VDI 3867 Blatt 2-2008 Measurement of particulate matter in ambient air - Methods for characterizing test aerosols - Determination of the particle number concentration and particle nter.pdf

1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREMessen von Partikeln in der AuenluftCharakterisierung von PrfaerosolenBestimmung der Partikelanzahlkonzentration und AnzahlgrenverteilungKondensationspartikelzhler (CPC)Measurement of particulate matter in ambient airMethods for characterizing test aerosolsDetermination of

2、the particle number concentration and particle size distributionCondensation Particle Counter (CPC)VDI 3867Blatt 2 / Part 2Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 5: Analysen- und Messverfahren IIVDI-RICHTLINIENICS 13.040.20Februar 2008 February 2008Inha

3、lt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . 32 Grundlage des Verfahrens . . . . . . . . . . 33 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Verfahrensmerkmale . . . . . . . . . .

4、 . . . 95 Ausfhrungsbeispiel eines Kondensationspartikelzhlers . . . . . . . . 106 Messtechnische Anforderungen . . . . . . . 127 Funktionsprfung und Kalibrierung . . . . . 138 Messplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Vorbereitung und Durchfhrung der Messung . . . . . . . . . . . . . . . .

5、. . . . 1410 Datendokumentation . . . . . . . . . . . . . 1511 Gertekenngren . . . . . . . . . . . . . . 1512 Streinflsse und Fehlerquellen . . . . . . . 1713 Wartung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1814 Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . 20Anhang Ergebnisse von Vergleichsmessungen

6、zum Zhlwirkungsgrad an der unteren Nachweisgrenze . . . . . . . . . . . . . 22Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedDer Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im

7、 Bundes-anzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen.Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.The draft of this guideline has been subject to public scrutiny after announcement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette).The German version of this guideline shall be taken as

8、authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.FrhereAusgabe:05.06 Entwurf,deutschFormeredition: 05/06Draft,inGermanonlyZu beziehen durch / Available atBeuth VerlagGmbH, 10772 Berlin AlleRechtevorbehalten / Allrights reserved VereinDeutscher Ingenieuree.V.,Dsseldo

9、rf2008Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Principle of the method. . . . . . . . . . . . 33 Mode of operation . . . . . . . . . . . . . . 44 Features of the method

10、s . . . . . . . . . . . 95 Example of a Condensation Particle Counter . . . . . . . 106 Specific requirements . . . . . . . . . . . . 127 Functional test and calibration . . . . . . . 138 Measurement planning . . . . . . . . . . . . 149 Preparations and procedure . . . . . . . . . 14 10 Data documen

11、tation . . . . . . . . . . . . . 1511 Instrument parameters . . . . . . . . . . . . 1512 Interferences and sources of error . . . . . 1713 Maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1814 Examples of applications . . . . . . . . . . 20Annex Results of comparative measurements on the counting effi

12、ciency at the lower detection limit . . . . . . . . . . . 22Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdLArbeitsgruppe Messen von Partikeln in der AuenluftAusschuss ImmissionsmessverfahrenB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09

13、DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2008 2 VDI 3867 Blatt 2 / Part 2VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachd

14、rucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig, sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregel

15、t sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.EinleitungDie Bedeutung von Aerosolpartikeln mit Durchmes-sern D 1 m) nur von untergeordneter Bedeutung, da die Partikelanzahl dieser Grenfraktion praktisch nicht zur Gesamtanzahlkonzentrati

16、on beitrgt.Anmerkung: Es ist darauf zu achten, dass der Zhlwirkungsgrad von der Kombination aus Material des Prfaerosols und Dampfsub-stanz beeinflusst werden kann (siehe Abschnitt 2).8 MessplanungDie Messungen sind durch eine sorgfltige Messpla-nung nach VDI 4280 Blatt 1, VDI 4280 Blatt 2 oder VDI

17、4280 Blatt 3 vorzubereiten.9 Vorbereitung und Durchfhrung der MessungKondensationspartikelzhler mit kontinuierlichem Durchfluss mssen nach dem Einschalten zunchst die Betriebstemperatur von Befeuchter und Konden-sationsrohr erreichen und stabilisieren. Dieser Vor-occur or can be corrected with good

18、accuracy. The particle diameter chosen usually ranges from 30 nm to 50 nm. Since the calibration curve for photometric number concentration measurements is non-linear, calibra-tion shall be performed with a sufficient number of test aerosol concentrations. The calibration curve can then be numerical

19、ly approximated. 7.4 Determining the counting efficiencyIf Condensation Particle Counters are used without upstream particle size classification, the size of the counted particles is unknown and a correction of the measurement result in terms of counting efficiency is not possible. However, since th

20、e counting efficiency has an effect on the measurement result, its correct determination shall be included in the calibration. Suitable for use as test aerosols are silver or sodium chloride particles generated with evaporation/con-densation generators, which also have to be electro-statically class

21、ified to determine their size 7, or par-ticles of a known diameter generated with electro-spray, e. g. protein molecules 8 or oil droplets. For singly charged particles or for particles with a known charge distribution, an aerosol electrometer can be used as a reference. For the measurement of the n

22、umber concentration in ambient air, the precise determination of the counting efficiency curve for large particles (D 1 m) is less relevant, since the particle number of this size frac-tion makes practically no contribution to the total number concentration.Note: Note that the counting efficiency ca

23、n depend on the combi-nation of particle material and vapour substance (see Section 2). 8 Measurement planningThe measurements shall be carefully prepared and planned in accordance with VDI 4280 Part 1, VDI 4280 Part 2, or VDI 4280 Part 3.9 Preparations and procedure After switching on, Condensation

24、 Particle Counters with continuous flow must initially reach and stabi-lize the operating temperature of the saturator and condensation tube. This process takes roughly B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf

25、 2008 VDI 3867 Blatt 2 / Part 2 15 gang dauert ca. 15 min, bei sehr hohen Stabilittsan-sprchen gegebenenfalls auch bis zu einer Stunde.Zur Messung wird das zu untersuchende Aerosol dem Messgert durch eine geeignete Probennahme-leitung, z. B. ein Edelstahlrohr, zugefhrt. Bei Ger-ten mit niedrigem Pro

26、bennahmevolumenstrom ist bei kleinen Partikeln (D 1 m bis 3 mAuflsungsvermgen fr die Partikelgre Partikelgrenunterscheidung nicht mglichParameters Information from manufacturersVapour substance n-butanol, isopropanol, waterOperating temperature Lower limit Upper limit5 C to 10 C 30 C to 40 CSample f

27、low rate 0,5 ml/s to 50 ml/sInlet flow rate 5 ml/s to 50 ml/sMeasuring range of number concentration (counting mode) Lower detection limit Upper detection limit“Approx. 0” 100 cm3to 300.000 cm3Maximum measurable number concentration (photometric mode) 107cm3Measuring range of particle size Lower det

28、ection limit Upper detection limitApprox. 2,5 nm to approx. 20 nm 1 m to 3 mResolution capacity for particle size Particle size differentiation not possibleB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2008 VDI 386

29、7 Blatt 2 / Part 2 17 strom erhht sich bei gleicher zu messender Anzahl-konzentration die Partikelzhlrate (bessere Zhlsta-tistik, geringere maximal messbare Anzahlkonzent-ration im Zhlmodus); blicherweise zwischen 0,5 ml/s und 50 ml/s.ProbennahmevolumenstromKann sich vom Messvolumenstrom unterscheid

30、en (z. B. bei Kondensationspartikelzhlern mit laminarer Aerosolinjektion oder turbulenter Mischung). Oft be-steht auch die Mglichkeit, einen Teil des Proben-nahmevolumenstroms gerteintern im Bypass an der Messzelle vorbeizuleiten (hherer Probennahme-volumenstrom, geringere Diffusionsverluste in der

31、Probenansaugleitung); blicherweise zwischen 5 ml/s und 50 ml/s.Maximal messbare Anzahlkonzentration im Zhlmodusblicherweise diejenige Anzahlkonzentration, bei der der Koinzidenzfehler kleiner als 10 % ist; bli-cherweise zwischen 100 cm3und 100.000 cm3. H-here Werte durch niedrigere Messvolumenstrme

32、mglich (aber: Verschlechterung der Zhlstatistik bei niedrigen Anzahlkonzentrationen).Maximal messbare Anzahlkonzentration im fotometrischen Modusblicherweise fr Anzahlkonzentrationen bis 107cm3kalibriert.Untere Grenze des GrenmessbereichsWird von nahezu allen Gertekenndaten beeinflusst; blicherweise

33、 zwischen 2,5 nm und 20 nm.Obere Grenze des GrenmessbereichsIm Allgemeinen vom Hersteller unschrfer spezifi-ziert als die untere Grenze; blicherweise grer als 1 m“ bis grer als 3 m“.Auflsungsvermgen fr die PartikelgreAufgrund des Messprinzips knnen keine Partikel-gren unterschieden werden.12 Streinf

34、lsse und FehlerquellenEinige Ausfhrungen von Kondensationspartikelzh-lern haben ein offenes Reservoir fr die Dampfsub-stanz und drfen daher nur in horizontaler Lage betrie-ben werden. Andernfalls kann es zu einer Verschmut-zung der Optik durch die Dampfsubstanz kommen. Je nach den Arbeitstemperature

35、n von Sttigungs- und Kondensationsstrecken und abhngig von dem ver-wendeten Temperaturregelprinzip gelten fr die ein-zelnen Modelle der Kondensationspartikelzhler un-sample flow rate is accompanied by an increase in the particle count rate (better counting statistics, lower maximum measurable number

36、 concentration in counting mode); usually between 0,5 ml/s and 50 ml/s.Inlet flow rateMay differ from the sample flow rate (e. g. on Con-densation Particle Counters with laminar aerosol in-jection or turbulent mixing). With some instrument types part of the inlet flow can bypass the measuring cell (

37、higher inlet flow rate, lower diffusion loss in the sampling line); usually between 5 ml/s and 50 ml/s. Maximum measurable number concentration in counting modeUsually the number concentration for which the coin-cidence error is less than 10 %, usually between 100 cm3and 100.000 cm3. Higher values a

38、re possi-ble due to lower sample flow rates (but poorer count-ing statistics if the number concentrations are low). Maximum measurable number concentration in photometric modeUsually calibrated for number concentrations up to 107cm3.Lower limit of the size measuring rangeIs affected by virtually all

39、 instrument parameters; usually between 2,5 nm and 20 nm.Upper limit of the size measuring rangeUsually less precisely defined by the manufacturer than the lower limit; usually “greater than 1 m” to “greater than 3 m”.Resolution capacity for particle sizeThe measurement principle does not allow to d

40、istin-guish particle sizes.12 Interferences and sources of errorSome types of Condensation Particle Counters have an open reservoir for the vapour substance and shall therefore only be used horizontally. If not, the optics may be contaminated by the vapour substance. Depending on the working tempera

41、tures of the satu-ration and condensation sections and on the tempera-ture control principle employed in the instrument, the maximum and minimum permissible ambient tem-B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dssel

42、dorf 2008 18 VDI 3867 Blatt 2 / Part 2terschiedliche maximale und minimale Umgebungs-temperaturen. Ein ber- oder Unterschreiten dieser Temperaturen kann die Kalibrierung und den Zhl-wirkungsgrad beeinflussen.Der Druck und die Temperatur des Aerosols sowie die stoffliche Zusammensetzung von Partikeln

43、 und Trgergas beeinflussen den Kondensationsvorgang. Kalibrierdaten und Angaben zum Zhlwirkungsgrad gelten normalerweise fr Luft bei Umgebungsbedin-gungen. Bei abweichenden Bedingungen mssen die Auswirkungen im Einzelfall geprft werden. Eventu-ell ist eine Neukalibrierung fr den in Betracht kom-mend

44、en Betriebsfall durchzufhren.Gaszustand und Zusammensetzung beeinflussen au-erdem die Volumenstromregelung und damit die An-zahlkonzentrationsbestimmung. Im Extremfall ist ein geregelter Volumenstrom (z. B. bei zu starkem ber-druck des Aerosols) nicht mehr aufrechtzuerhalten. Auch hier sind die Hers

45、tellerangaben zu beachten.Zur Messung an polydispersen Aerosolen, deren mittlerer Durchmesser in der Nhe der Messbereichs-grenzen liegt, sind Kondensationspartikelzhler nur bedingt geeignet. Der allmhlich nachlassende Zhl-wirkungsgrad fhrt hier zu Messfehlern, die selbst bei Kenntnis des Verlaufs de

46、s Zhlwirkungsgrades prinzipiell nicht korrigierbar sind.Bei hoher Luftfeuchtigkeit im Aerosolstrom kann es in Kondensationspartikelzhlern zur Kondensation von Wasserdampf kommen. Reichert sich Wasser in der Dampfsubstanz an, so verschiebt sich die Nach-weisgrenze zu greren Partikeln. Abhilfe ist dur

47、ch Vorschalten eines Diffusionstrockners (siehe auch VDI 3867 Blatt 1), durch kontinuierlichen Austausch der Dampfsubstanz oder durch Abtrennung des Kon-denswassers im Gert mglich.Werden Kondensationspartikelzhler zusammen mit anderen Messgerten in einer Luftmessstation betrie-ben, so mssen Reinigun

48、g und Ableitung der Abluft so konzipiert werden, dass Verfahren mit Queremp-findlichkeit bezglich der gewhlten Dampfsubstanz nicht signifikant beeinflusst werden. Um Dampfsub-stanz aus der Abluft von Kondensationspartikelzh-lern zu entfernen, kann z. B. ein Aktivkohlefilter ver-wendet werden.Wird Wa

49、sser als Dampfsubstanz eingesetzt, sind sol-che Querempfindlichkeiten nicht vorhanden.13 Wartung13.1 AllgemeinesDie Wartung von Kondensationspartikelzhlern um-fasst sowohl regelmige Wartungsarbeiten, die vom Betreiber vor Ort durchgefhrt werden knnen, als peratures are different and instrument-specific. Ex-ceeding or falling below these temperatures may af-fect calibration