VDI 3867 Blatt 3-2012 Measurement of particles in ambient air - Determination of the particle number concentration and number size distribution of aerosols - Electrical mobility sp.pdf

1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREMessen von Partikeln in der AuenluftBestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrenverteilung von AerosolenElektrisches MobilittsspektrometerMeasurement of particles in ambient airDetermination of the particle number concentration and number size distribution of a

2、erosolsElectrical mobility spectrometerVDI 3867Blatt 3 / Part 3Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 5: Analysen und Messverfahren IIVDI-RICHTLINIENZubeziehen durch /Available at BeuthVerlag GmbH,10772 Berlin AlleRechtevorbehalten /All rights reserved

3、Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf 2012Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattet / Reproduction evenfor internal use not permittedDer Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundes-anzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen.Die deutsche Version di

4、eser Richtlinie ist verbindlich.ICS 13.040.01 August 2012The draft of this guideline has been subject to public scrutiny afterannouncement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette).The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the Engl

5、ish trans-lation. Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 32 Grundlage des Verfahrens . . . . . . . . . . . 33 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.1 Prinzip

6、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53,2 Gertekonfigurationen . . . . . . . . . . . 84 Verfahrensmerkmale . . . . . . . . . . . . . . 104.1 Transferfunktion des Mobilittsanalysators. 104.2 Trgheitsabscheider . . . . . . . . . . . . . 124.3 Elektrische Konditionierung derAerosolpartikel . . . . .

7、 . . . . . . . . . . 134.4 Detektionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . 184.5 Auswertealgorithmus . . . . . . . . . . . . 194.6 Betriebsweise . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Ausfhrungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . 225.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . 225.2 Beispiel 1 . . .

8、 . . . . . . . . . . . . . . 225.3 Beispiel 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235.4 Beispiel 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 Funktionsprfung und Kalibrierung. . . . . . 286.1 Funktionsprfung . . . . . . . . . . . . . . 286.2 Kalibrierung. . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Messplanun

9、g . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 Durchfhrung der Messung . . . . . . . . . . 339 Datendokumentation . . . . . . . . . . . . . . 33Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . . . . . . . . . . . . . . . .

10、 . . . . . 32 Principle of the method . . . . . . . . . . . . 33 Function. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.1 Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2 Instrument configurations . . . . . . . . . 84 Features of the method . . . . . . . . . . . . 104.1 Transfer function of the mob

11、ility analyser . 104.2 Inertial separator . . . . . . . . . . . . . . 124.3 Charge conditioning of aerosol particles . . 134.4 Detection principle . . . . . . . . . . . . . 184.5 Evaluation algorithm . . . . . . . . . . . . 194.6 Mode of operation . . . . . . . . . . . . . 215 Examples of mobility s

12、pectrometers . . . . . 225.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225.2 Example 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . 225.3 Example 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . 235.4 Example 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 Function testing and calibration . . . . . . . 286.1 Function testin

13、g. . . . . . . . . . . . . . . 286.2 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Measurement planning. . . . . . . . . . . . . 338 Measurement procedure . . . . . . . . . . . . 339 Data documentation . . . . . . . . . . . . . . 33Frhere Ausgabe: 06.09 Entwurf, deutschFormer edition: 06/09Draft

14、 in German onlyKommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdLFachbereich UmweltmesstechnikB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 2 VDI 3867 Blatt 3 / Part 3Seite10 Gertekenngre

15、n . . . . . . . . . . . . . . 3411 Streinflsse und Fehlerquellen. . . . . . . 3712 Wartung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3912.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . 3912.2 Vorabscheider . . . . . . . . . . . . . . 4012.3 Auflader . . . . . . . . . . . . . . . . . 4012.4 Differentielle

16、r Mobilittsanalysator . . . 4012.5 Partikeldetektor . . . . . . . . . . . . . 4113 Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . 4113.1 Beispiel 1 . . . . . . . . . . . . . . . . 4213.2 Beispiel 2 . . . . . . . . . . . . . . . . 4313.3 Beispiel 3 . . . . . . . . . . . . . . . . 41Schrifttum . . . . .

17、 . . . . . . . . . . . . . . . 44VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung, jeweils auszugsweise oder vol

18、lstndig,sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrungdes Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in denVDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserVDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei ged

19、ankt.EinleitungDie Bedeutung von Aerosolpartikeln mit Durchmes-sern D 1 m prak-tisch gleich eins ist. Fr 10 nm erreicht er bereits ei-nen Wert von etwa 20 und bei 1 nm ist er grer als200.Die Verwendung dieses Korrekturfaktors bedeuteteine erhebliche Extrapolation des stokesschen Geset-zes ber seinen

20、 eigentlichen Gltigkeitsbereich hin-aus.Die dynamische Viskositt des Gases hngt von derTemperatur und die mittlere freie Weglnge vomDruck und von der Temperatur des Gases ab. Da Mo-bilittsspektrometer blicherweise in einem klimati-sierten Messcontainer betrieben werden, spielt derZp EE- n e C Dp( )

21、3pi Dp -= =C Dp( ) 1 Dp- 2,514 0,800+ e0,55Dp-+=taken by an electrically charged particle in an electricfield to the field strength:(1)whereZp electrical mobilityE velocity of the charged particle in an electric fieldE electric field strengthn Number of the elementary charges on the particlee elemen

22、tary charge (e = 1,602 1019 As)C(Dp) Cunningham correction factor dynamic viscosity of the gasDp particle diameter(in this case the Stokes diameter)The electrical mobility thus depends on both the par-ticle size (for Stokes diameter, see VDI 3867 Part 1)and the number of elementary charges that a pa

23、rticlecarries. To derive the particle size from the electricalmobility, the charge number n shall be known.The correction factor C(Dp) is known as the Cunning-ham correction factor or slip correction factor. For air,C(Dp) can be calculated in accordance with the em-pirical approach given in Equation

24、 (1) 1:(2)where mean free path of the gas molecule(for air at 20 C and 1013 hPa, = 0,0654 m)Note: For the calculation of the Cunningham correction factor,other equations are also given in the literature. An overview can befound in ISO 15900.Figure 1 shows the graphical representation of theCunningha

25、m correction factor as a function of theparticle size. It is evident that it is practically equal toone for particle diameters 1 m. For 10 nm it as-sumes a value of about 20, and for 1 nm it is greaterthan 200.The use of this correction factor entails a considera-ble extrapolation of Stokes law beyo

26、nd its true valid-ity range.The dynamic viscosity of a gas depends on the tem-perature, and the mean free path on the pressure andtemperature of the gas. Since mobility spectrometersare usually operated in a conditioned measurementcontainer, the effect of temperature is irrelevant whileZp EE- n e C

27、Dp( ) 3pi Dp -= =C Dp( ) 1 Dp- 2,514 0,800+ e0,55Dp-+=B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI 3867 Blatt 3 / Part 3 5 Temperatureinfluss keine Rolle, whrend der Druck-einfluss fr das Messergebnis dur

28、chaus signifikantsein kann. Ein Beispiel hierfr ist die Bestimmungder Partikelgrenverteilung auf dem Jungfraujoch(Hhe ca. 3600 m) bei 650 hPa: Wird das Mobilitts-spektrometer dort unverndert wie bei Normaldruck(1013 hPa) betrieben, ergibt sich eine Verschiebungdes gesamten gemessenen Grenspektrums.

29、Einem100 nm groen Partikel wrde dann eine Gre von121 nm zugeordnet.3 Funktionsweise3.1 PrinzipIn einem Elektrischen Mobilittsspektrometer wer-den die im Probenvolumenstrom enthaltenen Partikelzunchst in einem Diffusionsauflader in einen defi-nierten elektrischen Ladungszustand versetzt. In demsich a

30、nschlieenden Differenziellen Mobilittsanaly-sator (DMA), dem Kernstck des Elektrischen Mobi-littsspektrometers, wird in einem elektrischen Feldeine monomobile Partikelfraktion ausgeschnitten“,deren Konzentration mit einem Aerosolelektrometeroder einem Kondensationspartikelzhler (CPC) be-stimmt wird.

31、 Die Mobilitt dieser Partikelfraktionwird durch Verndern der Feldstrke in einer be-stimmten zeitlichen Abfolge so verndert, dass manaus den dabei gemessenen Konzentrationen auf dieAnzahlgrenverteilung des Aerosols schlieenkann. Die nderung der Feldstrke wird durch dienderung der Spannung zwischen de

32、n Elektrodenbewirkt.Bild 2 veranschaulicht die Funktionsweise eines zy-lindrischen DMA. Der Bereich zwischen der Auen-elektrode und der Zentralelektrode wird laminar vonpartikelfreier Schleierluft durchstrmt. Durch einenschmalen Einlassringspalt wird das polydisperse Ae-rosol direkt an der Auenelekt

33、rode zugefhrt. Unterthe effect of pressure can indeed be significant for themeasurement result. An example of this is the deter-mination of the particle size distribution on the Jung-fraujoch (altitude approx. 3600 m) at 650 hPa. If themobility spectrometer is operated there as at standardpressure (

34、1013 hPa), there will be a shift in the entiremeasured size spectrum. A 100 nm particle wouldthen be assigned to a size of 121 nm.3 Function3.1 PrincipleIn an electrical mobility spectrometer, the particlescontained in the sample flow are initially brought intoa defined electrical charge state in a

35、diffusion charger.In the adjoining differential mobility analyser(DMA), the central element of the electrical mobilityspectrometer, a monodisperse particle fraction is “cutout” in an electric field and its concentration is deter-mined with an aerosol electrometer or a condensationparticle counter (C

36、PC). The mobility of this particlefraction is changed by changing the field strength in acertain temporal sequence so that the particle size dis-tribution of the aerosol can be concluded from themeasured concentrations. The field strength ischanged by modifying the voltage between the elec-trodes.Fi

37、gure 2 illustrates the principle of a cylindricalDMA. A laminar flow of particle-free sheath airpasses through the area between the outer electrodeand the central electrode. Through a narrow annularinlet gap, the polydisperse aerosol is introducedalong the outer electrode. Under the influence of the

38、Bild 1. Cunningham-Korrekturfaktor fr Luft als Funktion desPartikeldurchmessersFigure 1. Cunningham correction factor for air as a function ofthe particle diameterB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2

39、012 6 VDI 3867 Blatt 3 / Part 3dem Einfluss des elektrischen Felds, das durch Anle-gen einer Gleichspannung (positiv oder negativ ge-genber der geerdeten Auenelektrode) zwischenZentral- und Auenelektrode erzeugt wird, bewegensich die Partikel der einen Polaritt zur Auenelek-trode, die Partikel der a

40、nderen Polaritt zur Innenelek-trode, quer zur Strmung durch die Schleierluft. Dieungeladenen Partikel folgen der laminaren Strmung.ber einen ebenfalls ringfrmigen Auslassschlitz imunteren Teil der Zentralelektrode wird ein Teilstromabgesaugt, der nur Partikel einer bestimmten elektri-schen Mobilitt

41、enthlt. Diese Mobilitt lsst sich ausder Geometrie der Anordnung, den Volumenstrmenelectric field generated by application of a DC volt-age (positive or negative towards the earthed outerelectrode) between the central and outer electrode,the particles of one polarity migrate towards the outerelectrod

42、e and the particles of the other polarity to theinner electrode, transversely to the passage throughthe sheath air. The uncharged particles follow thelaminar flow.Via an also annular outlet slot in the bottom part ofthe central electrode, a part flow solely containingparticles of a certain electrica

43、l mobility is extracted.This mobility can be calculated from the geometry ofthe set-up, the flow rates and the voltage applied be-Bild 2. Funktionsweise eines Differentiellen Mobilittsanalysa-tors (DMA)1 Auenelektrode2 Einlassringspalt3 Innenelektrode4 AuslassschlitzU einstellbare Gleichspannungri R

44、adius der Innenelektrodera Radius der AuenelektrodeL effektive Lnge des MobilittsanalysatorsVP Volumenstrom des polydispersen AerosolsVS Volumenstrom der SchleierluftVM Volumenstrom des monomobilen AerosolsVE Volumenstrom der berschussluftFigure 2. Principle of a differential mobility analyser (DMA)

45、1 outer electrode2 annular inlet gap3 inner electrode4 outlet slotU adjustable DC voltageri inner electrode radiusra outer electrode radiusL effective length of mobility analyserVP polydisperse aerosol flowVS sheath air flowVM monodisperse aerosol flowVE excess air flow B55EB1B3E14C22109E918E8EA43ED

46、B30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI 3867 Blatt 3 / Part 3 7 und der zwischen den Elektroden anliegenden Span-nung nach Gleichung (3) berechnen:(3)Dabei istmittlere elektrische Mobilitt einer GrenklasseVolumenstrom der Schlei

47、erluftra Innenradius der Auenelektroderi Auenradius der InnenelektrodeU Spannung zwischen den ElektrodenL Abscheidelnge (Abstand zwischen Einlass-ringspalt und Auslassschlitz)Bild 3 zeigt die Gesamtanordnung eines Elektri-schen Mobilittsspektrometers. Der Probenvolumen-strom des zu messenden polydis

48、persen Aerosols wirddem DMA ber einen Trgheitsabscheider und einenZP*V S lnrari-2pi U L -=ZP*V Stween the electrodes in accordance with Equation (3):(3)wheremean electrical mobility of a size classsheath air flow ratera inner radius of outer electroderi outer radius of inner electrodeU voltage between electrodesL effective length (distance between annular inletgap and outlet slot)Figure 3 shows the overall set-up of an electricalmobility spectrometer. The sample flow of the poly-disperse aerosol being measured is fed via an inertialseparator and a diffusion charger to the DMA