helium, Argon, CO₂ und andere Gase ebenfalls Medien für eine Teilchensuspension sein. Die Teilchen können fest, flüssig oder eine Mischung von beidem sein.
In der umgebenden Atmosphäre können Teilchen über einen Größenbereich von etwa 2 Nanometer (nm) bis über 50000 nm im Durchmesser vorhanden sein, wobei Teilchen im Bereich von 10 nm bis 10000 nm vom Gesundheits- und Sicherheitsstandpunkt am wichtigsten sind. Es existiert gegenwärtig keine einzige Vorrichtung, die Teilchen über diesen Bereich messen kann. Der hierin beschriebene Weitbereich-Teilchenzähler (WPC) macht dies möglich.
Gegenwärtig erhältliche Teilchenzähler weisen einen beschränkten Betriebsbereich von Größen auf, und es werden mehrere unterschiedliche Teilchenzähler benötigt, um Aerosole richtig zu analysieren.
Aerosole treten sowohl in der Natur als auch in der menschlichen Umgebung auf. Sie sind wichtig in der wissenschaftlichen Forschung und in technischen Anwendungen. Aerosolteilchen in der Atmosphäre können Licht streuen und die atmosphärische Sichtbarkeit beeinflussen. Wenn sie inhaliert werden, können sich die suspendierten Teilchen in den Lungen ablagern, um potentielle gesundheitliche Auswirkungen in Menschen zu verursachen. Aerosolteilchen müssen häufig gemessen werden, damit die Quellen der Teilchen kontrolliert werden können oder Vorkehrungen getroffen werden können, wenn die Quellen nicht kontrolliert werden können.
Aerosole werden auch zum Zwecke wissenschaftlicher und technischer Anwendungen erzeugt. Bei Laboruntersuchungen zum Beispiel werden Aerosole mit einer kontrollierten Größenverteilung benötigt; um Filter und andere Teilchensammler zu testen, um ihre Effizienz zu bestimmen. In medizinischen Anwendungen werden häufig Arzneiverbindungen in Aerosolform zur Verabreichung in die Lungen zur Krankheitsbehandlung erzeugt. Die Teilchengrößenverteilung ist wichtig, da die Teilchengröße die spezifischen Regionen der Lungen, wo sich die inhalierten Teilchen ablagern werden, und folglich die Effektivität und Wirksamkeit der inhalierten Arzneien bestimmt. In allen Fällen dieser Beschreibung wird ein Gas, das suspendierte Teilchen enthält, als ein Aerosol bezeichnet, wobei hinsichtlich der chemischen Beschaffenheit der Teilchen und jener des Gases, und ihrer jeweiligen physikalischen Zustände keine Beschränkungen gemacht werden.

Eines der gegenwärtig am verbreitetsten verwendeten Aerosolmeßinstrumente ist der optische Teilchenzähler (OPC), der zuerst im US-Patent 2,732,753 (O'Konski) beschrieben wurde. In einem OPC wird ein Aerosol durch einen Lichtstrahl geschickt, um eine optische Streuung zu verursachen. Das gestreute Lichtsignal von jedem Teilchen wird dann detektiert und mit der Teilchengröße in Beziehung gesetzt. Der OPC ist in der Lage, Teilchen bis zu einer unteren Größengrenze von etwa 100 nm im Durchmesser zu detektieren, wobei einige spezielle OPCs entworfen worden sind, um Teilchen zu detektieren, die so klein wie 60 nm im Durchmesser oder einer charakteristischen Abmessung sind.

Ein anderes Teilchenmeßinstrument ist der Kondensationskernzähler (CNC), der auch als ein Kondensationsteilchenzähler bezeichnet wird. Der am verbreitetsten verwendete CNC ist jener, der auf dem US-Patent 4,790,650 (Keady) beruht. In diesem CNC wird das Aerosol zuerst mit dem Dampf eines Arbeitsfluids bei einer erhöhten Temperatur gesättigt. Ein typisches Arbeitsfluid ist Butylalkohol, und eine typische Sättigertemperatur beträgt 35°C. Das dampfbeladene Aerosol geht dann durch einen Kondensator, der typischerweise auf 5°C gehalten wird, um das Gas abzukühlen und den Dampf auf Teilchen kondensieren zu lassen, um Tröpfchen zu bilden. Die Tröpfchen werden dann durch optische Streuung gezählt, wie in einem herkömmlichen OPC. Der CNC ist in der Lage, Teilchen unter der unteren Größengrenze des OPC zu detektieren, da Tröpfchen, die durch Dampfkondensation gebildet werden, erheblich größer als die Teilchen selbst sind, was es folglich leichter macht, sie durch Lichtstreuung zu detektieren.

Da ein CNC nur in der Lage ist, Teilchen zu zählen, wobei er jedoch nicht die Teilchengröße mißt, muß ein CNC mit einer Größenanalysatorvorrichtung, wie einem Mobilitätsanalysator kombiniert werden, um sowohl die Größe als auch die Teilchenanzahl zu bestimmen. Es wird üblicherweise ein differentieller Mobilitätsanalysator (DMA) zur Größenbestimmung verwendet. Das DMA- Verfahren der Größenklassifizierung beruht auf der elektrischen Mobilität einfach geladener Teilchen, d. h. Teilchen, die eine einzelne Elektronenladungseinheit tragen. Liu und Pui (1974) und Knutson und Whitby (1975) waren die Entwickler der DMA für diese Anwendung. Die Veröffentlichungen, die dieses DMA-Verfahren erläutern, sind: "A Submicron Aerosol Standard and the Primary, Absolute Calibration of the Condensation Nuclei Counter," Benjamin Y. H. Liu, David Y. H. Pui, Journal of Colloid and Interface Science, B. 47, Nr. 1, Apr. 1974; und "Aerosol Classification by Electric Mobility: Apparatus, Theory, and Applications," Journal of Aerosol Science, 1975 S. 443-451, W. O. Knutson und K. T. Whitby.

Jüngste Verbesserungen des DMA werden im dem Artikel "Design and Testing of an Aerosol/Sheath Inlet for High Resolution Measurements with a DMA," Da-Ren Chen, David Y. H. Pui, George W. Mulholland, und Marco Fernandez, Journal of Aerosol Science, B. 30, Nr. 8, S. 983-999, 1999 durch Chen u. a. (1995) beschrieben. Die Entwicklung des Nano-DMA zur Teilchenmessung unter 50 nm Teilchendurchmesser wird durch Pui u. a. im US-Patent 6,230,572 B1 offenbart. Diese jüngsten Entwicklungen verbesserten die Genauigkeit und den Bereich der DMA-Vorrichtungen weiter.

Das DMA-Verfahren der Größenklassifizierung beruht auf der Tatsache, daß die elektrische Mobilität eines einfach geladenen Teilchens invers mit der Teilchengröße in Beziehung steht. Ein polydispergiertes Aerosol, das einfach geladene Teilchen über einen Bereich von Größen enthält, kann gemäß der Größe in einem elektrischen Feld klassifiziert werden und erzeugt ein nahezu monodispergiertes Aerosol innerhalb eines engen Bereichs elektrischer Mobilitäten, und folglich enthält das erzeugte Aerosol Teilchen von im wesentlichen derselben Größe. Das klassifizierte Aerosol kann dann durch einen CNC gezählt werden. Der DMA ist im allgemeinen auf Teilchen beschränkt, die kleiner als etwa 500 nm im Durchmesser sind.

Alle Aerosolmeßinstrumente haben bestimmte ihnen innewohnende Größenbeschränkungen. Im Fall des DMA ist die Beschränkung auf die niedrige elektrische Mobilität großer Teilchen zurückzuführen. Wenn die Teilchengröße zunimmt, nimmt auch die elektrische Spannung zu, die benötigt wird, um die Teilchen durch elektrische Mobilität zu klassifizieren. Bei dem üblichen Durchfluß, der bei der differentiellen Mobilitätsanalyse verwendet wird, können Spannungen, die so hoch wie 10000 Volt sind, benötigt werden, um Teilchen bei einem Durchmesser von 500 nm zu klassifizieren. Aus diesem Grund wird die Mobilitätsanalyse über eine obere Größengrenze von etwa 500 nm hinaus selten verwendet.

Andererseits ist der OPC in der Teilchengröße beschränkt, die er zufriedenstellend detektieren kann, infolge dessen, daß das gestreute Lichtsignal von einem Teilchen im allgemeinen mit abnehmender Teilchengröße abnimmt. Unter etwa 100 nm beginnt das gestreute Lichtsignal in den sogenannten Rayleigh-Streuungsbereich einzutreten, wo das Signal sich annähernd mit der sechsten Potenz der Teilchengröße ändert. Eine Verminderung der Teilchengröße um einen Faktor von zwei würde folglich zu einer annähernd 64-fachen Reduzierung des gestreuten Lichtsignals führen. Die Detektion kleiner Teilchen unter 100 nm wird zunehmend schwieriger, selbst wenn Hochleistungslaser als Lichtquellen, eine Sammeloptik mit einer hohen numerischen Apertur und empfindliche Photodetektoren verwendet werden. Obwohl optische Teilchenzähler dazu entworfen worden sind, Teilchen zu detektieren, die so klein wie 60 nm im Durchmesser sind, ist die benötigte Ausrüstung im allgemeinen groß und kostspielig. Aus diesem Grund werden hochempfindliche optische Teilchenzähler nicht verbreitet verwendet.

Im Prinzip können optische Teilchenzähler weiter verbessert werden, um Teilchen zu detektieren, die kleiner als 60 nm sind. Mit einem weiteren Fortschritt können sogar kleinere Teilchen detektierbar werden. Jedoch haben Fortschritte in der Technologie des optischen Teilchenzählens die Technologie nicht nützlicher zur Aerosolmessung über einen weiten Größenbereich gemacht. Designer optischer Teilchenzähler haben nicht die Probleme erkannt, die mit einer Weitbereich- Teilchenzählung verbunden sind und die speziellen Anforderungen, die erfüllt werden müssen, um Teilchen über einen weiten Größenbereich zu messen. Eine Anforderung, die mit dem folgenden Beispiel veranschaulicht wird.

In der umgebenden Atmosphäre folgt die Aerosolgrößenverteilung im allgemeinen dem Gesetz von Junge, das feststellt, daß die Konzentration von Aerosolteilchen, die größer als eine bestimmte Größe sind, umgekehrt proportional zur 3. Potenz der Teilchengröße ist. Wenn die atmosphärische Teilchenkonzentration von Teilchen, die größer als 50 nm sind, sagen wir 30000 Teilchen pro cm³ beträgt, dann wäre die Konzentration von Teilchen, die größer als 500 nm sind, um einen Faktor von 1000 niedriger sein oder in der Größenordnung von 30 Teilchen pro cm³. Für Teilchen, die größer als 5000 nm sind, wäre die Konzentration eine Million mal niedriger oder würde in der Größenordnung von 0,03 Teilchen pro cm³ liegen.

Die steil abfallende Konzentration großer Teilchen in der Atmosphäre zeigt an, daß selbst wenn ein einzelner Detektor entwickelt würde, der Teilchen über einen weiten Größenbereich detektieren könnte, sagen wir von 50 nm bis 10000 nm Durchmesser, der Detektor, wenn er bei einem spezifischen Probenentnahmedurchfluß betrieben würde, zu sehr hohen Teilchenzählraten im Kleinteilchenbereich und einer sehr niedrigen Zählrate im Großteilchenbereich führen würde.

Zum Beispiel würde bei einem Probenentnahmedurchfluß von 1 Liter pro Minute (1/min), d. h. 1000 cm³ pro Minute, jede Minute 30000000 Teilchen im Durchmesserbereich von 50 nm bis 500 nm hervorrufen, die gezählt werden müssen. Eine solche Zählrate ist im allgemeinen zu hoch und würde die Zählratenbeschränkung für die gegenwärtige optische Zählertechnologie überschreiten. Andererseits würde jede Minute einer Abtastung durch den Detektor nur 30 Zählungen für Teilchen im Bereich größer als 5000 nm ergeben. Solch eine Teilchenanzahl ist üblicherweise für statistisch genaue Zwecke zu niedrig.

Um atmosphärische feine Teilchen im Bereich von 50 nm bis 500 nm mit einer vernünftigeren Rate zu zählen, kann der Durchfluß des Detektors auf sagen wir 0,1 l/min reduziert werden, so daß nur 3000000 Teilchen in jeder Minute gezählt werden müssen. Bei einem solchen Probenentnahmedurchfluß würde der Detektor nur 3 Teilchenzählungen im Bereich größer als 5000 nm jede Minute ergeben, wobei folglich die statistische Genauigkeit der Großteilchenzahl verschlechtert würde. Wenn andererseits der Probenentnahmedurchfluß auf sagen wir 10 1/min erhöht wird, so daß 300 Teilchen im Bereich größer als 5000 nm in jeder Minute gezählt werden können, um die statistische Zählgenauigkeit für große Teilchen zu verbessern, müßten 300000000 Teilchen im Bereich 50 nm bis 500 nm gezählt werden, wobei folglich die Zählratenanforderung des Zählers für feine Teilchen verschlechtert würde.

Dieses Beispiel veranschaulicht, warum der OPC nicht in der Lage ist, Aerosole über einen weiten Größenbereich zu messen, und warum der herkömmliche OPC an sich von sich aus unfähig ist, solche Messungen mit Genauigkeit über den gesamten interessierenden Teilchengrößenbereich bei Aerosolen zu machen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist ein einziges Meßinstrument, das auf einem gemeinsamen Chassis oder einer einzigen Plattform aufgebaut ist, das mehrere Sensoren verwendet, die mit geeigneten Durchflüssen versehen sind, um Aerosolteilchen über einen weiten Größenbereich, typischerweise von 10 nm bis 10000 nm im Durchmesser und größer, zum Beispiel von 2 nm bis 50000 nm, zu detektieren und messen. Instrumentabschnitte, die die Teilchengröße 10 nm bis 10000 nm messen, werden Weitbereich-Teilchenzähler (WPC) genannt und die Instrumentabschnitte für den Bereich 2 nm bis 50000 nm werden Ultraweitbereich-Teilchenzähler (UWPC) genannt. Diese Instrumente machen es möglich, Messungen auszuführen, die mit dem gegenwärtig verfügbaren Instrumentarium nicht möglich sind.

Der in dieser Beschreibung beschriebene WPC beruht auf der neuartigen Kombination von mehreren Sensoren oder Detektoren, die eine optische Detektion mit einer elektrischen Mobilitätsanalyse kombinieren, um eine einzige Vorrichtung zu bilden, die einen weiten Teilchengrößenbereich abdeckt. Jeder Sensor ist bezüglich des Teilchenmeßbereichs, des Aerosoldurchflusses, eines reduzierten Teilchenverlusts in Probenentnahme-Leitungen, und der optischen und elektrischen Gestaltungen optimiert.

Das Meßinstrument der vorliegenden Erfindung weist eine einfache Gestaltung auf und ist dennoch in der Lage, die Messung automatisch über einen weiten Größenbereich durchzuführen.

Die Untergrenze ist vorzugsweise 2 nm bis 20 nm, und die Obergrenze kann irgendwo zwischen 5000 nm und 50000 nm liegen.

Das Instrument weist Steuerungen zur Steuerung von Betriebsparametern auf, um einen zuverlässigen Instrumentenbetrieb, die Genauigkeit der Messung und Leichtigkeit des Gebrauchs sicherzustellen.

Die Anzahl der Sensoren, Durchflußmesser, Pumpen und anderen Komponenten wird minimiert, so daß ein ziemlich kompliziertes Instrument wie der WPC vereinfacht werden kann und mit vernünftigen Kosten hergestellt werden kann.

Das resultierende Instrument, das hierin beschrieben wird, wiegt schätzungsweise weniger als 35 Pfund, was die Vorrichtung durchaus tragbar und bequem zu verwenden macht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Weitbereich- Teilchenzählerinstruments, die ein Chassis oder Gehäuse zeigt;
Fig. 1A ist eine schematisches Diagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die eine andere Sensoranordnung verwendet;
Fig. 3 ist eine Querschnittansicht einer Form eines Lichtstreuungströpfchenzählers, der mit dem Teilchenzähler der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 4 ist eine Querschnittansicht eines optischen Teilchensensors, der mit der vorliegende Erfindung verwendet wird, der einen Sammeladapter bei 90° an einen Laserstrahl verwendet;
Fig. 5 ist eine Schnittansicht von oben des optischen Teilchenzählers der Fig. 4, die auf der Linie 5-5 in Fig. 4 aufgenommen ist; und
Fig. 6 ist eine Querschnittansicht eines differentiellen Mobilitätsanalysators, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In Fig. 1 wird ein typischer Weitbereich-Teilchenzähler 10 dargestellt. Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Komponenten befinden sich auf einem Chassis oder einer Plattform 11, die die Komponenten beherbergt. Die Chassis-Plattform stellt eine Haltestruktur für die Komponenten bereit. Die Steuerungen, die später beschrieben werden, können Betreibereingaben von Steuer- oder Funktionstasten 11A aufnehmen. Der Anzeigebildschirm 11B ist vorgesehen, um Meldungen oder Ausgaben aus einem internen Prozessor oder Computer anzuzeigen, der die Steuerungen bildet.
Eine Einlaßdüse oder Röhre 11C wird ebenfalls gezeigt und führt zu den inneren Leitungen und Zählern.
Fig. 1A ist ein schematisches Diagramm des Weitbereich- Teilchenzählers 10 in einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Der Teilchenzähler 10 befindet sich auf dem Chassis oder Gehäuse 11, das in Fig. 1 gezeigt ist. Dieser weist zwei Lichtstreuungs-Teilchensensoren 12 und 14, einen differentiellen Mobilitätsanalysator 16, einen Sättiger 18, einen Kondensator 20, einen Ionisator 22 und zugehörige Pumpen 24, 26, 28, Durchflußmesser 30, 32 und 33 und einen Teilchenfilter 34 auf. Der Sättiger 18, der Kondensator 20 und der Lichtstreuungs-Teilchenzähler 14 können als ein Unteraufbau ausgeführt werden, wie durch die gepunkteten Linien gezeigt.
Der erste Teilchensensor 12 ist ein Lichtstreuungs- Teilchenzähler (LPC), um grobe Teilchen zu detektieren, die größer als eine bestimmte Größe sind, typischerweise 300 nm im Durchmesser. Ein Aerosol wird durch eine Leitung 38 aus der Einlaßröhre 11C und durch den LPC 12 bei einem Durchfluß von Q₁ Litern pro Minute (1/min) durch die Pumpe oder Flußerzeuger 24 gesogen. Dieser Aerosolluftfluß geht auch durch den Durchflußmesser 30, um den Durchfluß des Aerosols zu messen. Das Ausgangssignal aus dem Durchflußmesser 30, das den Durchfluß anzeigt, wird in Verbindung mit einer Steuereinrichtung 40 verwendet, um die Drehzahl der Pumpe 24 zu verändern, um einen konstanten Fluß Q₁ durch den Lichtstreuungs-Teilchenzähler 12 aufrechtzuerhalten.
Gleichzeitig wird ein zweiter Luftfluß Q₂ durch Anzapfung der Leitung 38 in einer Leitung 42 bereitgestellt, so daß dieselbe Aerosolquelle beiden Zweigen des Flusses bereitgestellt wird. Der Fluß in der Leitung 42 befördert Teilchen zur Detektion unter einer bestimmten Grenzgröße, typischerweise 300 nm im Durchmesser, durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung. Dieser Fluß wird durch die Pumpe 26 hergestellt. Der Fluß Q₂ fließt durch den Ionisator 22, und die Leitung 42 ist mit dem differentiellen Mobilitätsanalysator (DMA) 16 verbunden. Eine Ausgangsleitung vom DMA 16 ist mit dem Sättiger 18, einem Kondensator 20 und dann mit dem Lichtstreuungs-Teilchensensor 14 verbunden, der als ein Lichtstreuungs-Tröpfchenzähler (LDC) verwendet wird. Der Durchflußmesser 32 ist mit der Abgabe- oder Ausgangsleitung 31 des Lichtstreuungs-Teilchensensors 14 und mit der Pumpe 26 verbunden. Die Ausgabe des Durchflußmessers 32 wird in Verbindung mit einer elektronischen Steuereinrichtung 40 verwendet, um die Drehzahl der Pumpe 26 zu verändern, um Q₂ auf dem Sollwert zu halten. Die elektronische Steuereinrichtung 40 kann Teil eines Gesamtsystems 39 sein, das eine Stromversorgung, Signal- und Datenverarbeitungsfähigkeiten und Steuerelektroniken aufweist. Das System 39 ist auf dem Chassis angebracht.
Die dritte Pumpe 28, die mit dem Mantelflußauslaß des DMA 16 verbunden ist, hält einen gleichbleibenden Luftfluß Q₃ in einer Leitung 50 aufrecht, der in den DMA geht, um einen reinen Mantelgasfluß bereitzustellen, der für den DMA benötigt wird. Der Flußsensor und die Steuereinrichtung, die benötigt werden, um diesen Fluß auf einem konstanten Wert zu halten, werden zur Einfachheit und Klarheit nicht gezeigt. Der Mantelfluß wird aus einem ringförmigen Raum 49 gesogen, der die Hochspannungselektrode 53 umgibt. Ein hocheffizienter Teilchenfilter 34 wird in der Leitung 50 verwendet, um unerwünschte teilchenförmige Verunreinigungen im Fluß Q₃ zu entfernen, bevor er zurück in den DMA 16 in die Mantelflußeinlaßkammer 51 eingeleitet wird. Nachdem er durch den DMA gegangen ist, geht der Mantelfluß Q₃ durch einen Durchflußmesser 33, bevor der Fluß zum Einlaß der Pumpe 28 geht, um die Flußschleife zu vollenden. Das Ausgangsdurchflußsignal aus dem Durchflußmesser 33 wird in Verbindung mit der elektronischen Steuereinrichtung 40 verwendet, um die Drehzahl der Pumpe 28 zu verändern, um den konstanten Mantelfluß Q₃ aufrechtzuerhalten.
Der Durchfluß Q₁ in der Leitung 38 für den Grobteilchendetektor oder Zähler 12 muß im allgemeinen höher als der Durchfluß Q₂ für den Feinteilchendetektor oder DMA 16 sein. Für atmosphärische Messungen ist ein Flußverhältnis von Q₁/Q₂ von 10 zu 1 sowohl vernünftig als auch durchaus erreichbar. Für andere Anwendungen können Flußverhältnisse von 2 zu 1 oder sogar 1 zu 1 genügen.
Infolge des Gesetzes von Junge der atmosphärischen Größenverteilung wären Flußverhältnisse unter 1 zu 1, d. h. mit Q₁ < Q₂, für eine Aerosolgrößenverteilungsanalyse nicht sehr nützlich, die das hierin beschriebene Verfahren mit mehreren Sensoren verwendet. In der bevorzugten Ausführungsform, die in Fig. 1 gezeigt wird, sind typische Werte für die Durchflüsse Q₁ = 3 l/min und Q₂ = 0,3 l/min. Der typische reine Manteldurchfluß für den DMA 16 ist typischerweise und vorzugsweise Q₃ = 3 l/min. Es gibt einen Zwischenbereich von Teilchengrößen, die entweder durch den Feinteilchendetektor oder den Grobteilchendetektor genau gemessen werden. Dieser Zwischengrößenbereich kann von 90 nm bis 600 nm reichen. Daher arbeitet für einen Grobteilchendetektor, der eine nominale Untergrenze von 200 nm aufweist, der Grobdetektor in diesem Zwischenbereich. Der Feinteilchendetektor mit einer Obergrenze von 300 nm arbeitet auch im Zwischenbereich.
Zusätzlich zur Ausführungsform der Fig. 1A sind andere Ausführungsformen ebenfalls nutzbar. Fig. 2 zeigt ein Drei- Sensorsystem 59, das auf dem Chassis 11 angebracht ist, wie in Fig. 1 gezeigt, zur Aerosolmessung über einen Teilchendurchmesserbereich von 10 nm bis 10000 nm. In dieser Ausführungsform werden zwei Lichtstreuungs-Teilchenzähler 60 und 62 verwendet, um den Durchmesserbereich 1000 nm bis 10000 nm bzw. den Durchmesserbereich von 100 nm bis 1000 nm abzudecken. Ein Feinteilchenzähler, der aus einem CNC besteht, der als ein Lichtstreuungströpfchenzähler 64 gezeigt wird, nimmt einen Fluß von einem DMA 66 durch die Leitung 78 auf, wobei der Fluß durch einen Sättiger 68 und Kondensator 70 geht, die in einer Reihe in die Leitung 72 geschaltet sind. Der Feinteilchenzähler 64 wird verwendet, um den Durchmesserbereich von 10 nm bis 100 nm abzudecken. Wiederum überlappen der Feinteilchenzähler und der Grobteilchenzähleraufbau der beiden Zähler den Zwischengrößenbereich.
Der Eingangsfluß in das System 59 geschieht durch eine Leitung 76, die den Fluß Q₁ von einer Quelle 77 zum Eingang des Lichtstreuungs-Teilchenzählers 60 befördert. Die Leitung 76 kann mit der Einlaßröhre 11C der Fig. 1 gekoppelt sein. Der Ausgang ist durch einen Durchflußmesser 80 mit einer Leitung 78 und dann mit einer Einlaßseite einer Pumpe 82 verbunden. Das Durchflußsignal aus dem Durchflußmesser 80 wird an eine Steuereinrichtung 84 geliefert und dieses Signal wird verwendet, um die Pumpe 82 so zu steuern, daß der geeignete Durchfluß Q₁ in der Leitung 76 hergestellt wird. Die Pumpe 82 läßt den Fluß entfernt vom Einlaß der Leitung 76 zurück in die Atmosphäre ab. Die Steuereinrichtung 84 kann Teil eines Gesamtsteuersystems 85 sein, das auf einem Computer zur Steuerung der benötigten Funktionen beruht.
Eine Leitung 86 ist mit der Leitung 76 verbunden, und befördert einen teilchentragenden Fluß Q₂, der niedriger als der Fluß Q₁ ist, der an den Zähler 60 geliefert wird. Der Fluß Q₂ wird an einen zweiten Lichtstreuungs-Teilchenzähler 62 geliefert. Der Ausgangsfluß aus dem Lichtstreuungszähler 62 ist durch einen Durchflußmesser 88 mit einem Einlaß einer Pumpe 90 verbunden. Der Durchflußmesser 88 ist auch angeschlossen, um ein Flußsignal an die Steuereinrichtung 84 zu liefern, und die Steuereinrichtung wird die Pumpe 90 so einstellen, daß sie den geeigneten Fluß Q₂ in der Leitung 86 herstellt. Der Ausgang der Pumpe 90 wird erneut entfernt von der Einlaßleitung 76 in die Atmosphäre abgelassen.
Eine Leitung 94 ist mit der Leitung 86 auf einer Eingangsseite des Lichtstreuungs-Teilchenzählers 62 verbunden und befördert einen Fluß Q₃ durch einen Ionisator 96 zu einem differentiellen Mobilitätsanalysator 66. Der Fluß Q₃ wird durch eine Pumpe 98 hergestellt, die sich auf der Ausgangsseite des Zählers 64 befindet und einen Fluß Q₃ durch die Leitung 72 und eine Ausgangsleitung 100 vom Zähler 64 durch einen Durchflußmesser 102 zur Pumpe 98 befördert. Der Kondensator 70 bewirkt, daß Dampf, der durch den Sättiger 68A erzeugt wird, an Teilchenkernen kondensiert, um Tröpfchen zu bilden, die durch den Lichtstreuungszähler 64 gezählt werden.
Der Durchflußmesser 102 liefert auch ein Signal an die Steuereinrichtung 84 zur Steuerung der Pumpe 98, um den gewünschten Flußpegel durch die Leitungen 72 und 94 bereitzustellen. Der Fluß von der Pumpe 98 wird in die Atmosphäre abgelassen.
In Fig. 2 werden drei getrennte Pumpen, 82, 90 und 98 gezeigt, die mit einzelnen Flußsensoren und Steuereinrichtungen verwendet werden, um die Gasflüsse Q₁, Q₂ und Q₃ auf ihren jeweiligen konstanten Werten zu halten. Eine andere Art, konstante Gasflüsse aufrechtzuerhalten, ist es, kritische Öffnungen zu verwenden, die mit einer gemeinsamen Vakuumquelle verbunden sind, die durch eine einzige Vakuumpumpe aufrechterhalten wird. Wenn das Vakuum höher als etwa 1/2 einer Atmosphäre ist, wenn die Gasprobe aus atmosphärischem Druck entnommen wird, wird der Fluß gedrosselt und erreicht einen konstanten Wert. Indem geeignete Öffnungsgrößen gewählt werden, können die Flüsse Q₁, Q₂ und Q₃ ohne getrennte Sensoren und Pumpen mit variabler Drehzahl konstant gehalten werden.
Der Mantelfluß, der für den differentiellen Mobilitätsanalysator benötigt wird, wird längs einer Leitung 104 bereitgestellt und wird durch Q₄ repräsentiert. Der Mantelfluß tritt in eine Kammer 103 im DMA ein und wird durch einen ringförmigen Mantelflußdurchgang 107 geleitet und fließt nach unten um die mittlere Hochspannungselektrode 105 herum.
Die Flußleitung 104 kommt von der Ausgangsseite einer Pumpe 106, die eine Eingangsleitung 108 aufweist, die von dem ringförmigen Mantelflußdurchgang 107 des differentiellen Mobilitätsanalysators durch einen Durchflußmesser 110 führt. Ein hocheffizienter Filter 112 befindet sich in der Leitung 104 auf der Ausgangsseite der Pumpe 106, so daß der Fluß Q₄ sehr rein gehalten wird. Der Durchflußmesser 110 liefert auch ein Signal an die Steuereinrichtung 84 zur Steuerung der Pumpe 106, um den geeigneten Durchfluß herzustellen.
Die jeweiligen teilchentragenden Durchflüsse für die Drei- Sensorkombination 59 werden durch Q₁, Q₂ und Q₃ repräsentiert, und die Flüsse weisen die Beziehung Q₁ > Q₂ > Q₃ auf. Diese besondere Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil einer weiteren Verbesserung der statistischen Zählgenauigkeit über den gesamten Größenbereich. Gleichzeitig reduziert die Anordnung der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform den Größenbereich der Teilchen, die durch den DMA 66 klassifiziert werden müssen, was zu einer weiteren Reduzierung der Hochspannung führt, die für die Mittelelektrode 105 des DMA benötigt wird, wie erläutert wird, wie auch der physikalischen Abmessungen und des Gewichts des DMA 66.
In noch einer weiteren Ausführungsform von Teilchenzählern, die im selben schematischen Diagramm aufgebaut sind, wie Fig. 2, können die beiden Lichtstreuungs-Teilchenzähler 60 und 62 verwendet werden, um Teilchen in den Durchmesserbereichen 5000 nm bis 50000 nm bzw. 500 bis 5000 nm zu messen, und die DMA- CNC-Kombination für den Feinteilchenzähler wird verwendet, um Teilchen im Durchmesserbereich von 10 nm bis 500 nm zu messen. Der Größenbereich des modifizierten Ultraweitbereich-Teilchenzählers (UWPC) beträgt 10 nm bis 50000 nm, und ist folglich sogar noch weiter als jener des Weitbereich-Teilchenzählers, der im spezifischen Beispiel der Fig. 2 gezeigt wird. Die möglichen Durchflüsse für die alternative Form der Teilchenzähler der Fig. 2, um einen Ultraweitbereich-Teilchenzähler zu bilden, sind: Q₁ = 30 Liter pro Minute (l/min), Q₂ = 3 l /min und Q₃ = 0,3 l /min. Q₄, der Mantelfluß, wird im wesentlichen derselbe wie in der spezifischen Form der Fig. 2 bleiben.
Zusätzlich zum obigen, können andere Grob- und Feinteilchensensoren in Kombination verwendet werden, um die fundamentalen Beschränkungen der einzelnen Sensoren zu überwinden, wenn sie auf eine Aerosolmessung angewendet werden, die in einigen Fällen nahezu fünf Dekaden überspannt, d. h. 2 nm bis 10000 nm Durchmesser der Teilchengröße, und mehr als zehn Dekaden der Konzentration, d. h. von weniger als 0,001 Teilchen pro cm³ bis über 10⁷ Teilchen pro cm³. Ein einziger Meßaufbau, der teilchenzählende Sensoren aufweist, wie hierin beschrieben, macht ein solche Messung möglich.
Es sollte üblichen Teilchenzähltechnik-Fachleuten klar sein, daß andere Sensorkombinationen, einschließlich der Art und Anzahl der in der Kombination verwendeten Sensoren, verändert werden können, um die Aufgabe der Weitbereich- Teilchenzählung für andere Zwecke und/oder andere Anwendungen zu lösen, ohne im wesentlichen vom Grundprinzip und dem Verfahren dieser Erfindung abzuweichen.
Bezüglich der spezifischen optischen Teilchenzähler, die im Weitbereich-Teilchenzähler verwendet werden können, zeigen Fig. 3 und die Fig. 4 und 5 zwei mögliche Gestaltungen. In Fig. 3 wird der optische Sensor als ein Lichtstreuungs- Tröpfchenzähler (LDC) für den CNC verwendet, wie jenem, der bei 14 in Fig. 1A und 64 in Fig. 2 gezeigt wird. Der LDC nutzt eine Vorwärtsstreuungsoptik und einen Festkörper- Diodenlaser 120 als die Lichtquelle. Der Laser 120 weist eine (nicht gezeigte) geeignete Projektionslinse auf, um einen nahezu parallelen Strahl kollimiertem Lichts durch eine Kollektivlinse 122 zu projizieren, die in einer Wand eines Gehäuses 124 angebracht ist. Die Linse 122 ist eine Zylinderlinse, die den Laserstrahl, der durch 126 repräsentiert wird, auf der Achse 125 einer Aerosoleinlaßdüse 128 und einer Aerosolauslaßröhre 130 zum Brennpunkt bringt. Der Strahl 126 erweitert sich, nachdem er seinen Brennpunkt auf der Achse 125 passiert hat, und erstreckt sich zu einer Linse 132, die einen lichtundurchlässigen, lichtabsorbierenden Oberflächenabschnitt 134 aufweist, der den Laserstrahl absorbiert, und folglich als ein Strahlstop in der Mitte der Linse dient.
Das Aerosol wird durch die Düse in das LDC-Gehäuse 124 geschickt. Die Düse läuft zu ihrer Spitze spitz zu, so daß sie kleiner wird, und wenn das Aerosol die Düsenspitze erreicht, wird die Flußquerschnittsfläche über den Hauptabschnitt der Leitung reduziert, so daß das Aerosol auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird. Dieses Hochgeschwindigkeitsaerosol, das ein Gas ist, das zu detektierende Teilchen enthält, geht dann durch den fokussierten Laserstrahl 126 und fließt durch die Auslaßröhre 130 aus dem Lichtstreuungs-Teilchenzählergehäuse 124 heraus. Da jedes Teilchen durch den fokussierten Laserstrahl im Bereich 127 geht, streut das Teilchen Licht in alle Richtungen. Die Sammellinse 132 sammelt dann das gestreute Licht innerhalb des Winkelbereichs des gestreuten Lichts, der der Linse 132 gegenüberliegt, auf einen Photodiodendetektor 136. Ein Signal aus der Photodiode 136, das proportional zum empfangenen Licht ist, wird dann elektronisch durch einen geeigneten Impulshöhenanalyseschaltungskomplex 138 verarbeitet. Obwohl eine einzige Linse 132 als die Sammellinse für das gestreute Licht gezeigt wird, ist zu verstehen, daß mehr als eine Linse, oder eine Mehrelementelinse als der Sammler verwendet werden kann, um die Leistung zu verbessern.
In den Fig. 4 und 5 wird ein optischer Teilchensensor 150 gezeigt, der eine 90°-Streuungsoptik verwendet. Der optische Teilchensensor 150 wird als ein Lichtstreuungs- Teilchenzähler verwendet, wie jener der durch 12, 60 und 62. in den Fig. 1A und 2 gezeigt wird, um die Größen der Teilchen durch Abfühlen des gestreuten Lichtsignals zu messen. Im Sensor 150 hält ein Gehäuse 152 eine Zylinderlinse 154, die einen Laserstrahl 156 im Gehäuse längs der Achse des Strahls fokussiert, der durch einen Diodenlaser 158 erzeugt wird. Eine Sammellinse 160 ist in einem Ansatz oder einer Röhre an einer Seitenwand des Gehäuses 152 angebracht und wird Licht sammeln, das von den Teilchen gestreut wird, die durch den Laserstrahlbrennpunkt 164 gehen. Das Aerosol wird durch eine Einlaßdüse 162 in das Gehäuse 152 befördert, die das Aerosol zu einem schmalen Strahl verengt, wenn es durch den Brennpunktsbereich oder den Brennpunkt 164 des Laserstrahls 156 geht. Der Gasstrom tritt durch eine Röhre 166 aus. Die gemeinsame Achse der Einlaßdüse 162 und der Röhre 166 befindet sich bei 90° zur Achse der Sammellinse 160.
Das gestreute Licht von den Teilchen liefert im allgemeinen Lichtsignale in die 90°-Richtung vom Laserstrahl, wenn die Teilchen durch den fokussierten Laserstrahl gehen. Diese gestreuten Lichtsignale werden durch die Sammellinse 160 gesammelt, und durch einen Photodiodendetektor 168 detektiert. Ein konischer Hohlraum 169 in der entfernten Endwand des Gehäuses, der geöffnet ist, um den Laserlichtstrahl 156 zülempfangen, dient als eine Lichtfalle, um das Laserlicht zu absorbieren. Da jedes Teilchen den Brennpunktsbereich 164 des Laserstrahls 156 durchquert, wird das gestreute Lichtsignal von den Teilchen durch den Photodiodendetektor 168 detektiert. Es ist zu beachten, daß die Linse 160 so fokussiert ist, daß Licht, das von Teilchen gestreut wird, die durch den Brennpunkt des Laserstrahls gehen, so gerichtet wird, daß es auf die Abtastfläche im Photodiodendetektor 168 fällt.
Sowohl die optischen Teilchensensoren mit der Vorwärtsstreuungsoptik, die in Fig. 3 gezeigt werden, als auch der 90°-Streuungsoptiksensor der Fig. 4 und 5 können verwendet werden, um das gestreute Licht von den Teilchen zu detektieren. Jedoch wird es zur Teilchenklassifizierung im allgemeinen bevorzugt, eine Lichtstreuungsoptik zu verwenden, die das gestreute Licht innerhalb eines bestimmten engen Winkels in die Vorwärtsrichtung von der optischen Achse des Laserstrahls ausschließt, oder mit anderen Worten gestreutes Licht ausschließt, das sich in dieselbe allgemeine Richtung des Laserstrahls bewegt oder nur um einen kleinen Winkel von der Bewegungsrichtung des Laserstrahls abweicht.
Lichtstreuungsteilchensensoren mit einer Vorwärtsstreuungsoptik, die die Sammlung des gestreuten Lichtsignals in der Vorwärtsrichtung maximiert, sind empfindlicher, rufen jedoch ein Streuungssignal hervor, das keine monotone Funktian der Teilchengröße ist. Die Erscheinung, die als Mie- Resonanz bekannt ist, kann eine Mehrdeutigkeit der gemessenen Teilchengröße bewirken. Aus diesem Grund werden Lichtstreuungsteilchensensoren mit einer 90°-Streuungsoptik (Fig. 4 und 5) oder wobei die optische Achse der Sammellinse unter einem gewissen endlichen Winkel angeordnet ist, wie 30°, 45°, 60° oder dergleichen, bevorzugt. Lichtstreuungsteilchensensoren, die von Spiegeln anstelle von Linsen Gebrauch machen, können ebenfalls verwendet werden, vorausgesetzt die Sammeloptik ist dazu bestimmt, das gestreute Lichtsignal in der nahen Vorwärtsrichtung des Lichtstrahls auszuschließen.
Der Luftfluß Q₂, der durch die Pumpe 26 in Fig. 1A hergestellt wird, geht durch den Ionisator 22, den DMA 16, den Sättiger 18, den Kondensator 20 und dann durch den Lichtstreuungströpfchenzähler 14. Der Ionisator 22 enthält üblicherweise eine kleine, niedrigaktive radioaktive Quelle, wie radioaktives Krypton 85 oder Polonium 210. Die Alpha-, Beta- oder Gammastrahlung, die von der ionisierenden Quelle ausgeht, bewirkt, daß Luft- (Gas) Moleküle ionisiert werden. Die ionisierten Gasmoleküle kollidieren dann mit Aerosolteilchen, so daß sie bewirken, daß eine schwache elektrische Ladung auf den Teilchen auftaucht.
Wenn die geladenen Teilchen einen Zustand eines Ladungsgleichgewichts mit den Ionen erreichen, das als Boltzmann- Gleichgewicht bezeichnet wird, werden die geladenen Teilchen ein bestimmtes Verhältnis zu den gesamten (geladenen und ungeladenen) Teilchen im Gas annehmen. Im Boltzmann-Gleichgewicht werden Teilchen einer spezifischen Größe, die angenommenerweise eine einzige elektronische Ladung tragen, in einem festen Verhältnis zur Gesamtzahl der Teilchen jener Größe im Gas stehen. Da dieses Verhältnis aus der Theorie bekannt ist, kann durch Messung der einfach geladenen Teilchen jener Größe die Gesamtzahl der Teilchen jener Größe im Gas bestimmt werden.
Es gibt verschiedene Gestaltungen differentieller Mobilitätsanalysatoren zur Aerosolklassifizierung durch die elektrische Mobilität. Die Grundprinzipien der Arbeitsweise der DMAs sind wohlbekannt. Ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Gestaltung für einen DMA wird in Fig. 6 bei 180 gezeigt. Es ist zu verstehen, daß der in Fig. 6 gezeigte DMA die bevorzugte Form der DMAs 16 und 66 in den Fig. 1A und 2 ist. Bei dieser Gestaltung ist ein mittlerer Metallzylinder 182, der eine Elektrode bildet, mit einem äußeren röhrenförmigen Hauptzylinder 184 und einem kürzeren eingefügten äußeren Zylinder 186 konzentrisch. Die inneren und äußeren Zylinder 182 und 184 und 186 befinden sich auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen, die so gewählt sind, daß sie ein radiales elektrisches Feld im ringförmigen Raum 200 zwischen dem inneren Zylinder 182 und dem äußeren Zylindern 184 und 186 erzeugen. Der innere Metallelektrodenzylinder 182 wird auf einer hohen Spannung V₁ gehalten, während die eingefügten äußeren Zylinder 184 und 186 geerdet sind. Die äußeren Zylinder 184 und 186 weisen dieselben Innendurchmesser auf, so daß ihre Innenflächen eine einzige zylindrische Oberfläche eines einheitlichen Innendurchmessers bilden. Der innere Zylinder 182 wird auf einem oberen Isolatorhalter 181 und auf einem unteren Isolatorhalter 183 gehalten. Folglich ist die mittlere Hochspannungselektrode von den äußeren Metallzylindern isoliert.
Eine polydispergierte Aerosolquelle 188, die Teilchen im Boltzmann-Ladungsgleichgewicht befördert, wird in den Aerosoleinlaß 190 auf der Oberseite des DMA 180 eingeleitet. Der Aerosoleinlaß ist vom Mantelflußeinlaß getrennt. Dieses polydispergierte Aerosol fließt radial nach außen in den horizontalen Lückenraum 192, der einen Durchgang zwischen den Endwänden der äußeren Zylinder 184 und 186 bildet. Das Aerosol fließt dann durch den kurzen oberen ringförmigen Raum 194 zwischen dem kurzen äußeren Zylinder 186 und dem oberen Teil des äußeren Hauptzylinders 184 und tritt durch die Lücke oder den Raum 196 zwischen dem unteren Ende des Zylinders 186 und einer Schulter 198 hervor, die an der Innenseite des äußeren Hauptzylinders 184 ausgebildet ist. Das Aerosol fließt in einen ringförmigen Raum 200 zwischen der Innenfläche 202 des Zylinders 184 und der Außenfläche 204 des inneren Hochspannungselektrodenzylinders 182. Ein radiales elektrisches Feld wird zwischen den Flächen 202 und 204 erzeugt und zur Mobilitätsklassifizierung verwendet.
Der reine Mantelgasfluß, der zur Mobilitätsklassifizierung benötigt wird, wie vorhergehend erwähnt, wird in den DMA aus einer Quelle 206 durch die Einlaßröhre 208 für den reinen Mantelfluß in der oberen Wand 210 des äußeren Hauptzylinders 184 eingeleitet. Die Röhre 208 befördert den Mantelgasfluß quer durch die Kammer 192 und in eine Kammer 211, die sich zum ringförmigen Raum 200 öffnet. Der Mantelgasfluß geht durch ein Sieb 212 mit feiner Siebweite, das den Fluß gleichmäßig über die Querschnittsfläche des ringförmigen Raums 200 verteilt und einen laminaren Fluß unterhalb des Siebs 212 herstellt. Wenn sich dieser laminare Mantelgasfluß mit dem laminaren polydispergierten Aerosolfluß vermischt, der durch den Spalt 196 hervortritt, vereinigen sich die Flüsse, um einen einzigen laminaren Flußstrom zu bilden, der den ringförmigen Raum 200 zwischen dem mittlerem Hochspannungselektrodenzylinder 182 und den geerdeten Zylindern 184 und 186 hinabfließt.
Ein Teil des Flusses im ringförmigen Raum 200 kann durch einen Spalt oder einen Durchgang 220 in der mittleren Elektrode 182 austreten, der mit einer Auslaßbohrung 222 in der mittleren Elektrode verbunden ist, die sich durch den Isolatorhalter 182 öffnet und zu einem Teilchenzähler führt. Zusätzlich gibt es eine Anzahl beabstandeter Austrittslöcher 224 in einem Flansch 226 des Halters 183. Der Flansch 226 dient dazu, den ringförmigen Durchgang 200 mit der Ausnahme der Löcher 224 zu blockieren. Der Fluß tritt dann aus einer Öffnung 228 in einer Endwand 230 aus, die durch den Isolatorhalter 183 gebildet wird.
Teilchen aus der polydispergierten Quelle 188 mit einer Ladung, die eine elektrische Polarität aufweist, die zur Polarität der Hochspannung des inneren Zylinders 182 entgegengesetzt ist, werden an den Zylinder angezogen. Wenn die mittlere Elektrode mit einer positiven Polarität versehen ist, würden die geladenen Teilchen, die an die Außenfläche 204 des inneren Hochspannungselektrodenzylinders 182 angezogen werden, negativ geladen werden. Da sich die geladenen Teilchen aus der Quelle 188 quer zum und durch den laminaren Fluß im Raum 200 zwischen den Zylinderflächen 202 und 204 bewegen, werden die Teilchen entsprechend der elektrischen Mobilität klassifiziert, d. h. getrennt. Kleine Teilchen mit einer hohen elektrischen Mobilität bewegen sich durch den laminaren Mantelfluß schneller als die größeren Teilchen, und die kleinen Teilchen werden an der Außenfläche 204 des Zylinders 182 oberhalb des Austrittsspalts 220 abgelagert. Teilchen, die größer als eine ausgewählte Größe sind, mit einer niedrigeren Mobilität, die sich mit einer niedrigeren Geschwindigkeit bewegen, erreichen die Außenfläche 204 des Zylinders 198 nicht. Diese größeren Teilchen (oberhalb der Gestaltungsgrenzgröße) werden mit einem überschüssigen Fluß durch den Flußverteilungslöcher 224 im Flansch 226 des unteren Isolatorhalters 183 in einen Flußsammler 227 befördert und dann durch die Öffnung 228 ausgestoßen.
Es wird ein kleiner Aerosolgasfluß durch den Austrittsschlitz 220 gesogen. Dieser Fluß wird durch einen Flußerzeuger, wie in den Fig. 1A und 2 gezeigt, Pumpen 26 bzw. 98 erzeugt. Teilchen innerhalb eines schmalen Bereichs elektrischer Mobilität und folglich innerhalb eines schmalen Größenbereichs werden in die Nähe des Spalts 220 abgelenkt und durch den kleinen erzeugten Luftfluß als ein monodispergiertes Aerosol in den Auslaßdurchgang 222 befördert.
Zur Größenverteilungsanalyse eines Aerosols wird die Hochspannung der inneren Elektrode 182 durch eine Abfolge von Spannungswerten mit einer Spannungssteuereinrichtung 234 eingestellt. Bei jeder Hochspannungseinstellung werden die monodispergierten Teilchen am Austritt durch einen CNC gezählt, der einen Sättiger, einen Kondensator und einen Lichtstreuungströpfchenzähler aufweist, wie in den Fig. 1A und 2 gezeigt. Das Ergebnis kann dann analysiert werden, um die Größenverteilung des Aerosols zu ergeben.
Der Sättiger, wie der Sättiger 18 und 68 in einem CNC besteht üblicherweise aus einem porösen Material, das mit einem Arbeitsfluid gesättigt ist, üblicherweise Butylalkohol in flüssiger Form, das (in beiden Fig. 1A und 2) so gezeigt wird, daß es aus einer Quelle 240 entnommen wird. Das poröse Material wird mit einer Heizvorrichtung 242 auf einer geeigneten hohen Temperatur, typischerweise 35°C gehalten. Ein Durchgang im porösen Material, wie die Durchgänge 18A und 68A in den Fig. 1 und 2, läßt es zu, daß das Aerosol, das durch den Durchgang geht, erwärmt wird und mit dem Dampf des Arbeitsfluids gesättigt wird, wenn es durchfließt.
Die Kondensatoren 20 und 70 weisen einen oder mehrere Flußdurchgänge in einem massiven Metallblock auf, die mit einem Kühler 244 auf einer niedrigen Temperatur, typischerweise 5°C gehalten werden. Wenn das erwärmte und dampfbeladene Aerosol durch den Kondensator 20 oder 70 fließt, kühlt sich das Gas ab, wobei bewirkt wird, daß der Dampf oder das Gas übersättigt werden. Der übersättigte Dampf kondensiert dann an den Teilchen im Aerosol, um Tröpfchen zu bilden, die dann durch den jeweiligen Lichtstreuungströpfchenzähler 14 und 64 detektiert werden. Die gebildeten Tröpfchen sind größer als die Teilchen und werden leichter gezählt.
Da es der Zweck der Weitbereich-Teilchenanalyse ist, die den WPC verwendet, ein Aerosol über nahezu seinen gesamten Teilchengrößenbereich zu charakterisieren, ist es wichtig, daß die durch den WPC zur Größenverteilungsanalyse gezogene Probe eine repräsentative Probe der zu analysierenden Atmosphäre ist. Für eine atmosphärische Aerosolmessung wird es üblicherweise bevorzugt, den gesamten Fluß der Aerosolprobe durch denselben gemeinsamen Einlaß zu ziehen und diesen Gesamtfluß zur Größenverteilungsanalyse durch die jeweiligen Grobteilchen- und Feinteilchen-Detektoren, die in Fig. 1A gezeigt werden, in zwei Teilfraktionen Q₁ und Q₂ zu unterteilen. Wenn die zu analysierende Atmosphäre der Innenraum eines Raums mit gleichmäßig verteilten Schwebteilchen ist, kann es zulässig sein, die Probenflüsse Q₁ und Q₂ zur Analyse durch die beiden getrennten Teilchenzähler durch getrennte Probenentnahmeeinlässe zu ziehen, da die Atmosphäre im allgemeinen im gesamten Raum einheitlich ist.
Da der Probenfluß Q₁ in Fig. 1A zur Grobteilchen- Detektion grobe Teilchen bis zu 10000 nm Durchmesser zur Analyse befördert, ist es bevorzugt, den Flußdurchgang zwischen dem Probenentnahmeeinlaß und der Teilchendetektionszone im Grobteilchenzähler verhältnismäßig kurz zu machen. Zusätzlich ist es wichtig, den Flußdurchgang so zu gestalten, daß die Leitung 38 verhältnismäßig gerade ist, so daß der Probenfluß einer geringen Änderung der Flußrichtung unterliegt, um eine Teilchenabscheidung in der Probenentnahmeleitung infolge der Teilchenträgheit zu vermeiden, die auftreten kann, wenn sich die Flußrichtung ändert.
Andererseits gibt es für den Luftfluß Q₂, der Teilchen zur Detektion durch den Feinteilchendetektor befördert, mit einer typischen oberen Teilchengrößengrenze von 200 nm, eine kleinere Bedeutung des Teilchenverlusts während der Probenentnahme und des Transports. Die Probenentnahmeleitung 42 für Q₂ kann verhältnismäßig länger sein und kann ein, zwei oder mehrere 90-Grad-Biegungen aufweisen. Das schematische Flußdiagramm der Fig. 1, das die bevorzugte Ausführungsform zeigt, zeigt wie dies erreicht werden kann. Es wird gezeigt, daß der Grobteilchenfluß Q₁ direkt längs der Leitung 38 ohne eine wesentlich Änderung der Flußrichtung in den Grobteilchendetektor eintritt, während der Feinteilchenfluß Q₂, der aus dem Einlaß mit der Leitung 42 entnommen wird, zwei 90- Grad-Biegungen durchmacht, bevor er in den Einlaß des Feinteilchendetektors eintritt, der den DMA 16 aufweist.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute erkennen, daß Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne den Geist und den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Vorrichtung zur Detektion von Teilchen in einem Gas über einen weiten Teilchengrößenbereich, wobei der weite Teilchengrößenbereich eine Obergrenze und eine Untergrenze und eine Zwischenteilchengröße zwischen den Grenzenaufweist, wobei die Vorrichtung einen Grobteilchendetektor, der Teilchen in einem Grobteilchenbereich zwischen der Obergrenze und der Zwischenteilchengröße detektiert, und einen Feinteilchendetektor aufweist, der Teilchen in einem Feinteilchenbereich zwischen der Zwischenteilchengrö- ße und der Untergrenze detektiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Untergrenze ein Teilchengrößenbereich zwischen 2 Nanometern und 20 Nanometern ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Obergrenze ein Teilchengrößenbereich zwischen 5000 Nanometern und 50000 Nanometern ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zwischenteilchengröße ein Teilchengrößenbereich zwischen 90 Nanometern und 600 Nanometern ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Untergrenze 10 Nanometer ist und die Obergrenze 10000 Nanometer ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, die einen Gasflußerzeuger aufweist, der einen Gasfluß, der Teilchen enthält, die durch den Grobteilchendetektor detektiert werden sollen, und einen Gasfluß liefert, der Teilchen enthält, die durch den Feinteilchendetektor detektiert werden sollen, wobei die Volumenrate des Gasdurchflusses für den Grobteilchendetektor mindestens so groß wie die Volumenrate des Gasdurchflusses für den Feinteilchendetektor ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Gasdurchfluß für den Grobteilchendetektor mindestens das Doppelte des Gasdurchflusses für den Feinteilchendetektor ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Grobteilchendetektor ein optischer Teilchendetektor ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der optische Teilchendetektor aufweist:
eine Lichtquelle zur Projektion eines Lichtstrahls durch den Detektor;
einen Lichtsensor, der das gestreute Licht von den Teilchen abtastet;
einen Lichtsammler, der das gestreute Licht von den Teilchen sammelt und das gestreute Licht auf den Lichtsensor richtet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Lichtsammler so aufgebaut ist, daß er im wesentlichen die Sammlung gestreuten Lichts innerhalb eines 10°-Winkelbereichs um die Achse des Lichtstrahls in eine Vorwärtsrichtung ausschließt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Feinteilchendetektor aufweist:
einen Flußerzeuger, der eine Gasprobe in einem Strom längs eines Weges zieht, wobei das Probengas feine Teilchen enthält, die detektiert werden sollen;
eine Klassifizierungseinrichtung, die die Gasprobe empfängt und die feinen Teilchen gemäß der elektrischen Mobilität klassifiziert, und einen Ausgangsfluß liefert, der Teilchen mit im wesentlichen derselben elektrischen Mobilität enthält;
einen Verdampfer und Kondensator, die den Ausgangsfluß aus der Klassifizierungseinrichtung empfangen, wobei der Verdampfer Arbeitsfluid in flüssiger Form verdampft und der Kondensator den Arbeitsfluiddampf auf Teilchen im Ausgangsfluß kondensiert, um Tröpfchen zu bilden; und
einen optischen Detektor, der den Fluß aus dem Kondensator empfängt und Tröpfchen detektiert, die durch Dampfkondensation auf den Teilchen im Ausgangsfluß gebildet werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Feinteilchendetektor ferner einen Ionisator im Flußweg aufweist, bevor der Fluß in die Klassifizierungseinrichtung eintritt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Teilchenklassifizierungseinrichtung ein differentieller Mobilitätsanalysator ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, die eine Steuereinrichtung aufweist, die mit dem Flußerzeuger verbunden ist, um den Gasfluß auf einem Sollwert zu halten.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei sich ein Sensor, der den Fluß abtastet, im Flußweg befindet und ein Signal an die Steuereinrichtung liefert, und der Flußerzeuger eine Pumpe mit variabler Drehzahl aufweist, die durch die Steuereinrichtung gesteuert wird, um den Fluß auf den Sollwert einzustellen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei ein reiner Mantelgasfluß für den differentiellen Mobilitätsanalysator ari einen Mantelgaseinlaß von einer Reingasquelle geliefert wird, die eine Pumpe mit variabler Drehzahl und einen Sensor aufweist, der den Reingasfluß abtastet und ein Signal liefert, das den Durchfluß anzeigt, wobei die Pumpe mit variabler Drehzahl so angeschlossen ist, daß sie auf das Signal aus dem Flußsensor anspricht, um den reinen Mantelgasfluß auf dem Sollwert zu halten.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei der reine Mantelgasfluß für den differentiellen Mobilitätsanalysator aus dem Überschußfluß aus dem differentiellen Mobilitätsanalysator gezogen wird, wobei der differentielle Mobilitätsanalysator einen Auslaß für den Überschußfluß aufweist, der einen anderen Fluß als den Fluß aufweist, der benötigt wird, um klassifizierte Teilchen zu befördern, wobei der Auslaß mit der Pumpe mit variabler Drehzahl verbunden ist und ein Filter zwischen der Pumpe mit variabler Drehzahl und dem Mantelgaseinlaß angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Gasflußpumpe, um einen Gasfluß aufrechtzuerhalten, der Teilchen enthält, die durch den Grobteilchendetektor detektiert werden sollen, und eine Gasflußpumpe aufweist, um einen Gasfluß zu liefern, der Teilchen enthält, die durch den Feinteilchendetektor detektiert werden sollen, wobei der Gasfluß für den Grobteilchendetektor keine wesentliche Änderung der Flußrichtung durchmacht, bevor die Teilchen detektiert werden.

19. Vorrichtung zur Messung eines polydispergierten Aerosols über einen weiten Größenbereich in einem Aerosolfluß, die aufweist:
einen ersten optischen Detektor, der Teilchen im Aerosol detektiert, das Teilchen aufweist, und eine Ausgabe erzeugt, die für die Teilchengröße kennzeichnend ist;
eine Klassifizierungseinrichtung, die mindestens einen Anteil des Aerosols empfängt und ein modifiziertes Ausgangsaerosol erzeugt, das Teilchen mit einer im wesentlichen einheitlichen elektrischen Mobilität enthält;
einen Kondensator, der ein Arbeitsfluid empfängt und Dampf des Arbeitsfluids auf Teilchen kondensiert, die durch die Klassifizierungseinrichtung klassifiziert werden, um Tröpfchen in dem modifizierten Aerosol zu erzeugen; und
einen zweiten optischen Detektor, der Tröpfchen in dem modifizierten Aerosol aus dem Kondensator empfängt und detektiert.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der erste optische Detektor ein optischer Lichtstreuungsdetektor ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der zweite optische Detektor ein optischer Lichtstreuungsdetektor ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Klassifizierungseinrichtung ein differentieller Mobilitätsanalysator ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei ein Reingas- Mantelfluß erhalten wird, indem der Überschußfluß, der vom modifizierten Aerosol aus dem DMA getrennt wird, durch eine Pumpe und einen Filter geleitet wird, um das Reingas für einen Reingas-Mantelfluß zu erhalten.

24. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei mindestens eine Leitung das Aerosol befördert, das in den DMA eintritt, und ein Ionisator in der Leitung eine Mischung von Teilchen und positiven und negativen Ionen im Aerosol erzeugt.

25. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei es einen Flußerzeuger gibt, der ein Gas liefert, das gesteuert wird, um einen Gasfluß auf einem Sollwert für das Aerosol zu halten.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei der Flußerzeuger einen Sensor, um den Fluß zu detektieren und eine Ausgabe zu liefern, und eine Pumpe mit variabler Drehzahl aufweist, um den Fluß als Reaktion auf die Sensorausgabe auf den Sollwert einzustellen.

27. Vorrichtung zur Detektion von Teilchen in einem Gas, die ein Chassis, einen Grobteilchendetektor, der an dem Chassis angebracht ist, und einen Feinteilchendetektor, der an demselben Chassis angebracht ist, und eine Einrichtung aufweist, um Gasflüsse durch die Grob- und Feinteilchendetektoren aufrechtzuerhalten, so daß der Gasdurchfluß durch den Grobteilchendetektor mindestens so groß wie der Gasdurchfluß durch den Feinteilchendetektor ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, die ferner aufweist: eine erste Pumpe, um den Gasfluß durch den Grobteilchendetektor auf einem Sollwert zu halten, und eine zweite Pumpe, um einen Gasfluß durch den Feinteilchendetektor auf einem Sollwert zu halten, und Sensoren, um die Gasflüsse durch die Fein- und Grobteilchendetektoren zu detektieren, und eine Einrichtung, um die Drehzahl der Pumpen einzustellen, um die Gasflüsse auf ihren jeweiligen Sollwerten zu halten.

29. Vorrichtung nach Anspruch 27, die ferner einen Einlaß in den Grobteilchendetektor für ein Gas, das Teilchen befördert, und eine Anzapfleitung aufweist, die mit dem Einlaß zur Beförderung eines Anteils des Gases zum Feinteilchendetektor verbunden ist, wobei der Einlaß eine Leitung aufweist, die einen Fluß, der im wesentlichen gerade ist, von einem äußeren Ende zum Grobteilchendetektor befördert.

30. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei der Gasdurchfluß durch den Grobteilchendetektor mindestens das Doppelte des Gasdurchflusses durch den Feinteilchendetektor ist.

31. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei der Grobteilchendetektor einen optischen Teilchendetektor aufweist.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei der Feinteilchendetektor ferner aufweist: eine Teilchenklassifizierungseinrichtung zur Klassifizierung eines Aerosols entsprechend der elektrischen Mobilität, einen Verdampfer und Kondensator, die in Reihe geschaltet sind, um ein Arbeitsfluid in flüssiger Form zu verdampfen und den Dampf zu kondensieren, der sich auf Teilchen im Fluß durch den Feinteilchendetektor bildet, um Tröpfchen zu bilden, und einen optischen Tröpfchendetektor, der den Fluß vom Kondensator empfängt, um Tröpfchen im Fluß zu zählen.

33. Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei der optische Detektor für grobe Teilchen aufweist: eine Lichtquelle, die einen Lichtstrahl durch den optischen Detektor projiziert, einen Lichtsensor zum Abtasten des gestreuten Lichts von einem Teilchen in einem ausgewählten Anteil des gestreuten Lichts, einen Lichtsammler, der Licht sammelt, das von dem Teilchen gestreut wird, und das gestreute Licht auf den Lichtsensor richtet.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei der Feinteilchendetektor aufweist: eine Teilchenklassifizierungseinrichtung, die auf der elektrischen Mobilität beruht, eine Verdampfungs- und Kondensationseinrichtung stromabwärts der Klassifizierungseinrichtung zum Verdampfen eines Arbeitsfluids in einer flüssigen Form und Kondensieren des Dampfes auf Teilchen in dem Fluß durch den ersten Teilchendetektor, um Tröpfchen zu bilden, und einen optischen Tröpfchendetektor, der mit der Kondensationseinrichtung verbunden ist.

35. Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei die Teilchenklassifizierungseinrichtung einen differentiellen Mobilitätsanalysator aufweist, der eine mittlere Elektrode, einen umgebenden Zylinder, der von der mittleren Elektrode beabstandet ist, um einen Gasmantelflußdurchgang zu bilden, und einen Flußkreislauf aufweist, der einen reinen Mantelfluß für den differentiellen Mobilitätsanalysator bildet, der eine Auslaßverbindung zum Mantelflußdurchgang zur Beförderung eines Überschußgasflusses vom differentiellen Mobilitätsanalysator, einen Filter, der den Überschußfluß filtert, um Teilchen zu entfernen, die darin enthalten sind, und eine Leitung vom Filter aufweist, um den Fluß zum Mantelflußeinlaß des differentiellen Mobilitätsanalysators zurückzubringen.

36. Vorrichtung nach Anspruch 35, wobei der Flußkreislauf eine Pumpe mit variabler Drehzahl aufweist, um den Gasfluß auf den Sollwert einzustellen.

37. Vorrichtung nach Anspruch 36, die einen Flußsensor im Flußkreislauf aufweist, der ein Signal liefert, das den Fluß anzeigt, wobei die Pumpe mit variabler Drehzahl den Fluß als Reaktion auf das Flußsensorsignal einstellt, um den Fluß auf einem Sollwert zu halten.