Partikelgrößenbestimmung mittels eines Laser-Optischen Partikelzählers mit zwei Empfangswinkelbereichen

Particle size determination by a laser optical particle counter with two receiving angle ranges

  • Zur Bestimmung deren Größe und Konzentration der Aerosolpartikeln zählt der optische Partikelzähler (OPZ). Einzelne Teilchen passieren ein intensiv beleuchtetes Messvolumen. Das von den Teilchen gestreute Licht wird mittels eines aus Linsen und Blenden bestehenden Systems auf einen photoelektrischen Sensor fokussiert und dabei als Streulicht-Impuls empfangen, wobei die Impuls-Höhe in die Teilchengröße (durch Mie-Theorie) umgerechnet wird. Je nach der Lichtquelle teilen sich die OPZ in zwei Gruppen ein: OPZ mit Weißlicht und mit Laserlicht. Als Lichtquelle bietet der Laser eine Reihe Vorteile. Aber der Laser als Lichtquelle hat auch Nachteil: der konventionelle Laserlicht-Partikelzähler liefert, anders als Weißlicht, normalerweise keinen eindeutigen Zusammenhang zwischen Streulichtintensität und Partikelgröße, insbesondere beim Partikelgrößenbereich um 1 um. Auf Basis von dem Stand der OPZ-Technik wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine neue Messeinrichtung: Laserlicht-Partikelzähler mit zwei unterschiedenen EmpfangswinkelbereichenZur Bestimmung deren Größe und Konzentration der Aerosolpartikeln zählt der optische Partikelzähler (OPZ). Einzelne Teilchen passieren ein intensiv beleuchtetes Messvolumen. Das von den Teilchen gestreute Licht wird mittels eines aus Linsen und Blenden bestehenden Systems auf einen photoelektrischen Sensor fokussiert und dabei als Streulicht-Impuls empfangen, wobei die Impuls-Höhe in die Teilchengröße (durch Mie-Theorie) umgerechnet wird. Je nach der Lichtquelle teilen sich die OPZ in zwei Gruppen ein: OPZ mit Weißlicht und mit Laserlicht. Als Lichtquelle bietet der Laser eine Reihe Vorteile. Aber der Laser als Lichtquelle hat auch Nachteil: der konventionelle Laserlicht-Partikelzähler liefert, anders als Weißlicht, normalerweise keinen eindeutigen Zusammenhang zwischen Streulichtintensität und Partikelgröße, insbesondere beim Partikelgrößenbereich um 1 um. Auf Basis von dem Stand der OPZ-Technik wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine neue Messeinrichtung: Laserlicht-Partikelzähler mit zwei unterschiedenen Empfangswinkelbereichen zur Ermittlung der Partikelgrößen gebaut und systematisch untersucht (z.B. Koinzidenzfehler, Randzonenfehler und Totzeit). Eine Laserdiode ist als Lichtquelle eingesetzt. Innerhalb des Laserstrahls ist ein Messvolumen durch die zwei Empfangssysteme rein optisch abgegrenzt. Aus dieser Messeinrichtung ergeben sich zwei Kalibrierkurven, die den Zusammenhang von Partikelgröße und Impulshöhe beschreiben können. Das heißt, für jede Partikel, die durch das Messvolumen passiert, werden zwei Signale gemessen. Zur Bestimmung von deren Größe kann jede Kombinationsmöglichkeit der beiden Impulshöhen bzw. Kalibrierkurven (speziell durch Matrix-Methode) theoretisch genutzt werden. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass dieses neue Verfahren für die Ermittelung der Partikelgrößen aus mehrdeutigen Kurven, besonders beim Einsatz für unterschiedliche Stoffsysteme bzw. einem breiten Brechungsindexbereich geeignet ist. Die Problematik der Mehrdeutigkeit beim Laserlicht wird dadurch vielfach erleichtert oder auch gelöst. Für kritische Anwendungsfälle bleibt die Messung on line und in situ noch realisierbar.show moreshow less
  • Optical particle counters (OPC) are among the most widely used aerosol instruments for measuring the concentration and size distribution of aerosol particles today. Single particles pass through one illuminated sample volume, they scatter light which is collected over some solid angle by the receiving optics, and focused onto a photo detector. The particle size is determined (with Mie theory) by the peak intensity of the scattered light (electrical pulse height). Depending on the light source optical particle counters can be divided into two types: OPC with white light and OPC with laser. Optical particle counters making use of the laser as the light source have become increasingly popular in recent years because of the higher light intensity that can be obtained in the viewing volume of the instrument and the ability of the laser counter to measure smaller particles. Commercially available laser optical particle counters also have disadvantage. They usually show ambiguous relationship between the scattered light and the particleOptical particle counters (OPC) are among the most widely used aerosol instruments for measuring the concentration and size distribution of aerosol particles today. Single particles pass through one illuminated sample volume, they scatter light which is collected over some solid angle by the receiving optics, and focused onto a photo detector. The particle size is determined (with Mie theory) by the peak intensity of the scattered light (electrical pulse height). Depending on the light source optical particle counters can be divided into two types: OPC with white light and OPC with laser. Optical particle counters making use of the laser as the light source have become increasingly popular in recent years because of the higher light intensity that can be obtained in the viewing volume of the instrument and the ability of the laser counter to measure smaller particles. Commercially available laser optical particle counters also have disadvantage. They usually show ambiguous relationship between the scattered light and the particle size, especially for the particle size around 1 um. Based on the state of OPC Technology, a new laser optical particle counter with two reception systems has been developed in the present work, and its performance (for instance: coincidence error, fringes error and dead time) has been investigated systematically. By this new instrument a laser diode is used as the light source, a sample volume is purely optically defined within the laser beam through two receiving systems with different detecting ranges. With this new instrument there are two calibration curves, which describe the relationship between the particle size and pulse height. This means that two signals are measured for every particle, when it passes through the sample volume. To determine the particle size, any possible combination of the two pulse heights or the two calibration curves can be used theoretically. In the present work a matrix method is introduced on the base of this instrument. Experimental evidences indicate that this new method is very suitable for determining the particle sizes with ambiguous calibration curves, especially for measuring different material systems and a wide refractive index range. The problem of ambiguity of laser optical particle counters is partially or even solved. For serious applications, measurements for on-line and in-situ remain to be realized with the laser optical particle counter developed in this work.show moreshow less

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Metadaten
Author: Wang, Shaoliang
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-14472
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Riebel, Ulrich
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2009
Date of final exam:2009/05/18
Release Date:2010/03/11
Tag:Matrix-Methode; Mie-Theorie; Optischer Partikelzähler; Partikelgrößenbestimmung; Streulicht
Matrix method; Mie theory; Optical particle counter; Particle sizing; Scattered light
GND Keyword:Korngrößenanalyse; Optische Messung
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Mechanische Verfahrenstechnik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik (eBTU) / LS Mechanische Verfahrenstechnik