DIN 33899-3-2014 Workplace exposure - Guide for the use of direct-reading instruments for aerosol monitoring - Part 3 Evaluation of airborne particle concentrations using photomete.pdf

1、September 2014DEUTSCHE NORM DIN-Normenausschuss Sicherheitstechnische Grundstze (NASG)Preisgruppe 14DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 13.040.30!%:.2“2231115ww

2、w.din.deDDIN 33899-3Exposition am Arbeitsplatz Leitfaden fr die Anwendung direkt anzeigender Gerte zurberwachung von Aerosolen Teil 3: Ermittlung der Konzentration luftgetragener Partikel mitPhotometernWorkplace exposure Guide for the use of direct-reading instruments for aerosol monitoring Part 3:

3、Evaluation of airborne particle concentrations using photometersExposition au poste de travail Guide dutilisation des instruments lecture directe pour la surveillance des arosols Partie 3: valuation des concentrations de particules en suspension dans lair laide dephotometresAlleinverkauf der Normen

4、durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 29 SeitenDIN 33899-3:2014-09 2 Inhalt Seite Vorwort . 4 Einleitung 5 1 Anwendungsbereich 6 2 Normative Verweisungen . 6 3 Arbeitsprinzip 6 3.1 Allgemeines . 6 3.2 Lichtstreuung 7 3.3 Gertesignal Effekte, die durch Eigenschaften der luftg

5、etragenen Partikel verursacht werden 8 3.3.1 Allgemeines . 8 3.3.2 Partikeldichte 9 3.3.3 Partikelgre . 9 3.3.4 Partikelbrechungsindex . 9 3.3.5 Partikelform . 10 4 Gertetypen . 10 4.1 Allgemeines . 10 4.2 Passive Aerosolmonitore . 10 4.3 Aktive Aerosolmonitore . 11 4.4 Grenselektive Aerosolmonitore

6、 11 5 Kalibrierung . 12 5.1 Allgemeines . 12 5.2 Werkseitige Kalibrierung . 12 5.3 Optisches Referenzelement . 13 5.4 Gravimetrische Referenz . 13 5.4.1 Allgemeines . 13 5.4.2 Integrierter Back-up-Filter 13 5.4.3 Externer gravimetrischer Sammler . 13 6 Auswahl des Aerosolmonitors 14 6.1 Allgemeines

7、. 14 6.2 Aktive oder passive Aerosolmonitore 14 6.2.1 Passive Photometer . 14 6.2.2 Aktive Photometer 14 6.3 Massenkonzentrationsbereich 15 6.4 Gefhrliche Arbeitsumgebungen 15 6.5 Grenselektion 15 7 Durchfhrung der Aerosolmessungen mit Photometern . 15 7.1 Bedienung des Gerts 15 7.1.1 Allgemeines .

8、15 7.1.2 Allgemeine Einrichtung des Gerts 15 7.1.3 Nulleinstellung 16 7.1.4 Kalibrierung . 16 7.1.5 Datenauswertung 16 7.2 Probenahmestrategien . 16 7.2.1 Personenbezogene berwachung 16 7.2.2 Stationre berwachung . 17 7.2.3 Arbeitsplatzbegehungen 17 8 Anwendungsgrenzen und Fehlerquellen . 17 9 Reini

9、gung und Wartung . 18 DIN 33899-3:2014-09 3 Anhang A (informativ) Einfluss von physikalischen Parametern luftgetragener Partikel und von deren Polydispersitt auf die Photometermessung . 19 A.1 Allgemeines . 19 A.2 Bias maps“ . 19 Anhang B (informativ) Gegenwrtig verfgbare Photometer . 23 Literaturhi

10、nweise 28 DIN 33899-3:2014-09 4 Vorwort Diese Norm wurde vom Arbeitskreis Staub“ (NA 095-03-01-01 AK) des Arbeitsausschusses Messstrategien und Anforderungen an Messverfahren“ des Normenausschusses Sicherheitstechnische Grundstze (NASG) im DIN erarbeitet. Der Norm liegt in modifizierter Fassung die

11、deutsche bersetzung des CEN Technischen Berichts CEN/TR 16013-3:2012 zu Grunde, der unter Beteiligung deutscher Experten vom Technischen Komitee CEN/TC 137 Bewertung der chemischen und biologischen Stoffbelastung am Arbeitsplatz“ (Sekretariat: DIN, Deutschland) erarbeitet wurde. Gegenber CEN/TR 1601

12、3-3:2012 wurden der Abschnitt 2 Normative Verweisungen“ und in Bild 1 der Halbwinkel der Lichterfassung ergnzt. Auerdem wurden die Unterabschnitte 5.4.2 und 5.4.3 sowie die zweite Spalte von Tabelle B.1 inhaltlich berarbeitet. Es wird auf die Mglichkeit hingewiesen, dass einige Elemente dieses Dokum

13、ents Patentrechte berhren knnen. Das DIN und/oder die DKE sind nicht dafr verantwortlich, einige oder alle diesbezglichen Patentrechte zu identifizieren. DIN 33899 Exposition am Arbeitsplatz Leitfaden fr die Anwendung direkt anzeigender Gerte zur berwachung von Aerosolen besteht aus: Teil 1: Auswahl

14、 des Monitors fr besondere Anwendungsflle Teil 2: Ermittlung der Konzentration luftgetragener Partikel mit optischen Partikelzhlern Teil 3: Ermittlung der Konzentration luftgetragener Partikel mit Photometern DIN 33899-3:2014-09 5 Einleitung Smtliche photometerbasierten, direkt anzeigenden Aerosolmo

15、nitore wenden fr die Bestimmung der Konzentration luftgetragener Partikel das Prinzip der Lichtstreuung an. Dabei wird das Licht einer Lichtquelle (blicherweise erzeugt durch einen Laser oder eine Diode) kollimiert und beleuchtet die in das Messvolumen eintretenden luftgetragenen Partikel. Die Messg

16、erteoptik ist blicherweise so ausgefhrt, dass die Intensitt des unter einem bestimmten Winkel gestreuten Lichts hauptschlich zu der Konzentration der luftgetragenen Partikel der alveolengngigen Fraktion proportional ist. Andere physikalische Eigenschaften des Aerosols, wie z. B. Partikelgre, Brechun

17、gsindex und Partikelform, beeintrchtigen das Signal des Photometers unter-schiedlich stark (siehe 7), obgleich dies durch eine geeignete konstruktive Ausfhrung des Photometers minimiert werden kann. Daher sind photometerbasierte, direkt anzeigende Aerosolmonitore nicht ideal fr die Messung der Expos

18、ition der Arbeitskrfte oder um zu berprfen, ob die Arbeitsplatzgrenzwerte fr Staub berschritten werden. Deren Hauptvorteil besteht darin, dass sie eine nahezu sofortige Messung der Konzentration luftgetragener Partikel ergeben, wobei die mit gravimetrischen Normverfahren verbundene Dauer und der Auf

19、wand erheblich verringert werden. Eine bessere Leistung bieten sie ebenfalls bei Messungen an Aerosolen mit hohem Dampfdruck, die bei einer genormten gravimetrischen Analyse blicherweise verdampfen wrden. Einige Messgerte schlieen am Einlass einen Vorabscheider (Zyklon oder Impaktor) ein, um die alv

20、eolengngige Staubfraktion besser zu erfassen. Somit sind Photometer bestens dafr geeignet, zeitliche und rumliche nderungen der Konzentration der luftgetragenen Partikel zu bestimmen und um eine pltzliche Konzentrationsnderung zu erkennen. Typische Anwendungen sind: Arbeitsplatzbegehungen; Hintergru

21、ndmessung zur Bestimmung der Konzentrationsnderungen und der mittleren Konzentration whrend einer Arbeitsschicht; Beurteilung der Wirksamkeit von Staubminderungsmanahmen; Messung der Innenraumluftqualitt; Einsatz als Teil von Videovisualisierungssystemen fr die Expositionsmessung. Fr die personenbez

22、ogene Expositionsmessung sollten Photometer als ergnzend zu den konventionellen filterbasierten gravimetrischen Verfahren angesehen werden (siehe 2), obwohl diese bei einer sorgfltigen Kalibrierung ebenfalls eine genaue Messung der Exposition durch den alveolengngigen Staub, d. h. den Staub, der dur

23、ch Mund und Nase in die unteren Bereiche des Atmungssystems gelangt (siehe DIN EN 481), ergeben knnen. DIN 33899-3:2014-09 6 1 Anwendungsbereich Diese Norm beschreibt die Anwendung von Photometern zur Bestimmung luftgetragener Partikel, die der alveolengngigen Fraktion angehren, und gibt Einzelheite

24、n zu deren Anwendungsgrenzen und Einsatzmglichkeiten auf dem Gebiet der Arbeitshygiene. ANMERKUNG Photometer knnen ebenfalls zur Feststellung anderer Grenfraktionen luftgetragener Partikel nach der aerodynamischen Vorabscheidung verwendet werden, diese stehen jedoch nicht im Fokus dieser Norm. Das V

25、erfahren ergnzt konventionelle Langzeitprobenahmen von Aerosolpartikeln und kann zur verzgerungsfreien (direkt anzeigenden) Messung (Momentanwertmessung), zeitbezogenen berwachung, Untersuchung der raumbezogenen Aerosolentwicklung (Kartierung), und Expositionsvisualisierung herangezogen werden Das V

26、erfahren ermglicht z. B. die Feststellung und relative quantitative Bestimmung von Konzentrationsspitzen aufgrund spezieller Arbeitsablufe (Eintten, Abschleifen usw.), die Bestimmung der am strksten exponierten Arbeitskrfte im Hinblick auf ausfhrlichere Risikostudien und anzuwendende vorbeugende Man

27、ahmen, und die Feststellung der Staubemissionsquellen und deren relativer Strke. 2 Normative Verweisungen Die folgenden Dokumente, die in diesem Dokument teilweise oder als Ganzes zitiert werden, sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen gilt nur die in Bezug ge

28、nommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen). DIN EN 481, Arbeitsplatzatmosphre Festlegung der Teilchengrenverteilung zur Messung luftgetragener Partikel DIN EN 13205 (alle Teile), Exposition am Arbeitsplatz B

29、eurteilung der Leistungsfhigkeit von Sammlern fr die Messung der Konzentration luftgetragener Partikel 3 Arbeitsprinzip 3.1 Allgemeines Zur Erzeugung einer Lichtquelle von hoher Intensitt, deren Strahlung blicherweise im sichtbaren Bereich des Nahinfrarotspektrums liegt, wird ein Laser oder eine Leu

30、chtdiode verwendet. Das Licht wird kollimiert und beleuchtet die in das Messvolumen des Messgerts eintretenden luftgetragenen Partikel. Das optische Messvolumen wird, wie in Bild 1 dargestellt, durch eine berschneidung der einfallenden und erfassten Lichtstrahlen erzeugt. Die Intensitt des unter ein

31、em bestimmten Winkel gestreuten Lichts ist proportional zu der Konzentration der luftgetragenen Partikel und wird mit empfindlichen Photoelektronenvervielfachern oder Photodioden erfasst. DIN 33899-3:2014-09 7 3.2 Lichtstreuung Die Wechselwirkung eines Lichtstrahls mit einem luftgetragenen Partikel

32、in der Suspension kann mehrere Effekte auslsen: Absorption eines Teils des Lichts, Reflexion, Brechung oder Beugung des Strahls. Diese Effekte zusammen resultieren in einer Streuung des einfallenden Lichts in alle Richtungen. Die Beleuchtungs- und Sammeloptik ist innerhalb des Photometers so angeord

33、net, dass das in einem festgelegten Winkel-bereich gestreute Licht den Detektor erreicht (siehe Bild 1). In Abhngigkeit von der Ausfhrung knnen diese Messgerte das Streulicht im Bereich von = 90, 45 oder weniger als 30 messen. Die Wahl des Beobachtungswinkels spielt bei der Detektion eine bedeutende

34、 Rolle. Die Vorwrtsstreuung ist gegenber der nderung des Brechungsindexes der luftgetragenen Partikel relativ unempfindlich, und somit sind Photometer fr die Vorwrtsstreuung mit Streuwinkeln 30 weniger empfindlich gegenber dem Brechungsindex des Aerosols als Messgerte mit einem Streuwinkel von 90. B

35、ei kleinen Streuwinkeln berbewerten jedoch die Photometer Partikel, die kleiner als 1,5 m sind. Legende 1 Lichtquelle 2 einfallendes Licht 3 Aerosolfluss 4 Sammeloptik 5 Lichtdetektor 6 Streulicht 7 Erfassungswinkel des Streulichts 8 Halbwinkel der Lichterfassung 9 Lichtfalle 10 Messvolumen 11 Samme

36、loptik Bild 1 Photometer zur Messung der Lichtstreuung von Aerosolen DIN 33899-3:2014-09 8 3.3 Gertesignal Effekte, die durch Eigenschaften der luftgetragenen Partikel verursacht werden 3.3.1 Allgemeines Fr kugelfrmige Partikel mit einem bekannten Brechungsindex kann das Gertesignal durch die Anwend

37、ung der Mie-Theorie der Lichtstreuung (siehe 13) berechnet werden. Das fr ein bliches Lichtstreuphotometer berechnete Signal ist in Bild 2 dargestellt. Legende X Partikeldurchmesser, in Mikrometer (m) Y Empfindlichkeit bei konstanter Massenkonzentration 1 Kohlenstaub 2 amorphes Aluminiumoxid 3 Quarz

38、 4 Arizona Road Dust (Arizona-Straenstaub) 5 Probenahmekonvention ber die alveolengngige Fraktion Bild 2 Fr vier Staubmaterialien berechnete grenabhngige Massenempfindlichkeit eines Photometers zusammen mit der alveolengngigen Fraktion (siehe DIN EN 481) DIN 33899-3:2014-09 9 Die physikalischen Para

39、meter einiger gemessener Aerosole sind in Tabelle A.1 aufgelistet. Die Photometer-Parameter sind wie folgt: Wellenlnge des einfallenden Lichts = 950 nm; Erfassungswinkel des Streulichts = 70; Halbwinkel der Lichterfassung = 10. Eine geeignete konstruktive Ausfhrung des Photometers (Beobachtungswinke

40、l, Wellenlnge des einfallenden Lichts usw., siehe 1) ermglicht die Messung einer bestimmten Partikelgrenfraktion des Aerosols. Bild 2 zeigt einen photometerbasierten Staubmonitor, der hauptschlich fr Partikelgren innerhalb der alveolengngigen Fraktion des Aerosols empfindlich ist. In diesem Fall ste

41、igt die Empfindlichkeit des Photometers bis zu einem Partikeldurchmesser von etwa 1 m an. Darauf folgt eine Abnahme der Empfindlichkeit fr grere Partikel mit einem starken Abfall der Empfindlichkeit fr Partikel, die grer als 10 m sind. Tatschlich ist die Menge an Licht, das durch ein vom Detektor er

42、fasstes luftgetragenes Partikel gestreut wird, eine komplexe Funktion der Partikelgre und -form, des Brechungsindexes sowie der Wellenlnge der Lichtquelle und ndert sich daher bei unterschiedlichen Staubarten. Zudem hngt diese von der Geometrie des optischen Systems zur Photodetektion ab. 3.3.2 Part

43、ikeldichte Die Dichte eines luftgetragenen Partikels beeintrchtigt nicht dessen Lichtstreueigenschaften und damit ndert sich auch nicht die Empfindlichkeit eines Photometers mit der Dichte des gemessenen Aerosols. Die Massenkonzentration eines Aerosols hngt jedoch von der Partikeldichte ab, weswegen

44、 die mit dem Photometer durchgefhrten Konzentrationsmessungen unter der Annahme, dass die Dichte des tatschlich gemessenen Staubs bekannt ist, bezglich der Differenz aus der Dichte des tatschlich gemessenen Staubs (act) und des Kalibrierstaubs (cal) (siehe 5.2) korrigiert werden sollten. Um die Korr

45、ektur vorzunehmen, wird die Photometer-Messung an den Verhltniswert der beiden Dichten act/calangepasst (siehe 15). Wird ein einfacher Dichtekorrekturfaktor verwendet, sollte bedacht werden, dass die Dichtenderungen (verursacht durch eine nderung der Aerosolart) hchstwahrscheinlich von nderungen der

46、 Partikelgrenverteilung und des Brechungsindexes des gemessenen Aerosols begleitet werden, wodurch das Signal des Photometers beeinflusst wird (siehe 3.3.3 und 3.3.4). 3.3.3 Partikelgre Die Empfindlichkeit des Photometers hngt stark von der Partikelgre ab (siehe 18 und 23). Bei luftgetragenen Partik

47、eln, die kleiner als die Wellenlnge des einfallenden Lichts sind, ist die Intensitt des Streulichts proportional zu dp6, wobei dpder Partikeldurchmesser ist. Bei greren Partikeln, die blicherweise grer als die Wellenlnge des einfallenden Lichts sind, ist die Intensitt des Streulichts etwa proportion

48、al zu dp2. In dem dazwischen liegenden Bereich, in dem die Partikelgre in etwa der Wellenlnge des einfallenden Lichts gleicht, kann die Intensittsfunktion in Abhngigkeit von den optischen Eigenschaften der luft-getragenen Partikel Schwankungen unterliegen (siehe Bild 2). 3.3.4 Partikelbrechungsindex nderungen des Brechungsindexes verursachen eine nichtlineare nderung des Signals des Photometers. Daher kann ein Korrekturfaktor, der auf einem einfachen Verhltnis des Brechungsindexes des gemessenen Aerosols zum Brechungsindex des Aerosols basiert, mit dem das Photometer ursprnglich k