VDI 3867 Blatt 4-2011 Measurement of particles in ambient air - Determination of the particle number concentration and particle size distribution of aerosols - Optical aerosol spec.pdf

1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREMessen von Partikeln in der AuenluftBestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrenverteilung von AerosolenOptisches AerosolspektrometerMeasurement of particles in ambient airDetermination of the particle number concentration and particle size distribution of aero

2、solsOptical aerosol spectrometerVDI 3867Blatt 4 / Part 4Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishKommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdLFachbereich UmweltmesstechnikVDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 5: Analysen- und Messverfahren IIVDI-RICHTLINIENZubeziehen dur

3、ch /Available at BeuthVerlag GmbH,10772 Berlin Alle Rechtevorbehalten /All rights reserved Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf 2011Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattet / Reproduction evenfor internal use not permittedDer Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung i

4、m Bundes-anzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen.Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 13.040.20Juni 2011June 2011The draft of this guideline has been subject to public scrutinyafter announcement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette).The German version of th

5、is guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation. Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 32 Begriffe. .

6、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Grundlage des Verfahrens . . . . . . . . . . . 44 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Verfahrensmerkmale . . . . . . . . . . . . . . 76 Aufbau und Ausfhrungsbeispiele . . . . . . 117 Messtechnische Anforderungen . . . . . . . 218 Messplanung

7、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 Funktionsprfung und Kalibrierung . . . . . 2110 Vorbereitung und Durchfhrung der Messung2511 Datendokumentation . . . . . . . . . . . . . . 2612 Gertekenngren . . . . . . . . . . . . . . . 2613 Streinflsse und Fehlerquellen . . . . . . . 2614 Wartung . . . .

8、. . . . . . . . . . . . . . . . . 2815 Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . 29Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . . . . . . . . . . .

9、. . . . . . . . . . . . 32 Terms and definitions . . . . . . . . . . . . . . 33 Principle of the method . . . . . . . . . . . . . 44 Mode of operation . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Features of the method . . . . . . . . . . . . . 76 Set-up and examples . . . . . . . . . . . . . . 117 Measuremen

10、t requirements . . . . . . . . . . 218 Measurement planning . . . . . . . . . . . . . 219 Functional test and calibration . . . . . . . . . 2110 Preparations and procedure . . . . . . . . . . 2511 Data documentation . . . . . . . . . . . . . . . 2612 Instrument parameters . . . . . . . . . . . . . 2

11、613 Interferences and sources of error. . . . . . . 2614 Maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2815 Examples of applications . . . . . . . . . . . . 29Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Frhere Ausgabe: 01.08, Entwurf, deutschFormeredition: 01/08, draft, in German on

12、lyB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 2 VDI 3867 Blatt 4 / Part 4VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Al

13、le Rechte, insbesondere das des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig,sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrungdes Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), d

14、ie in denVDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erstellung dieserRichtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieserRichtlinienreihe ist im Internet abrufbar unterwww.vdi.de/3867.EinleitungDie Bedeutung von Aerosolpartikeln mit Durch

15、mes-sern D 2 pi) sind. Fr solche Anordnungenhat allerdings die Angabe eines mittleren Streuwin-kels wenig Sinn. Man gibt hier stattdessen die Winkelan, die die Empfngerapertur begrenzen.5.3 MessvolumenDas Messvolumen eines Optischen Aerosolspektro-meters ist der Bereich des beleuchtenden Licht-strah

16、ls, aus dem der Fotodetektor das Streulicht derPartikel empfngt. Zur Begrenzung dieses Mess-volumens werden zwei prinzipiell unterschiedlicheTechniken eingesetzt. Bei der ersten Methode wirdder Aerosolstrahl meist von einem Reinluftmantelumgeben durch die Form der Aerosoldse einge-schnrt (aerodynami

17、sche Fokussierung) und trittdurch den ebenfalls fokussierten Lichtstrahl, der ei-nen greren Querschnitt aufweist (siehe Bild 5).Das Messvolumen ist in dem dargestellten Beispielein Zylinder, dessen Mantelflche von der Grenz-schicht zwischen Aerosolstrahl und Reinluftmantelgebildet wird. Das gesamte

18、angesaugte Aerosolvolu-men wird durch das Messvolumen gefhrt und analy-siert. Allerdings knnen mit dieser Technik keine be-liebig kleinen Messvolumina realisiert werden.Die zweite Methode der Messvolumenbegrenzungarbeitet mit rein optischen Mitteln (siehe Bild 6).Die Abbildung einer Blende im Beleuc

19、htungsstrah-lengang begrenzt die Abmessungen des Lichtstrahls.Figure 4. Definition of scattering angle and receiver apertureI0 intensity of the illuminating light beamI intensity of the scattered light light wavelengthDp particle diameterm complex refractive index of the particle material scattering

20、 angle receiver apertureThe receiver aperture expresses the size of the solidangle in which the scattered light is measured. In or-der to obtain unambiguous calibration curves whenmonochromatic light sources are used (see Sec-tion 3), preference is given to receiver apertures thatare as large as pos

21、sible. Apertures have been realizedthat are significantly larger than the solid angle of ahemisphere ( 2 pi). However, for such arrange-ments it makes little sense to state a mean scatteringangle. Given instead are the angles that limit the re-ceiver aperture.5.3 Measuring volumeThe measuring volume

22、 of an optical aerosol spec-trometer is that section of the illuminating light beamfrom which the photodetector receives the particlesscattered light. To delimit this measuring volume,two fundamentally different techniques are em-ployed. In the one case, the aerosol stream in mostcases enclosed by a

23、 sheath of clean air is constrictedby the shape of the aerosol nozzle (aerodynamic fo-cusing) and passes through the focused light beam,which has a larger cross section (see Figure 5).The measuring volume in the illustrated example is acylinder whose envelope surface is formed by theboundary layer b

24、etween the aerosol stream and cleanair sheath. The entire sampled aerosol volume ispassed through the measuring volume and analysed.However, with this technique the measuring volumecannot be reduced beyond a certain size.The second method for delimiting the measuring vol-ume makes use of purely opti

25、cal means (seeFigure 6). In this case, the image of an aperture inthe illumination beam path limits the dimensions ofthe light beam.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 VDI 3867 Blatt 4 / Part 4 9 Bil

26、d 5. Beispiel einer aerodynamischen Begrenzung des Mess-volumens 2a) Seitenansichtb) Draufsicht1 Aerosoldse 5 Lichtstrahl2 Reinluftdse 6 Messvolumen3 Aerosolstrahl 7 Absaugung4 ReinluftschleierBild 6. Optische Begrenzung des Messvolumens 2a) Seitenansichtb) Draufsicht1 Aerosolkanal2 Lichtstrahl3 Mes

27、svolumenDie Abbildung einer zweiten Blende im Beobach-tungsstrahlengang begrenzt den Bereich, aus dem dasStreulicht der Partikel empfangen wird. Der Quer-schnitt des Aerosolstrahls kann in diesem Fall deut-lich grer als der Querschnitt des Messvolumenssein. Diese Methode ermglicht die Messung ohnePr

28、obennahme (z.B. durch Einbau einer Messkvettein eine Rohrleitung).Die Bestimmung des Messvolumenstroms setzt diegenaue Kenntnis des Messvolumenquerschnitts undder Strmungsgeschwindigkeit in diesem Quer-schnitt voraus. Auerdem tritt bei diesem Prinzip einRandzonenfehler auf, der dadurch hervorgerufen

29、wird, dass Partikel, die das Messvolumen an seinemRand passieren, nur unvollstndig beleuchtet werdenoder dass das von ihnen gestreute Licht nur teilweisedetektiert werden kann. Beides fhrt dazu, dass dieFigure 5. Example of the aerodynamic definition of the measu-ring volume 2a) side viewb) top view

30、1 aerosol nozzle 5 light beam2 clean air nozzle 6 measuring volume3 aerosol flow 7 suction nozzle4 clean air sheathFigure 6. Optical definition of the measuring volume 2a) side viewb) top view1 aerosol channel2 light beam3 measuring volumeThe image of a second aperture in the observationbeam path li

31、mits the section from which the scatteredlight of the particles can be received. In this case, thecross section of the aerosol stream can be much largerthan the cross section of the measuring volume. Thismethod facilitates measurement without sampling(e.g. by installing a measuring cell in a pipe).D

32、etermination of the sample flow rate requires pre-cise knowledge of the cross section of the measuringvolume and the flow rate in this cross section. Fur-thermore, the border zone error shall be considered,which arises when particles passing at the edge of themeasuring volume are only incompletely i

33、lluminatedor when the light scattered by them can only be partlydetected. As a result of both of these effects, the sizeof the particles concerned is underestimated. The ef-B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., D

34、sseldorf 2011 10 VDI 3867 Blatt 4 / Part 4betreffenden Partikel zu klein gemessen werden. DerEffekt wird umso grer, je grer die Partikel imVergleich zur Kantenlnge des Messvolumens sind.Der Randzonenfehler kann durch Messungen an mo-nodispersen Kalibrieraerosolen quantitativ beschrie-ben werden. Das

35、 so ermittelte bertragungsverhaltendes Aerosolspektrometers kann als Grundlage fr ei-nen Korrekturalgorithmus verwendet werden, mitdessen Hilfe es mglich ist, den Randzonenfehlernachtrglich zu eliminieren 3; 4. Andere Verfahrennutzen zwei unterschiedlich groe oder ein speziellgeformtes Messvolumen,

36、um durch eine Signalana-lyse bereits whrend der Messung die vom Randzo-nenfehler betroffenen Partikel auszusortieren 5; 6.Die Gre des Messvolumens bestimmt als entschei-dender Parameter den Messbereich eines OptischenAerosolspektrometers bezglich der Anzahlkonzent-ration. Die Obergrenze des Anzahlko

37、nzentrations-messbereichs ist durch den Effekt der Koinzidenz,also das gleichzeitige Vorhandensein mehrerer Parti-kel im Messvolumen, begrenzt. Es ist offensichtlich,dass die Wahrscheinlichkeit dafr, dass mehrere Par-tikel gleichzeitig als ein Zhlereignis erfasst werden,mit zunehmender Gre des Messv

38、olumens ebenfallszunimmt.Fr das Verhltnis von gemessener zu tatschlicherKonzentration liefert die Poisson-Statistik den fol-genden Zusammenhang (siehe auch VDI 3867Blatt 1):(1)Dabei istCn gemessene Partikelkonzentration Cnw tatschliche (wahre“) PartikelkonzentrationVM MessvolumenV MessvolumenstromT

39、Aufenthaltszeit eines Partikels im Messvolu-men (einschlielich Signalverarbeitungszeit)Da das Verhltnis aus gemessener und tatschlicherPartikelkonzentration mglichst nahe bei eins liegensollte, muss das Produkt aus tatschlicher Partikel-konzentration und Messvolumen mglichst kleinsein. Fr einen maxi

40、mal zulssigen Koinzidenzfehlervon beispielsweise 10 % ergibt sich fr dieses Pro-dukt ein maximaler Wert von 0,1.Umgekehrt muss zur Erzielung einer mglichst nied-rigen unteren Nachweisgrenze fr die Partikelanzahl-konzentration das Messvolumen oder der Messvolu-menstrom mglichst gro sein, um in vertre

41、tbarenMesszeiten eine statistisch signifikante Zahl vonZhlereignissen zu erzielen.CnCnw- eCnw VM e Cnw V T = =fect is greater, the larger the particles are in relation tothe edge length of the measuring volume. The borderzone error can be quantitatively determined withmeasurements performed on monod

42、isperse calibra-tion aerosols. With the thus obtained transfer charac-teristics of the particle counter a correction algorithmfor the subsequent elimination of the border zone er-ror can be derived 3; 4. Other methods use two dif-ferently large measuring volumes or a speciallyshaped one and exclude

43、the particles affected by theborder zone error 5; 6 by signal analysis directlyduring measurement.The size of the measuring volume is the decisive pa-rameter determining the measuring range of an opti-cal aerosol spectrometer in terms of number concen-tration. The upper limit of the number concentra

44、tionmeasuring range is limited by the effect of coinci-dence, i.e. the simultaneous presence of several par-ticles in the measuring volume. Obviously, the prob-ability that several particles are detected as one singlecount event increases with the increasing size of themeasuring volume.For the ratio

45、 of measured to actual concentration,Poisson statistics supplies the following relationship(see also VDI 3867 Part 1):(1)whereCn measured particle concentration Cnw actual (“true”) particle concentrationVM measuring volumeV sample flow rateT residence time of a particle in the measuring volume (incl

46、uding signal processing time)Since the ratio of measured to actual particle concen-tration should be as close as possible to one, the prod-uct of actual particle concentration and measuringvolume shall be as small as possible. For a maximumpermitted coincidence error of, for instance, 10 %,this yiel

47、ds for this product a maximum value of 0,1.Conversely, to achieve as low a lower detection limitas possible for the particle number concentration, themeasuring volume or the sample flow rate shall be aslarge as possible in order to achieve a statistically sig-nificant number of count events within a

48、n acceptablemeasuring time.CnCnw- eCnw VM e Cnw V T = =B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 VDI 3867 Blatt 4 / Part 4 11 6 Aufbau und Ausfhrungsbeispiele6.1 Beispiel 1: Laser-AerosolspektrometerDie Ae

49、rosolspektrometer der Serie LAP sind Opti-sche Aerosolspektrometer, die fr die Messung anhohen Partikelkonzentrationen ausgelegt sind (max.105 cm3). Als Lichtquelle wird ein HeNe-Laser ver-wendet. Bild 7 zeigt die optische Anordnung desGerts.Der Laserstrahl wird ber einen Spiegel um 90 um-gelenkt und von der Beleuchtungsoptik astigmatischfokussiert. Hinter dem Messvolumen trifft er auf einezentral vor der Sammelop