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Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND AEROSOL-MEASURING DEVICE FOR DETERMINING A SOURCE-BASED PARTICLE SIZE DISTRIBUTION OF AN AEROSOL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/198147
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for determining a source-based particle size distribution of an aerosol using an aerosol-measuring device. First, a proportion parameter is determined which corresponds to the proportion of a source-based aerosol component of the aerosol. Furthermore, a particle size distribution of the aerosol particles is determined so that the source-based particle size distribution of the aerosol is determined from the proportion parameter and the particle size distribution. In terms of equipment, the invention comprises an aerosol measuring device for determining a source-based particle size distribution of an aerosol, said device being used to determine a proportion parameter that corresponds to the proportion of a source-based aerosol component of the aerosol. The particle size distribution of the aerosol particles can be determined so that the source-based particle size distribution of the aerosol can be determined from the proportion parameter and the particle size distribution.

Inventors:
WEISS MAXIMILIAN (DE)
WEIS FREDERIK (DE)
Application Number:
PCT/EP2021/058097
Publication Date:
October 07, 2021
Filing Date:
March 29, 2021
Export Citation:
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Assignee:
PALAS GMBH PARTIKEL UND LASERMESSTECHNIK (DE)
International Classes:
G01N15/02; G01N15/00; G01N15/06
Foreign References:
CN108680473A2018-10-19
DE102009000904A12009-09-10
Other References:
RIVAS IOAR ET AL: "Source apportionment of particle number size distribution in urban background and traffic stations in four European cities", ENVIRONMENT INTERNATIONAL, PERGAMON PRESS, US, vol. 135, 4 December 2019 (2019-12-04), XP085976582, ISSN: 0160-4120, [retrieved on 20191204], DOI: 10.1016/J.ENVINT.2019.105345
Attorney, Agent or Firm:
LICHTI PATENTANWÄLTE PARTNERSCHAFT MBB (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zum Bestimmen einer quellenabhängigen Parti kelgrößenverteilung (cn') eines Aerosols (10) mittels eines Aerosol-Messgeräts (15), wobei Aerosol-Partikel (12) des durch eine Messzelle (25) strömenden Aerosols (10) in der Messzelle (25) mit einem Lichtstrahl (18) beleuchtet, Streulicht (21) von einem Sensor (23) auf genommen und StreulichtSignale (21) der Aerosol- Partikel (12) intensitätsmäßig spektroskopisch erfasst werden, sowie eine für eine Partikelgrößenverteilung (cn) repräsentative Größenverteilung der Streulicht signale (21) erstellt wird, wobei ein Anteilparameter (f) bestimmt wird (A), der einem Anteil eines quellen abhängigen Aerosolteils (10a) am Aerosol (10) ent spricht, wobei eine Partikelgrößenverteilung (cn) der Aerosol-Partikel (12) bestimmt wird (D) und wobei aus dem Anteilparameter (f) und der Partikelgrößenvertei lung (cn) die quellenabhängige Partikelgrößenvertei lung (cn') des Aerosols (10) bestimmt wird (E).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteilparameter (f) aus einem Vergleich zwei er Partikelgrößenverteilungen (cn) des Aerosols (10) bestimmt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteilparameter (f) aus einem Vergleich von einem Parameter (k) mindestens einer Gaskomponente (13) des Aerosols (10) mit einem quel lenabhängigen Referenzwert (kref) bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter (k) der mindestens einen Gaskompo nente (13) der Konzentration der Gaskomponente (13) in dem Aerosol (10) entspricht und/oder dass der quellen abhängige Referenzwert (kref) einer quellenabhängigen Konzentration der Gaskomponente (13) entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung (A) des Anteilparameters (f) die Konzentration (kCo2) von Kohlenstoffdioxid in dem Aero sol (10) mit einem Referenzwert kref zwischen 1% bis 10%, insbesondere zwischen 3% und 5%, insbesondere mit einem Referenzwert kref von 4% verglichen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter (k) der mindestens einen Gaskomponente (13) und/oder der Referenzwert (kref) korrigiert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren abgebrochen wird (C), wenn der Anteilparameter (f) einen ersten benut- zerdefinierten Wert unterschreitet u/o wenn der An teilparameter (f) einen zweiten benutzerdefinierten Wert überschreitet.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Partikelgrößenver teilung (cn) des Aerosols (10) korrigiert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die quellenabhängige Partikelgrö ßenverteilung (cn') bestimmt wird (E) durch eine Mul tiplikation der Partikelgrößenverteilung (cn) des Ae rosols (10) mit dem Anteilparameter (f).

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus mindestens einem Teil der quellenabhängigen Partikelgrößenverteilung (cn') ein Güteparameter (g) des Aerosols (10) bestimmt wird (F).

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung (F) des Güteparameters (g) eine Summierung von mindestens einem Teil der quellenabhän gigen Partikelgrößenverteilung (cn') umfasst.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung (F) des Gütepara meters (g) eine Gewichtung umfasst, die insbesondere abhängig von der Partikelgröße (dp) der Aerosol- Partikel (12) und/oder abhängig von der Konzentration (k) mindestens einer Gaskomponente (13) des Aerosols (10) und/oder abhängig von der relativen Feuchtigkeit des Aerosols (10) ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung (A) des Anteilpa rameters (f) und/oder der Partikelgrößenverteilung (cn) und/oder der quellenabhängigen Partikelgrößenver teilung (cn') und/oder des Güteparameters (g) jeweils die Bestimmung von Einzelwerten und eine statistische Auswertung der Einzelwerte umfasst.

14. Aerosol-Messgerät (15) zum Bestimmen einer quellenab hängigen Partikelgrößenverteilung (cn) eines Aerosols (10), wobei Aerosol-Partikel (12) des Aerosols (10) in einer Messzelle (25) derart angeordnet sind, dass die Aerosol-Partikel (12) von einem Lichtstrahl (18) be leuchtbar sind, wobei Streulicht (21) der Aerosol- Partikel (12) von einem Sensor (23) aufnehmbar und StreulichtSignale (21) der Aerosol-Partikel (12) in- tensitätsmäßig spektroskopisch erfassbar sind, so dass eine für eine Partikelgrößenverteilung (cn) repräsen tative Größenverteilung der StreulichtSignale (21) er stellbar ist, wobei ein Anteilparameter (f) bestimmbar ist, der einem Anteil eines quellenabhängigen Aerosol teils (10a) am Aerosol (10) entspricht, wobei eine Partikelgrößenverteilung (cn) der Aerosol-Partikel (12) bestimmbar ist und wobei aus dem Anteilparameter (f) und der Partikelgrößenverteilung (cn) die quellen abhängige Partikelgrößenverteilung (cn') des Aerosols (10) bestimmbar ist.

15. Aerosol-Messgerät nach Anspruch 14, dadurch gekenn zeichnet, dass das Aerosol-Messgerät (15) eine elekt ronische Verarbeitungseinrichtung (24) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 durchzuführen.

16. Aerosol-Messgerät nach einem der Ansprüche 14 oder 15, gekennzeichnet durch eine Gasmesseinheit (26), die da zu ausgebildet ist, die Konzentration (k) mindestens einer Gaskomponente (13) des Aerosols (10) zu bestim men, wobei die Gasmesseinheit (26) insbesondere zur Detektion von mindestens einem der folgenden Stoffe und/oder Parameter ausgebildet ist: Kohlenstoffoxide, Stickstoffoxide, Schwefeloxide, Ozon, flüchtige orga nische Verbindungen, relative Luftfeuchtigkeit.

17. Aerosol-Messgerät nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (18) po lychromatisches Licht aufweist.

18. Aerosol-Messgerät nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtung der Aerosol-Partikel (12) in der Messzelle (25), die Rich tung des Lichtstrahles (18) in der Messzelle (25) und die Richtung des Streulichtes (21) jeweils paarweise senkrecht zueinander angeordnet sind.

19. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, das dazu ausgestaltet ist, die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer ent sprechenden Recheneinheit ausgeführt wird, insbesonde re auf einer elektronischen Verarbeitungseinrichtung eines Aerosol-Messgerätes nach einem der Ansprüche 14 bis 18.

Description:
Verfahren und Aerosol-Messgerät zum Bestimmen einer quellen abhängigen Partikelgrößenverteilung eines Aerosols

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Aerosol- Messgerät zum Bestimmen einer quellenabhängigen Partikel größenverteilung eines Aerosols.

Im Sinne der Erfindung bezeichnet Aerosol ein Gemisch aus einem Gas mit festen und/oder flüssigen Schwebeteilchen (Aerosol-Partikel), wie beispielsweise Wassertröpfchen, Rußpartikel, Materialabrieb, Pollen, Bakterien, Viren und andere organische und chemische Stoffe. Die Partikelgrößen verteilung bezeichnet die Konzentration der Aerosol- Partikel in Abhängigkeit von deren Partikelgrößen und gibt Aufschluss darüber, wie häufig welche Partikelgrößen im Ae rosol vorhanden sind.

Es sind Verfahren zum Bestimmen der Partikelgrößenvertei lung eines Aerosols bekannt, die beispielsweise zur Ermitt lung der Feinstaubbelastung eingesetzt werden. Dabei wird das Aerosol stets als Ganzes gemessen. Ändert sich die Zu- sammensetzung des Aerosols beispielsweise durch eine Aero sol-Quelle, ist mit den bekannten Verfahren eine quellen spezifische Analyse nicht möglich. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, um die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen. Dabei soll insbesondere eine bessere Analyse des Aerosols ermöglicht werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen einer quellenabhängigen Partikelgrößenverteilung eines Ae rosols mittels eines Aerosol-Messgeräts, wobei Aerosol- Partikel des durch eine Messzelle strömenden Aerosols in der Messzelle mit einem Lichtstrahl beleuchtet, Streulicht von einem Sensor aufgenommen und Streulicht S ignale der Ae rosol-Partikel intensitätsmäßig spektroskopisch erfasst werden, sowie eine für eine Partikelgrößenverteilung reprä sentative Größenverteilung der Streulicht S ignale erstellt wird, wobei ein Anteilparameter bestimmt wird, der einem Anteil eines quellenabhängigen Aerosolteils am Aerosol ent spricht, wobei eine Partikelgrößenverteilung der Aerosol- Partikel bestimmt wird und wobei aus dem Anteilparameter und der Partikelgrößenverteilung die quellenabhängige Par tikelgrößenverteilung des Aerosols bestimmt wird.

Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe gelöst durch ein Aero sol-Messgerät zum Bestimmen einer quellenabhängigen Parti kelgrößenverteilung eines Aerosols, wobei Aerosol-Partikel des Aerosols in einer Messzelle derart angeordnet sind, dass die Aerosol-Partikel von einem Lichtstrahl beleuchtbar sind, wobei Streulicht der Aerosol-Partikel von einem Sen sor aufnehmbar und Streulicht S ignale der Aerosol-Partikel intensitätsmäßig spektroskopisch erfassbar sind, so dass eine für eine Partikelgrößenverteilung repräsentative Grö ßenverteilung der Streulicht S ignale erstellbar ist, wobei ein Anteilparameter bestimmbar ist, der einem Anteil eines quellenabhängigen Aerosolteils am Aerosol entspricht, wobei eine Partikelgrößenverteilung der Aerosol-Partikel bestimm bar ist und wobei aus dem Anteilparameter und der Partikel größenverteilung die quellenabhängige Partikelgrößenvertei lung des Aerosols bestimmbar ist.

Daneben wird die Aufgabe gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, das dazu ausgestaltet ist, die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit ausgeführt wird.

Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass sich durch eine Aerosol-Quelle (Im Folgenden "Quelle") die Zu sammensetzung des Aerosols ändert, so dass das Aerosol ei nen quellenabhängigen und einen quellenunabhängigen Anteil aufweist. Ein Beispiel für eine Quelle im Sinne der Erfin dung ist eine Person, die sich im Bereich des Aerosols be findet, wobei die ausgeatmete Luft der Person als Beispiel eines quellenabhängigen Aerosols im Sinne der Erfindung die Zusammensetzung des Aerosols ändert und insbesondere eine mikrobielle Belastung des Aerosols bewirken kann. Insofern ist beispielsweise die von einer Person ausgeatmete Luft im Sinne der Erfindung als quellenabhängiger Aerosolteil zu verstehen, wobei in diesem Fall die Partikelgrößenvertei lung der ausgeatmeten Luft die entsprechende quellenabhän gige Partikelgrößenverteilung darstellt. Der Anteilparame ter entspricht im Sinne der Erfindung dem Anteil des quel lenabhängigen Aerosols oder Aerosolteils am gesamten Aero sol und erlaubt die Bestimmung der quellenabhängigen Parti kelgrößenverteilung, die sich auf das Aerosol der Quelle, beispielsweise die ausgeatmete Luft der Person, bezieht. Durch die Erfindung ist die quellenabhängige Partikelgrö ßenverteilung, die dem quellenabhängigen Teil des (gesam- ten) Aerosols entspricht, charakterisierbar, was eine ver besserte Analyse des Aerosols erlaubt. Das Entsprechende gilt vorrichtungsmäßig für das erfindungsgemäße Aerosol- Messgerät.

Der Anteilparameter kann aus einem Vergleich zweier Parti kelgrößenverteilungen des Aerosols bestimmt werden, wobei der Vergleich insbesondere die Bildung einer Differenz und/oder eines Quotienten umfassen kann, um den Anteilpara meter einfach zu bestimmen. Mindestens eine der Partikel größenverteilungen kann eine theoretische Partikelgrößen verteilung und/oder eine durch Messwerte bestimmte Parti kelgrößenverteilung sein. Vorzugsweise ist eine der Parti kelgrößenverteilungen eine quellenabhängige Partikelgrößen verteilung .

Vorzugsweise wird der Anteilparameter aus einem Vergleich von einem Parameter mindestens einer Gaskomponente des Ae rosols mit einem quellenabhängigen Referenzwert bestimmt, was ein schnelles Verfahren zum Bestimmen des Anteilparame ters darstellt. Der Referenzwert kann beispielsweise benut zerdefiniert und/oder aus einer vorherigen Messung bestimmt werden. In letzterem Fall wird der Referenzwert beispiels weise aus einer Serie von Messungen bestimmt, die über ei nen Zeitraum von 24 Stunden durchgeführt wird. Gaskomponen ten im Sinne der Erfindung kann insbesondere mindestens ein Stoff der folgenden Gruppe sein: Kohlenstoffoxide, Stick stoffoxide, Schwefeloxide, Ozon, flüchtige organische Ver bindungen (engl, volatile organic Compounds, VOC).

Vorzugsweise ist der Parameter der mindestens einen Gaskom ponente deren Konzentration in dem Aerosol und/oder der quellenabhängige Referenzwert entspricht vorzugsweise einer quellenabhängigen Konzentration der Gaskomponente. Beson ders vorzugsweise wird zur Bestimmung des Anteilparameters die Konzentration von Kohlenstoffdioxid in dem Aerosol mit einem Referenzwert zwischen 1% und 10%, insbesondere zwi schen 3% und 5%, insbesondere mit einem Referenzwert von 4% verglichen, wobei ein Referenzwert von 4% (40.000 ppm) der

Konzentration von Kohlenstoffdioxid in dem menschlichen Atem entspricht. Durch die Verwendung der Konzentration von Kohlenstoffdioxid zur Bestimmung des Anteilparameters ergibt sich ein besonders zuverlässiges Verfahren.

Um insbesondere den Anteil von ausgeatmeter Luft an dem Ae rosol als Anteilparameter zu bestimmen, wird beispielsweise die Konzentration von Kohlenstoffdioxid in dem Aerosol durch die Konzentration von Kohlenstoffdioxid in ausgeatme ter Luft (4%) geteilt.

Um die Genauigkeit des Verfahrens zu verbessern, kann der Parameter der mindestens einen Gaskomponente und/oder der Referenzwert korrigiert werden. Die Korrektur kann bei spielsweise die Kompensation der Einflüsse von atmosphäri scher Luft umfassen, wobei diese Einflüsse modellhaft ange nommen werden und/oder durch eine über einen Zeitraum er folgte Messserie bestimmt werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Korrekturwert durch eine Serie von Messungen über ein benutzerdefiniertes Zeit intervall, beispielsweise 24 Stunden, bestimmt, wobei ins besondere der Korrekturwert dem Minimum der Messungen ent spricht. Beispielsweise können die Einflüsse von atmosphä rischer Luft auf den Parameter und/oder auf den Referenz wert korrigiert werden, indem entsprechende Werte subtra hiert werden, um eine einfache Korrektur durchzuführen. Insbesondere kann ein Wert von etwa 0,05% von der bestimm- ten Konzentration von Kohlenstoffdioxid im Aerosol und von der Konzentration von Kohlenstoffdioxid in ausgeatmeter Luft abgezogen werden. Die Korrektur kann auch Einflüsse von Feuchtigkeit, insbesondere der relativen Luftfeuchtig keit umfassen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Korrektur eine Normierung umfassen.

Vorzugsweise wird das Verfahren abgebrochen, wenn der An teilparameter einen ersten benutzerdefinierten Wert unter schreitet und/oder wenn der Anteilparameter einen zweiten benutzerdefinierten Wert überschreitet. Beispielsweise wird das Verfahren abgebrochen, wenn der Wert des Anteilparame ters ergibt, dass kein quellenabhängiger Teil des Aerosols vorliegt und/oder sich die Zusammensetzung des Aerosols nicht geändert hat.

Die bestimmte Partikelgrößenverteilung des Aerosols kann korrigiert werden, um störende Hintergrundeinflüsse zu be seitigen. Insbesondere kann zur Korrektur eine Normierung erfolgen. Vorzugsweise werden bei der Korrektur Feuchtig keitseinflüsse auf die Partikelgrößenverteilung kompen siert. Außerdem kann die Korrektur anhand einer Partikel größenverteilung durchgeführt werden, die vorzugsweise the oretisch bestimmt wird und/oder anhand von vorheriger Mes sungen bestimmt wird. Insbesondere kann die Korrektur an hand einer bestimmten Partikelgrößenverteilung erfolgen, die bei einer benutzerdefinierten Konzentration von Kohlen stoffdioxid, beispielsweise bei einer Konzentration von Kohlenstoffdioxid von 400 ppm, bestimmt wurde.

Zur Beschleunigung des Verfahrens können ein Downsampling und/oder eine Kompression der bestimmten Partikelgrößenver- teilung und/oder der quellenabhängigen Partikelgrößenver teilung erfolgen.

Die quellenabhängige Partikelgrößenverteilung kann durch eine Multiplikation der Partikelgrößenverteilung des Aero sols mit dem Anteilparameter bestimmt werden, was vorzugs weise für jeden Wert der Partikelgrößenverteilung erfolgt.

Vorzugsweise wird aus mindestens einem Teil der quellenab hängigen Partikelgrößenverteilung ein Güteparameter des Ae rosols bestimmt, der dessen Qualität entspricht, um die Qualität des Aerosols einfach zu charakterisieren. Vorzugs weise entspricht der Güteparameter der Luftqualität. Die Bestimmung des Güteparameters umfasst weiter vorzugsweise eine Summierung von mindestens einem Teil der quellenabhän gigen Partikelgrößenverteilung. Insbesondere ist der PM 2, 5- Wert der quellenabhängigen Partikelgrößenverteilung ein Gü teparameter im Sinne der Erfindung und entspricht dem An teil von Aerosol-Partikeln mit Partikeldurchmessern von kleiner als 2,5 pm am quellenabhängigen Aerosol, beispiels weise an der ausgeatmeten Luft. Zur Ermittlung des Gütepa rameters kann die quellenabhängige Partikelgrößenverteilung mindestens teilweise interpoliert und/oder integriert wer den.

In besonders vorzugsweiser Ausgestaltung umfasst die Be stimmung des Güteparameters eine Gewichtung, die beispiels weise von der Partikelgröße der Aerosol-Partikel und/oder von einem Parameter mindestens einer Gaskomponente und/oder von der relativen Feuchtigkeit des Aerosols abhängig ist.

Vorzugsweise umfasst die Bestimmung des Anteilparameters und/oder der Partikelgrößenverteilung und/oder der quellen- abhängigen Partikelgrößenverteilung und/oder des Gütepara meters jeweils die Bestimmung von Einzelwerten und eine statistische Auswertung der Einzelwerte, um die Genauigkeit der bestimmten Parameter zu verbessern. Insbesondere kann hierzu eine benutzerdefinierte Anzahl der Bestimmungen über einen benutzerdefinierten Zeitraum erfolgen, wobei die Ein zelwerte durch eine Mittelwertbildung, insbesondere durch eine gleitende Mittelwertbildung, ausgewertet werden.

Vorrichtungsmäßig kann das Aerosol-Messgerät eine elektro nische Verarbeitungseinrichtung aufweisen, die dazu ausge bildet ist, die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Vorzugsweise weist das Aerosol-Messgerät ei ne Gasmesseinheit auf, die dazu ausgebildet ist, die Kon zentration mindestens einer Gaskomponente des Aerosols zu bestimmen. Hierzu weist die Gasmesseinheit insbesondere mindestens einen Gassensor auf. Die Gasmesseinheit kann zur Detektion von mindestens einem der folgenden Stoffe und/oder Parameter ausgebildet sein, insbesondere eines Mitglieds der Gruppe: Kohlenstoffoxide, Stickstoffoxide, Schwefeloxide, Ozon, flüchtige organische Verbindungen, re lative Luftfeuchtigkeit.

Der Lichtstrahl des Aerosol-Messgeräts weist insbesondere polychromatisches und/oder Laserlicht auf. Die Bewegungs richtung der Aerosol-Partikel in der Messzelle, die Rich tung des Lichtstrahles in der Messzelle und die Richtung des Streulichtes können jeweils paarweise senkrecht zuei nander angeordnet sein. Das Aerosol-Messgerät weist vor zugsweise eine Ausgabeeinrichtung auf, die zur Ausgabe ei ner Information ausgestaltet ist, wobei die Information der quellenabhängigen Partikelgrößenverteilung, insbesondere dem Güteparameter, zugeordnet sein kann. Die Ausgabeein richtung kann insbesondere eine Anzeige aufweisen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Aerosol-Messgerät eine Fördereinrichtung auf, um die Aerosol-Partikel zur Messzelle zu befördern, wobei die Fördereinrichtung beispielsweise eine Pumpe und/oder einen Ventilator aufweist.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Ansprü chen und der folgenden Beschreibung, in der ein Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeich nung im Einzelnen beschrieben ist. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Aerosol- Messgerätes in einem zu messenden Aerosol;

Fig. 2 ein schematischer Aufbau des Aerosol-Messgeräts der Fig. 1;

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfah rens;

Fig. 4 eine erste Partikelgrößenverteilung mit einer ers ten quellenabhängigen Partikelgrößenverteilung;

Fig. 5 eine zweite Partikelgrößenverteilung mit einer zweiten quellenabhängigen Partikelgrößenverteilung und

Fig. 6 eine dritte Partikelgrößenverteilung mit einer dritten quellenabhängigen Partikelgrößenvertei lung. Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Aerosol 10 in einem abgeschlossenen Bereich 11, wobei das Aerosol 10 fes te und flüssige Aerosol-Partikel 12 in einem Gas 13, bei spielsweise Luft, enthält. Aerosol-Partikel 11 sind bei spielsweise Wassertröpfchen, Rußpartikel, Materialabrieb, Pollen und/oder andere organische und chemische Stoffe. Als Aerosol-Quelle 14 befindet sich eine Person im Bereich 11. Im Folgenden wird angenommen, dass sich das Aerosol 10 in nerhalb des Bereiches 11 im Wesentlichen durch die ausgeat mete Luft der Person 14 ändert. Das Aerosol 10 des Berei ches 11 weist daher einen quellenabhängigen Aerosolteil 10a, hier die ausgeatmete Luft, und einen quellenunabhängi gen Aerosolteil 10b auf.

Im Bereich 11 des Aerosols 10 ist ein Aerosol-Messgerät 15 in Form eines Aerosol-Spektrometers angeordnet, das eine Partikelgrößenverteilung c n der Aerosol-Partikel 12 des Ae rosols 10 in Abhängigkeit von deren Partikeldurchmessern d p misst. Die Aerosol-Partikel 12 werden hierzu über eine Zu gangsöffnung 16 des Aerosol-Messgeräts 15 und über ein Durchflussrohr 17 mittels einer stromab angeordneten För dereinrichtung (nicht dargestellt) hindurchgesaugt, wobei die Fördereinrichtung als Pumpe ausgestaltet ist. Das Durchflussrohr 17 ist im skizzierten Aufbau des Aerosol- Messgeräts 15 gemäß Fig. 2 senkrecht zur Zeichenebene ange ordnet.

Die Aerosol-Partikel 12 werden im Durchflussrohr 17 senk recht zu ihrer Flugrichtung mit einem kollimierten Licht strahl 18 aus polychromatischen Licht einer Lichtquelle 19 und einer Linse 20 bestrahlt. Aufgrund der dadurch statt findenden Streuprozesse senden die Aerosol-Partikel 12 Streulicht 21 ab, das senkrecht zur Flugrichtung der Aero sol-Partikel 12 und senkrecht zur Bestrahlungsrichtung des Lichts aus der Lichtquelle 19 auf eine Sammellinse 22 trifft. Die Sammellinse 22 fokussiert das Streulicht 21 auf einen optoelektrischen Sensor 23, der das Streulicht 21 in elektrische Signale umwandelt. Eine elektronische Verarbei tungseinrichtung 24 bestimmt aus den elektrischen Signalen die Partikelgrößenverteilung c n in Abhängigkeit von den Partikeldurchmessern d p der Aerosol-Partikel 12. Die räum liche Überlappung des Lichtstrahls 18, des gemessenen Streulichts 21 und des erfassten Teils der Aerosol-Partikel 12 im Durchflussrohr 17 definiert eine virtuelle räumliche Messzelle 25, in der die Partikelgrößenverteilung c n be stimmt wird.

Bei der Messung ist die Lichtintensität des Streulichts 21 und damit auch die hierdurch bedingte elektrische Signal stärke ein Maß für die Partikelgröße der Aerosol-Partikel 12, der dementsprechend ein Partikeldurchmesser d p zugeord net wird. Die gemessene Partikelgrößenverteilung c n ist ab hängig vom Partikeldurchmesser d p , so dass gilt: c n = f(d p ).

Die bestimmte Partikelgrößenverteilung c n wird für diskrete Partikeldurchmesser d p als Messpunkte bestimmt, wobei in der Regel bis zu 256 Kanäle verwendet werden. Zur Verbesse rung der Genauigkeit wird der Verlauf der Partikelgrößen verteilung c n zwischen den Messpunkten bei der Auswertung in der elektronischen Verarbeitungseinrichtung 24 lokal mittels kubischer Splines interpoliert, so dass sich ein kontinuierlicher Verlauf ergibt. Zur Beschleunigung des nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Partikelgrößenverteilung c n mittels Downsampling für 32 Kanäle bestimmt. Von der bestimmten Partikelgrößenverteilung c n wird eine Referenz-Partikelgrößenverteilung c r subtrahiert, wobei die Referenz-Partikelgrößenverteilung c r eine modellhafte Ver teilung ist, die üblicher Raumluft entspricht und eine Koh lenstoffdioxid-Konzentration von etwa 400 ppm aufweist.

Das Aerosol-Messgerät 15 weist eine Gasmesseinheit 26 auf, die als Gassensor ausgebildet ist und die Konzentration k C0 2 von Kohlenstoffdioxid (CO2) im Aerosol bestimmt, was im Sinne der Erfindung dem Volumenanteil von CO2 an dem Aero sol 10 entspricht. Dieser Wert wird an die elektronische Verarbeitungseinrichtung 24 übermittelt.

Im Folgenden wird eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Fig. 2 beschrieben, bei dem die quellenab hängige Partikelgrößenverteilung c n ' bestimmt wird, die dem quellenabhängigen Aerosolteil 10a entspricht und der von der Person 14 ausgeatmeten Luft zugeordnet ist. Im Sinne der Erfindung wird diese Partikelgrößenverteilung c n ' als quellenabhängige Partikelgrößenverteilung bezeichnet. Durch das Verfahren wird insbesondere das Infektionsrisiko inner halb des Bereiches 11 infolge der mikrobiellen Belastung des Aerosols 10 bestimmt.

In einem ersten Schritt A des Verfahrens wird der Anteilpa rameter f bestimmt. Hierzu wird durch den Gassensor 26 die CC>2-Konzentration k C o2 in dem Aerosol 10 bestimmt und an die elektrische Verarbeitungseinrichtung 24 übermittelt. Von der CC>2-Konzentration k C0 2 wird eine Referenz-Konzentration k ref subtrahiert, die der üblichen CC>2-Konzentration von Raumluft entspricht und im vorliegenden Beispiel etwa 0,05 % beträgt. Die Referenz-Konzentration k ref wird bestimmt, indem über einen Zeitraum von 24 Stunden in einem Intervall von einer Messung pro Stunde die C0 2 Konzentration des Ae rosols 10 gemessen und das Minimum dieser Messwerte gebil det wurde. Da die im vorliegenden Beispiel zu bestimmende quellenabhängige Partikelgrößenverteilung c n ' Atemluft ent spricht, wird von der CC>2-Konzentration von ausgeatmeter Luft - hier ca. 4% - ebenfalls die Referenz-Konzentration k ref subtrahiert. Im Ergebnis erhält man eine korrigierte CC>2-Konzentration k C0 2' des Aerosols 10 und eine korrigierte Referenz-Konzentration k ref '. Der Quotient dieser beiden Größen ergibt einen Einzelwert fi für den Anteilparameter f der Atemluft 10a an dem Aerosol 10. Die Einzelwerte fi des Anteilparameters f werden fortwährend über eine zeitliche Dauer von 30 min bestimmt, wobei der Anteilparameter f als gleitender Mittelwert aus den Einzelwerten gebildet wird.

In einem nächsten Schritt B erfolgt eine Abfrage des An teilfaktors f: Falls sich innerhalb des Bereiches 11 keine Person 14 aufhält, ergibt sich für den Anteilparameter f ein Wert von 0, woraufhin das Verfahren abbricht C und nach einem benutzerdefinierten Zeitintervall das Verfahren neu startet.

Ergibt die Abfrage B einen Wert für den Anteilparameter von größer 0, wird das Verfahren fortgesetzt und die Partikel größenverteilung c n des Aerosols 11 in vorstehend beschrie bener Weise bestimmt D. Das Aerosol-Messgerät 15 bestimmt kontinuierlich die Partikelgrößenverteilung c n des Aerosols 10 in einer Messfrequenz von einer Messung pro Minute und bildet die im Folgenden verwendete Partikelgrößenverteilung c n als gleitenden Mittelwert. Die quellenabhängige Partikelgrößenverteilung c n ' wird an schließend bestimmt E, indem die Partikelgrößenverteilung c n des Aerosols 10 mit dem Anteilparameter f multipliziert wird, was im vorliegenden Beispiel für jeden Messkanal er folgt.

Die Bestimmung E der quellenabhängigen Partikelgrößenver teilungen c n ' ist in den Fig. 4 bis 6 dargestellt, die je weils auf der linken Seite eine beispielshafte Partikelgrö ßenverteilung c n des Aerosols 10 und jeweils auf der rech ten Seite eine quellenabhängige Partikelgrößenverteilung c n ' zeigen. Die Partikelgrößenverteilungen c n , c n ' sind dort jeweils in Abhängigkeit des Partikeldurchmessers d p als Balkendiagramme veranschaulicht. Aus Gründen der Übersicht weisen die Partikelgrößenverteilungen c n , c n ' jeweils 7 Messwerte auf. In Fig. 4 beträgt der Anteilfaktor ca. 0,28, in Fig. 5 ca. 0,3 und in Fig. 6 ca. 0,32. Hieraus ist er sichtlich, dass der Anteilfaktor f im Übergang der Parti kelgrößenverteilung c n der Fig. 4 zur Partikelgrößenvertei lung c n der Fig. 6 zugenommen hat. Dies deutet darauf hin, dass sich die Person 14 möglicherweise längere Zeit im Be reich 11 aufgehalten hat und ein kontinuierlich steigender Anteil der Atemluft 10a am Aerosol 10 vorliegt.

Nach der Bestimmung E der quellenabhängigen Partikelgrößen verteilung c n ' erfolgt eine Bestimmung F von Güteparametern g, die der quellenabhängigen Partikelgrößenverteilung c n ' zugeordnet sind und im Folgenden beschrieben werden:

Die Gesamtanzahl gi der Aerosol-Partikel 12 in der quellen abhängigen Partikelgrößenverteilung c n ' wird bestimmt durch eine AufSummierung der quellenabhängigen Partikelgrößenver teilung c n ' über sämtliche Kanäle. Da die quellenabhängige Partikelgrößenverteilung c n ' insbesondere auch mikrobielle Verunreinigungen des Aerosols 10, beispielsweise durch Bak terien oder Viren, beinhaltet, dient die Gesamtanzahl gi als Indikator für eine Infektionsgefahr und wird daher auch als "Germ Indicator" bezeichnet.

Aus der quellenabhängigen Partikelgrößenverteilung c n ' wird daneben der PM 2 , 5- Parameter g 2 bestimmt, der die Massefrak tion aller Aerosol-Partikel 12 mit Partikeldurchmessern d p von kleiner als 2,5 pm am quellenabhängigen Aerosolteil 10a, also der ausgeatmeten Luft, wiedergibt und ein weite rer Güteparameter g für insbesondere die Feinstaubbelastung des quellenabhängigen Aerosols 10a darstellt. Der PM 25- Wert beinhaltet ebenfalls mikrobielle Verunreinigungen der Luft und gibt somit auch Aufschluss über die mikrobielle Belas tung des quellenabhängigen Aerosolteils 10a. Außerdem wird ein modifizierter PM 25- Parameter g bestimmt, bei dem die Berechnung anhand einer Gewichtung in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit des Aerosols 10 erfolgt.

Zu einer umfassenden Bewertung der Aerosol-Qualität weist die Gasmesseinheit 26 weitere, in Fig. 1 nicht gezeigte Komponenten auf, wie beispielsweise ein Hygrometer zur Be stimmung der relativen Luftfeuchtigkeit, Sensoren zur Be stimmung flüchtiger organischer Verbindungen, Ozon, Stick oxiden, Schwefeloxiden und/oder Kohlenmonoxid. Ferner kön nen Parameter bestimmt werden, die sich aus mehreren dieser Kenngrößen zusammensetzen. Beispielsweise ist die Bestim mung eines Indikators für die Infektionsgefahr vorgesehen, der von der korrigierten PGV, den Konzentrationen flüchti ger organischer Verbindungen und von C02 sowie von der re lativen Feuchtigkeit abhängig ist. Aus der quellenabhängigen Partikelgrößenverteilung c n ' wird auch die Anzahlkonzentration kolonie-bildender Partikel (kbP pro m 3 ) bestimmt, die ein Maß für die mikrobielle Ver unreinigung der Luft darstellt.

Die Schritte des vorstehend beschriebenen Verfahrens werden kontinuierlich durchgeführt, wenn ein erfindungsgemäßes Computerprogramm auf der Verarbeitungseinrichtung 24 ausge führt wird.




 
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