DE4130586A1

DE4130586A1 - Verfahren zur bestimmung der teilchengroesse-fraktionen in schwebestaeuben

Info

Publication number: DE4130586A1
Application number: DE4130586A
Authority: DE
Inventors: Josef Dr Gebhart; Horst Dipl Ing Seibel; Michael Dipl Phys Schoepplein
Original assignee: Hund Helmut GmbH
Current assignee: Hund Helmut GmbH
Priority date: 1991-09-15
Filing date: 1991-09-15
Publication date: 1993-03-18

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur simultanen streu lichtphotometrischen Bestimmung der Konzentration verschie dener Teilchengrößen-Fraktionen in Schwebestäuben.

Während für die Zählung und Größenbestimmung von einzelnen luftgetragenen Teilchen durch sogenannte Partikelzähler der Meßparameter "Streulichtintensität" dominiert, ist für die über die Einzelteilchen integrierende Konzentrationsbestim mung von Teilchenkollektiven, d. h. also von Schwebestaub, die Streulichtphotometrie ein Meßprinzip unter mehreren. Insbesondere die Meßprinzipien auf gravimetrischer Grundlage, mit direkter Angabe der Schwebestaubkonzentration in mg/m³, spielen eine herausragende Rolle, da auf den wichtigsten Anwendungsgebieten der Staubmessung (Arbeitsmedizin, Umwelt hygiene) eine solche Angabe gesetzlich verankert ist.

Trotz dieser Dominanz der gravimetrischen Bestimmungsver fahren haben sich optische Staubmeßverfahren aufgrund spe zifischer Vorteile gegenüber gravimetrischen Verfahren einen festen Platz unter den Staubmeßverfahren erobert. Diese Vorteile sind:

- hohe zeitliche Auflösung,
- sofortige Verfügbarkeit des Meßergebnisses,
- Abdeckung eines Konzentrationsbereiches über bis zu 6 Größenordnungen ohne Einbuße an zeitlicher Auflösung,
- kompakte Meßgeräte, leichte Handhabung,
- Möglichkeit der berührungslosen Messung des Schwebestaubes ohne Eingriffe in die Teilchengrößenverteilung durch Sichtung oder Abscheidung.

Speziell für die direkte berührungslose Messung der Schwebe staubkonzentration hat sich die Streulichtmessung bewährt. Die Streulichtintensität hängt unter konstanten Meßbedingungen (Meßwinkel, Lichtwellenlänge, Meßvolumen etc.) nicht nur von der Konzentration (in mg/m³) des gemessenen Schwebestaubes ab, sondern auch von dessen Teilchengrößenverteilung und - je nach Meßwinkel - auch von den physikalischen Material eigenschaften der Staubteilchen (Brechzahl, Absorption, Kornform etc.) Der Erkenntnisstand bezüglich dieser Zusammenhänge manife stiert sich in in einer großen Anzahl von Publikationen und auch Patentschriften, von denen nur einige mit Schlüsselfunk tion für die weiter unten definierte Aufgabenstellung und das im Anschluß daran erläuterte erfundene Verfahren genannt sind.

1) BEREK K., W. MÄNNCHEN, W. SCHÄFER: Über tyndallometrische Messungen des Staubgehaltes der Luft und ein neues Staub meßgerät, Leitz-Mitt.Wiss.Techn.Nr.62 (1936);
2) MÄNNCHEN K.: Über tyndallometrische Messungen des Staub gehaltes der Luft mit dem Leitz-Tyndallometer bzw. Leitz- Tyndalloskop, Leitz-Mitt.Wiss.Techn.1 (160), 186-188;
3) BREUER H.: Die Bedeutung der Korngrößenverteilung für die Messung und Bekämpfung des Schwebestaubes im Steinkohlen bergbau, Staub Reinh.Luft 30 (1970) 426-431;
4) BREUER H., J. GEBHART, K. ROBOCK: Zur Bestimmung der Staub konzentration im Steinkohlenbergbau auf der Basis der Lichtstreuung, Staub Reinh.Luft 30 (1970) 426-431;
5) BREUER H., J. GEBHART, K. ROBOCK, U. TEICHERT: Fotoelek trisches Meßgerät zur Bestimmung der Feinstaubkonzentration, Staub Reinh.Luft 33 (1973) 182-185;
6) BREUER H., K. ROBOCK: Das Tyndallometer TM digital zur un mittelbaren Bestimmung der Feinstaubkonzentration in Ergänzung zu Langzeitwerten gravimetrischer Staubmeßgeräte, Silikosebericht Nordrhein-Westfalen, Bd.10, Verlag Glückauf, Essen (1975) 77-87;
7) ARMBRUSTER L., G. NEULINGER, K.-D. FLECKNER: Weiterentwicklung und Erprobung des Feinstaubstreulichtphotometers, Teil IV: Das Tyndallometer TM digital II, Silikosebericht Nordrhein-Westfalen, Bd.14, Verlag Glückauf, Essen (1983) 107-113;
8) ARMBRUSTER L., H. BREUER, J. GEBHART, G. NEULINGER: Photometric determination of respirable dust concentration without elutriation of coarse particles, Part.Charact.I, (1984) 96-101;
9) GEBHART J.: Funktionsweise und Eigenschaften optischer Partikelzähler, Techn.Messen 56 (1989) 192-204 Mit Abstand am weitesten verarbeitet sind Streulichtphotometer für die Bestimmung der relativen Konzentration des alveolar gängigen Feinstaubes <5 µm Teilchengröße als allein verant wortlich für fibrotische Lungenveränderungen im Sinne einer Pneumoconiose. Die schwerpunktmäßige streulichtphotometri sche Erfassung des Feinstaubanteils entsprechend seiner korn größenabhängigen Depositionswahrscheinlicheit in dem Alveo larbereich der menschlichen Lunge wurde zumindest in einem Fall (4; 5; 6; 7; 8) konsequent auf der Grundlage der geltenden physikalischen Streulichttheorie optimiert.

Die Beziehung Streulichtintensität/Feinstaubkonzentration in mg/m³ wird jedoch sowohl durch eine noch verbleibende Restabhängigkeit der gemessenen Streulichtintensität von Unterschieden in der Korngrößenverteilung des zu messenden Schwebestaubes speziell im Bereich der gröberen Teilchen- Fraktionen (Tracheobronchialfraktion 5-10 µm und Nasal- Laryngalfraktion <10 µm), als auch von anderen material bedingten Eigenschaften der Staubteilchen beeinflußt.

Diese Tatsache macht eine Kalibrierung der gemessenen Streu lichtintensitäten in mg/m³ Feinstaub durch parallelen Einsatz von behördlich anerkannten Feinstaubsammelgeräten und der gravimetrischen Bestimmung der Staubproben für die durch Streulichtphotometrie zu überwachende Staubart erforderlich.

Eine begleitende meßtechnische Erfassung von Schwankungen der Teilchengrößenverteilung des Grobstaubanteils durch geeignete streulichtphotometrische Anordnungen könnte daher die oben bereits genannten prinzipiellen Vorteile der Streu lichtphotometrie besser zur Geltung bringen.

Ganz abgesehen davon zeichnet sich jedoch ein generell zunehmendes Interesse an meßtechnischen Informationen über Konzentration und Teilchengrößen-Zusammensetzung auch des Grobstaubanteils im Schwebestaub ab. Dieses zunehmende Interesse ist sowohl auf eine wachsende gewerbemedizinische Beachtung auch der Tracheobronchial- und der Nasal-Laryn galfraktionen, als auch auf neuere staubtechnische Erkenntnisse zurückzuführen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem durch Erfassung von mehr als einem Streu lichtparameter Aussagen über die Konzentration nicht nur des Feinstaubes sondern auch verschiedener Grobstaubfraktionen möglich sind und auch die Konzentration der Feinststaub fraktion mit einbezogen werden kann.

Diese Aufgabe ist durch ein Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte umfaßt. Weitere Merkmale des Verfahrens sind in den Unteransprüchen definiert.

Die Abhängigkeit der Streulichtintensität eines Teilchen kollektivs vom Meßwinkel wird bereits seit längerem für Informationen über die Teilchengrößen-Zusammensetzung eines Schwebestaubes genutzt; bekannt sind Anordnungen mit variab lem Meßwinkel (Goniometerprinzip), als auch solche mit fester Bestückung von Meßwinkelbereichen mit Photosensoren, z. B. unter Verwendung von Diodenzeilen. Auch die Erhaltung der linearen Polarisation bzw. des Depolarisationsgrades des Streulichtes als Funktion des Meßwinkels und die Variation der Lichtwellenlänge für den gleichen Zweck gehören zum Stand der Technik. Bekannt sind darüber hinaus Anord nungen, bei denen die lineare Proportionalität des an den Teilchen gebeugten Lichtes innerhalb der sog. "Vorwärts- Streukeule" zu der 3.Potenz des Teilchendurchmessers, d. h. zum Volumen der Teilchen genutzt wird (Stetter 1952), oder aber die Tatsache, daß im Streuwinkelbereich außerhalb des Winkelbereichs mit Dominanz der Lichtbeugung eine lineare Beziehung zwischen Streulichtintensität und dem Teilchen- Querschnitt, d. h. also zum Quadrat des Teilchendurchmessers kugelförmiger oder annähernd isometrischer Teilchen besteht.

Dagegen sind Anordnungen für die konsequente Nutzung dieser Zusammenhänge für die in der Staubmeßpraxis wichtige simul tane selektive Konzentrationsbestimmung verschiedener Teilchengrößenbereiche im Schwebestaub entweder zum Zwecke der Korrektur von unter bestimmten Winkeln gemessenen Streulichtintensitäten für eine höhere Sicherheit in der Zuordnung zu gravimetrischen Konzentrationswerten oder (und) zur gleichzeitigen Konzentrationsbestimmung von zwei oder mehreren gewerbehygienisch bedeutsamen Teilchengrößen fraktionen (s.oben) bisher nicht bekannt.

Beschreibung des erfundenen Verfahrens sowie der zu dessen Durchführung benutzten Anordnung

In der Zeichnung ist dieses Verfahren in einem Ausführungs beispiel dargestellt und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Winkelverteilung der Streulichtkomponenten eines kugelförmigen Partikels (nach J. Gebhart, 9),

Fig. 2 schematisch eine Anordnung für die simultane Messung der Streulichtintensität im Kleinwinkel bereich und außerhalb dieses Bereiches für die gleichzeitige Bestimmung der Konzentration von Grobstaub und Feinstaub,

Fig. 3 schematisch eine Anordnung für die Messung ver schiedener Grobstaubfraktionen innerhalb des Kleinwinkelbereiches durch Auswahl verschiedener teilchengrößenabhängiger Beugungsmaxima mittels konzentrischer Ringblenden.

Theoretische Grundlagen

Im Grenzbereich

kann man sich das Streulicht aus verschiedenen Anteilen zusammengesetzt denken, die auf den phy kalische Effekten von Beugung, Reflexion und Brechung beruhen. Die auf diese Weise gewonnenen Streulichtkomponenten sind in Fig. 1 veranschaulicht und ergehen beispielsweise für den Streu licht-Koeffizienten und unpolarisiertes Licht die Beziehung

Q (R, α, n) = Q₀ (R, α) + Q₁ (R, n) + Q₂ (R, n)

Q₀ (R, α) stellt den durch Beugung verursachten Streulichtanteil dar. Er ist unabhängig von den optischen Konstanten des Parti kelmaterials, seine Winkelverteilung ist jedoch mit dem Parame ter α gekoppelt. Q₁ (R, n) ist der an der Partikeloberfläche reflektierte Licht anteil. Seine Winkelfunktion ist unabhängig von der Partikel größe jedoch verknüpft mit den optischen Konstanten. Der Lichtanteil Q₂ (R, n) der durch zweimalige Brechung an der Patikeloberfläche abgelenkt wird, hängt ebenfalls von den optischen Konstanten ab. Die Größe des Teilchens hat jedoch wiederum keinen Einfluß auf die Winkelverteilung.

Einen Überblick über die Größenverhältnisse der verschiedenen Streulichtkomponenten vermittelt Fig. 1, wo über dem Streuwinkel die für kugelförmige Partikel berechneten Werte für Q_o, Q₁ und Q₂ aufgetragen sind.

Da sich der Beugungsanteil Q_o mit der Teilchengröße ändert, sind verschiedene Werte für α eingezeichnet. Die Vorwärtskeule der Beugung ist begrenzt auf den Winkelbereich R < R_min, wobei

Während sich der reflektierte Anteil Q über den gesamten Streuwinkelbereich von 0 bis 180 erstreckt, reicht der gebrochene Lichtanteil Q nur bis zu einem Winkel R_max der gegeben ist durch

Setzt man nun das Streulicht im Bereich der Kleinwinkelstreuung (Vorwärtskeule der Beugung) ins Verhältnis zu einem Streulicht wert außerhalb des Beugungsanteils, so können damit Verschie bungen der Teilchengrößemverteilung von Schwebestäuben ange zeigt werden. Darüber hinaus bietet dieses Quotientenverfahren die Möglichkeit, die in Schwebestäuben vorhandenen Anteile von Feinstaub und Grobstaub zu ermitteln.

Optische Meßanordnung

Eine für den Erfindungsgedanken typische und beispielhafte optische Meßanordnung zeigt schematisch Fig. 2. Der Strahlen gang folgt speziell für die Messung im Kleinwinkelbereich im Prinzip einer konfokalen verflochtenen lichtmikrosko pischen Anordnung, um

- den Störlichtpegel, verursacht durch nicht zum Meß-Signal gehörendes Reflex- und Streulicht (Restreflexe an ver güteten Linsenoberflächen, diffus von den Meßkammer-Innen wänden remittiertes bzw. gestreutes Licht), möglichst weitgehend zu unterdrücken, und
- den Volumenbereich der Meßkammer, aus dem das an den Staubteilchen innerhalb des Kleinwinkelbereichs gebeugte Licht für den ausgewählten Meßwinkelbereich (z. B. 2-4 Win kelgrad) erfaßt wird, hinsichtlich seiner Ausdehnung senkrecht und parallel zur optischen Achse des Beleuch tungsstrahls soweit einzugrenzen, daß der gewählte Meß winkelbereich mit einer möglichst kleinen Abweichung für alle Punkte dieses Meßvolumens gilt.

Dies wird dadurch erreicht, daß eine von dem monochromati schen Beleuchtungsstrahl mit niedrigem Öffnungswinkel ausgeleuchtete Blendenöffnung in die Mitte der Meßkammer abgebildet wird (Fig. 2) und gleichzeitig die Lichtquelle (oder stellvertretend für diese ihr Zwischenbild) in die Öffnung der Lichfalle im Zentrum der den Meßwinkelbereich bestimmenden Ringblende abgebildet wird.

Das auf diese Weise beleuchtungsseitig schwerpunktmäßig eingegrenzte Meßvolumen bzw. die in ihm jeweils befind lichen Staubteilchen werden über das an letzteren gebeugte und über die Ringblende bezüglich des Meßwinkelbereichs selektierte Licht entweder direkt auf die entsprechend ausgeblendete Empfängerfläche eines Photodetektors abgebil det oder zunächst in die Öffnung einer vor diesem Empfänger angeordneten Meßblende. Zusätzliche Blenden zwischen der den Meßwinkelbereich bestimmenden Ringblende und der Meßblende bzw. der Detektorfläche im parallelen Teil des Meß-Strahlen ganges tragen zu einer weiteren Verringerung des Störlicht anteils und zu einer weiteren Verschärfung des gewählten Meßwinkelbereichs bei. Eine rotationssymmetrisch um die Eintrittsöffnung des Beleuchtungsstrahls herum angeord nete Lichtfalle eliminiert die sonst von dem Meßstrahlengang "gesehene" Meßkammerwandabschnitte bzw. die von diesen indirekt erzeugten Störlichtanteile.

Die Messung des von den Staubteilchen im Meßvolumen gestreuten Lichtes unter einem Winkel außerhalb des Kleinwinkelbereichs - in Fig. 2 unter einem Winkel von 70 Grad - kann natürlich auch in einer in Strömungsrichtung folgenden oder vorge schalteten Meßkammer erfolgen.

Elektronische Meßwerterfassung und -verarbeitung

Für die photometrische Erfassung der Intensitäten des an den Teilchen gestreuten bzw. gebeugten Lichtes sind Photo empfänger und elektronische Anordnungen erforderlich, die

- eine vollständige Trennung des Meß-Signals von Störlicht einflüssen garantieren, sowie
- auch bei sehr schwachen Meß-Signalen einen ausreichenden Signal-Rauschabstand liefern.

Die hierfür erforderlichen Maßnahmen, wie stabilisierter Betrieb der Lichtquelle, Erzeugung eines Wechsellichtsignals, frequenz- und phasenempfindliche Verstärkung des Analogsignals sowie dessen Digitalisierung sind Stand der Technik und nicht Gegenstand der Erfindung. Dagegen sind Maßnahmen zur automatischen Meßwertverarbeitung, wie z. B. zur Bestimmung der Quotienten aus Meßwertpaaren und deren Heranziehung zur Korrektur von Meßwerten Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Claims

1. Verfahren für die simultane oder kurz aufeinander folgende streulichtphotometrische Konzentrationsbestimmung von zwei oder mehreren verschiedenen Teilchengrößenbereichen eines Schwebestaubes, dadurch gekennzeichnet, daß das von den Teilchen gestreute Licht unter ausgewählten Meßwinkeln im Streuwinkelbereich mit zum Teilchenquerschnitte, d. h. mit d des Teilchendurchmessers ansteigender Streu lichtintensität, und außerdem unter mindestens einem oder aber mehreren ausgewählten Meßwinkeln innerhalb des durch die Dominanz des an den Teilchen gebeugten Lichtes ausge zeichneten Kleinwinkelbereichs (Vorwärts-Streukeule) mit einer mit der 3.Potenz des Teilchendurchmessers anstei genden Beugungsintensität gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl des Meßwinkels und der Lichtwellenlänge im durch Anstieg der Streulichtintensität mit dem Teil chenquerschnitt charakterisierten Streuwinkelbereich (außerhalb der "Vorwärts-Streukeule") nach den gewünschten Beiträgen von Reflexion, Brechung und Beugung vorgenommen wird und die Auswahl des Meßwinkels innerhalb des durch die Dominanz des Beugungsanteils ausgezeichneten Kleinwinkel bereichs (innerhalb der "Vorwärts-Streukeule") entsprechend der Lage der Beugungsmaxima des (der) vorzugsweise durch die Konzentrationsmeßung zu erfassenden Korngrößenbereichs (-bereiche).

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Messung des an den Staub teilchen gebeugten Lichtes innerhalb des Kleinwinkelbereichs ein konfokaler verflochteter Strahlengang für die optische Beleuchtungs- und Meßanordnung angewendet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die simultane Erfassung der Beugungsintensitäten innerhalb des Kleinwinkelbereichs unter mehr als einem Meßwinkel erfolgt, und zwar durch zentrische Anordnung von mehreren beugungswinkelselektiven Ringblenden um die optische Achse (0. Ordnung) des Meß-Systems herum vorgenommen wird, wobei das durch die verschiedenen Ringblenden hindurchgelassene Licht jeweils durch eine gesonderte Detektor-Anordnung gemessen wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gewonnenen meßwinkelabhän gigen Signale bzw. ihre Verknüpfung durch Quotienten zur gegenseitigen Korrektur in der Weise verwendet werden, daß eine noch höhere Spezifität des unter einem ausgewählten Meßwinkel erhaltenen Signals für einen bestimmten Teilchen größenbereich erhalten wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch Variation bzw. Auswahl der Wellenlänge des beleuchtenden Lichtes unter den ver schiedenen Meßwinkeln die Spezifität der Meßanzeige für bestimmte gewünschte Teilchengrößenbereiche in gewünschter Weise geändert, erweitert oder eingeengt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine geeignete Winkel kombination in den Winkelbereichen innerhalb und außerhalb des Kleinwinkelbereichs Meß-Signale erhalten werden, die proportional zu den Konzentrationen der arbeitsmedi zinisch interessanten Teilchengrößenbereiche Alveolar fraktion, Tracheobronchialfraktion und Nasal-Laryngal fraktion sind.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der Polarisationszu stand des gestreuten Lichtes für die selektive Erfassung der Teilchengrößenfraktion unterhalb der Lichtwellenlänge (Feinststaub) ausgenutzt wird, indem der beleuchtende Licht strahl linear polarisiert ist und der Polarisationszustand des gestreuten Lichts gemessen wird, und zwar vorzugsweise unter 90 Grad zur Beleuchtungsstrahlachse in zwei azimu talen Ebenen parallel und senkrecht zum Polarisationsvektor des beleuchtenden Lichtes.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die unter verschiedenen optischen Meßbedingungen anfallenden Meß-Signale durch elektronische meßwertverarbeitende Schaltungen in für die Meßaufgabe sinnvoller Art miteinander verknüpft werden.