VDI 3867 Blatt 5-2013 Measurement of particles in ambient air - Determination of the particle number concentration and particle size distribution of aerosols - Time-of-flight spect.pdf

1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREMessen von Partikeln in der AuenluftBestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrenverteilung von AerosolenFlugzeitspektrometerMeasurement of particles in ambient airDetermination of the particle number concentration and particle size distribution of aerosolsTime-

2、of-flight spectrometerVDI 3867Blatt 5 / Part 5Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 5: Analysen- und Messverfahren IIVDI-RICHTLINIENDer Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundes-anzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen.

3、Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.The draft of this standard has been subject to public scrutiny afterannouncement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette).The German version of this standard shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English

4、trans-lation.Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 32 Grundlage des Verfahrens . . . . . . . . . . . 33 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Verfahrensmerk

5、male . . . . . . . . . . . . . . 74.1 Beschleunigungssystem. . . . . . . . . . . 74.2 Optische Anordnung . . . . . . . . . . . . 84.3 Signalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . 95 Ausfhrungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . 116 Messtechnische Anforderungen. . . . . . . . 157 Messplanung . . . .

6、 . . . . . . . . . . . . . . 168 Kalibrierung und Funktionsprfung. . . . . . 168.1 Kalibrierung der Partikelgrenbestimmung . . . . . . . . . 168.2 Kalibrierung der Konzentrationsmessung. . 178.3 Funktionsprfung . . . . . . . . . . . . . . 179 Vorbereitung und Durchfhrung der Messung . . . . . . . .

7、. . . . . . . . . . 1810 Datendokumentation . . . . . . . . . . . . . 1911 Gertekenngren . . . . . . . . . . . . . . 1912 Streinflsse und Fehlerquellen . . . . . . . 19Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . .

8、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Principle of the method . . . . . . . . . . . . 33 Mode of operation . . . . . . . . . . . . . . . 64 Features of the method . . . . . . . . . . . . 74.1 Acceleration system . . . . . . . . . . . . 74.2 Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84.3 S

9、ignal processing . . . . . . . . . . . . . . 95 Example. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Measurement requirements . . . . . . . . . . 157 Measurement planning. . . . . . . . . . . . . 168 Calibration and function testing. . . . . . . . 168.1 Calibration of the particle sizemeasurement .

10、. . . . . . . . . . . . . . . 168.2 Calibration of the concentrationmeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . 178.3 Function testing. . . . . . . . . . . . . . . 179 Preparation and procedure . . . . . . . . . . 1810 Data documentation . . . . . . . . . . . . . 1911 Instrument parameters . . . . .

11、 . . . . . . . 1912 Interferences and error sources . . . . . . . 19ICS 13.040.20 November 2013Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattet / Reproduction evenfor internal use not permittedFrhere Ausgaben: 05.10Entwurf, deutsch;VDI 3489 Blatt 8:1996-12Zubeziehen durch /AvailableatBe

12、uth Verlag GmbH,10772 Berlin Alle Rechtevorbehalten /All rights reserved Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf 2013Formeredition: 05/10Draft, in German only;VDI 3489 Part 8:1996-12Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdLFachbereich UmweltmesstechnikB55EB1B3E14C22109E91

13、8E8EA43EDB30F09DCDB7EE8FD9NormCD - Stand 2013-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2013 2 VDI 3867 Blatt 5 / Part 5Seite13 Wartung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2113.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . 2113.2 Regelmige Wartungsarbeiten . . . . . 221

14、3.3 Prventive Wartungsarbeiten . . . . . . 2214 Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . 2214.1 Tonerpartikel (Laserdrucker) . . . . . . 2214.2 Auenluftmessungen . . . . . . . . . . 23Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden un

15、ter 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 vollstndig,sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrungdes Urheberrecht

16、s und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi.de/richtlinien), die in denVDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserVDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.EinleitungDie Bedeutung von Aerosolpartikeln mit Durchmes-sern D 700 durch Anpassung de

17、s Volumenstroms kompensiert)700 bis 1100 keine AngabeRelative Feuchte in % 10 bis 90,nicht kondensierend0 bis 95,nicht kondensierend10 bis 90,nicht kondensierendB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EE8FD9NormCD - Stand 2013-11All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2013 VD

18、I 3867 Blatt 5 / Part 5 21 die gertespezifischen Korrekturfunktionen zurKompensation des Dichteeinflusses eingesetzt wer-den. Der Formeinfluss kann, sofern erwnscht, bereine Kalibrierung mit dem zu messenden Partikel-material korrigiert werden.13 Wartung13.1 AllgemeinesDie Wartung von Flugzeitspektr

19、ometern umfasst so-wohl regelmige Wartungsarbeiten, die vom Betrei-ber vor Ort durchgefhrt werden knnen, als auchprventive Wartungsarbeiten, die in greren Inter-for the effect of density should be activated. If de-sired, the effect of shape can be corrected by calibrat-ing the instrument with the pa

20、rticle material to bemeasured.13 Maintenance 13.1 General remarksThe maintenance of time-of-flight spectrometerscomprises both regular maintenance tasks that can beperformed by the operator in situ and preventivemaintenance tasks that should be carried out at longerTable 1. Overview of typical instr

21、ument parameters of commercially available time-of-flight spectrometers (manufacturer information)a) Calculated from the tenfold value of the false count rate ( 700 compensated for by flow rate adjustment)700 to 1100 no detailsRelative humidity, in % 10 to 90,non-condensing0 to 95,non-condensing10 t

22、o 90,non-condensingB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EE8FD9NormCD - Stand 2013-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2013 22 VDI 3867 Blatt 5 / Part 5vallen, typischerweise jhrlich, in einem qualifizier-ten Wartungsbetrieb z.B. des Gerteherstellersdurchgefhrt we

23、rden sollten. An dieser Stelle knnenzu Wartungsarbeiten nur allgemeine Hinweise gege-ben werden. Angaben zu Wartungsangaben seitensder Gertehersteller sind auf jeden Fall zu beachten.13.2 Regelmige WartungsarbeitenUnabhngig von der Gerteausfhrung kann es durchBeladung von Schutzfiltern oder durch Ve

24、rschmut-zung von Volumenstrommesseinrichtungen oder D-sen im Lauf der Zeit zu Fehlfunktionen kommen. Dasich solche Fehlfunktionen meist auf den Probenah-mevolumenstrom auswirken und systembedingt un-erkannt bleiben knnen, sollte der Probenahmevolu-menstrom regelmig, bei kontinuierlicher Messungmonat

25、lich, mit einem externen Volumenstrommess-gert berprft werden. Nach einem Filtertausch odereiner Dsenreinigung ist mit vorgeschaltetem Abso-lutfilter eine Nullzhlung als Leckageprfung durch-zufhren.Die Verschmutzung optischer Komponenten im Be-reich der Messkammer kann die Zhleffizienz an derunteren

26、 Messbereichsgrenze beeintrchtigen. Ver-schmutzungen der Dsen in der Messzelle beeinflus-sen die beschleunigte Strmung und damit die Parti-kelgrenbestimmung. Ergibt eine Stichpunktkali-brierung Abweichungen von der Kalibrierkurve,mssen solche Dsen nach Herstellerangaben gerei-nigt werden. Abweichung

27、en von der Kalibrierkurvenur in der Nhe der unteren Messbereichsgrenze las-sen auf eine Verschmutzung optischer Komponentenschlieen, die dann ebenfalls nach Herstellerangabengereinigt werden sollten.13.3 Prventive WartungsarbeitenAls prventive Wartungsarbeiten fallen bei Flugzeit-spektrometern der A

28、ustausch von Verschleiteilen(z.B. Schieber von Drehschieberpumpen), die Reini-gung von Rohrleitungen, der Austausch von aerosol-fhrenden Schluchen und der Austausch von O-Rin-gen, Dichtungen und Ventilen und Filtern an. DieseWartungsarbeiten werden in der Regel im Rahmender Funktionsprfung und Kalib

29、rierung (siehe Ab-schnitt 8), meist jhrlich, durchgefhrt.14 Anwendungsbeispiele14.1 Tonerpartikel (Laserdrucker)Mit einem Flugzeitspektrometer (TSI APS, Modell3321) wurde die Partikelgrenverteilung von Laser-druckertonerpartikeln gemessen. Die Partikel wurdenhierzu trocken mit einem Venturidsen-Disp

30、ergierer(TSI Small-Scale Powder Disperser, Modell 3430)intervals, typically annually, by a specialized mainte-nance provider, e.g. the instrument manufacturer.Only general guidance on maintenance tasks can begiven here. The instrument manufacturers instruc-tions on maintenance are to be complied wit

31、h in allcases.13.2 Regular maintenanceRegardless of the instrument design, overladen pro-tective filters and contaminated flow metering equip-ment or nozzles can cause malfunctions in the courseof time. Since such malfunctions usually have effectson the sample flow rate and may in some cases re-main

32、 undetected due to the nature of the system, usean external flow meter to check the sample flow rateregularly and, in the case of continuous measure-ment, monthly. After filter replacement or nozzlecleaning, carry out a zero count with an upstream ab-solute filter to check for leakage.The contaminat

33、ion of optical components in themeasurement chamber can impair counting effi-ciency at the lower limit of the measuring range. Con-tamination of the nozzles in the measurement cell af-fects the accelerated flow and hence particle sizemeasurement. If a spot-check calibration shows devi-ations from th

34、e calibration curve, these nozzles haveto be cleaned in accordance with the manufacturersinstructions. Deviations from the calibration curvesolely in the proximity of the lower limit of the meas-uring range are a sign of the contamination of opticalcomponents, which should then also be cleaned in ac

35、-cordance with the manufacturers instructions.13.3 Preventive maintenanceThe preventive maintenance of time-of-flight spec-trometers includes the replacement of wearing parts,e.g. the vanes of rotary vane pumps, the cleaning ofpiping, the replacement of aerosol-carrying hoses andthe replacement of O

36、-rings, seals, valves and filters.These maintenance tasks are usually performed inconnection with function testing and calibration (seeSection 8), and in most cases annually.14 Examples of applications14.1 Toner particles (laser printer)The particle size distribution of laser printer tonerparticles

37、was measured with a time-of-flight spec-trometer (TSI APS, Model 3321). The particles weremetered in their dry state with a Venturi nozzle dis-perser (TSI Small-Scale Powder Disperser, ModelB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EE8FD9NormCD - Stand 2013-11All rights reserved Verein Deutscher Ingen

38、ieure e.V., Dsseldorf 2013 VDI 3867 Blatt 5 / Part 5 23 direkt in den Einlass des APS dosiert. Einige Ergeb-nisse dieser Messung finden sich bereits in Abschnitt5 (siehe Bild 8, Bild 9 und Bild 11). Die Messungumfasst auch die Mglichkeit, fr jedes einzelne Par-tikel sowohl den aerodynamischen Durchm

39、esser alsauch die relative Streulichtintensitt zu erfassen.Bild 12 zeigt das Ergebnis dieser korrelierten Mes-sung. Aus der Einzelsignalanalyse (vgl. Abschnitt 5)wird die Fehlerstatistik ermittelt, die in Bild 13 ge-zeigt wird. Man kann z.B. ablesen, dass 1,27 % derEinzelpartikelmessungen mit einem

40、Koinzidenzfeh-ler behaftet waren (Event 3). Etwa 16 % der gemesse-nen Partikel waren kleiner als der aerodynamischeDurchmesser der untersten Grenklasse (Event 1).Rezirkulationsfehler (Event 4) sind bei dieser Mes-sung nicht aufgetreten.14.2 AuenluftmessungenDie in Bild 14 und Bild 15 gezeigten Parti

41、kelan-zahlverteilungen wurden mit einem Flugzeitspektro-meter (TSI APS, Modell 3321) und einem Elektri-schen Mobilittsspektrometer (TSI SMPS, Modell3034) parallel im Januar 2006 in der MessstationBelsk (Polen, 5150N, 2047O) in 10 m Hhe bergeschlossener Schneedecke gemessen. Die StationBelsk liegt ca

42、. 50 km sdlich von Warschau, dienchste Industrieregion (Schlesien) liegt mehr als200 km entfernt in sdwestlicher Richtung. Belsk isteine Hintergrund-Messstation.3430) straight into the inlet of the APS. Some resultsof this measurement can be found in Section 5 (seeFigure 8, Figure 9 and Figure 11).

43、The measurementalso includes the possibility of measuring for eachparticle not only the aerodynamic diameter, but alsothe relative scattered light intensity. Figure 12shows the result of this correlated measurement. Theerror statistics are obtained from single signal analy-sis (cf. Section 5), and t

44、hese are shown inFigure 13. The figure shows, for example, that1,27 % of the individual measurements were affectedby particle coincidence (event 3). About 16 % of themeasured particles were smaller than the aerody-namic diameter of the lowest size class (event 1). Re-circulating particles (event 4)

45、did not arise during thismeasurement.14.2 Ambient air measurementsThe particle number distributions shown in Fi-gure 14 and Figure 15 were measured with a time-of-flight spectrometer (TSI APS, Model 3321) and anelectrical mobility spectrometer (TSI SMPS, Model3034) in parallel at Belsk monitoring st

46、ation (Poland,5150N, 2047O) at a height of 10 m above a com-plete blanket of snow in January 2006. The Belsk sta-tion is situated about 50 km south of Warsaw, and thenearest industrial region (Silesia) is over 200 kmaway to the southwest. Belsk is a background moni-toring station.Bild 12. Korreliert

47、e Verteilung (aerodynamischer Durchmesserund relative Streulichtintensitt) eines mit dem Flugzeitspektro-meter gemessenen Laserdruckertoner-AerosolsFigure 12. Correlated distribution (aerodynamic diameter andrelative light scattering intensity) of a laser printer toner aerosolmeasured with a time-of

48、-flight spectrometerB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EE8FD9NormCD - Stand 2013-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2013 24 VDI 3867 Blatt 5 / Part 5Im Gegensatz zum Flugzeitspektrometer, das die Par-tikelanzahlkonzentration als Funktion des aerodyna-mischen D

49、urchmessers erfasst, misst das Mobilitts-spektrometer die Partikelanzahlkonzentration alsFunktion des mobilittsquivalenten Durchmessers(siehe VDI 3867 Blatt 3). Sind Partikeldichte und dy-Unlike the time-of-flight spectrometer, which calcu-lates the particle number concentration as a functionof aerodynamic diameter, the mobility spectrometermeasures the particle number concentration as afunction of the mobility-equivalent diameter (seeVDI 3867