DE7321827U - Aerosolteilchenzahlvornchtung - Google Patents

Description

B.4521 *3 PG MUnchen, \ 2. Juni 1973

————-· Dr.M./m

CG 461/1187

Commissariat ä 1* Energie Atomique in Paris/Frankreich

Aerosolteilchenzählverrichtung

Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zum Messen und zahlen von sehr kleinen Teilchen in einer beliebigen Atmosphäre und besonders zum Zählen der in einem Aerosol in Luft oder einem anderen Milieu verteilten Teilchen, wie Staubteilchen, deren Abmessungen zwischen 10 ^J m/u und mehreren nya liegen, wobei die Konzentration nen zwischen mindestens einem Teilchen bis zu 3 χ 10 Teilchen pro cm³ schwanken können, ohne daß das untersuchte Aerosol zuvor verdünnt werden muß.

Bekanntlich beobachtet man beim Einbringen von Teilchen verschiedener Abmessungen in einen Lichtstrahl bestimmte Phänomene der Lichtstreuung, die mit einer an sich bekannten elektronischen Anordnung gemessen werden können. Diese Effekte sind jedoch nicht leicht nachweisbar und meßbar, wenn die betrachteten Teilchen keine genügendem Abmessungen besitzen. Insbesondere sind die Abmessungen von 10*"" bis 0,3 nyu der oben erwähnten Teilchen zu gering, um dieses VerfaJiren wirksam anzuwenden.

Zur Behebung dieses Nachteils ist es bereits bekannt, den schein-

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baren Durchmesser der Teilchen durch einen Kunstgriff zu vergrös- ' sern, indem man auf ihrer Oberfläche eine augenblickliche Wasserdampfkondensation erzeugt, wodurch korrekte Messungen möglich sind, welche für die Zahl und Art der Teilchen im untersuchten Aerosol repräsentativ sind· Das DBGM 72 15330 beschreibt eine nach dem oben angegebenen Prinzip arbeitende Teilchenzählvorrichtung, die aus einer pneumatischen und einer direkt mit dieser zusammenarbeitenden elektronischen Vorrichtung besteht· Die pneumatische Vorrichtung weist ein waagerechte? Meßrohr auf, das mit einer vifesserdampfgesättigten Atmosphäre gefüllt ist und eine zylindrische Meßkammer bildet, die an ihren enden durch Schaugläser verschlossen ist, sowie eine Luftaustrittsleitung, die mit einem Manometer, einer Durchflußbegrenzungsdrossel, einer Vakuumreserve, einer Pumpe sowie mit elektrisch betätigten Ventilen ausgerüstet ist, während die elektronische Vorrichtung im wesentlichen einen Projektor er.thält, der einen Lichtstrahl durch eines der Schaugläser in die Meßkammer schickt, eine Bündelungsoptik und eine gegenüber dem anderen Schauglas angeordnete fotoleitende Meßzelle aufweist, durch die in Verbindung mit Speicher- und Vergleichsvorrichtungen die Veränderung der Lichtintensität des Strahls infolge der Anwesenheit von in der Atmosphäre der Meßkammer suspendierten Teilchen gemessen werden kann. Diese Teilchenzählvorrichtung ist jedoch bei sehr geringen Teilchenkonzentratienen nicht genügend empfindlich.

Durch die Neuerung soll nun eine neue TeHchenzählvorrichtung geschäft fen werden, welche wesentlich verbesserte Leistungen zeigt unrl besonders die Zählung von Teilchen mit Größen unter 1 nyu, deren Durchmesser unter 0,3 m/u liegen kann, mit einer viel genaueren Unterscheidung hinsichtlich der Konzentration messen kann, wobei die Staubteilchen oder Teilchen im untersuchten Aerosol einzeln

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und nicht global« vie in den bekannten Vorrichtungen, gezählt werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Neuerung gelöst durch eine Teilchenzählvorrichtung, in der das zu untersuchende Aerosol mit einer koninuierlichen Durchflußmenge durch einen Dampfsättiger geführt vird und die gekennzeichnet ist durch eine Kühlvorrichtung, in der auf den Teilchen des Aerosols Wassertröpfchen kondensiert werden und die am Ausgang des Befeuchters angeschlossen und mit dem Tisch einer optischen MeGvorrichtung fest verbunden ist, eine am Ausgang der Kühlvorrichtung angeschlossene Meßkammer, durch die das Aerosol strömt und die mit Fenstern für den Durchgang eines von einer Lichtquelle gelieferten Lichtstrahls versehen ist, der durch ein optisches System so weitergeleitet wird, daß er in der Meßkammer ein Volumen bestimmter Abmessungen beleuchtet und daß von den durch dieses Volumen gehenden Teilchen gestreute Licht mittels des optischen Systems der Fotokathode eines Fotovarvielfachers zugeleitet wird, der die Lichtimpulse zählt» die von den auf den Aerosolteilchen kondensierten Tröpfchen geliefert werden.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Neuerung ergeben sich aus den UnteransprUchen.

Die Neuerung vird anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug' auf

die beigefügten Zeichnungen erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht der Teilchenzählvc richtungj Fig. 2 einen Schnitt der gleichen Vorrichtung, wobei besonders die Konstruktion des Befeuchters, der Kühlvorrichtung und der

Meßkammer gezeigt sind; Fig. 3 ein Schema des Strahlengangs des der Meßkammer zugeordneten optischen Systems.

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Fig.i zeigt einen Sättigungsbefeuchter 1 mit einer Zuleitung 2 und einer Ableitung 3 für ein zu untersuchendes Aerosol, das sich beim Durchgang durch den Befeuchter mit Wasserdampf oder dem Dampf einer anderen Flüssigkeit sättigt. Am Ausgang des Befeuchters 1 gelangt das Aerosol in eine Leitung 4 einer Kühlvorrichtung 3» die vorzugsweise aus einem Pel-tier-Effekt-Modul besteht, dessen Aufbau weiter unten erläutert ist. Selbstverständlich können a»*?h andere Befeuchtungsvorrichtungen mit Heizmöglichkeit und Kühlvorrichtungen, welche entsprechende Wirkungen erzielen, verwendet werden.

Beim Durchgang durch die Kühlvorrichtung 5 wird das mit Wasserdampf oder dem Dampf einer anderen Flüssigkeit bela-dene Aerosol plötzlich abgekühlt, wodurch auf den darin enthaltenen suspendierten Teilchen unabhängig von deren Größe oder Abmessungen Tröpfchen kondensiert werden, welche den scheinbaren Durchmesser der Teilchen erheblich vergrößern. Die Leitung 4 ist anschließend durch einen Tisch 6 geführt und mündet in einer Meßkammer 7, wo die mit Wassertröpfchen umhüllten Teilchen mittels eines optischen Systems 8 untersucht werden, welches in der Meßkammer ein Volumen von genau bestimmten Abmessungen beleuchtet, dessen Abbildung nach entsprechender Vergrößerung auf einen Fotovervielfacher 9 zum Zählen übermittelt wird.

Die Fig. 2 und 3 zeigen mit weiteren Einzelheiten die praktische Ausführungsform der verschiedenen Teile der betrachteten Vorrichtung. Wie besonders Fig.2 zeigt, besteht der Sättigungsbefeuchter 1 vorzugsweise aus einem Metallgehäuse 10, das an seinem oberen Teil durch einen Deckel 11 verschlossen ist, der die Zu- und Ableitungen 2 und 3 für das zu untersuchende Aerosol trägt und am Gehäuse 10 unter Zwischenschaltung einer Dichtung 13 mit Befestigungsschrau-

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ben 12 festgeschraubt ist. Die Znnenvände des Gehäuses 10 und die nach innen gerichtete Seite des Deckels 11 sind mit einem schwammartigen Material von geeigneter Dicke ausgekleidet» wodurch in einem in der Mitte des Gehäuses 10 vorgesehenen länglichen Hohlraum 15» in dar Nähe von dessen Enden die Leitungen 2 und 3 münden, eine gesättigte Dampfatmosphäre von Wasser oder einer anderen Plttssigkeit erzeugt werden kann, wobei die Plttssigkeitsversorgung des Schwammstoffs 14 besonders durch Kapillarwirkung von einem äußeren nicht gezeigten PlUssigkeitsvorrat her erfolgt. Der Befeuchter kann gegebenenfalls durch einen elektrischen Heizwiderstand 10a erwärmt werden, der sorgfältig in oder an den Wänden des Gehäuses verteilt ist* Die Strömung des Aerosols in der Vorrichtung ist in der Zeichnung schematisch durch die Pfeile 16 angegeben und wird dadurch bewirkt, daß am Ausgang der Vorrichtung am Ende einer Absaugleitung 17 eine nicht gezeigte Ansaugpumpe angeschlossen ist, deren Ansaugleistung genau und entsprechend den Betriebsbedingungen eingestellt werden kann.

Das aus dem Befeuchter 1 austretende dampfgesättigte Aerosol gelangt so in die in den Deckel 11 des Gehäuses 10 mit ihrem unteren Ende eingesetzte Leitimg 4, die einen als Anschlag dienenden Außenflansch 18 aufweist, gegenüber der Leitung 3 durch eine Dichtung 20 abgedichtet und durch Befestigungsschrauben 19 in ihrer Stellung, am Deckel 11 gehalten ist. Bei seinem Durchgang durch die Leitung 4 durchströmt das Aerosol anschließend die Kühlvorrichtung» welche im betrachteten Beispiel zwei Metallteile 21 und 22 von verschiedener Art aufweist, welche die heiße bzw. kalte Fläche eines thermoelektrisehen Moduls bilden, der über seine Anschlüsse 23 und 24 in einem Gleichstromkreis liegt. Die heiße Fläche 21

diese Ifoduls ist mit einer Schlange oder einem Rohr 23 verbunden, durch die ein beliebiges Medium strömt, welches die von dieser Flache abgegebene Wärme abführt, während die infolge des erzeugten thermoelektrisch«! Effekts kalte Fläche 22 durch Wärmeleitung im Inneren der Leitung 4 eine Abkühlung und damit plötzliche Kondensation des Wasserdampfs an den Aerosolteilchen bewirkt.

Im Inneren der Leitung 4 und im wesentlichen in der Höhe der Vorrichtung 5 enthält die Leitung 4 außerdem einen rotationszylindrischen Teil 26» der in seinem Abschnitt 27 eine axiale Bohrung in Form einer konvergierenden Kegeldüse und darauf im Abschnitt 28 eine zylindrische Bohrung aufweist* Das mit einem scharfen Rand ausgebildete Ende dieser Düse mündet in der Meßkammer 7 und führt dieser durch die Düsenmündung die Aerosolteilchen zu. Der äußere Konuswinkel der Düse an ihrer Hündung beträgt dabei höchstens 7°· Die Meßkammer 7 begrenzt im Inneren einen Bereich 30, der einerseits durch einen seitlichen Ring 31 und andererseits durch einen oberen Deckel 32 verschlossen ist, der axial die Absaugleitung 17 trägt, die mit der Absaugpumpe verbunden ist· Im seitlichen Ring sind !fenster 33 und 34 vorgesehen, so daß der Lichtstrahl des optischen Systems 8 durch das Fenster 33 im Innenraum 30 ein bestimmtes Volumen beleuchten kann, durch das das Aerosol strömt, und weiter zum Fenster 34 gelangt, durch das das Abbild dieses Volumens zur Fotokathode des Fotovervielf achers 9 gelangt. Bine Lichtfalle 35, vorzugsweise mit schwarzem Papier ausgekleidet oder mattschwarz gestrichen, die in der Achse des einfallenden, durch das optische System 8 geformten Lichtstrahls liegt, verhindert jede Rückstrahlung des Lichts in den Innenraum 30.

Fig. 3 zeigt mit weiteren Einzelheiten die Ausführung des optischen Systems 8. Dieses System, das als Fabri-Fotometer aufgebaut ist,

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weist eine Lichtquelle 36 auf, die aus einer Leuchtfadenlampe od.dgl. besteht und einen Lichtstrahl in Richtung einer ersten Linse 37 liefert» velche die Lichtquelle im Mittelpunkt einer weiten Linse 38 abbildet. Diese zweite Linse 33 liefert ihrerseits einer unmittelbar hinter der ersten Linse 37 angeordneten Blende 39 eine in der Achse dei Mündung 29 im inneren der Meßkammer 7 liegende Abbildung, velche die Tiefe des Feldes, d.h. die Tiefe des beleuchteten Volumens 4O₁ bestimmt. Die Abbildung dieses Volumens fällt dann am Ausgang der Meßkanroer 7 auf ein Mikroskopobjektiv 41, welches das Bild des beobachteten Volumens auf einer zweiten Blende 42 abbildet, wodurch di

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Breite und Höhe dieses Volumens begrenz+ ist. Schließlich bildet eine neben der Blende 42 angeordnete Linse 43 das Bild der gangspupille des Objektivs 41 auf der Fotokathode 44 des Foto-

vervielfachers 9 ab.
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Ajufgrund dieser Anordnungen werden die Lichtimpulse, die von den

auf den Aerosol teilchen kondensierten Tröpfchen gestreut «erden, velche durch das im inneren der Meßkammer begrenzte und durch das optische System beleuchtete Meßvolumen gehen , sofort vom Fotovervielfacher empfangen, der für jede Veränderung der Beleuchtung einen meßbaren elektrischen Impuls liefert. Vorzugsweise ist der Fotovervielfacher mit einer elektronischen Meß- und Regelanordnung verbunden, die besonders einen Amplitudenwähler aufweist, der eine Klassierung nach der Amplitude der abgegebenen Impulse und Schlag auf Schlag die Bestimmung der Menge und Abmessungen der beobachteten Teilchen ermöglicht.

Die so aufgebaute Zählvorrichtung ist sehr empfindlich, besonders bei niedrigen Konzentrationen, was einen wesentlichen Vorteil dieser Vorrichtung bezüglich den bisher bekannten Vorrichtungen bedeutet. Sie findet daher besonders zahlreiche Anwendungen, beson-

ders zur überwachung der Reinheit von "weißen" Kammern, d.h. Kammern, welche keinerlei Verunreinigung durch Mikrostaubteilchen enthalten dürfen, beispielsweise bei bestimmten Fabrikationsvorgängen der Mikroelektronik oder bei der Herstellung von Operationskammern für die Chirurgie. Selbstverständlich können die Teilchen im Aerosol von beliebiger Art sein. Die Teilchenzählvorrichtung gemäß der Neuerung ermöglicht auch Messungen der Korngröße von Staubteilchen mit einem Radius über 0,3 iryu, wobei die Kondensationsvorrichtung dann durch Ausschaltung des Pel-tier-Effekt-Moduls ausgeschaltet bleibt. Zu diesem Zweck und gemäß einer besonderen vorteilhaften Ausführungsform der Neuerung sind die Achsen der optischen Systeme vor dem Eingang zur Meßkammer und nach dem Ausgang der Meßkammer vorzugsweise verschieden ausgerichtet und bilden miteinander insbesondere einen Winkel von 135°, wodurch am Fotovervielfacher Beleuchtungsveränderungen infolge des Durchgangs von Teilchen unabhängig von ihrem besonderen Brechungswinkel gemessen werden können.

Die Neuerung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern umfaßt auch Abwandlungen. Besonders ist die Vorrichtung auch für andere Zwecke geeignet, wie die Bestimmung der Qualität von Filtern für Untersuchungen besonderer Atmosphären und allgemeiner für Messungen im Rahmen von Programmen gegen die Luftverschmutzung.

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Claims (1)

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   Sehuteansprttche

   1. Aerosolteilchensählvorriehtung, in der ein kontinuierlicher Strom dea au unterauchenden Aerosols durch einen mit Wasser oder einer anderen Flüssigkeit beschickten s&ttigungsbefeuchter geht, gekennzeichnet durch eine Kühlvorrichtung (S) ι in der auf den Aeroaolteilehen Tröpfehen der Befeuchtungsflüssigkeit kondensieren und die an den Auslad (3) des Befeuchters (1) angeschlossen und mit einem Haltetisch (6) für eine optische Keßanordnung (8) Pest verbunden ist, eine am Ausgang (29) der Kühlvorrichtung (9) angeordnete Mefikammer (7), durch die das Aerosol strömt und die mit Fenstern (33t34) für den Durchgang eines von einer Lichtquelle (36) gelieferten Lichtstrahls versehen ist, der durch ein optisches System (8) weitergdeitet wird» welches so ausgebildet ist» daß der Lichtstrahl in der Beobachtungskammer (7) ein beleuchtetes Volumen bestimmter Abmessungen begrenzt, durch welches der Aerosolstrom geführt vird, wobei das von den in dieses Volumen gelangenden Teilchen gestreute Licht mittels eines optischen Systems der Fotokathode (44) eines Fotovervieifachers (9) zugeführt vird» der die von den auf den Aerosolteilchen kondensierten Tröpfchen gelieferten Lichtimpulse zählt.

   2· Teilchenzählvorrichtung nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, daß das Aerosol durch eine in der Strömungsrichtung stromabwärts von der Meßkammer (7) angeordnete Ansaugpumpe durch den Befeuchter (1), die Kahlvorrichtung (5) und die Meßkammer (7) geftthrt wird.

   3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sättigungsbefeuehter (1) aus einem geschlossenen Gehäuse

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   (10) besteht, das einen länglichen Innenraum (i5) begrenzt, dessen Wunde mit einem feuchten schvammartigen Material verkleidet sind, vobei das Gehäuse (10) in der Nähe der entgegengesetzten finden des Hohlraums (15) eine Zuleitung (2) und Ableitung (3) für das Aerosol und gegebenenfalls ein elektrisches Widerstandsheizsystem (10a) geringer Leistung aufweist.

   4· Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das schwammartige Material (14) des Sättiguu^sbefeuchters (1) dauernd kapillar von einem Flüssigkeitsvorrat her gespeist ist.

   5· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn-» zeichnet, daß die Kühlvorrichtung (5) aus einem Peltier-Effekt-Modul besteht, der zvei Metallelemente (?l,22) von verschiedener Art aufweist, die in einem elektrischen Gleichstromkreis liegen und von denen das die heiße Fläche bildende Element (21) durch einen Wasserstrom gekühlt ist, während das andere, die kalte Seite bildende Element (22) in Wärmekontakt mit einer Leitung (4) steht, durch die das Aerosol strömt·

   6· Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Aerosol durchströmte Leitung (4) in die Meßkammer (7) verlängert ist und an ihrem Eintritt in diese Kammer eine Düse (29) mit scharfem Rand aufweist, die in der Meßkammer (7) einen zylindrischen laminaren kalibrierten Strahl in das Beobachtungsvolumen liefert.

   7. Vorrichtung nach einem der AASpxUche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (8) zwischen der Lichtquelle (36) und der Meßkammer (7) von der Lichtquelle her gesehen eine erste Blende (39), welche die Tiefü des beleuchteten Volumens begrenzt, eine erste Linse (37), welche die Quelle im Zentrum einer

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   zweiten Linse (38) abbildet, wobei die zweite Linse (38) selbst eine in der Achse der den Aerosol strom in die Meßkammer liefernden Düse (29) liegende Abbildung der ersten Blende (39) liefert, und jenseits der Meßkammer (7) bezüglich der Lichtquelle (36) ein Mikroskopobjektiv (41)_t das von dem in der Achse der DUsenmündung (29) liegenden Volumen eine vergrößerte Abbildung auf einer zweiten Blende (42) liefert, die ihrerseits die Breite und Höhe des beleuchteten Volumens begrenzt, und schließlich eine der zweiten Blende (42) benachbarte Linse (43), welche die Eintrittspupille des Mikroskopobjektivs (41) auf der Fotokathode (44) des Potovervlelfachers (9) abbildet, aufweist.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des optischen Systems (8) zwischen der Lichtquelle (36) und der Meßkammer (7) einen Winkel von 135° mit der Achse des gleichen optischen Systems zwischen der Meßkammer (7) und dem Fotovervielfacher (9) bildet.

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